基因編輯 相關文章

• 2024-08-10 焦點.科普好健康

  末期腎臟病治療曙光：未來可將豬腎異種移植到人體中，仍有「3倫理爭議」待解決！

  2024年3月下旬，美國波士頓麻薩諸塞州總醫院（Massachusetts General Hospital）成功移植基因改造豬腎，一名腎衰竭的62歲男子經過豬腎移植手術後，存活約7周身亡（並非因移植手術導致死亡），創下全球這類手術的先例，意味著基因編輯技術的新突破，也為末期腎臟病患者帶來希望。可望解決器官短缺奇美醫院首席醫療副院長田宇峯表示，隨著器官移植醫學的進步，「異種移植」不再是空談，有機會成為現行器官短缺的解方之一。據統計，國內每年器官捐贈人數約300-400人，遠低於目前還有一萬多人等待器官捐贈的需求，等待腎臟的人數高居第一位。其中有捐贈器官者約100多人，其他都是捐贈眼角膜、組織，真正捐器官的數量還是不多。移植常終身需服抗排斥藥以解剖學來說，豬的器官有許多跟人體很像，甚至大小幾乎一樣，例如豬心、豬腎，豬隻是已知的動物中，最適合作為人類器官的來源。田宇峯說，移植的方式可分同種移植、異種移植；同種移植又有同種異體、同種同體（同卵雙胞胎）。同種異體是臨床最常見的移植類型，但是身體的免疫系統會將移植器官視為異物，產生攻擊及破壞等排斥反應，需要終身服用抗排斥藥物。人與人之間的同種異體都會產生排斥反應了，更何況是異種移植，因此各國不斷研究尚待克服的關鍵技術。田宇峯提到，除了腎移植外，肝與心臟異種移植也有一些案例：中國大陸於3月中旬，成功把多基因編輯豬的豬肝移植到腦死患者體內；美國於2022年完成全球第一例豬心移植個案，存活二個月，2023年完成第二例，存活6周，雖然存活時間不久，仍開創新的可能性。過去，也曾研究過狒狒、猴子的異種移植技術，但豬的研究數量較多、手術結果成功，加上豬隻比較容易管控與飼養，量產成本也相對低，美國已經有生技公司設置高科技養豬場。藉由豬的器官使用，可視為移植的來源，但除了免疫排斥，還有倫理爭議，以及給人體帶來可能的危害風險。豬隻器官移植的倫理爭議1.什麼人適合：是否會因貧富支付能力差異而影響移植的分配及取得的順序，或是產生社會問題。2.傳染病風險：有些病毒躲在細胞內，在豬身上不會發病，但是在人的身上會，恐造成新興傳染病的傳播。3.動物保護：養豬的目的違反大自然的運作。異種移植的技術挑戰田宇峯說，異種移植技術並不困難，重點是器官能否正常發揮作用，只要免疫系統偵測到異物，就會產生排斥反應，把「非我族類」消滅掉。透過基因編輯的豬隻，可以把人體不要的、易被細胞排斥的基因除去，再加入基因來控制免疫反應。未來甚至可以「客製化」，用患者自身的基因進行編輯，包括二次移植等。台灣洗腎人口多，占比居全球第一，其中3成是糖尿病患者。田宇峯強調，要避免落到洗腎、腎臟衰竭等待換腎，一定要做好「控制慢性病」，糖尿病、高血壓、高尿酸都是高危險族群。不少人50歲罹患慢性病，沒有積極改善生活作息、飲食習慣，病因慢慢累積，60多歲被告知要洗腎，已經錯過黃金治療期。責任編輯　吳依凡

