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中国科学家报道世界首例基因编辑人体干细胞治疗HIV和白血病患者,具有怎样的意义?
作者:BioArt生物艺术
链接:https://www.zhihu.com/question/345628210/answer/821316995
来源:知乎
著作权归作者所有。转自知乎《中国科学家报道世界首例基因编辑人体干细胞治疗 HIV 和白血病患者,具有怎样的意义?》文章解读部分,文章内容较长,如有兴趣可点击上方链接进去阅读全文,

撰文 | 章台柳

作为最先进、最热门的基因编辑技术,CRISPR-Cas9技术被广泛用于编辑哺乳动物细胞的基因组,具有非常巨大的临床应用潜能。目前,CRISPR为基础的疗法已经开始临床试验(NCT03655678、NCT03399448),以研究其安全性和可行性,但试验的结果还没有报道。

同种异体移植天然携带CCR5突变的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)能够长期根除HIV-1,CCR5是HIV入侵的关键共受体。10年前,曾有一位感染了HIV-1的“柏林患者”通过造血干细胞移植治疗急性髓系白血病,而供体细胞恰具有CCR5Δ32/Δ32 突变,骨髓移植后,患者的HIV得到长期缓解【1】。但是当时那个单一的病例并不能反映到底哪种治疗手段或患者因素是缓解HIV的原因,毕竟骨髓移植手术还需要进行全身辐射。

10年后的2019年3月6日,来自英国伦敦大学学院、剑桥大学等处的科学家在Nature发表的一篇题为HIV-1 remission following CCR5Δ32/Δ32 haematopoietic stem-cell transplantation 的论文【2】报告世界上第二例经干细胞移植后HIV-1感染得以缓解的病例。截止到论文发表的时间为止,患者的病情已经缓解了18个月,但是作者提醒,要说患者的艾滋病已经“被治愈”还为时尚早。

因此移植人为突变CCR5的细胞或许是抵抗HIV-1感染的替代性疗法。2017年8月,北京大学邓宏魁教授实验室联合307医院陈虎实验室发展出一种无病毒的CRISPR基因组编辑系统【3】,在人HSPCs中突变CCR5,效率达到27%;而且在小鼠模型中显示,CCR5突变的HSPCs能够在小鼠中重建人类免疫系统,抵抗HIV-1感染。那么CCR5编辑的HSPCs在人体内是否能够抵抗HIV感染,其安全性和有效性又是如何呢?

Credit:BioArt

2019年9月11日,邓宏魁教授、307医院的陈虎教授(解放军总医院第五医学中心全军造血干细胞研究所所长、教授,军事医学研究院原附属医院造血干细胞移植科主任医师,2019年7月24日20时50分在北京因病不幸逝世,享年57岁)以及北京佑安医院吴昊教授研究组合作在The New England Journal of Medicine杂志上发表文章CRISPR-Edited Stem Cells in a Patient with HIV and Acute Lymphocytic Leukemia报道了首例利用CRISPR-Cas9在HSPCs中编辑CCR5基因并成功移植到罹患HIV和急性淋巴细胞白血病的患者案例,移植治疗使病人的急性淋巴白血病得到完全缓解,携带CCR5突变的供体细胞能够在受体体内长期存活达19个月,初步探索了该方法的可行性和安全性,但比例仅有5%,需要进一步优化治疗方法。可以预见的是,该临床试验报告将会推动全球范围内基于CRISPR基因编辑手段用于临床治疗,其意义不言而喻。


据文中报道,该病人为27岁男性,在2016年5月14日和5月30日分别诊断患有HIV-AIDS和急性淋巴细胞白血病(T细胞型)。随后立即接受抗逆转录病毒治疗,1年后HIV感染得到控制,在血清中检测不到病毒RNA。病人接受6个疗程标准的化疗治疗后,其形态上达到完全缓解。供体细胞来自中华骨髓供体库的一名33岁男性,其HLA配型完全匹配,CCR5基因没有突变。2017年7月9日,病人在清髓后,接受异体干细胞移植。干细胞移植的细胞由两部分组成:动员后外周血单核细胞分离出CD34+HSPCs,接受CRISPR编辑CCR5基因;剩下的单核细胞(由于分离效率,有部分CD34+细胞,占总CD34+细胞的28.8%,也就是说71.2%的CD34+被分离出来进行了基因编辑)。病人同时接受抗逆转录病毒治疗、移植物抗宿主病预防用药。

移植治疗后,13天和27天分别出现中性粒细胞和血小板重建;淋巴细胞和T细胞亚群增加,CD4细胞在6个月时恢复到正常范围并稳定;3个月时,血小板出现短暂减少,随后自行恢复到正常范围并稳定;4周后,实现了完全的供体嵌合,并维持到了19个月。移植后4周,病人的急性淋巴白血病达到形态上的完全缓解,并维持到随访的19个月。

利用非病毒方式转染CRISPR-Cas9对HSPCs(CD34+)细胞进行基因编辑,基因测序结果显示CCR5发生插入和删除突变(indel)的效率是17.8%。由于CD34+细胞分离效率限制,19个月长期的重建过程中,CCR5突变在骨髓有核细胞的比例范围是5.20%到8.28%。CCR5突变比率显示CD19+、CD33+、CD235a+细胞的编辑效率略高,CD4+、CD8+细胞稍低。结果显示,CRISPR编辑的HSPCs成功在病人体内重建,能够分化成多种谱系细胞,并保持基因编辑状态。

