楊輝：90%的罕見病無藥可治，我們能否用基因編輯做些什麼？
【文/ 楊輝】
大家好，我是楊輝，來自中科院神經科學研究所，我的研究方向主要是基因編輯。
基因編輯可以説是21世紀生命科學最重要的一個技術之一。我們既可以用它來改善動植物的優良性狀，也可以用來防治病蟲害，還可以治療疾病，更有些科學家在幻想着結合克隆技術來複活一些滅絕的生物，比如説猛獁象。
而基因編輯技術，其實最主要的用途是用來治療各種各樣的疾病，包括癌症、心血管疾病、老年痴呆，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，就是有遺傳效應的DNA片段。我們的DNA由31億多個鹼基對組成，這31億多個鹼基對是由ATCG4種鹼基有機地排列組合組成。
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？其實也就比1%多一點點，但是愛因斯坦智商有200，黑猩猩智商大概70左右，大概相當於七八歲的孩子。
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，即便是一個鹼基的變化都能導致基因功能的改變或者缺失，導致疾病。而我們幾乎有50%的單基因的遺傳病，都是由於一個鹼基變化導致的。
所以科學家就想，是否能有一把鑷子把這個鹼基給換掉，這樣就可以達到疾病治療的目的。想法是非常的簡單，但是要實現起來非常非常的難。為什麼呢？
首先DNA非常地小，只有2納米，比頭髮絲還要細200倍，所以用一個鑷子來操作是非常非常困難的。另外只有一個鹼基的變化，但是我們基因組有31億個鹼基對，要找到它都非常地困難，並且找到的同時是否會引起另外31億個鹼基的破壞呢？也是無法得知的。
所以科學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，在特定的片段進行DNA小片段的插入、敲除或者替換。
要實現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，這是最關鍵的部分。找到這個突變之後就要將突變給剪掉。剪掉之後再提供一個正常的模板，然後進行修復。
第一個過程，找到這個特定的位置，非常關鍵，也非常難。關鍵在於只改變想要改造的基因，不破壞其他的基因，不然沒實現目的，反而可能引起許多不良的後果，剛剛也説了，一個鹼基的改變也可能引起致命的危害。為什麼説非常難呢？大家可以想象，30億的鹼基裏面你就選擇1個或幾個鹼基進行編輯，光找到它們也不容易吧。即便有門牌號碼也得找好半天吧。
所以我博後的老闆，MIT的Rudolf Jaenisch等不及了。在他博後期間，70年代，那時他才30歲左右，和我現在差不多大，就有了個異想天開的想法，直接不找門牌號碼了，先實現改變基因組再説。
但是動物的個體有許許多多細胞，如何實現許多細胞DNA的改變呢？正好當時是試管嬰兒剛剛出現，所以他就想到，如果直接改變受精卵，之後這個胚胎最終發育成個體，是否它所有的細胞就會帶有這個基因的突變呢？他這麼想也這麼去做了。
他將病毒的DNA直接注射到受精卵中，然後移入到小鼠媽媽體內。過了三週之後他獲得了小鼠，進行基因鑑定，發現確實所有小鼠的細胞都帶有這個病毒的DNA，而且這個DNA能夠傳遞下去，它的後代也帶有這個DNA。
Rudolf Jaenisch因為這個發現被評為美國科學院院士，受到了總統接見。但是非常遺憾，這項技術與諾貝爾獎失之交臂。為什麼呢？我們可以看到，最關鍵的是，病毒插入到基因組的方式是一個隨機的插入，不是定點的插入。隨機就有可能造成傷害，還沒有達到最好的效果。嚴格意義上來説算不上基因編輯。
十幾年之後，另外兩位科學家真正實現了定點的基因編輯，也因此獲得了2007年的諾貝爾獎。
之後的20多年，基因編輯技術經過了幾代的發展，直到2012年發展到第三代，我們叫做CRISRP-Cas9的技術之後，基因編輯才變成幾乎每個實驗室都可以操作的技術了。
CRISRP-Cas9的好處就是簡單和高效，貼一個標籤它就對一個基因進行操作，貼兩個三個就可以實現多位點的操作。所以自從它報道以來，國內外多位科學家就迅速跟進。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應用在了哺乳動物細胞中。
而我個人與基因編輯也是非常有緣份的，早在博士期間，我就利用最經典的同源重組的基因打靶方法構建了各種各樣的基因修飾小鼠，雖然非常複雜。
