重大突破：魔剪CRISPR可任意“编辑”非分裂细胞，人类终于开始向癌症等不可治愈疾病发起总攻
2016/11/18 走进科学
走进科学编者按
“魔剪”CRISPR在科研圈似乎一直没有“安静”过。这几日，你是不是又被Nature报道的“中国进行全球首个CRISPR技术人体应用，治疗肺癌”的消息刷屏了？11月16日，Nature又放出了CRISPR的一个“大消息”。科学家们首次证实，CRIPSR技术能够将DNA插入到非分裂细胞(non-dividing cells)的靶向位置。这究竟有何意义呢？
From left: Jun Wu, Reyna Hernandez-Benitez, Keiichiro Suzuki and Juan Carlos Izpisua Belmonte
11 月16日，发表在Nature上的一项研究中(题目：In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration)，Salk研究所的科学家们发现基因编辑神器CRISPR的又一“魔力”。研究人员首次证实，基于CRIPSR的技术能够将DNA插入到非分裂细胞(non-dividing cells)的靶向位置。此外，研究还证实，这一技术能够部分恢复盲鼠的视觉反应。
论文的通讯作者Juan Carlos Izpisua Belmonte教授说：“我们感到非常兴奋，因为这是之前不能做到的事情。我们首次进入了不能分裂的细胞中，且能任意修改DNA。这一发现可能的应用价值是非常巨大的。”
迄今为止，括CRISPR-Cas9系统在内的DNA编辑技术一直在分裂细胞中最有效，如皮肤或肠道中的细胞。Salk研究所发明的这一新技术(简称Salk技术)插入新DNA到分裂细胞中的有效率是其它技术的10倍。这将使这一新技术成为研究和医学领域非常有前景的工具。但更重要的是，Salk技术首次使科学家们成功将新基因插入到了不再分裂的成熟细胞的精准DNA位置。
这些不再分裂的细胞包括眼睛、大脑、胰腺或心脏细胞等。
这项突破为这些细胞的治疗应用提供了新的可能。
1如何实现的？
为了获得这一结果，科学家们靶向了称为非同源性末端接合(non-homologous end-joining，NHEJ)的DNA修复细胞通路。这一通路的作用是修复常规的DNA断裂。他们将这一过程与已有的基因编辑技术CRISPR相结合，成功地将新的DNA插入到了非分裂细胞的精准位置。
论文的共同第一作者Keiichiro Suzuki说：“利用这一NHEJ通路插入新的DNA是基因组编辑领域一项革命性的成果。先前没有人这样做过。”
具体来说，首先，研究小组着手优化NHEJ机制，以便与CRISPR-Cas9系统一起使用。他们创建了一个由核酸鸡尾酒组成的定制插入包(insertion package)，并称其为同源非依赖性靶向插入(homology-independent targeted integration，HITI)。随后，他们利用一种惰性病毒呈递HITI的遗传指令包到神经元中。
论文的共同第一作者Jun Wu说：“这是HITI可能在非分裂细胞中发挥作用的首个迹象。”紧接着，研究小组又成功呈递了这一结构到成年小鼠的大脑中。
Pictured is a part of the adult mouse brain. Cell nuclei are blue and genome-edited neurons are green.
2能否发挥治疗作用？
最后，为了探索HITI用于基因替代疗法的可能性，研究小组在色素性视网膜炎大鼠模型中测试了这一技术。这是一种遗传性视网膜退化疾病，能够导致人类失明。科学家们利用HITI将Mertk基因的功能性拷贝递送到3周龄大鼠的眼睛中。Mertk基因是患色素性视网膜炎时损伤的基因之一。
研究人员在大鼠8周龄时开始分析这一基因编辑过程的作用。结果发现，实验动物能够对光作出响应。通过一些测试表明，大鼠的视网膜细胞正在痊愈。
该研究的共同第一作者Reyna Hernandez-Benitez说：“结果证实，我们能够改善这些盲鼠的视力。这些初期的成果表明了这一技术的前景。”
3前景&计划
Izpisua Belmonte说：“现在，我们拥有了能够修改非分裂细胞中DNA的技术，使得我们能够修复大脑、心脏和肝脏中‘坏掉’的基因。这或许能够帮助治愈一些我们从前束手无策的疾病。”
研究小组的下一步计划是改善HITI的呈递效率。HITI技术的“魅力”所在是，它不只是适用于CRISPR-Cas9，而是适用于任何靶向基因组工程系统。因此，随着这些系统安全性和有效性的提高，HITI的效果也会随之改变。
4编辑圈点
小编关注“魔剪”相关的研究已有两年之久。这期间见证了大量让人兴奋的成果。除了这一研究，上周同样发表在Nature上的一项研究中，斯坦福大学的研究团队利用CRISPR技术，在人体干细胞中成功修复了造成镰状细胞贫血病的基因，向治疗遗传疾病又迈了一步。
