成年人體内有 37.2 萬億個細胞,除了大腦和心髒的少數細胞,其他會周期性地更新換代,比如皮膚細胞大概 28 天就會換一遍,肝髒的周期是 5 個月,骨頭是 10 年。
DNA 所攜帶的遺傳信息确保了這一複制過程在絕大多數時候的精确性。偶發的複制錯誤會被機體修複,但不排除在一些極端情況下,正常細胞突變成惡性細胞,并開始無限增殖,破壞人體正常生理機能,最終奪取生命。這便是癌症的由來。
過去數百年,科學家們和藥企探索了各種治療癌症的各種方法:比如切掉癌變的人體部位;放療、化療;最新的方法是找到導緻癌細胞誕生的基因,用藥物抑制它(靶向藥),或者改造人體的免疫細胞,增強它殺死癌細胞的能力(CAR-T 療法)。但這些方法隻能緩解症狀,無法治愈癌症,因爲它們無法徹底消滅或改變癌細胞的根本——突變的基因。
這就是全世界極其關注 CRISPR-Cas9 基因編輯技術的原因,它賦予了人類修改緻病基因的權力。
12 月 8 日,第一款基于 CRISPR-Cas9 技術的療法獲得美國食品藥品監管局(FDA)批準上市,由福泰制藥(Vertex Pharmaceuticals)和 Crispr Therapeutics 聯合研發,用于治療一種 " 鐮狀細胞病 " 的遺傳血液疾病。三周前,該療法也在英國得到批準。
加州大學伯克利分校的生物學家、CRISPR 技術發明人之一詹妮弗 · 杜德納(Jennifer Doudna)說, " 對于希望從技術進步受益的人們來說,這是一個裏程碑式的時刻。" 她也是 Crispr Therapeutics 公司的創辦人之一。
随着首款 CRISPR 療法獲批上市,人類編輯基因時代正在來臨。現在有 146 個研究團隊正在臨床測試 CRISPR 技術治療癌症、糖尿病、艾滋病等更複雜、影響數億人的疾病。
CRISPR 原理簡單,治病卻很複雜
可以說,智力健全的人幾乎都可以快速學會如何使用 CRISPR 技術編輯基因。
71 歲的沃爾特 · 艾薩克森(Walter Isaacson)前半輩子是一名記者,然後是編輯,再後來管理一家媒體,花時間給名人寫傳記,他對生物科研零基礎。三年前他爲珍妮弗 · 杜德納寫傳記時,在一名博士後的指導下,隻用一天時間,就學會了使用 CRISPR 編輯人類基因。
整個過程就像帶着橡皮擦修改一段用鉛筆寫出來的錯誤答案一樣直接:首先找到目标 DNA 片段,針對它設計出一段 " 導向 RNA"。" 導向 RNA" 的功能是鎖定目标 DNA 片段,把稱爲 "Cas9" 的酶和正确的 DNA 模闆引導到正确位置。
Cas9 像一把剪刀,會自動剪斷目标 DNA 片段,接着就是等細胞自動修複受損的 DNA 片段。修複過程中,細胞會參考研究人員引入的 DNA 模闆。隻要目标 DNA 片段是原來的樣子,基因編輯的過程可以一直持續下去,直到發生改變。
CRISPR 技術基因編輯示意圖。圖片來自 Innovative Genomics Institute。
現在已經有大量團隊嘗試用 CRISPR 編輯農作物、牲畜,提高它們抗病能力或營養價值等。2021 年 9 月,第一款經過基因編輯的番茄在日本上市,宣稱可以幫人降低血壓、改善睡眠質量和緩解壓力。
但想用 CRISPR 技術治病并不容易,接受 CRISPR 技術治療的鐮狀細胞病患者,通常要在醫院待半年:
