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CRISPR 基因編輯解釋:科學家如何切割和修復 DNA 以治療疾病

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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
圖片: Deposition authors: Nishimasu, H., Ishitani, R., Nureki, O.; Visualization author: Synpath · CC0 · Wikimedia Commons

重點

CRISPR-Cas9 是一種分子工具,讓科學家能在精確位置切割 DNA,並利用細胞自身的修復過程來禁用、糾正或重寫基因。該方法在 2023 年 12 月從實驗室技術發展成為經批准的藥物,當時美國監管機構批准了第一種基於 CRISPR 的鐮狀細胞病療法。

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CRISPR-Cas9 的工作原理是將 RNA 導向分子與 Cas9 酶配對。導向 RNA 被構建為與特定 DNA 序列相匹配,一旦在細胞內找到該序列,它會將 Cas9 引導到該位置,酶隨後切割 DNA 的兩條鏈,根據美國國家衛生研究院下的國家醫學科學研究所(NIGMS)所述。

切割本身不會修復任何東西。重要的是細胞如何修復斷裂。NIGMS 解釋說,研究人員可以讓細胞用隨機遺傳字母修補切口,這會禁用基因,或者他們可以提供一個模板,讓細胞用特定的新序列修復斷裂,這可以糾正或重寫基因。對切割發生位置和修復方式的控制正是使 CRISPR 成為靈活編輯工具的原因,研究人員原則上可以將其應用於基因組中的許多不同位置。

該工具的來源

CRISPR-Cas9 作為可編程編輯工具是由 Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna 開發的,他們在 2012 年發表了關鍵實驗,證明細菌免疫機制可以被重新編程,以在用戶選擇的位置切割 DNA,如麻省理工學院技術評論所述。這兩位科學家因這項發現獲得了 2020 年諾貝爾化學獎,諾貝爾委員會稱其為基因組編輯的「劃時代」方法。

從實驗室工具到經批准的藥物

該技術的首次臨床應用於 2023 年 12 月 8 日實現,當時美國食品和藥物管理局批准了由 Vertex Pharmaceuticals 和 CRISPR Therapeutics 開發的 Casgevy(exagamglogene autotemcel),作為首次為患者批准的基於 CRISPR/Cas9 的療法,根據美國食品和藥物管理局自身的公告。該機構批准 Casgevy 與第二種非 CRISPR 基因療法 Lyfgenia 同時使用,兩者都用於 12 歲及以上患者的鐮狀細胞病,且患者有反覆痛性危象的病史。

英國的藥品監管機構 MHRA 已在 2023 年 11 月 16 日批准 Casgevy,用於 12 歲及以上患者的鐮狀細胞病和輸血依賴型 β-地中海貧血,使英國成為首個批准基於 CRISPR 的藥物的國家,根據帝國理工學院所述,其 NHS 信託機構參與了該試驗的一部分。

治療的實際給藥方式

Casgevy 不是直接注射到體內。醫生首先收集患者自身的血液幹細胞,這些細胞被運送到製造地點,在那裡 CRISPR 編輯 BCL11A 基因附近的特定調控區域,將其關閉,以便細胞開始產生胎兒血紅蛋白,這是一種通常只在出生前產生的攜帶氧氣的蛋白質,美國食品和藥物管理局解釋道。在編輯後的細胞被輸注回體內之前,患者需要接受高劑量化療來清除骨髓中的空間,這是一個條件步驟,本身帶有風險,包括血細胞計數低和口腔潰瘍,根據美國食品和藥物管理局和 Biopharma Dive 的報告。

美國食品和藥物管理局對鐮狀細胞病試驗的評審發現,31 名可評估患者中的 29 人(即 93.5%)在治療後至少連續 12 個月內無嚴重痛性危象,根據該機構的批准公告。帝國理工學院報告了與英國批准相關的單獨數據,涵蓋兩種疾病:29 名鐮狀細胞病患者中的 28 名無嚴重疼痛,42 名 β-地中海貧血患者中的 39 名不再需要輸血,兩者均持續至少 12 個月。

Casgevy 批准里程碑
日期監管機構決定
2023 年 11 月 16 日英國 MHRA首次全球批准,用於鐮狀細胞病和 β-地中海貧血,12 歲及以上
2023 年 12 月 8 日美國 FDA首次美國批准,用於鐮狀細胞病,12 歲及以上

成本和可及性

根據 Biopharma Dive 的報告,Vertex 為 Casgevy 設定了美國建議零售價為 220 萬美元,該報告還報導稱該公司估計美國和歐洲約有 25,000 人可能符合該療法的資格。STAT News 指出,雖然編輯的設計目的是終身有效,但長期耐久性仍取決於仍在收集的多年隨訪數據。

這些批准代表了重要的醫學進步……反映了美國食品和藥物管理局促進安全有效治療開發的承諾。

— 美國食品和藥物管理局 Peter Marks 博士,在該機構 2023 年 12 月的批准公告中

因為編輯後的細胞來自患者自身的身體,不會被後代繼承,這種 CRISPR 使用被歸類為體細胞基因編輯,不同於生殖系編輯,後者會改變傳遞給子女的 DNA,仍然是該技術的一個獨立且更具爭議的領域。

常見問題

CRISPR 對 DNA 的實際作用是什麼?
它使用導向 RNA 將 Cas9 酶引導到特定 DNA 序列,在那裡 Cas9 切割兩條鏈;細胞自身的修復過程隨後由研究人員指導禁用或重寫目標基因,根據 NIGMS/NIH 所述。
有美國食品和藥物管理局批准的 CRISPR 治療嗎?
有的。美國食品和藥物管理局於 2023 年 12 月 8 日批准 Casgevy 用於 12 歲及以上患者的鐮狀細胞病,根據美國食品和藥物管理局的批准公告。英國 MHRA 已於 2023 年 11 月 16 日批准 Casgevy 用於鐮狀細胞病和 β-地中海貧血,根據帝國理工學院所述。
誰發明了 CRISPR 基因編輯?
Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna 在 2012 年展示了 CRISPR-Cas9 如何可以被重新編程為精確的基因編輯工具,他們因這項工作獲得了 2020 年諾貝爾化學獎,根據麻省理工學院技術評論所述。
Casgevy 的成本是多少?
根據 Biopharma Dive 的報告,Vertex Pharmaceuticals 為 Casgevy 設定了美國建議零售價為 220 萬美元。
CRISPR 編輯會傳遞給子女嗎?
經批准的療法 Casgevy 僅編輯患者自身的血液幹細胞(體細胞編輯),不會被後代繼承,這不同於生殖細胞或胚胎的生殖系編輯。

來源

  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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