一文读懂：“逆天改命”的基因治疗——抗衰老应用前景

基因治疗（gene therapy）是以改变人遗传物质（DNA）为基础的一种生物医学治疗，通过一定方式将人正常基因或具有治疗作用的DNA片段导入人体细胞以矫正、置换或阻断致病基因，达到治疗因遗传缺陷所引发的重大疾病的目的。

插图作者：Luisa Jung © Nature

DNA文库内所蕴含的数据，是每一个生命的“蓝图”。基因治疗的过程，与编辑对手稿进行校对、改订的过程何其相似，因此，我们大多数人在描述基因治疗时，常用到“基因编辑（genome editing）”这一术语，尽管二者定义并不完全一致（可以简单理解为“基因治疗”包含“基因编辑”，后者是前者的一个步骤、一种形式、技术基础）。

图注：日剧《校阅女孩河野悦子》

学界通常习惯于用三种方式来对基因治疗进行分类，了解了这三种分类方式，我们就能对基因治疗有一个比较全面、系统的认识：

No.1

基因递送途径：

基因治疗的目标是实现治疗性基因或“转基因”的持久表达。

图注：DNA通过转录、翻译合成发挥功能的蛋白质的过程称为基因表达（作者：Now Medical Studios © Nature）

对于分裂活跃的细胞（不稳定细胞），最优的策略是“擒贼先擒王”，将基因递送入前体细胞或干细胞，随着有丝分裂，基因便可传递给每一个子细胞；而对于可长期存活的有丝分裂后细胞或分裂缓慢的细胞（稳定细胞和永久细胞），只要确保基因能在该细胞内稳定表达即可。

由此产生了两种不同的基因递送方式：对于分裂活跃的细胞，要先将它的干细胞提取出来，对干细胞在体外进行操作，将目标基因通过病毒感染整合进细胞的基因组DNA内，再将改造好的细胞回送到体内；而对于分裂缓慢的细胞，可以直接在体内对应部位完成操作，将目标基因经载体送入细胞（常见的载体也是病毒），目标基因可以游离DNA的形式发挥作用，而不需要整合进细胞DNA。

作者：Now Medical Studios © Nature

图注：各类不致病的病毒是目前最常用的将目的基因送入细胞的载体（作者：Now Medical Studios © Nature）

体外途径（ex vivo）：

我们以目前应用体外途径基因治疗最成熟的疾病——地中海贫血为例，来为大家进行介绍：

地中海贫血是全球最常见的单基因遗传病之一，由于编码红细胞内β珠蛋白的基因HBB缺陷，导致大量无效红细胞生成，这些无效红细胞容易被身体识别、破坏，便会造成患者溶血性贫血；红细胞破坏后释出的大量铁质，还会造成铁过载，引起肝脏等器官损伤。

目前治疗地中海贫血的标准方案是让患者定期输血，并服用铁螯合剂排出过多铁分。唯一可能治愈的办法是接受异基因造血干细胞移植（allo-HSCT）。

图注：地中海贫血在我国华南地区高发，图片中的患儿正处于干细胞移植前的预处理阶段，通过强力化疗将自身造血干细胞清除干净（图源：深圳卫视《我的白大褂》）

但不是每一个患者都能幸运地接受干细胞移植治疗，由于存在移植物排斥反应等风险，干细胞移植仅能用于和捐献者HLA配型相合的患者身上。

无法幸运接受移植的患者，只能在漫长的输血服药中度过余生。

直到2000年首次地中海贫血基因治疗的动物实验报道[1]，2006年第一例针对地中海贫血的基因治疗临床试验在法国完成[2]，基因治疗已经为越来越多的地中海贫血患者带来曙光：

