CRISPR如何改变癌症研究和治疗

但2013年发生了一件改变游戏规则的事情，当时几名研究人员证明，一种名为CRISPR的基因编辑工具可以像一把非常精确且易于使用的剪刀一样改变人类细胞的DNA。

这个新工具在研究界掀起了一场风暴，极大地改变了可能和不可能之间的界限。CRISPR一登上世界各地实验室的货架和冰柜，癌症研究人员就抓住了使用它的机会。

“由于该技术的便利性，CRISPR正在成为许多癌症生物学研究中使用的主流方法。”NCI癌症生物学部门的医学博士Jerry Li说。

现在，CRISPR正走出实验室的培养皿，进入癌症患者的试验。例如，在一项小型研究中，研究人员测试了一种癌症治疗方法，其中涉及经过crispr编辑的免疫细胞，以更好地追捕和攻击癌症。

尽管令人兴奋，但科学家们一直在谨慎地推进，摸索出该工具的优势和缺陷，制定最佳实践，并讨论基因编辑对人类的社会和伦理后果。

CRISPR是如何工作的?

就像科学和医学的许多其他进步一样，CRISPR的灵感来自大自然。在这种情况下，这个想法借鉴了一些微生物(如细菌)中发现的一种简单的防御机制。

为了保护自己免受病毒等入侵者的侵害，这些微生物捕获入侵者的DNA片段，并将它们作为称为crispr的片段储存起来，或定期穿插的短回文重复片段。如果同一种细菌试图再次攻击，这些DNA片段(变成短段RNA)会帮助一种叫做Cas的酶找到并切割入侵者的DNA。

在这种防御系统被发现后，科学家们意识到它具备了一种多功能基因编辑工具的条件。在短短几年内，多个研究小组已经成功地将该系统用于编辑几乎任何DNA片段，首先是在其他微生物细胞中，最后是在人类细胞中。

在实验室中，CRISPR工具由两个主要角色组成:引导RNA和dna切割酶，最常见的是Cas9。科学家设计了引导RNA，以反映待编辑基因的DNA(称为目标)。引导RNA与Cas合作——正如它的名字一样——引导Cas到达目标。当引导RNA与目标基因的DNA匹配时，Cas就会切断DNA。

接下来会发生什么取决于所使用的CRISPR工具的类型。在某些情况下，目标基因的DNA在修复时被打乱了，而且基因被灭活了．使用其他版本的CRISPR，科学家可以以更精确的方式操纵基因，例如添加一个新的DNA片段或编辑单个DNA字母．

科学家们还使用CRISPR来检测特定的目标，例如来自致癌病毒的DNA而且来自癌细胞的RNA．最近，CRISPR被用于实验新型冠状病毒检测．

为什么CRISPR如此重要?

科学家们认为CRISPR会改变游戏规则，原因有很多。也许最大的原因是CRISPR易于使用，特别是与旧的基因编辑工具相比。

“以前，世界上只有少数几个实验室可以制造出合适的工具(用于基因编辑)。现在，即使是一个高中生也可以改变一个复杂的基因组哥伦比亚大学助理教授、医学博士亚历杭德罗·查韦斯(Alejandro Chavez)说，他开发了几种新型CRISPR工具。

CRISPR也是完全可定制的。它几乎可以编辑人类基因组30亿个碱基中的任何DNA片段，而且比其他DNA编辑工具更精确。

用CRISPR进行基因编辑要快得多。用旧的方法，“如果你幸运的话，通常需要一两年的时间来生成一个基因工程小鼠模型。”李医生说。他说，但现在有了CRISPR，科学家可以在几个月内创建一个复杂的小鼠模型。

另一个优点是，CRISPR可以很容易地扩大规模。研究人员可以一次使用数百种引导rna来操作和评估数百或数千种基因。癌症研究人员经常使用这种类型的实验挑选出可能成为良好药物靶标的基因．

还有一个额外的好处，“它肯定比以前的方法便宜，”查韦斯博士指出。

CRISPR的局限性是什么?

与其他基因编辑工具相比，CRISPR具有种种优势，已成为科学家研究癌症的首选。它也有望在治疗癌症方面占有一席之地。但CRISPR并不完美，它的缺点让许多科学家对它在人类身上的应用持谨慎态度。

一个主要的缺陷是CRISPR有时会在目标基因之外切割DNA，这就是所谓的“脱靶”编辑。科学家们担心这种无意的编辑可能是有害的，甚至可能使细胞发生癌变，就像在癌症中发生的那样2002年的一项基因疗法研究．

“如果(CRISPR)开始破坏基因组的随机部分，细胞就会开始以非常奇怪的方式将东西拼接在一起，有人担心这会变成癌症。”查韦斯博士解释道。但通过调整Cas和引导RNA的结构，科学家们提高了CRISPR只切割预定目标的能力，他补充道。

另一个潜在的障碍是将CRISPR组件植入细胞。最常见的方法是利用一种病毒来完成这项工作。这种病毒不再携带致病基因，而是被改造成携带引导RNA和Cas的基因。

将CRISPR植入实验室培养的细胞是一回事;但如何进入人体细胞则是另一回事。一些用于携带CRISPR的病毒可以感染多种类型的细胞，例如，当它们的目标是编辑肝细胞时，它们最终可能会编辑肌肉细胞。

