杨辉：90%的罕见病无药可治，我们能否用基因编辑做些什么？
【文/ 杨辉】
大家好，我是杨辉，来自中科院神经科学研究所，我的研究方向主要是基因编辑。
基因编辑可以说是21世纪生命科学最重要的一个技术之一。我们既可以用它来改善动植物的优良性状，也可以用来防治病虫害，还可以治疗疾病，更有些科学家在幻想着结合克隆技术来复活一些灭绝的生物，比如说猛犸象。
而基因编辑技术，其实最主要的用途是用来治疗各种各样的疾病，包括癌症、心血管疾病、老年痴呆，以及一些感染性的疾病。今天我主要给大家讲基因编辑最重要的一个方面，就是如何治疗单基因遗传性的罕见病。
基因想必大家都知道，就是有遗传效应的DNA片段。我们的DNA由31亿多个碱基对组成，这31亿多个碱基对是由ATCG4种碱基有机地排列组合组成。
我们大概含有20000到25000个基因。虽然每个人都千差万别，但是即便我跟爱因斯坦相比，基因组都是非常非常相近的，不足1%的差异。爱因斯坦和黑猩猩，大家猜猜有多大的差异？其实也就比1%多一点点，但是爱因斯坦智商有200，黑猩猩智商大概70左右，大概相当于七八岁的孩子。
所以基因任何的微小变化都可能会改变我们重大的功能性状。在一个极端情况下，即便是一个碱基的变化都能导致基因功能的改变或者缺失，导致疾病。而我们几乎有50%的单基因的遗传病，都是由于一个碱基变化导致的。
所以科学家就想，是否能有一把镊子把这个碱基给换掉，这样就可以达到疾病治疗的目的。想法是非常的简单，但是要实现起来非常非常的难。为什么呢？
首先DNA非常地小，只有2纳米，比头发丝还要细200倍，所以用一个镊子来操作是非常非常困难的。另外只有一个碱基的变化，但是我们基因组有31亿个碱基对，要找到它都非常地困难，并且找到的同时是否会引起另外31亿个碱基的破坏呢？也是无法得知的。
所以科学家一直在追求一种方法，我们称之为基因编辑。基因编辑是对DNA，在特定的片段进行DNA小片段的插入、敲除或者替换。
要实现这个目的要有三个过程。首先是识别，需要找到它，找到特定的位置，特定的突变，这是最关键的部分。找到这个突变之后就要将突变给剪掉。剪掉之后再提供一个正常的模板，然后进行修复。
第一个过程，找到这个特定的位置，非常关键，也非常难。关键在于只改变想要改造的基因，不破坏其他的基因，不然没实现目的，反而可能引起许多不良的后果，刚刚也说了，一个碱基的改变也可能引起致命的危害。为什么说非常难呢？大家可以想象，30亿的碱基里面你就选择1个或几个碱基进行编辑，光找到它们也不容易吧。即便有门牌号码也得找好半天吧。
所以我博后的老板，MIT的Rudolf Jaenisch等不及了。在他博后期间，70年代，那时他才30岁左右，和我现在差不多大，就有了个异想天开的想法，直接不找门牌号码了，先实现改变基因组再说。
但是动物的个体有许许多多细胞，如何实现许多细胞DNA的改变呢？正好当时是试管婴儿刚刚出现，所以他就想到，如果直接改变受精卵，之后这个胚胎最终发育成个体，是否它所有的细胞就会带有这个基因的突变呢？他这么想也这么去做了。
他将病毒的DNA直接注射到受精卵中，然后移入到小鼠妈妈体内。过了三周之后他获得了小鼠，进行基因鉴定，发现确实所有小鼠的细胞都带有这个病毒的DNA，而且这个DNA能够传递下去，它的后代也带有这个DNA。
