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深度报告!基因编辑的过去、现在、未来

2017-09-28  来源:药明康德(微信号 WuXiAppTecChina)    编辑:陌莉花开
导读
编者按:基因编辑编年史可以追溯到30年前,第一次基因编辑是在酵母细胞实验中完成。但是直到过去五年,随着CRISPR技术出现并且迅速成为目前最受欢迎的基因编辑手段,诞生于上世纪70年代
编者按:基因编辑编年史可以追溯到30年前,第一次基因编辑是在酵母细胞实验中完成。但是直到过去五年,随着CRISPR技术出现并且迅速成为目前最受欢迎的基因编辑手段,诞生于上世纪70年代末的重组DNA技术才真正被视为在人类新药研发中取得了革命性进步。

许多专家和投资者都认为基因编辑具有类似“手术刀”的潜力,可以从根本上治疗从癌症到罕见遗传病的大量疾病。基因编辑技术可能代表了药物研发的新纪元。大量创新公司正在引领基因编辑治疗产品的开发工作,并吸引了来自风险投资机构和制药公司的大量投资。然而,我们也应该谨慎地看到,基因编辑产品成为常规疗法之前,还需要解决定价和公共卫生政策等这些重大技术挑战。

基因编辑的过去

美国基因与细胞治疗学会(ASGCT)的基因编辑编年史从30年前开始,第一次基因编辑是在酵母细胞实验中完成。但是直到过去五年,CRISPR Cas9系统出现并且迅速成为目前最受欢迎的基因编辑手段,诞生于1970年代末的重组DNA技术才在药物开发行业真正被视为一种革命性进步。

基因编辑技术使用一种切割细胞中特定DNA序列的酶——核酸酶,针对具体的疾病相关基因进行删除,修复或替代。这些技术包括归巢内切核酸酶(homing endonucleases,或大范围核酸酶meganucleases),锌指核酸酶(ZNF),转录激活物样效应核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALEN)和常间回文重复序列丛集(cluster regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)。

五年前横空出世的CRISPR-Cas9基因编辑技术被《科学》杂志评选为2015年度的突破技术。由于简单性和低成本,它目前是最受欢迎的基因编辑技术,广受学术科学家,投资者,企业家,生物制药业内人士以及公众之间的拥趸。


CRISPR技术入选《科学》2015年度突破技术(图片来源:《科学》)

虽然基因编辑最初的重点主要针对罕见的遗传性疾病,但它其实具有更加广泛的应用。它可以用于攻击传染人类的病毒,或者通过修改蚊子等生物的基因来预防传染疾病(如疟疾)的传播。

通过在猪身上或实验室中培育人造器官,基因编辑还可以解决人类器官移植的供体短缺难题。基因编辑技术同样适用于农业,以改善动植物育种,为农民和消费者带来好处。在环境保护方面,基因编辑有可能挽救受气候变化威胁的濒危生物,或者创造新的生物燃料作为化石燃料的替代品。

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最近,科学家们证实,基因编辑可以用来纠正人类胚胎中引起疾病的基因异常,这一做法肯定会引起伦理争议——即基因技术应该仅限于体细胞,还是可以延伸到胚细胞,后者将会改变人类的遗传性状。

简单地说,可以将基因编辑比作为在计算机上的查找和替换,或删除功能的文本操作。许多基因编辑技术的拥护者认为技术的适用性没有任何限制,因为它赋予遗传研究人员和药物开发人员强大的编辑能力,不仅能撕下整页(指大段的错误基因信息),而且可以精准的调整某个特定单词(指某个基因,甚至是某个碱基),从而实现改变或改善特定症状的目标。

在Carl June教授的推动下,美国批准CRISPR技术用于人体基因编辑(图片来源:MIT Technology Review)

的确,最近治疗性基因编辑研究的指数级增长得益于近三十年来基因治疗的基础研究突破。CRISPR出现并成为有潜力的临床开发候选药物只有几年,2016年6月美国就批准了第一个临床试验。

