醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)CRISPR基因編輯與疾病醫(yī)療的社會(huì)變革

李忠光 孫渝婷 史夢婷 楊 蓉 王 丹 梁 瑜 于秋霞 王澤帆 王 娟 任珂星 王李陽,3 周 鑫 MengMeng Xu William Isaacs Jianjie Ma 徐學(xué)紅

1 陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院細(xì)胞遺傳及發(fā)育生物學(xué), 西安, 710119；2 Ohio State University School of Medicine, Columbus;3 BID Medical Center, Harvard Medical School, Boston; 4. Duke University Medical Center, Durham；5 Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD21287, USA

CRISPR/Cas(簡稱CRISPR)精密編輯技術(shù)是繼誘導(dǎo)干細(xì)胞技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用后，有史以來人類最有希望的研究，該技術(shù)在健康醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。與干細(xì)胞及誘導(dǎo)干細(xì)胞技術(shù)相結(jié)合，可從理論上攻克目前基因分子醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的眾多難題，進(jìn)一步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床，具有前所未有的醫(yī)療效果。雖然還有許多技術(shù)層面的問題有待探討，應(yīng)用層面的可行性研發(fā)以及可操作性需要詳盡評估，但該技術(shù)將給人類攻克癌癥、心血管疾病和其他疾病帶來極大的希望。本文以CRISPR精密編輯技術(shù)理論研究和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用為基礎(chǔ)，探究CRISPR基因精密編輯對改變器官移植社會(huì)需求和對社會(huì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活的重大影響。

1 CRISPR知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬的重要社會(huì)影響

1.1 CRISPR的社會(huì)客觀性

CRISPR是繼同源整合基因編輯技術(shù)、鋅指核酸酶(ZFN)和TALEN技術(shù)以來新出現(xiàn)的基因編輯技術(shù)[1]。該技術(shù)操作簡單、省時(shí)且能夠?qū)魏塑账嵝蛄羞M(jìn)行基因精密編輯。但該技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬問題存在不小的爭議。該技術(shù)將是醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)造福于社會(huì)標(biāo)志性的技術(shù)，它的實(shí)施將有助于最終戰(zhàn)勝威脅人類健康的重大疾病。發(fā)現(xiàn)發(fā)明者在科學(xué)史上也將留下重要的記錄。

1.2 社會(huì)認(rèn)可的知識(shí)產(chǎn)權(quán)時(shí)間優(yōu)先和創(chuàng)新性優(yōu)先的原則

由Jennifer Doudna領(lǐng)導(dǎo)的加利福尼亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)和張峰領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院Broad研究所團(tuán)隊(duì)分別于2013年底和2014年初提交了CRISPR/Cas的發(fā)明專利申請，不確切的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)范圍使FDA陷入了困境。2012年， Doudna帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)報(bào)道，他們重組了CRISPR/Cas，可以在選擇的位點(diǎn)切割DNA；而在2013年，張峰帶領(lǐng)的研究小組報(bào)道，CRISPR/Cas可在活的真核細(xì)胞(包括人類細(xì)胞)中起作用[1- 2]。此后生物醫(yī)學(xué)工作者對這個(gè)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，使其功能更為多樣和精準(zhǔn)，如基因的敲除、過表達(dá)以及修飾等功能均可特異并精準(zhǔn)到一個(gè)堿基的遺傳學(xué)修飾[2]。FDA根據(jù)確鑿的時(shí)間優(yōu)先和創(chuàng)新性優(yōu)先的原則，最終判Broad研究所為知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬單位，并得到公眾和研究領(lǐng)域社團(tuán)的認(rèn)可。

