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基因疗法走向临床:十六载沉浮,遇绝境而重生

基因疗法也许终于可以实现最初的美好愿景了。在过去7年中,将健康基因植入先天性失明患者细胞内的试验性基因疗法已经成功使40名患者重见光明。同时,临床医生们也在超过120名各类血液癌症患者身上看到了基因疗法取得的空前疗效,部分患者甚至在治疗结束3年后,仍然保持着无癌状态。运用基因疗法,研究人员还帮助了一些血友病患者(血友病是一类致命的出血性疾病),通过降低患者发生意外的可能性,或者降低其对高剂量凝血药物的需求,延长他们的生存时间。


对比基因疗法曾经的绝境,今天的这些正面成效尤其令人振奋。16年前,一位名叫杰西•杰尔辛格(Jesse Gelsinger)的少年的意外死亡,使得整个基因疗法研究陷入停顿。杰尔辛格患有一种罕见的消化道疾病,在接受基因疗法的过程中,他的免疫系统发动了一场预料之外的凶残反击,夺去了他的生命。20世纪90年代正是基因疗法初见成效之时,然而,这却在医生和研究人员中掀起了一股包含了过高期望的非理性之风——其中或许还有一丝虚妄。


杰尔辛格的失败,连同基因疗法遭遇的其他挫折,迫使科学家开始重新审视他们的方法,考虑在不同人群中实施基因疗法的可行性。他们收起原先的热切期望,回归到最基本的研究。他们检测了基因疗法潜在的致死性副作用(如杰尔辛格所经历的悲剧),并且研究出了规避的方法。同时,他们更加重视向参与基因疗法的受试者及其家人,解释可能的风险和益处。


在很多人看来,基因疗法的转折点发生在7年前一位名叫科里•哈斯(Corey Haas)的8岁男孩身上。哈斯患有一种退行性眼病,视力因此受到损害。医生采用基因疗法,使哈斯有缺陷的左眼视网膜产生了一种原本无法合成的蛋白质。接受治疗后不到4天,哈斯去动物园游玩,让他惊喜万分的是,他终于看到了太阳和红色的气球。3年后,他的右眼也接受了同样的治疗。到今天,哈斯的视力已经足够让他和祖父一起参加感恩节的火鸡狩猎了。


尽管时至今日,基因疗法仍未在医院和诊所开展起来,但这一情况有望在接下来的10年发生改变。2012年,欧洲批准了首个基因疗法,用以治疗家族性脂蛋白酶缺乏症——一种罕见但极为痛苦的遗传疾病。2013年底,美国国立卫生研究院(National Institutes of Health,NIH)也取消了对基因疗法的部分非必要管制。


一些行业观察家预测,美国将于2016年批准首个商业化的基因疗法。在彷徨了十余年之后,基因疗法终于开始了它革新医疗的重要使命。


心碎时刻


早期基因疗法所遭遇的失败,凸显了将基因安全有效地导入目标组织的艰难性。最安全的基因传递系统,往往并不十分有效;而一些最有效的传递系统,却可能引发致命的免疫反应,其实并不安全——杰尔辛格的悲剧就是一个例子,而有的病人还因此患上了白血病。


为了理解这些副作用的发生机理,从而找到降低风险的方法,科学家将目光聚焦在了基因疗法中最常见的一种传递系统上:对病毒进行改造,使其成为一把“微型注射枪”。


首先,研究人员要把病毒中的一些基因替换成将要转移到患者身上的健康基因。这样做还有一个好处:防止病毒进入人体后复制自己的基因(进入人体后,病毒基因的复制会增加免疫反应的发生几率)。


接下来,研究人员将改造后的病毒注入患者体内。根据病毒种类的不同,基因可以插入不同类型的人体细胞。


杰尔辛格参与临床试验时,研究人员选出了一种包含腺病毒的基因传递系统。未经改造的腺病毒能在人体内引发轻度的上呼吸道感染。宾夕法尼亚大学的科学家认为,病毒的最佳注射部位是肝脏:杰尔辛格的肝脏细胞与正常细胞不同,所以不能产生他所缺乏的那种消化酶。研究人员将制造该消化酶的基因装进了被“腾空”的腺病毒里。


