基因治疗的现状与展望

1 基因治疗的现状与展望 朱双喜 在生命进化的漫长历程中 生物体通过基因突变以适应环境 基因突变是生物进化的 基础 同时 不利的突变会造成细胞形态和功能的异常 导致疾病 甚至机体的死亡 人 体某些疾病的发生与基因的核苷酸序列变化有关 那么从校正核苷酸序列着手来治疗疾病 的设想也就顺理成章了 基因治疗是向靶细胞引入正常的或野生型基因 纠正和补偿致病 基因产生的缺陷从而达到治疗疾病的目的 Anderson 于 80 年代初首先阐述了基因治疗的 前景 1990 年美国成功地进行了 ADA 腺苷脱氨酶 缺陷患儿的人体基因治疗 1991 年我 国首例基因治疗 B 型血友病也获得了成功 目前 基因治疗已从遗传病扩展到肿瘤 心血 管疾病 神经系统疾病 传染病 包括 AIDS 病等领域 它依然存在例如缺少高效的传递 系统 缺少持续稳定的表达和寄主产生免疫反应等一些问题 但随着人类基因组计划的实 施 大批新基因的发现以及新技术的发展 治疗范围将大大拓宽 从而给人类健康事业带 来深远的影响 一 基因治疗的前提 在基因治疗成为一种普通的医疗手段之前必须首先明确两个前提 1 1 基因治疗需要有清晰定义的靶组织通常以疾病类型来选择进行基因治疗的细胞 例 如在肺部系统纤维疾病的临床治疗中选择肺作为靶器官 使用呼吸道气雾剂法 可使含有 补偿缺陷基因的 DNA 直接传递到肺中 治疗类似血友病的凝血因子疾病需要在血浆里含 有达到治疗水平的凝血蛋白 这种蛋白可以由肌肉 活细胞 成纤维细胞或甚至血细胞提 供 于是就可有多种接受基因治疗的靶组织 此外 靶组织的最终选择还必须考虑基因传 递的效率 表达蛋白变性 机体免疫状态 可行性和治疗费用等因素 1 2 究竞要往靶组织内传递多少治疗基因 B 型血友病的病因是缺乏一种称为第九因子 的凝血蛋 白 然而病人只需正常水平 5 的这种蛋白 其生存机会就能提高 假设经治 疗后的细胞能稳定表达这种蛋白 那么需要传递基因给人体全部 1013 个细胞中的 5xlO11 细胞 然而相对于大脑来说 只需几百个细胞被基因转染 神经性疾病的患者就可减轻痛 苦 如果考虑对成血干细胞 或生殖细胞 进行基因转染 治疗几个细胞将会对其数以百万 计的子代产生影响 所起的负作用也同样如此 二 基因治疗的方法 基因治疗的应用有两种途径 1 把一个健康基因拷贝插入靶细胞以补偿缺陷基因 2 引进经过改造的基因以赋予细胞新的特性 最常用的技术有 a 体外处理 ex vivo 疗法 将有基因缺陷的细胞取出 引入正常基因拷贝后再送回体内 b 原位疗法 使用载体将目 的基因直接导入靶组织 c 体内疗法 in vivo 将基因载体注入血液 定向寻找靶细胞并 将遗传信息安全有效地导入 基因治疗载体可分为病毒型和非病毒型 4 两类 病毒型载体包括 逆转录病毒 腺病 毒 腺相关病毒和疱疹病毒 目前最有效的方法是使用经过改造的 具有穿膜特性的病毒 作为载体 定向地将目的基因导入细胞 然而由于人体自身具有抗病毒的免疫系统 使用 病毒载体作为媒介来传递 DNA 时就不得不面对宿主的免疫反应 非病毒型载体包 括 脂质体 裸露 DNA 和 DNA 包装颗粒 范围从裸 DNA 显微注射 电激法 基因枪技 术等各类物理学方法到聚阳离子赖氨酸或阳离子脂质体 三 基因治疗面临的问题 缺乏某种单基因产物而患病的病人 一旦获得一个野生型的基因拷贝并能正常表达 就有被治愈的可能 基因治疗亟待解决的问题是目的基因的定向表达 目的基因导入靶细 胞是定向表达的基本条件 目前 必须优先发展有更强适用性和灵活性的能准确调控转导 2 基因表达的基因传递系统 即发展一种理想的 载体 