2 社會(huì)期待該技術(shù)帶來疾病治療的變革

2.1 社會(huì)對該技術(shù)的期待源于它近年來的革命性突破

CRISPR對社會(huì)影響已經(jīng)進(jìn)入“由科研人員群體到社會(huì)群體”階段的后期或末期，社會(huì)期盼政府給予更大的投資，使之早日應(yīng)用于臨床。近年來CRISPR精密編輯的革命性技術(shù)實(shí)際上是30年前發(fā)現(xiàn)相關(guān)基因特性研究的積累，沒有這些積累也就不可能有該系統(tǒng)的建立，也就沒有基因水平對疾病治療實(shí)施 “單基因編碼”精密編輯的巨大變革[3]。例如，鐮刀形紅細(xì)胞貧血癥是血紅蛋白中珠蛋白β基因的第6位密碼子發(fā)生了點(diǎn)突變導(dǎo)致的疾病，突變使得原本編碼的谷氨酸被纈氨酸所替代，使紅細(xì)胞扭旋成鐮刀形,導(dǎo)致紅細(xì)胞變形性差、易破裂而溶血，甚至導(dǎo)致毛細(xì)血管被這些異常細(xì)胞堵塞引發(fā)的繼發(fā)癥狀[4-5]。若使用CRISPR精密編輯技術(shù)對該基因的這一位點(diǎn)進(jìn)行修正，該疾病就有可能徹底治愈。生殖細(xì)胞的這一定位點(diǎn)糾正性修飾，可在該家族的后代中永遠(yuǎn)消除該疾病的發(fā)病。成為現(xiàn)實(shí)的前提是必須清楚致病基因在基因組上的定位以及它們正常與突變之間的差異是否存在位點(diǎn)修飾、在哪些位點(diǎn)修飾、在個(gè)體發(fā)育的確定時(shí)空段進(jìn)行修飾等[5]。因此，基因遺傳學(xué)治療的歷史積累也是該技術(shù)真正應(yīng)用于臨床的必須條件。

2.2 社會(huì)允準(zhǔn)的少量臨床工作已在推進(jìn)

2018年末，受病患群體支持的CRISPR已經(jīng)在人類胚胎精密編輯的領(lǐng)域里走出了極具爭議性的一步，世界首例CRISPR基因修飾胎兒降生在南方科技大學(xué)?？蒲腥藛T將抗艾滋病的修飾基因以精密編輯的方式引入到胚胎，以期獲得對艾滋病病毒有抵抗力的個(gè)體。暫且忽略該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)倫理道德，該病例已經(jīng)引起社會(huì)、科學(xué)家和相關(guān)管理機(jī)構(gòu)的關(guān)注，是否能夠?qū)崿F(xiàn)“抗艾滋病”的預(yù)期目的，是否具有有效檢測方法倍受社會(huì)關(guān)注。

3 精密編輯有望解決移植供體不足的重大問題

3.1 社會(huì)亟待解決器官移植的供體排斥問題

由于機(jī)體病變或衰老導(dǎo)致的肺、腎、心臟等器官衰竭，目前最有效的治療方法是器官移植。然而，由于移植器官的來源極為有限, 以及器官供體與受體血型的匹配有極強(qiáng)的免疫排斥性，使器官供體供不應(yīng)求。供體非常有限性和免疫排斥性是器官移植臨床面臨的兩大問題。在此領(lǐng)域有極大潛力的哈佛大學(xué)，計(jì)劃在豬身上實(shí)施CRISPR精密編輯技術(shù)，利用該技術(shù)多位點(diǎn)編輯的特點(diǎn)，修飾免疫排斥基因，將豬細(xì)胞中器官排斥相關(guān)基因全部修改為與人類一致的編碼，使排斥現(xiàn)象完全消除，從而徹底解決器官的供應(yīng)不足和免疫排斥的雙重難題。

3.2 哈佛大學(xué)精密編輯干細(xì)胞計(jì)劃徹底解決了供體排斥問題

美國哈佛大學(xué)和Genesis生物技術(shù)公司已實(shí)施了精密編輯豬干細(xì)胞計(jì)劃，利用CRISPR在敲除豬基因組中62個(gè)拷貝的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因(PERV)后，人類細(xì)胞豬病毒侵染率下降到1/1000。在監(jiān)測靈敏度范圍內(nèi)檢測不到任何侵染的同時(shí)，計(jì)劃對51種負(fù)責(zé)同源排斥的基因進(jìn)行修飾，最終獲得與人類機(jī)體無免疫排斥的多位點(diǎn)基因修飾豬[6-7]，從而證實(shí)了研究方案在細(xì)胞培養(yǎng)水平上的可行性。隨后研究人員利用 CRISPR技術(shù)成功地使豬的原代細(xì)胞系中所有的 PERV 序列失活，利用體細(xì)胞核移植技術(shù)，培育出了豬的胚胎，將這些胚胎移植到代孕母豬體內(nèi)培育出了PERV 序列全部失活的小豬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果解除了豬源器官移植到人體的關(guān)鍵安全隱患，方案已得到了成功驗(yàn)證。雖然尚未最終達(dá)到去除免疫排斥的目的[8]，但一旦培育出對人體沒有免疫識(shí)別的豬器官，就意味著患者對豬器官的免疫排斥不復(fù)存在。

