基因治療導讀

基因治療的發展與挑戰

基因編輯 (Gene Editing)
基因治療係透過傳遞特定基因至患者體內以改善疾病的預後或治癒疾病，主要藉由基因替換(Gene replacement)、基因靜默(gene silencing)、基因添加(gene addition)和基因編輯(gene editing)四種策略達成1-4。迄今，與基因治療相關的臨床研究利用腺相關病毒(adeno-associated virus, AAV)載體進行基因傳遞、CRISPR/Cas9進行基因編輯和其他多種技術，在癌症、眼科疾病、神經退行性疾病和心血管疾病等領域均有廣泛研究和應用1。

基因治療的歷史

起源與初始時期
1953年Watson和Crick發現DNA雙螺旋的結構，開啟了分子生物學和精準醫學時代的大門2。之後1960年代將基因傳遞至宿主細胞治療疾病的概念首先被提出，隨後重組DNA技術和基因工程學的創新讓上述概念變得可行3。人類基因治療最早始於1970年代一項研究，將帶有精氨酸基因的Shope乳突病毒引入三名缺乏精氨酸酶患者體內。儘管結果未能提升患者體內的精氨酸酶濃度，但卻成功讓基因轉移的概念從理想變為實際4。經過十幾年的研究後至1990年終於迎來了首次基因療法的成功，一位Ashanthi DeSilva患有嚴重聯合免疫缺陷(Severe combined immunodeficiency, SCID)四歲女孩，在使用病毒載體將腺苷脫氨酶(Adenosine deaminase, ADA)酶基因併入免疫細胞後，免疫系統功能大幅改善從此不再為了避免感染被隔離。DeSilva案例的成功是一個重要的里程碑，隨後在1990年代進行了更多的試驗13。

重大挫折與挑戰
然而樂觀的氣氛並未持續太久，九年後基因療法遭遇嚴重的挫敗，首次在臨床試驗期間發生患者死亡。1999年時18歲的Jesse Gelsinger參加美國一項實驗性基因療法，患有鳥胺酸氨甲醯基轉移酶缺乏症(ornithine transcarbamylase deficiency)，導致肝臟分解有毒氨的能力受損使毒性在血中積聚。實驗中使用腺病毒將缺失的基因複本引入肝細胞，然而接受治療四天後Jesse卻發生致命性的免疫反應而死14。Jesse的死亡震驚了整個基因治療領域，美國食品藥物管理局(U.S. Food and Drug Administration, FDA)立即中止相關的基因療法計劃，並對其他進行中的基因試驗進行調查。FDA和美國國家衛生院(National Institutes of Health, NIH)也因此共同制定了兩項新的政策，即基因治療臨床試驗監測計畫(Gene Therapy Clinical Trial Monitoring Plan)和基因轉移安全性討論會(Gene Transfer Safety Symposia)，從此病毒載體的安全性受到高度關注。

復甦與繁榮期
2003年基因治療復甦，中國成為第一個批准基因療法的國家，獲得批准的治療為用於頭頸癌患者的Gendicine15。隨後，俄羅斯於2011年批准用於治療周邊動脈疾病的Neovasculgen16。2012年歐洲批准了Glybera應用於極罕見的脂蛋白脂酵素缺乏症(lipoprotein lipase deficiency, LPLD)。但事實上Glybera在商業上是失敗的，因為價格高達100萬歐元使其成為世界上最昂貴的治療，歷史上僅有一位患者接受Glybera治療隨後在2017年即被撤回17,18。2012年科學家們亦開發了CRISPR/Cas9基因編輯技術，可以修改特定的DNA序列19。其後在2016年歐洲藥物管理局(European Medicines Agency, EMA)批准了首項基於γ反轉錄病毒(gamma retrovirus-based gene)的基因治療Strimvelis用於缺乏ADA引起的SCID。Strimvelis是體外(ex-vivo)幹細胞基因治療的先驅，抽取患者自身的CD34+細胞，利用反轉錄病毒將正常的ADA基因轉移至CD34+細胞上，再將修飾後的CD34+細胞輸回患者體內20,21。

基因治療在2000年代首次獲批後進展迅速，過去二十多年內已經出現了數十種的基因療法。最新的基因療法為治療β型地中海貧血的Zynteglo於2019 年獲得EMA 核准於歐洲上市。Zynteglo亦為一種體外基因治療，從患者的骨髓或周邊血液收集造血幹細胞和前驅細胞(hematopoietic stem and progenitor cells, HSPCs)，分離出CD34+ HSPCs，再經帶有β-球蛋白互補DNA的慢病毒載體進行基因轉移，並同時去除患者骨髓中的內源性HSPCs。最後將基因修正後的HSPCs從靜脈輸注回患者體內，新的HSPCs即會於骨髓中積累，自我更新並分化出其他的造血細胞(圖一)22,23。

