作者：楊輝發(fā)布日期：2019-06-05
來這之前我只知道一席是關(guān)注于科學(xué)和人文，今天剛剛聽說還有個白日夢。我也忽悠了我?guī)讉€學(xué)生一起做白日夢，我們的夢想很簡單，就是想親手做出一個罕見藥，交到病人手中，這樣我們就不會在收到病人一封封郵件的時候愛莫能助。
剛剛也說了有7000種罕見病，可能我們這一輩子都做不完。其實(shí)我們還有一個更大的白日夢，就是希望建成一個罕見病藥物研發(fā)的平臺，讓更多的人跟我們一起做夢。希望我們夢醒的時候就不是90%的罕見病沒有藥物了，希望絕大多數(shù)的罕見病都能有各自相應(yīng)的基因藥物。
罕見病的基因藥離我們有多遠(yuǎn)？
大家好，我是楊輝，來自中科院神經(jīng)科學(xué)研究所，我的研究方向主要是基因編輯。
基因編輯可以說是21世紀(jì)生命科學(xué)最重要的一個技術(shù)之一。我們既可以用它來改善動植物的優(yōu)良的性狀，也可以用來防治病蟲害，還可以治療疾病，更有些科學(xué)家在幻想著結(jié)合克隆技術(shù)來復(fù)活一些滅絕的生物，比如說猛犸象。
而基因編輯技術(shù)，其實(shí)最主要的用途是用來治療各種各樣的疾病，包括癌癥、心血管疾病、老年癡呆，以及一些感染性的疾病。今天我主要給大家講基因編輯最重要的一個方面，就是如何治療單基因遺傳性的罕見病。
基因想必大家都知道，就是有遺傳效應(yīng)的DNA片段。我們的DNA由31億多個堿基對組成，這31億多個堿基對是由ATCG4種堿基有機(jī)地排列組合組成。
我們大概含有20000到25000個基因。雖然每個人都千差萬別，但是即便我跟愛因斯坦相比，基因組都是非常非常相近的，不足1%的差異。愛因斯坦和黑猩猩，大家猜猜有多大的差異？其實(shí)也就比1%多一點(diǎn)點(diǎn)，但是愛因斯坦智商有200，黑猩猩智商大概70左右，大概相當(dāng)于七八歲的孩子。
所以基因任何的微小變化都可能會改變我們重大的功能性狀。在一個極端情況下，即便是一個堿基的變化都能導(dǎo)致基因功能的改變或者缺失，導(dǎo)致疾病。而我們幾乎有50%的單基因的遺傳病，都是由于一個堿基變化導(dǎo)致的。
所以科學(xué)家就想，是否能有一把鑷子把這個堿基給換掉，這樣就可以達(dá)到疾病治療的目的。想法是非常地簡單，但是要實(shí)現(xiàn)起來非常非常地難。為什么呢？
首先DNA非常小，只有2納米，比頭發(fā)絲還要細(xì)200倍，所以用一個鑷子來操作是非常非常困難的。另外只有一個堿基的變化，但是我們基因組有31億個堿基對，要找到它都非常困難，并且找到的同時是否會引起另外31億個堿基的破壞呢？也是無法得知的。
所以科學(xué)家一直在追求一種方法，我們稱之為基因編輯。基因編輯是對DNA，在特定的片段進(jìn)行DNA小片段的插入、敲除或者替換。
要實(shí)現(xiàn)這個目的要有三個過程。首先是識別，需要找到它，找到特定的位置，特定的突變，這是最關(guān)鍵的部分。找到這個突變之后就要將突變給剪掉。剪掉之后再提供一個正常的模板，然后進(jìn)行修復(fù)。
第一個過程，找到這個特定的位置，非常關(guān)鍵，也非常難。關(guān)鍵在于只改變想要改造的基因，不破壞其他的基因，不然沒實(shí)現(xiàn)目的，反而可能引起許多不良的后果，剛剛也說了，一個堿基的改變也可能引起致命的危害。為什么說非常難呢？大家可以想象，30億的堿基里面你就選擇1個或幾個堿基進(jìn)行編輯，光找到它們也不容易吧。即便有門牌號碼也得找好半天吧。
所以我博后的老板，MIT的Rudolf Jaenisch等不及了。在他博后期間，70年代，那時他才30歲左右，和我現(xiàn)在差不多大，就有了個異想天開的想法，直接不找門牌號碼了，先實(shí)現(xiàn)改變基因組再說。
