基因治疗时代：从临床前开发到临床应用
人类基因组包含20000到25000个驱动生物进程的蛋白编码基因。在罕见病领域，大多数罕见病涉及功能失调的基因，全球超过3亿患者受到遗传疾病的影响，美国有3000万患者，其中半数患者为婴儿和儿童。许多疾病的预后较差，治疗选择很少。基因治疗可能提供一种干预措施，以恢复无法用当前药物治疗的疾病的健康。基因治疗原则上虽然很简单，但涉及复杂的基因设计和在靶细胞中高效表达的递送机制。
1988年，第一个被授权的治疗戈谢病（Gaucher disease）的人类基因治疗临床试验标志着人类基因治疗的曙光。基因治疗概念在20世纪90年代初首次广泛应用于患者，但反复出现的阳性结果往往伴随令人失望的结局。这些早期的基因治疗试验大多数未产生治疗获益，其中一些产生了非预期的不良事件。1996年，美国国立卫生研究院(NIH)的顾问委员会认为这样的新型细胞和基因治疗临床试验为时过早，因为对载体、靶细胞和疾病的性质了解不足。自20世纪90年代末，第二代临床研究产生了新的技术，对靶细胞有了更深入的了解。这些研究表明，将更有效的基因递送至靶组织可产生临床获益。
当前为止，基因治疗领域已经批准了16个产品，探索基因治疗的临床研究数量在全球范围内急剧增加。截至2020年7月，全球17个临床试验数据库报告了2106项基因治疗临床研究。
基因治疗递送方法
自涉及基因治疗的首次临床试验以来，基因治疗一直受到基因转移疗效不佳以及免疫原性和毒性相关不良事件的阻碍。其中，基因传递可能是一个实质性障碍，可以产生不良并发症并限制疗效。用于基因治疗的载体通常分为病毒或非病毒载体（图1A）。约70%的临床试验利用病毒（如腺相关病毒）进行基因治疗。非病毒载体，如直接注射DNA、脂质体转染和各种其他形式，占其余30%。非病毒基因载体提供了通用、简单、经济有效和潜在更安全的替代品，但可能缺乏足够的临床使用疗效。相反，病毒载体通常比非病毒递送系统更有效，但免疫原性更强。用于基因编辑的核酸酶是在工程DNA结合结构域中引起双链断裂(DSB)的限制性内切酶。锌指核酸酶(ZFN)、转录激活因子样效应核酸酶(TALEN)和成簇的规则间隔短回文重复序列(CRISPR)相关核酸酶Cas9(CRISPR/Cas9)是三种主要的基因编辑技术。
图1 不同的递送系统
开发合适的载体时需要考虑多个标准：(1)待包装的DNA和基因的总大小，(2)基因的表达效率，(3)治疗持续时间，(4)免疫应答，(5)产生，(6)同化进入细胞DNA， (7)患者可能感染病毒的风险。
基本的基因治疗方法
基因治疗中采用的四种主要遗传学方法是：(1)基因添加，(2)基因校正，(3)基因沉默，(4)细胞消除技术。
基因添加；基因添加包括向所需细胞中添加新基因（例如，质粒DNA[pDNA]），以产生新的蛋白质。目前正在开发基因添加疗法以治愈许多疾病，包括先天性失明和血友病。
基因校正；基因校正涉及使用基因编辑技术消除基因的重复或缺陷元件或替换缺陷或功能失调的DNA区域。基因修复的目的是产生一种功能性蛋白，并抑制异常蛋白的表达。广泛的疾病可能通过基因修复进行治疗。例如，最近的研究已经使用基因校正技术从感染的实验室小鼠中去除人类免疫缺陷病毒(HIV)，并校正与亨廷顿病相关的扩展区域中的人类基因。
基因沉默；基因沉默通过靶向mRNA限制蛋白质的翻译。人类识别并破坏双链RNA，双链RNA是病毒中常见的结构。基因沉默利用RNA的独特序列结合靶mRNA，产生的双链RNA被降解。当蛋白质过表达导致疾病时，基因沉默是一种适当的疗法。
基因消除技术；细胞消除技术通常用于破坏癌细胞，但也用于治疗大型良性肿瘤（包括非癌细胞）。例如，嗜肿瘤病毒携带可诱导癌细胞死亡、限制血管化或激活免疫应答的基因。