• 2023-05-19 醫療.泌尿腎臟

  中年男子勃起持久超過4小時，竟會永垂不朽？原因竟是「這貧血」所引起

  南投醫院泌尿科醫師李昇平近日曾遇到一個罕見病例，45歲中年男子睡醒後，竟發現自己持續勃起狀態，遲遲無法消軟，患處又硬又痛，歷經半天後，趕緊就醫處理。診斷後發現是陰莖異常勃起症，由鐮刀型貧血所引起，治療後已改善。如果延誤就醫時機，則可能會永久勃起功能障礙，引起一生的遺憾。陰莖異常勃起超過4小時需要就醫檢查此病人是陰莖異常勃起中「缺血型陰莖異常勃起」，陰莖持續勃起，海綿體持續堅硬，幾乎沒有動脈血流入海綿體，患者通常會伴隨有陰莖疼痛的狀況。大部分的病患並無法知道確切成因，病因可能與藥物、創傷或鐮刀型貧血有關，這位病人就是患有鐮刀型貧血（Sickle Cell Disease），就是血液中的紅血球呈現鐮刀狀，有時會阻塞在陰莖的血管，導致陰莖異常持續勃起，並且伴有疼痛感。患者在醫師抽吸海綿體的血液後，勃起症狀已明顯消退。李昇平表示，除了將海綿體的血液抽掉等保守治療，也可能會安排海綿體內注射腎上腺素受體促效劑，讓海綿體收縮，達到消退期。如果上述治療效果不彰，則需要考慮手術治療。李昇平提醒男性朋友們，如果在沒有刺激下，陰莖勃起持續超過4小時，建議就醫檢查，盡早接受醫療處理，若置之不理或延誤，勃起時間過長恐導致陰莖海綿體組織受損壞死，永久喪失勃起功能。【延伸百科閱讀】勃起功能障礙（陽痿）什麼是鐮刀型貧血？為什麼紅血球會變成鐮刀狀？鐮刀型貧血是一種遺傳性隱性疾病，此基因位在人類第11條染色體上，僅得到一個隱性基因則不會產生明顯的症狀，只有當從父母雙方都得到隱性基因時才會發病。這個隱性基因會影響到是血紅素的結構，獎原本圓盤狀的血紅素的外型，拉扯成為鐮刀型或新月型。鐮刀型紅血球相比正常的紅血球更容易破裂，壽命僅有20多天。病人會容易出現慢性且非常痛苦的疼痛，主因是異常的紅血球容易在關節等血流較慢處受到擠壓而破裂，當影響血液流動時，就會導致周遭組織產生疼痛與麻木感。當這種現象發生在陰莖時，就有機會導致「缺血型陰莖異常勃起」。鐮刀型貧血治療的展望目前鐮刀型貧血的藥物開發較為緩慢，目前還沒有藥物能夠治癒。目前科學將治療方式冀望於基因治療中：1.透過病毒載體將正確的基因帶入造血母細胞中，就能夠產出正常的紅血球，就有機會治癒鐮刀型貧血。2.透過基因編輯技術（CRISPR-Cas9技術），將原本胎兒使用的胎兒血色素持續生產(正常狀況出生後6個月停止製造)，相較於成人的血紅素有較好血氧親和力，也能解決鐮刀型貧血的異常血色素問題。不過鐮刀型貧血的好發族群是黑人，大多流行在低收入的非洲國家，因為鐮刀型血球無法被瘧原蟲（瘧疾的病原體）所寄生，較正常人更不容易被當地流行的瘧疾所傳染。但高昂的基因治療費用，讓這種治療方案能否順利普及，仍有待開發藥廠的持續努力。參考資料：Gene Therapy in Sickle Cell責任編輯：吳依凡