随后,研究人员将约1万亿个携带治疗基因的腺病毒直接注入杰尔辛格的肝脏。然而,其中一些病毒踏上了悲剧性的歧途。病毒既按原计划进入了肝脏,同时也感染了大量巨噬细胞。这些体型巨大的树突状细胞执行着免疫哨兵的功能,游荡在人体内的各个地方。被病毒感染后,巨噬细胞向机体发出异物入侵的信号,免疫系统随即作出反应,开始消灭所有被感染的细胞。这一狂暴的过程最终从内部摧毁了杰尔辛格的身体。


免疫反应的凶狠程度令研究人员始料未及,而之前接受治疗的17名患有同一疾病的受试者,无一表现出了如此严重的副反应。研究人员确实知道腺病毒可能引发免疫反应,然而,只有动物实验阶段的一只猴子,在注射了另一种略微不同的改造病毒后死亡;他们也没有意识到免疫反应具有如此强大的毁灭性效果。“人类的个体差异比其他动物种群都要大,”雅姆•威尔逊(Jame Wilson)是宾夕法尼亚大学的研究人员,正是他研制了杰尔辛格所使用的病毒载体,“我们在那次试验中看到,18位受试者中就有1位产生了极端的宿主反应(宿主反应是指免疫系统对入侵的异物产生的应答反应)。”


在当时的情况下,将注入杰尔辛格体内的病毒数量降为十亿,而非直接将万亿计的病毒注入患者体内,可能是更加明智的做法——但这也只是马后炮而已。此外,研究人员没有在知情同意的环节向杰尔辛格和他的家人告知猴子的死亡事件。他们仅凭一己之见,就判定猴子的死亡与临床试验无关,这也让科研人员饱受批评。


杰西辛格的死亡并非基因疗法的唯一悲剧。此后不久,20名儿童参与了一项针对X-连锁重度复合免疫缺陷(X-linked severe combined immunodeficiency,缩写为SCID- X1) 的基因疗法,然而其中5例受试者患上了白血病,1例因此死亡。基因的传递系统再度成为了悲剧的源头。然而,此项试验中充当微型注射枪的是逆转录病毒(retrovirus),它能直接将治疗基因插入宿主细胞的DNA。


如果进入基因组,治疗基因的具体整合位置具有一定的随意性。然而,这些基因有时会插入原癌基因(oncogene)之中,后者在某些情况下能引发癌症。


重新思考


鉴于腺病毒可能引起致命的免疫反应,而逆转录病毒可能诱发癌症,研究人员开始在其他病毒上投入更多精力,寻找更好的基因载体。他们很快就把目光聚集在了两种应用范围更广的候选病毒上。


第一个入选的新型基因传递系统,是腺相关病毒(adeno-associated virus,缩写为AAV)。虽然绝大多数人类都曾感染过该病毒,但它并不会引发任何疾病。既然腺相关病毒如此常见,它就不太可能引起极端的免疫反应。该病毒的另一个特点是,它还可以最大程度地减少副反应的发生:它具有若干个变体(或称“血清型”)。这些变体可以分别对特定的细胞或组织表现出亲和性,例如,AAV2最适合用于眼部治疗,AAV8更适用于肝脏,AAV9则特别适合心脏和脑组织疾病的治疗。


研究人员能根据特定的人体部位,选择最佳的AAV血清型,从而减少病毒的注射量,以降低发生大规模免疫反应以及其他不良反应的可能性。此外,AAV携带的治疗基因不会进入染色体,这就避免了其与原癌基因相互作用的偶发性。


