医学分子生物学CRISPR基因编辑与疾病医疗的社会变革

李忠光 孙渝婷 史梦婷 杨 蓉 王 丹 梁 瑜 于秋霞 王泽帆 王 娟 任珂星 王李阳,3 周 鑫 MengMeng Xu William Isaacs Jianjie Ma 徐学红

1 陕西师范大学生命科学学院细胞遗传及发育生物学, 西安, 710119；2 Ohio State University School of Medicine, Columbus;3 BID Medical Center, Harvard Medical School, Boston; 4. Duke University Medical Center, Durham；5 Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD21287, USA

CRISPR/Cas(简称CRISPR)精密编辑技术是继诱导干细胞技术在生物医学领域中广泛应用后，有史以来人类最有希望的研究，该技术在健康医学、生物医学等领域均有广泛的应用前景。与干细胞及诱导干细胞技术相结合，可从理论上攻克目前基因分子医学基础研究领域的众多难题，进一步应用于医学临床，具有前所未有的医疗效果。虽然还有许多技术层面的问题有待探讨，应用层面的可行性研发以及可操作性需要详尽评估，但该技术将给人类攻克癌症、心血管疾病和其他疾病带来极大的希望。本文以CRISPR精密编辑技术理论研究和生物医学应用为基础，探究CRISPR基因精密编辑对改变器官移植社会需求和对社会经济、社会生活的重大影响。

1 CRISPR知识产权归属的重要社会影响

1.1 CRISPR的社会客观性

CRISPR是继同源整合基因编辑技术、锌指核酸酶(ZFN)和TALEN技术以来新出现的基因编辑技术[1]。该技术操作简单、省时且能够对单核苷酸序列进行基因精密编辑。但该技术的知识产权归属问题存在不小的争议。该技术将是医学分子生物学造福于社会标志性的技术，它的实施将有助于最终战胜威胁人类健康的重大疾病。发现发明者在科学史上也将留下重要的记录。

1.2 社会认可的知识产权时间优先和创新性优先的原则

由Jennifer Doudna领导的加利福尼亚大学研究团队和张峰领导的麻省理工学院Broad研究所团队分别于2013年底和2014年初提交了CRISPR/Cas的发明专利申请，不确切的知识产权保护范围使FDA陷入了困境。2012年， Doudna带领的团队报道，他们重组了CRISPR/Cas，可以在选择的位点切割DNA；而在2013年，张峰带领的研究小组报道，CRISPR/Cas可在活的真核细胞(包括人类细胞)中起作用[1- 2]。此后生物医学工作者对这个系统的不断优化，使其功能更为多样和精准，如基因的敲除、过表达以及修饰等功能均可特异并精准到一个碱基的遗传学修饰[2]。FDA根据确凿的时间优先和创新性优先的原则，最终判Broad研究所为知识产权归属单位，并得到公众和研究领域社团的认可。

2 社会期待该技术带来疾病治疗的变革

2.1 社会对该技术的期待源于它近年来的革命性突破

CRISPR对社会影响已经进入“由科研人员群体到社会群体”阶段的后期或末期，社会期盼政府给予更大的投资，使之早日应用于临床。近年来CRISPR精密编辑的革命性技术实际上是30年前发现相关基因特性研究的积累，没有这些积累也就不可能有该系统的建立，也就没有基因水平对疾病治疗实施 “单基因编码”精密编辑的巨大变革[3]。例如，镰刀形红细胞贫血症是血红蛋白中珠蛋白β基因的第6位密码子发生了点突变导致的疾病，突变使得原本编码的谷氨酸被缬氨酸所替代，使红细胞扭旋成镰刀形,导致红细胞变形性差、易破裂而溶血，甚至导致毛细血管被这些异常细胞堵塞引发的继发症状[4-5]。若使用CRISPR精密编辑技术对该基因的这一位点进行修正，该疾病就有可能彻底治愈。生殖细胞的这一定位点纠正性修饰，可在该家族的后代中永远消除该疾病的发病。成为现实的前提是必须清楚致病基因在基因组上的定位以及它们正常与突变之间的差异是否存在位点修饰、在哪些位点修饰、在个体发育的确定时空段进行修饰等[5]。因此，基因遗传学治疗的历史积累也是该技术真正应用于临床的必须条件。

2.2 社会允准的少量临床工作已在推进

2018年末，受病患群体支持的CRISPR已经在人类胚胎精密编辑的领域里走出了极具争议性的一步，世界首例CRISPR基因修饰胎儿降生在南方科技大学。科研人员将抗艾滋病的修饰基因以精密编辑的方式引入到胚胎，以期获得对艾滋病病毒有抵抗力的个体。暂且忽略该实验的科学伦理道德，该病例已经引起社会、科学家和相关管理机构的关注，是否能够实现“抗艾滋病”的预期目的，是否具有有效检测方法倍受社会关注。

