囊肿性纤维化 ( Cystic Fibrosis, CF ) 是一种基因遗传疾病，在美国有将近 30,000 人深受此病影响，且每年逐年增加将近 1,000 个新案例，在西方高加索人种中也是常见的体染色体隐性遗传疾病，病征为呼吸道和消化道系统等外分泌腺体器官功能逐渐衰退。造成 CF 的原因为位在7号染色体上的 CFTR ( cystic fibrosis transmembrane conductance regulator ) 基因有缺陷。带因者因为还有一条正常的染色体，所以不会发病；而患有CF的病人因为双亲皆属于疾病带因者 ( carriers )，又刚好将各自有基因缺陷的那条染色体遗传给子代，使病人拥有两条基因缺陷的染色体造成发病。
CFTR 蛋白属于 ATB binding cassette ( ABC ) transporter superfamily，是一种氯离子通道，可以维持盐和水的平衡。而功能失调的 CFTR 蛋白会导致脱水和产生浓稠的黏液阻塞在肺和胰脏中，导致患者生活品质 ( QoL ) 和预期寿命 ( LE ) 显著降低。在经过对基因机转理解的进步和多方面研发的努力，目前已有许多药物，可改善患者生活品质和预期寿命。此外，治疗 CF 的基因疗法目前尚处于临床前研究阶段。
当前的 COVID-19 大流行增加了新的不确定因素和干扰，使得原本就有呼吸道疾病的 CF 病患在感染 SARS-CoV-2 后，提高产生严重并发症的机率。因此，美国疾病控制与预防中心 ( CDC ) 建议采取较严格的预防措施，包括旅游限制、自我隔离措施和远距医疗检查等。
早年的历史
在1930年代之前，囊肿性纤维化未被认为是一种单一疾病。然而，追溯到17世纪的报告中描述一位小孩有“出汗的眉毛”的案例存在。在现今诊断中，检验汗液中的氯离子含量是公认的 Biomarker 之一，在较早的报导中也有提及婴儿和小孩有胰脏囊肿和慢性肺疾病的症状出现。
在1938年，Dorothy Andersen博士发表了一篇具开创性的论文，”患有囊肿性纤维化的胰脏和乳糜泻之间的关联性 : 临床和病理的研究”，内文中阐述了患病儿童胰脏所产生的巨大变化。此外，她确定了CF是一种体染色体隐性遗传疾病。之后在 1945 年，Sidney Farber 博士创造了 “黏液黏稠病 mucoviscidosis” 一词，并将对CF的理解扩展到黏液产生异常。
在接下来的 40 年中，并没有发现任何 CF 因子 ( CF-factor ) 的潜在分子机转。然而， 随着新的抗生素出现，其他的治疗选项也随之产生。此外，营养摄取的变化像是饮食中有多种类型的胰酶补充再搭配严谨的物理治疗也有助于改善病人的预后，例如能够延长儿童的预期寿命。另外，在许多国家的新生儿筛检项目中皆纳入此疾病，以期早期发现 CF。
致病基因的发现
在1980年代，因为从新生儿身上发现跨上皮细胞的电解质转运功能出现异常，使得研究人员将问题范围缩小到汗腺的氯离子分泌异常。遗传学领域的进步促使在 1989 年能够透过基因与表现型的资料整合找出 CTFR 基因与 CF 具有高度关联性，后续又陆续发现 1,000 个以上的基因突变。其中最常见的突变为 F508del ( 88% )，会造成蛋白质错误折叠，进而失去原本载体蛋白运输的功能。其他发现到的基因突变会使离子通道闸门的效率降低。例如，错义突变 ( nonsense mutation；突变的 mRNA 经转译后得到较短的蛋白质产物 ) 减少细胞表面上可用的蛋白质含量。
CF 症状与治疗
随着医疗进步，在一个世纪前大部分患者未能存活度过孩童时期相较，现在患者的预期寿命已经延长到 40 岁或 50 岁。
发现 CF 可作为独立疾病，以及对相关肺部感染的基本的了解，皆是因为随着抗生素使用越来越普及所发生的[1]。将青霉素 ( penicillin ) 和许多后续问世的抗生素引入常规护理标准 ( regular standard of care ) 中，可以显著提高某些病人顺利存活到成人时期的机率。虽然可能会有抗药性和副作用出现，至今使用预防性抗生素治疗依然是相当普遍的做法。
由于胰脏管道的阻塞，CF 病人的胰蛋白酶、解脂酶和其他必须消化酶的分泌皆受到严重影响。因此，这会延伸发展出吸收不良和其他消化道并发症。为了避免上述状况发生，病人的饮食中须严格管控脂肪的摄取，但这反过来会限制了病人的生长和发育，现今使用耐胃酸的胰脏酵素 ( acid-resistant pancreatic enzymes ) 可缓解饮食限制。此外，像改善的缓释剂型 Ultresa、Creon 和其他相似的药品也是常规的使用于病人身上 [2]。
CFTR 调节剂
在发现 CFTR 基因之前，上述提及到的治疗方法并无法有效的改善患者预期寿命和生活品质。借由蛋白质结构、复杂的酵素动力学和多种突变后，为开发新型治疗方法 — CFTR 调节剂奠定了基础。
由福泰制药公司 ( Vertex Pharmaceuticals ) 所开发的小分子药物，不论是单一药物 ( ivacaftor, Kalydeco® )、两种药物合并使用 ( lumacaftor/ ivacaftor, Orkambi®, tezacaftor/ivacaftor, Symdeko® ) 或三种药物合并使用 ( elexacaftor/ tezacaftor/ ivacaftor, Trikafta )，都可以有效地重建突变蛋白的功能而获得广泛的赞誉。
第一个采用改变病程长期治疗 ( Disease-Modifying Therapy, DMT ) 的疾病
CFTR 形成的蛋白构型离子通道可将氯离子移到细胞外，具有运输的功能。然而，如果因为无义突变造成蛋白质合成中途停止，将导致不会产生原本应有的长度或是稳定的蛋白质产物。此种突变发生率约为 5-10 %，称为第Ⅰ型突变。
即使 CFTR 蛋白质合成是完整的，其他种类的突变也可能会降低其功能。最常见的蛋白质折叠错误突变为 F508del 所造成的，在 80% 以上的病人 ( 取决于突变是同型合子还是异型合子 ) 身上皆会看到，此种突变被称为第Ⅱ型突变。
