包括《科學》雜志和《自然》雜志在内，在2021年年底進行的多項科學新聞評選中，基因編輯技術CRISPR首次直接用于人體臨床實驗并獲得初步療效都名列其中，十分引人注目。
用俗稱“基因剪刀”的基因編輯技術來治療人類疾病，帶給人們無限的想象空間。那麼，它究竟會怎樣實作？目前的實際進展又如何呢？我們邀請知名科普作者張田勘來聊一聊這個事兒。
基因剪刀為什麼可以治病
正如《自然》雜志2021年10大科學新聞的介紹中所說：“基因編輯技術CRISPR自問世以來，一直被視為治療疾病的規則改變者。但是，要使這個夢想成為現實，許多疾病将需要研究人員成功地将CRISPR-Cas9植入人體，并證明它安全有效地編輯了唯一的目标基因。”
基因剪刀CRISPR-Cas最初由西班牙阿利坎特大學的科學家弗朗西斯科·莫吉卡在古細菌中發現，後來在大多數細菌和絕大多數古細菌基因組中都發現了CRISPR-Cas。
CRISPR-Cas是細菌用來識别和摧毀病毒、噬菌體和其他病原體入侵的防禦系統，是在生命演化中，細菌和病毒互相鬥争産生的免疫武器。在自然狀态下，病毒能把自己的基因整合到細菌，利用細菌的細胞複制自己的基因。但是，細菌演化出CRISPR-Cas系統後，可以不動聲色地把病毒侵入細菌的基因從自己的基因組中切除，實際上這就是一種基因剪刀，可以剪掉入侵的基因。
利用CRISPR-Cas9系統剪切基因的原理，研究人員可以設計出“基因剪刀”，結合到基因組上的靶序列（目标基因）上，對某段靶序列基因進行關閉或切割。是以，CRISPR-Cas9可以用來删除、添加、激活或抑制人、動植物細胞中的目标基因。
2013年，CRISPR-Cas9技術首次應用到哺乳動物細胞的基因編輯中。2015年，這一技術被《科學》雜志評為2015年度十大科技突破之首。
對于治療疾病而言，CRISPR-Cas9可用于靶向和修飾人類基因組中30億個字母序列中的“錯别字”，即緻病基因，因而能治療多種疾病，尤其是遺傳疾病。
現在，CRISPR-Cas9基因剪刀已經應用到人類細胞、大鼠、小鼠、果蠅、斑馬魚、酵母、細菌、植物等的基因編輯中。對于人類而言，可以進行基因組功能鑒定，還可用于抗病毒、治療癌症和免疫疾病。
以癌症治療而言，現在動物試驗取得了重要結果。CRISPR-Cas9系統不僅可以靶向敲除緻癌基因，而且在外源性DNA模闆的作用下可以對突變的抑癌基因進行修複。對小鼠試驗發現，CRISPR-Cas9系統能靶向切割非小細胞肺癌相關的緻癌基因EGFR，因而能有效抑制非小細胞肺癌細胞的增殖及異體移植惡性良性腫瘤在小鼠體内的生長，延長小鼠的生存期。
除了能治療血液病、癌症外，CRISPR-Cas9系統和其他CRISPR還可以治療眼病、艾滋病、囊性纖維化、肌肉萎縮症、亨廷頓病、慢性感染（如尿路感染），甚至糖尿病等。
基因剪刀治病難點在哪裡
但是，CRISPR-Cas9系統的一個重要缺陷是脫靶，即在切除目标基因的同時，也可以切掉與目标基因相似的基因，或者與目标基因相鄰的基因，這就可能給患者帶來嚴重的副作用。
有研究人員發現，CRISPR-Cas9系統作用于人體細胞時，潛在脫靶位點的平均脫靶率在40%左右。2017年5月發表在《自然方法》雜志上的一篇文章稱，CRISPR-Cas9系統會引入大量不可預估的突變到小鼠基因組中，也即大規模脫靶。不過，後續調查發現，大規模的脫靶現象是作者使用了基因背景不明确的小鼠對照而産生的錯誤判斷，是以，這篇文章被撤稿。
盡管如此，CRISPR-Cas9系統的脫靶作用還是引人擔憂。對此，研究人員進行了探讨，為何CRISPR-Cas9系統會産生脫靶效果。
CRISPR-Cas9系統是一種保護細菌免受病毒侵害的防禦機制。病毒侵入細菌并把一部分基因貯存在細菌中，這種内置的病毒DNA就起着遺傳記憶的作用。如果相同的病毒再次攻擊這個細菌（或它的後代），那麼細菌會快速地識别這種病毒，并且派遣Cas9蛋白來追蹤它。Cas9尋找到細菌細胞中含有敵意的病毒DNA後，如果發現它與細菌基因組中貯存的病毒RNA相比對，就會切割這個病毒基因，由此消除病毒再次入侵的威脅。