第一步,通過骨髓穿刺,獲得骨髓液中的造血幹細胞,交給專業團隊用 CRISPR 技術編輯。鐮狀紅細胞是由造血幹細胞分化出的。
" 采集四次才收集到夠用的幹細胞,每次采集都要輸血,整個過程持續了 8 個小時。" 去年接受治療的鐮狀細胞病患者吉米 · 奧拉格爾(Jimi Olaghere)在一篇自述中寫道。
第二步,使用 CRISPR 技術編輯造血幹細胞中有問題的基因,整個過程會持續一周到一個月不等。
同時,患者接受數周的化療,徹底殺死體内有問題的造血幹細胞,爲基因編輯成功的幹細胞騰出空間。吉米 · 奧拉格爾稱:" 這意味着要應對惡心、虛弱、脫發、口腔潰瘍等症狀和病情惡化的風險。"
最後,醫生把編輯好的造血幹細胞注射到患者體内。患者在醫院休養數周,等待幹細胞增殖,再評估它能否分化出正常的紅細胞。
理想情況下,CRISPR 可以徹底治愈鐮狀細胞病。但在複雜的治療過程中,任何一個環節出現問題,都會讓治療效果大打折扣。
比如編輯基因時存在 " 脫靶效應 ",即突變基因沒有被編輯,反而編輯了其他正常基因,可能會帶來有害的後果;化療可能沒有徹底清除有問題的造血幹細胞,它們會繼續複制鐮狀紅細胞,從而影響治療效果;即使是正确編輯的幹細胞,移植回病人體内也可能發生排斥反應。
" 有些人陷入了慢性病的泥潭。" 吉米 · 奧拉格爾稱。畢竟長達數周的化療,對人也是一種摧殘。他日常就會經曆鐮狀細胞病帶來的疼痛,回想這段治療也會用 " 艱苦 " 來形容。目前,FDA 僅限定 12 歲及以上的患者接受該療法,并要求藥企做好長期監測。
與過去相比,CRISPR 療法能達到的效果已經是奇迹般的存在。" 我現在可以跟父母談論他們孩子鐮狀細胞病治愈的可能性了。" 一位美國血液科醫生接受采訪時說," 之前我根本不敢發起這樣的談話。"
治療鐮狀細胞病是一場技術預演
根據《全球疾病負擔、傷害及風險因素研究》(GBD)數據,截至 2021 年,全球大約有 774 萬人患有鐮狀細胞病,平均每天有上千名成人和兒童(占比 20%)因此喪生,死亡人數和流感相當。
鐮狀細胞病成爲首個用 CRISPR 技術治療疾病,很大程度上是因爲它契合現在用 CRISPR 技術治病的條件——單個基因發生突變。
正常人體内,負責傳輸氧氣的紅細胞是柔軟的圓形,很容易通過血管。鐮狀細胞病患者體内的 HBB 基因突變,紅細胞變成了堅硬的鐮刀狀,很容易堵塞血管,導緻劇烈疼痛、感染風險增加、容易疲勞和内髒器官損傷等。
嚴重的鐮狀細胞病患者隻能住院治療,靠着各種藥物緩解疼痛,然後再等着病症慢慢惡化。想擺脫折磨,他們隻能冒着巨大風險移植骨髓,還不一定能找到合适的捐獻對象。鐮狀細胞病患平均壽命至少比正常人短 20 年。
使用 CRISPR 技術,科研人員可以直接編輯有問題的 HBB 基因,把它變成正常的,從而起到治療效果。福泰制藥等公司過去兩年進行的臨床試驗中,得到 CRISPR 技術治療且接受随訪的 31 名患者中,有 29 名至少一年内沒有出現嚴重疼痛。
但用 CRISPR 技術治療鐮狀細胞病不會是一個龐大的市場,因爲太貴了 —— 福泰制藥得到審批的 CRISPR 療法售價 220 萬美元。如果一個療法難以賺大錢、政府财政也無力介入,藥企投入資源改進的意願就會降低。