但是動物的個體有許許多多細(xì)胞，如何實(shí)現(xiàn)許多細(xì)胞DNA的改變呢？正好當(dāng)時是試管嬰兒剛剛出現(xiàn)，所以他就想到，如果直接改變受精卵，之后這個胚胎最終發(fā)育成個體，是否它所有的細(xì)胞就會帶有這個基因的突變呢？他這么想也這么去做了。
他將病毒的DNA直接注射到受精卵中，然后移入到小鼠媽媽體內(nèi)。過了三周之后他獲得了小鼠，進(jìn)行基因鑒定，發(fā)現(xiàn)確實(shí)所有小鼠的細(xì)胞都帶有這個病毒的DNA，而且這個DNA能夠傳遞下去，它的后代也帶有這個DNA。
Rudolf Jaenisch因?yàn)檫@個發(fā)現(xiàn)被評為美國科學(xué)院院士，受到了總統(tǒng)接見。但是非常遺憾，這項(xiàng)技術(shù)與諾貝爾獎失之交臂。為什么呢？我們可以看到，最關(guān)鍵的是，病毒插入到基因組的方式是一個隨機(jī)的插入，不是定點(diǎn)的插入。隨機(jī)就有可能造成傷害，還沒有達(dá)到最好的效果。嚴(yán)格意義上來說算不上基因編輯。
十幾年之后，另外兩位科學(xué)家真正實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)的基因編輯，也因此獲得了2007年的諾貝爾獎。
之后的20多年，基因編輯技術(shù)經(jīng)過了幾代的發(fā)展，直到2012年發(fā)展到第三代，我們叫做CRISRP-Cas9的技術(shù)之后，基因編輯才變成幾乎每個實(shí)驗(yàn)室都可以操作的技術(shù)了。
CRISRP-Cas9的好處就是簡單和高效，貼一個標(biāo)簽它就對一個基因進(jìn)行操作，貼兩個三個就可以實(shí)現(xiàn)多位點(diǎn)的操作。所以自從它報道以來，國內(nèi)外多位科學(xué)家就迅速跟進(jìn)。哈佛的George Church教授和MIT的張鋒教授無疑是這個競爭過程中的勝利者，他們首次將這套技術(shù)應(yīng)用在了哺乳動物細(xì)胞中。
而我個人與基因編輯也是非常有緣份的，早在博士期間，我就利用最經(jīng)典的同源重組的基因打靶方法構(gòu)建了各種各樣的基因修飾小鼠，雖然非常復(fù)雜。
我大概是2012年年底到的美國讀博后，1個月之后，張鋒和George Church關(guān)于CRISRP-Cas9的成果發(fā)表了，當(dāng)時張鋒就在我隔壁實(shí)驗(yàn)室。比較有幸的是，和我同一個實(shí)驗(yàn)室的同樣來自中國的博后，叫王皓毅，他主要是研究第二代基因編輯技術(shù)，我們兩個人就一拍即合。已發(fā)現(xiàn)的CRISRP-Cas9只證明了在細(xì)胞中的作用，它是否能夠高效地運(yùn)用在基因編輯動物中呢？當(dāng)時大家都還不知道。
我們兩人第二天就到隔壁的張鋒實(shí)驗(yàn)室把質(zhì)粒要來，將這套CRISRP-Cas9系統(tǒng)通過顯微注射的方法注射到小鼠的受精卵中，然后移到小鼠體內(nèi)。
所以我們在短短半年以內(nèi)就證明CRISRP-Cas9可以高效獲得各種各樣的基因修飾動物，包括基因敲除的小鼠、基因敲入的小鼠、精確修復(fù)的小鼠，成果也發(fā)表在了生物領(lǐng)域最Top的雜志《細(xì)胞》上面。
一個比較有意思的小插曲就是，因?yàn)榭赡苤袊箨懙膶W(xué)生工作都比較努力，去了國外一般都遵循996的原則——可能比996還長。國外的博后一般每天最多可以操作100到200個胚胎，大家可以看看這個顯微操作的胚胎，我們是一個一個進(jìn)行操作的。
