市場空間超2千億，引爆細胞治療、基因治療、再生醫(yī)學、合成生物學多個領域，基因編輯技術如何顛覆醫(yī)療？

復制、剪切、粘貼，生命的字符就是如此樸實無華。

在實現(xiàn)基因的“讀”之后，對遺傳密碼的“寫”成為基因組學研究的下一個方向。早在1996年，第一代技術ZEN就為人們打開了基因編輯的大門，然而包括TALEN在內(nèi)的前兩代技術都沒有辦法實現(xiàn)精準編輯、解決脫靶問題，直到CRESPR技術的出現(xiàn)。 

2014年，加州大學伯克利分校、哈佛大學、麻省理工大學的科學家們創(chuàng)造了CRESPR技術。該技術的誕生改寫了科學家們對遺傳工程的理解，使得基因的編輯成為了輕松且精確的事情。

在這之后，基因編輯就成為了一把精準“魔剪”，CRESPR技術也一躍成為成為全球領域的投資熱點，不僅吸引了Jennifer Doudna、Emmanuelle Charpentier、Geroge Church 、張鋒等技術大牛進行創(chuàng)業(yè)，同時也讓輝瑞、諾華等跨國藥企爭相布局，蓋茨基金會、谷歌風投、ARCH Venture等全球一流投資機構(gòu)更是持續(xù)重倉。

如果遺傳物質(zhì)比作一本書，那么基因編輯就是書中對一個個文字，基因編輯就是修改里面對某個字、某句話，甚至整段話。在這項技術對推動下，基于基因編輯對各項應用研究得以飛速發(fā)展，研究方向覆蓋醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、海洋等領域。2021年，Allied Market Research曾指出全球基因編輯產(chǎn)業(yè)規(guī)模將在2030年將超過360億美元，約合人民幣2448億元。

在醫(yī)療領域，包括但不限于細胞治療、基因治療、再生醫(yī)學、異種移植、合成生物學等等，針對腫瘤免疫、眼科疾病、器官衰竭的顛覆性療法出現(xiàn)。每一個細分領域，都是近些年全球醫(yī)療投資的熱門風向。

談及基因編輯在醫(yī)療中的應用，首先想到的自然是癌癥的治療。比如2018年，諾華和賓夕法尼亞大學團隊利用嵌合抗原受體T細胞免疫療法（CAR-T）成功治愈一名患有白血病的女孩Emily。

這一類通過基因編輯手段，對人體免疫細胞進行改造和增強對方法叫做細胞免疫療法。其治療過程大致是從人體內(nèi)分理處具有活力的免疫細胞，在體外進行改造（或不改造）和擴增后在回輸?shù)讲∪梭w內(nèi)。這些回輸?shù)募毎邆涓鼜姷拿庖吡?，能夠給予癌細胞更強的打擊，從而達到疾病治療的目的。除了前文提到的CAR-T細胞，類似的還有TIL細胞治療、TCR-T細胞治療、CAR-NK細胞治療等選擇。

作為國際上研究最為火熱的腫瘤免疫治療方法， CAR-T療法在白血病、淋巴瘤、多發(fā)性骨髓瘤的治療中展現(xiàn)出驚艷的治療效果。目前全球一共有8款CAR-T治療產(chǎn)品上市，這些產(chǎn)品主要針對CD19和BCMA兩個靶點。此外，全球范圍內(nèi)等一眾公司也在積極探索CD123、CD33等新靶點，對應等研發(fā)管線也在迅速擴張，目前全球已經(jīng)有多家公司等實體瘤項目推進到臨床晚期階段。

通過篩選和鑒定能夠特異性結(jié)合靶點抗原的TCR序列，采用基因工程手段將其轉(zhuǎn)入到患者外周血來源的 T 細胞中( 或異源 T 細胞) ，再將改造后的T細胞回輸至患者體內(nèi)，使其特異性識別和殺傷表達抗原的腫瘤細胞，從而達到治療腫瘤的目的。

