遗传病的生物治疗

杨京，谢杨丽，陈林

遗传病的发病率虽然较肿瘤等常见疾病低，但常导致患者死亡或发生畸、残，影响正常生活和工作，给患者及家庭、社会带来了沉重的经济、心理、医疗负担。

绝大多数遗传病的临床治疗以对症处理为主，如针对骨骼畸形的手术矫形、针对凝血因子缺乏的补充治疗等，往往只能暂时缓解机体的部分异常功能。大部分表型不能被纠正，甚至可能会危及患者生命。随着生命医学科学的发展，更多的遗传病的致病基因被克隆、鉴定，相关分子致病机制得到更深入阐明，在此基础上RNAi、基因组编辑技术、融合蛋白、多肽等直接靶向致病基因或其相关信号通路、分子的生物学技术被应用于遗传病的治疗并取得了一定的疗效。虽然这些研究大多局限于细胞、动物实验，但已有少数生物学治疗措施已经进入Ⅰ期临床试验，这让我们看到了成功治愈遗传病的曙光。

1 遗传病概述

遗传病是指由于遗传物质发生改变所导致的一类疾病，主要有以下几类。

染色体病：由于整条或部分染色体增加、移位或缺失所致。多表现为生长迟缓、智力低下及各种身体异常。大多数染色体疾病发生在出生前，几乎占自然流产的50%。

多基因病：由多个基因交互作用所致，可能某一些基因也起主要作用，但多为微效作用。环境因素也是多基因病的重要影响因素。如糖尿病、骨质疏松症、唇裂、一些先天性心脏病等。

单基因病：由单个基因突变所致。以常染色体及伴性的X、Y连锁方式遗传，有显性、隐性遗传之分。多于胚胎发育期、新生儿和幼儿阶段即发病。这也是本文介绍的主要类型。

线粒体基因病：不同于上述核基因组，是由于线粒体基因组发生突变所导致的一类疾病，呈母系遗传。多为神经-肌肉系统病变，如 Leber遗传性视神经病、线粒体心肌病等。

2 遗传病的诊断

准确诊断遗传病是开展遗传咨询和防治工作的基础，主要分为临床诊断和分子诊断。前者同普通疾病类似，主要通过分析病史、症状、体征和辅助检查结果确立诊断，也是目前临床中主要应用的方法。此外，通过分析先证者家庭成员发病情况的系谱分析法有助于明确遗传病的遗传方式，如是常染色体遗传病或性染色体遗传病；也可区分表型相似的，或由于遗传性而表现为不同遗传方式的遗传病。

染色体检查 (核型分析) 和性染色质检查是确诊染色体病的主要方法。分子诊断则是从遗传分子水平确诊单基因遗传病。随着分子生物学的进展，对人类基因组的认识不断加深，以及基因检测技术的飞速发展，目前可利用特异性寡核苷酸探针杂交、PCR相关技术、DNA测序等基因分型技术检测DNA结构变化，实时定量PCR法、基因芯片、蛋白芯片检测基因表达变化。对于已知致病基因者且明确该基因的序列和结构可直接检测突变。对于未知致病基因或未知突变情况者可通过对先证者及其家系进行连锁分析。

3 遗传病常规治疗

胚胎植入前遗传学诊断 (Preimplantation genetic diagnosis, PGD)、产前诊断等可预防遗传病胎儿出生，也可因此让患儿在出生前得到手术、药物等治疗来缓解表型。目前对于出生后的遗传病患者临床治疗措施有限，主要是预防或处理已经出现的异常表型以及对症治疗。

3.1 手术治疗

对于局限于某一器官的病灶可以手术切除。如家族性结肠腺瘤样息肉 (Familial adenomatous polyposis, FAP) 结合家族史，早期行全结肠切除术可提高患者预后。脾切除可缓解球形红细胞增多症的溶血性贫血。

手术矫形可修复/改善病变器官畸形、恢复器官功能、提高患者的生活质量。如肢体延长术用于矫正软骨发育不全 (Achondroplasia，Ach) 患者的侏儒表型；颅缝松解术可增加囟门早闭患者脑腔容积，在一定程度上改善大脑发育及颅面畸形。