在動辄數十年技術轉化周期的醫療行業,CRISPR 技術商業化的過程順暢得多,從被發明到做成鐮狀細胞病療法通過審批," 隻 " 用了 11 年的時間。更别提那些耗時、耗力但最終失敗的臨床研究了。
而 CRISPR 技術帶來的無限可能性也令其在 2012 年 6 月發布不久引發專利戰。
最先發論文的是詹妮弗 · 杜德納等人,隻是把它用到了細菌中。半年後,美國生物學家張鋒等人在《科學》雜志上發表了把 CRISPR-Cas9 技術用到動物上的研究成果,并搶先申請了專利。
雙方因此展開了長達多年的專利訴訟。張鋒團隊在美國赢得專利——美國專利及商标局按照基因編輯對象劃分所有權,認定基因編輯細菌專利屬于杜德納團隊,編輯動物的專利則屬于張鋒團隊。歐洲、中國則是把專利判給了杜德納團隊。
這場大戰意外地推動了 CRISPR 技術的普及。爲了證明自己才是第一人的兩方,各自投入大量資源推動 CRISPR 技術研發,張鋒團隊甚至放棄了 CRISPR-Cas9 在非商業用途上的專利權,吸引了越來越多的科研團隊參與其中,把它變成了隻需要幾千元、普通人就可以快速掌握的生物實驗。
推動 CRISPR 技術發展的科學家們又被一個新問題困擾:如何應用愈發完善的基因編輯技術。2012 年 6 月,杜德納發表 CRISPR-Cas9 基因編輯技術的論文後做了噩夢,夢到希特勒來請教 CRISPR 的原理。不難想象,熱衷于優生學的納粹會有多喜歡這項技術。
據艾薩克森爲杜德納寫的傳記《解碼者》,随着基因編輯技術發展,杜德納心中的擔憂逐步消退。現在他們達成一些共識,治療鐮狀細胞病、癌症等可以,編輯胚胎細胞也不是不可接受。
但沒人答得上來是否可以用 CRISPR 技術增強基因,比如讓後代智商更高,身材更好。
" 看看爲了讓孩子上好大學,父母願意做些什麽。" 張鋒認爲必定會有一些人願意花錢加強基因,不可避免地會加劇人類之間的不平等," 在一個有人連眼鏡都買不到的世界裏,很難想象我們能找到方法,以平等的方式加強人類的基因。"
進入基因編輯時代
2015 年底,三個研究團隊在《科學》雜志宣布用 CRISPR 技術編輯了患有杜氏肌營養不良症(DMD)小鼠的部分缺陷基因,并取得了良好療效。
嗅到巨大商業利益的大型藥企帶着資金而來。輝瑞、諾華、禮來等大型藥企和緻力于開發創新藥福泰等,投資了數十億美元開發 CRISPR 療法,讓基因編輯治療鐮狀細胞病成爲現實,看到了治療更多病症的可能,包括癌症。
根據 Crispr Medicine News 統計,現在進入臨床試驗階段的 146 項 CRISPR 療法中,近六成用于治療癌症,數量是鐮狀細胞病的近 7 倍。但癌症通常涉及多種基因突變,想要攻克可能需要更多時間。
CRISPR-Cas9 技術現在并不完美。" 脫靶效應 " 的存在,并不能保證每一次的編輯都能起到預期的效果。這種不确定性,會讓人使用 CRISPR 技術時心存疑慮。
現在科學家們已經找到提升 CRISPR-Cas9 技術效果的方法,可以精确編輯組成 DNA 序列的四個堿基(A、C、G 和 T)中的一個,而不是像原來那樣全部剪開,再引導細胞自動修複。這種新方法被稱爲 CRISPR 2.0。
不少人稱 CRISPR 基因編輯技術是 " 上帝的手術刀 ",但惠及大衆仍需要可能很長時間,不僅在于疾病的複雜性,還因爲它的商業化也會經曆 " 曲折 " 過程。現在用于鐮狀細胞病的 CRISPR 療法獲得審批,隻是跨出第一步。