目前基于TCR-T的實體瘤研究包括肝癌、卵巢癌、膠質(zhì)母細胞瘤、肺癌和間皮瘤等。

目前全球范圍內(nèi)獲批上市的TCR-T 細胞療法僅一款，即Immunocore公司研發(fā)的免疫療法Kimmtrak，該療法被批準用于HLA-A*02:01 陽性的無法切除或轉(zhuǎn)移性葡萄膜黑色素瘤（mUM）成人患者。此外，Adaptimmune、TCR2 Therapeutics等公司也備受關注。

在腫瘤組織內(nèi)浸潤了大量 T細胞，這些細胞中存在部分針對腫瘤特異性抗原的T細胞，是能夠深入腫瘤組織內(nèi)部殺傷腫瘤的免疫細胞?；谶@一特性，TIL 療法將腫瘤組織中的 T 細胞分離出，在體外進行刺激擴增后，回輸?shù)交颊唧w內(nèi)，從而擴大免疫應答，治療原發(fā)或繼發(fā)腫瘤。

與其他細胞免疫治療不同，TIL 療法不需要對免疫細胞進行改造。新一代TIL療法增加了定向篩選過程，確保只擴增識別腫瘤細胞的免疫細胞。TIL不僅分離出的免疫細胞更對口，而且擴增的時候會再篩選，確保只留下針對癌癥的免疫細胞。

TIL療法目前主要作為二線治療進行臨床試驗。其中，Iovance Biotherapeutics的LN-145處于臨床II期階段，該產(chǎn)品在2019年被FDA授予突破性療法，用于治療復發(fā)性轉(zhuǎn)移性或持續(xù)性宮頸癌。這一領域，國內(nèi)亦生機勃勃。

目前大部分細胞治療產(chǎn)品都是利用患者自身細胞來進行改造和擴增，屬于個體化產(chǎn)品。然而患者之間存在個體差異，定制細胞是一個昂貴且耗時的過程。因此，為了提高靈活性，科學家和產(chǎn)業(yè)界一致的解決方案是探索通用型細胞治療產(chǎn)品。CAR-NK細胞治療產(chǎn)品在實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)上的潛力也讓它成為CAR-T細胞治療大勢初定后，各家爭奪的新賽道。

不過，CAR-NK走向更大規(guī)模的應用還有幾個技術難點需要攻克。比如NK細胞體外擴增培養(yǎng)比較困難，需要摸索合適的培養(yǎng)條件。同時，現(xiàn)有的CAR設計是從CAR-T療法延用而來，針對NK細胞的CAR還需要開發(fā)。另外NK 細胞對凍融過程敏感以及對基因工程的抗性也是需要關注和解決。這些問題的突破或?qū)⒒贜K細胞優(yōu)秀的抗腫瘤血統(tǒng)，為在CAR修飾的武裝下為腫瘤治療帶來新的突破。

遺傳疾病在某一種程度上也被成為基因病，大多說遺傳學疾病來自繁衍過程中，DNA的延續(xù)。針對遺傳疾病治療主要包括了人類生殖系統(tǒng)的基因編輯和體細胞基因編輯。

其中，針對人類生殖系統(tǒng)的基因編輯存在較多爭議，這種改造影響的不僅僅是單獨個體，這些改變可能隨著個體的繁衍代相傳，改變?nèi)祟惖倪z傳軌道。

（目前，針對生殖系統(tǒng)的基因編輯研究主要針對嚴重遺傳病，如囊腫性纖維化、亨廷頓舞蹈癥或者戴薩克斯癥。這些遺傳病都會造成使人衰弱的癥狀，預后情況都很不理想，而且都是由單基因突變導致的。或許在一個基因編輯安全有效的時代，這些疾病完全可以預防。）