首先，从患者体内分离并培养CD34+的造血干细胞（HSPC），然后使用携带HBB转基因的慢病毒载体（LV-HBB）体外感染造血干细胞，HBB基因被整合到造血干细胞DNA内。最后，将修饰好的造血干细胞回输到化疗预处理完成的患者体内，患者由造血干细胞分化而来的红细胞便可以正常合成β珠蛋白，不再溶血，疾病被治愈；且因为是自身细胞，不存在排斥风险。

图注：地中海贫血的基因治疗流程（©NEJM）

值得一提的是，就此流程来看，大家熟悉的嵌合抗原受体T细胞疗法（CAR-T）也该视为一种体外途径“基因治疗”：提取出自体外周T细胞，在体外通过病毒载体转入基因，再进行回输。然而，CAR-T疗法本身不为弥补基因缺陷，而是赋予T细胞靶向肿瘤的能力，所以在定义上存在争议，主流观点更愿意将其看作细胞治疗。

体内途径（in vivo）：

体内途径基因治疗相较体外途径而言，尚不完全成熟。治疗有效率和安全性上均逊色于体外途径。

常见的一个例子是遗传性视网膜疾病，由于RPE65基因（负责编码将全反式视黄酯转化为11-顺式视黄醇的酶，维持视网膜感光功能）发生功能丧失型变异，引起患者先天性视力减退。

通过视网膜下注射，递送腺相关病毒载体中的基因（AAV-RPE65），注射的液体在视网膜下鼓起一个“小水泡”，里面的病毒缓慢渗入，感染视网膜色素上皮细胞，转基因随之进入细胞并保持附加体状态，不整合入细胞DNA，附加体DNA可表达出RPE65蛋白，部分恢复患者视觉。

图注：遗传性视网膜疾病的基因治疗流程（©NEJM）

No.2

操作方式：

图注：基因治疗操作方式与文字改订符号类比（时光派绘制）

缺陷基因精准的原位修复：

缺陷基因精准的原位修复要求既不破坏整个基因组的结构，又可以达到治疗疾病的目的，是最为理想的基因治疗方式。

基因矫正对致病基因的突变碱基进行纠正；基因置换则直接用正常基因重组原位替换掉致病基因。

基因增补：

基因增补无需删除突变的致病基因，而是额外插入正常基因，在体内表达出功能正常的蛋白质以治疗疾病。

基因增补是目前临床实际使用的主要基因治疗策略，前述的两个例子（地中海贫血、遗传性视网膜病）的基因治疗都属于基因增补范畴。

基因失活：

有的疾病是因为基因过度表达所导致的，可将该基因敲除阻断其表达，以治疗疾病。

和CAR-T一样，处在“基因治疗”定义灰色地带的还有寡核苷酸疗法（oligonucleotide therapy）。该疗法通过导入20个以内短链核苷酸（DNA或RNA），起到在不干预基因本身的前提下，上调或下调基因表达的作用，最终结果类似于基因增补或基因失活。

图注：寡核苷酸与DNA转录出的信使RNA（mRNA）结合，影响蛋白质合成（作者：Now Medical Studios © Nature）

基于寡核苷酸疗法开发的新药物目前已陆陆续续上市。2022年1月1日，诺西那生钠注射液正式被纳入医保，让这种曾经售价高达70万元/5ml，“每一滴都比金子更珍贵”的救命药物，降价到了3万元，虽仍然昂贵，但让更多患者拥有了机会[3]。

诺西那生钠用于治疗的是一种名为脊髓性肌肉萎缩症（5qSMA）的常染色体隐性遗传疾病，患者SMN1基因突变或缺失，导致SMN1蛋白缺乏，脊髓前角细胞容易发生变性，导致肢体出现进行性肌无力和肌萎缩，大部分患者婴儿期就开始发病，终生无法下地行走，最终因呼吸困难去世。

人体中有另一段SMN2基因与SMN1基因有超过99%的相同序列，大部分患者仍有10%-15%的SMN2mRNA可被翻译为正常的SMN蛋白，SMN2蛋白可以部分代偿SMN1蛋白缺失，延缓疾病进展。