能帮助新的基因 潜入 人体细胞 的特殊病毒或其他试剂 这是基因治疗得以成功的关键 因为现在各种传递系统都还有这 样或那样的问题 如 C 一型反转录病毒会被人体的补体系统所杀死 因此不能用于体内 腺病毒能诱发免疫应答 它们只能通过裂解细胞传染 DNA 一聚阳离子复合物在血液中不 稳定 而脂质体显然转染效率太低 因此 还需要开展大量的基础研究 表 1 作为非病毒 型载体的脂质体能介导 DNA 进入细胞核使外源基因得到表达 如果提高体内基因表达量 等技术问题能解决的话 脂质体作为基因治疗的载体将很快被应用于临床 尽管基因治疗得到了很大的发展 但它仍处于发展的最初阶段 虽然有几份令人信服 的报告 然而事实上有确切疗效者还很有限 与成千上万适合治疗的病例来说很不相称 近五年来 国际上大多数基因治疗是针对恶性肿瘤的 约占全部临床试验的 60 以上 但 无一例成功 究其原因 很可能是人类至今对肿瘤的形成机制尚未真正搞清楚 所以很难 有针对性 基因治疗还需要加强基础研究 这已是国际上众多专家的共识 除了对疾病的 发病机理 特别是癌症 的基础研究外 将目的基因导入细胞的各种载体从长远来看是否对 人体有害 亦是一个不容忽视的课题 此外 目的基因导入细胞后 所引起的机体免 疫反应将降低表达效率 同样是亟待解决的问题 再者 从遗传病 ADA 和 B 型血友病的 基因治疗来看 即使接受治疗者能完全康复 他们的后代能否不再患病也值得长远思考 四 基因治疗的发展阶段 基因治疗已历经了三个发展阶段 第一阶段 1970 1990 Rogers 及其德国同事于 1970 年首先进行了建立在动物实验基础上的基因治疗尝试 他们给患有精氨酸酶缺乏症的两个孩子注射了 Shope pa pilloma 病毒 这种病毒能够合成 精氨酸酶 研究显示 直接注射感染性病毒可成功地转染编码精氨酸酶的基因并有效降低 血浆内的精氨酸水平 然而最终的治疗结果是 既无临床症状的好转也没有观察到不良反 应 在 80 年代又实施了两例基因治疗 1980 年 通过磷酸钙共沉淀方法将 p 一球蛋白基 因转染到两个患有地中海贫血症孩子的骨髓干细胞中 转染基因在这个有争议的试验中表 达了 9 个月的时间 使用 Southem Blot 检测 首次证明了转染重组 DNA 到人体是可行的 引 这项研究成功地对靶细胞进行了改造 并且证明转染基因的细胞可以长期存活 1989 年 美国国家健康研究所 NIH 作了另一例使用造血系谱 ex uiv0 操作的转基因研究 引 从 肿瘤中提取的 T 细胞在体外被反转录病毒载体标记 再从静脉注射回到病人体内 实验结 果同样显示失活的重组病毒基因 ex uivo 疗法的可靠性 虽然三个实验得出可以实施基因治疗的结论 但人体转基因今后始终存在的最大问题 仍是它的安全性 研究人员非常关注在临床试验中转入体内的病毒和重组 DNA 分子所产 生的不良影响 科学界为此建立了重组 DNA 顾问委员会来发展 指导和监督 DNA 的研究 事实上 最早的三个临床研究 两个使用病毒载体 没有记录到任何不良症状 相对由于安 全因素而被限制多年的异源骨髓移植来说是很幸运的 然而这仅仅是一个开端 在基因治 疗被完全确认安全以前 还需要更多的临床测试和转基因系统的基础研究 尽管如此 早 期基因治疗探索的结果为扩大治疗领域提供了伦理学基础 基因治疗就将如同骨髓移植和 抗菌素等其他科学进程中的治疗手段一样不断得到发展 第二阶段 1990 1996 DeSilVa 患者自出生起就缺乏人体编码腺苷脱氨酶所必需的 ADA 基因 将因丧失人体 免疫系统功能而致命 1990 年这位患者接受了首例经授权的人体基因治疗 