CRISPR 基因治療 基因與基因體學 科學報導

#NEWS CRISPR 新紀元:人體內基因編輯,治療 ATTR 蛋白澱粉樣變性疾病

CRISPR-Cas9 的研究熱浪 

CRISPR 基因編輯技術自 2012 年問世以來,可說是在科學界掀起了一場全球性的革命,世界各地的紛紛以 CRISPR-Cas9 基因編輯技術進行各項生物科學的創新應用。利用 gRNA(guide RNA)辨識雙股 DNA 序列, 指引 Cas9 核酸內切酶切割 DNA,故此只需設計與目標 DNA互補的 gRNA,便能改變 Cas9 的專一性,不僅提高了基因編輯的效率,也大幅降低設計門檻與製作成本。

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 如今短短 10 年的研究熱潮期間,CRISPR-Cas9 系統在臨床治療的發展也有相當大的進展,包括癌症、病毒潛伏性感染與神經退化性疾病等治療,在遺傳疾病的診治更是有不少振奮人心的案例,包括利用 CRISPR-Cas9 在體外(ex vivo)修正 β-地中海貧血(β-thalassemia)或鐮刀型血球貧血症(sickle cell anemia)患者自體的造血幹細胞,並將帶有正常血紅蛋白基因的造血幹細胞注射回患者體內 [1]。然而,注射細胞之前,需使用強烈的化學治療清除原本骨髓內的造血幹細胞,額外的化學治療造成嚴重副作用,這與目前許多疾病治療都面臨相同的困境。體外的基因編輯也不能一次完成治療,或是必須透過長期且持續不間斷的服用藥物,因此若能在體內(in vivo)直接進行基因編輯將提供更有效率的治療選擇。

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體內 CRISPR-Cas9 基因編輯的開拓者:ATTR 蛋白澱粉樣變性疾病

轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性疾病(transthyretin amyloidosis,ATTR)是由於transthyretin(TTR)蛋白的編碼基因 TTR 突變,使蛋白從正常的四聚體解離成單體,並造成錯誤折疊和聚集成澱粉樣蛋白原纖維(amyloid fibrils),進而導致心肌病變或多發性神經疾病 [2](圖一)。目前針對 ATTR 的治療策略包含穩定 TTR 四聚體,或降解 TTR mRNA 進而抑制合成 TTR 蛋白 [3]。雖然可以成功減輕症狀,但需終生服用藥物而且可能產生嚴重副作用,因此需要開發一次到位的治療方法。

圖一、ATTR 蛋白澱粉樣變性疾病之病理機制。Transthyretin(TTR)蛋白在肝臟、大腦及視網膜中合成,負責將甲狀腺素(Tetraiodothyronine,T4)和視黃醇(retinol)經由血漿和腦脊液運送至全身各個器官組織。不正常折疊的單體聚成澱粉樣蛋白原纖維,造成各種器官功能障礙。(圖片來源:https://doi.org/10.1007/s11897-020-00457-z

以 CRISPR-Cas9 基因編輯技術榮獲 2020 年諾貝爾化學得主之一的珍妮佛.道納(Jennifer Doudna),與美國 Regeneron 生技公司共同創立 Intellia Therapeutics 生技公司,並於 2020 年與倫敦大學國家澱粉樣變性中心合作,使用體內 CRISPR-Cas9 基因編輯治療 ATTR 蛋白澱粉樣變性疾病 [4]。這個 CRISPR 藥物,NTLA-2001,可剔除 TTR 蛋白的兩個對偶基因,降低血清中的 TTR 蛋白含量。 

NTLA-2001 含有脂質奈米顆粒(lipid nanoparticle),脂質顆粒包覆著針對 TTR 蛋白基因的單一 gRNA 和 編碼 Cas9 蛋白的 mRNA,透過靜脈注射進入患者體內,最終被肝臟細胞攝取(圖二 A)。前期體外試驗發現,NTLA-2001 造成肝細胞的 TTR 蛋白表現量減少超過 95%。進一步在食蟹猴的動物試驗中,給予​​ Cyn-LNP(NTLA-2001 的非人類靈長類替代物)後,血清 TTR 蛋白量降低幅度超過九成並維持 12 個月(圖二 B),而且無副作用產生。在人體臨床試驗中,6 名患者接受 NTLA-2001 的治療後第 28 天,低劑量組(0.1 mg/kg)的血清內 TTR 蛋白濃度降低約 50%(圖二 C),而高劑量組(0.3 mg/kg)甚至降低大約 80% (圖二 D),並且接受治療期間與治療後都沒發生嚴重的不良反應 [4]。這項試驗表明​​使用 NTLA-2001 可以降低血清中 TTR 蛋白的濃度,且效果顯著、可能夠持久,說明利用體內 CRISPR-Cas9 基因編輯治療 ATTR 澱粉樣變性疾病,極具治療潛力。

