让我们闭上眼睛想象一下未来:编辑一个基因就能治愈某种严重的疾病,人类因此消灭了上万种疾病。

2016 年在美国上市的 3 家初创生物技术公司——CRISPR Therapeutics,Intellia Therapeutics 和 Editas Medicine 坚信,这样的梦想在不久后将成为现实。它们的信仰背后,是一个看似简单的产品模式:改变特定基因可以产生治愈性的药物。

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Intellia 公司前首席执行官 Nessan Bermingham 博士表示,大约有 5000 种疾病可以通过替换某种目标基因来治愈。而世界卫生组织给出的数据更大,认为这样的单基因疾病大约有 10000 种。

“人们谈论(个体化医学)已经有 20 年,但从来没有一种技术平台让我们实现这一点,” Bermingham 博士去年底离开 Intellia 公司时曾表示:“这是有史以来第一次,我们可以通过一种技术实现这个目标,基于人们个体化的基因组数据。”

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这种技术就是 CRISPR。这是一种更便宜、更高效的基因编辑方法,是推进个体化医学的关键。一些分析师认为,CRISPR 技术是下一代大型生物技术公司诞生的平台。

什么是 CRISPR 基因编辑?

CRISPR 是一种称为聚集规则间隔短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)技术的缩写。CRISPR 技术产生的基础是人类基因组测序计划的成功。2003 年,在花费了 27 亿美元巨资后,科学家绘制出第一个人类基因组图谱。从那之后,个人基因组测序的成本就急剧下降,并且有可能在未来几年降低 元。此外,大数据分析技术也促进了基因测序的发展。

Bermingham 博士谈到,当第一个人类基因组图谱被绘制出来后,研究人员发现人体内编码蛋白质的基因只有 20000 个时非常“吃惊”。这比估计的 10 万基因数量少了太多!基本上,这些编码蛋白质的基因在遗传语言中发挥了单词的作用。研究人员还发现了最初认为没有功能的 DNA 片段。这些 DNA 被争议性地称为“垃圾 DNA(junk DNA)”,不编码蛋白质。但是,事实证明,这些序列在调节基因表达方面发挥着关键作用。

总而言之,由于对人类基因组知识的深入了解,这些生物技术公司才能够利用 CRISPR 技术进行产品研究和开发。

CRISPR 技术是怎么工作的?

目前大热的 CRISPR 技术最早在大学里开发成功,它使用一种被称为分子“剪刀”的 DNA 序列在特定位点对其他 DNA 序列进行编辑。通过这种方式,生物技术公司就能够编辑、增加或去除引发特定疾病的缺陷基因。

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“剪刀”有许多不同类型。CRISPR Therapeutics,Intellia 和 Editas 公司用的都是 Cas9 CRISPR 技术 。 据估计,Cas9 可以编辑 70%-80% 的人类基因组序列。要编辑更多的基因,治疗更多的疾病,我们需要开发其他新型的剪刀。

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▲ARK Invest 的分析师 Manisha Samy 女士(图片来源:ARK Invest 官方网站)

如果把基因看作是单词,那么 CRISPR 技术就是一种文字处理器。ARK Invest 的分析师 Manisha Samy 女士认为:“CRISPR 基因编辑技术类似于具有‘查找’和‘删除’这两种功能的 DNA 文字处理器。另外,科学家还在研究一种基本的‘粘贴’功能,使 CRISPR 能够插入适当的 DNA 代码,从而修复基因突变。”

事实上,基因编辑的概念并不新鲜。TALENs 和锌指核酸酶(zinc finger nucleases)这两种技术已经被人们广泛用来进行基因编辑。作为这两种传统基因编辑技术的代表,生物技术公司 bluebird bio 用的是某种 TALENs 技术,而 Sangamo Therapeutics 用的是 锌指酶 的方法。

摩根大通证券分析师认为,CRISPR 技术优势体现在它的易用。“CRISPR 强大之处在于它使用起来非常简单。高中生在生物实验室就能做基因敲除实验。相比之下,锌指酶技术需要大量的高端人才和时间。因此,CRISPR 基因编辑系统非常强大。”

CRISPR Cas9 会引发人体免疫?

虽然发展前景良好,但是关于 CRISPR 技术应用也有不同的声音。

今年 1 月,bioRxiv(一家在线服务商,存档和发布生命科学领域未发表的研究报告)就曾发表了一篇论文,对 CRISPR 基因疗法的持久性提出质疑,认为人体可以对其产生免疫力。这篇文章指出,人类免疫系统可能会对目前基因编辑中用得最多的 Cas9 酶产生抗性,从而导致科学原理上无效。

虽然该论文尚未得到同行评审,但是许多涉及 CRISPR 技术的公司都在使用 Cas9 酶,这是 CRISPR 相关蛋白 9(CRISPR associated protein 9)的缩写。Cas9 产生于两种人体内能快速引起感染的细菌,这意味着一些免疫系统可能已经对它们产生了免疫力。

使用这种酶的 CRISPR 基因编辑是否会在这些患者中发挥作用?

