王立铭·巡山报告｜第六十二期：基因编辑疗法首次进入市场

源济

第六十二期：基因编辑疗法首次进入市场

你好，我是王立铭。2024年4月6日，第六十二期《巡山报告》又和你见面了。

这一期报告的主题是基因治疗。

2023年12月8日，美国药监局正式批准了两款用于治疗镰刀型贫血症的基因治疗药物。这两款药物分别是来自美国Bluebird Bio公司的Lyfgenia和美国Vertex Pharmaceuticals公司的Casgevy[1]。

特别值得注意的是，后面这款药物——Casgevy，是人类历史上首款被正式批准上市的基因编辑药物。它在2023年11月底率先获得英国药监局的批准，用于治疗beta型地中海贫血症和镰刀型贫血症[2]，并且在12月8日获准进入全球最大的美国医药市场。对于基因编辑技术、基因治疗行业，甚至整个医药开发市场，这都是一次具有重大历史意义的突破，值得我们深入讨论。

因此，这一期《巡山报告》，我们就重点探讨一下当前基因治疗领域的两类思路。而这两类思路也恰好对应了我们刚刚提到的这两款基因治疗药物。

基因治疗药物

首先，我们得明确一下什么叫基因治疗药物。

我们知道，人类基因组2万多个基因是人体全部生物学活动背后的司令官。在中心法则的指导下，这些基因在人体细胞中生产了数万种氨基酸序列、氨基酸化学修饰、以及三维立体结构各不相同的蛋白质分子，推动了人体当中数以百万计的生物化学反应。如果这些基因的DNA序列出现差错，这些基因对应的蛋白质分子就可能会出现结构和功能的混乱，从而导致各种各样的疾病。

举个例子：有些人类疾病的根源是单个基因某个特殊位点的变异，这种疾病被称为单基因遗传病。例如，镰刀型贫血症和beta型地中海贫血症，都是由于人类基因组11号染色体上编码beta-珠蛋白（beta-globin）的基因发生序列变异，继而导致血红蛋白功能和结构异常[3]。

这两类疾病在临床症状上也比较类似。我们知道，血红蛋白是人体红细胞的主要成分，负责沿血管向人体各个器官组织运输氧气。因此，血红蛋白的异常一方面会导致供氧能力降低，人体容易疲劳、发育迟缓、感染各种疾病；另外一方面，会导致红细胞更容易出现结构异常和破裂，阻塞血管，引起全身疼痛、手脚肿胀和脾脏肿大。

除此之外，绝大多数的人类疾病虽然没有明确的单一遗传因素，但也确定无疑地受到了基因变异的影响。例如，糖尿病、高血压、阿尔茨海默症这些常见的疾病，也都有明确的遗传风险因素，很多基因位点的变异都能增加这些疾病的风险。一个著名的例子是人体19号染色体ApoE基因的变异，大约有2-3%的人携带两个拷贝的ApoE4变异，这区区两个氨基酸的变化就能将患上阿尔茨海默病的风险提高大约10倍[4]。

那你现在看到了，既然基因序列的变异会导致疾病或增加疾病的风险，那么一个很自然的思路就是，如果能够设计药物来直接影响这些致病基因的功能，也许就可以釜底抽薪地治疗疾病。这就是所谓基因治疗的概念。截至2023年底，全球主要医疗市场上已经批准了十多款基因治疗药物上市[5]。

这些获批上市的基因治疗药物可以从概念上分为两类：

思路一：补充所缺

一类是补充所缺的思路，也就是“缺什么补什么”，把一个正确的基因DNA片段重新送入人体细胞，弥补由于基因变异导致的基因功能缺陷。目前获批上市的绝大多数基因治疗药物都属于这一类。

