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    专家看点
    诺奖尘埃落定,中国基因编辑的希望和未来在哪里?您感兴趣的答案都在这里!
    发布时间: 2020-10-12     来源: 药时代

    2020年10月7日,诺贝尔化学奖获奖名单揭晓。法国微生物学家、遗传学家和生物化学家Emmanuelle Charpentier教授和美国生物学家Jennifer Doudna教授因其在开发基因组编辑技术方面的杰出贡献而荣获殊荣。药时代发表了文章“股票大涨!今年的诺贝尔化学奖得主很年轻,既是杰出的科学家,也是成功的企业家!”,得到朋友们的关注。令很多中国朋友扼腕叹息的是,备受关注、被寄予厚望的张锋教授无缘诺奖,这引得业内广泛而热烈的讨论。

    为了探寻背后的“秘密”,更重要的是进一步了解基因编辑诺奖夺冠对中国新药研发的重要意义,药时代有幸采访了两位基因编辑领域的专家,他们是邦耀生物联合创始人、华东师范大学教授李大力博士和邦耀生物联合创始人、华东师范大学研究员吴宇轩博士。

    首先,让我们一睹两位儒雅帅气的青年才俊的学术背景。

    李大力教授,主攻基因编辑技术(CRISPR)的研发应用。多年来从事基因编辑工具开发及其在基因治疗中的应用研究。建立了基于Cas9的小鼠和大鼠基因编辑体系,5周左右即可获得基因修饰的大、小鼠,为基因治疗的体内验证提供了遗传疾病模型快速构建的方法;创新性地开发了全新的双碱基编辑器A&C-BEmax以及超高活性的HyCBEs等多种碱基编辑新工具,为碱基编辑工具的优化改造提供了新思路。新工具也扩大了碱基编辑在疾病治疗中的应用范围;针对β地中海贫血和血友病等遗传疾病开发了多种治疗新方法,证明了基因编辑用于疾病治疗的有效性和临床转化的可行性。近年来在国际知名生物学期刊Nature Biotechnology,Nucleic Acids Research,Nature Protocols和Embo Molecular Medicine等杂志上发表研究论文90余篇。

    吴宇轩研究员近年来在包括国际著名学术期刊Nature Medicine、Cell Stem Cell、Cell Research、Nature Genetics和Nature Biotechnology在内的多个杂志上发表相关研究论文10余篇,多项工作被国内外同行广泛认可和高度评价,主攻结合基因编辑技术(CRISPR)与造血干细胞移植治疗地中海贫血症及其他血液疾病。2006年本科毕业于武汉大学生命科学学院,2012年博士毕业于武汉大学细胞与发育生物学专业,随后加入中科院上海生化细胞所,历任博士后和副研究员,研究CRISPR介导的小鼠胚胎以及精原干细胞中的基因修复,在国际上首次证明了CRISPR可以在动物个体水平进行遗传疾病的修复和治疗。2015年,证明了单倍体干细胞可以作为CRISPR文库的载体,被注射到卵母细胞,直接高效率地产生相应基因被敲除的小鼠。2015-2018年,在哈佛医学院和波士顿儿童医院工作期间,开发了造血干细胞中基于CRISPR的基因治疗技术,通过高效激活胎儿血红蛋白基因的表达来治疗地中海贫血及镰刀状贫血疾病,文章发表于Nature Medicine,相关疗法已经进入了临床实验阶段。2018年入选华东师范大学 “紫江优秀青年学者”高层次人才引进项目,担任研究员,博士生导师。

    以下是两位专家对药时代提出的十多个问题的解答。

    药时代:2012年6月8日,Doudna和Charpentier向《科学》杂志提交了论文,2020年10月7日,两位教授摘取诺贝尔奖桂冠,仅仅3043天,也就是8年时间。您觉得比您预期的更早还是更晚呢?