但是我當(dāng)時做的速度非?？?，平均一天可以做超過400個胚胎，我的導(dǎo)師Rudolf Jaenisch就覺得有點(diǎn)驚訝，第二天跑到實(shí)驗(yàn)室來親自看我做實(shí)驗(yàn)，看了之后他就心服口服了。
回國之后，我的搭檔王皓毅去了北京中科院動物所，從事CAR-T的腫瘤免疫治療方面的應(yīng)用，而我則繼續(xù)應(yīng)用基因編輯技術(shù)來制作各種動物。這個從小鼠就變成了猴子，為什么做猴子呢？因?yàn)橄鄬τ谒心Ｊ絼游飦碚f，猴子的大腦發(fā)育和高級認(rèn)知行為是特有的。如果我們應(yīng)用基因編輯技術(shù)制造各種各樣的基因工具猴，就有利于我們對大腦的理解，而且有利于一些腦疾病的治療。
就在我們實(shí)驗(yàn)室剛剛成立一年，正準(zhǔn)備生產(chǎn)各種各樣基因編輯猴的時候，一個偶然的發(fā)現(xiàn)，完全改變了我們當(dāng)時實(shí)驗(yàn)室整個的方向。
我們發(fā)現(xiàn)CRISRP-Cas9不僅僅可以編輯單個基因。小鼠有20對染色體，就是40條染色體，如果對一條染色體貼上1個標(biāo)簽，CRISRP-Cas9就對1個基因進(jìn)行編輯，如果貼上10個標(biāo)簽，它就對10個基因進(jìn)行編輯。當(dāng)我們貼上100個標(biāo)簽的時候，發(fā)現(xiàn)它不是對100個基因進(jìn)行編輯，而是整條染色體都消失了。
我們當(dāng)時發(fā)現(xiàn)了這個非常興奮，這是否可以運(yùn)用到唐氏疾病的治療呢？大家都知道唐氏又稱21三體綜合征，比正常人多了一條21號染色體，如果我們在多的那一條21號染色體上貼滿標(biāo)簽，是否可以高效地消除這條染色體從而達(dá)到疾病治療的目的呢？
為了驗(yàn)證這個想法，我們從唐氏病人的身上誘導(dǎo)了多能干細(xì)胞，在這個干細(xì)胞里有三條21號染色體，我們導(dǎo)入CRISRP-Cas9，發(fā)現(xiàn)它可以高效特異地消除這條多余的21號染色體。
相關(guān)成果發(fā)表之后，得到了多家媒體的關(guān)注和國際同行的高度評價，說我們這個技術(shù)可以為唐氏疾病的治療提供一個新的途徑。
我當(dāng)時以為故事已經(jīng)到此為止了，就接下來繼續(xù)我們之前的研究。但是給我觸動比較大的是媒體剛報道不久，我收到了許多唐氏病人家屬的郵件，他們一個是鼓勵我們繼續(xù)開展研究，一個是詢問我們這個方法什么時候能夠上臨床。
更有一些家長愿意慷慨解囊贊助這項(xiàng)研究。這在國外雖然非常常見，但在中國是非常罕見的。這比較打動我，所以從個人來說，我就開始更加關(guān)注罕見病這個群體。
罕見病其實(shí)并不罕見，全球目前發(fā)現(xiàn)的罕見病有7000多種，總?cè)丝诔^3億，比腫瘤總的人口還要多。而大部分是單基因的遺傳型疾病，有一半發(fā)生在兒童時期，一旦發(fā)病是伴隨終生的，終生帶來痛苦。
唐氏綜合征是我們國內(nèi)最常見的一種新生嬰兒缺陷，中國每年大概有2萬到3萬個唐寶寶出生。還有比較有名的像霍金患的漸凍癥，以及我們比較熟悉的血友病、白化病，都屬于罕見病。
90%以上的這一類疾病都沒有任何的治療方式。這個情況在中國尤為明顯，有21種罕見病面臨著國外有藥但中國沒有藥的情況。
為什么罕見病的藥物那么少呢？主要有兩個原因，一個是，雖然罕見病的總?cè)丝诒容^多，但是分?jǐn)偟矫總€疾病來說，它的人口非常少。
任何一個新藥做研發(fā)大概都需要20億到30億美金的投入，是非常巨大的，即便是仿制藥也要2億到3億美金。所以大公司一般都希望研發(fā)一些常見疾病的藥，這樣一旦研發(fā)出來，回報會非常高。任何一種罕見病都相當(dāng)于一個原創(chuàng)的新藥，它的成本非常高，而收益非常少，所以很多大公司都不愿意研究它。