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但是我们也必须看到,第一款基因疗法上市花了30多年。预测治疗性基因编辑产品什么时候能获批上市并不容易。如果参照传统基因疗法的临床开发进度,我们在对新技术的激动之外还需要更多的耐心等待。

MPM Capital董事总经理Mitchell H. Finer博士表示基因编辑领域目前仍然有重大障碍要克服,他对该领域的公司也保持着冷静的观察。“在五年之内,这些早期临床试验必须要表现出临床益处,否则这些公司的价值将会蒸发,”Finer博士预测:“20世纪90年代,所有的癌症疫苗公司估值很高,后来它们都失败了。CRISPR公司必须尽快产生有意义的临床益处。”

基因编辑的现在

哈佛大学遗传学教授George Church是基因组学领域的先驱之一,也是CRISPR技术发明人之一,他说:“大约2,400种基因治疗已被批准进入临床试验,几乎所有这些试验都涉及增加基因,少数涉及抑制基因功能,如RNAi(RNA干扰),ZFNs和TALEN。几乎没有涉及精准的基因编辑。”Church教授说,当人们听他说到基因治疗领域正在开展如此多的临床试验时,大多数人都会感到惊讶。

在观察基因编辑领域时,MPM的Finer博士指出:“归巢内切核酸酶空间仍然相当广泛。Sangamo和Cellectis这两家公司几乎独霸了TALEN领域,”Sangamo还拥有ZFN技术。

Sangamo公司自1995年以来一直专注于基因和细胞疗法的研发,他们主要的基因编辑产品使用ZFNs在体内插入产生蛋白质的基因,由遗传基因异常引起的蛋白质缺陷是此类疾病的原因。

Sangamo公司首席执行官Sandy Macrae博士说:“我们最近针对血友病B,MPS I(Hurler综合征)和MPS II(亨特综合征)的人群开展了3个体内基因组编辑临床试验。作为一次性静脉注射的基于ZFN的治疗剂,有望将编码缺失蛋白质的功能基因永久性地插入肝细胞的白蛋白基因中的特定位点。”

这些临床试验的目标是治愈这些罕见的遗传疾病。Macrae博士指出:“如果我们取得成功,将为下一个医学前沿打开大门,基因编辑是治愈许多其他疾病的可行方法。”

据介绍,Sangamo公司还拥有涵盖TALEN技术的专利。Macrae博士指出,在同一时间,Sangamo发表了其临床前ZFN基因编辑的成功案例,该公司的“科学家还发表了第一个高效率的TAL核酸酶(TALEN)架构”。

但他补充说:“由于锌指蛋白具有特异性和更大的靶向灵活性的临床优势,Sangamo的治疗开发项目集中在锌指蛋白上,特别是针对ZFN和锌指蛋白转录因子(ZFP-TF)进行靶向基因调控”。



像Sangamo公司一样,Cellectis公司也不是基因治疗领域的新手。Cellectis首席执行官André Choulika博士说:“1999年我们开始使用名为meganuclease的核酸内切酶,这在当时是唯一的基因编辑技术”。

该公司随后考虑了TALEN,形成其癌症免疫治疗产品的基础。Choulika博士认为:“今天,TALEN显然是用于治疗的领先技术”。

他补充说,Cellectis也研究过使用CRISPR Cas9,发现“这是一种非常简便的设计方法,连高中生都可以完成。但是,它在精准度和效率方面则远不如TALEN”。

Cellectis的主要临床开发计划专注于血液癌,如白血病和多发性骨髓瘤。Cellectis使用所谓的“通用型”同种异体的,来自健康供体的基因编辑的CAR-T细胞。除了离体编辑T细胞使其靶向癌症之外,通过工程化修饰供体细胞,可以保护它们不被患者的免疫系统消灭。


CRISPR编辑DNA的能力帮助科学家创造了新的遗传生物(图片来源:《科学》)