    坦诚地讲,基因编辑技术获得诺贝尔奖的速度比我们预想的要快。这应该归功于基因编辑CRISPR-CAS9技术的重要性和影响力。该技术之前获得了包括有”诺贝尔奖风向标“之美誉的拉斯克奖,成为争夺诺奖呼声最高的一个选手。2012年,两位女教授投稿后,《科学》杂志仅用了二十天就接受了该文章。这篇文章首次报道了“the Cas9 endonuclease can be programmed with guide RNA engineered as a single transcript to cleave any double-stranded DNA sequence”,为CRISPR作为基因编辑工具的应用奠定了基础。此次梦想成真,是我们大家乐见其成的。很多文章都盛赞这两位年轻的女教授获奖是实至名归。

    药时代:几乎每一年诺贝尔奖揭晓后,都有质疑声、反对声,认为更多的科学家应该获奖。咱们以张锋教授为例,您觉得他今年应不应该获得诺贝尔奖?

    我们也深感遗憾,同时也无法说应不应该。以前我们就预测张锋教授不会获奖,为什么呢?

    我们的思维很简单。如果张教授获奖的话,立陶宛的科学家Virginijus Šikšnys、当时和张锋背靠背发《科学》杂志文章的他的导师George Church教授,都应该一起得奖,这样的话人数就远远超过诺贝尔奖三位获奖者这一上限,所以我们就是靠这个简单的推论认为张教授不会获奖。

    张教授的贡献巨大,获奖也是可以的。如果参照之前绿色荧光蛋白(GFP)的发现的话,2008年,诺奖发给两个比较原创的科学家,即美国生物学家马丁·沙尔菲、日本有机化学家兼海洋生物学家下村修,然后再发给一位把它的应用推广到极致的科学家,就是大名鼎鼎的美国生物化学家、美国国家科学院院士、美国国家医学院院士、美国艺术与科学院院士、加州大学圣迭戈生物化学及化学系教授钱永健博士。张锋教授是把CRISPR应用推广到极致的科学家,获奖也是完全可以的,但是诺贝尔奖评委会肯定是考虑到人数问题,如果发给张教授的话,可能会有其它埋怨不公平的声音。很多重大的科学发现真的不止是三个人做出来的。

    药时代:您觉得基因编辑获得诺贝尔化学奖会对全球新药研发产生什么样的影响呢?

    我们认为可能在三个方面产生影响。

    首先,作为一个筛选药物新靶点的工具,基因编辑和新药研发中的基础研究的关系非常密切,比如说靶点发现,自从CRISPR基因编辑技术出现以后,基于CRISPR文库的高通量的筛选,包括抗癌的新靶点以及对药物具有敏感性的新靶点被发现的速度都进一步加快了。

    第二点,借助CRISPR,科学家们可以更容易得到细胞模型、动物模型,无论是小鼠模型,还是非人灵长类动物模型,比以前快捷高效很多。这是非常大的进步,其速度、效率都是十几、二十几年前无法想象的。这些都是CRISPR基因编辑技术带给我们的。这样一来,动物模型的建立速度就会加快很多,可以帮助我们更好地进行药物实验,同时也有更多的动物模型供我们尝试。

    虽然物种间转化问题肯定还是存在的,但是以前拿小鼠研究生物学功能、人体基因的时候,我们已经获得了很多信息,我们现在又往前跨越了一步,通过基因编辑我们可以很快速地获得非人灵长类动物模型,与人其实已经是非常接近了,尤其是基因系统的疾病、认知方面的科学研究。以前用小动物是没有办法做到的,现在新的时代已经开启了,这些模型肯定与人类越来越接近了,可以帮助科学家发现更多的宝贝。虽然还是有差距,这个模型几乎是很难被超越了。

    第三点就是我们现在研究的遗传疾病。这些疾病很多都是无法用传统药物来治疗的。比方邦耀现在研究的地中海贫血,还有在美国和欧洲都比较广泛的镰刀状贫血病。它是单基因遗传病,致病机理很清楚,就是由一个单个的β珠蛋白基因突变所引起的疾病,但是一直没有很有效的药物。自从基因编辑技术出现之后,我们就可以通过基因编辑的方式直接修饰和编辑人的造血干细胞,然后把造血干细胞再移植回去,就可以纠正血液疾病。所以推广而言,很多疾病,包括血液疾病、神经系统的疾病、肝脏疾病,如果是基因突变所导致的话,理论上来说将来都有可能用类似的方法来进行彻底的治愈,这可以说是一个非常大的进步。

    药时代:基因编辑技术发展到什么阶段了呢?目前的第三代CRISPR-CAS9技术未来的发展趋势或突破方向是什么呢?