4 精密編輯解決了藥物耐受問題

4.1 藥物耐受對患者的危害關(guān)乎社會(huì)穩(wěn)定

世界各國對藥物的研發(fā)都不遺余力，花費(fèi)了大量的財(cái)力、物力和人力。然而，臨床研究表明，由于持續(xù)用藥導(dǎo)致人體和病原體對藥物產(chǎn)生了抵抗，使原來研發(fā)的投資幾近失效，也導(dǎo)致大量患者的生命無法挽回，使得政府必須再投資研發(fā)新藥。大量資金的重復(fù)投入，已受到社會(huì)的極大關(guān)注。近幾年CRISPR技術(shù)的突破，克耐藥機(jī)理的研究成果為徹底解決這一難題帶來了希望。

目前抗生素和抗癌藥的耐受是醫(yī)藥領(lǐng)域亟待解決的重大問題?？股兀拱┧幍群芏嗨幬镌谑┯迷缙趯膊≈委熓怯行У?，由于長期的使用或者其他原因使得用藥劑量加大，甚至導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)免疫耐受，使藥物的療效大大降低。原本治療效果很好的藥物失效或效果明顯降低，不僅對患者有影響，在某些對社會(huì)有較大影響的重大疾病上的藥物耐受，在一定程度上也影響社會(huì)的穩(wěn)定。

4.2 CRISPR精密編輯攻克藥物耐受篩選新技術(shù)

2013年，MIT團(tuán)隊(duì)利用CRISPR技術(shù)對人類全基因組進(jìn)行篩選發(fā)現(xiàn)了增敏相關(guān)效應(yīng)基因，對18080個(gè)基因設(shè)計(jì)了64751個(gè)獨(dú)特序列，靶向全基因組CRISPR 敲除GeCKO文庫，在人類細(xì)胞中能夠進(jìn)行正向和負(fù)向的篩選。他們首先利用 GeCKO 文庫篩選出了對癌癥和多能干細(xì)胞細(xì)胞活力起作用的關(guān)鍵基因，然后在一個(gè)黑素瘤模型中捕捉到腫瘤細(xì)胞在細(xì)胞增殖的過程中相關(guān)基因表達(dá)的改變，利用高通量篩選獲得了維羅非尼(Vemurafenib)有耐藥性敏感的關(guān)鍵基因，包括NF2，CUL3，TADA2B 和 TADA1等效應(yīng)基因[8-10]。CRISPR藥物耐受研究領(lǐng)域做出的關(guān)鍵性貢獻(xiàn)，表明攻克耐藥性的藥物篩選的新時(shí)代已經(jīng)來臨。

5 CRISPR的社會(huì)前景與展望

德州大學(xué)Olson團(tuán)隊(duì)2018年8月首次在大型動(dòng)物中以CRISPR大規(guī)模精密編輯肌肉萎縮癥基因，目標(biāo)器官功能恢復(fù)率可達(dá)92%，使該技術(shù)在治療人類疾病上前進(jìn)了一大步。2017年4月費(fèi)城兒童醫(yī)院(CHOP)的學(xué)者發(fā)文稱發(fā)明了人造子宮系統(tǒng)，該系統(tǒng)在理論上使人類能夠在體外培養(yǎng)著床后發(fā)育的胚胎，在體外培養(yǎng)了羊的胚胎，出生后到1歲，所有羊羔個(gè)體都非常健康，大腦和肺部均無異常。可以推測，體外子宮培養(yǎng)體系的完善將是最終全方位實(shí)現(xiàn)CRISPR基因精密編輯的時(shí)刻，多位點(diǎn)準(zhǔn)確精密修改包括智能、體能、外在美感和內(nèi)在善良的“完美證件照”般的優(yōu)秀個(gè)體將是CRISPR基因精密編輯的終極體現(xiàn)。