基因治療（Gene Therapy）是利用遺傳物質(zhì)治療或預防疾病——通常是可能危及生命或致人衰弱且治療選擇有限的罕見遺傳性疾病。目的是開發(fā)出一種一次性療法，以糾正疾病的潛在遺傳原因。
最早的方法是將遺傳物質(zhì)（如功能性基因）導入細胞，以替換、沉默或操縱特定基因。最近，科學家們也在開發(fā)基因編輯技術(shù)，包括引入分子工具，在細胞中的精確位置移除或糾正現(xiàn)有的DNA片段。
基因治療的成功依賴于使用合適的載體將遺傳物質(zhì)安全有效地遞送到受影響的細胞中。該載體或可被直接遞送至人體由單個細胞吸收，或可在實驗室中遞送至患者細胞樣本然后返回人體。某些病毒由于具有感染細胞的能力，常被用作基因治療的載體。一些類型的病毒，如逆轉(zhuǎn)錄病毒，將包括新基因在內(nèi)的遺傳物質(zhì)整合到細胞染色體中。其他病毒，如腺病毒，則將其DNA轉(zhuǎn)移到細胞核中，但不與細胞染色體進行整合。此外，病毒還可將基因編輯工具遞送至細胞核內(nèi)。
迄今為止，已有23種基因和細胞治療產(chǎn)品獲得美國FDA批準，其中包括對神經(jīng)肌肉疾病、遺傳性失明、某些血液癌癥等疾病的顛覆性療法。以下，將討論基因治療技術(shù)的一些最新創(chuàng)新，這些創(chuàng)新正在為顯著擴大這類尖端療法的影響奠定基礎。（by：Alison Halliday博士）
1、無病毒遞送系統(tǒng)
基因治療面臨的一個主要挑戰(zhàn)是，如何安全有效地將基因物質(zhì)遞送至細胞內(nèi)。雖然使用病毒載體進行基因治療已經(jīng)取得成功，但它確實存在風險。有時病毒會引發(fā)危險的免疫反應——此外，整合到細胞基因組中的載體可能會引起錯誤，從而導致癌癥。因此，研究人員正在開發(fā)無病毒遞送系統(tǒng)（比如納米顆粒），在不使用病毒的情況下來遞送遺傳物質(zhì)或基因編輯工具，并將其靶向特定細胞。
今年1月，發(fā)表于《Cell》上的一項研究中，哈佛大學和麻省理工學院Broad研究所劉如謙（David Liu）研究團隊開發(fā)出一種新的藥物遞送系統(tǒng)，使用工程化的無DNA病毒樣顆粒（eVLPs），將治療水平的特定基因編輯蛋白遞送至疾病小鼠模型中。該研究團隊使用eVLP系統(tǒng)成功編輯了小鼠肝細胞中的Pcsk9基因，該基因與高膽固醇水平相關(guān)。
此外，該研究團隊還使用單次eVLP注射糾正遺傳性失明小鼠模型中的點突變，實現(xiàn)視力部分恢復。這一新平臺為基因編輯工具的遞送提供了一種有前途的新技術(shù)，與病毒載體相比，具有較低的脫靶編輯或DNA整合風險。
其他研究人員最近開發(fā)出了基于多肽的材料，作為遞送基因療法的有效載體。發(fā)表于《Biomaterials Science》上的一項研究中，愛爾蘭國立都柏林大學Sally-Ann Cryan研究團隊開發(fā)的新平臺可以生產(chǎn)定制的星形多肽納米顆粒，能夠有效地將一系列療法遞送到細胞內(nèi)。
為了展示其潛力，該團隊成功地遞送了一種基因療法，促使骨骼再生。在實驗室開展的實驗中，他們展示了一種加載有可促進骨骼和血管生長DNA分子的可植入支架，能夠加速骨組織再生，與未加載DNA分子的支架相比，新骨形成增加了6倍。
2、微調(diào)基因表達
一旦基因治療成功遞送至靶細胞內(nèi)，就很難控制其表達水平。如果基因或DNA編輯工具的表達水平過高，可能會增加脫靶效應的可能性，過低則可能會導致治療無效。
在該領域的一項重大進展中，來自費城兒童醫(yī)院等機構(gòu)的科學家們開發(fā)出了一種“調(diào)光開關(guān)”系統(tǒng)（“dimmer switch” system）——X on，可以像調(diào)節(jié)燈光一樣控制基因治療載體表達的蛋白質(zhì)水平。該遞送系統(tǒng)基于一種利用口服小分子藥物進行調(diào)控的可變RNA剪接（Alternative Splicing,AS）技術(shù)，能夠在整個機體組織中有效發(fā)揮作用?？勺僐NA剪接允許單一基因編碼多種蛋白，這取決于RNA的剪接方式。