Rudolf Jaenisch因为这个发现被评为美国科学院院士，受到了总统接见。但是非常遗憾，这项技术与诺贝尔奖失之交臂。为什么呢？我们可以看到，最关键的是，病毒插入到基因组的方式是一个随机的插入，不是定点的插入。随机就有可能造成伤害，还没有达到最好的效果。严格意义上来说算不上基因编辑。
十几年之后，另外两位科学家真正实现了定点的基因编辑，也因此获得了2007年的诺贝尔奖。
之后的20多年，基因编辑技术经过了几代的发展，直到2012年发展到第三代，我们叫做CRISRP-Cas9的技术之后，基因编辑才变成几乎每个实验室都可以操作的技术了。
CRISRP-Cas9的好处就是简单和高效，贴一个标签它就对一个基因进行操作，贴两个三个就可以实现多位点的操作。所以自从它报道以来，国内外多位科学家就迅速跟进。哈佛的George Church教授和MIT的张锋教授无疑是这个竞争过程中的胜利者，他们首次将这套技术应用在了哺乳动物细胞中。
而我个人与基因编辑也是非常有缘份的，早在博士期间，我就利用最经典的同源重组的基因打靶方法构建了各种各样的基因修饰小鼠，虽然非常复杂。
我大概是2012年年底到的美国读博后，1个月之后，张锋和George Church关于CRISRP-Cas9的成果发表了，当时张锋就在我隔壁实验室。比较有幸的是，和我同一个实验室的同样来自中国的博后，叫王皓毅，他主要是研究第二代基因编辑技术，我们两个人就一拍即合。已发现的CRISRP-Cas9只证明了在细胞中的作用，它是否能够高效地运用在基因编辑动物中呢？当时大家都还不知道。
我们两人第二天就到隔壁的张锋实验室把质粒要来，将这套CRISRP-Cas9系统通过显微注射的方法注射到小鼠的受精卵中，然后移到小鼠体内。
所以我们在短短半年以内就证明CRISRP-Cas9可以高效获得各种各样的基因修饰动物，包括基因敲除的小鼠、基因敲入的小鼠、精确修复的小鼠，成果也发表在了生物领域最Top的杂志《细胞》上面。
一个比较有意思的小插曲就是，因为可能中国大陆的学生工作都比较努力，去了国外一般都遵循996的原则——可能比996还长。国外的博后一般每天最多可以操作100到200个胚胎，大家可以看看这个显微操作的胚胎，我们是一个一个进行操作的。
但是我当时做的速度非常地快，平均一天可以做超过400个胚胎，我的导师Rudolf Jaenisch就觉得有点惊讶，第二天跑到实验室来亲自看我做实验，看了之后他就心服口服了。
回国之后，我的搭档王皓毅去了北京中科院动物所，从事CAR-T的肿瘤免疫治疗方面的应用，而我则继续应用基因编辑技术来制作各种动物。这个从小鼠就变成了猴子，为什么做猴子呢？因为相对于所有模式动物来说，猴子的大脑发育和高级认知行为是特有的。如果我们应用基因编辑技术制造各种各样的基因工具猴，就有利于我们对大脑的理解，而且有利于一些脑疾病的治疗。
就在我们实验室刚刚成立一年，正准备生产各种各样基因编辑猴的时候，一个偶然的发现，完全改变了我们当时实验室整个的方向。
我们发现CRISRP-Cas9不仅仅可以编辑单个基因。小鼠有20对染色体，就是40条染色体，如果对一条染色体贴上1个标签，CRISRP-Cas9就对1个基因进行编辑，如果贴上10个标签，它就对10个基因进行编辑。当我们贴上100个标签的时候，发现它不是对100个基因进行编辑，而是整条染色体都消失了。
我们当时发现了这个非常兴奋，这是否可以运用到唐氏疾病的治疗呢？大家都知道唐氏又称21三体综合征，比正常人多了一条21号染色体，如果我们在多的那一条21号染色体上贴满标签，是否可以高效地消除这条染色体从而达到疾病治疗的目的呢？
