縱覽基因療法演進:充滿希望的序幕、挫敗、如何再起

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近年來,基因療法成為生物製藥產業的熱門產品,吸引不少企業家投資,也出現多起大型併購案,學術研究不斷突破,臨床試驗結果更屢傳捷報。據 Fortune Business Insights 統計,基因療法市場規模在 2019 年約為 36.1 億美元,預計將以 33.6% 的年複合成長率(CAGR)於 2027 年勢如破竹達到 356.7 億美元。

然而,這條路已從想像轉為現實,並不總是那麼樂觀,仍有諸多技術與市場挑戰。為了到達終點,基因療法領域的研發人員必須忍受殘酷的打擊,需要重啟站起,並持續創新擺脫危機。基因線上 GeneOnline 整理了基因療法的開發歷史、技術亮點以及應用挑戰,帶您迅速掌握來龍去脈。

基因療法怎麼傳遞到人體內?

基因療法顧名思義就是引入健康基因或功能性基因到因缺陷基因引起的疾病患者中,達到治療的效果。時下常提到的基因療法,往往是細胞療法與基因療法的統稱。這源自 2 種技術的領域有部分重疊,也因為多個著名的癌症免疫療法譬如 CAR-T、TCR-T 皆會用到這 2 種技術製作,但這二者卻截然不同。

據美國 FDA 定義,基因療法是「所有透過轉錄或轉譯的遺傳物質或整合到宿主基因體中來發揮功能的產品」,而執行方式大體可分 2 種類:活體外(Ex vivo)、活體內(In vivo)。

活體外基因療法會把從患者體內取出的細胞,在實驗室中重新編輯,最後再輸回患者體內。而活體內基因療法則是可直接將遺傳物質送入活體內,或者透過病毒載體其他裸露 DNA、質體(plasmid)、奈米微脂體(lipid nanoparticle)等非病毒傳遞系統,將基因療法進入體內增強或抑制缺陷基因,最著名的例子就是 CRISPR/Cas9。

其中,病毒載體是基因療法常用的傳遞方式之一,舉凡反轉錄病毒(retroviruses)、腺病毒(adenovirus)、單純疱疹病毒(herpes simplex virus)、慢病毒(lentiviruses)、腺相關病毒(adeno-associated virus)等。

基因療法的概念半世紀前就有了

基因療法的概念發跡於 1960 年代,許多科學家正在假設其傳遞機制。1962 年,諾貝爾生理及醫學獎得主 Joshua Lederberg 一封寄給美國醫生 Stanfield Rogers 的信中寫到,「相信不久之後,多核苷酸序列(polynucleotide sequences)將能透過科技接枝在病毒的 DNA 上」。

8 年後,Rogers 醫生與 H. G. Terheggen 為了治療精胺酸酶(arginase enzyme)缺乏的高精胺酸血症(hyperargininemia),將乳頭狀瘤病毒(Shope papillomavirus)傳遞至 2 位德國姐妹體內,使他們成為全世界第 1 個接受基因療法的人類。

雖然從結果看來,這對姐妹對療法並未產生反應,但 1972 年《Science》期刊上刊登的「Gene therapy for human genetic disease?」文章卻成為基因療法首個公認論文。

在眾多支持者中,Theodore Friedmann 與 Richard Roblin 熱烈支持基因療法,並對當時的研究充滿信心,但這沒有蒙蔽他們的雙眼,Theodore Friedmann 與 Richard Roblin 警告到基因療法技術尚未成熟,在未全面理解基因調控、與疾病的關聯前,盡量不要用在人類上,避免出現難以應付的副作用。

重組 DNA 技術出現

多年後,重組 DNA 技術(recombinant DNA technology)的出現推動了基因療法的進程。1980 年,Martin J Cline 提出用重組 DNA 技術去治療 2 位 β-地中海型貧血症(β-thalassemia)女性患者的計畫,但因加利福尼亞大學洛杉磯分校(UCLA)的人類受試者保護委員會宣布禁止,所以該試驗最後於美國外執行。之後,Cline 因違反聯邦管制法規的人體試驗規範被判刑。

第 1 個核准的基因療法

時間走到 1990 年,基因療法出現一大突破。美國國家癌症研究所(NCI)的 French Anderson、Michael Blaese 等研究員執行了世界第 1 個核准基因療法。受試者是一位有著嚴重複合型免疫缺乏症(severe combined immunodeficiency, SCID),又稱腺苷去胺酶(adenosine deaminase, ADA)缺乏的 4 歲孩童 Ashanti DeSilva。透過反轉錄病毒傳遞健康 ADA 基因,DeSilva 成為世上第 1 個成功被基因療法治癒的人類。

因為他的成功,基因療法的臨床試驗如雨後春筍冒出,也讓 FDA 在 1993 年發布基因療法相關規範。

聲勢浩大的基因療法踢到鐵板

基因療法興起研究熱潮,許多人為了這神奇的醫療技術瘋狂;然而,這些 90 年代的科學家接下來因臨床試驗困難、反轉錄病毒載體供給不足等挑戰逐漸放棄,最後一擊則是在 1999 年出現的第 1 個死亡事件。

