讓我們閉上眼睛想象一下未來:編輯一個基因就能治愈某種嚴重的疾病,人類因此消滅了上萬種疾病。

2016 年在美國上市的 3 家初創生物技術公司——CRISPR Therapeutics,Intellia Therapeutics 和 Editas Medicine 堅信,這樣的夢想在不久后將成為現實。它們的信仰背后,是一個看似簡單的產品模式:改變特定基因可以產生治愈性的藥物。

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Intellia 公司前首席執行官 Nessan Bermingham 博士表示,大約有 5000 種疾病可以通過替換某種目標基因來治愈。而世界衛生組織給出的數據更大,認為這樣的單基因疾病大約有 10000 種。

“人們談論(個體化醫學)已經有 20 年,但從來沒有一種技術平臺讓我們實現這一點,” Bermingham 博士去年底離開 Intellia 公司時曾表示:“這是有史以來第一次,我們可以通過一種技術實現這個目標,基于人們個體化的基因組數據。”

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這種技術就是 CRISPR。這是一種更便宜、更高效的基因編輯方法,是推進個體化醫學的關鍵。一些分析師認為,CRISPR 技術是下一代大型生物技術公司誕生的平臺。

什么是 CRISPR 基因編輯?

CRISPR 是一種稱為聚集規則間隔短回文重復序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)技術的縮寫。CRISPR 技術產生的基礎是人類基因組測序計劃的成功。2003 年,在花費了 27 億美元巨資后,科學家繪制出第一個人類基因組圖譜。從那之后,個人基因組測序的成本就急劇下降,并且有可能在未來幾年降低 元。此外,大數據分析技術也促進了基因測序的發展。

Bermingham 博士談到,當第一個人類基因組圖譜被繪制出來后,研究人員發現人體內編碼蛋白質的基因只有 20000 個時非常“吃驚”。這比估計的 10 萬基因數量少了太多!基本上,這些編碼蛋白質的基因在遺傳語言中發揮了單詞的作用。研究人員還發現了最初認為沒有功能的 DNA 片段。這些 DNA 被爭議性地稱為“垃圾 DNA(junk DNA)”,不編碼蛋白質。但是,事實證明,這些序列在調節基因表達方面發揮著關鍵作用。

總而言之,由于對人類基因組知識的深入了解,這些生物技術公司才能夠利用 CRISPR 技術進行產品研究和開發。

CRISPR 技術是怎么工作的?

目前大熱的 CRISPR 技術最早在大學里開發成功,它使用一種被稱為分子“剪刀”的 DNA 序列在特定位點對其他 DNA 序列進行編輯。通過這種方式,生物技術公司就能夠編輯、增加或去除引發特定疾病的缺陷基因。

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“剪刀”有許多不同類型。CRISPR Therapeutics,Intellia 和 Editas 公司用的都是 Cas9 CRISPR 技術 。 據估計,Cas9 可以編輯 70%-80% 的人類基因組序列。要編輯更多的基因,治療更多的疾病,我們需要開發其他新型的剪刀。

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▲ARK Invest 的分析師 Manisha Samy 女士(圖片來源:ARK Invest 官方網站)

如果把基因看作是單詞,那么 CRISPR 技術就是一種文字處理器。ARK Invest 的分析師 Manisha Samy 女士認為:“CRISPR 基因編輯技術類似于具有‘查找’和‘刪除’這兩種功能的 DNA 文字處理器。另外,科學家還在研究一種基本的‘粘貼’功能,使 CRISPR 能夠插入適當的 DNA 代碼,從而修復基因突變。”

事實上,基因編輯的概念并不新鮮。TALENs 和鋅指核酸酶(zinc finger nucleases)這兩種技術已經被人們廣泛用來進行基因編輯。作為這兩種傳統基因編輯技術的代表,生物技術公司 bluebird bio 用的是某種 TALENs 技術,而 Sangamo Therapeutics 用的是 鋅指酶 的方法。

摩根大通證券分析師認為,CRISPR 技術優勢體現在它的易用。“CRISPR 強大之處在于它使用起來非常簡單。高中生在生物實驗室就能做基因敲除實驗。相比之下,鋅指酶技術需要大量的高端人才和時間。因此,CRISPR 基因編輯系統非常強大。”

CRISPR Cas9 會引發人體免疫?

雖然發展前景良好,但是關于 CRISPR 技術應用也有不同的聲音。

今年 1 月,bioRxiv(一家在線服務商,存檔和發布生命科學領域未發表的研究報告)就曾發表了一篇論文,對 CRISPR 基因療法的持久性提出質疑,認為人體可以對其產生免疫力。這篇文章指出,人類免疫系統可能會對目前基因編輯中用得最多的 Cas9 酶產生抗性,從而導致科學原理上無效。

雖然該論文尚未得到同行評審,但是許多涉及 CRISPR 技術的公司都在使用 Cas9 酶,這是 CRISPR 相關蛋白 9(CRISPR associated protein 9)的縮寫。Cas9 產生于兩種人體內能快速引起感染的細菌,這意味著一些免疫系統可能已經對它們產生了免疫力。

使用這種酶的 CRISPR 基因編輯是否會在這些患者中發揮作用?