为了验证这个想法，我们从唐氏病人的身上诱导了多能干细胞，在这个干细胞里有三条21号染色体，我们导入CRISRP-Cas9，发现它可以高效特异地消除这条多余的21号染色体。
相关成果发表之后，得到了多家媒体的关注和国际同行的高度评价，说我们这个技术可以为唐氏疾病的治疗提供一个新的途径。
我当时以为故事已经到此为止了，就接下来继续我们之前的研究。但是给我触动比较大的是媒体刚报道不久，我收到了许多唐氏病人家属的邮件，他们一个是鼓励我们继续开展研究，一个是询问我们这个方法什么时候能够上临床。
更有一些家长愿意慷慨解囊赞助这项研究。这在国外虽然非常常见，但在中国是非常罕见的。这比较打动我，所以从个人来说，我就开始更加关注罕见病这个群体。
罕见病其实并不罕见，全球目前发现的罕见病有7000多种，总人口超过3亿，比肿瘤总的人口还要多。而大部分是单基因的遗传型疾病，有一半发生在儿童时期，一旦发病是伴随终生的，终生带来痛苦。
唐氏综合征是我们国内最常见的一种新生婴儿缺陷，中国每年大概有2万到3万个唐宝宝出生。还有比较有名的像霍金患的渐冻症，以及我们比较熟悉的血友病、白化病，都属于罕见病。
90%以上的这一类疾病都没有任何的治疗方式。这个情况在中国尤为明显，有21种罕见病面临着国外有药但中国没有药的情况。
为什么罕见病的药物那么少呢？主要有两个原因，一个是，虽然罕见病的总人口比较多，但是分摊到每个疾病来说，它的人口非常少。
任何一个新药做研发大概都需要20亿到30亿美金的投入，是非常巨大的，即便是仿制药也要2亿到3亿美金。所以大公司一般都希望研发一些常见疾病的药，这样一旦研发出来，回报会非常高。任何一种罕见病都相当于一个原创的新药，它的成本非常高，而收益非常少，所以很多大公司都不愿意研究它。
另外一个，即便研究出来一些药物，它的治疗效果非常的有限。许多疾病需要终生服药。而且随着病程的进展，药物的效果越来越差，病人受到的伤害越来越大。不论是给病人，还是给社会，都带来了巨大的负担。
因为罕见病80%都是单基因遗传疾病，所以科学家其实早在70年代就提出，是否可以通过基因治疗的方式实现治疗，而基因药的概念也应运而生。在当时那个年代，基因药就是通过各种方式将外源基因正常的基因，导入到有基因缺陷的细胞中，达到功能恢复和疾病治愈的效果。
但是因为它是外源的基因，跟自己的基因不一样，会随着细胞的分裂丢失和降解，不稳定，能起的效果往往都是几周到几个月的时间。即便是目前为止最成熟、最常用的病毒导入的方式，也只能维持几年的效果。可能对于我们做实验的小鼠来说，两到三年的疗效就足够了。但是病人往往都是儿童时期得病，他们需要的是几十年效果的药。
随着基因编辑方法的日益成熟，科学家似乎找到了一个完美的解决方式，就是通过CRISRP-Cas9技术直接修复内源的基因，达到一劳永逸的效果。
打个比方，比如说衣服破了一个洞，你打一个补丁，看似非常简单高效，但是既影响美观又影响舒适。而基因编辑的方式就相当于精确地用剪刀和针线来缝合，达到原位修复的效果。
所以现在的基因药这个概念相比几十年前，又得到了很大的扩展，任何能调控基因的手段都可以称之为基因药，包括基因编辑，还有反义核苷酸、基因过表达等。
接下来给大家介绍一下整个基因药的研发流程，及基因编辑技术如何运用到罕见病基因药的研发。
我们拿脊髓性肌营养不良（SMA）来举例，这也是我们实验室正在研究的一个疾病。它的发病率是万分之一，在罕见病来说已经算是一个比较常见的疾病了。