我大概是2012年年底到的美國讀博後，1個月之後，張鋒和George Church關於CRISRP-Cas9的成果發表了，當時張鋒就在我隔壁實驗室。比較有幸的是，和我同一個實驗室的同樣來自中國的博後，叫王皓毅，他主要是研究第二代基因編輯技術，我們兩個人就一拍即合。已發現的CRISRP-Cas9只證明了在細胞中的作用，它是否能夠高效地運用在基因編輯動物中呢？當時大家都還不知道。
我們兩人第二天就到隔壁的張鋒實驗室把質粒要來，將這套CRISRP-Cas9系統通過顯微注射的方法注射到小鼠的受精卵中，然後移到小鼠體內。
所以我們在短短半年以內就證明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、精確修復的小鼠，成果也發表在了生物領域最Top的雜誌《細胞》上面。
一個比較有意思的小插曲就是，因為可能中國大陸的學生工作都比較努力，去了國外一般都遵循996的原則——可能比996還長。國外的博後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，我們是一個一個進行操作的。
但是我當時做的速度非常地快，平均一天可以做超過400個胚胎，我的導師Rudolf Jaenisch就覺得有點驚訝，第二天跑到實驗室來親自看我做實驗，看了之後他就心服口服了。
回國之後，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用，而我則繼續應用基因編輯技術來製作各種動物。這個從小鼠就變成了猴子，為什麼做猴子呢？因為相對於所有模式動物來説，猴子的大腦發育和高級認知行為是特有的。如果我們應用基因編輯技術製造各種各樣的基因工具猴，就有利於我們對大腦的理解，而且有利於一些腦疾病的治療。
就在我們實驗室剛剛成立一年，正準備生產各種各樣基因編輯猴的時候，一個偶然的發現，完全改變了我們當時實驗室整個的方向。
我們發現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個標籤，CRISRP-Cas9就對1個基因進行編輯，如果貼上10個標籤，它就對10個基因進行編輯。當我們貼上100個標籤的時候，發現它不是對100個基因進行編輯，而是整條染色體都消失了。
我們當時發現了這個非常興奮，這是否可以運用到唐氏疾病的治療呢？大家都知道唐氏又稱21三體綜合徵，比正常人多了一條21號染色體，如果我們在多的那一條21號染色體上貼滿標籤，是否可以高效地消除這條染色體從而達到疾病治療的目的呢？
為了驗證這個想法，我們從唐氏病人的身上誘導了多能幹細胞，在這個幹細胞裏有三條21號染色體，我們導入CRISRP-Cas9，發現它可以高效特異地消除這條多餘的21號染色體。
相關成果發表之後，得到了多家媒體的關注和國際同行的高度評價，説我們這個技術可以為唐氏疾病的治療提供一個新的途徑。
我當時以為故事已經到此為止了，就接下來繼續我們之前的研究。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開展研究，一個是詢問我們這個方法什麼時候能夠上臨牀。
更有一些家長願意慷慨解囊贊助這項研究。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，所以從個人來説，我就開始更加關注罕見病這個羣體。
罕見病其實並不罕見，全球目前發現的罕見病有7000多種，總人口超過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，有一半發生在兒童時期，一旦發病是伴隨終生的，終生帶來痛苦。
唐氏綜合徵是我們國內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症，以及我們比較熟悉的血友病、白化病，都屬於罕見病。
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種罕見病面臨着國外有藥但中國沒有藥的情況。
為什麼罕見病的藥物那麼少呢？主要有兩個原因，一個是，雖然罕見病的總人口比較多，但是分攤到每個疾病來説，它的人口非常少。
任何一個新藥做研發大概都需要20億到30億美金的投入，是非常巨大的，即便是仿製藥也要2億到3億美金。所以大公司一般都希望研發一些常見疾病的藥，這樣一旦研發出來，回報會非常高。任何一種罕見病都相當於一個原創的新藥，它的成本非常高，而收益非常少，所以很多大公司都不願意研究它。