就以这次获批的药物Lyfgenia为例。它的开发者Bluebird Bio公司已经有三款基因治疗药物上市，走的都是”缺什么补什么“的路子[6]。

这三款药物当中，Skysona于2022年获批，它用于治疗脑型肾上腺脑白质营养不良（CALD，Cerebral adrenoleukodystrophy），这种病听起来比较复杂啊。这种疾病是由人体ABCD1基因变异引起的，而Skysona的治疗思路就是把一个序列正确的ABCD1基因，通过慢病毒载体送入患者的造血干细胞，从而弥补ABCD1基因变异带来的缺陷。

那值得一提的是，为了实现这个治疗路径，医生们需要首先从患者体内提取足够量的造血干细胞，在体外培养并且用病毒感染，确认病毒成功将ABCD1基因片段送入细胞之后，再将这些造血干细胞重新输回患者体内。整个操作需要持续几周时间，它的定价也达到三百万美元的天价。

而这家公司的另外两款基因治疗药物分别是，2022年获批的药物Zynteglo，用于治疗beta-地中海贫血症，和刚刚获批的这款药物Lyfgenia，用于治疗镰刀型贫血症。这两款药物的治疗思路非常接近，都是使用慢病毒载体将一个序列完整的beta-珠蛋白基因送入患者的造血干细胞，以弥补beta-珠蛋白基因序列变异导致的健康问题。和刚刚我们讨论的Skysona类似，这两款药物也需要针对每位患者单独定制，治疗周期都很长，而且定价也都非常高昂。

思路二：基因编辑

补充所缺是基因治疗药物的一个思路，而另外一个思路则是利用基因编辑工具，直接修改患者体内的基因组DNA序列，起到治疗疾病的作用。那这次获批的另外一款基因治疗药物Casgevy，就是历史第一款获得批准上市的基因编辑药物。

基因编辑这个名词经常在新闻里出现，我想你肯定已经非常熟悉了。它的功能就是精确识别基因组DNA的某个特定位点，并且精确改变它的序列。

第一代基因编辑工具，锌指蛋白核酸酶（ZFN, zinc-finger nuclease），是在1996年被发明出来的[7]；在2010年，第二代基因编辑工具TALEN（Transcription activator-like effector nuclease）也被发明出来了[8]。这两代基因编辑工具的基本设计逻辑都是很类似的，是两个模块的组合：一个模块用于识别特定的DNA序列，另外一个模块则用于切割DNA双链。

在两年之后，就是2012年，最受瞩目的第三代基因编辑工具CRISPR/cas9就被发明出来了，因为它极高的编辑效率和易用性，被迅速推广应用，也包括临床应用[9]。而这项技术的两位最初发明人也获得了2020年的诺贝尔化学奖。

用基因编辑工具治疗疾病，听起来当然很诱人：只需要把工具投送到需要治疗的人体细胞中，让它把出现异常的DNA序列修复正常就可以了。但是在实际应用中，这种哪里错误就修改哪里的精确治疗存在非常多的障碍，至今还没有实现——这主要是因为即便使用了非常高效的CRISPR/cas9工具，想要把DNA序列精确地修改到某个样子，效率目前还是太低了。

那在当下，我们是怎么利用基因编辑药物来治疗疾病的呢？又或者说，这类基因编辑药物是如何起作用的呢？

实际上，它的作用方式远比我们设想要简单和粗暴得多。主要有两个方式：

一个方式是，如果某种疾病是某个异常基因的异常功能导致的，那么就可以利用基因编辑工具破坏掉这个异常基因的序列，让它无法高效生产出功能异常的蛋白质，从而缓解疾病的症状。

我们更具体地来说，基因编辑工具在定点切割DNA双链之后，断裂的DNA双链在重新粘合在一起的时候，往往会伴随随机的几个碱基的插入或者丢失（indel），从而人为制造新的基因变异，而这些变异有很大概率会彻底破坏这个基因的功能[10]。