它是一个常染色体隐性遗传病，是由于SMN1基因缺陷导致的。这个基因的携带率非常高，每50个人就有一个人携带它，如果父母双方都是携带者，孩子患病概率大概是25%左右。
由于这个基因的缺陷会导致运动神经元的凋亡，患这种病的小孩出生之后，大部分生存年龄都超不过两岁。即便有一些幸存下来，运动能力都极大地受到损害。
自从这个致病基因被发现以来，到最终这个疾病第一个药物上市，经历了21年的时间。为什么要这么长的时间呢？
一般我们研究单基因疾病都是这个套路。首先人类发现了这个疾病之后，通过基因编辑技术，希望在小鼠上重现这个疾病。
如何做到的呢？就是通过基因编辑技术将一个SMN1同源的基因给敲除掉，获得一个有疾病的小鼠。科学家发现，小鼠确实会像患病的人一样，运动神经元凋亡，在三周之内就会死亡。
得到了这个动物模型之后，基因治疗其实走了三分之一左右。之后科学家会想到各种各样干预的方式（反义核苷酸、基因过表达、基因编辑修复等），去恢复这个基因的表达，达到治愈小鼠的目的。
经过许多科学家十年的努力，终于在小鼠身上得到了非常好的治疗效果。之后可以开始申请临床实验。经过大动物的安全性评价，再经过漫长的一期二期三期实验之后，最终药物得到上市。
大家可以看到，罕见病的药物，从临床开始到最终上市，其实只有短短的3到5年时间。而我们一般常见的疾病的药物大概需要10到15年的时间。
为什么会缩短这么多呢？其实不论是美国的FDA还是中国的CFDA，都有对罕见病药物开绿色通道。因为这个疾病的病人少，为了节约成本，一旦对少数病人有效果的话，它就会有条件的上市。
这个药物大概是2016年年底上市的，上市之前，我听我们一个合作的医生说，他的病人家属都欢呼雀跃，他们的孩子终于有救了。但是其实没高兴太久，当这个药物的价格出来之后，家属都沉默了。
这个药物一次注射大概需要80万人民币，而且每年需要经过两到三次的注射，一旦注射之后就需要终生注射。这不是一般中国家庭能够承受得起的。
而更好的一个基因治疗方式是通过病毒介导的基因的过表达。对于脊髓性肌营养不良，它号称可以维持两到五年的时间，但是成本就更高了，大概是400万美金。而且它一旦进入到人体，因为是病毒带来的，就会产生抗体。如果第二次注射，会引起极大的免疫反应。所以病毒介导的基因药物一般都是一次性的。
所以我们就在想，能否有一种简单和高效，或者一劳永逸的方法来治疗？也就是基因编辑。我们实验室成功地利用基因编辑，在小鼠动物模型上实现了对SMA疾病基因的修复。修复之后大家可以看到，小鼠的体重都跟正常的无异，一般的患病小鼠三周之内就死亡了，而我们的小鼠观察了一年以上，都非常健康。
而且这种治疗的方式跟其他基因治疗的方式不同，看不到任何的衰减，所以我们接下来在考虑，如何将这套技术推向到临床。
在中国推动罕见病药物的治疗，其实并没有那么容易。
第一个瓶颈是是基因编辑技术核心专利的缺失。
大家可以看到，全世界已经上市的罕见病基因药大概有7种，7种都是刚刚我说的反义核苷酸或者病毒介导的过表达这些传统的基因治疗方式。而且清一色的都是国外的公司生产，所有的这些基因治疗技术的基础专利，都在国外公司手上。
到目前为止，虽然还没有基因编辑的药物上市，但是基因编辑的药物已经有2个上临床了，都是美国的公司生产的。从基因编辑技术2013年发现以来到上临床，其实只有短短的五年时间，发展是非常非常快的。