這里我們著重談針對的體細胞基因編輯研究。基因編輯目前已經(jīng)能夠進行高頻率的基因修正，因此理論上可以應用于造血系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的數(shù)百種遺傳?。ㄈ珑牋罴毎?、X連鎖重癥聯(lián)合免疫缺陷和X連鎖慢性肉芽腫?。?。

當前，基于基因編輯技術的基因治療主要包括體外編輯回輸體內(nèi)和體內(nèi)編輯兩類。

與傳統(tǒng)基因治療方法相比，基因編輯技術能在基因組水平上對DNA序列進行改造，從而修復遺傳缺陷或者改變細胞功能，使得徹底治愈白血病、艾滋病和血友病等惡性疾病成為可能。目前，基因編輯在基因治療中的應用主要聚焦單基因疾病和眼科疾病。

單基因遺傳病是指受一對等位基因控制的遺傳病，如beta-地中海貧血癥、杜氏肌營養(yǎng)不良(ＤＭＤ)、血友病等。針對單基因疾病的基因治療，是通過將正常基因倒入彌補缺陷基因。

傳統(tǒng)技術手段通常采用病毒載體實現(xiàn)基因?qū)?，盡管病毒載體可以將所需的目的基因整合到基因組，持久表達以替代缺陷基因，仍存在較多安全性問題?；蛑委熝芯咳匀恍枰邆涮禺愋院透咝迯湍芰Φ墓ぞ摺RISPR基因編輯技術的出現(xiàn)猶如雪中送炭（當然，這里還有誘導多能干細胞發(fā)揮的價值）。

眼球體積較小，需要的治療載體較少。并缺，眼部區(qū)域具有免疫赦免，這既可避免外源性物質(zhì)引起的炎癥和免疫反應。由于眼球獨特的生理構(gòu)造，基于基因編輯的基因療法在眼科疾病治療上具有明顯優(yōu)勢。

多種嚴重的眼科疾病與基因突變存在密切聯(lián)系，因此，眼科疾病的治療對基因編輯療法具有強烈對市場需求。這為基因編輯療在眼科疾病治療中對率先應用創(chuàng)造了條件。目前，針對10型Leber先天性黑矇產(chǎn)品已經(jīng)上市。

基因治療藥物通過兩種方式發(fā)揮作用，一個是導入外源基因，一個是抑制內(nèi)源基因，隨著CRISPR基因編輯技術發(fā)發(fā)展和成熟，直接修復基因的基因編輯療法，將為基因治療帶來全新的局面。

再生醫(yī)學是根據(jù)組織的結(jié)構(gòu)與功能,修復治療受損組織器官的一門學科，其產(chǎn)生只在緩解器官不可逆損傷和移植組織器官緊缺的問題，并為疾病對治療提供了新的思路。

再生醫(yī)學研究中，穩(wěn)定的細胞因子表達是組織器官再生的一個關鍵因素。目前，這一問題的解決方案是基因治療，通過基因治療產(chǎn)生種子細胞，從而持續(xù)穩(wěn)定的分泌再生所需要的細胞因子，提供穩(wěn)定的局部環(huán)境，最終實現(xiàn)組織修復效率的提高。

這是目前針對因細胞不可逆損傷而導致疾病的一種具有前景的治療方案，具體的應用方向包括肝臟細胞、心肌細胞的修復。由于免疫排斥發(fā)生概率低、分化型號，且沒有倫理問題，基于誘導性多能干細胞（Induced pluripotent stem cells，iPSCs）的再生醫(yī)學研究被市場看好。

誘導性多能干細胞最初是日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）于2006年利用病毒載體將四個轉(zhuǎn)錄因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc）的組合轉(zhuǎn)入分化的體細胞中，使其重編程而得到的類似胚胎干細胞和胚胎APSC多能細胞的一種細胞類型。隨后世界各地不同科學家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其它方法同樣也可以制造這種細胞。