但是，Cas9有時會引導切割與它正在尋找的靶DNA相類似的DNA或RNA序列，原因在于，從演化的角度來看，細菌切割這些稍微不同的DNA序列是非常合理的。因為，病毒在不斷發生變異，因而能夠形成略微不同于Cas9尋找的靶基因。通過切割略有不同的DNA或RNA序列，CRISPR-Cas9系統能夠跟蹤病毒的演化和更好地保護細菌免受變異病毒的攻擊。這也是為何CRISPR-Cas9系統會頻頻脫靶的重要原因之一。
但是，研究人員認為，今後可以采取多種方式來避免CRISPR-Cas9系統的脫靶。首先，可以提高有引導作用的sgRNA的特異性，提高準确性；同時減少和控制Cas9-sgRNA的用量，以避免脫靶；還可以改造Cas9蛋白以提高CRISPR-Cas9系統的特異性，降低脫靶率；也可以運用Cas9蛋白的“關閉開關”，避免CRISPR-Cas9系統誤切割正常的DNA或RNA。
如果這些方式都能應用，并在實踐中證明它們能極大地減小脫靶率或者零脫靶，CRISPR-Cas9基因剪刀才有可能真正應用于臨床治療疾病。
試驗性治療效果帶來希望
2021年6月，美國Intellia醫藥公司和再生元公司的研究人員在《新英格蘭醫學雜志》上報告了他們對6名患有一種稱為轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性的罕見疾病患者進行試驗性治療的結果，顯示了積極的療效。
轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性是一種危及生命的疾病，患者的主要器官，如神經和心髒中産生了錯誤折疊的轉甲狀腺素蛋白，并逐漸積累，是以引發神經和心血管症狀，嚴重時危及患者的生命。
研究人員研發出的一種藥物NTLA-2001實際上就是CRISPR-Cas9基因剪刀，可以有針對性地持久敲除錯誤折疊的轉甲狀腺素蛋白。在患者注射後的第28天，研究人員觀察到患者産生了藥物效果，表明通過靶向敲除轉甲狀腺素蛋白可以持久降低血清轉甲狀腺素蛋白濃度，進而治療轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性。在給藥後，有些患者出現了輕度不良事件，但所有患者都沒有出現嚴重不良事件。
而在此之前的2020年，美國的另一個科學團隊使用同樣基于CRISPR-Cas9基因編輯療法的藥物CTX001，試驗治療β地中海貧血和重度鐮狀細胞病。
β地中海貧血的病因是珠蛋白基因變異，緻使血紅素無法有效地攜帶氧氣。鐮狀細胞病是紅細胞含有異常的血紅蛋白S。當紅細胞中含有大量的血紅蛋白S，容易變形為鐮刀狀。由于鐮狀細胞僵硬，難以通過毛細血管，導緻血流阻塞，降低毛細血管阻塞部位組織氧供給。血流阻塞可以導緻疼痛，并且随時間延長，可以導緻脾、腎、腦、骨骼和其他器官損害，還可能出現腎衰竭和心力衰竭。
研究人員采用CTX001對收集的患者的幹細胞在體外進行基因改造，然後回輸到患者體内。CTX001可以把患者的造血幹細胞改造成産生高水準胎兒血紅蛋白（HbF）的紅血球，因而可以對患者補充供氧。HbF是一種攜帶氧氣的血紅蛋白，出生時自然存在，然後轉換為成人形式的血紅蛋白。CTX001提升HbF水準後可以減輕β地中海貧血患者的輸血需求，同時減少重度鐮狀細胞病患者的痛苦和使人虛弱的鐮狀細胞危象。試驗證明，CRISPR-Cas9基因剪刀有初步治療β地中海貧血和重度鐮狀細胞病的功效。
這兩項試驗的突破，大大鼓舞了人們利用基因編輯技術治療人類疾病的信心。當然，目前取得進展的兩項突破，針對的還是比較少見的小衆疾病，療效仍需進一步驗證。但這給基因編輯技術治療對人類危害更大的常見疾病，帶來了啟示和希望。