而对于基因编辑技术的核心专利，尤其是最早期的一批基础核心专利，也都是由欧美科学家申请的，专利也在他们的公司手上。我们要想研究基因编辑的药物，运用到基础的技术，就必须要承担高昂的专利费用。
**另外一个瓶颈就是中国基因治疗产业的不健全。**虽然基因编辑技术非常新，但是基因治疗这个概念其实国外已经做了几十年了，所以所有的药物都是在国外产生。
但是中国这个产业才刚刚开始，所以即便我们基础科研做的已经接近欧美科学家水平，但是面临的一个非常大的瓶颈就是产业化的转化，是如何生产临床级别的病毒，将这些基因编辑工具带入到人体内。
大家可以看到，基础科研和临床前研究，其实它真正的经济价值是不大的。但是一旦我们能够突破这个瓶颈，能够在一二期临床实验得到好的效果，它的价值是会成百倍地增长的。未来中国整个基因治疗产业面临的问题就是争取早日突破这个瓶颈，早日将我们基础科研的知识转化到临床上面去。
**第三个瓶颈就是基因编辑技术本身的问题。**为什么基因编辑技术已经被大家认为是一个最好的方式，但是到目前为止只有两个药物上临床呢？其实最关键的一点是它的不安全性，也就是基因编辑的脱靶效应。
大家可以想象一下，我们的目标位点只有一个，但是脱靶的位置有31亿个，所以脱靶的概率是非常非常高的。如果脱靶发生在癌基因或者抑癌基因之上，它就会导致癌症的产生。
如何高效地避免脱靶是一方面，另外一方面就是如何用高效敏感的技术检测到这些脱靶。我们实验室最近建立了一种能够全基因组范围内高效灵敏地检测脱靶的方法，我们发现目前应用最广的一项单碱基编辑技术存在大量的脱靶，所以它应用在临床是不安全的。
这个发现发表在了Science杂志上，一发表之后，有两家公司正在推向临床的两个项目就被迫终止了。大家可以想象，一旦它们上了临床之后，会对细胞造成大量的脱靶，病人早期可能可以受益，但是过了几年之后可能都会变成癌症的高发人群。
而就在前几天Nature杂志报道，和我们课题组最近将会发表的成果也发现，单碱基编辑技术不仅能造成DNA的脱靶，而且还会造成RNA的脱靶，进一步说明这项技术其实现在是非常不完善的。
大家不用悲观，其实从好的一方面讲，这也给了我们中国，不论是科学家也好，企业也好，一个机会。一个什么机会呢？就是我们能够建立行业的新标准，开发出更高效、更安全的基因编辑工具。如果我们能够在这场竞争中打赢，我们就很可能打破欧美科学家基因编辑核心专利的封锁。
来这之前我只知道一席是关注于科学和人文，今天刚刚听说还有个白日梦。我也忽悠了我几个学生一起做白日梦，我们的梦想很简单，就是想亲手做出一个罕见药，亲手交到病人手中，这样我们就不会在收到病人一封封邮件的时候爱莫能助。
刚刚也说了有7000种罕见病，可能我们这一辈子都做不完，其实我们还有一个更大的白日梦，就是希望建成一个罕见病药物研发的平台，让更多的人跟我们一起做梦。希望我们梦醒的时候就不是90%的罕见病没有药物了，希望绝大多数的罕见病都能有各自相应的基因药物。
最后讲一下，基因编辑技术如果用在不好的方面也会产生非常不好的影响。基因编辑婴儿事件，不论是在国内还是国外，在科学界、社会还是政府，大家都有一致的观点，就是坚决反对这类事件的发生。
所以说基因编辑工具本身没有错，而我们科学家所做的就是希望把这个工具越磨越锋利，让它越来越高效、越来越准确。到底它是变成了天使还是魔鬼，在于我们大家的选择。
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