圖二、NTLA-2001的試驗結果。A,NTLA-2001 的主要組成與策略。B,食蟹猴接受 Cyn-LNP 治療的結果 。C,低劑量 NTLA-2001 治療下,血清 TTR 的濃度變化。D,高劑量 NTLA-2001治療下,血清 TTR 的濃度變化。(圖片來源:https://doi.org/10.1056/NEJMoa2107454

 邁入體內基因編輯的新世代

美國 Editas Medicine 開發的 EDIT-101 療法也利用 CRISPR-Cas9 修正造成傳性視網膜疾病(Leber congenital amaurosis type 10,患者通常早期失明) 的 CEP290 基因突變 [5]。EDIT-101 由腺相關病毒(adeno-associated virus)做載體,直接注射到視網膜下,病毒可表現 Cas9 和兩個 gRNA,可以去除 CEP290 基因的 IVS26 突變 ,修復視網膜的感光功能。EDIT-101 已在小鼠模式證明可行,人體臨床試驗也在今年 4 月收案。其他疾病也都有在動物實驗提出在體內利用 CRISPR-Cas9 基因編輯的可能性,包括裘馨氏肌肉失養症(Duchenne Muscular Dystrophy)與視網膜色素病變( Retinitis Pigmentosa)等,顯示出 CRISPR 基因編輯療法已進入新紀元,期許未來能夠以藥劑的形式,將 CRISPR-Cas9 基因編輯器包裹在膠囊內或脂質奈米顆粒中,讓患者可以透過口服或靜脈注射的方式,直接在體內編輯基因,為更多罕見疾病提供更簡便且一勞永逸的治療方法。

 

延伸閱讀|

CRISPR/Cas9 於活體基因編輯的新突破能恢復視覺受損老鼠部分視力
當裘馨氏肌肉失養症遇見基因編輯

Main Article:

Gillmore, J. D. et al. CRISPR-Cas9 In Vivo Gene Editing for Transthyretin Amyloidosis. N Engl J Med 385, 493-502, doi:10.1056/NEJMoa2107454 (2021).

參考文獻:

  1. Frangoul, H. et al. CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and beta-Thalassemia. N Engl J Med 384, 252-260, doi:10.1056/NEJMoa2031054 (2021).
  2. Liz, M. A. et al. A Narrative Review of the Role of Transthyretin in Health and Disease. Neurol Ther 9, 395-402, doi:10.1007/s40120-020-00217-0 (2020).
  3. Gertz, M. A., Mauermann, M. L., Grogan, M. & Coelho, T. Advances in the treatment of hereditary transthyretin amyloidosis: A review. Brain Behav 9, e01371, doi:10.1002/brb3.1371 (2019).
  4. Gillmore, J. D. et al. CRISPR-Cas9 In Vivo Gene Editing for Transthyretin Amyloidosis. N Engl J Med 385, 493-502, doi:10.1056/NEJMoa2107454 (2021).
  5. Maeder, M. L. et al. Development of a gene-editing approach to restore vision loss in Leber congenital amaurosis type 10. Nat Med 25, 229-233, doi:10.1038/s41591-018-0327-9 (2019).

關鍵字:CRISPR、基因與基因體學、遺傳學

撰文|吳佳勳
審稿|王振宇

About the author

吳 佳勳

吳 佳勳

國立中山大學生物科學系學士畢業,對基因調控及腫瘤的形成與轉移特別感興趣。曾主持南科實中校友科系分享沙龍,也曾擔任 BioGroup 生技人才交流平台的校園大使,於 2020 創辦肽聚堂-生科讀書會。對於生科研究及科普推廣極度熱愛,期許在 Investigator 能與不同領域的朋友交流,開拓生科的新境界!

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