• 2022-04-14 新聞.健康知識+

  把走上癌細胞道路的細胞送進體內：為何基因編輯可能是把雙面刃？

  ▍這是一把雙面刃然而，說了這些並不表示基因編輯可以直接跳過安全性問題，特別是要應用在治療人類疾病時。目前，科學界正針對一項潛在的問題領域進行大量研究。p53 聽起來像是一條市郊的公車路線代號，但它其實是人體細胞裡最重要的蛋白質之一，特別是提到癌症的時候。有時候，p53 又被稱為基因體的守護者，這麼說也許誇張了點，但並不是太糟糕的描述。人體細胞總是接受各種因素的攻擊，如輻射和某些化學物質，這些都有可能造成DNA受損。如果修復不當，這些因素造成的變化可能會導致突變，在某些例子當中，這些突變最終引發癌症。對生物體而言，殺死受損的細胞通常是比較安全的做法，這時候就需要 p53 出馬，基本上，它的工作就是啟動細胞的自殺反應。如果，細胞失去了 p53，或者細胞內的 p53 無法進入活化狀態，往往會導致突變累積在細胞裡。少了功能正常的 p53，再加上突變累積，是大多數癌症的正字標記。基因編輯的過程其實就是剪切DNA，對DNA而言是一種損傷，因此，其中一個潛在問題就是：細胞「不會知道」這是我們刻意傷害DNA，於是就跟遇到其他形式的DNA損傷一樣，細胞會產生同樣的反應，尤其是活化 p53，藉此限制損傷繼續擴大。可能就是這個原因導致相關實驗中，基因編輯成功的細胞比例通常遠低於百分之百。未能編輯成功的細胞，可能就是太擅長預防DNA受損了，因為它們的 p53 正常發揮。二○一八年，有兩個研究團隊各自獨立證明基因編輯的效率確實會受 p53 機制影響。從這裡也衍生出令人憂心的假說：也許，編輯成功的細胞，是 p53 途徑有缺陷的細胞。在大部分實驗狀況下，這或許不是什麼大問題，但是，如果你打算把這些細胞放進病人體內，那就事關重大了。如果要把細胞放進病人體內，你得先對一堆細胞進行編輯，選出編輯成功的細胞，再把這些細胞注入病人體內。但是，如果這些細胞之所以被你編輯成功，是因為它們的 p53 系統有問題呢？這下子你等於用人為方式，把 p53系統有缺陷的細胞優先注入病人體內，而不是注入 p53 系統能夠正常運作的細胞。基本上，你可能就是把一群稍微走上癌細胞道路的細胞，送給了病人。這兩份已發表的關鍵文章中，作者負責任地指出，這樣的擔憂目前僅局限於理論上的可能性，而且只適用在基因編輯轄下的特定技術類群，也就是那些想要校正基因瑕疵，而非單純刪除基因的技術層面。了解基因編輯效率和 p53 存在與否的關係，其實很有幫助。我們可以藉此設計更好的實驗，來評估這項技術用於治療疾病的長期安全性。我們可以提出假說，驗證假說，檢查所有重新植入人體的細胞，是否都具備完整的 p53 途徑。這些結果都很好，但對專門做基因編輯的公開上市公司來說可不是。這類研究的消息一傳開，那些正在開發最先進基因編輯技術，藉此治療人類疾病的公司，股價下跌了五到十三點。只擔心 p53 的故事會影響股市，從許多方面來看都挺諷刺的。因為說到治療人類疾病，癌症是基因編輯極有可能發揮重大影響的領域，目前有一種新療法，在面對某些腫瘤類型時發揮了驚人效果。使用這種方法的科學家，從癌症病人身上提取特定的免疫細胞，透過基因改造的方法改變這些細胞，讓它們可以攻擊、摧毀癌細胞，並在二○一五年針對兒童癌症進行試驗，受試者都是對既有的其他癌症療法沒有反應的孩子。接受治療後，三十位病人裡有二十七位的癌細胞消失了，這種程度的療效在腫瘤界幾乎是前所未聞。基因編輯本身就是一項適合改造DNA的技術，上述這個療法採用基因編輯技術，針對特定病人創造出他們需要的免疫細胞，其實並不是什麼值得大驚小怪的事。目前，學術界和產業界正在全力探索這項療法。※ 本文摘自《竄改基因：改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》。《竄改基因：改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》作者：奈莎‧卡雷 譯者：陸維濃出版社：貓頭鷹出版日期：2022/01/24