另外一個，即便研究出來一些藥物，它的治療效果非常地有限。許多疾病需要終生服藥。而且隨著病程的進(jìn)展，藥物的效果越來越差，病人受到的傷害越來越大。不論是給病人，還是給社會，都帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。
因?yàn)楹币姴?0%都是單基因遺傳疾病，所以科學(xué)家其實(shí)早在70年代就提出，是否可以通過基因治療的方式實(shí)現(xiàn)治療，而基因藥的概念也應(yīng)運(yùn)而生。在當(dāng)時那個年代，基因藥就是通過各種方式將外源基因正常的基因，導(dǎo)入到有基因缺陷的細(xì)胞中，達(dá)到功能恢復(fù)和疾病治愈的效果。
但是因?yàn)樗峭庠吹幕颍约旱幕虿灰粯?，會隨著細(xì)胞的分裂丟失和降解，不穩(wěn)定，能起的效果往往都是幾周到幾個月的時間。即便是目前為止最成熟、最常用的病毒導(dǎo)入的方式，也只能維持幾年的效果?？赡軐τ谖覀冏鰧?shí)驗(yàn)的小鼠來說，兩到三年的療效就足夠了。但是病人往往都是兒童時期得病，他們需要的是幾十年效果的藥。
隨著基因編輯方法的日益成熟，科學(xué)家似乎找到了一個完美的解決方式，就是通過CRISRP-Cas9技術(shù)直接修復(fù)內(nèi)源的基因，達(dá)到一勞永逸的效果。
打個比方，比如說衣服破了一個洞，你打一個補(bǔ)丁，看似非常簡單高效，但是既影響美觀又影響舒適。而基因編輯的方式就相當(dāng)于精確地用剪刀和針線來縫合，達(dá)到原位修復(fù)的效果。
所以現(xiàn)在的基因藥這個概念相比幾十年前，又得到了很大的擴(kuò)展，任何能調(diào)控基因的手段都可以稱之為基因藥，包括基因編輯，還有反義核苷酸、基因過表達(dá)等。
接下來給大家介紹一下整個基因藥的研發(fā)流程，及基因編輯技術(shù)如何運(yùn)用到罕見病基因藥的研發(fā)。
我們拿脊髓性肌營養(yǎng)不良（SMA）來舉例，這也是我們實(shí)驗(yàn)室正在研究的一個疾病。它的發(fā)病率是萬分之一，在罕見病來說已經(jīng)算是一個比較常見的疾病了。
它是一個常染色體隱性遺傳病，是由于SMN1基因缺陷導(dǎo)致的。這個基因的攜帶率非常高，每50個人就有一個人攜帶它，如果父母雙方都是攜帶者，孩子患病概率大概是25%左右。
由于這個基因的缺陷會導(dǎo)致運(yùn)動神經(jīng)元的凋亡，患這種病的小孩出生之后，大部分生存年齡都超不過兩歲。即便有一些幸存下來，運(yùn)動能力都極大地受到損害。
自從這個致病基因被發(fā)現(xiàn)以來，到最終這個疾病第一個藥物上市，經(jīng)歷了21年的時間。為什么要這么長的時間呢？
一般我們研究單基因疾病都是這個套路。首先人類發(fā)現(xiàn)了這個疾病之后，通過基因編輯技術(shù)，希望在小鼠上重現(xiàn)這個疾病。
如何做到的呢？就是通過基因編輯技術(shù)將一個SMN1同源的基因給敲除掉，獲得一個有疾病的小鼠。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，小鼠確實(shí)會像患病的人一樣，運(yùn)動神經(jīng)元凋亡，在三周之內(nèi)就會死亡。
得到了這個動物模型之后，基因治療其實(shí)走了三分之一左右。之后科學(xué)家會想到各種各樣干預(yù)的方式（反義核苷酸、基因過表達(dá)、基因編輯修復(fù)等），去恢復(fù)這個基因的表達(dá)，達(dá)到治愈小鼠的目的。
