人類基因組包含20000到25000個驅動生物進程的蛋白編碼基因。在罕見病領域，大多數罕見病涉及功能失調的基因，全球超過3億患者受到遺傳疾病的影響，美國有3000萬患者，其中半數患者為嬰兒和兒童。許多疾病的預后較差，治療選擇很少。基因治療可能提供一種干預措施，以恢復無法用當前藥物治療的疾病的健康。基因治療原則上雖然很簡單，但涉及復雜的基因設計和在靶細胞中高效表達的遞送機制。
1988年，第一個被授權的治療戈謝病（Gaucher disease）的人類基因治療臨床試驗標志著人類基因治療的曙光。基因治療概念在20世紀90年代初首次廣泛應用于患者，但反復出現的陽性結果往往伴隨令人失望的結局。這些早期的基因治療試驗大多數未產生治療獲益，其中一些產生了非預期的不良事件。1996年，美國國立衛生研究院(NIH)的顧問委員會認為這樣的新型細胞和基因治療臨床試驗為時過早，因為對載體、靶細胞和疾病的性質了解不足。自20世紀90年代末，第二代臨床研究產生了新的技術，對靶細胞有了更深入的了解。這些研究表明，將更有效的基因遞送至靶組織可產生臨床獲益。
當前為止，基因治療領域已經批準了16個產品，探索基因治療的臨床研究數量在全球范圍內急劇增加。截至2020年7月，全球17個臨床試驗數據庫報告了2106項基因治療臨床研究。
基因治療遞送方法
自涉及基因治療的首次臨床試驗以來，基因治療一直受到基因轉移療效不佳以及免疫原性和毒性相關不良事件的阻礙。其中，基因傳遞可能是一個實質性障礙，可以產生不良并發癥并限制療效。用于基因治療的載體通常分為病毒或非病毒載體（圖1A）。約70%的臨床試驗利用病毒（如腺相關病毒）進行基因治療。非病毒載體，如直接注射DNA、脂質體轉染和各種其他形式，占其余30%。非病毒基因載體提供了通用、簡單、經濟有效和潛在更安全的替代品，但可能缺乏足夠的臨床使用療效。相反，病毒載體通常比非病毒遞送系統更有效，但免疫原性更強。用于基因編輯的核酸酶是在工程DNA結合結構域中引起雙鏈斷裂(DSB)的限制性內切酶。鋅指核酸酶(ZFN)、轉錄激活因子樣效應核酸酶(TALEN)和成簇的規則間隔短回文重復序列(CRISPR)相關核酸酶Cas9(CRISPR/Cas9)是三種主要的基因編輯技術。
圖1 不同的遞送系統
開發合適的載體時需要考慮多個標準：(1)待包裝的DNA和基因的總大小，(2)基因的表達效率，(3)治療持續時間，(4)免疫應答，(5)產生，(6)同化進入細胞DNA， (7)患者可能感染病毒的風險。
基本的基因治療方法
基因治療中采用的四種主要遺傳學方法是：(1)基因添加，(2)基因校正，(3)基因沉默，(4)細胞消除技術。
基因添加；基因添加包括向所需細胞中添加新基因（例如，質粒DNA[pDNA]），以產生新的蛋白質。目前正在開發基因添加療法以治愈許多疾病，包括先天性失明和血友病。
基因校正；基因校正涉及使用基因編輯技術消除基因的重復或缺陷元件或替換缺陷或功能失調的DNA區域。基因修復的目的是產生一種功能性蛋白，并抑制異常蛋白的表達。廣泛的疾病可能通過基因修復進行治療。例如，最近的研究已經使用基因校正技術從感染的實驗室小鼠中去除人類免疫缺陷病毒(HIV)，并校正與亨廷頓病相關的擴展區域中的人類基因。
基因沉默；基因沉默通過靶向mRNA限制蛋白質的翻譯。人類識別并破壞雙鏈RNA，雙鏈RNA是病毒中常見的結構。基因沉默利用RNA的獨特序列結合靶mRNA，產生的雙鏈RNA被降解。當蛋白質過表達導致疾病時，基因沉默是一種適當的療法。
基因消除技術；細胞消除技術通常用于破壞癌細胞，但也用于治療大型良性腫瘤（包括非癌細胞）。例如，嗜腫瘤病毒攜帶可誘導癌細胞死亡、限制血管化或激活免疫應答的基因。