    目前基因编辑技术已经由从最开始的操纵基因组的基因逐步发展到操纵基因表达(如CRISPRa或CRISPRi),操纵单碱基(如base editor),操纵RNA(如Cas13),甚至现在已经出现了不依赖于CRISPR系统的RNA编辑器(如基于ADAR的RNA编辑系统)。从技术发展来看,CRISPR-Cas9属于第三代基因编辑技术,但也存在一定的问题,其中最关键的在于该系统会出现脱靶效应,现在通过改进,可以大幅降低脱靶效应。
    同时近几年来还发现了一些新的系统,除了最开始的Cas9,后面又找到了Cas家族的其它一系列核酸酶,如 Cas12 ,机理上有一定不同,但还是用以切割 DNA;还有 Cas13, 可以用于切割 RNA。它的整体发展趋势仍然在于:(1)更进一步优化以降低其脱靶效应;(2)以更安全的方式将其应用至与人类生活相关的领域(如植物育种和基因治疗);(3)开发更新的系统,如开发可以高效、定点整合大片段DNA的基因编辑工具,结合如重组酶或转座酶等其它酶系统,丰富基因编辑在定点整合片段领域的应用。

    药时代:我们首先聚焦罕见病。据报道罕见病有大概7000种,目前有的药物只有大约400个,中国也推出了罕见病目录。请问基因编辑在罕见病治疗方面的用武之地到底有多大?

    目前全球已知罕见病超过7000种,80%以上与基因突变直接相关,其中95%的病种都没有有效的治疗方案,严重影响患者健康和生命,给家庭带来沉重负担。基因治疗是遗传疾病治疗的希望,但是传统的基因治疗方法无法在基因组中定点整合实现突变基因的修复或者外源正常基因的稳定表达。

    由于基因治疗的特殊性,需要在动物体内评价治疗效果,离不开适合的疾病动物模型。我们为此开展了一系列研究。首先利用Cas9体系快速构建多种模拟人类遗传疾病致病突变的小鼠模型,继而采用基因编辑方法,通过病毒导入Cas9/sgRNA和重组修复模板,在活体小鼠中实现原位修复基因突变,治愈血友病以及包括I型酪氨酸血症和苯丙酮尿症等多种肝脏代谢性遗传疾病。利用腺苷脱氨酶与Cas9蛋白结合而成的ABE系统,高效精确的构建了多种遗传疾病动物模型,同时对这一系统进行了优化与改造,通过提高编辑效率,拓展编辑窗口,高效改造原有工具无法编辑的位点,为疾病治疗提供了新的工具。

    基因编辑技术不但能够快速构建遗传疾病模型,验证致病突变,而且通过定点整合可以安全、稳定表达功能基因,有望实现一次治疗终身治愈的疗效。

    药时代:肿瘤现在是热门领域,制药企业、生物技术公司纷纷涌向了该领域。您觉得基因编辑技术在肿瘤药物开发方面也会有非常大的推动作用吧?

    可以从几个方面分享一下。

    第一个,正如我们前面介绍的,利用CRISPR的高通量筛选,科学家们在更广谱的范围内筛选新的对肿瘤起作用的,或者杀死肿瘤的新靶点,同时还可以针对个体来源的细胞进行个体化的筛选,比方说有些病人对一个药物可能是不敏感的,通过全基因组的筛选,科学家们可以很容易地知道患者之所以不敏感是由于哪个基因或者哪些基因发生突变所导致的,这样就更有选择性地筛选新的结合在一起治疗的靶向药物。

    第二个,就是和肿瘤免疫相结合。用基因编辑来进行改造,比如说对T细胞进行改造,可以增强它的肿瘤浸润能力,增强它对癌细胞的杀伤能力,在这方面潜力是很大的。以我们目前对于肿瘤免疫的理解,我们相信肯定还有很多像PD1、PD-L1的新靶点等待我们去发现。我们也可以在T细胞中利用CRISPR文库的方法来筛选这样的靶点。一旦筛选到了,比方说某个基因被编辑以后可以提高它的抗肿瘤作用,这样的话就可以直接把人的T细胞取出来,编辑了以后再回输,从而增强T细胞对肿瘤的杀伤作用。

    还有一点,就像邦耀现在做的非病毒CART和通用型CART技术。传统的CART是通过病毒转基因的方法来进行治疗,我们现在可以用基因编辑的方法,第一是不用病毒,第二个是在整合外源的基因的同时,还可以敲除目的基因,可以说是一箭双雕。通用型CART也是将CRISPR/Cas9基因编辑系统与CART技术紧密结合,利用前者高效精确的基因编辑功能,可以使CART细胞治疗技术真正能够成为off-the-shelf、价格适中、能够惠及大众的治疗方式。

    药时代:在CNS方面,比如说阿尔兹海默症、帕金森症,基因编辑是不是也能起到作用呢?基因编辑治疗心血管疾病、糖尿病、脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎等慢病,有可能吗?