例如在2021年，《新英格兰医学杂志》刊登了一项基因编辑药物的一期临床数据，研究者们证明，这款试验性药物NTLA-2001，它可以治疗一种单基因遗传病，这种疾病叫转甲状腺素蛋白淀粉样变性（ATTR, Transthyretin Amyloidosis）[11]。这种疾病是由一个叫TTR（转甲状腺素）的基因变异引起的，这种变异基因生产出的变异的转甲状腺素蛋白能够彼此大量聚集、形成沉淀，破坏细胞的正常功能。而这款基因编辑药物进入人体之后可以在肝脏富集，定点切割和破坏TTR基因，自然就可以延缓疾病的发展。

而另外一个更为复杂的方式，代表案例就是我们开头提到的基因编辑药物Casgevy，它的工作原理就有点像“负负得正”了。

我们刚刚说过，镰刀型贫血症和beta-地中海贫血症都是因为人体beta-珠蛋白基因的变异导致的。人体的血红蛋白其实是一个蛋白质复合体，由四个珠蛋白组装而成。一般来说，在胎儿期，血红蛋白主要是由两个alpha-珠蛋白和两个gamma-珠蛋白组装而成的；在出生之后几周内，gamma-珠蛋白的数量快速下降，并且被beta-珠蛋白所替换。

而如果beta-珠蛋白出了问题，我们刚刚已经说过，比如说它减少了，那么就有可能导致镰刀型贫血症和beta-地中海贫血症。那怎么治疗呢？

一个很自然的思路当然就是缺什么补什么，直接投送一个完整的beta-珠蛋白序列进去就可以了，这就是我们刚刚讨论过的第一种思路，你很容易可以想到。

而如果我们要用第二种思路，就是基因编辑的思路，该怎么做呢？药物开发者们转而利用了早在婴儿期就退居二线的gamma-珠蛋白基因。这个基因在人类出生之后表达量急剧下降，是因为一个名叫BCL11A的蛋白质抑制了它的表达[12]。反过来想，如果你可以利用基因编辑工具切割和破坏掉这个看起来和疾病毫无关系的BCL11A基因，重新激活gamma-珠蛋白基因，重新组装出胎儿期的血红蛋白，也应该能够很好地恢复血红蛋白和红细胞的功能，毕竟这一套装置在胎儿期可以很好地工作。而这正是Casgevy这款基因编辑药物的工作原理。

好，关于基因编辑药物的两种作用方式，我们可以再理理思路：至少截至目前，基因编辑药物的作用仍然是破坏，而不是精确地修复基因序列。所以它的应用场景，要么是破坏一个直接导致疾病的坏基因，比如刚才我们讲到的NTLA-2001这款药物；要么是破坏一个起抑制作用的基因，让某个我们需要的好基因被重新启动，比如Casgevy。

补充所缺VS基因编辑

整体来看，基因治疗的这两种思路，一个是缺什么补什么，一个是基因编辑，哪种更有优势呢？

可能这个问题没法一概而论。至少从技术本身出发，两种思路都还存在一些系统性的风险。

缺什么补什么的思路，最大的问题是要将一段外来的DNA序列重新插入人体基因组的某个位置，那这个插入过程目前本身是不可控的：我们不知道慢病毒载体会将多少个拷贝的基因插入基因组的哪个位置。因此你完全可以想象，如果恰好这个基因片段插入了一个原本重要的基因当中，这个过程本身还有可能导致新的疾病。例如刚刚我们讲到的Lyfgenia这款药物，虽然已经获批上市，但在临床试验中确实观察到有患者出现了血液肿瘤，美国药监局也据此对这款药物给出了黑框警告，提醒医生和患者重视此类风险。

而基因编辑技术的内在问题是可能存在所谓“脱靶”效应，也就是可能在不该被剪切的基因组上随便动刀。尽管Casgevy这款药物在临床研究中还没有观察到类似问题的出现，但未来大规模推广中也仍然需要密切关注这个问题。

另外，这两种思路目前其实都还谈不上真正意义上的对症下药、釜底抽薪。你看，补充一个正确的珠蛋白基因之后，原本出错的beta-珠蛋白基因仍然在人体中工作，也仍然可能组装出存在缺陷的血红蛋白；而另外一个思路，你重启gamma-珠蛋白之后固然能组装出胎儿期的血红蛋白，但胎儿期的血红蛋白的氧结合能力却远大于成人的正常血红蛋白，是否会导致一些意想不到的副作用尚未可知。

