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基因治療的過去與展望

基因治療概念非常簡單,但在實現上卻有許多困難。直到一九八○年代,由於基因重組與基因載體等技術的進步與對細胞生物學的更深層了解,才使基因治療有了成真的可能。
 
 
 
基因治療是什麼

我們知道,所謂基因就是一串DNA密碼。目前已知人類有三萬五千到四萬個基因,這些基因隱含的資訊,告訴細胞在什麼時間該製造出什麼蛋白質,可能是激素如生長荷爾蒙,可能是結構蛋白質如膠原蛋白,也可能是細胞上的受體。這些蛋白質的合成與作用,決定了生物細胞的結構與功能。若體內製造某些蛋白質的功能出了錯,疾病就隨之而來。例如有些糖尿病病人便是無法正常製造胰島素,以致不能有效調節體內的醣類代謝。針對糖尿病,目前生技製藥的主要方式是在體外利用細胞製造大量胰島素,經過純化後再作為藥物。

然而,有許多遺傳疾病是由於基因缺陷造成某種蛋白質製造太少或過多所造成。例如苯酮尿症是由於體內不能正常製造苯胺基丙酸水解酶,以致無法代謝血液內的苯胺基丙酸,因此造成新生兒的智力發育障礙。雖然有些遺傳疾病可藉由藥物與飲食控制,但畢竟不是治本之道,因此基因治療便應運而生。

所謂基因治療,指的是利用適當方法將一個完整的正常基因送入適當的細胞內,希望此完整基因在細胞核內可藉由基因重組的過程正確地嵌入染色體,而將有缺陷的基因修復,或至少可在細胞內表現以彌補未正常表現的蛋白質。其最終目標是希望此修復後的基因能長期穩定地持續表現所缺少的蛋白質。

基因治療的起步

基因治療是典型的「說比做更容易」,概念非常簡單,但在實現上卻有許多困難。直到一九八○年代,由於基因重組與基因載體等技術的進步與對細胞生物學的更深層了解,才使基因治療有了成真的可能。在一九八○年代末期,美國國家衛生研究院的安德生(French Anderson)、布里茲(Michael Blaese)與羅森堡(Steven Rosenberg)等人共同提出了基因治療的臨床試驗申請,治療的對象是一種罕見的遺傳疾病–嚴重複合性免疫缺陷症。

這種病的患者會由於腺苷酸脫胺酶(ADA)的缺乏而造成免疫系統的T與B細胞死亡,使得免疫力喪失。他們希望將病人本身的T細胞取出,利用經基因改造後的反轉錄病毒將正常的ADA基因導入細胞,並將帶有修復基因的自體細胞送回體內以彌補體內缺乏的ADA基因。

這種方法引起了極大的爭議,因為反轉錄病毒會將基因隨機地嵌入細胞內的基因體中,反對者認為此法可能會將基因嵌入重要的基因部位而引發其他疾病,如癌症。但贊成者認為若病人已無其他方法治療且可能因此死亡,何須擔憂癌症等的副作用而阻礙此種革命性的療法進行?最後安德生等人贏得這場論戰而於一九九○年開始歷史上的第一個基因治療實驗。

他們針對兩個病人進行了四年治療後,確實能維持病人生命。不過,患者病情儘管減輕,在治療同時也服用了藥物,因此尚無法證明利用基因治療可以製造足夠的蛋白質以完全治癒這兩名病人。但此實驗至少證明基因治療是可行的做法,因此在他們之後便有許多基因治療的臨床實驗展開,目標多為單一基因缺陷所造成的疾病,如遺傳性肺氣腫、血友病A、血友病B、纖維性囊腫、血膽脂醇過多症、地中海型貧血症、頭頸鱗狀癌等。

目前基因治療的目標細胞主要為體細胞,至於生殖細胞則由於倫理關係尚無法進行。依傳遞基因的方式可分成自體細胞與體內細胞兩大類,前者為將患者本身體細胞取出大量培養,並在實驗室中導入正常基因將基因缺陷修復後,再將細胞輸入回體內。後者則為直接將正常基因以各種方法送入體內,希望正常基因能進入體內細胞並修復缺陷基因。若無法修復,至少也希望此基因能表現以彌補缺乏的蛋白質。

基因治療用的載體

目前基因治療面臨的首要頭痛問題是如何有效地將基因送入細胞,並且維持一定時間的基因表現,因此有各種不同的載體開發出來:

病毒載體 病毒可自然感染細胞,它本身就有一套機制可將基因送入細胞核表現,因此為一高效率的基因傳送系統。在利用病毒時,通常是把某個病毒基因拿掉,然後以治療基因取代而製備出具有感染力的病毒。但在設計任何一種病毒載體時,最重要的便是將病毒本身會致病的基因剔除,同時也須避免病毒發生突變而產生有傳染力且會致病的病毒。目前常用的病毒有反轉錄病毒、腺病毒、腺相關病毒與簡單病疹病毒等。

這些病毒各有其優缺點,如反轉錄病毒是最早使用也是最普遍的載體,它可將目標基因嵌入細胞染色體,因此可長期表現所需的蛋白質,但反轉錄病毒只能將基因送入會分裂的細胞,對於體內許多不會分裂的細胞,如腦、神經細胞,則無法成功。同時,若目標基因被嵌入染色體內調控細胞生長的基因位置,而將其截斷,則可能引發癌症。腺病毒則可感染不分裂細胞,同時也已用來作為預防呼吸道感染的疫苗,因此也可作為基因治療載體,不過臨床實驗中發現會產生強烈副作用,此乃因腺病毒本身基因也會在細胞內表現,而誘發強烈的免疫反應,因此新開發的載體已作改良將病毒本身基因去除。