移植治疗过程中,病人出现2~3度的造血干细胞移植常见的并发症,经常规治疗后都得到缓解;没有发现与CCR5基因编辑相关的副作用事件。利用高通量基因测序技术检测基因编辑的脱靶效应,经过综合排查,仅有14个位点检测出Indels,且仅有1bp的突变,经逐个分析考虑并不是真正的脱靶事件。收集移植后15周、12个月、19个月的骨髓血样本,全基因组测序检测并无脱靶效应,而且没有染色体重排或长片段删除。

之前的研究显示自体移植CCR5突变T细胞能够在中断抗病毒治疗期间,降低病人体内的病毒载量【4】,提示CCR5删除突变或许能替代长期使用抗逆转录病毒疗法。研究人员对CCR5编辑HSPCs能否抵抗HIV-1感染进行测试。经过伦理委员会批准及病人的同意后,暂时中断抗逆转录病毒治疗,4周时血清中病毒载量增加到3*107/ml;恢复药物治疗后,病毒载量降低。抗逆转录病毒治疗中断期间,外周血CD4+细胞降低,CD4/CD8比例降低;CD4+细胞中CCR5突变的比例有所增加。移植6个月后,CD4+细胞恢复至正常范围。移植8个月和19个月后,检测外周血样本发现HIV病毒的噬性并没有发生改变(依然为CCR5噬性)。

值得一提的是,邓宏魁教授正是CCR5的发现者。在1996年发表的一篇Nature文章中【5】,邓宏魁教授在纽约大学从事博士后研究时(1995-1997年)作为第一作者发现了CC-CKR-5(即CCR5),该研究是HIV领域内里程碑式的发现。目前该文章已被引用超过4300次。

NEJM同期还发表了美国科学院院士、宾夕法尼亚大学终身教授Carl H. June撰写的题为Emerging Use of CRISPR Technology — Chasing the Elusive HIV Cure的评论。评论认为“该工作的安全状况似乎是可以接受的,尽管相关数据仅限于该病例研究。值得注意的是,为了确保方法的安全性,需要更长时间对病人进行随访。一个令人瞩目的方面是,本研究报告将基础研究快速转化成为了临床1期试验。而在宾夕法尼亚大学,从动物实验概念证实到人的临床试验需要5年,而在本研究中只用了2年。”此外,Carl H. June对媒体还表示,“该研究对相关领域来说非常好,而且没有引发伦理上的担忧”。


原文链接:nejm.org/doi/full/10.10


总结:

总的来说,本文报道了一例利用CRISPR编辑CCR5 的HSPCs干细胞移植治疗罹患HIV和急性淋巴白血病病人的案例。研究人员利用一种新型的非病毒转染方式高效率地编辑CCR5基因,编辑的干细胞能够分化成多种谱系细胞,且保留CCR5编辑效果,维持达19个月;本次干细胞移植治疗使病人的急性淋巴白血病得到形态上完全缓解,另外也并没有出现明显的编辑后副反应,但对抵制HIV感染效果欠佳,需要进一步探索。

张林琦教授:“今天的研究报告,为我们利用成体造血干细胞基因编辑和移植技术治疗艾滋病提供了宝贵的信息和经验,对一些关键的结论和临床表现,还需要对患者开展长期随访观察。但是随着造血干细胞和诱导性多能干细胞(iPSC)研究的进展,以及基因编辑技术和递送效率的提高,我们有理由相信,新一代的基因编辑技术一定能够在治疗和治愈艾滋病的道路上发挥更大的作用。届时,一定是对英年早逝的陈虎教授最好的追忆和怀念。”


程临钊教授:此工作进一步使用基因编辑,完善基因和细胞治疗,使像这一类的绝症病人也能够得到有效的根治。现在,国内外有很多研究者进一步推动和完善基因编辑在临床上的应用。除了艾滋病以外,此方法可用于其他血液和免疫系统的疾病治疗,比如在国内比较常见的血友病和地中海贫血等。此篇文章的发表也会有助于其他团队进一步完善相关技术。此研究除了艾滋病以外,对其他用造血干细胞治疗的血液和免疫相关的疾病,都将会带来新的推动。



参考文献:

1. Hütter G, Nowak D, Mossner M, et al. Long-term control of HIV by CCR5 Delta32/Delta32 stem- cell transplantation.N Engl J Med2009;360:692-8.

2. Gupta, R. et al. HIV-1 remission following CCR5Δ32/Δ32 haematopoietic stem-cell transplantation.Nature doi.org/10.1038/s41586- (2019).

3. Xu L, Yang H, Gao Y, et al. CRISPR/Cas9-mediated CCR5 ablation in human hematopoietic stem/ progenitor cells confers HIV-1 resistance in vivo.Mol Ther2017;25:1782-9.

4. Tebas P, Stein D, Tang WW, et al. Gene editing of CCR5 in autologous CD4 T cells of persons infected with HIV.N Engl J Med 2014;370:901-10.

5. Deng, H., Liu, R., Ellmeier, W., Choe, S., Unutmaz, D., Burkhart, M., ... Dan R. Littman & Nathaniel R. Landau (1996). Identification of a major co-receptor for primary isolates of HIV-1.Nature, 381(6584), 661.

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什么是试管婴儿?
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