3 精密编辑有望解决移植供体不足的重大问题

3.1 社会亟待解决器官移植的供体排斥问题

由于机体病变或衰老导致的肺、肾、心脏等器官衰竭，目前最有效的治疗方法是器官移植。然而，由于移植器官的来源极为有限, 以及器官供体与受体血型的匹配有极强的免疫排斥性，使器官供体供不应求。供体非常有限性和免疫排斥性是器官移植临床面临的两大问题。在此领域有极大潜力的哈佛大学，计划在猪身上实施CRISPR精密编辑技术，利用该技术多位点编辑的特点，修饰免疫排斥基因，将猪细胞中器官排斥相关基因全部修改为与人类一致的编码，使排斥现象完全消除，从而彻底解决器官的供应不足和免疫排斥的双重难题。

3.2 哈佛大学精密编辑干细胞计划彻底解决了供体排斥问题

美国哈佛大学和Genesis生物技术公司已实施了精密编辑猪干细胞计划，利用CRISPR在敲除猪基因组中62个拷贝的内源性逆转录病毒基因(PERV)后，人类细胞猪病毒侵染率下降到1/1000。在监测灵敏度范围内检测不到任何侵染的同时，计划对51种负责同源排斥的基因进行修饰，最终获得与人类机体无免疫排斥的多位点基因修饰猪[6-7]，从而证实了研究方案在细胞培养水平上的可行性。随后研究人员利用 CRISPR技术成功地使猪的原代细胞系中所有的 PERV 序列失活，利用体细胞核移植技术，培育出了猪的胚胎，将这些胚胎移植到代孕母猪体内培育出了PERV 序列全部失活的小猪。实验结果解除了猪源器官移植到人体的关键安全隐患，方案已得到了成功验证。虽然尚未最终达到去除免疫排斥的目的[8]，但一旦培育出对人体没有免疫识别的猪器官，就意味着患者对猪器官的免疫排斥不复存在。

4 精密编辑解决了药物耐受问题

4.1 药物耐受对患者的危害关乎社会稳定

世界各国对药物的研发都不遗余力，花费了大量的财力、物力和人力。然而，临床研究表明，由于持续用药导致人体和病原体对药物产生了抵抗，使原来研发的投资几近失效，也导致大量患者的生命无法挽回，使得政府必须再投资研发新药。大量资金的重复投入，已受到社会的极大关注。近几年CRISPR技术的突破，克耐药机理的研究成果为彻底解决这一难题带来了希望。

目前抗生素和抗癌药的耐受是医药领域亟待解决的重大问题。抗生素，抗癌药等很多药物在施用早期对疾病治疗是有效的，由于长期的使用或者其他原因使得用药剂量加大，甚至导致机体出现免疫耐受，使药物的疗效大大降低。原本治疗效果很好的药物失效或效果明显降低，不仅对患者有影响，在某些对社会有较大影响的重大疾病上的药物耐受，在一定程度上也影响社会的稳定。

4.2 CRISPR精密编辑攻克药物耐受筛选新技术

2013年，MIT团队利用CRISPR技术对人类全基因组进行筛选发现了增敏相关效应基因，对18080个基因设计了64751个独特序列，靶向全基因组CRISPR 敲除GeCKO文库，在人类细胞中能够进行正向和负向的筛选。他们首先利用 GeCKO 文库筛选出了对癌症和多能干细胞细胞活力起作用的关键基因，然后在一个黑素瘤模型中捕捉到肿瘤细胞在细胞增殖的过程中相关基因表达的改变，利用高通量筛选获得了维罗非尼(Vemurafenib)有耐药性敏感的关键基因，包括NF2，CUL3，TADA2B 和 TADA1等效应基因[8-10]。CRISPR药物耐受研究领域做出的关键性贡献，表明攻克耐药性的药物筛选的新时代已经来临。

5 CRISPR的社会前景与展望

德州大学Olson团队2018年8月首次在大型动物中以CRISPR大规模精密编辑肌肉萎缩症基因，目标器官功能恢复率可达92%，使该技术在治疗人类疾病上前进了一大步。2017年4月费城儿童医院(CHOP)的学者发文称发明了人造子宫系统，该系统在理论上使人类能够在体外培养着床后发育的胚胎，在体外培养了羊的胚胎，出生后到1岁，所有羊羔个体都非常健康，大脑和肺部均无异常。可以推测，体外子宫培养体系的完善将是最终全方位实现CRISPR基因精密编辑的时刻，多位点准确精密修改包括智能、体能、外在美感和内在善良的“完美证件照”般的优秀个体将是CRISPR基因精密编辑的终极体现。