基因編輯療法
基因組編輯（基因編輯或基因組工程）已成為在基因組水平改變蛋白質表達的治療策略。最近，這種方法已被視為幾種疾病的潛在治療工具，包括遺傳疾病、傳染病和多種類型的癌癥。基因編輯中的重要進展在于使得真核生物基因組可以被修飾用于治療目的。
基因臨床試驗
下圖基于17個臨床試驗數據庫的信息，統計了1988年至2020年全球開展的基因治療臨床試驗數量。全球基因治療臨床試驗分布：美國（971項臨床試驗，占46.1%）、中國（623項臨床試驗，占29.6%）、歐盟（295項臨床試驗，占14.0%）、日本（29項臨床試驗，占1.4%）、多國試驗（32項臨床試驗，占1.5%）及其他國家（156項臨床試驗，占7.4%）。基因治療臨床試驗覆蓋的主要疾病類別包括：癌癥（1373項臨床試驗，占65.2%）、遺傳疾病（434項臨床試驗，占20.6%）、感染性疾病（82項臨床試驗，占3.9%）、心血管疾病（105項臨床試驗，占5.0%），和其他疾病（112項臨床試驗，5.3%）。迄今為止，腫瘤疾病仍然是開發新治療方法的主要疾病類型，遺傳性疾病（如地中海貧血、眼部疾病、血友病、囊性纖維化和鐮狀細胞病）構成了基因治療研究中第二大靶向疾病類別。從臨床試驗階段來看，多數臨床試驗依然處于臨床1期和2期，并且主要申辦方為行業和大學/醫院。
圖2 基因治療不同臨床試驗分類
基因治療已成為制藥領域最重大的創新之一。迄今為止，已針對廣泛疾病的基因治療開展了2106項臨床試驗。這些試驗提高了對安全因素的認識，明確了最有可能從當前基因傳遞技術中獲益的疾病。眾多創業公司，如Spark Therapeutics、Audentes Therapeutics、Kite Pharma等，都被各大制藥公司瞄準收購。2014年，Juno Therapeutics成立僅1年就實現了40億美元的市值。雖然目前僅有少數基因治療產品獲批，但勢頭依然明顯。
市場上的基因治療產品
當前已經有16款基因治療產品獲得至少一個監管機構的批準，包括Gendicine、Oncorine、Rexin-G、Neovasculgen、Glybera、Imlygic、Strimvelis、Zalmoxis、Invossa、Kymriah、Yescarta、Luxturna、Onpattro、Zolgensma、Zynteglo和Givlaari，圖3按時間順序顯示了獲批的基因治療產品的時間表，從2003年的Gendicine開始，到2020年的Zynteglo結束。在下表中還總結了基因治療產品中使用的4種病毒載體之間的主要差異，包括免疫原性、基因組以及持續時間等。
圖3 不同基因治療產品上市時間
基因治療未來可期
自第一個獲批的基因治療試驗在NIH進行以來，已經過去了近三十年。基因治療再次走在生物醫學研究的前沿，有16種不同的產品被批準用于治療癌癥、失明以及免疫和神經元障礙，然而，改善給藥方法還有大量的工作正在進行中。我們同時相信，基因治療的不斷成功，無疑將在未來十年打開醫學的新領域。同時，這一新興技術也激發了合成生物學、細胞重編程、高性能功能基因組學等新穎的研究領域，必然會繼續重塑生物醫學研究。
參考文獻
Alhakamy NA, Curiel DT, Berkland CJ. The era of gene therapy: From preclinical development to clinical application. Drug Discov Today. 2021 Jul;26(7):1602-1619. doi: 10.1016/j.drudis.2021.03.021. Epub 2021 Mar 27. PMID: 33781953.