研究人员正在探索不同的方法来微调CRISPR对人体特定器官或细胞的输送。一些人正在测试只感染一个器官的病毒，如肝脏或大脑。还有人创造了一种叫做纳米胶囊被设计用来递送CRISPR组件到特定细胞。

由于CRISPR刚刚开始在人体上进行测试，人们也担心人体——尤其是免疫系统——将如何对携带CRISPR的病毒或CRISPR组件本身做出反应。

一些人怀疑免疫系统是否可以攻击Cas(一种细菌酶)外国并破坏经过crispr编辑的细胞。二十年前，一个病人死于他的免疫系统引发的大规模攻击病毒携带的基因疗法他收到了。然而，新的基于crispr的方法依赖于看起来更安全的病毒比以前的基因疗法用的要多。

另一个主要问题是，编辑体内的细胞可能会意外地改变精子或卵细胞，从而遗传给后代。但在几乎所有涉及CRISPR的正在进行的人体研究中，患者的细胞都是在体外被移除和编辑的。查韦斯博士说，这种“体外”方法被认为更安全，因为它比试图在体内编辑细胞更可控。

然而，一项正在进行的研究正在进行测试CRISPR基因编辑直接在眼睛里莱伯氏先天性黑蒙症是一种导致失明的遗传疾病。

CRISPR治疗癌症的首次临床试验

美国首个测试crispr癌症疗法的试验于2019年在宾夕法尼亚大学启动。这项由NCI部分资助的研究正在测试一种免疫疗法，在这种疗法中，患者自身的免疫细胞经过基因改造，可以更好地“看到”并杀死他们的癌症。

该疗法涉及对T细胞(一种可以杀死癌症的免疫细胞)进行四种基因修饰。首先，加入一种合成基因给T细胞一种爪状蛋白质(称为a土耳其t或)能够“看到”某些癌细胞上的一种分子NY-ESO-1。

然后使用CRISPR去除三个基因:两个可以干扰NY-ESO-1受体，另一个限制细胞的抗癌能力。这种被称为NYCE T细胞的成品被大量培养，然后注入患者体内。

“我们之前对ny - eso -1导向的T细胞进行了研究，发现了一些改善反应和低毒性的证据。”试验负责人、宾夕法尼亚大学医学博士爱德华·施塔陶尔说。他说，他和他的同事们想看看用CRISPR去除这三个基因是否会让T细胞工作得更好。

这项研究的目标是首先找出crispr制造的治疗方法是否安全。它在两名晚期多发性骨髓瘤患者和一名转移性肉瘤患者中进行了测试。这三位患者的肿瘤中都含有t细胞疗法的靶标NY-ESO-1。

初步研究结果表明治疗是安全的．研究人员报告说，确实发生了一些副作用，但它们可能是由患者在注入NYCE细胞之前接受的化疗引起的。没有证据表明对crispr编辑过的细胞有免疫反应。

在用于治疗的T细胞中，只有大约10%的细胞具有全部四种所需的基因编辑。在这三名患者的修饰细胞中都发现了脱靶编辑。然而，施塔陶尔博士指出，没有一个被脱靶编辑的细胞以表明它们已经变成癌症的方式生长。

这种治疗对病人的癌症有很小的效果。两名患者(一名患有多发性骨髓瘤，另一名患有肉瘤)的肿瘤在一段时间内停止生长，但后来又恢复生长。治疗对第三个病人根本不起作用。

令人兴奋的是，治疗最初对肉瘤患者有效，因为“实体肿瘤一直是细胞疗法更难攻克的难题，”stadtauer博士说。“也许(CRISPR)技术将提高我们用细胞疗法治疗实体肿瘤的能力。”

尽管试验表明，crispr编辑的细胞疗法是可能的，长期影响仍需监测，stadtauer博士继续说道。NYCE细胞“在我们观察(研究参与者)期间是安全的。我们的计划是持续监测它们几年，甚至几十年。”他说。

更多关于CRISPR治疗的研究即将到来

虽然对NYCE T细胞的研究标志着基于crispr的癌症治疗的首次试验，但未来可能会有更多的试验。

“这次试验证明了原理、可行性和安全性，打开了CRISPR编辑和其他基因编辑技术的整个世界，有望制造出下一代疗法，stadtauer博士说。

其他crispr癌症治疗的临床研究已经在进行中。一些试验正在测试crispr设计的CAR - t细胞疗法，这是另一种免疫疗法。例如，一家公司正在测试crispr工程的CAR - T细胞B细胞癌患者和人民多发性骨髓瘤．

关于CRISPR可能的所有方式，仍然有很多问题用于癌症研究和治疗。但有一件事是肯定的:该领域正在以令人难以置信的速度发展，该技术的新应用程序不断涌现。

“人们仍在改进CRISPR方法，”李博士说。”这是一个相当活跃的研究和开发领域。我相信CRISPR在未来会有更广泛的应用。”