上周，美国医生首次使用基因编辑工具 CRISPR，尝试治疗一名活体患者的遗传性疾病。维多利亚·格雷（Victoria Gray），一位来自密西西比州的 41 岁女性，患有镰状细胞病，这是一种由基因突变引起的、常常痛苦且致残的疾病，该突变会改变红细胞的形状。目前，该疾病只有一种治疗方法——捐献者移植，但仅对 10% 的患者有效。然而，医生们认为，编辑从格雷自身骨髓中提取的细胞，或许可以恢复正常的红细胞形成。如果成功，这将成为 90% 的镰状细胞病患者一直在等待的治疗方法。
镰状细胞病患者无法产生 β-血红蛋白——这种蛋白质既能使红细胞呈圆形并帮助输送氧气，又能使您的身体输送氧气。相反，他们会产生一种称为血红蛋白 S 的故障蛋白质，该蛋白质会改变红细胞的化学性质，使其自身塌陷，变得僵硬并呈镰刀状。这些钩状细胞在输送氧气方面的效率远不如健康的圆形细胞。相反，它们会堵塞小血管并过早破裂，导致组织和器官缺氧，从而引起疼痛和极度疲劳。为了尝试治疗，医生从格雷的骨髓中提取了干细胞，并使用 CRISPR 修改了 DNA，以激活一种特定的蛋白质，从而能够正常生产红细胞。
格雷是美国首位接受 CRISPR 基因编辑的患者，也是全球第二位。据 CRISPR Therapeutics（该研究的牵头生物技术公司之一）二月份发布的公告，首位患者在德国接受了治疗，患有类似的遗传性血液疾病，称为 β-地中海贫血。根据最近的新闻稿，这位身份未公开的患者正在好转，并且已经四个多月没有需要输血了（这是该疾病的典型治疗方法）。
CRISPR Therapeutics 是一家总部位于马萨诸塞州剑桥的公司，专注于开发基于基因的疗法，而波士顿的 Vertex Pharmaceuticals 将在这两家公司联合进行的试验中，最终招募约 45 名年龄在 18 至 35 岁之间的人，以评估使用 CRISPR 对血液细胞进行基因改造是否能彻底治愈这些故障的镰状细胞。
什么是 CRISPR？
CRISPR 是“规律间隔成簇短回文重复序列”的缩写。它们是 DNA 的重复序列，当与一种酶（在本例中是 Cas9）匹配时，它们就像 DNA 剪刀一样，能够切割、移除和替换 DNA 的各个片段。
科学家们最早在细菌中将 CRISPR 识别为一种防御系统。当病毒试图入侵细菌细胞时，微生物会保留病毒 DNA 的片段，以便如果细菌在攻击中幸存下来，它就能在下次识别出入侵者。如果病毒再次出现，细胞将利用窃取的 DNA 制造一种称为“向导 RNA”的 RNA，之所以称为向导 RNA，是因为它实际上会引导 DNA 切割酶 Cas9。向导 RNA 在入侵的病毒 DNA 中找到匹配项，然后 Cas9 会进行切割，从而破坏病毒 DNA 并保护细菌细胞免受病毒入侵。
科学家们已经将 CRISPR-Cas9 系统重新用于各种用途。他们设计向导 RNA 以匹配任何可能想要移除或改变的基因，例如人类的致病突变或植物的生长调控基因，然后连接 Cas9。对于镰状细胞疗法，他们以红细胞中的 BCL11A 为目标。BCL11A 在体内有许多重要作用，但在红细胞中，它会抑制一种称为胎儿血红蛋白的蛋白质。如果禁用它，细胞将产生胎儿血红蛋白——这可以防止细胞发生镰状化。
CRISPR 疗法是如何工作的？
Bao 说，对于这种治疗，医生从格雷的骨髓中移除了干细胞。然后，他们使用 CRISPR-Cas9 切割并禁用 BCL11A 基因，使其细胞不再产生抑制剂。