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CRISPR Therapeutics 公司认为,这要具体情况具体分析。当基因编辑在离体或在体外完成时,Cas9 酶会被降解,因此,当细胞重新输入患者体内时基本上已经不含有该酶。而对于体内应用,当基因编辑在体内完成时,他们会采用几种方法来确保 Cas9 酶瞬时表达。因此,CRISPRTherapeutics 公司声称,“Cas9 酶不会产生任何问题。”

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▲CRISPR Therapeutics 的科学创始人和咨询委员会成员 Matthew Porteus 博士(图片来源:CRISPR Therapeutics 官方网站)

值得注意的是,bioRxiv 这篇论文的首席研究员和作者正是 CRISPR Therapeutics 的科学创始人和咨询委员会成员 Matthew Porteus 博士。

Intellia 公司称他们在啮齿动物和非人类灵长类动物中进行的临床试验中,基因疗法输送系统没有发现问题。此外,Intellia 还提到他们用的是 Cas9 酶的高级形式,并且研究中没有一个供体之前就存在免疫力。这些数据都还是早期研究。

那么采用其他的酶呢?Editas 还用 Cpf1 酶。这种酶来源于其他细菌,可以克服 Cas9 带来的一些免疫问题。Editas 在 CRISPR 基因组编辑的免疫反应方面做了一些研究,即将发表一篇相关论文。公司管理层表示,该研究发现免疫反应“比其他论文报道的要低得多”。

总之,分析师和生物技术公司并没有过分担心,认为这不是个问题,或者仍有时间在科学上找到解决方法。Samy 女士说:“免疫反应并不罕见,数十年来,科学家一直在努力克服免疫识别,并且已经有许多解决方案可以减少 Cas9 的潜在副作用,我们已经在许多其他疗法中证明了这一点。”

生物技术公司如何使用 CRISPR

在一众 CRISPR 生物技术公司中,CRISPR Therapeutics 在新药申请监管方面步伐领先。去年 12 月 7 日,其管线中的首个基因疗法 CTX001 递交了用于治疗β地中海贫血的临床申请。该临床试验将于 2018 年在欧洲进行,受试者是成年患者。这有望成为基于 CRISPR 技术的基因编辑疗法的首次人体试验(first in-human trial)。CRISPR Therapeutics 还计划 2018 年在美国递交用 CTX001 治疗镰状细胞疾病的临床试验申请。

CRISPR Therapeutics 也已经与 Vertex 达成合作,共同开发治疗β地中海贫血以及镰状细胞疾病的基因疗法,这些合作是其体外基因疗法计划的一部分。在体外计划中,基因编辑先在人体外的细胞里完成,然后再将细胞回输到患者体内。此外,这家新锐也在研究肝脏,肌肉和肺部等疾病的体内基因疗法。

Intellia 在基因编辑方面也有体内和体外项目,针对的也是镰状细胞疾病。此外,还跟 Regeneron(再生元)合作研发转甲状腺素蛋白淀粉样变性(transthyretin amyloidosis)的基因疗法,这种疾病的特征是全身性异常蛋白质沉积。Alnylam 和 Ionis 两家医药公司也正在采用不同的方法,分别称为 RNA 干扰和反义技术,来治疗这种疾病。

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Editas 正在研究 Leber 先天性黑蒙的遗传性眼病(Leber congenital amaurosis)的基因编辑疗法,这是一种出生时导致视力严重丧失的疾病。同样,镰状细胞疾病和β地中海贫血也是 Editas 针对的疾病领域。

分析师预计,Intellia 和 Editas 将于 2018 年开始人体试验。

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▲CRISPR Therapeutics 首席执行官 Sam Kulkarni 博士(图片来源:CRISPR Therapeutics 官方网站)

CRISPR Therapeutics 首席执行官 Sam Kulkarni 博士认为,监管机构对基因编辑的态度越来越开放。基因编辑的好处,同时也是潜在的挑战——就是它意味着永久性的修复。这些生物技术公司正在努力确保每次基因编辑都能“击中靶心”。

他说:“我们已经能够进行基因编辑,并且使用分子的邮政编码(医药行业称为“靶标”)以精确的方式进行编辑,不会发生偏差。我们可以制造出高质量、符合药理学的基因编辑产品。”

CRISPR 生物技术公司的未来

CRISPR Therapeutics 首席执行官 Kulkarni 博士和 Intellia 公司前首席执行官 Bermingham 博士都表示,该领域具备三足鼎立的空间。

分析师 Samy 女士则认为,定义市场容量是一个挑战。无论如何划分,市场都很大,而且很大程度上取决于公司针对的疾病类型。如果 CRISPR 技术能够治疗每年新诊断的所有单基因疾病,再加上现有的患者,这带来的潜力是巨大的。

“一种产品不会治愈所有疾病。CRISPR 领域能够容纳更多公司。”

Kulkarni 博士说:“CRISPR 绝对称得上是生物医药领域划时代的进步,上一次是抗体药物的发现。基因泰克(Genentech,Roche 的子公司)正是在上一波技术浪潮中崛起的。”

“现在,CRISPR 平台有望打造下一个大型生物技术王国。”

参考资料:

[1] Can CRISPR And These 3 Small Biotechs Cure 10,000 Diseases?

[2] CRISPR Therapeutics 官网