    神经系统疾病方面,有一些已知特定位点的遗传疾病,在理论上可以用基因编辑的方法来治疗。还有一些像阿尔兹海默症的疾病,目前有一些研究通过编辑特定的位点让一些细胞转分化为神经元。这样的方法目前已经有一些,但是可能还处于比较早期的阶段。如果要走向临床的话,还需要更多的时间。但是潜力也是非常大的,也是有很大的想象空间的。
    心血管疾病领域其实也是有一些基因编辑方面的研究,针对一些特定的和高血脂相关的位点,如果在肝脏里面把肝细胞进行基因编辑的话,可以比较有效地帮助降低病人的血脂的。脂肪肝,目前我们还没有看到过这方面的报道。

    药时代:站在全球的角度,如果对基因编辑在新药研发中的应用做一个SWOT分析,您觉得它的强项在哪里?短板在哪里?机会在哪里?面临的挑战又在哪里呢?

    强项:基因编辑技术的诞生大大提高了人们对基因序列的改造能力,无论速度还是效率方面,可以说都已经达到了我们人类科学在基因操作层面所能达到的新的高峰。我们人体的大部分生理过程,追其根本,都可以说是由基因决定的。所以理论上来说,操作基因其实就是操控我们大多数的生理过程和疾病发生。

    短板:目前来说,该技术已经达到了我们所能达到的最高的效率,但是对于很多组织、器官或者疾病来说,效率还不够高。基因编辑工具本身不错了,但是我们把它导入到体内的方式还是比较有限的。目前只有通过腺相关病毒、纳米颗粒的方式进行,但是因为各种限制,比方免疫原性、导入效率以及其它一些毒性限制,都不是那么完美。造血干细胞能够第一个上临床,也就是因为它可以在体外进行编辑,然后再进行移植。相信将来如果导入方法,特别是纳米颗粒的导入,能进一步提高的话,想象空间就更大了。比如神经疾病、肝脏疾病、代谢疾病,我们可能很难用一个药物,通过给药的方式来给患者进行治疗,但基因编辑可以发挥威力。

    挑战:我们短时间内尚看不到可以代替CRISPR系统的工具,因为科学是有一定规律的,人类的科学文明很难以如此快的速度来更新迭代,保守一点说,至少在十几年时间内,我们觉得很难有更新的技术出现,至少不会是大的改进,因为CRISPR系统不管从精确性还有效率来说,已经很好了。如果再出现新的技术,我们想也仍然是酶,或者说是蛋白质的形式,在导入方面也要面临同样的困难。CRISPR现在主要面临的不是本身效率的问题,而是导入效率,所以在导入方法上进行发展才是更为重要的,我们认为并不是酶本身。假使再出现一个新的效率更高的酶,如果导入方式还像现在这样,很多问题仍然没法解决。

    药时代:中国在基因编辑领域,尤其是CRISPR-CAS9,目前水平怎么样?跟欧美之间的差距到底有多大呢?

    在通过基因编辑构建大小鼠基因敲除和疾病模型,通过基因编辑治疗遗传性血液病,基因编辑和T细胞结合进行肿瘤免疫治疗,单碱基编辑工具的开发和改进,非人灵长类动物的基因编辑,基因编辑在农业领域的应用等方面,中国都有自己独特的优势。

    raybet的群中国与欧美等国家之间的差距,我们需要具体分析。灵长类动物的基因编辑方面,中国现在是领先的,因为国外做灵长类动物有很多的伦理问题,遇到很大的阻力。如果从原创性的基因编辑的开发来看,我们现在可能离并跑还有一些差距,因为很多原创性的概念还是欧美的科学家率先提出的,但是差距已经在不断缩小。
    总的来说,中国在基因编辑工具开发的原创程度要差一点,但是在个别方面中国至少是可以做到并跑的。例如基因治疗领域,邦耀现在聚焦的血红蛋白疾病,还有眼科相关疾病的基因治疗方面,我们认为中国和美国的差距并不大。

    药时代:您觉得接下来中国在基因编辑领域应该怎样进一步发展呢?