2012年10月8日，John B. Gurdon 與 Shinya Yamanaka 兩位科學家因此獲得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。

iPS細胞的出現(xiàn)，在干細胞研究領域、表觀遺傳學研究領域以及生物醫(yī)學研究領域都引起了強烈的反響。在基礎研究方面，它的出現(xiàn)，讓人們對多能性的調(diào)控機制有了突破性的新認識。

此外，iPS細胞在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管疾病等方面的作用也日益呈現(xiàn)，iPS細胞在體外已成功地被分化為神經(jīng)元細胞、神經(jīng)膠質(zhì)細胞、心血管細胞和原始生殖細胞等。在臨床疾病治療中具有巨大應用價值。

隨著iPSC技術臨床應用的逐步落地，日本作為iPSC的發(fā)源地快速推進了一系列由研究者發(fā)起的臨床試驗。而在iPSC療法的商業(yè)化方面，美國目前則處于前列，多家企業(yè)均有產(chǎn)品進入臨床試驗階段。

其中，來自美國的Fate Therapeutics是全球iPSC細胞免疫治療的領頭羊。這家公司成立于2007年，并2013年于美國納斯達克上市（NASDAQ：FATE）。

在其上市的前七年，公司股價表現(xiàn)一直不溫不火，2020年3月還曾陷入股價不足20美元的低谷期。可隨后的不到一年時間中，F(xiàn)ate的股價持續(xù)上長，2021年1月14日Fate迎來了其股價的最高峰121.16美元，巔峰時期市值超過100億美元。

國內(nèi)，啟函生物、霍德生物、艾爾普再生醫(yī)學、士澤生物等，較快的產(chǎn)品已經(jīng)逼近臨床，并且各自的應用場景各有側(cè)重，分別覆蓋幾個關鍵性的治療領域。

在iPSC賽道上，國內(nèi)外企業(yè)幾乎沒有太大差距。

再生醫(yī)學領域另一發(fā)展路線則是異種移植。

當人體當某種器官遭受嚴重病變，器官移植往往是唯一延續(xù)生命的辦法。但器官但合法來源只能依靠志愿者捐贈。全世界大約只有不到10%但患者能等到合適的器官，他們中的90%都只能在排隊等候的過程中絕望而逝。

幾十年前，有科學家提出了動物器官移植的假設，以此來克服供體緊缺的問題。由于器官組織結(jié)構(gòu)、生理功能和大小與人類器官相近，豬被視為器官移植供體的最佳動物之一。

但物種之間存在超急性排斥反應，如果直接將動物器官進行人體移植，患者勢必會因超急性免疫反應死亡。

超急性排斥反應是物種保持種系延續(xù)的天然防御機制。數(shù)十年間，科學家們嘗試研究一些藥物來控制這一反應，但都沒有取得成功。基因組學都發(fā)展使得人們能夠從分子層面認識免疫排斥反應的發(fā)生，也為人們提供了解決異種移植免疫排斥反應的另一種思路。

豬的器官可能攜帶多種對人類致病對致病基因，且靈長類動物體內(nèi)存在對一些抗體會對豬器官的某些蛋白進行攻擊，從而導致免疫排斥反應。這兩點是目前豬器官異種移植的技術障礙，如果從基因?qū)用鎸@些致病基因和蛋白的表達基因進行剪切和修飾，是否實現(xiàn)安全且有效的異種移植？

然而豬體內(nèi)約有100,000個基因，要在這些基因中尋找到需要的片段且精準編輯，則需要強大的基因編輯手段加持。無疑，CRISPR技術的出現(xiàn)再次讓理想照進現(xiàn)實。

2022年1月7日，美國馬里蘭大學醫(yī)學院完成全球首例轉(zhuǎn)基因豬心臟移植手術，患者大衛(wèi)·貝內(nèi)特術后三天情況良好，實現(xiàn)由豬心臟泵血。貝內(nèi)特在接受移植手術前已不支持人源心臟移植，于是手術得到了美國FDA的緊急授權。

