在一项新的研究中，来自美国达纳法伯癌症研究所、波士顿儿童医院和马萨诸塞大学医学院等研究机构的研究人员通过将CRISPR-Cas9基因编辑应用于患者自己的造血干细胞中，开发出一种治疗一种最为常见的遗传性血液疾病---镰状细胞病（sickle cell disease）---的策略。这种方法克服了之前的技术挑战，而且要比过去更有效地对造血干细胞进行编辑。相关研究结果于2019年3月25日在线发表在Nature Medicine期刊上，论文标题为“Highly efficient therapeutic gene editing of human hematopoietic stem cells”。论文通讯作者为Daniel Bauer博士，论文第一作者为Yuxuan Wu和Jing Zeng。
这项新的研究发现这些经过基因编辑的造血干细胞产生得到基因校正的红细胞，因而能够产生功能性的血红蛋白。
Bauer说，“我们认为我们的研究确定了一种可能治愈常见的血红蛋白疾病的策略。将基因编辑与自体干细胞移植结合在一起可能是一种治疗镰状细胞病、β-地中海贫血和其他血液疾病的方法。”
根据世界卫生组织（WHO）的统计，镰状细胞病和β-地中海贫血每年在世界范围内共影响33.2万人怀孕或分娩。这两种疾病都涉及β珠蛋白编码基因发生突变。在β-地中海贫血中，突变阻止红细胞产生足够多的携氧血红蛋白分子，从而导致贫血。在镰状细胞病中，突变导致血红蛋白改变形状，使得红细胞变形为僵硬的“镰刀”形状，从而阻塞血管。
这项新的研究使用了CRISPR-Cas9技术，特别是马萨诸塞大学医学院的Scot Wolfe博士领导的一个研究团队进行基因修饰过的Cas9蛋白，来优化基因编辑。在之前对人造血干/祖细胞的基因组进行编辑的尝试中，一旦将这些基因编辑的细胞植入骨髓中，基因编辑的效率、特异性和长期稳定性就会发生变化。这种新技术提高了基因编辑的靶向性和持久性。
Wolfe说，“对造血干细胞群体进行高效编辑---理想情况下接近100％---对在患者中实现持久的治疗效果至关重要。通过科学界多个实验室的贡献，朝着这一目标的进展一直在推进。我的研究团队与Bauer实验室合作，致力于提高CRISPR-Cas9技术的递送和进入细胞核效率，以便实现对整个造血干细胞群体的近乎彻底的治疗性编辑。”
Bauer团队使用这种策略进行高度针对性的基因编辑。之前在波士顿儿童医院的研究已表明，让一种名为BCL11A的基因失活允许红细胞即便在出生后也会继续产生胎儿形式的血红蛋白。胎儿血红蛋白不会产生镰刀形状，能够代替有缺陷的“成年”血红蛋白。最近，Bauer发现了一个更安全的靶标：BCL11A基因的增强子，仅在红细胞中有活性。
Bauer说，“通过使用我们开发的这种新型的非常有效的方法，我们能够在我们收集的几乎所有的造血干细胞中对BCL11A的增强子进行编辑，从而克服了对这些细胞进行基因编辑所面临的一些技术挑战。在我们的实验中，95%以上的增强子序列拷贝以我们期望的治疗方式发生改变。”
这种策略使得携带来自镰状细胞病患者的造血干细胞的小鼠能够产生具有足够的胎儿血红蛋白的红细胞，从而阻止红细胞产生镰刀形状。Bauer团队发现这些经过基因编辑的造血干细胞在移植到骨髓中后产生得到基因校正的红细胞。随后，当从这些小鼠中分离出造血干细胞并移植到其他小鼠中时，这些造血干细胞再次定植并且仍然携带治疗性的基因变化。
当将这一策略应用于来自β-地中海贫血患者的造血干细胞时，它恢复了构成血红蛋白的珠蛋白链的正常平衡。
为临床试验做准备
这些研究人员正在采取措施将他们开发的BCL11A增强子编辑策略应用于临床。他们正在开发一种临床级、规模化的细胞产品制造方案，并进行获得美国食品药品管理局（FDA）批准所必需的安全性研究。他们计划从美国心肺血液研究所的镰状细胞病治愈计划中寻求资金资助，以便在患者中开展临床试验。
达纳法伯癌症研究所/波士顿儿童医院癌症血液疾病中心已开始进行对镰状细胞病进行基因治疗的临床试验。该方法通过将患者的造血干细胞暴露在一种携带着指令的慢病毒中来抑制红细胞前体细胞中的BCL11A基因表达，从而增加胎儿血红蛋白的产生。
Bauer认为继续追求这种方法很重要。他说，“这些疾病是非常常见的遗传性疾病，特别是在世界上资源非常有限的地区。因此，我们需要一系列广泛的治疗选择，以便为尽可能多的患者提供治疗。”
波士顿儿童医院是生物技术公司蓝鸟生物（BlueBird Bio）的股权持有者，而且一些作者申请了与治疗性基因编辑相关的专利。
如果这种处于研究中的技术经证实是有益的，那么波士顿儿童医院可能会获得经济利益。与所有研究一样，波士顿儿童医院已采取并将继续采取一切必要措施，以确保研究对象的安全性，以及本研究所获得信息的有效性和完整性。
参考资料：
Yuxuan Wu et al. Highly efficient therapeutic gene editing of human hematopoietic stem cells. Nature Medicine, 2019, doi:10.1038/s41591-019-0401-y.