诺西那生钠便是利用这一点。诺西那生是一种反义RNA，可修饰SMN2基因剪接，增加正常SMN蛋白合成[4]。将这种药物定期注入脊髓鞘内，便可能让脊髓性肌肉萎缩症患者延续生命，甚至可以缓慢行走。

图注：诺西那生治疗机理（Singh NN, et al. © Nature）

同样的，向基因过度表达导致疾病的病人体内，导入有抑制基因表达作用的核酸，如反义RNA（atRNA）、核酶（ribozyme）、干扰小RNA（siRNA）等，阻断该基因异常表达，也可以治疗疾病。

No.3

靶细胞：

基因治疗所针对的靶细胞通常是体细胞。由于人类生殖生物学极其复杂，主要机制尚未完全阐明，且面临着巨量的伦理问题，因此基因治疗的原则仅限于患病个体，不能涉及下一代，国际上严格限制用人生殖细胞进行基因治疗实验。

2018年11月26日，中国科学家贺建奎为追求个人名利，自筹资金、逃避监管，高调宣布全球首例基因编辑婴儿诞生，引发了科学界强烈的讨论、反思和谴责。《新英格兰医学杂志》联发三文，其中一篇更是在标题怒斥贺建奎之流为“流氓（rogues）”[5]。2019年12月30日，贺建奎被深圳市南山区法院判处入狱3年，罚款300万元[6]。

图注：在学术文献检索平台检索“流氓”一词，会发现仅贺建奎一人能享此“殊荣”

“工欲善其事，必先利其器”

——CRISPR-Cas9开启基因治疗2.0时代

基因编辑是基因治疗的技术前提，也是操作中最重要的步骤，不管替换、增补还是删除，要完成这个操作，人类最少得用一样工具——那就是剪开DNA分子的“剪刀”。

图注：基因编辑工具“剪刀”，用于剪切DNA分子（作者：Now Medical Studios © Nature）

人类最早使用的“剪刀”叫作归巢核酸内切酶（meganuclease），这种来源于自然界细菌、真菌、藻类的酶，能够识别并切割特定的DNA序列（识别位点），选中目的基因并按下“Ctrl+X（剪切）”。

图注：归巢核酸内切酶（©NEJM）

但是这种天然来源的酶有一个大问题，你要满世界找和你需要处理的序列对应的酶，这个工作量不亚于大海捞针。

1996年，人类第一次使用基因工程改造出了针对特定序列的核酸酶。这种改造仍然费时费力，人类无比渴望更好的工具。

2013年，华人学者张峰等顶尖科学家把一种来自化脓性链球菌的“魔剪”——Cas9内切酶引入基因编辑领域[7]，由此开启了基因治疗的全新2.0时代[8]。

图注：完成这项诺奖级成就时，张峰教授年仅34岁

Cas9内切酶本是细菌免疫系统的重要组分，噬菌体（专性感染并裂解细菌的病毒）的DNA攻进细菌，便会被Cas9拦腰斩断，防御本能练就了Cas9“啥都能切”的本事。

基于Cas9开发的CRISPR-Cas9（与Cas9核酸内切酶相关的成簇的规律间歇的短回文重复序列）核酸酶平台。只需定制合成一段向导RNA（gRNA）搭载上Cas-9，便能轻松做到“指哪切哪”。

图注：Cas9-gRNA核酸酶（©NEJM）

“祸兮福所倚，福兮祸所伏”

——基因治疗的安全性讨论

任何一种疗法都有其潜在的风险，更何况基因治疗这样“逆天改命”的治疗方式。在基因治疗获得临床证据之前，科学家们就通过动物实验和理论假设，确定了其潜在风险，并在后续针对遗传性疾病的基因治疗临床研究中对这些风险进行了验证观察。

“古调虽自爱，今人多不弹”

