“基因魔剪”技术的发展及前景_医疗健康

2020

02/13

09:36

药渡医疗健康

“基因魔剪”CRISPR/Cas9技术问世后引发全球风暴

CRISPR/Cas9这项明星技术自2002年问世以来一直备受关注。该技术分别在2012、2013和2015年3次入选Science评选的“世界十大科学突破”，并被媒体评为21世纪最有影响的十大技术之一，也被认为是诺贝尔奖的有力竞争者。

市场规模方面，全球基因编辑（包括CRISPR、TALEN和ZFN）的市场规模预计将从2017年的31.9亿美元增长到2022年的62.8亿美元，复合年均增长率为14.5%[1]。其中，CRISPR技术的市场规模将从2018年的5.62亿美元增长到2023年的17.15亿美元，复合年均增长率达到25%[2]。这背后的驱动因素包括政府和私人机构的资助不断增长，以及未来CRISPR技术的高度普及。

融资情况方面，2018年全球TOP5基因编辑非上市公司募集资金总额已超过10亿美元。预计未来全球基因编辑相关公司融资额度将持续高涨。

疾病领域方面，基因治疗的“触角”已由最初的单基因遗传性疾病延伸至更广泛的疾病领域如肿瘤、镰刀贫血症、血友病、艾滋病、乙肝、遗传性精神病、自身免疫性疾病、神经系统疾病、心血管系统疾病以及代谢性疾病等。

研究文章方面，近五年内，有超过6500篇CRISPR技术相关文献发表（见下图），这个数量仍在每年递增，说明CRISPR技术已经成为目前基因编辑领域最炙手可热的研究工具。

图1 2015-2019年全球发表CRISPR主题文献数量

数据来源：Pubmed

CRISPR/Cas9 发展概述

CRISPR技术发现的前前后后经历了20多年的时间。最初于1987年，日本学者在K12大肠杆菌的碱性磷酸酶基因发现了串联间隔重复序列；随后科学家发现这种序列在细菌和古细菌的基因组中广泛存在。

2002年，该技术被Jansen正式命名为CRISPR，中文就是“成簇的规律间隔的短回文重复序列”，而在这个系统中常用到的核酸内切酶为Cas9。

之后经过6年的研究，终于在2005-2008年间证明了这种重复序列与细菌获得性免疫的关联。利用这个系统，细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除，这是细菌特有的免疫系统。

2012年底，Doudna和Charpentier为通讯作者的研究首次在体外系统中构建了CRISPR/Cas9，即可编辑的短RNA介导的DNA核酸内切酶，标志着CRISPR/Cas9基因编辑技术的问世[3]。

2014年Broad研究所（张锋团队）率先获得美国专利商标局关于CRISPR/Cas9技术的第一个专利授权。

CRISPR/Cas9技术的先驱者们，包括张锋以及两位女性科学家珍妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）和艾曼纽·夏邦杰（Emmanuelle Charpentier）(如下图)。

图2 张锋、Doudna和Charpentier

数据来源：药渡咨询团队整理

三位科学家在获得了众多荣誉和奖项的同时也获得了商业上的巨大成功：Editas Medicine，Intellia Therapeutics和CRISPR Therapeutics“三大先驱”公司分别在2016年2月、5月和10月IPO上市（关于三大先驱公司及其产品的详细介绍将在下期公众号发布）。

CRISPR/Cas9 专利之争

CRISPR/Cas9技术专利权之战更像是一段颇具传奇色彩的故事，其围绕着“在真核细胞中使用CRISPR/Cas9技术”展开。

这场战争的导火索是从2014年Broad研究所（张锋团队）率先获得美国专利商标局关于CRISPR/Cas9技术的第一个专利授权。而加州大学伯克利分校（Doudna）关于CRISPR/Cas9技术用于编辑细菌、植物、动物和人类等所有类型细胞的专利申请迟迟没获批。实际上Doundna的专利比张峰的早提交约7个月。但是由于张峰的专利申请了快速通道，专利还是授权给了张锋团队。这意味着张锋团队拥有在除细菌之外的所有生物，包括老鼠、猪和人身上使用CRISPR/Cas9的权力。

再把时间往前推，早在2012年，Doudna和Charpentier就合作在《Science》杂志上率先发表了CRISPR/Cas9在试管中精确切割细菌（原核细胞）DNA的文章。仅隔半年，张锋课题组于2013年年初在《Science》杂志上发表了首次在人类细胞（真核细胞）上实现CRISPR/Cas9基因编辑的论文[4]。