器官移植术加以抗免疫排斥反应治疗对于少数遗传病有较好的临床疗效，如肾移植治疗家族性多囊肾、角膜移植治疗遗传性角膜萎缩症等。

3.2 药物治疗

3.2.1 去除多余物质

利用药物可通过排泄堆积的代谢产物或抑制其生成治疗酶促反应异常的遗传病。如青酶胺螯合铜离子可防止 Wilson病患者铜代谢障碍、铜离子沉积所致的肝硬化、肾功能损害等多种症状。

3.2.2 替代、补充疗法

对一些遗传病，主要是酶相关遗传病，给予缺乏物质可以显著缓解表型或防止表型发生。如低磷酸酯酶症 (Hypophosphatasia)，其多为功能缺失型组织非特异性碱性磷酸酶 (Tissuenonspecific isozyme of alkaline phosphatase,TNAP) 基因突变，血清ALP活性降低，患者骨矿化受损，出现骨软化或佝偻病。骨靶向性的人重组组织非特异性ALP酶ENB-0040替代治疗可明显缓解患者的上述异常骨表型，并改善胸廓变形所致的呼吸功能障碍[1]。需要注意的是替代、补充治疗通常需要终生服药。

3.2.3 对症治疗

针对遗传病出现的表型或并发症进行药物治疗，通常疗效有限。但也有一些对症治疗可以在一定程度上缓解部分遗传病表型。成骨不全(Osteogenesis imperfecta, OI) 是一组临床脆性骨折和牙本质发育不全的结缔组织病，是儿童脆性骨折发生的主要病因。90%存在 COL1A1、COL1A2基因突变所致的Ⅰ型胶原蛋白结构及功能异常。传统临床干预手段主要是手术处理骨折，但其疗效不佳。近年来，有部分临床试验发现利用双膦酸盐 (如帕米膦酸、奈利膦酸等) 纠正其高骨转换 (Bone turnover) 可增加患儿骨密度并降低骨折风险[2]。

3.3 饮食疗法

限制特定营养物质摄入或吸收以减少代谢产物生成可治疗部分代谢性遗传病。如低苯丙氨酸饮食可防止苯丙酮尿症患儿出现智力低下等症状。

4 遗传病的生物学治疗

4.1 针对致病基因

纠正突变的致病基因是治疗遗传病的根本。目前已有多种靶向致病基因或其相关信号通路、分子的生物学措施可应用于遗传病的治疗。

4.1.1 靶向致病基因DNA

基因组定向编辑技术是近年来的研究热点，目前已可在几乎所有物种中实现精确到核苷酸水平的定向修饰。通过引入正常的等位基因来纠正突变的基因缺失、敲低突变等位基因mRNA，基因组编辑为完全治愈遗传病带来了更大的可能性。

锌指核酸酶 (Zinc-finger nucleases, ZFNs)是最早研发出来的基因组定向编辑方法。其原理是利用锌指蛋白与核酸内切酶Fok Ⅰ融合，不同的锌指DNA结合域集成DNA剪切区可定向特定DNA锌指结构域并激活内源性DNA修复。2005年 Urnov等首次在体外人体细胞中利用ZFNs纠正了 X连锁重度联合免疫缺陷病(X-linked severe combined immune deficiency,SCID) 突变的IL2Rγ基因[3]。随后ZFNs也成功应用于动物模型，如有效纠正血友病 B模型小鼠凝血时间延长[4]。转录激活因子样效应物核酸酶 (Transcription activator-like effector nucleases,TALENs) 同样利用核酸内切酶 FokⅠ剪切DNA，靶向DNA的 (Repeat variable diresidue,RVD) 重复序列[5]。CRISPR/Cas9 利用 Cas9靶向 CRISPR RNA (crRNA) 或导向 RNA (guide RNA, gRNA)[6]。与 ZFNs相比较，TALENs和CRISPR的靶向位点选择范围更广，效率更高。但TALENTs有一定的细胞毒性，且构建复杂[7]。