MPM的董事总经理Finer博士也说了:“最有趣的事情将是CRISPR Cas9或相关的技术”。在考虑对CRISPR公司的投资时,Finer博士说:“我希望听到创始人说,他们不依赖于已有的CRISPR Cas9知识产权”。

CRISPR技术应用涉及到基础知识产权的专利之争,一个队伍是加州大学(Universities of California)和维也纳大学(Universities of Vienna),另一队伍是哈佛大学( Harvard University)和麻省理工学院( Massachusetts Institute of Technology)。截止本文发稿时,前者在欧洲和中国的初步决议中占上风,后者在美国更占优势。

Agenovir是目前许多利用CRISPR技术的公司之一。该公司正在使用CRISPR Cas9系统来破坏人体细胞内的致病病毒,如人乳头状瘤病毒(HPV),巨细胞病毒(CMV)和Epstein-Barr病毒(EBV)。

Agenovir公司首席执行官Dirk Thye博士解释说:“Agenovir开发了专门针对病毒DNA的各种CRISPR核酸酶产品。我们的最新临床计划针对的是病毒性疾病的靶标,这些药物在递送上的挑战性较低。在HPV产品中,我们使用脂质纳米颗粒(LNP)对体表上皮细胞的病毒库局部给药”。

另外两个临床开发项目涉及接受骨髓移植并易发生的MV和EBV感染的患者。在这两个项目中,Agenovir用CRISPR产品离体处理造血细胞(在移植之前),如果病毒发生攻击就可以敲除机会性病毒。

对于与CRISPR相关的专利问题,Thye博士说:“CRISPR Cas9的专利环境现在特别复杂。我们认为,在未来五年里,专利形式将会变得明朗,技术许可的合理途径也会建立”。

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MPM的董事总经理Finer博士同时认为,在开发基因编辑的现阶段,释放技术的巨大潜力主要取决于克服体内和体外向细胞提供有效荷载的障碍,然后确保精准编辑。Finer博士说:“体外基因编辑明显是让基因进入细胞最简单的手段,也有很多有趣的靶标。CRISPR技术目前的问题在于体内疗效,以及脱靶活性”。另外,他认为将体外基因编辑转化为广泛可销售的产品,一个关键的未解答的问题是:“我们究竟是依照每名患者的不同来开发gRNA,还是开发出一种能应用在所有条件下的gRNA”。

Church作为是麻省理工学院的遗传学教授,与企业家关注的具体技术应用相比,他更多地向我们提供了基因编辑技术的全景。他说,今天对基因编辑的描述是误导性的,因为现有的候选药物都不代表他认为所谓的“精准的基因编辑”。

他解释说:“增加基因时,基因能插入到染色体的任何一个位置。要移除或是下调一个基因表达,你要么引入一个干扰分子,要么直接攻击这个基因,把它弄成一团糟。在一定程度上,这也是随机的”。

而Church教授认为的“精确的基因编辑”意味着改变DNA的核苷酸成分——腺嘌呤,胞嘧啶,鸟嘌呤和胸腺嘧啶。“例如拿走一个胸腺嘧啶,补上一个腺嘌呤这样的操作,或者是指正好移除4个碱基,不多不少”。

对于Church教授来说,混乱地和优雅地改变基因组成是不一样的。他说:“拿镰状细胞贫血来说吧。致病原因是一个简单的点突变,腺嘌呤(A)变成了胸腺嘧啶(T)。你只需要改正这一个碱基就可以了。但事实上,我们正在不断绕圈圈。我们会说,也许有一个基因,我们突变掉它以后,能达到同样的效果。囊性纤维化也同样如此,主要病因只是少了3个碱基”。

Church教授认为目前针对遗传性疾病的产品开发工作正在摘“低处果实”,因为“在树顶的可能是酸葡萄”,但他补充说:“如果我们真的能像基因敲除那样方便地实现精准的基因组编辑,我们肯定会选择后者”。

基因编辑的未来

那么将基因编辑这种有巨大前景的科学转化为治疗性产品,未来将会如何呢?