1996年,腺相关病毒首次应用于治疗囊性纤维化的临床试验。从那以后,研究人员鉴定出了11类AAV血清型,将它们进行重组和改造,构建了上百种安全性较高、可针对不同组织的基因传递工具。近期的一些研究正在评估以AAV为载体的一系列疗法,治疗包括帕金森病和阿尔茨海默病在内的一些脑部疾病,以及血友病、肌肉萎缩、心脏衰竭和失明。


更令人称奇的是第二种病毒载体:去除了致病基因的人类免疫缺陷病毒(HIV)。HIV是引发艾滋病的病毒,然而,一旦不去计较它“杀手”的恶名,你就会发现它在基因疗法上的优势。HIV是逆转录病毒中慢病毒属(Lentivirus)家族的成员之一,它能够避开免疫系统——这一点对逆转录病毒至关重要,并且一般不会干扰原癌基因。


移除了致病基因的HIV结构“具有很大的装载能力”,英国牛津生物医学公司(Oxford Biomedica)前任首席科学家斯图尔特•内勒(Stuart Naylor)如是评价道。牛津生物医学公司正致力于研发治疗眼病的“基因药物”。与小个头的AAV相比,“HIV更合适装载多个基因,或是更长的基因序列,”内勒说,“这种载体没有毒性,也不会带来不良的免疫反应。”去除了致病基因的慢病毒正被应用于多项临床试验,包括对肾上腺脑白质营养不良(adrenoleukodystrophy,缩写为ALD)的治疗。该疾病曾在1992年被搬上荧幕,出现在电影《罗伦佐的油》(Lorenzo's Oil)中。


今天,一些接受上述治疗的患儿的恢复水平,已经足以让他们重返学校。尽管已有越来越多的临床试验开始使用AAV和HIV,但研究人员还是对原来的病毒载体进行了改良或修饰,以便仍可在少数情况下使用它们。例如,某些非HIV逆转录病毒在经过遗传编辑后,可以在诱发白血病之前自我失活。


即便是曾夺去杰尔辛格生命的腺病毒,现在也依然作为基因疗法的一种载体,出现在临床试验中。只有在不易发生免疫反应的人体部位,研究人员才会使用这种载体。例如,头颈癌患者因接受放疗,下颌部的唾液腺会受到损害,引起“口干”的症状,而腺病毒一项颇有前景的应用,便是治疗这种口干。


目前,美国国立卫生研究院正在进行一项小规模的临床试验,向唾液腺细胞中插入一段基因,使之制造出让液体进入腺体的管道。由于唾液腺很小,易于控制,加之试验所用的病毒数量还不及当年用于杰尔辛格的1/1 000,所以发生免疫反应的几率很小。此外,未进入靶细胞的病毒载体,将会随着唾液被患者吞下或者吐出,因此很难“招惹”到免疫系统。自2006年起,11位参与试验的患者中,有6人的唾液量显著增加。退休之前的布鲁斯•鲍姆(Bruce Baum)曾是领衔此项研究的牙科医师和生物化学家,他对该试验结果的评价是“仍需谨慎,但令人鼓舞”。


新的目标


在以上成果的鼓励下,医学研究人员开始扩大研究范围。他们不再只关心遗传病的治疗,而开始着手通过基因技术,逆转生命过程中自然发生的基因损伤。


例如,宾夕法尼亚大学的科学家们正在采用基因疗法,治疗一种常见的儿童癌症——急性淋巴细胞性白血病(acute lymphoblastic leukemia,缩写为ALL)。


尽管大多数ALL患儿能对标准化疗作出应答,但仍有20%左右的患儿对化疗没有反应。研究人员正在使用基因疗法,激活这些患儿的免疫细胞,使之找到并消灭那些顽固的癌细胞。


这项试验的手段尤为复杂,它依靠的是所谓的“嵌合抗原受体”(chimeric antigen receptor) 技术。在希腊神话中,“嵌合”(chimera)一词原代表一种由不同动物融合而成的怪物,而一个“嵌合抗原受体”,即是融合了两类原本不会同时出现的免疫分子的受体。


