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CRISPR基因编辑解析:科学家如何切割和修复DNA来治疗疾病

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Streptococcus pyogenes Cas9 bound to sgRNA (purple) and target DNA (blue) duplex. The recognition lobe (orange) is essential for binding sgRNA and DNA and the nuclease lobe (red) hydrolyses the target DNA. PDB: 4OO8
图片: Deposition authors: Nishimasu, H., Ishitani, R., Nureki, O.; Visualization author: Synpath · CC0 · Wikimedia Commons

要点

CRISPR-Cas9是一种分子工具,能让科学家在精确位置切割DNA,并利用细胞自身的修复过程来禁用、纠正或改写基因。这项技术从实验室技术发展为经批准的医疗方式,时间是2023年12月,当时美国监管机构批准了首个基于CRISPR的镰状细胞病疗法。

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CRISPR-Cas9通过将RNA引导分子与Cas9酶配对来工作。引导RNA被设计用来匹配特定的DNA片段,一旦在细胞内发现该序列,它就会引导Cas9到达该位置,酶随之切割DNA的两条链。根据美国国家卫生研究院(NIH)下属的国家普通医学科学研究所(NIGMS)的说法。

切割本身不能修复任何东西。重要的是细胞如何修复断裂处。NIGMS解释说,研究人员可以让细胞用随机的遗传字母修补切口,从而禁用基因,或者他们可以提供一个模板,使细胞用特定的新序列修复断裂,从而纠正或改写该基因。对切割发生位置和修复方式的这种双重控制使CRISPR成为一个灵活的编辑工具,原则上研究人员可以将其导向基因组中的许多不同位置。

该工具的来源

作为可编程编辑工具的CRISPR-Cas9由Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna开发,他们在2012年发表了关键实验,展示了细菌免疫机制如何被重新编程以在用户选择的位置切割DNA,这在《麻省理工技术评论》中有所描述。这两位科学家因这一发现获得了2020年诺贝尔化学奖,诺贝尔委员会称这是基因组编辑的"划时代"方法。

从实验室工具到批准的医疗方式

该技术的首次临床成果出现在2023年12月8日,当时美国食品药品监督管理局(FDA)批准了由Vertex Pharmaceuticals和CRISPR Therapeutics开发的Casgevy(exagamglogene autotemcel),这是首个被批准用于患者的基于CRISPR/Cas9的疗法,根据FDA自己的公告。该机构同时批准了Casgevy和第二种名为Lyfgenia的非CRISPR基因疗法,两者都用于12岁及以上有反复发作疼痛危象病史的镰状细胞病患者。

英国药品监管机构MHRA已于2023年11月16日授权Casgevy用于12岁及以上患者的镰状细胞病和输血依赖性β地中海贫血,使英国成为首个批准CRISPR类药物的国家,根据帝国理工学院的报告(该校NHS信托运营了部分临床试验)。

治疗方法的实际给予方式

Casgevy不是直接注射到体内。医生首先收集患者自身的血液干细胞,这些细胞被运送到制造场所,其中CRISPR编辑BCL11A基因附近的特定调控区域,将其关闭,使细胞开始产生胎儿血红蛋白,一种通常仅在出生前才产生的携氧蛋白质,FDA解释道。在编辑的细胞被输回之前,患者接受大剂量化疗以清除骨髓中的空间,这是一个有自身风险的调理步骤,包括低血细胞计数和口腔溃疡,根据FDA和Biopharma Dive的报告。

FDA对镰状细胞病试验的评审发现,31名可评估患者中的29名,即93.5%,在治疗后至少连续12个月内没有出现严重疼痛危象,根据该机构的批准公告。帝国理工学院报告了与英国授权相关的单独数据,该授权涵盖两种疾病:29名镰状细胞病患者中的28名没有出现严重疼痛,42名β地中海贫血患者中的39名不再需要输血,两者都持续至少12个月。

Casgevy批准里程碑
日期监管机构决定
2023年11月16日英国MHRA首次全球授权,用于镰状细胞病和β地中海贫血,12岁及以上
2023年12月8日美国FDA首次美国批准,用于镰状细胞病,12岁及以上

成本和获取

根据Biopharma Dive的报告,Vertex将Casgevy在美国的标价设定为220万美元,该报告还指出公司估计美国和欧洲大约有25000人可能符合该疗法的条件。STAT News指出,虽然编辑设计用来终身有效,但长期耐久性仍然取决于仍在收集的多年随访数据。

这些批准代表了一项重要的医学进步…反映了FDA促进安全有效治疗方法开发的承诺。

— 美国FDA彼得·马克斯博士,出自该机构2023年12月批准公告

因为编辑的细胞来自患者自身的身体,不会被未来的世代继承,这种CRISPR使用被分类为体细胞基因编辑,与生殖系编辑不同,生殖系编辑会改变传递给儿童的DNA,仍然是该技术的一个独立且更具争议的领域。

常见问题

CRISPR实际上对DNA做什么?
它使用引导RNA将Cas9酶引导到特定的DNA序列,其中Cas9切割两条链;然后研究人员指导细胞自身的修复过程来禁用或改写目标基因,根据NIGMS/NIH。
是否存在FDA批准的CRISPR治疗方法?
是的。FDA在2023年12月8日批准了Casgevy用于12岁及以上患者的镰状细胞病,根据FDA的批准公告。英国MHRA已于2023年11月16日授权Casgevy用于镰状细胞病和β地中海贫血,根据帝国理工学院。
谁发明了CRISPR基因编辑?
Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna在2012年展示了CRISPR-Cas9如何可被重新编程为精确的基因编辑工具,这项工作使他们赢得了2020年诺贝尔化学奖,根据麻省理工技术评论。
Casgevy的费用是多少?
Vertex Pharmaceuticals将Casgevy在美国的标价设定为220万美元,根据Biopharma Dive。
CRISPR编辑是否会传递给儿童?
批准的疗法Casgevy仅编辑患者自身的血液干细胞(体细胞编辑),不会被后代继承,这与生殖细胞或胚胎的生殖系编辑不同。

来源

  1. NIGMS/NIH — What Is CRISPR?
  2. FDA — FDA Approves First Gene Therapies to Treat Patients with Sickle Cell Disease
  3. STAT News — In historic decision, FDA approves a CRISPR-based medicine for treatment of sickle cell disease
  4. MIT Technology Review — The Nobel Prize in chemistry has gone to the two women who pioneered CRISPR gene editing
  5. Biopharma Dive — CRISPR therapy for sickle cell approved by FDA in gene editing milestone
  6. Imperial College London — UK approves world-first gene-editing treatment for blood disorders

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