但是如果我们展望未来的话，基因编辑技术更有潜力能够再进一步，实现对致病基因序列的精确编辑和修复，而这一点，传统那种补充所缺的基因治疗思路就只能望洋兴叹了。

而这种精确的编辑和修复，目前有两种方法也许能够实现。

一个方法是用CRISPR/cas9编辑工具切开DNA，再利用正确基因作为模版对DNA序列进行精确地修复。这一点人们早就知道。在切开DNA双链后，如果恰好断裂区的那个对应基因序列有一个完整的DNA片段就在附近，那么细胞在弥合断口的时候，就有可能利用这个完整片段作为模版进行序列校准。这样一来，如果我们在投送基因编辑工具的同时，也投送一份正确的基因序列作为模版，就有可能把错误的基因序列按照模版修改成正确的。例如，一家美国公司Graphite Bio，就有一款试图实现beta-珠蛋白基因精确修复的药物在开发过程中[13]。

而另一个方法则是使用更为精确的基因编辑工具，比如单碱基编辑(Base editing)和先导编辑（Prime editing）。这两类技术的要点在于，在利用CRISPR/cas9定位到基因组的特定序列之后，不需要切断DNA双链，也能改变DNA序列。

那说到如此精妙的编辑技术，就不得不提它的开发者，哈佛大学医学院的刘如谦（David Liu）实验室了。

2016年，刘如谦实验室开发出胞嘧啶碱基编辑器，利用CRISPR/cas9工具将一个胞嘧啶脱氨酶引导到需要编辑的基因序列附近，胞嘧啶脱氨酶可以将DNA链条上的胞嘧啶（C）脱去氨基，转换为尿嘧啶（U），再利用细胞内的DNA修复程序转换为胸腺嘧啶（T）（Komor AC et al, Nature 2016）。这样一来，DNA双链上的C-G配对，就会转变成T-A配对，而且这个过程并不需要对DNA进行剪切和重新连接。

2017年，同样的实验室又利用同样的设计原理开发出了腺嘌呤碱基编辑器，可以实现DNA双链上A-T配对向G-C配对的转化（Gaudelli NM et al, Nature 2017）。

请注意，基于DNA的互补配对原理，这两类碱基编辑器当然也能够实现G-C到A-T以及T-A到C-G的转化。换句话说，在全部12种DNA碱基的变化方式（也就是四种碱基的任何一种转变为其余三种）当中，碱基编辑器实现了其中的四种。

而到了2019年，刘如谦实验室又开发了一套全新的基因编辑技术，叫先导编辑（Prime Editing）(Anzalone AV et al, Nature 2019)。这套方案同样依赖CRISPR/cas9技术进行基因组定位，但定位之后可以在不彻底切断DNA双链的条件下，利用逆转录酶制造一小段DNA序列，和DNA双链上的序列进行竞争和替换，从而实现编辑效果。利用先导编辑技术，研究者们可以实现全部12种DNA碱基的替换，以及其他更复杂的编辑操作，例如DNA小片段序列的插入和剪除。

因此，就在很多人认为CRISPR/cas9技术已经在编辑精度上无可超越的时候，刘如谦实验室开发的新技术又将想象空间进一步拓展到单个碱基的精确改变上。目前，他所创立的生物技术公司，BEAM Therapeutics和Prime Medicine，也在积极推动利用精确修复的方式来治疗疾病[14]。

也就是说，尽管美国药监局这次同时批准了针对镰刀型贫血症的两款药物，一款主打补充所缺，一款主打基因编辑，让两家公司彼此竞争，让事实说话的心态表露无疑。但是从技术本身的潜力出发，我认为，还是基因编辑技术有更大的潜力。这也解释了为什么在自家药物批准上市当天，主打补充所缺路线的Bluebird Bio公司，股价反而暴跌40%。