基因编辑疗法
基因组编辑（基因编辑或基因组工程）已成为在基因组水平改变蛋白质表达的治疗策略。最近，这种方法已被视为几种疾病的潜在治疗工具，包括遗传疾病、传染病和多种类型的癌症。基因编辑中的重要进展在于使得真核生物基因组可以被修饰用于治疗目的。
基因临床试验
下图基于17个临床试验数据库的信息，统计了1988年至2020年全球开展的基因治疗临床试验数量。全球基因治疗临床试验分布：美国（971项临床试验，占46.1%）、中国（623项临床试验，占29.6%）、欧盟（295项临床试验，占14.0%）、日本（29项临床试验，占1.4%）、多国试验（32项临床试验，占1.5%）及其他国家（156项临床试验，占7.4%）。基因治疗临床试验覆盖的主要疾病类别包括：癌症（1373项临床试验，占65.2%）、遗传疾病（434项临床试验，占20.6%）、感染性疾病（82项临床试验，占3.9%）、心血管疾病（105项临床试验，占5.0%），和其他疾病（112项临床试验，5.3%）。迄今为止，肿瘤疾病仍然是开发新治疗方法的主要疾病类型，遗传性疾病（如地中海贫血、眼部疾病、血友病、囊性纤维化和镰状细胞病）构成了基因治疗研究中第二大靶向疾病类别。从临床试验阶段来看，多数临床试验依然处于临床1期和2期，并且主要申办方为行业和大学/医院。
图2 基因治疗不同临床试验分类
基因治疗已成为制药领域最重大的创新之一。迄今为止，已针对广泛疾病的基因治疗开展了2106项临床试验。这些试验提高了对安全因素的认识，明确了最有可能从当前基因传递技术中获益的疾病。众多创业公司，如Spark Therapeutics、Audentes Therapeutics、Kite Pharma等，都被各大制药公司瞄准收购。2014年，Juno Therapeutics成立仅1年就实现了40亿美元的市值。虽然目前仅有少数基因治疗产品获批，但势头依然明显。
市场上的基因治疗产品
当前已经有16款基因治疗产品获得至少一个监管机构的批准，包括Gendicine、Oncorine、Rexin-G、Neovasculgen、Glybera、Imlygic、Strimvelis、Zalmoxis、Invossa、Kymriah、Yescarta、Luxturna、Onpattro、Zolgensma、Zynteglo和Givlaari，图3按时间顺序显示了获批的基因治疗产品的时间表，从2003年的Gendicine开始，到2020年的Zynteglo结束。在下表中还总结了基因治疗产品中使用的4种病毒载体之间的主要差异，包括免疫原性、基因组以及持续时间等。
图3 不同基因治疗产品上市时间
基因治疗未来可期
自第一个获批的基因治疗试验在NIH进行以来，已经过去了近三十年。基因治疗再次走在生物医学研究的前沿，有16种不同的产品被批准用于治疗癌症、失明以及免疫和神经元障碍，然而，改善给药方法还有大量的工作正在进行中。我们同时相信，基因治疗的不断成功，无疑将在未来十年打开医学的新领域。同时，这一新兴技术也激发了合成生物学、细胞重编程、高性能功能基因组学等新颖的研究领域，必然会继续重塑生物医学研究。
参考文献
Alhakamy NA, Curiel DT, Berkland CJ. The era of gene therapy: From preclinical development to clinical application. Drug Discov Today. 2021 Jul;26(7):1602-1619. doi: 10.1016/j.drudis.2021.03.021. Epub 2021 Mar 27. PMID: 33781953.