破坏蛋白质折叠的突变造成闭合形式构型，因而降低离子通道活性。G551D 属于此种突变之一，因为此种突变会破坏 CFTR 蛋白的 ATP 依赖性闸门开合功能，其呈现开放形式的机率会比野生型 ( 正常 ) 蛋白质降低 100 倍。此类突变称为第 Ⅲ 型突变 ( 或闸门突变，gating mutation)，在总体的 CF 案例中约占了 6 %。
在致病的关键蛋白质被发现后，各方随即开始开发相关的小分子药物。Paul Negulescu 博士为其中领先者，他曾任职 Aurora Biosciences，之后在福泰制药公司带领研究团队，经过近二十年的研发，经由高通量筛选 ( high-throughput screening ) 应用、新颖的细胞内分析试验法技术 ( cell-based assay techniques；检体取自CF病人的肺细胞 ) 和多次的技术优化之后，研发出 VX-770 ( ivacaftor ) 小分子化合物。
VX-770 可将 G551D 造成的闭合形式转为开放形式，可作为恢复受破坏的闸门闭合功能的 “增强剂”，为一生物可利用剂型 ( bioavailable ) 且口服的药物，此药物加入分离自具有 CF 的人类支气管上皮细胞进行培养，能够恢复细胞的功能。随后也在多次小孩和成人的临床试验中验证其药效 [3,4]，并于 2012 年获得 FDA 批准上市 ( 商品名为 Kalydeco® ) 。
联合疗法 ( Combination Therapies )
尽管福泰制药公司成功的开发针对 CF 病人的 first-in-class 的改变病程长期疗法 ( Disease-Modifying Therapy ) 的 Kalydeco®，但由于这种 “增强剂” 具有高度专一性，在临床的应用上仅限于具有异合子 F508del 突变的 CF 患者，并不适用于其他 CF 的患者；因此，福泰制药公司的科学家开发出 lumacaftor，能够作为校正剂，改善 CFTR 蛋白质因 F508del 突变的构型稳定度，且使离子能转运至细胞表面。lumacaftor ( 商品名：Orkambi® ) 经过临床试验后 [5,6]，已获得 FDA 批准上市，可用于更多的 CF 患者。
之后为解决联合 lumacaftor / ivacaftor 的疗法的药物相互作用所产生的问题，因此又开发具有不同校正分子的 tezacaftor 的新型联合疗法，该疗法 tezacaftor / ivacaftor ( 商品名：Symdeko® ) 已于 2018 年获得 FDA 批准上市 [7,8]。
三联疗法 ( Triple Combination Therapy )
Symdeko® 联合疗法在 F508del 突变的病患上并不是非常有效，因此研究团队继而发展了首创三联疗法 elexacaftor [9,10]，此疗法命名为 Trikafta，在临床试验中证明其疗效，并在 2019 年获得 FDA 批准上市，适用于至少具有 F508 突变且大于 12 岁的病患。Trikafta 可以使大约 90 % 的 CF 病患受益。目前，福泰制药公司正在临床试验中测试可治疗小于 12 岁的病患的药物。
基因疗法的可能性
随者 Trikafta 的上市，绝大多数的 CF 患者都能使用缓解疾病的药物，以改善 CFTR 突变所引起的各种问题。然而，有一小部分患者 ( 约 10% ) 因为完全没有 CFTR 蛋白产生，因此无法适用于目前已批准的所有疗法；目前，福泰制药公司和其他公司正进行基因疗法的临床前试验，希望借由基因疗法，能够造福所有的 CF 患者。
结论
经过将近一百年的医药进展，从抗生素治疗、营养补充品、物理治疗和近年来多种的 CFTR 调节剂的问世，CF 病人的预期寿命已显著的延长。未来，基因疗法可望治疗更多 CF 病人，带给 CF 病人更多的治疗选择与希望。
延伸阅读：基因编辑应用于临床治疗首例！Vertex 和 CRISPR 贫血患者治疗结果良好原作/ Pavel Ryzhov, Ph.D.
编修/ Rajaneesh K. Gopinath, Ph.D.
翻译/ Lucy
参考资料：
- Editors: Hodson, M, et al. (2007) Cystic Fibrosis. p. 3-19
- https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01652157
- https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT00909727
- https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01807923
- https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01807949
- https://cysticfibrosisnewstoday.com/2018/08/08/fda-approves-orkambi-first-medicine-treat-cf-children-ages-2-older/
- https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02347657
- https://clinicaltrials.gov/show/NCT02392234
- https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03525548
- https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03525444
- https://geneonline.news/en/2020/05/12/an-outlook-on-the-evolution-of-cystic-fibrosis-care/?doing_wp_cron=1589771022.0759470462799072265625
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