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CRISPR Therapeutics 公司認為,這要具體情況具體分析。當基因編輯在離體或在體外完成時,Cas9 酶會被降解,因此,當細胞重新輸入患者體內時基本上已經不含有該酶。而對于體內應用,當基因編輯在體內完成時,他們會采用幾種方法來確保 Cas9 酶瞬時表達。因此,CRISPRTherapeutics 公司聲稱,“Cas9 酶不會產生任何問題。”

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▲CRISPR Therapeutics 的科學創始人和咨詢委員會成員 Matthew Porteus 博士(圖片來源:CRISPR Therapeutics 官方網站)

值得注意的是,bioRxiv 這篇論文的首席研究員和作者正是 CRISPR Therapeutics 的科學創始人和咨詢委員會成員 Matthew Porteus 博士。

Intellia 公司稱他們在嚙齒動物和非人類靈長類動物中進行的臨床試驗中,基因療法輸送系統沒有發現問題。此外,Intellia 還提到他們用的是 Cas9 酶的高級形式,并且研究中沒有一個供體之前就存在免疫力。這些數據都還是早期研究。

那么采用其他的酶呢?Editas 還用 Cpf1 酶。這種酶來源于其他細菌,可以克服 Cas9 帶來的一些免疫問題。Editas 在 CRISPR 基因組編輯的免疫反應方面做了一些研究,即將發表一篇相關論文。公司管理層表示,該研究發現免疫反應“比其他論文報道的要低得多”。

總之,分析師和生物技術公司并沒有過分擔心,認為這不是個問題,或者仍有時間在科學上找到解決方法。Samy 女士說:“免疫反應并不罕見,數十年來,科學家一直在努力克服免疫識別,并且已經有許多解決方案可以減少 Cas9 的潛在副作用,我們已經在許多其他療法中證明了這一點。”

生物技術公司如何使用 CRISPR

在一眾 CRISPR 生物技術公司中,CRISPR Therapeutics 在新藥申請監管方面步伐領先。去年 12 月 7 日,其管線中的首個基因療法 CTX001 遞交了用于治療β地中海貧血的臨床申請。該臨床試驗將于 2018 年在歐洲進行,受試者是成年患者。這有望成為基于 CRISPR 技術的基因編輯療法的首次人體試驗(first in-human trial)。CRISPR Therapeutics 還計劃 2018 年在美國遞交用 CTX001 治療鐮狀細胞疾病的臨床試驗申請。

CRISPR Therapeutics 也已經與 Vertex 達成合作,共同開發治療β地中海貧血以及鐮狀細胞疾病的基因療法,這些合作是其體外基因療法計劃的一部分。在體外計劃中,基因編輯先在人體外的細胞里完成,然后再將細胞回輸到患者體內。此外,這家新銳也在研究肝臟,肌肉和肺部等疾病的體內基因療法。

Intellia 在基因編輯方面也有體內和體外項目,針對的也是鐮狀細胞疾病。此外,還跟 Regeneron(再生元)合作研發轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變性(transthyretin amyloidosis)的基因療法,這種疾病的特征是全身性異常蛋白質沉積。Alnylam 和 Ionis 兩家醫藥公司也正在采用不同的方法,分別稱為 RNA 干擾和反義技術,來治療這種疾病。

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Editas 正在研究 Leber 先天性黑蒙的遺傳性眼病(Leber congenital amaurosis)的基因編輯療法,這是一種出生時導致視力嚴重喪失的疾病。同樣,鐮狀細胞疾病和β地中海貧血也是 Editas 針對的疾病領域。

分析師預計,Intellia 和 Editas 將于 2018 年開始人體試驗。

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▲CRISPR Therapeutics 首席執行官 Sam Kulkarni 博士(圖片來源:CRISPR Therapeutics 官方網站)

CRISPR Therapeutics 首席執行官 Sam Kulkarni 博士認為,監管機構對基因編輯的態度越來越開放。基因編輯的好處,同時也是潛在的挑戰——就是它意味著永久性的修復。這些生物技術公司正在努力確保每次基因編輯都能“擊中靶心”。

他說:“我們已經能夠進行基因編輯,并且使用分子的郵政編碼(醫藥行業稱為“靶標”)以精確的方式進行編輯,不會發生偏差。我們可以制造出高質量、符合藥理學的基因編輯產品。”

CRISPR 生物技術公司的未來

CRISPR Therapeutics 首席執行官 Kulkarni 博士和 Intellia 公司前首席執行官 Bermingham 博士都表示,該領域具備三足鼎立的空間。

分析師 Samy 女士則認為,定義市場容量是一個挑戰。無論如何劃分,市場都很大,而且很大程度上取決于公司針對的疾病類型。如果 CRISPR 技術能夠治療每年新診斷的所有單基因疾病,再加上現有的患者,這帶來的潛力是巨大的。

“一種產品不會治愈所有疾病。CRISPR 領域能夠容納更多公司。”

Kulkarni 博士說:“CRISPR 絕對稱得上是生物醫藥領域劃時代的進步,上一次是抗體藥物的發現。基因泰克(Genentech,Roche 的子公司)正是在上一波技術浪潮中崛起的。”

“現在,CRISPR 平臺有望打造下一個大型生物技術王國。”

參考資料:

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

[2] CRISPR Therapeutics 官網