作为强大的基因编辑工具，CRISPR及相关的Cas蛋白已经彻底改变了生物学研究，并有机会治疗一系列遗传疾病，让生物医学界大为振奋。然而，尽管CRISPR技术广泛应用于研究领域，临床试验成功案例也层出不穷，但目前仅有一种CRISPR基因编辑疗法获批用于临床。
2023年底，Vertex Pharmaceuticals和CRISPR Therapeutics合作开发的CRISPR基因编辑疗法相继获得英国和美国相关部门的批准。这种Exa-cel疗法在体外对患者的造血干细胞进行编辑，使血红蛋白产生高水平的胎儿血红蛋白，适用于镰状细胞性贫血和β地中海贫血患者1,2。
尽管CRISPR技术前景广阔，但也面临着巨大的挑战和局限，必须克服这些才能在临床环境中充分发挥其潜力。在这篇文章中，我们将深入探讨CRISPR疗法面临的挑战和局限，以及人们为利用CRISPR来治疗人类疾病所做的努力。
CRISPR掀起的革命
与以往的基因编辑技术（比如ZFN和TALEN）不同，CRISPR基因编辑不依赖改造的蛋白，而是由向导RNA（sgRNA）将Cas内切酶带到目标位点，并引入双链断裂（DSB）。之后，双链断裂会触发内源性DNA修复途径，比如非同源末端连接，这是一个容易出错的过程，可在目标位点上引入插入缺失和移码突变，从而实现高效的基因敲除。或者，在外源性模板存在的情况下，双链断裂激活同源修复，产生所需的突变或序列插入。
CRISPR基因编辑的灵活性、高效性和准确性使其超越了ZFN和TALEN，成为目前主流的基因编辑工具3。然而，将其应用于临床仍面临着巨大的挑战，例如脱靶效应、体内稳定性以及宿主产生免疫原性反应的可能性。在利用CRISPR来治疗疾病时，首先需要解决这些难题。
最大程度减少脱靶效应
在将CRISPR基因编辑广泛应用于临床之前，需要克服的最大挑战是降低脱靶效应的风险，也就是预期靶点以外的位点发生意想不到的遗传改变4。研究人员通过开发更精确的Cas9变体和优化向导RNA设计，在提高CRISPR精确度方面已取得了重大进展。
然而，依赖双链断裂也会造成严重的安全问题，CRISPR基因编辑会导致细胞死亡，或造成大片段碱基缺失和染色体失序，从而有可能引发恶性肿瘤5。目前的研究重点是开发不引入双链断裂的CRISPR系统，比如碱基编辑、先导编辑以及TWIN-PE和PASTE等衍生系统，这些系统可在不引入双链断裂的情况下进行基因编辑，未来在基因治疗方面拥有巨大潜力6。
递送方面的挑战
CRISPR疗法面临的另一主要障碍是如何高效安全地将编辑元件递送到目标细胞和组织。对于许多遗传疾病而言，包括Cas9和sgRNA在内的编辑元件需要递送到体内的特定器官或组织。靶向内部器官或穿越血脑屏障，这的确是一大挑战。
人们通常使用腺相关病毒（AAV）等病毒载体，但它们的包装容量有限。慢病毒等载体具有较大的包装能力，但会随机整合到基因组中，如果插入癌基因中，则会造成问题。人们也在探索非病毒递送方法，包括脂质纳米载体、聚合物纳米颗粒和外泌体，它们都具有良好的前景。
每种方法都有其优势和局限，选择哪种递送方法取决于具体的治疗应用。实现高效的靶向递送，同时最大限度降低脱靶效应和免疫反应，目前仍然是一项挑战。尽管如此，技术上的不断开发和优化为未来的临床成功带来了希望。
降低免疫原性
免疫系统一直在兢兢业业地抵御着外来入侵者，当然也包括用于CRISPR递送的病毒载体。1999年，18岁的Jesse Gelsinger因腺病毒诱发的炎症反应而死亡，此后，基因疗法的免疫原性被广泛认知7。
当CRISPR组分被引入人体时，它们也会引发免疫反应，导致编辑细胞被破坏或使治疗失效。为了缓解这一点，科学家们试图开发出缺乏诱导反应外显子的Cas9组分。在小鼠模型中，这些Cas9衍生物不会引起体液免疫和细胞免疫反应8。
减轻免疫反应风险的另一种方法是靶向免疫豁免器官，比如眼睛、大脑和睾丸9。在一项针对179名遗传性视网膜疾病患者的研究中，科学家们发现76%的患者带有致病等位基因，有可能成为CRISPR基因疗法的候选靶点，这突出了CRISPR基因疗法在这些区域的适用性10。
未来充满希望
基于CRISPR的疗法仍然需要克服许多重大挑战，才能在遗传病治疗领域占领一席之地。不过，最近Vertex Pharmaceuticals的CRISPR疗法获得批准，让人们看到了未来的希望。
研究界正在努力开发脱靶活性较低的CRISPR系统，优化CRISPR递送，并降低与不良免疫反应相关的风险，这意味着未来几年也许会出现更多的CRISPR基因编辑疗法成功案例。CRISPR疗法的前景依然光明，它为遗传病患者带来希望，并有望改变精准医疗的格局。
参考文献
1. Sheridan, C. The world’s first CRISPR therapy is approved: who will receive it? Nat Biot News. (2023).
2. https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-first-gene-therapies-treat-patients-sickle-cell-disease
3. Adli, M. The CRISPR tool kit for genome editing and beyond. Nat Commun 9, 1911 (2018).
4. Li, T., Yang, Y., Qi, H. et al. CRISPR/Cas9 therapeutics: progress and prospects. Sig Transduct Target Ther 8, 36 (2023).
5. Zuccaro, M. V. et al. Allele-specific chromosome removal after Cas9 cleavage in human embryos. Cell 183, 1650–1664.e1615 (2020).
6. Tao, J., Bauer, D.E. & Chiarle, R. Assessing and advancing the safety of CRISPR-Cas tools: from DNA to RNA editing. Nat Commun 14, 212 (2023).
7. Sibbald B. Death but one unintended consequence of gene-therapy trial. CMAJ. 2001 May 29;164(11):1612.
8. Wang, D., Zhang, F. & Gao, G. CRISPR-based therapeutic genome editing: strategies and in vivo delivery by AAV vectors. Cell 181, 136–150 (2020).
9. Rasul, M.F., Hussen, B.M., Salihi, A. et al. Strategies to overcome the main challenges of the use of CRISPR/Cas9 as a replacement for cancer therapy. Mol Cancer 21, 64 (2022).
10. Fry LE, McClements ME, MacLaren RE. Analysis of Pathogenic Variants Correctable With CRISPR Base Editing Among Patients With Recessive Inherited Retinal Degeneration. JAMA Ophthalmol. 2021;139(3):319–328.
（文章来源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-2）
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