一旦与上述嵌合抗原受体相适配,一种叫做T细胞的免疫细胞便可以“瞄准”白血病细胞中大量表达的某些蛋白,从而“抓住”白血病细胞,并将它们摧毁。首批接受这类疗法的受试者是患有慢性白血病的成年人,他们均获得了不错的疗效。而在接下来的一名儿童患者身上,研究人员更是收获了远超预期的成效。


2010年5月,5岁的埃米丽•怀特黑德(Emily Whitehead)被诊断患有白血病,她接受的头两轮化疗都不起作用。布鲁斯•莱文(Bruce Levine)是怀特黑德的医生之一,他介绍说,到2012年春天,“怀特黑德接受了第三次化疗,药物的剂量足以毒死一名成年人。并且,她的肾脏、肝脏和脾脏已经出现损伤”。小姑娘的生命危在旦夕。


医生们抽取了怀特黑德的血液样本,分离出了她的部分T细胞。然后,他们将搭载有治疗基因的慢病毒转入T细胞样本,并将细胞输回怀特黑德体内。经历了一个艰难的开端后,基因疗法终于在怀特黑德体内起了效果,她的病情迅速得到缓解。治疗3周之后,怀特黑德的骨髓中已有1/4的T细胞中携带有治疗基因,她的T细胞开始向癌细胞宣战,而后者很快就消失得无影无踪了。“2012年4月的时候她还光着小脑袋,”莱文回忆到,“而到了8月的开学日,她已经去学校报到,上2年级了。”


尽管这种改良后的T细胞可能无法一直存在于怀特黑德体内,但医生们可以反复使用这种疗法。这位一头蓬松棕发的漂亮女孩已经无癌生存了将近两年。怀特黑德并不是唯一的幸运儿。2013年下半年,多组研究人员均报道,他们在120多名患者身上使用嵌合抗原受体技术,治疗与怀特黑德同型的白血病以及其他3种血液癌症。5名成年患者和22名患儿因此摆脱了癌症——这意味着他们的身体目前处于无癌状态。


进入临床


安全的传递系统已经掌握在基因疗法专家的手中了,现在,他们正面临着所有新药都必须面对的终极挑战:通过美国食品及药品管理局(FDA)的审批。


这一漫长的过程包括了所谓的“Ⅲ期临床试验”。Ⅲ期临床试验专门用于评估药物或疗法在大规模受试者中的效果,一般需要1~5年的时间(对于不同的试验,这一时间存在很大差异)。截至2013年底,近2 000项基因疗法试验中,有大约5%到达了Ⅲ期临床阶段。其中位列最前的是治疗莱伯氏先天性黑矇(Leber congenital amaurosis,LCA)的试验。就是这一疾病,曾经夺走了哈斯的视力。目前,已有数十位患者的双眼在插入治疗性基因后重见光明。


2004年,中国审批通过了一项治疗头颈癌的基因疗法,成为首个准许进行基因疗法的国家。2012年,欧洲批准了基因疗法药物Glybera,用于治疗家族性脂蛋白脂肪酶缺乏症(familial lipoprotein lipase deficiency),药物的有效成分(即突变基因)被包裹在AAV之中注入患者的腿部肌肉。荷兰制药公司UniQure正在与FDA协商,希望该药物能够获准进入美国市场。然而,Glybera有一个潜在的短板:价格。Glybera的单次治愈剂量的标价高达160万美元,不过,如果研究人员能够研发出更高效的治疗方法,价格也会有所下降。


与许多医疗技术的发展历程类似,基因疗法历经了数十年的迂回与曲折,还远未到达成功的终点。然而,随着越来越多的科里•哈斯和埃米丽•怀特黑德的出现,基因疗法将逐渐成为一些疾病的主流疗法,同时,它也会为另一些疾病的治疗提供新的选择。


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