萊斯大學研究表明，使用CRISPR-Cas9和一個校正的短DNA模板修復患者造血幹細胞（HSCs）中的鐮狀細胞突變是有效和安全的。
萊斯大學布朗工程學院的生物工程師Gang Bao與德克薩斯州兒童醫院、貝勒醫學院和史丹福大學合作進行了這項研究。Bao和Vivien Sheehan是貝勒醫學院的助理教授，也是德克薩斯州兒童血液學中心鐮刀細胞項目的成員。
文章發表在開放獲取的學術期刊《Nucleic Acids Research》。
痛苦的、往往致命的鐮狀細胞病影響了大約10萬美國人和全世界數百萬人。血紅蛋白亞單位β（又名β-珠蛋白）的一次突變迫使正常的盤狀紅細胞變硬並形成特有的鐮刀形。這些細胞會破壞血管壁，使小血管凝結，阻止氧氣向組織輸送。
如今，一些患有這種疾病的人用來自匹配捐贈者的幹細胞進行治療，研究人員說，然而事實上，只有不到15%的患者可以選擇這個策略。一個更好的策略是修改病人自己的造血幹細胞和祖細胞（HSPCs），理論上適用於每個病人而且不會有排斥風險。
理想情況下，從患者骨髓中分離出幹細胞進行基因編輯和測試，同時化療減少患者體內的幹細胞為編輯後注入的細胞騰出空間。Bao說，然後這些被矯正的細胞將被移植回病人體內，在那裡它們可以增殖並產生健康的血細胞。
在這項新研究中，Bao和他的團隊首次在嚙齒類動物身上測試了患者的HSPCs，並證明，基因編輯細胞中的一部分可以存活4個月，並具有功能。
實驗用幹細胞來自5名患者的外周血和2名患者的骨髓，均由Sheehan提供。Sheehan實驗室對編輯後的細胞所產生的血紅蛋白類型進行了表徵，結果表明，基因編輯可以提供足夠的保護性和正常的血紅蛋白，即使在嚴重缺氧的情況下也能阻止鐮刀病的發生。
早期使用的野生型Cas9蛋白——以化膿性鏈球菌的DNA為靶點並切割特定部分的「剪刀」——導致幹細胞出現了高水平的意外DNA編輯。這些非目標編輯包括大量染色體缺失和可能導致疾病的反作用。
在第二輪測試中，萊斯大學實驗室採用了由集成DNA技術開發的最新「高保真」版本Cas9。Bao說，它能顯著減少脫靶編輯。
並非所有從鐮刀突變患者身上分離出來的幹細胞都能通過基因編輯來加以修整。根據Bao實驗室的實驗，它最多能修復40%的缺陷，另外50%的細胞，雖然DNA被切斷了，但沒有被正確的DNA模板修復。儘管如此，這似乎也能促進了幹細胞表達胎兒血紅蛋白（HbF）。
眾所周知，胎兒血紅蛋白可以減弱鐮狀細胞病的影響。Bao懷疑，如果編輯過的細胞中胎兒血紅蛋白持續表達，將有90%的患者幹細胞或是被正確矯正，或是通過表達胎兒血紅蛋白的方式阻止鐮刀突變。
Bao說：「我們希望，如果我們從患者骨髓中取出一部分HSPCs，消除體內剩餘突變幹細胞，然後編輯好HSPCs並將其送回，基因矯正和HbF表達細胞的結合將足以治癒這種疾病。」
他說，大約10%的幹細胞繼續產生鐮狀細胞應該不是一個大問題。「好消息是，正常的紅細胞壽命是鐮刀細胞的9倍。意味著隨著時間的推移，大部分紅細胞都將替換成正常細胞，也就是我們希望看到的情景。」
研究人員還不知道切割β-珠蛋白以提高胎兒血紅蛋白水平是否會帶來長期益處，或者是否有可能誘發降低血紅蛋白產生的β-地中海貧血。「風險是有的，我們需要更好地理解它，」Bao說。
目前仍不清楚需要編輯多少幹細胞才能長期緩解患者病情。「我們不知道矯正多少百分比的HSCs才能有效地治療鐮狀細胞病，」Bao說。「有些人說只需要百分之幾，有些人說需要5-10%。我估計5%左右就足夠了，但確切的百分比只能通過臨床試驗確定。」
「人類試驗可能還要『飛』一段時間，」他說。「從技術上講，我們已經準備好進行臨床試驗了。但是，哪怕僅獲得試驗批准就需要大量的資源。我們需要編寫數據並做額外的實驗來解決安全問題。」
參考文獻：
Highly efficient editing of the β-globin gene in patient-derived hematopoietic stem and progenitor cells to treat sickle cell disease