另外一個，即便研究出來一些藥物，它的治療效果非常的有限。許多疾病需要終生服藥。而且隨着病程的進展，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，都帶來了巨大的負擔。
因為罕見病80%都是單基因遺傳疾病，所以科學家其實早在70年代就提出，是否可以通過基因治療的方式實現治療，而基因藥的概念也應運而生。在當時那個年代，基因藥就是通過各種方式將外源基因正常的基因，導入到有基因缺陷的細胞中，達到功能恢復和疾病治癒的效果。
但是因為它是外源的基因，跟自己的基因不一樣，會隨着細胞的分裂丟失和降解，不穩定，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、最常用的病毒導入的方式，也只能維持幾年的效果。可能對於我們做實驗的小鼠來説，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。
隨着基因編輯方法的日益成熟，科學家似乎找到了一個完美的解決方式，就是通過CRISRP-Cas9技術直接修復內源的基因，達到一勞永逸的效果。
打個比方，比如説衣服破了一個洞，你打一個補丁，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於精確地用剪刀和針線來縫合，達到原位修復的效果。
所以現在的基因藥這個概念相比幾十年前，又得到了很大的擴展，任何能調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、基因過表達等。
接下來給大家介紹一下整個基因藥的研發流程，及基因編輯技術如何運用到罕見病基因藥的研發。
我們拿脊髓性肌營養不良（SMA）來舉例，這也是我們實驗室正在研究的一個疾病。它的發病率是萬分之一，在罕見病來説已經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，是由於SMN1基因缺陷導致的。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。
由於這個基因的缺陷會導致運動神經元的凋亡，患這種病的小孩出生之後，大部分生存年齡都超不過兩歲。即便有一些倖存下來，運動能力都極大地受到損害。
自從這個致病基因被發現以來，到最終這個疾病第一個藥物上市，經歷了21年的時間。為什麼要這麼長的時間呢？
一般我們研究單基因疾病都是這個套路。首先人類發現了這個疾病之後，通過基因編輯技術，希望在小鼠上重現這個疾病。
如何做到的呢？就是通過基因編輯技術將一個SMN1同源的基因給敲除掉，獲得一個有疾病的小鼠。科學家發現，小鼠確實會像患病的人一樣，運動神經元凋亡，在三週之內就會死亡。
得到了這個動物模型之後，基因治療其實走了三分之一左右。之後科學家會想到各種各樣干預的方式（反義核苷酸、基因過表達、基因編輯修復等），去恢復這個基因的表達，達到治癒小鼠的目的。
經過許多科學家十年的努力，終於在小鼠身上得到了非常好的治療效果。之後可以開始申請臨牀實驗。經過大動物的安全性評價，再經過漫長的一期二期三期實驗之後，最終藥物得到上市。
大家可以看到，罕見病的藥物，從臨牀開始到最終上市，其實只有短短的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。
為什麼會縮短這麼多呢？其實不論是美國的FDA還是中國的CFDA，都有對罕見病藥物開綠色通道。因為這個疾病的病人少，為了節約成本，一旦對少數病人有效果的話，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生説，他的病人家屬都歡呼雀躍，他們的孩子終於有救了。但是其實沒高興太久，當這個藥物的價格出來之後，家屬都沉默了。
這個藥物一次注射大概需要80萬人民幣，而且每年需要經過兩到三次的注射，一旦注射之後就需要終生注射。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的基因的過表達。對於脊髓性肌營養不良，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。而且它一旦進入到人體，因為是病毒帶來的，就會產生抗體。如果第二次注射，會引起極大的免疫反應。所以病毒介導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。我們實驗室成功地利用基因編輯，在小鼠動物模型上實現了對SMA疾病基因的修復。修復之後大家可以看到，小鼠的體重都跟正常的無異，一般的患病小鼠三週之內就死亡了，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，如何將這套技術推向到臨牀。