    首先我们觉得在基础研究方面肯定是不能落后的,我们一定得加大对于最根本的科学问题的探索。CRIPSR是研究细菌免疫的人发现的,和基因编辑其实没有一点关系的,所以有时候非常有应用前景的东西诞生于初看起来完全没有用的东西。

    第一点,一定要抓紧基础研究。

    第二点就是在临床转化方面,首先是要谨慎,之后在谨慎的基础上要加快步伐,尽快把它应用在多种的疾病方面,真正让临床来考验它的效果好。
    第三是伦理问题,大家也讨论的比较多。一定得像之前一样抓紧管控胚胎层面的基因编辑或者是其他的基因操作,绝对不能允许胚胎层面的基因编辑。
    科学研究方面我们认为国家的支持力度是比较大的。这两年不管是自然基金委的项目还是科技部的项目,在基因编辑方面的支持力度相对于其它的都是很不错的。在临床转化方面,我们目前没有看到什么。

    药时代:作为中国基因编辑、基因治疗领域的一支主要力量,邦耀生物在CRISPR-CAS9方面的优势、规划是什么呢?

    邦耀生物在CRISPR-CAS9方面一直十分重视工具的开发及应用。

    邦耀生物自成立以来,一直聚焦于基因编辑和基因治疗领域,经过几年发展,基于基因编辑和基因治疗的技术正在不断取得各种突破并逐步走向成熟。近一年来,邦耀生物科学家团队作为参与单位已在国际著名学术期刊Nature Biotechnology、Nature Medicine、Nature Cell Biology、Cell Research等发表多篇学术论文,特别是在单碱基编辑工具开发领域的相继突破,为基础研究和遗传性疾病如β-地中海贫血的治疗提供了新的发展方向和工具。

    目前邦耀已自主研发并成功搭建起基因治疗技术转化平台,并且在基因编辑和基因治疗领域已经递交50余项全球及中国专利申请。其中,基因治疗β-地中海贫血的产品管线,可以有效缓解地贫症状,是一种更为高效、便捷、安全且成本大幅度降低的治疗手段,并有望实现“一次治疗终身治愈”的疗效。在目前已经开展的多例临床试验中,已有2位患者摆脱输血依赖,治愈出院。

    值得一提的是,除了重点布局在基因治疗遗传疾病,邦耀也正在积极拓展基因编辑在癌症领域的应用。2020年9月,邦耀生物的PD1敲除非病毒定点整合CART治疗淋巴瘤取得突破性成果,该产品可以在不使用病毒载体的情况下,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术将CAR元件定点插入到基因组的特定位点,一步实现基因敲除和CAR的稳定整合,在目前已经开展的多例临床试验中,该产品体现了出色的安全性和有效性。

    除了不断拓展基因编辑技术在遗传疾病及癌症的应用,邦耀生物也在不断去探索优化基因编辑技术工具,并且已经产生多项具有自主知识产权的专利技术。

    药时代:如果明年药时代或者我们一起合作,举办一场基因编辑的高峰论坛,您觉得必要性和重要性有多大呢?

    必要性和重要性肯定都是有的。如果能把基因编辑领域的各位专家都能聚在一起,大家能交流讨论一下的话,肯定是一件很好的事情。希望有机会合作。
    补充一点。希望我们能够和各种慈善基金会联合起来,共同投身于基因编辑治疗罕见病这一伟大事业。治疗罕见病的项目,因为病人的数量太少,如果只靠少数的企业、科学家来做的话,难度是很大的,我们必须集结社会的力量,大家一起推动这项能使整个社会都受益的事业。比如在美国,像镰刀状贫血、地中海贫血这样的疾病,美国血液学学会多年来一直都在联合各大慈善基金和私人募捐,确保科研机构或者企业有足够的资金开展研发。有了这种合作模式,从基础研究到临床转化的推进速度就会大大加快。