Jesse Gelsinger 是一位 18 歲的美國患者,他自願參加由賓州大學人類基因療法中心創辦人暨主任 James M Wilson 博士引導的臨床試驗。該試驗主要以腺病毒相關基因療法來治療罕見基因疾病——鳥胺酸氨甲醯基轉移酶缺失(Ornithine Transcarbamylase Deficiency)嬰兒患者的效益。這種罕見疾病會使人無法代謝血液中的氮,並在出生時迅速致死,不過 Gelsinger 擁有症狀較輕的鳥胺酸氨甲醯基轉移酶缺失且活至成年,所以被判定為十分合適的受試者。

試驗開始後馬上急轉直下,Gelsinger 注射最高劑量後即刻發高燒,接下來數日出現黃疸症狀,暗示著肝臟毒性過高。4 日後,Gelsinger 死於嚴重的免疫反應,包含多重器官衰竭與腦死。

這一個死亡事件促使 FDA 等多個單位對  Wilson 博士提出控訴,違反臨床試驗相關規範,不僅讓他的基因療法職涯走向終點,也重重打擊了基因療法界,隨後幾個月內,基因療法臨床試驗的數量驟降。

記取教訓,基因療法死灰復燃

訴訟同時,Wilson 與其團隊針對 Gelsinger 致死的原因進行研究,他們發現 Gelsinger 早已接觸過腺病毒,所以在基因療法進入體內時,Gelsinger 的免疫系統產生了嚴重的發炎反應。

另外,Wilson 也向密西根大學醫學院教授 Tachi Yamada 尋求意見。Yamada 建議他應繼續研究基因療法,並解決問題來源;這一個會面間接成為了基因療法研究的轉捩點,因為 Wilson 後來研發出不會引發致命免疫反應的腺相關病毒載體(AAVs),也就是時下基因療法最常使用的病毒載體之一。

AAVs 載體的活躍

AAVs 最早於 1965 年被鑑定為腺病毒製劑中的污染物。雖然 AAVs 在轉導效益上比腺病毒來的低,但卻表現出低致病性、能長時間維持基因表現的特性,且 AAVs 的免疫原性也相對較低。

Wilson 隨即將次世代 AAVs 的開發任務交予當年的博士後研究員 Guangping Gao。Gao 博士當時正在研讀 AAV 原型,譬如 AAV2,但在 Gelsinger 死亡事件後將研究焦點轉往病毒載體的安全性。Gao 後來研究出一個能從非人類靈長類中取得多樣 AAVs 的技術,且這些病毒載體都未表現出嚴重的免疫反應。而 Gao 現在已成為賓州大學人類基因療法中心的副主任。

時至今日,AAVs 被視為基因療法的黃金標準,高度用於臨床試驗中。該技術不僅安全性高、組織向性廣泛、致病性低,且能有效的做到基因傳遞。

2012 年,歐洲藥品管理局(EMA)核准了全球第 1 個 AAV 基因療法 Glybera 用於治療脂蛋白脂肪酶缺乏(lipoprotein lipase deficiency)患者。直到今日(2021/03/06),FDA 則核准 2 個 AAV 基因療法,分別是 Novartis 治療脊髓性肌肉萎縮症的 Zolgensma 和 Spark Therapeutics 治療萊伯氏先天性黑蒙症的 Luxturna。

FDA 核准基因療法

基因療法潛力無窮,但距離普及還有一大段路

除了上述已核准上市的 AAV 基因療法之外,它治療遺傳性疾病、罕見單基因疾病、癌症、帕金森氏症、亨丁頓氏舞蹈症等研究和臨床試驗也在進行中;其中,大多是腫瘤癌症領域。因應此熱潮,FDA 估計會在 2025 年前通過 10 至 20 個細胞、基因療法。

另外,CRISPR/Cas9 的出現擴大了基因療法領域的應用層面,這把「基因剪刀」可望讓臨床研究人員能更精準、更簡單的編輯基因。近期在 CRISPR Therapeutics 與 Vertex Pharmaceuticals 合作中的臨床試驗中,他們使用 CRISPR/Cas9 基因編輯後的造血幹細胞 CTX001 來治療 β-地中海型貧血症與鐮刀型紅血球疾病(sickle cell disease),結果表現正面。

然而,安全性與製造成本仍有許多障礙要排除。首先,目前仍有研究指出 AAVs 多少還是會引發免疫反應,並在部分患者中產生免疫介導毒性。為此,許多研究團隊正在進一步改造 AAVs 來幫助它躲過宿主的免疫系統。另外,基因療法的製作成本高昂,難以用親民的價格普及於大眾市場,而這可能讓患者無法取得治療,更會使開發公司無法獲得足夠經費,支持技術創新。例如,Glybera 費用是 100 萬美元,全世界最貴藥物,患者不買單,最後失敗退出市場。

然而,基因療法仍是時下最具潛力的療法之一,只要整合好藥物開發、產品線與商業化技術,未來潛能可期。

掌握基因療法基礎後,接下來 GeneOnline 三月專題將帶您了解 2021 年 10 大基因療法公司,掌握最新產業動態。

作者:Rajaneesh K. Gopinath
編譯:Tyler

延伸閱讀:2021 年基因療法市場前景夯!精選十大企業

參考資料:
1. https://geneonline.news/en/overview-of-the-gene-therapy-revolution-hopeful-beginnings-tribulations-and-resurgence/

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