一旦编辑过的细胞被注射回患者的骨髓，它们应该开始产生胎儿血红蛋白。所有人类在婴儿时期都会产生胎儿血红蛋白，但随着时间的推移，胎儿血红蛋白会急剧下降，身体会用 β-血红蛋白（在镰状细胞患者中是血红蛋白 S）正常取代它。
贝勒大学的血液学家 Vivien Sheehan 说：“1941 年，一位名叫 Jane Watson 的儿科医生注意到，镰状细胞病婴儿直到 6 个月到 1 岁大时才出现症状。”她还注意到，镰状细胞病婴儿产生的胎儿血红蛋白持续时间更长，直到大约两岁。
Sheehan 说，自 Watson 发现以来，有大量研究表明增加胎儿血红蛋白是一种可行的治疗策略。它可以防止故障的血红蛋白 S 使红细胞发生镰状化。但花了将近 80 年才找到真正执行该策略的方法。
然而，这种治疗并非没有风险。在医生将编辑过的细胞注射回患者骨髓之前，他们必须使用放疗和化疗来损伤他们其他的干细胞。如果他们不这样做，未编辑的干细胞将继续比编辑过的细胞更快地产生镰状红细胞。为了让胎儿血红蛋白占优势，并确保健康的圆形血细胞占上风，他们会损伤产生镰状细胞的原始干细胞。
在那之后，就进入了等待阶段。他们等待胎儿血红蛋白增加，镰状血细胞的数量减少。Sheehan 说，治疗对患者来说才值得，它必须显著改善患者的生活质量。必须有功能性的回报，一种长期的疾病缓解。
基因编辑危险吗？
基因编辑有潜力治疗多种遗传性和目前无法治愈的疾病，包括一些癌症。但由于它可以随意切割几乎任何 DNA 片段，因此必须极其谨慎地使用。
几个月前，中国科学家何建奎使用 CRISPR 编辑了人类胚胎。然后，他将胚胎植入一名女性子宫，该女性于 2018 年 11 月生下了一对双胞胎女孩。他的目的是禁用胚胎中的 CCR5 基因，使其能够抵抗其父亲携带的 H.I.V. 感染。但是，与镰状细胞试验不同的是，何建奎的实验是一个巨大的伦理失误，并且在许多国家都是非法的。
Sheehan 说，当科学家使用 CRISPR 编辑胚胎时，他们正在改变该个体未来身体中的每一个细胞。因此，何建奎关闭了双胞胎心脏细胞、脑细胞、皮肤细胞——所有地方的 CCR5 蛋白。科学家们不知道这可能产生什么副作用，尤其因为同一基因在不同类型的细胞中可能扮演不同的角色。
莱斯大学的生物工程师 Gang Bao 补充说，编辑胚胎的基因也会改变他们的生殖细胞。因此，“任何基因改变都将传递给后代——这是危险的。”
Bao 说，对于镰状细胞治疗，科学家们只编辑了一种类型的体细胞（任何非生殖细胞）。这意味着改变只影响正在接受治疗的个体，而不会传递给后代。研究人员还编辑了一种特定类型的干细胞，这样只有红细胞会受到影响。换句话说，实验性治疗仅限于单个个体中的一种细胞类型。
Bao 说，使用 CRISPR 始终存在意外后果的风险。对于这些临床试验，CRISPR 的目的是在一个基因上进行双链切割，但不可避免地会出现所谓的“脱靶效应”。使用 CRISPR 时，酶偶尔会在研究人员未预料到的地方进行切割是正常的。他说，有一些极其精确的酶版本，但即使如此，脱靶切割的数量也从未为零。
Sheehan 说，要了解这些意外的切割是否有害，或者是否少到可以忽略不计，研究人员将不得不观察格雷和其他患者至少 15 年，可能更长。可能需要这么长时间才能了解胎儿血红蛋白是否是长期的解决方案，并观察使用 CRISPR 是否有任何意外影响。
现在下结论还为时过早，但研究人员仍然很兴奋，因为对于绝大多数镰状细胞病患者来说，Sheehan 说，“这是唯一潜在的治愈方法。”