貝內(nèi)特在2022年3月9日去世，盡管只延長了2個月的壽命，但在術后幾周內(nèi)，移植心臟都運轉(zhuǎn)良好，沒有出現(xiàn)排斥反應，他在臨床前幾個小時仍能與家人交流。

目前，馬里蘭大學醫(yī)學中心尚未公布患者死因。但這一例手術證實了經(jīng)過基因編輯的動物心臟在人體內(nèi)可以正常運作，不會立即發(fā)生排異反應。對異種移植領域而言，這是劃時代的醫(yī)學進步。

除了心臟移植外，全球領域還有多項針對豬器官異種移植展開的研究和試驗，主要研究方向包括胰島、肝臟、腎臟異種移植。

合成生物學這一概念由波蘭科學家W. Szybalski于1978年首次公開提出，它是將生物科學與工程學相結(jié)合的學科。

20世紀90年代，基因組學與系統(tǒng)生物學逐漸興起，為合成生物學的誕生奠定了技術基礎。21世紀初，科學家們嘗試在現(xiàn)代生物學與系統(tǒng)生物學的基礎上引入工程學思想和策略，誕生了學科高度交叉的合成生物學，成為近年來發(fā)展最為迅猛的新興前沿交叉學科之一。

合成生物技術是綜合了科學與工程的一項嶄新的生物技術，借助生命體高效的代謝系統(tǒng)，通過基因編輯技術改造生命體以設計合成，使得在生物體內(nèi)定向、高效組裝物質(zhì)和材料逐步成為可能，該技術應用于生物材料、生物燃料、生物醫(yī)藥等多個領域。

生物合成法通常通過對現(xiàn)有生物系統(tǒng)的改造，或者從頭人工合成基因組并重構(gòu)生命體的方式來得到新的代謝途徑，并通過這個新的代謝途徑來得到新的代謝產(chǎn)物。

從理論上看，通過生物合成技術可以合成絕大多俗化合物，甚至還可以合成傳統(tǒng)化工法不能合成的新材料。在醫(yī)療領域，這項技術被用于獲得醫(yī)藥原材料、催化劑、中間體等。

在這個場景中，大麻素是全球領域的合成熱點。全球約有40家從事生物合成大麻素的企業(yè)，根據(jù)大麻市場研究公司New Frontier Data的一項新分析，全球大麻消費市場價值3440億美元。

大麻素市場增長的一個關鍵原因在于大麻素的其他價值（例如醫(yī)用價值）正在越來越多被應用，而以發(fā)酵合成生物學方式進行低成本和高純度生產(chǎn)大麻素的公司將擁有更多機會。

另一面，而醫(yī)藥中間體也是合成生物學在醫(yī)療場景下最主要的應用之一。弈柯萊生物、酶賽生物、百葵銳生物在國內(nèi)都有從事醫(yī)藥中間體的開發(fā)，其中弈柯萊生物開發(fā)的丁酸作為西格列汀開發(fā)的中間體，西格列汀是一種口服降糖藥（抗糖尿病藥）；另外開發(fā)的2,4-二氟芐胺則作為熱門的抗艾滋病藥物度魯特韋的中間體，已經(jīng)列入WTO、蓋茨基金會等慈善機構(gòu)的采購目錄。

同時，弈柯萊生物與酶賽生物除了自主開發(fā)醫(yī)藥中間體外，也提供相應的生物催化領域的定制研發(fā)服務。

此外，中國另外一家合成生物學公司華恒生物則專精于生物合成各種小品種氨基酸產(chǎn)品，其中以丙氨酸為代表的系列產(chǎn)品其生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)位居國際前列。這種以微生物細胞工廠為核心的發(fā)酵法生產(chǎn)工藝替代了傳統(tǒng)化學合成工藝的重污染生產(chǎn)方式，生產(chǎn)成本更低，生產(chǎn)過程更為安全、綠色、環(huán)保。