此外，近几日刷屏的报道称，上个月，华西医院基于CIRSPR技术治疗肺癌的临床试验已正式启动。10月28日，首名患者接受了这些经CRISPR技术改造的T细胞的治疗。研究负责人卢铀教授在接受Nature采访时表示，这次治疗进展得很顺利，患者即将接受第二次注射。接下来，参与试验的患者将受到密切的监护。我们期待CRISPR技术能够真正用于治疗人类疾病。
参考资料：
New gene-editing technology partially restores vision in blind animals
Salk researchers have discovered, for the first time, how to place DNA in specific locations in non-dividing cells
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Nature：中国进行全球首个CRISPR技术人体应用，治疗肺癌
今年7月， 《自然》杂志曾报道 成都的四川大学华西医院有望率先将CRISPR基因编辑技术应用到人体。 今日，《自然》杂志进行了后续报道，并确认全球首个CRISPR技术的人体应用已在中国启动。
CRISPR基因编辑技术是近年生物技术领域的热点。在科研领域，它已展现了巨大的潜力，并帮助科学家们建立了一个个不同的疾病模型，让我们了解特定基因的重要性。自然而然，科研人员下一步关注的，就是能否将这一革命性的技术应用于人体。
▲ 在 Carl June教授的推动下，美国批准CRISPR技术用于人体基因编辑(图片来源：MIT Technology Review)
今年6月，NIH下属的重组DNA咨询委员会分析了CRISPR技术的潜力、安全性、以及潜在的伦理问题后， 一致批准它应用于人体 。这意味着美国正式批准CRISPR技术用于人体基因编辑。而正当许多人看好美国将首次把这项技术应用于人体之际，四川大学华西医院宣布已于7月初通过了长达半年的伦理审批，有望在8月正式开展人体试验。这比宾州大学以及Editas公司预期在今年年底或明年年初进行的临床试验要来得更早。
今日《自然》杂志的报道则证实华西医院的卢铀教授团队已开启了 全球首个CRISPR技术的人体应用。这项临床试验的招募对象是患有非小细胞肺癌，且癌症已经发生扩散，化疗、放疗及其他治疗手段均已无效的患者。按计划，卢铀教授的团队从招募的患者体内分离出T细胞，并利用CRISPR技术对这些细胞进行基因编辑，敲除这些细胞中抑制免疫功能的 PD-1 基因，并在体外进行细胞扩增。当细胞达到一定量后，卢铀教授的团队将它们输回患者体内，并希望它们能对肿瘤进行杀伤。
▲ 本项目的负责人，华西医院卢铀教授(图片来源：华西医院)
根据今日的《自然》杂志报道，由于患者招募花去了一些时间，细胞培养耗时的时间也久于预期，外加十月是国庆长假，这项原定于8月开启的临床试验，在10月份才正式启动。 10月28日，首名患者接受了这些经CRISPR技术改造的T细胞的治疗。
卢铀教授在接受《自然》杂志采访时说这次治疗进展得很顺利，患者也即将接受第二次注射。考虑到患者的隐私，卢铀教授没有透露更多的治疗细节。接下来，研究团队计划治疗共10名患者，他们每人将接受2-4次注射。
与今年7月透露的信息一致， 本次临床试验的主要目的是检验这项疗法的安全性。这些参与试验的患者将得到长达半年的密切监护，以了解此项疗法是否能对这些“无药可治”的患者带来益处，又是否会产生严重的副作用。
▲ 帕勒莫大学的Antonio Russo教授对这一进展表示振奋(图片来源：oggisalute)
一些肿瘤学家对CRISPR技术进入到癌症治疗领域感到振奋。“这是一个非常令人兴奋的策略”，意大利帕勒莫大学的Antonio Russo教授对《自然》杂志说。在他看来，目前能抑制PD-1的抗体已经在肺癌中取得了很好的疗效。此次CRISPR技术的应用也有望取得积极结果。
与此同时，另一些科学家则保持了谨慎的乐观。同样是在《自然》杂志的采访中，哥伦比亚大学医学中心的Naiyer Rizvi教授表示和现有的抗体疗法相比，目前利用CRISPR技术敲除 PD-1 基因的方法可能会遇到T细胞扩增上的瓶颈，从而限制它的潜力。卢铀教授则表示目前还无法比较两者的优劣。
这段时间，我们听到了许多关于肺癌治疗的新进展：KEYTRUDA获得美国FDA批准，用于 一线治疗非小细胞肺癌 ；我国的创新 “海南模式” 也让这款重磅新药进入中国，造福中国患者；此外，美国FDA也批准了基因泰克的TECENTRIQ 用于转移性非小细胞肺癌的治疗 。这些好药新药获批的消息，都给中国乃至全球广大的肺癌患者带来了希望。随着生物技术的不断发展，我们期待能有更多创新疗法问世，让人类能够早日攻克癌症!
参考资料：
[1] CRISPR gene-editing tested in a person for the first time
[2] 一致通过!CRISPR获批用于人体基因编辑
[3] 重磅!中国科学家有望开展全球首个CRISPR人体试验，治疗肺癌
不管您能否看懂，请到本文末尾为中国科学家点个赞吧，在关乎全人类健康的世界科技最前沿， 他们正不断取得突破!
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