腺相關病毒則是另一種可將基因嵌入染色體的病毒,此病毒本身並不會造成病症,因此相對安全,但在製造此病毒時,須要利用腺病毒提供必要的蛋白質,因此在製造腺相關病毒後,須確保裡面並不含有腺病毒才不會造成不必要的副作用;此外,腺相關病毒本身非常小,因此所能攜帶的目標基因大小只能到3.5~4千個鹼基對,因而限制了它的用途。至於簡單病疹病毒則可感染神經細胞,因此適合用於治療神經退化性疾病,如帕金森氏症、艾茲海默症等。

非病毒載體 可利用裸露DNA直接將帶有目標基因的質粒DNA以注射或點滴送入體內,這方法非常簡便,但往往DNA送入細胞的效率不高;即使DNA進入細胞,裸露DNA也容易被細胞內的酵素分解,而無法進入細胞核內表現,或者表現時間短暫而須重複施打基因。但此法主要優點在副作用及潛在毒性較小。

磷脂質是同時帶有親水與疏水性質的分子,當磷脂質濃度夠高時其疏水端會自發性聚集而形成微脂粒。若與DNA混合,則其疏水端可將DNA包覆起來,而將親水端暴露在外。由於細胞膜主要成分亦是磷脂質,因此磷脂質與細胞膜接觸時可利用融合現象將DNA送入細胞。這方法已廣泛使用於DNA轉染入細胞,因此也用於基因治療,但一般而言,微脂粒傳送效率並不高。

DNA複合物原理與微脂粒類似,但磷脂質由一設計的複合物取代,此複合物一般由兩部分組成–聚陽離子與配體。聚陽離子常用聚離胺酸,因其所帶正電可吸引DNA上的負電,並進而將它包覆起來;而配體則負責與細胞上受體結合並進入細胞。視所結合受體不同,配體可為醣蛋白、抗體、醣類或其他生物分子,DNA在進入細胞內後,可形成內核體而逃避酵素分解DNA,並將DNA送入細胞核。

基因治療的其他策略與用途

根據缺陷基因的不同,基因治療可有不同的策略:基因置換、基因修正、基因修飾及基因失活等。前三種方法主要是使修復的正常基因在細胞核表現以彌補蛋白質的不足,但有些疾病卻是因為蛋白質表現過多造成,這種情形則須抑制其基因表現。目前常用的策略有利用反義RNA。當基因轉錄後,首先形成單股RNA,此時可導入與其序列互補的反義RNA使二者結合,因此後續的轉譯過程便被阻止,而使蛋白質的合成無法繼續進行。反義RNA可在體外合成或以質粒形式送入細胞內表現,以達到抑制基因表現的目的。

除了用於遺傳疾病的治療,基因療法也應用於治療其他疾病如心血管疾病與癌症。例如一九八○年代證實血管增生可由不同的生長因子刺激,如血管內皮細胞生長因子(VEGF)與纖維母細胞生長因子,因此血管栓塞等疾病便有可能以載體送入VEGF的基因來促進血管增生以治療。至於癌症的形成則往往與致癌基因如ras過度表現以致正常細胞過度生長或轉化,或抑癌基因如p53未表現以致癌細胞過度繁殖有關。對於前者可利用反義技術抑制致癌基因表現,對於後者則可利用基因載體將抑癌基因送入癌細胞以抑制腫瘤擴散。另一種方法則是以表現產物直接破壞癌細胞,如腫瘤壞死因子(TNF)。將TNF基因導入癌細胞可使腫瘤組織分泌TNF而直接破壞腫瘤。

基因治療的未來

人類基因組計畫的進行,已讓我們對更多疾病的成因有更多了解,其中許多遺傳疾病的成因也在此計畫進行期間被揭開,如乳癌基因與杭丁頓舞蹈症基因等。這些致病基因的揭開,可使我們更了解如何去設計治療基因以治療這些基因缺陷所造成的疾病。

但在此同時也有更多技術性問題產生:如何將治療基因正確送入目標細胞?多少目標細胞需得到治療基因以達到治療效果?基因表現量須多少方能達到治療效果?治療基因會過度表現而產生另外副作用嗎?治療基因須正確調控以達最好效果嗎?治療基因的療效能維持多久?我們需要重複注入基因嗎?治療基因是否會被嵌入其他重要基因位置而導致副作用?

前面的幾個問題需要我們對載體與基因的特性、細胞生物學以及體內的免疫反應有更多了解,方能設計出有效的載體及基因傳送策略以達到治療的目的。

最後一個問題則為最難回答也關係最重要的安全性。先前在法國由費雪(Alain Fischer)的團隊針對嚴重複合性免疫缺陷症進行的基因治療,在11名病童中治癒了9名,這些結果讓人對基因治療產生無限的期待。但在療程結束後二年半,卻發現一名病童白血球大量增生,經分析發現有些病毒將攜帶的基因插入11號染色體上一個叫做LMO2的基因上,LMO2被破壞時會導致無法控制的細胞分裂和癌症。經過多次嘗試,費雪等人已相信接受這種攜帶基因的病毒治療的男童大多會出現同樣問題,目前已有人建議全面停止使用反轉錄病毒的人體實驗。另外,一九九八年在賓州大學所進行的臨床實驗,以腺病毒為基因載體也曾造成一名少年死亡。

這些失敗的案例確實使基因治療的未來蒙上一層陰影。不過,這些只是從一九九○到一九九八年間超過三百個以上的臨床實驗與三千個以上的病例的一部分。如同許多其他的生物醫學研究,我們只是尚未找到最佳的方法來作基因治療,少數失敗的案例並無損基因治療未來的遠景與潛力,但要做到安全與實用,還有待更多的努力與時間。
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