▉寫在前面
近年來，隨著人類基因組計劃取得超乎預想的進展，基因測序、RNA-seq等技術的突飛猛進，基因療法（gene therapy）的熱度在迅速提高，我們看到一級市場融資升溫，單筆投資額加大，我們也看到clinical trials上登記的試驗數量也快速增加。已經有不少專業的公眾號關注到基因療法這一領域，寫出了很多高質量的文章，很多是碎片化的介紹。筆者開設本專欄的目的，是希望能系統地向讀者進行介紹，由淺入深，由整體到細分，在此過程中和各位共同進步。
這個專欄將儘可能用最簡單的語言說清楚基因治療這個領域。筆者不才，如有遺漏或錯誤，還請批評指正！ 在第一期中，我們將結合NEJM等期刊的幾篇綜述，初步了解基因療法。
▉基因療法的簡介
人體疾病的發生主要是由生命活動過程中重要物質代謝失衡或對應信號通路調節失衡所引起，其中，部分疾病是基因表達缺陷造成的對應代謝功能缺失造成。
目前的各種療法中，不論是物理、化學或生物學的方法，都是通過重要物質的補入或信號通路的控制，將人體恢復平衡狀態，或建立起新的平衡，以期減少疾病症狀和延長患者壽命。常見的小分子化藥和大分子抗體類藥物已經取得了很大的成功。但這些藥物的發展也面臨著很多困境，比如小分子化藥有著組織分布、親和力等等難題，而抗體類藥物的作用靶點多位於膜表面，對於胞內靶點甚至是染色體上的核酸靶點束手無策，且為了維持人體穩態，往往需要長期輸入治療性蛋白質，工藝複雜、開發難度大。對於很多患者來說，終身注射是一件很痛苦的事情。
因此，基因療法作為一種可以實現治療性蛋白的長期表達和組織特異性表達的治療方法應運而生，以實現治療傳統藥物不能治療的疾病，或大幅改善治療疾病的方式。同時，由於可以靶向異常的基因，在一些疾病中，基因療法也被看作能從根源上治癒疾病。
圖片1：全球已批准的基因療法藥物一覽
（近日，Gilead的Tecartus獲FDA加速批准，成為第三款上市的CAR-T藥物，由於原文獻制表時此藥並未獲批，因此未加入其中）
▉基因療法的原理
狹義上的基因療法是指將功能基因遞送到患者體內，以矯正或置換治病基因的一種治療方法。在這種治療方法中，目的基因被導入到靶細胞（target cells）內，他們或與宿主細胞（host cell）染色體整合成為宿主遺傳物質的一部分，或不與染色體整合而位於染色體外，但都能在細胞中得到表達，起到治療疾病的作用。廣義上來講，凡是採用分子生物學的方法和原理，在核酸水平上開展的疾病治療方法都可稱為基因治療。因此，RNA藥物也可以算作基因療法。
目前，基因療法作用原理可以分為以下5種：
基因修飾（gene augmentation）：又稱基因增補，將外源基因導入病變細胞或其它細胞，外源基因的表達產物能修飾缺陷細胞的功能或使原有的某些功能得以加強，是目前已上市和實驗中的基因療法最主要的作用原理之一。在這種治療方法中，缺陷基因仍然存在於細胞內。在這一原理下，利用基因療法具有長期表達和組織特異性表達治療性蛋白的特點，有兩種藥物設計思路：（1）將基因療法作為長效的給藥方式，基於治療性蛋白反向設計基因序列，完成藥物設計，例如在wAMD中的應用；（2）將基因療法作為一種全新的治療方式，針對過去無法治療或難以治療的疾病，從基因出發設計藥物，例如Luxtuma、Zolgensma。
圖片2：Luxtuma的治療原理
基因置換（gene replacement）/基因修復（gene correction）：用正常的基因原位替換病變細胞內的致病基因，或定點導入外源正常基因替代缺陷基因（點特異性修復），使細胞內的DNA完全恢復正常狀態。這種治療方法在設計上最為理想，但技術上仍未突破，操作難度也極大，且用於生殖細胞時倫理爭議極大。目前單鹼基編輯技術（Base Editing）是該領域的寵兒，但還有一段很長的路要走。
圖片3：基於Cas9的基因編輯舉例