上述3种基因组编辑技术均可激活细胞的两种 DNA 修复方式：非同源末端连接(Non-homologous end joining, NHEJ) 和同源重组 (Homology-directed recombination, HDR)，通过4种方式纠正DNA突变：破坏 (Disruption) 内源性序列、移码 (Frameshift) 恢复DNA读码框、敲入 (Knock-in) 外源性序列和置换(Substitution) 突变序列[7]。目前上述基因组编辑技术绝大多数只是在人体细胞或动物实验中证实有效[8-9]，如何应用于临床还存在较多实际问题，如可能出现脱靶效应 (Off-target) 诱导肿瘤发生等。

4.1.2 靶向致病基因RNA

对于功能增强型突变所致遗传病还可利用RNAi技术干预致病基因的RNA转录、降解。RNAi是双链RNA介导的转录后基因沉默。成纤维生长因子 2 (Fibroblast growth factor receptor 2，FGFR2) 功能增强型点突变是Apert综合征的主要病因。Shukla等发现利用 RNAi降低FGFR2表达水平可完全防止Apert小鼠出现囟门早闭表型[10]。

根据Clinical Trial数据库，目前有23项注册临床研究使用RNAi方法治疗肿瘤、HIV、肝炎等疾病，尚无应用于遗传病治疗的临床试验。限制RNAi技术应用于临床治疗的因素主要包括稳定性、off-target效应、免疫刺激以及导入机体方法。以往多使用胆固醇或脂质体使 SiRNA非选择性导入体内，仅对于靶器官是肝脏或空肠者有较好的效果，且需要的药物剂量较大，存在明显脱靶效应[11]。随着RNAi导入技术的改良，首项 RNAiⅠ期临床试验采用纳米粒释放系统(Nanoparticle-delivery system) 递送RNAi来治疗实体瘤。近来脂质纳米体 (Lipid Nanoparticles,LNPs) 实现了RNAi的多种细胞靶向性。以上技术的发展为RNAi应用于遗传病临床治疗奠定了基础。

4.1.3 靶向致病基因编码蛋白

这些问题的出现恰恰表明，员工缺乏内部控制观念，缺乏对理念的理解，只停留在内部监督的层面，而不能深入理解内部控制的本质和内容[1]，导致执行力和约束力低。

对于功能增强型突变所致遗传病，尤其是受体蛋白突变疾病，可利用可溶性蛋白、模拟多肽等阻断突变蛋白发挥效应。以 FGFRs功能增强突变所致骨骼遗传疾病为例，可通过阻断跨膜受体 (FGFRs) 与配体 (FGFs) 结合来抑制致病蛋白发挥作用。Ach和致死性侏儒 (Thanatophoric dysplasia, TD) 均主要由FGFR3功能增强型点突变所致[12]。我们利用酵母杂交筛选到结合FGFR3胞外域的12多肽 (P3)，可缓解致死性侏儒小鼠(TD II) 的异常表型[13]。FGFR3可溶性受体、FGFR2融合蛋白可分别缓解Ach[14]和Apert小鼠表型[15]。

4.1.4 靶向相关信号通路/分子

根据遗传病的发病机制，利用阻断剂直接阻断功能增强型遗传病中调高的信号通路有一定疗效。MAPK磷酸化增加是FGFR2点突变导致Apert发生的主要机制，Shukla等发现注射U0126阻断MEK磷酸化[10]可部分缓解Apert小鼠颅缝早闭表型。除了直接阻断相关信号通路，利用其他分子来间接调节疾病发生相关信号通路是另外一个策略。Lorget等在软骨细胞中过表达C型利钠肽 (CNP) 及给予CNP注射可缓解Ach小鼠表型，其机制是CNP通过抑制MAPK通路促进细胞外基质生成。由于 CNP半衰期过短，该团队开发了其多肽类似物BMN111以治疗Ach，目前已进入Ⅱ期临床试验[16]。

另外，还可通过调节疾病发生中非致病基因直接调控的信号通路治疗遗传病。如Grafe在OI基因工程小鼠模型中发现 TGF-β信号通路过度激活是其发病的重要原因，利用TGF-β的中和抗体1D11可部分纠正OI小鼠的异常骨骼表型并改善其肺脏病理形态。该抗体将于 2015年开始进行Ⅰ期临床试验[17]。