由于合成生物技術更多圍繞微生物、細菌展開，所以在生物醫(yī)藥領域合成生物學的另一大應用場景聚焦于腸道菌群的“合成設計”。例如，美國生物技術公司Novome Biotechnologies通過對食品中常見的乳酸乳球菌進行工程設計，使其具備抗炎特性，作為控制克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎等疾病的有效治療方案。

當然，合成生物學領域也面臨兩個難點。第一點是上下游產(chǎn)業(yè)鏈的打通，這一點可以參考華熙生物。

華熙生物母在1998年便實現(xiàn)了透明質(zhì)酸的生物合成，最早原料生產(chǎn)為主要業(yè)務。成立之初，公司前后投入近千萬，一度處于持續(xù)虧損狀態(tài)。2010年，華熙生物開始向下游產(chǎn)業(yè)鏈做相關產(chǎn)品的開發(fā)與延伸。

公司先后“潤百顏”、“潤致”，“夸迪”、“米蓓爾”、“BM肌活”“黑零”、“水肌泉”、“海力達”、“海視健”等品牌，打通醫(yī)美、醫(yī)藥、日化和功能性食品等下游產(chǎn)業(yè)鏈嗎，最終成功構(gòu)建起自己的“透明質(zhì)酸王國”。

另一個難點則是技術上的工藝放大。細菌的獲取和改造僅僅是生物合成的第一步，在發(fā)酵完成后，在一罐混合物中進行產(chǎn)品的分離提純直接影響到產(chǎn)物的質(zhì)量；對發(fā)酵程度和溫度的控制直接影響發(fā)酵效率；從實驗大小的發(fā)酵罐到工業(yè)發(fā)酵罐的方法生產(chǎn).....這些都將是生物合成從小試、中試到大規(guī)模工業(yè)化必須邁過的門檻。

不過，在關鍵性技術突破和數(shù)十年研究的加持下，合成生物學在技術轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化方面都取得了了不起的成就。尤其在生物制作和醫(yī)療應用方面，更是展示出了無與倫比的潛力。基于目前合成生物學的發(fā)展趨勢，我們可以預見全球合成生物學產(chǎn)業(yè)集群的行成與壯大，以及對未來制造業(yè)的革新與顛覆。

以上為基因編輯作為工具類技術在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的部分應用。它的出現(xiàn)讓人們多年以前關于DNA分子的設想走進現(xiàn)實，顛覆了人們對疾病的治療、診斷的認知，對動物模型構(gòu)建方式的理解，甚至還改變了人類“造物”的方式。

在CRESPR技術誕生的不到十年間，人們對基因的改寫從笨拙走向靈活，以至于人們用“上帝之手”來形容它。

不過，目前中國的基因編輯行業(yè)也面臨比較明顯的短板，即缺乏具備自主知識產(chǎn)權的基因編輯技術。基礎科學的突破和取得核心專利是領域發(fā)展的關鍵，對基因編輯領域來說，也是如此。

盡管近年來我國在基因編輯方面取得了長足進步，論文數(shù)量和專利數(shù)量均已居國際第二位，但與美、歐等發(fā)達國家和地區(qū)相比，我國基因編輯不僅存在原始創(chuàng)新缺位的尷尬。大部分研究都以基因編輯的應用研究為主，但從基因編輯技術本身到應用研究的公司和研究人員鳳毛菱角。

此外，國內(nèi)對基因編輯應用研究的倫理學、監(jiān)督管理和法律法規(guī)也還需加強。應用研究的出發(fā)點應該是造福生態(tài)、造?；颊撸粦撌莻€人的炫技和滿足好奇心。我們很難想象這項技術的天花板在哪里，但可以肯定的是，我們需要時刻銘記——科技一直都是把雙刃劍。

文章來源：動脈橙果局