基因失活（gene inactivation）：利用反義技術、核酶技術或基因敲除技術（knock-out）特異地封閉基因表達特性，抑制有害基因的表達。如反義RNA、核酶或RNAi等藥物，有望在非一過性病毒感染及神經系統疾病中取得突破進展。
圖片4：miRNA(a)和siRNA(b)作用原理
免疫調節（immune adjustment）：將抗體、抗原或細胞因子的基因導入病人體內，改變病人免疫狀態，達到預防和治療疾病的目的。可從體液免疫和細胞免疫兩個維度設計藥物，例如CAR-T。
圖片5：CAR-T細胞輸入患者體內後運輸至腫瘤並增殖
自殺基因的應用：某些基因的表達產物（酶）能將無毒、或低毒的核苷酸類化合物代謝成特殊中間產物，並進一步生成細胞毒性物而導致細胞死亡。如向腫瘤細胞中導入單純皰疹病毒胸苷激酶（HSV-TK）基因，然後給予病人無毒性環氧丙苷（gancidovir，GCV）藥物，由於只有含HSV-TK基因的細胞才能將GCV轉化成有毒的藥物。因而腫瘤細胞被殺死，而對正常細胞無影響。
▉基因療法的適應範圍
前文已經說到了基因療法的各種原理，相較於傳統藥物是直接補充人體所需的重要物質（蛋白質、無機物、多肽等等）或調節信號通路中的蛋白靶點，基因療法的作用位點更「上遊」，在核酸水平上開展治療。根據中心法則，理論上由蛋白質異常導致的疾病，都可以通過核酸的作用來治療，基於此，基因療法可治療的領域非常廣泛，一些過去無法治療的疾病有了解決方案，一些給藥痛苦且頻繁的疾病有了改善方案，重點體現在以下三類疾病：
1、遺傳性疾病：受限於技術，目前主要應用領域還是單基因遺傳病，如SCID、鐮刀狀貧血、血友病、地中海貧血、苯丙酮尿症等。治療原理是基因修飾，由於單基因突變的存在，靶細胞會產生異常蛋白或不產生正常蛋白，基因療法通過病毒載體將外源基因導入到靶細胞內，以表達正常蛋白，達到治療目的。
2、惡性腫瘤：治療原理包括基因失活、免疫調節、自殺基因，進展最靠前的是免疫調節，包含3個已上市的CAR-T藥物，通過對T細胞表面的識別蛋白進行改造，從而激活細胞免疫。
3、需長效作用的疾病：這裡特指非遺傳但治療過程中需要長效作用的疾病，比如wAMD、乾眼，應用基因轉導長效分泌蛋白質，達到一次給要長期有效，大幅減輕給藥痛苦，也有減少總治療費用的可能。
圖片6：我國目前臨床階段的基因療法
▉結語
在小分子化藥時代，大分子抗體的出現打開了新世界的大門，讓藥物能觸達更多的靶點，治療更多疾病，顯著提升人類壽命。在當下的時代，基因療法的出現也為人們打開了另一扇大門，無論是激活細胞免疫的CAR-T、通過遞送核酸讓細胞長效表達所需蛋白的AAV藥物，還是作用於靶基因和靶mRNA的RNA藥物，它們或讓患遺傳病的孩童不再夭折恢復正常，或讓身患絕症的患者拓展生存期，都為人們提供了新的治療方案，為人類壽命的延長和生存率的提高提供了無限可能。
很多事情都是聽起來很美好，操作起來卻困難重重，基因療法也不例外。從藥物設計、到臨床試驗、到工業化、再到商業化，每一步都異常艱難，因為面對的是全新的、空白的領域。在往後的篇章，我們將詳細分析基因療法的每一步中的困難和希望。
總結來說，基因療法為許多迄今無法治癒的疾病帶來了令人興奮的新治療機會，也給予了研究者一個全新的設計藥物的思路。然而，要克服這類新型藥物帶來的挑戰並實現其全部治療潛力，我們還有很長的路需要走。但就像抗體藥物在這20年間的突飛猛進一樣，我們有理由相信，基因療法有望在更短的時間內，完成突破。
在下一期，我們將對基於基因修飾這一原理的基因療法進行詳細討論，下次見。
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8)封面圖片：Pinterest
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編輯：AKATSUKI