經(jīng)過許多科學(xué)家十年的努力，終于在小鼠身上得到了非常好的治療效果。之后可以開始申請臨床實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過大動物的安全性評價，再經(jīng)過漫長的一期二期三期實(shí)驗(yàn)之后，最終藥物得到上市。
大家可以看到，罕見病的藥物，從臨床開始到最終上市，其實(shí)只有短短的3到5年時間。而我們一般常見的疾病的藥物大概需要10到15年的時間。
為什么會縮短這么多呢？其實(shí)不論是美國的FDA還是中國的CFDA，都有對罕見病藥物開綠色通道。因?yàn)檫@個疾病的病人少，為了節(jié)約成本，一旦對少數(shù)病人有效果的話，它就會有條件的上市。
這個藥物大概是2016年年底上市的，上市之前，我聽我們一個合作的醫(yī)生說，他的病人家屬都?xì)g呼雀躍，他們的孩子終于有救了。但是其實(shí)沒高興太久，當(dāng)這個藥物的價格出來之后，家屬都沉默了。
這個藥物一次注射大概需要80萬人民幣，而且每年需要經(jīng)過兩到三次的注射，一旦注射之后就需要終生注射。這不是一般中國家庭能夠承受得起的。
而更好的一個基因治療方式是通過病毒介導(dǎo)的基因的過表達(dá)。對于脊髓性肌營養(yǎng)不良，它號稱可以維持兩到五年的時間，但是成本就更高了，大概是400萬美金。而且它一旦進(jìn)入到人體，因?yàn)槭遣《編淼?，就會產(chǎn)生抗體。如果第二次注射，會引起極大的免疫反應(yīng)。所以病毒介導(dǎo)的基因藥物一般都是一次性的。
所以我們就在想，能否有一種簡單和高效，或者一勞永逸的方法來治療？也就是基因編輯。我們實(shí)驗(yàn)室成功地利用基因編輯，在小鼠動物模型上實(shí)現(xiàn)了對SMA疾病基因的修復(fù)。修復(fù)之后大家可以看到，小鼠的體重都跟正常的無異，一般的患病小鼠三周之內(nèi)就死亡了，而我們的小鼠觀察了一年以上，都非常健康。
而且這種治療的方式跟其他基因治療的方式不同，看不到任何的衰減，所以我們接下來在考慮，如何將這套技術(shù)推向到臨床。
在中國推動罕見病藥物的治療，其實(shí)并沒有那么容易。
第一個瓶頸是是基因編輯技術(shù)核心專利的缺失。
大家可以看到，全世界已經(jīng)上市的罕見病基因藥大概有7種，7種都是剛剛我說的反義核苷酸或者病毒介導(dǎo)的過表達(dá)這些傳統(tǒng)的基因治療方式。而且清一色的都是國外的公司生產(chǎn)，所有的這些基因治療技術(shù)的基礎(chǔ)專利，都在國外公司手上。
到目前為止，雖然還沒有基因編輯的藥物上市，但是基因編輯的藥物已經(jīng)有2個上臨床了，都是美國的公司生產(chǎn)的。從基因編輯技術(shù)2013年發(fā)現(xiàn)以來到上臨床，其實(shí)只有短短的五年時間，發(fā)展是非常非?？斓?。
而對于基因編輯技術(shù)的核心專利，尤其是最早期的一批基礎(chǔ)核心專利，也都是由歐美科學(xué)家申請的，專利也在他們的公司手上。我們要想研究基因編輯的藥物，運(yùn)用到基礎(chǔ)的技術(shù)，就必須要承擔(dān)高昂的專利費(fèi)用。
另外一個瓶頸就是中國基因治療產(chǎn)業(yè)的不健全。雖然基因編輯技術(shù)非常新，但是基因治療這個概念其實(shí)國外已經(jīng)做了幾十年了，所以所有的藥物都是在國外產(chǎn)生。
但是中國這個產(chǎn)業(yè)才剛剛開始，所以即便我們基礎(chǔ)科研做的已經(jīng)接近歐美科學(xué)家水平，但是面臨的一個非常大的瓶頸就是產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化，是如何生產(chǎn)臨床級別的病毒，將這些基因編輯工具帶入到人體內(nèi)。
