入选Nature年度十大人物,邓宏魁的基因编辑治疗艾滋病到底做了什么

入选Nature年度十大人物,邓宏魁的基因编辑治疗艾滋病到底做了什么

英国《自然》杂志网站18日凌晨公布了2019年度影响世界的十大科学人物。全球十名科学家因对地球生物多样性、快速射电暴、量子计算机等研究入选,其中,来自北京大学-清华大学生命科学联合中心的中国科学家邓宏魁入选该榜单。

自二十世纪八十年代以来,艾滋病造成了重大的公共卫生问题和社会问题。目前全世界有超过3700万人感染HIV病毒,据世界卫生组织估计我国有150万HIV感染者。Science:艾滋病在中国大学生群体中飙

1996年,艾滋病领域研究取得了里程碑式进展,HIV入侵T细胞的主要共受体CCR5蛋白被发现(邓宏魁教授是主要发现者之一)。

随后的研究发现,CCR5基因呈缺陷型(CCR5-Δ32)的人群不会被R5嗜性HIV病毒感染。2007年,一名同时患有白血病和艾滋病的“柏林病人”在接受具有CCR5-Δ32突变的造血干细胞移植后,血清中的HIV病毒得到有效清除,实现了艾滋病的“功能性治愈”,成为世界首个被治愈的艾滋病患者。

因此,通过基因编辑敲除成体造血干细胞上CCR5基因,再将编辑后的细胞移植到艾滋病患者体内有可能成为“功能性治愈”艾滋病的新策略

2019年9月11日,北京大学邓宏魁研究组、解放军总医院第五医学中心陈虎研究组、首都医科大学附属北京佑安医院吴昊研究组合作在《新英格兰医学杂志》(The New England Journal of Medicine)发表了题为:CRISPR-Edited Stem Cells in a Patient with HIV and Acute Lymphocytic Leukemia 的研究论文。

该临床试验,利用CRISPR基因编辑技术,在人成体造血干细胞上进行CCR5基因编辑,实现了经基因编辑后的成体造血干细胞在人体内长期稳定的造血系统重建。然后对一个患艾滋病急性淋巴细胞白血病的27岁男性进行治疗。治疗后病人的急性淋巴白血病达到形态上的完全缓解,病人的T细胞呈现一定程度上对HIV病毒的抵抗能力,且未发现脱靶效应和副作用。

这项基因编辑是在成体造血干细胞上进行的,因此并不会对其他组织器官及生殖系统产生影响。该工作初步证明了基因编辑的成体造血干细胞移植的可行性和在人体内的安全性,将会促进和推动基因编辑技术在临床应用领域的发展

入选Nature年度十大人物,邓宏魁的基因编辑治疗艾滋病到底做了什么

如何在造血干细胞中进行高效基因编辑一直是该领域实现临床应用的关键瓶颈。2017年,邓宏魁研究组建立了利用CRISPR/Cas9进行人造血干细胞基因编辑的技术体系。经过基因编辑后的人造血干细胞在动物模型中长期稳定地重建人的造血系统,其产生的外周血细胞具有抵御HIV感染的能力,该研究成果发表在Molecular Therapy 杂志。

为了实现该技术在临床上的应用,在此基础上进行了一系列的优化:

1)建立了能进行基因编辑造血干细胞的预处理培养方法;

2)通过非病毒转染的方式将Cas9-gRNA核糖核蛋白复合体递送进细胞,规避了外源DNA的引入;

3)缩短了Cas9在细胞内的持续时间,从而极大的降低了脱靶效应;

4)引入了配对的gRNA策略,并对使用的gRNA进行了截短及修饰,在提高基因编辑效率的同时也降低脱靶效率。

基于此优化技术体系,在通过原解放军第307医院伦理委员会审批后,该研究组进行了ClinicalTrials.gov网站上临床研究注册(NCT03164135)。

入选Nature年度十大人物,邓宏魁的基因编辑治疗艾滋病到底做了什么

该临床试验的病人是一位27对男性,他在2016年5月14日和5月30日分别诊断患有艾滋病急性淋巴细胞白血病(T细胞型)。随后立即接受抗逆转录病毒治疗,1年后HIV感染得到控制,在血清中检测不到病毒RNA。病人接受6个疗程标准的化疗治疗后,其形态上达到完全缓解。供体细胞来自中华骨髓供体库的一名33岁男性,其HLA配型完全匹配,CCR5基因没有突变。

2017年7月9日,病人在清髓后,接受异体干细胞移植。干细胞移植的细胞由两部分组成:动员后外周血单核细胞分离出CD34+HSPCs,接受CRISPR编辑CCR5基因;剩下的单核细胞。病人同时接受抗逆转录病毒治疗、移植物抗宿主病预防用药。

移植治疗后,13天和27天分别出现中性粒细胞和血小板重建;淋巴细胞和T细胞亚群增加,CD4细胞在6个月时恢复到正常范围并稳定;3个月时,血小板出现短暂减少,随后自行恢复到正常范围并稳定;4周后,实现了完全的供体嵌合,并维持到了19个月。移植后4周,病人的急性淋巴白血病达到形态上的完全缓解,并维持到随访的19个月。

研究组将CCR5敲除后的供者来源的CD34+成体造血干细胞回输到患有白血病合并艾滋病的患者体内,进行了长达两年的移植重建及基因编辑效果的评价

研究结果发现:

1)在供者来源的CD34+细胞上实现了17.8%的CCR5基因敲除效率;

2)移植后4周,患者白血病处于完全缓解状态,供者型骨髓细胞嵌合率达100%;3)经过长达19个月的随访发现,患者白血病处于持续完全缓解状态,供者型细胞完全嵌合,骨髓细胞中能够持续检测到CCR5基因编辑;

4)为了初步探索治疗的有效性,对该患者短暂停止服用抗HIV病毒药物。在短暂停药期间,CCR5基因编辑的T细胞表现出一定程度抵御HIV感染的能力;

5)19个月的观察中并未发现基因编辑造成的脱靶及其他副作用。

这些结果表明,基于CRISPR的成体造血干细胞基因编辑技术能够在患者体内实现长期稳定的基因编辑效果,经过编辑后的成体造血干细胞能够长期重建人的造血系统

在成体造血干细胞上的基因编辑只局限在造血干细胞及其分化产生的血细胞中,而不会对其他组织器官及生殖系统产生影响。以CRISPR为代表的基因编辑技术在疾病的治疗上具有极大的应用潜力,有望为艾滋病镰刀型贫血血友病β地中海贫血等血液系统相关疾病的治疗带来新的曙光。

本研究针对基因编辑安全性和有效性进行了一系列的优化,首次在人体内探索了基因编辑的造血干细胞移植的可行性和安全性,对于推动基因编辑技术治疗多种疾病的临床研究具有重要参考价值。在今后的研究中,进一步提高基因编辑效率及优化移植方案,有望加速基因编辑造血干细胞移植技术向临床疾病治疗转化进程。

该研究的共同通讯作者陈虎教授是中国造血干细胞领域的优秀人物,在此研究中起到关键的作用,不幸的是陈虎教授在此论文修订期间英年早逝。

陈虎教授(1962-2019),全军造血干细胞移植中心主任、全军造血干细胞研究所所长、血液病专业委员会副主任,曾牵头的“成体干细胞救治放射损伤新技术的建立与应用”获得国家科技进步一等奖。

论文链接:https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa1817426?query=featured_home

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