4.2 针对表型

尽管靶向致病基因的研究给临床治愈遗传病带来了曙光，但也必须认识到基因型并不能始终如一地预测表型[18]。因此，对于这部分遗传病最直接的治疗策略就是针对患者及其表型进行干预。如COLI基因突变是 OI患者频发骨折的根本原因，但目前尚缺乏直接靶向COLI基因的治疗手段，因此可直接通过改善骨质量以预防骨折。以往发现低密度脂蛋白受体相关蛋白5 (LDL receptor-related protein 5, LRP5) 介导经典 Wnt通路促进间充质细胞向成骨细胞分化并增加骨密度[19]。Jacobsen等在OI转基因模型小鼠中过表达LRP5可不依赖于影响COLI mRNA表达或蛋白分泌来增加小鼠骨量和骨强度[20]。此外，给予OI小鼠LRP5的抑制分子——clerostin的单克隆抗体可增加小鼠骨密度及骨力学强度，达到治疗目的[20]。

4.3 其他

除了上述基因相关的生物学治疗措施外，干细胞一直是各种疾病治疗措施研究的热点和难点，也已经在遗传病治疗方面开始启动研究。尤其是多能干细胞 (iPS)，从成体分离的具有自我更新和多向分化潜能的干细胞，可解决异体移植干细胞的伦理和安全性问题。已有研究利用TALENs在iPS中修饰凝血因子Ⅷ基因 (Blood coagulation factor , F8Ⅷ)制备了模拟血友病 A的细胞系，同时再利用TALENs成功地在该细胞系中恢复 F8正常表达[21]。Sasai团队利用三维培养系统成功地将人ES细胞诱导成大脑皮层组织和包含视网膜和感光细胞的胚胎眼睛[22]。以上研究都为干细胞应用于遗传病的治疗提供了可行性。

5 展望

5.1 致病机制的研究是治疗遗传病的基础

5.2 生物治疗的时空靶向性和安全性是保证临床应用的关键

时间靶向性：治疗疗程需要根据表型出现的时间进行确定。对机体生理功能存在持续影响的疾病应长期干预，如低磷酸酯酶症患者需终生补充缺乏的碱性磷酸酶，长期用药的安全性尤其重要。胎儿期或儿童期发病者应在个体发育的相应阶段进行干预，如ACH患者主要是骨骼发育的异常，成年期无更多的表型出现，应在骨骼发育的早期干预。

空间靶向性：遗传病发生病变的组织/器官由致病基因的表达部位决定，靶向特定的病变细胞、纠正其异常功能，而不影响其他正常组织/器官功能可提高生物学治疗措施的有效性及安全性。如既往RNAi导入机体主要利用腺病毒或慢病毒载体，缺乏特异性和靶向性。脂质纳米体解决了RNAi的细胞靶向性，目前已实现多种细胞靶向，如实质肿瘤、呼吸道上皮细胞、部分吞噬细胞。靶向成骨细胞的 antagomir-214 (靶向ATF RNAi) 可促进小鼠骨形成[24]。这也为其他生物治疗措施如何实现细胞靶向性提供了借鉴。此外，在干预手段的选择方面，直接靶向致病基因/蛋白的治疗措施，其理论上比通过靶向致病基因相关信号通路/靶基因来间接调节致病基因/蛋白的副作用更小。

安全性：基因组编辑技术的off-target现象是其最主要的安全问题，其使用的核酸酶可能激活原癌基因或破坏肿瘤抑制基因、最终导致肿瘤发生。另外，导入蛋白的免疫反应也是临床应用生物技术需要注意的副作用，必要时应考虑同时使用免疫抑制剂。

5.3 强调综合治疗

虽然一些遗传病的生物学治疗措施得到了较大的发展，但必须清醒地认识到目前这些生物学治疗方法仍不能完全治愈遗传病，对于已经发生的异常表型、并发症，仍需要结合临床进行相应的药物、手术或康复治疗。

综上所述，基因组编辑、RNAi、融合蛋白、可溶性受体、模拟短肽等生物学方法，以靶向遗传病致病基因DNA、RNA、编码蛋白及相关信号通路/分子等为策略，给遗传病的临床治疗提供了新的选择。虽然这些治疗措施大多数仍局限于体外或动物实验，存在时空靶向性、安全性等需要进一步完善的缺陷，但随着生命医学科学的发展，不久的将来生物学治疗措施必将成功应用于临床上，治愈遗传病成为可以预想的现实。

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