从她身上分离 的细胞显微注射 ADA 功能基因后 再回输至体内 四年后这位八岁女孩的健康成长被宣 布是一个奇迹 从首次人体基因治疗的尝试直到 1990 年的第一次成功花去了 20 年时间 3 在这期间技术的进步导致了许多传递基因新系统的出现 同时发现了数百种与基因相关的 疾病 控制体内外细胞生长的方法也得到长足进步 故而一到首次批准基因临床治疗时 就有十分丰富的知识可供参考 自此仅美国平均每年就有 22 个治疗方案被批准 当基因治疗显示出其临床疗效 一个崭新的研究阶段就此开始了 研究标记基因细胞 体内治疗的持续性 开发新的免疫学功能以及提高临床疗效逐一被提上议事日程 首例经 授权的基因治疗的成功使研究人员决心将临床基因治疗拓展到其他领域 基因治疗的热情 正在全世界增长 到 1996 年 3 月为止已有超过 200 名基因治疗的记录 基因治疗已在世界 范围内得到许可 并有 23 个临床实验结果被公布 然而基因治疗不单是一种综合了许多学 科优势的治疗手段 它不仅取决于转基因系统 转基因安全性等最基本因素 尤其还要确 定能使分子治疗获得成功的各类关键性参数 转基因基础理论的研究将加深对其作用机制 的理解 并加快基因治疗推广应用 尽管治疗显示有一定的毒副作用 但不良反应始终维持在极低水平 目前也没有与基 因治疗本身联系起来的直接证据 我们正处于一个基础实验和临床治疗互补发展的阶段 这就需要综合的实验基础和科学合作精神 基础理论的研究成果不断地应用到临床中去 治疗试验将反馈需要改进的信息并不断完善 从新药开发的经验得知 临床的治疗试验往 往要比理论发展提早数年 基因治疗已证明了目前的基因转染系统的相对安全性 并且有 病人得到治疗疗效的数据 良好的开端为下一个广泛临床应用阶段打好了基础 第三阶段 1997 一 尽管存在理解和观点的不同 但科研人员和公众都普遍认同基因治疗在人体健康领域 的巨大潜力 关键问题是时间和疗效 这需要依靠对基因转染和调控的充分认识才能逐渐 转变为现实 因而基因治疗极为依赖临床研究领域 如果有人预言说未来 DNA 技术的发展与基础诊断相结合 今后五年内将没有别的什 么东西能够比基因治疗的巨大发展更能带给人们真正益处的了 那么他的论调也太过主观 了 因为基因治疗绝不是攻克人类疾病的万能灵药 它还只是处于对抗疾病的初级阶段 诚然 基因治疗药物所具有的前景 譬如对损坏的分子进行修补 植入新的基因信息 提 高基因转染效率和基因的表达调控 这些都表明了人类追求健康的创造性和进发出的生命 潜力 在这个研究阶段 人们从细胞凋亡 细胞周期和细胞信号转导 rit ozyme 和反义核酸 等角度对基因治疗进行各方面的研究 除此之外 在基因治疗中还应注意到 细胞和器官 这一局部整体之间的关系 导入目的基因后新系统的形成与体内环境中其他系统 如免疫系 统 的内在关系 导入的目的基因在表达过程的层次与其受细胞核及细胞器调控的主要层次 的相互关系等 无论如何 基因治疗这个领域正在迅速地发展 相信在不远的将来会取得 突破性进展 五 基因治疗的展望 预言基因治疗何时将变成有广阔应用潜力的临床医疗标准手段并不重要 由于 AIDS 病传播和癌症死亡率的升高等一系列不容回避的事实 增加基因治疗的临床试验显得十分 必要 这样可汇总大量新数据进行分析评估 然而 要将基因治疗成功转变为临床治疗手 段必需通过大量临床试验信息的积累一这是一个缓慢渐进的过程 目前 ex uivo 的对象一般是血细胞 将来很可能会瞄准骨髓干细胞 另外 许多组织专 一性表达的基因调节片段已经研究清楚了 目的基因与这些调节片段重组的逆转录病毒可 产生基因的定向表达 因而可被试用于基因治疗