在中國推動罕見病藥物的治療，其實並沒有那麼容易。
第一個瓶頸是是基因編輯技術核心專利的缺失。
大家可以看到，全世界已經上市的罕見病基因藥大概有7種，7種都是剛剛我説的反義核苷酸或者病毒介導的過表達這些傳統的基因治療方式。而且清一色的都是國外的公司生產，所有的這些基因治療技術的基礎專利，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有2個上臨牀了，都是美國的公司生產的。從基因編輯技術2013年發現以來到上臨牀，其實只有短短的五年時間，發展是非常非常快的。
而對於基因編輯技術的核心專利，尤其是最早期的一批基礎核心專利，也都是由歐美科學家申請的，專利也在他們的公司手上。我們要想研究基因編輯的藥物，運用到基礎的技術，就必須要承擔高昂的專利費用。
**另外一個瓶頸就是中國基因治療產業的不健全。**雖然基因編輯技術非常新，但是基因治療這個概念其實國外已經做了幾十年了，所以所有的藥物都是在國外產生。
但是中國這個產業才剛剛開始，所以即便我們基礎科研做的已經接近歐美科學家水平，但是面臨的一個非常大的瓶頸就是產業化的轉化，是如何生產臨牀級別的病毒，將這些基因編輯工具帶入到人體內。
大家可以看到，基礎科研和臨牀前研究，其實它真正的經濟價值是不大的。但是一旦我們能夠突破這個瓶頸，能夠在一二期臨牀實驗得到好的效果，它的價值是會成百倍地增長的。未來中國整個基因治療產業面臨的問題就是爭取早日突破這個瓶頸，早日將我們基礎科研的知識轉化到臨牀上面去。
**第三個瓶頸就是基因編輯技術本身的問題。**為什麼基因編輯技術已經被大家認為是一個最好的方式，但是到目前為止只有兩個藥物上臨牀呢？其實最關鍵的一點是它的不安全性，也就是基因編輯的脱靶效應。
大家可以想象一下，我們的目標位點只有一個，但是脱靶的位置有31億個，所以脱靶的概率是非常非常高的。如果脱靶發生在癌基因或者抑癌基因之上，它就會導致癌症的產生。
如何高效地避免脱靶是一方面，另外一方面就是如何用高效敏感的技術檢測到這些脱靶。我們實驗室最近建立了一種能夠全基因組範圍內高效靈敏地檢測脱靶的方法，我們發現目前應用最廣的一項單鹼基編輯技術存在大量的脱靶，所以它應用在臨牀是不安全的。
這個發現發表在了Science雜誌上，一發表之後，有兩家公司正在推向臨牀的兩個項目就被迫終止了。大家可以想象，一旦它們上了臨牀之後，會對細胞造成大量的脱靶，病人早期可能可以受益，但是過了幾年之後可能都會變成癌症的高發人羣。
而就在前幾天Nature雜誌報道，和我們課題組最近將會發表的成果也發現，單鹼基編輯技術不僅能造成DNA的脱靶，而且還會造成RNA的脱靶，進一步説明這項技術其實現在是非常不完善的。
大家不用悲觀，其實從好的一方面講，這也給了我們中國，不論是科學家也好，企業也好，一個機會。一個什麼機會呢？就是我們能夠建立行業的新標準，開發出更高效、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家基因編輯核心專利的封鎖。
來這之前我只知道一席是關注於科學和人文，今天剛剛聽説還有個白日夢。我也忽悠了我幾個學生一起做白日夢，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。
剛剛也説了有7000種罕見病，可能我們這一輩子都做不完，其實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的平台，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，希望絕大多數的罕見病都能有各自相應的基因藥物。
最後講一下，基因編輯技術如果用在不好的方面也會產生非常不好的影響。基因編輯嬰兒事件，不論是在國內還是國外，在科學界、社會還是政府，大家都有一致的觀點，就是堅決反對這類事件的發生。
所以説基因編輯工具本身沒有錯，而我們科學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、越來越準確。到底它是變成了天使還是魔鬼，在於我們大家的選擇。
【文章轉載自微信公眾號：一席（ID：yixiclub），觀察者網已獲授權轉載。】