基因治疗法的前世今生

去五年见证了基因和细胞治疗领域的复兴，以及经过数十年努力的首个获批疗法（图 1）。

这包括第一个基于寡核苷酸的疗法（Spinraza、Exondys 51、Vyondys 53）、三种细胞疗法（Kymriah、Yescarta、Tescartus -和两种体内基因疗法（Luxturna 和 Zolgensma），更多的紧随其后（ 说明：本文发表时的情况）。

这些疗法治疗多种临床适应症和组织靶点，包括神经肌肉疾病、遗传性失明和癌症。虽然这些获批的疗法改变了受影响患者的生活，但它们在更广泛地为该领域展示的内容方面提供了更广泛的影响，并为可以开发许多其他疾病的治疗方法奠定了基础。例如，Luxturna 和 Zolgensma 分别针对 Leber 先天性黑蒙和脊髓性肌萎缩症在体内 AAV 基因转移到人类视网膜和中枢神经系统的成功，促进了基于 AAV 的基因转移到肝脏和中枢神经系统的疗法的发展。骨骼肌分别用于治疗血友病和杜氏肌营养不良症。

同样，将体外慢病毒和逆转录病毒基因转移到 T 细胞的早期技术开发，导致过继细胞免疫疗法已扩展到造血干细胞的修饰，从而能够治疗镰状细胞病和β地中海贫血等遗传性疾病，最近在欧盟获得批准。目前正在美国审查。

虽然将这些早期基因治疗成功外推到其他疾病和患者人群的潜力令人兴奋，但下一代技术正在显着扩大这些药物对治疗人类疾病的影响（图 2）。

例如，更广泛应用的主要障碍仍然是对基因传递载体和外源转基因产物的免疫反应。因此，人类免疫系统的控制是一些最有影响力的工作将在不久的将来发生的地方。例如，尽管许多基于 AAV 的基因疗法取得了惊人的成功，但由于预先存在对病毒衣壳的免疫力，目前仍有多达50% 的患者被排除在治疗之外。

目前在临床试验中的最新进展和努力已经导致技术进步来规避这种免疫障碍，例如改造AAV 衣壳以避开预先存在的中和抗体 以及从循环中暂时清除抗体的方法。免疫抑制方案还可以提供一种方法来规避预先存在的免疫和避免对载体的适应性免疫，这可以在必要时进行后续重新给药。

此外，用于基因传递的非病毒纳米粒子的工程和分析也取得了显着进步。基于 siRNA 纳米颗粒递送的临床成功以及 2018 年首次批准基于 siRNA 的药物 Onpattro 用于治疗遗传性 ATTR 淀粉样变性，这些技术可能会对未来的基因治疗产生巨大影响。纳米粒子的一个可能优势是有可能绕过限制病毒传递的免疫系统的检测。此外，化学定义的纳米颗粒配方为功能化和组织靶向提供了独特的机会，这可能最终对视网膜和肝脏外的体内基因转移的成功至关重要。

除了专注于传递转基因的第一代基因疗法之外，基因编辑技术正在为基于人类基因组序列精确修改的全新治疗方式提供支持。虽然基因编辑疗法于 2010 年首次进入临床试验，作为预防 T 细胞感染 HIV 的方法，但仅在过去一年中，基于 CRISPR 的镰状细胞病基因编辑临床试验证明了疾病修饰功效的第一个例子， β-地中海贫血（CTX001）。这一开创性的成功，加上迄今为止在人体试验中基因编辑 T 细胞和 HSC 的有希望的安全记录，为正在进行和即将进行的体内基因组编辑临床试验的高度预期结果奠定了基础，包括当前在视网膜中进行基于 AAV 的基因编辑的试验 (EDIT-101)以及计划中的基于非病毒纳米颗粒的 CRISPR 递送至肝脏的试验 (NTLA-2001)。然而，扩展到视网膜和肝脏以外的目标组织面临着许多挑战。到目前为止，美国国立卫生研究院已宣布承诺在六年内投入1.9亿美元，以支持体细胞基因组编辑联盟，该联盟将直接解决交付、安全和系统建模方面的挑战，以将体内基因组编辑推向更广泛的领域。解决不同组织类型和疾病状况的人类健康障碍。可以肯定的是，该联盟的产品将在未来十年及以后显着加速基因编辑疗法的发展。