基于上述历史，2015年加州大学伯克利分校提起诉讼，以争夺回这一专利的归属权。至此，专利之争正式拉开帷幕。

经过2年多双方的举证和论战，2017年年初，美国专利局审查与上诉委员会就CRISPR/Cas9技术的专利纠纷案做出裁决，裁定张锋所在的博德研究所保留2014年获得的CRISPR/Cas9技术专利权，与加州大学伯克利分校的专利申请没有冲突，这使得Doudna和Charpentier（莎邦蒂）拥有的基因编辑专利失去广泛性。

虽然加州大学伯克利分校于2018年7月向美国联邦巡回法院提交上诉书，对美国专利审判和上诉委员会今年初做出的裁定表示异议，但是两个月后即2018年9月，美国联邦巡驳回上诉法院裁定，维持美国专利审判与上诉委员会的判决，即Broad研究所将继续拥有在真核生物中使用CRISPR/Cas9基因编辑的知识产权。

不过，在美国专利判决的胜利，并不代表赢得其他地区的专利权属。Broad研究所在欧洲的命运与美国完全不同。2018年1月，欧洲专利局撤销了Broad研究所的基础专利，这意味着张锋团队面临着丧失欧洲CRISPR/Cas9基因编辑技术知识产权上的主导地位的危险。

而加州伯克利分校在美国以外地区的专利权胜利却“节节攀升”，中国国家知识产权局（SIPO）于2018年6月已授予加州大学伯克利分校研究团队原核生物和真核生物CRISPR/Cas9基因编辑的专利权，这是其在欧美与Broad研究所发生法律纠纷的同一专利。欧洲专利局（EPO）也批准了加州大学的这项广泛性权利要求的专利。

当然，这场专利纠纷比人们想象的更加复杂。除了加州大学伯克利分校和Broad研究所，还有默克MilliporeSigma、韩国ToolGen、立陶宛的维尔纽斯大学（Vilnius University）和美国哈佛大学等，这六家均是早期向欧洲专利局提交CRISPR/Cas9技术专利申请的申请人。

尽管专利之争仍在持续，但这不会影响CRISPR/Cas9技术商业化的脚步。

基因编辑技术前景

目前，一款药物的研发需要花很长时间，除了证明其临床有效性之外，还需要确保药物的安全性，彻底了解药物的不良反应。同时，药物的开发及开发流程均需符合国家的药品监管政策，这也在一定程度上延长了药物的研发时间。有些药物研发进程长达数十年。

然而，应用基因编辑技术可以将定制疗法更快地推向市场，加速了药物研发进程。其中，CRISPR技术更加方便和灵活，它能快速地识别潜在的目标基因，通过“敲除”或“敲入”不同的基因，为研究人员提供了一种更快捷、更准确地研究成千上万个基因的方式，确定哪些基因发生突变或表达异常可能对特定疾病产生影响，从而使得临床前和临床实验更加高效。

目前看来，单基因遗传疾病是基因疗法最为理想的应用领域之一。例如，血液系统的单基因疾病如β-地中海贫血或镰状细胞病就是基因治疗的理想对象，该类疾病能够在体外进行治疗（又称为离体治疗）。患者的血细胞可以被取出，用CRISPR技术对其进行基因编辑之后，将无缺陷的基因引入到这些细胞中，再用化学手段筛选出基因缺陷得到修正的红细胞，并将这些红细胞移植回患者体内，以达到治疗的目的。

总体来说，基因编辑技术应用前景巨大，将在未来的医药研发市场中占据强有力的市场地位。

基因编辑技术局限性

不可否认的是，任何一项基因编辑技术都有局限性，不管是技术风险还是使用伦理风险。

CRISPR技术虽有高效、快捷、简便、成本较低，且不受物种限制等优点，但其始终有不可预测和不可控的脱靶风险，并且不适用于复杂的基因改造项目。而近一年吵得沸沸扬扬的“基因编辑婴儿”事件，再一次引起了全球基因学界的广泛关注，把CRISPR技术推上了风口浪尖。虽然案件审判已经结束，但三位已出生的基因编辑婴儿对人类社会的未来影响是无法估计的。

诚然，基因技术的发展方向是不断精准化并提高安全性，但目前其在精准度、效率及安全性上仍存在不足，人类距离可控的使用基因编辑技术，还有很长的路要走

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来源：药渡

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