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病毒載體技術的突破
基因療法近期的成功可歸因於病毒載體技術顯著的進步，歷經1990年代末期基因療法試驗的失敗後，病毒生物學、載體動力學、免疫相互作用和載體安全性的巨大缺口已漸被填補。腺相關病毒(adeno-associated viruses, AAVs)載體成為基因治療領域的新星，野生型的AAVs在人體中不僅不具致病能力、能維持基因表現長達10年、亦可經由編程靶向特定細胞或組織類型，這些特點使AAVs成為現代基因治療的理想媒介24。所有的臨床試驗中又以眼睛靶向的治療最具吸引力，因眼睛獨特的解剖結構使其非常適合使用基因治療。第一，眼睛是封閉的系統，載體注射入眼球後很難外漏，因此負載之DNA能夠釋放至最大數量的目標細胞中。第二，神經元不會更新，因此一旦神經元表現了目標基因(Gene of interest, GOI)即會長時間持續。2017年美國FDA批准了LUXTURNA (voretigene neparvovec-rzyl)，不僅為首次許可應用於眼部的基因治療，也是第一種體內(in vivo)基因治療。Voretigene neparvovec-rzyl為基於AAVs的體內基因療法，用於治療一種罕見的遺傳性失明雙等位RPE65基因突變相關視網膜失養症( biallelic RPE65 mutation-associated retinal dystrophy)，阻止由基因突變引起的視力喪失，其批准對整個基因治療領域亦是非常重要的里程碑(圖二)25,26。

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基因治療的挑戰
儘管基因治療經過數十年的發展仍僅獲取有限的成就，因為基因治療尚有許多挑戰待克服。首先是基因的傳遞與活化，針對部分疾病唯有將正常的基因傳遞給目標組織中的大量細胞才能奏效，基因必須到達正確的細胞並成功被活化，否則不僅治療無效可能還會對健康造成問題。再來是患者的免疫反應，基因傳遞載體須能躲過人體的免疫系統，若激發嚴重的免疫反應可能導致疾病甚至死亡。具體可以透過兩種方法避免觸發免疫反應，其一為在體外將病毒傳遞至細胞，其二為治療期間給予免疫抑制藥物。

此外，基因治療也應使用最低的有效病毒量，以及不易引發免疫反應的載體。第三是干擾目標細胞重要基因的可能。1999年至2006年間針對SCID的基因治療試驗中有部分兒童在接受治療後罹患白血病。原因為傳遞入T細胞的基因意外干擾了調節細胞分裂速率的基因，導致細胞不受控地分裂27-29。 所幸新開發的載體具有將DNA整合到基因組中特定安全位置的特點，且體外基因治療亦可在輸送回患者體內前先行測試結合位點。最後，開發和生產基因治療的成本巨大，而且市場規模受限，特別是針對罕見疾病的基因治療。對於罕病患者而言，基因治療可能是挽救生命的手段，但開發治療的高成本和低獲利對製藥公司來說不具吸引力，且部分患者可能永遠無法負擔這些費用29。

基因治療的道德考量
長期以來，利用基因技術修改生殖細胞的可能性一直是基因領域中最富爭議的話題。科學界普遍贊成體細胞基因治療，尤其是應用於嚴重難以治癒的基因疾病。然而2015年，中國研究人員卻逾越道德界線，首次宣布使用CRISPR-Cas9技術對胚胎細胞進行基因修改。另一項中國研究亦使用相同技術插入CCR5基因突變賦予對抗HIV感染的能力，基因分析顯示26個胚胎中有4個修改成功。上述結果表明了改進技術的必要性，並警示類似試驗應事先在動物模型中測試30,31。有關基因編輯的爭議引起多方辯論，日本倫理委員會(Japanese Ethics Committee)認為該研究已獲得當地倫理委員會的批准，並獲得卵子捐贈者的同意。另一方面美國則持保守態度，重申他們不支持這種實驗的立場，除非技術和倫理問題能獲得改進31。

結語
從古至今基因治療克服重重挑戰，成為現實中的可行的治療選項。如今全球有近 400 項活躍的基因治療研究，市面上亦有十幾種基因治療藥物。儘管仍然存在一些困難和阻礙，但日益強大的分子工具將持續增強臨床上矯正遺傳疾病的能力。隨著時間的推移基因治療的價格有望逐漸降低，作為一次性的治療，基因治療具有防止終身疾病、節省長期開支、實現醫學革命的潛力。

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