——基因治疗的抗衰老探索

在谈基因治疗的抗衰老前，我们先来盘一盘基因治疗最主要的两个掣肘之处：

“单基因”魔咒：

基因治疗目前主要针对致病机制明确的单基因病，对于由多种基因调控的疾病，虽然称不上完全束手无策，但距离实际应用仍有一段距离。

人类对于真核生物负责的基因表达调控机制仍然理解有限，最基本的“游戏规则”都没有摸清，对治疗基因表达难以实现精准调控，也无法保证其安全性。

治病尚且困难重重，更别提能叠buff——通过基因治疗赋予个体智慧、美貌、勇气等特质，这些增益效果的基因机制无法完全阐释。正因如此，我们暂时无需担心权贵阶级会使用基因治疗技术对自己的后代进行“优生学”改造，更进一步倾轧普通人的生存空间[9]。

效用迷思：

如何能确保基因编辑拥有持久、稳健的疗效？举个例子：2019年，北京佑安医院报道了CRISPR编辑干细胞治疗一例HIV合并急性淋巴细胞白血病患者[10]。

研究者们效法2007年的“柏林病人”，世界上第一例彻底“治愈”的艾滋病毒感染者，因同时身患HIV感染和白血病，需要造血干细胞移植治疗，血液科医师特意为他选用了CCR5（HIV侵入细胞的门户）缺陷供者的干细胞，移植后，这位幸运的病人彻底清除掉了HIV感染。

图注：2012年时的“柏林病人”提摩西·雷·布朗，他是世界上首例治愈HIV感染的人，却因白血病再次复发于2020年去世

这位接受CRISPR敲除CCR5的造血干细胞移植的“北京病人”没有那么幸运，移植后7个月，一切看上去都很稳定，研究者决定“试飞”，试验性中断抗病毒药物4周后，HIV病毒载量再次不受控地往上走，不得已继续恢复抗病毒药物治疗，宣告基因治疗干预失败（骨髓细胞中CCR5破坏率仅为5.20%-8.28%）。

人工基因编辑在天然基因“彩票”面前败北了。

切回正题，我们在这里先不聊CAR-T，也不聊寡核苷酸（大家感兴趣的话，后续也可另起文章），就只聊聊传统定义下的基因治疗如何“治疗”衰老，要聊的东西就很有指向性了：

除掉致病基因特别明确的早衰症相关研究，最深入人心的非“打端粒酶针”莫属。目前在研的旨在延长个体健康寿命（lifespan）的基因治疗研究，主要针对2种基因：

端粒酶TERT：

通过载体转移编码端粒酶的基因（AAV-TERT），正常情况下TERT仅在生殖细胞、干细胞和癌细胞中表达，转移后TERT的异位表达使端粒延长，可延长多种细胞类型细胞的复制寿命，增加个体的健康寿命和寿命[11]。

AAV-TERT疗法成为了唯一注册临床试验的抗衰老基因治疗[12]，为了逃避监管，临床试验选择在南美小国哥伦比亚进行，这项由Libella公司注册的小规模研究，不同一般临床研究（研究者为受试者支付补贴），“端粒酶针”需要受试者向Libella公司支付100万美金的“天价”。因此，这项注册于2019年10月的临床试验至今未能成行。

研究组织方背后还有着复杂的利益纠葛，碍于篇幅就先不展开了。

Klotho：

Klotho基因被视作一种“长寿基因”，所编码的Klotho蛋白如果缺乏，将导致多种衰老相关疾病和寿命缩短。

在SAMP8小鼠（一种人工选育的具有衰老加速表型的小鼠，常用作衰老研究动物模型，具体遗传机制未阐明）中，通过慢病毒载体转入Klotho基因，小鼠多种衰老表征好转，认知功能得到改善[13]。