使用X on系統(tǒng)，基因治療載體所運載的“貨物”處于無活性狀態(tài)直到使用口服小分子藥物，然后驅(qū)動所需的糾正基因剪接成其活性形式。該團隊已成功地在小鼠中使用該系統(tǒng)來調(diào)節(jié)促紅細胞生成素（EPO）的水平，這是一種糖蛋白類激素，可用于治療與慢性腎病相關(guān)的貧血。
該團隊還展示了，當高水平表達時，X on系統(tǒng)還可以用來控制對大腦有毒的基因產(chǎn)物的表達。這一創(chuàng)新系統(tǒng)為完善和定制基因治療在人類中的應用提供了前所未有的機會。
3、精準靶向
近年來，工程化設計脂質(zhì)納米顆粒（LNPs）作為基因遞送系統(tǒng)也取得了顯著進展。然而，靜脈遞送的含有核酸的LNP主要靶向于肝 臟和脾 臟，使其治療應用局限于影響這些器官的疾病。當前，科學家們正在調(diào)查其他方法，將LNP靶向于一系列其他特定組織和器官，以擴大其潛在的臨床用途，并將身體其他部位的毒副作用風險降至最低。
來自塔夫茨大學等機構(gòu)的一個科學家團隊已設計出了攜帶Tsc2基因編碼mRNA的LNP，來靶向肺組織。淋巴管平滑肌瘤?。↙AM）患者的Tsc2基因存在缺陷，導致平滑肌細胞生長失控，在肺部形成囊腫，導致呼吸困難。在該疾病的小鼠模型中，將攜帶Tsc2基因正常拷貝的LNP直接遞送到肺部，導致囊腫顯著減少。通過改變脂質(zhì)和其他分子的不同成分，研究人員還成功開發(fā)了靶向大腦、免疫系統(tǒng)、脾 臟、肝 臟甚至特定細胞類型的LNP。
LNP對特定免疫細胞的精準靶向，可能有助于改進一類已被批準用于某些血液癌癥的基因治療。這種基因治療涉及從患者血液中分離出T細胞，導入嵌合抗原受體（CAR）基因，幫助T細胞更好地識別癌細胞。經(jīng)基因修飾的CAR-T細胞被重新注入患者體內(nèi)，從而增強機體免疫系統(tǒng)對抗癌癥的能力。
在最近發(fā)表于《Science》的一項研究中，來自美國賓夕法尼亞大學的科學家們，將編碼CAR的修飾mRNA封裝在靶向T細胞的LNP中，通過注射這種LNP在體內(nèi)產(chǎn)生了瞬時CAR-T細胞。這種在體內(nèi)產(chǎn)生CAR-T細胞的能力，有潛力成為治療多種疾病的治療平臺。
4、更安全的基因編輯
CRISPR-Cas9是一種基因編輯系統(tǒng)，由2個分子組成：可以切割DNA兩條鏈的Cas9酶，以及引導其在基因組中正確位置的一段RNA。然后，細胞識別出DNA受損并試圖修復它，從而提供了一種移除、添加或改變基因組片段的方法。雖然該技術(shù)在治療人類疾病方面具有巨大潛力，但研究人員目前正專注于微調(diào)其在臨床前研究中的應用。這項工作的大部分是為了消除“脫靶”效應，因為這種效應可能會意外引入潛在的危險突變。
今年3月發(fā)表于《Nature》的一項研究中，來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家們創(chuàng)造了一種新的Cas9酶——SuperFi-Cas9，這種酶在保持與初始Cas9酶相同編輯效率的同時，靶向錯誤DNA片段的可能性降低了數(shù)千倍，從而使其可能更加安全。
盡管其他實驗室之前已經(jīng)重新設計了Cas9，以減少脫靶相互作用，不過這些版本的Cas9犧牲了編輯速度來提高準確度。但SuperFi-Cas9切割脫靶位點的可能性要低4000倍，而速度卻與天然酶一樣快。這些結(jié)果為設計下一代高保真Cas9變體提供了分子藍圖，在保持編輯效率的同時降低脫靶效應的風險。
5、未來展望
經(jīng)過幾十年的努力，基因藥物的未來越來越充滿希望。近年來的成功，已促使一些基因治療獲得監(jiān)管批準，這些治療正在改變患者的生活，并且還有更多的產(chǎn)品正在研發(fā)中。得益于最近的技術(shù)進步，科學家們在控制核酸遞送和人類基因組精確操縱方面正在實現(xiàn)前所未有的水平，這將解鎖激動人心的機會，掀起變革性基因藥物的新一輪浪潮。
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