即使按照Finer博士的估计,基因编辑公司在五年内获得早期临床成功以维持投资者的积极性,他们仍然面临重大挑战,包括获得这些药物的监管审批,并将其提供给患者的病床,以便广泛应用。

在技术方面,Sangamo的Macrae博士承认,将基因编辑产品在体内递送到细胞仍然是有问题的。他说:“目前,我们使用AAV,它对某些器官具有强烈靶向性,如肝脏。急需解决其他器官的给药机制,使基因编辑能够应用于其他疾病领域”。例如,需要新载体递送到中枢神经系统中以治疗神经变性疾病如阿兹海默病,输送到肺中以治疗囊性纤维化。如果可以将锌指蛋白递送到肝脏以外的组织,基因组编辑的治疗潜力大大增加。

Cellectis的Choulika博士同意新的载体技术是必需的,并补充说,脱靶编辑是另一个必须解决的问题。他说:“通过DNA-蛋白相互作用(不涉及RNA)的核酸酶有望减少脱靶效应”。

一旦产品的技术细节得到解决,监管的成功突破,商业规模的制造就会成为另一个关注的问题,Thye博士相信随着基因编辑行业走向成熟,制造工艺无疑也会迎来里程碑。他认为,目前“供应商数量相对较少,GMP制造经验较少,大规模制造经验有限,临床试验成功案例不足,都是这个领域的挑战”。然而,许多基因编辑公司已经花费了大量的时间,金钱和努力来应对这些挑战。

除市场批准和制造之外,另一个障碍是定价,这是一个涉及科学家,企业家和风险投资家的公共政策课题,这可能需要全新的医疗保险报销方案。Macrae博士谈到:“商业化模式最终将需要解决,一旦我们越过屏障,医疗界将会找到解决方案。在这一点上,这也意味着社会需要仔细评价能够一次性治愈的药物和定期终身服用的药物”。

例如,第一种批准的基因疗法Glybera的价格为140万美元一个疗程,它可以根治脂蛋白脂肪酶缺乏症。据报道,这个史上最贵的药物,是以治疗酶替代疗法的年费为基础计算的定价。


uniQure公司的Glybera是一款使用AAV载体的基因疗法,2012年被欧洲药品管理局批准上市(图片来源:维基百科)

尽管基因编辑在药物的开发方面得到了广泛关注,但是Church教授再次把眼光扩大到其他已经在使用基因编辑的农业和野生动物领域。基因驱动(gene drive)就是这样一个例子,它可以强制性地实现特定遗传特征的遗传,例如通过基因工程蚊子来防止疟疾传播。

Church教授在哈佛的课题组是首批公开提到基因编辑这些影响的团队之一,他们也讨论了潜在的解决方案,包括生物控制、反向驱动、以及“雏菊驱动”(daisy drives,一种能自我限制的驱动系统)。

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Church教授解释说:“人们不想让生物失控跑到野外,自己又无法将它带回。我们能预见到一个潜在问题是,基于CRISPR基因编辑的驱动方式是不可逆的。因此我们在可逆性和控制性上做了不少工作”。

除了这些有待解决的问题之外,对基因编辑的潜在影响的担忧也影响技术应用。风险资本家Finer博士说,他从药物开发的角度来看待基因编辑。“这是武器库的重要补充,但基因编辑(的意义)并没有原子分裂那么伟大”。

Church教授作为一名院士,他正在开发一个更先进的“新的基因组技术生态系统”,包括阅读和编写遗传密码。他说:“我认为真正的突破在于我们在‘读取(read)’和‘编写(write)’DNA上取得的进步。这能带来巨大的影响,它包括添加基因,删除基因(或降低基因表达),以及精准编辑。最终,我们能在任何想要的地方,写入任何你想要的基因”。

毋容置疑的是,基因编辑作为人类历史上的重大范式转变,远远超过智人崛起以来的任何事情。人类的命运现在掌握在我们手中。



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