基因疗法（一）：基本概述

近年来，随着人类基因组计划取得超乎预想的进展，基因测序、RNA-seq等技术的突飞猛进，基因疗法（gene therapy）的热度迅速提高。基因疗法可以从本质上治愈或缓解多种疾病，被认为是医学和药学领域的一次革命。


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基因与基因疗法

基因

基因是控制性状的基本遗传单位，除某些病毒的基因由RNA构成以外，多数生物的基因由DNA构成。


基因疗法

人体疾病的发生主要是由生命活动过程中重要物质代谢失衡或对应信号通路调节失衡所引起，其中，部分疾病是基因表达缺陷造成的对应代谢功能缺失造成。

目前的各种疗法中，不论是物理、化学或生物学的方法，都是通过重要物质的补入或信号通路的控制，将人体恢复平衡状态，或建立起新的平衡，以期减少疾病症状和延长患者寿命。常见的小分子化药和大分子抗体类药物已经取得了很大的成功，但也面临着很多困境，比如小分子化药有着组织分布、亲和力等等难题，而抗体类药物的作用靶点多位于膜表面，对于胞内靶点甚至是染色体上的核酸靶点束手无策，且为了维持人体稳态，往往需要长期输入治疗性蛋白质，工艺复杂、开发难度大。

因而，基因疗法作为一种可以实现治疗性蛋白的长期表达和组织特异性表达的治疗方法应运而生，以实现治疗传统药物不能治疗的疾病，或大幅改善治疗疾病的方式。同时，由于可以靶向异常的基因，在一些疾病中，基因疗法也被看作能从根源上治愈疾病。


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基因疗法原理

狭义上的基因疗法是指将正常的或者有治疗作用的外源基因插入到靶细胞中，修复靶细胞中有缺陷的基因，或者替代有缺陷的基因，从而达到治疗疾病目的的生物医学技术。在这种治疗方法中，目的基因被导入到靶细胞（target cells）内，他们或与宿主细胞（host cell）染色体整合成为宿主遗传物质的一部分，或不与染色体整合而位于染色体外，但都能在细胞中得到表达，起到治疗疾病的作用。

目前基因治疗的概念了较大的扩展，广义上来讲，凡是采用分子生物学的方法和原理，在核酸水平上开展的疾病治疗方法都可称为基因治疗。因此，RNA药物也可以算作基因疗法。

根据所采用的方法不同，基因疗法作用原理大致可分为以下几种：


一、基因修饰

基因修饰（gene augmentation）又称基因增补，将外源基因导入病变细胞或其它细胞，外源基因的表达产物能修饰缺陷细胞的功能或使原有的某些功能得以加强，是目前已上市和实验中的基因疗法最主要的作用原理之一。

在这种治疗方法中，缺陷基因仍然存在于细胞内。在这一原理下，利用基因疗法具有长期表达和组织特异性表达治疗性蛋白的特点，有两种药物设计思路：（1）将基因疗法作为长效的给药方式，基于治疗性蛋白反向设计基因序列，完成药物设计，例如在wAMD中的应用；（2）将基因疗法作为一种全新的治疗方式，针对过去无法治疗或难以治疗的疾病，从基因出发设计药物，例如Luxtuma、Zolgensma。

图：Luxtuma的治疗原理


二、基因置换/基因修复

基因置换（gene replacement）/基因修复（gene correction）：用正常的基因原位替换病变细胞内的致病基因，或定点导入外源正常基因替代缺陷基因（点特异性修复），使细胞内的DNA完全恢复正常状态。

这种治疗方法最为理想，但目前由于技术原因尚难达到，操作难度极大，且用于生殖细胞时伦理争议极大。目前单碱基编辑技术（Base Editing）是该领域较多研究的技术之一。


三、基因失活

基因失活（gene inactivation）：利用反义技术、核酶技术或基因敲除技术（knock-out）特异地封闭基因表达特性，抑制有害基因的表达，达到治疗疾病的目的。如利用反义 RNA、核酶或肤核酸等抑制一些癌基因的表达，抑制肿瘤细胞的增殖，诱导肿瘤细胞的分化。用此技术还可封闭肿瘤细胞的耐药基因的表达，增加化疗效果。

图：miRNA(a)和siRNA(b)作用原理


四、免疫调节

免疫调节（immune adjustment）：将抗体、抗原或细胞因子的基因导入病人体内，改变病人免疫状态，达到预防和治疗疾病的目的。可从体液免疫和细胞免疫两个维度设计药物，例如CAR-T。

图：CAR-T细胞输入患者体内后运输至肿瘤并增殖


五、自杀基因的应用

某些基因的表达产物（酶）能将无毒、或低毒的核苷酸类化合物代谢成特殊中间产物，并进一步生成细胞毒性物而导致细胞死亡。如向肿瘤细胞中导入单纯疱疹病毒胸苷激酶（HSV-TK）基因，然后给予病人无毒性环氧丙苷（gancidovir，GCV）药物，由于只有含HSV-TK基因的细胞才能将GCV转化成有毒的药物。因而肿瘤细胞被杀死，而对正常细胞无影响。


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基因疗法分类

基因疗法分类主要有以下两种：


一、按靶细胞不同

生殖细胞基因治疗：以精子、卵子和早期胚胎细胞作为治疗对象。但生殖细胞的基因改造涉及一系列伦理问题，目前仍属禁区。

体细胞基因治疗：只限于个体的局部细胞。


二、按给药途径不同

回体基因疗法（ex vivo therapy）

将细胞从患者体内分离，将基因导入目的细胞，使基因定位到患者细胞染色体中的1个或多个位点上，实现转入基因的持续表达，再将改良后的细胞输回患者体内。

此疗法对目的细胞的遗传改造在实验室中进行，编辑效率较低，但可以筛选出正确改造的细胞进行扩大培养，当细胞达到一定数量后再输回患者体内。

正确改造的细胞必须有足够大的数量、可逃避免疫识别、能够长期存活或者可将修饰的基因传给其后代以维持后代基因的正常表达。

体内基因疗法（in vivo therapy）

将含有修复基因片段的病毒载体或非病毒载体通过对患者进行局部或全身注射的方式转移到患者体内，基因以整合的方式插入到患者的染色体上进行基因修复，或以非整合的方式传递给长期处于有丝分裂或缓慢分裂的细胞以完成DNA在染色体外稳定表达。

此疗法的整个编辑过程在体内进行，治疗中需要编辑方法和工具准确、高效，且需要确保病毒载体对人体无害。操作简便、容易推广；但其尚未成熟，存在疗效持续时间短、免疫排斥及安全性等一系列问题。

图：基因疗法的两种策略示意


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基因疗法发展历程

早在 DNA 重组技术之前就有人提出将正常基因顺序导入病人体内进行基因水平治疗的设想。Edward Tatum 和JoshuaLederberg 在60年代曾提出可利用病毒作为基因转移的载体。但直到1990 年才成功地实现了用基因治疗手段尝试治疗腺昔酸脱氨酶缺乏症（ADA） 。它被认为能够治愈许多遗传疾病的治疗方法。

图：发展历程

小编结语

生物医药行业正在迈入崭新时代。在传统的化学药和生物药之外，一系列全新类型的疗法在近年逐渐走向前台、成为热点，加速为全球患者带来突破。

基因疗法的出现为人们打开了另一扇大门，为人们提供了新的治疗方案，为人类寿命的延长和生存率的提高提供了无限可能。但仍然存在如安全性、伦理性等学界和社会关注且亟需解决的问题，要克服这类新型疗法带来的挑战并实现其全部治疗潜力，还有很长的路要走。