介绍到这里，想必大家对于基因治疗已经有了一个比较系统、全面的认知，针对人体的基因治疗不同于实验室内的基因编辑动物实验，会面临各种各样更加复杂的状况。

即便“端粒酶针”连个响儿都没听到，唯一残存在人们心底的记忆仅剩100万元的高价噱头。但想必大家已能预测到受试者们在成功接受注射后，可能出现的一些意外情况，对这个治疗的憧憬不知会不会减少一些？

综上所述，基因治疗应用的前提，是我们必须要确定并深入了解某基因突变是该疾病的致病基因。不然即便手持CRISPR-Cas9这把超级“魔剪”，也不知从何下手，望DNA兴叹，长叹一声“我要这铁棒有何用！”

AAV-TERT在治疗与衰老相关的特发性肺纤维化（IPF）上的前景得人青眼[14]，很大程度上是因为TERT与IPF的发病关联是比较明确的。

而追求增益的“抗衰”，不太像治疗衰老相关疾病，更像是对于“健康长寿”这种特质的追求，与追求智慧、美貌、勇气等其他特质在本质上是一样的，对于这些特质的遗传学调控，远比治疗某种特定疾病要复杂。

另外，基因治疗希望追求稳定、持久的表达。你可能设想打一针，通过基因治疗手段激活SIRT，以达到持久抗衰的效果，但是万一这一针打下去只是让你“很短暂地抗衰过”，最终收益还比不过你每天吭哧吭哧吃NMN呢？

为什么基因治疗在一众抗衰黑科技中显得不是那么起眼，曝光量远远不足其他。其实道理非常简单，技术很赞，只是人类现阶段掌握的东西还太少。

—— TIMEPIE ——

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参考文献

[1] May C, Rivella S, Callegari J, et al. Therapeutic haemoglobin synthesis in beta-thalassaemic mice expressing lentivirus-encoded human beta-globin. Nature. 2000;406:82-86.

[2] Negre O, Eggimann AV, Beuzard Y, et al. Gene therapy of the β-hemoglobinopathies by lentiviral transfer of the β(A(T87Q))-globin gene. Hum Gene Ther. 2016;27:148-65.

[3] 北京日报: “诺西那生钠”纳入医保后降至3万多元 儿童医院完成首次鞘注射.2022年1月2日.

[4] Singh NN, Howell MD, Androphy EJ, et al. How the discovery of ISS-N1 led to the first medical therapy for spinal muscular atrophy. Gene Ther. 2017;24:520-526.

[5] Charo RA. Rogues and regulation of germline editing. N Engl J Med 2019;380:976-80.

[6] 新华社: “基因编辑婴儿”案宣判：贺建奎等三被告人被追究刑事责任. 2019年12月30日.

[7] Hsu PD, Lander ES, Zhang F. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell. 2014;157:1262-1278.

[8] Landhuis E. The Definition of Gene Therapy Has Changed. Nature. 2021 Oct 26. doi: 10.1038/d41586-021-02736-8.

[9] Daley GQ, Lovell-Badge R, Steffann J. After the Storm - A Responsible Path for Genome Editing. N Engl J Med. 2019;380:897-899.

[10] Xu L, Wang J, Liu Y, et al. CRISPR-Edited Stem Cells in a Patient with HIV and Acute Lymphocytic Leukemia. N Engl J Med. 2019;381:1240-1247.

[11] Larrick JW, Mendelsohn AR. Telomerase redux: ready for prime time? Rejuvenation Res. 2015;18:185-7.

[12] https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04133649?cond=AAV-hTERT&draw=2&rank=2.

[13] Zhou HJ, Zeng CY, Yang TT, et al. Lentivirus-mediated klotho up-regulation improves aging-related memory deficits and oxidative stress in senescence-accelerated mouse prone-8 mice. Life Sci. 2018;200:56-62.

[14] P, Hinrichs WLJ. Gene therapy strategies for idiopathic pulmonary fibrosis: recent advances, current challenges, and future directions. Mol Ther Methods Clin Dev. 2021;20:483-496.