当前的基因编辑技术使用基于核酸酶的系统来切割 DNA 链并刺激 DNA 修复途径以引入所需的序列变化。虽然这些技术目前才刚刚开始进行临床测试，但在这些努力之后，下一代编辑技术已经出现，以提高对不同类别疾病的特异性、准确性、效率和适用性。例如，碱基编辑和引物编辑的发明使得在不存在 DNA 断裂且不依赖于内源性 DNA 修复途径的活动的情况下精确改变基因组序列成为可能。RNA 靶向编辑技术允许对基因表达进行瞬时和可逆修改，而无需永久更改基因组序列，从而可能提高效率和安全性。最后，表观基因组编辑技术具有可调性、可逆性和通过细胞分裂可遗传的瞬时编辑活动后持续结果的潜力的优势。与这些先进的编辑模式并行的是，可能的 DNA 靶向系统的名单不断扩大，特别是随着源自工程变体、各种细菌物种和不同类别的CRISPR 靶向机制的 CRISPR-Cas 系统的多样性呈指数增长。这些编辑领域技术创新的快速步伐肯定会改变我们目前对基因疗法的看法，但也会极大地拓宽这些方法可以应用于的人类疾病的范围。

在不久的将来将对基因治疗领域产生重大影响的另一个创新领域是功能基因组学和我们对人类基因组调控的理解。例如，约 20,000 个人类基因中约 6,000 个的功能目前未知。在启用基因编辑疗法的同时，CRISPR 技术还促进了这些基因序列的功能解剖。此外，科学研究和治疗干预传统上几乎完全集中在基因上，即使我们 98% 的基因组由非编码 DNA 组成，这些 DNA 包含对常见疾病 90% 以上的易感性负责的表观遗传调控因子。事实上，CRISPR 基因编辑方法（CTX001）治疗功效的第一个例子涉及编辑远端基因调控元件以改变基因表达，而不是编辑潜在的基因突变，作为补偿丢失的β的策略血红蛋白病中的珠蛋白功。虽然 NIH ENCODE 联盟等努力已经在数百种人类细胞类型和组织样本中绘制了超过 200万个这些基因调控元件，但这些位点中很少有人知道其功能。对基因组的这种暗物质进行注释将导致疾病生物学的全新领域和治疗目标的类别，从而能够从全新的角度通过基因治疗、基因编辑和其他方式来攻击人类疾病。

值得注意的是，基因和细胞疗法的技术创新速度大大超过了安全快速地推动有前途的候选药物以造福患者的能力。当前需要大量患者才能确定安全性和有效性的监管模型不适用于解决在单个患者或极少数患者中发现的突变的治疗技术。一个有前景的策略是创造一种可以治疗更多患者群体的单一组合物。通用细胞疗法是通过应用基因编辑来设计逃避宿主免疫系统检测的“免疫隐形”同种异体供体细胞而产生的，可用于再生医学和过继细胞免疫疗法。目前正在进行几项临床试验来研究这种设计的疗法，在不久的将来从这些试验中读出的结果将显着影响基因和细胞疗法的未来。尽管这种方法很有前景，但它并没有解决体内基因突变的纠正问题，也没有利用巨大的机会和不断增加的努力来开发有可能纠正个体私有突变的基础编辑和主要编辑等变革性技术。同样，最近关于针对私人基因突变的基于寡核苷酸的疗法和成功治疗人类 Batten 病患者的报告为这些努力提供了潜在的蓝图和动力。因此，在不久的将来，细胞和基因治疗领域的最大变化之一将是监管科学领域，并在我们转向个性化治疗时应对这些创新技术带来的独特挑战。

基因治疗可以说是目前生物技术中最令人兴奋的领域，这既是由于最近的进展，也是因为即将出现的可能性。对核酸递送、免疫系统调节和人类基因组精确操作的前所未有的控制水平，十年前无法想象的技术肯定会在未来十年开启新的医学领域。与此同时，这种对技术能力新世界的初见激发了全新的研究领域，如合成生物学、细胞重编程和高通量功能基因组学，这无疑将继续重塑生物医学研究的面貌。