大家可以看到，基礎(chǔ)科研和臨床前研究，其實(shí)它真正的經(jīng)濟(jì)價值是不大的。但是一旦我們能夠突破這個瓶頸，能夠在一二期臨床實(shí)驗(yàn)得到好的效果，它的價值是會成百倍地增長的。未來中國整個基因治療產(chǎn)業(yè)面臨的問題就是爭取早日突破這個瓶頸，早日將我們基礎(chǔ)科研的知識轉(zhuǎn)化到臨床上面去。
第三個瓶頸就是基因編輯技術(shù)本身的問題。為什么基因編輯技術(shù)已經(jīng)被大家認(rèn)為是一個最好的方式，但是到目前為止只有兩個藥物上臨床呢？其實(shí)最關(guān)鍵的一點(diǎn)是它的不安全性，也就是基因編輯的脫靶效應(yīng)。
大家可以想象一下，我們的目標(biāo)位點(diǎn)只有一個，但是脫靶的位置有31億個，所以脫靶的概率是非常非常高的。如果脫靶發(fā)生在癌基因或者抑癌基因之上，它就會導(dǎo)致癌癥的產(chǎn)生。
如何高效地避免脫靶是一方面，另外一方面就是如何用高效敏感的技術(shù)檢測到這些脫靶。我們實(shí)驗(yàn)室最近建立了一種能夠全基因組范圍內(nèi)高效靈敏地檢測脫靶的方法，我們發(fā)現(xiàn)目前應(yīng)用最廣的一項(xiàng)單堿基編輯技術(shù)存在大量的脫靶，所以它應(yīng)用在臨床是不安全的。
這個發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了Science雜志上，一發(fā)表之后，有兩家公司正在推向臨床的兩個項(xiàng)目就被迫終止了。大家可以想象，一旦它們上了臨床之后，會對細(xì)胞造成大量的脫靶，病人早期可能可以受益，但是過了幾年之后可能都會變成癌癥的高發(fā)人群。
而就在前幾天Nature雜志報道，和我們課題組最近將會發(fā)表的成果也發(fā)現(xiàn)，單堿基編輯技術(shù)不僅能造成DNA的脫靶，而且還會造成RNA的脫靶，進(jìn)一步說明這項(xiàng)技術(shù)其實(shí)現(xiàn)在是非常不完善的。
大家不用悲觀，其實(shí)從好的一方面講，這也給了我們中國，不論是科學(xué)家也好，企業(yè)也好，一個機(jī)會。一個什么機(jī)會呢？就是我們能夠建立行業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出更高效、更安全的基因編輯工具。如果我們能夠在這場競爭中打贏，我們就很可能打破歐美科學(xué)家基因編輯核心專利的封鎖。
來這之前我只知道一席是關(guān)注于科學(xué)和人文，今天剛剛聽說還有個白日夢。我也忽悠了我?guī)讉€學(xué)生一起做白日夢，我們的夢想很簡單，就是想親手做出一個罕見藥，親手交到病人手中，這樣我們就不會在收到病人一封封郵件的時候愛莫能助。
剛剛也說了有7000種罕見病，可能我們這一輩子都做不完，其實(shí)我們還有一個更大的白日夢，就是希望建成一個罕見病藥物研發(fā)的平臺，讓更多的人跟我們一起做夢。希望我們夢醒的時候就不是90%的罕見病沒有藥物了，希望絕大多數(shù)的罕見病都能有各自相應(yīng)的基因藥物。
最后講一下，基因編輯技術(shù)如果用在不好的方面也會產(chǎn)生非常不好的影響。基因編輯嬰兒事件，不論是在國內(nèi)還是國外，在科學(xué)界、社會還是政府，大家都有一致的觀點(diǎn)，就是堅(jiān)決反對這類事件的發(fā)生。
所以說基因編輯工具本身沒有錯，而我們科學(xué)家所做的就是希望把這個工具越磨越鋒利，讓它越來越高效、越來越準(zhǔn)確。到底它是變成了天使還是魔鬼，在于我們大家的選擇。
來源：微信公眾號：一席（ID：yixiclub）