当然，面对更广阔的应用场景，基因编辑技术也有很多技术层面的优化要做。首先，当然是如何实现更高效率的基因编辑和修复、更少的脱靶、以及同时编辑多个基因。与此同时，如何将基因编辑工具高效和精确地投送到需要进行基因编辑的组织和细胞类型中，也是一个亟待解决的技术问题。最后，在编辑技术之外，基因编辑技术的推广还需要解决临床程序繁琐、成本过高、适用范围狭窄的问题。

至今上市的基因治疗药物定价都高达数百万美元，很多还需要针对每位患者做个性化的治疗，而且这些药物基本都是用来治疗病因明确的单基因罕见遗传病，市场规模较小。在未来，更便宜、通用、适用于病因更加模糊的流行疾病，是基因编辑药物显然的进化方向。

好了，这就是本期的巡山报告。

我是王立铭。下个月6号，我再次为你巡山。

参考资料

[1] FDA Approves First Gene Therapies to Treat Patients with Sickle Cell Disease. (2023). In Hematology Week (pp. 758-). NewsRX LLC.
[2] Wong, C. (2023). UK first to approve CRISPR treatment for diseases: what you need to know. Nature (London), 623 (7988), 676–677.
[3] American society of hematology.(2023). Sickle Cell Disease and Thalassemia.https://www.hematology.org/about ... disease-thalassemia
[4]Raulin, A.-C., Doss, S. V., Trottier, Z. A., Ikezu, T. C., Bu, G., & Liu, C.-C. (2022). ApoE in Alzheimer’s disease: pathophysiology and therapeutic strategies. Molecular Neurodegeneration, 17 (1), 1–72.
[5]中国医药创新促进会.(2023).全球已上市48款基因疗法，基因治疗即将步入高速发展期.http://www.phirda.com/artilce_31847.html?cId=1
[6] bluebirdbio.(2024).setting the standard for gene therapy.https://www.bluebirdbio.com/our-therapies
[7]Kim, Y.-G., Cha, J., & Chandrasegaran, S. (1996). Hybrid Restriction Enzymes: Zinc Finger Fusions to Fok I Cleavage Domain. Proceedings of the National Academy of Sciences - PNAS, 93 (3), 1156–1160.
[8] Christian, M., Cermak, T., Doyle, E. L., Schmidt, C., Zhang, F., Hummel, A., Bogdanove, A. J., & Voytas, D. F. (2010). Targeting DNA double-strand breaks with TAL effector nucleases. Genetics (Austin), 186 (2), 757–761.
[9] Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A Programmable Dual-RNA—Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science (American Association for the Advancement of Science), 337 (6096), 816–821.
[10] Wyatt,David.，Ramsden,Dale.(2020).Non-Homologous End Joining.https://blog.addgene.org/crispr-101-non-homologous-end-joining
[11]Gillmore, J. D., Maitland, M. L., & Lebwohl, D. (2021). CRISPR-Cas9 In Vivo Gene Editing for Transthyretin Amyloidosis. Reply. The New England Journal of Medicine, 385 (18), 1722–1723.
[12]Sankaran, V. G., Menne, T. F., Xu, J., Akie, T. E., Lettre, G., Van Handel, B., Mikkola, H. K. A., Hirschhorn, J. N., Cantor, A. B., & Orkin, S. H. (2008). Human Fetal Hemoglobin Expression Is Regulated by the Developmental Stage-Specific Repressor BCL11A. Science (American Association for the Advancement of Science), 322 (5909), 1839–1842.
[13] Graphite Bio Presents Preclinical Gene Replacement Data for GPH102 for Beta-thalassemia at the ASGCT 25th Annual Meeting. (2022). In Business Wire. Business Wire.
[14] Beam therapeutics.(2024).Broad and diversified portfolio.https://beamtx.com/pipeline/
Prime medicine.(2024).pipeline.https://primemedicine.com/pipeline/