• 2022-03-21 新聞.健康知識+

  免疫系統的豁免部位 眼睛可能是基因編輯首選器官

  ▍藥物傳輸要讓基因編輯在臨床上發揮效用，得面臨許多艱困挑戰，其中有一項跟基因編輯的基礎技術幾乎沒有關係。過去基因療法在發展上也曾受到這件事情的阻礙，那就是藥物傳輸的問題。我們很習慣吞藥丸或喝液體藥物，從藥罐裡倒出一顆藥丸，就可以吃藥了。問題是，這只適合阿斯匹靈、抗生素，或者是抗組織胺等傳統的小分子藥物。像基因編輯試劑這種分子結構大而複雜的製劑，就沒辦法用這種方式處理，因為它們無法通過胃裡面的高度酸性環境。想要讓某種大而複雜的分子分布在人體各處，一般來說會採取血液注射的方式。血液是人體的運輸網絡，負責運送營養物質、氣體和毒素到它們該去的地方。任何打進血液裡的物質，在運輸過程初期，都會來到人體的大型解毒器官——肝臟。解毒是肝臟最主要的工作之一，在任何奇怪的外來物質傷害人體組織前，將它們分解完畢。問題在於，對肝臟來說，基因編輯試劑就是奇怪的外來物質，於是肝臟開始幹活，分解這些外來入侵者。到頭來，抵達最終目標組織的試劑劑量過低，無法產生任何效用。這麼說來，針對韓特氏症進行的試驗，會採取比較舊的基因編輯技術也並不奇怪，因為它鎖定的目標是肝臟，試劑到了肝臟就抵達終點。事實上，就這個例子而言，肝細胞會吸收外來物質的特性絕對是個優點。如果科學家能製造出正確的藥物傳輸包裝，正常發揮功能的肝細胞其實有助於解開包裝，方便基因編輯試劑釋出。這麼一來，試劑很有可能直接進入肝細胞的細胞核，開始進行DNA編輯。如果一切順利，肝臟本身就能產生病人缺乏的蛋白質，把蛋白質釋放到血液裡，蛋白質就能隨著血液前往目標組織，然後開始工作。針對鐮型血球貧血症和地中海貧血症進行的試驗，也解決了藥物傳輸的問題，不過所用方法不同。基因編輯試劑被直接送進病人的細胞裡，但這細胞所在地點是實驗室，而不是病人體內。一旦編輯成功，再像輸血一樣把編輯過的細胞送回病人體內。儘管我們認為人體所有組織都是相連並且整合在一起的，尤其又有血液系統居中聯繫，但事情總有例外。這些稱為豁免部位的人體區域，就像是獨立於偉大聯邦實體之外的地方。其實，許多人對這種現象很熟悉，只是沒有意識到自己知道這件事而已。我們都曉得，進行腎、肝、心、肺，以及其他大部分器官移植時，最重要的就是希望捐贈者和受贈者的配對相符程度愈高愈好。其實，所謂的「配對程度高」，意思就是試著找到免疫系統辨識標籤盡可能相似的捐贈者和受贈者，這麼做可以降低風險，盡量讓時時處於警戒狀態的免疫防禦系統不要排斥移植器官。即使配對程度很高，通常，受贈者餘生中都得服用藥物來抑制想要發揮保護作用的免疫系統。但說到角膜移植，那就完全是另外一回事了。角膜是我們眼球前面透明的部分，角膜移植時，不用進行捐贈者和受贈者的配對程序，受贈者也無須服用抑制免疫系統的藥物。這是因為我們的眼晴其實躲開了免疫系統，是所謂的豁免部位。幾乎可以肯定的是，在演化過程中，這種方法可以預防眼睛產生危險的發炎反應，因為眼睛要是發炎，那是有可能失明的。因為不必擔心免疫系統攻擊進入眼睛的外來物質，所以眼睛成為基因編輯可利用的首選器官。我們可以把試劑直接注入眼睛的適當部位，因為我們已經知道，在眼睛裡的試劑不會被過度免疫反應清除掉。我們還知道，基因編輯的試劑不會離開眼睛，因此，不用擔心試劑進入錯誤組織，或者在別的地方展開編輯程序。以人體細胞和動物模型進行的實驗，早已說明基因編輯在眼睛細胞裡是可以發揮作用的。理論上來說，我們應該有可能利用這項技術來穩定，甚至逆轉各種形式的失明狀態，包括基因突變引起的色素沉著性視網膜炎，甚或是跟年齡有關，會影響一般大眾的眼疾，如黃斑部病變。※ 本文摘自《竄改基因：改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》。《竄改基因：改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》作者：奈莎‧卡雷 譯者：陸維濃出版社：貓頭鷹出版日期：2022/01/24

• 2022-03-14 新聞.健康知識+

  或許有一天，人類最好的朋友不再是狗而是豬？當使用動物器官做器官移植會發生什麼事

  ▍從三明治到器官有時候，病人的臨床需求太過極端，以至於使用藥物或其他現有技術，都無法有效地治療或治癒病人。有時候，一個全新的器官才能解決問題，也許是肝臟，也許是腎臟，也許是心臟或肺臟。不接受移植手術，病人的健康狀況勢必衰退，終將死亡。移植手術所需的技術已經存在，臨床做法也很完備，對病人的健康益處十分明確，而且是可以量化的。但每年還是有大量病患在接受移植手術前便已死亡。在美國，約有十一萬五千人需要這項救命的醫療干預措施，等待器官移植的名單上，平均每天有二十人死亡。這樣的情況在世界各地重複發生，即使一位器官捐贈者平均可以拯救八條性命，但就是沒有足夠的人願意在死後捐出器官。公眾意識活動特別強調這個議題，希望能提高器官捐贈率。有些國家，如比利時和奧地利，對器官捐贈採取推定同意制，也就是預設民眾對器官捐贈是默許同意的態度，除非對方明言反對。但全世界可用的移植器官仍大幅短缺，交通事故死亡人數下降的影響尤其重大，因為交通事故罹難者是器官捐贈的主要來源之一。我們亟需一種能夠供應相容器官的不同方式。如果不用依靠捐贈者，而是使用動物器官呢？這就是所謂的「異種移植」（xenotransplantation，希臘文「xeno」意指「外源」），是移植專家長久以來的夢想。豬的器官通常是最有可能的選項，因為豬的器官無論大小和結構都很接近人類器官，而且豬心的生理結構也和人的心臟非常相似。就功能而言，豬心也許能在人類的胸腔有不錯的表現。可惜的是，除了供應培根和豬肉，在豬成為人體替代器官的供應來源之前，我們還要克服許多障礙。然而，再一次地，基因編輯可能有助於我們小心翼翼地跨越障礙。幾乎所有哺乳類動物的基因體裡都有潛伏的病毒特工。很久以前，這些原本四處猖獗的病毒，轉而透過染病寄主來達到傳播目的。它們會將自己的遺傳材料插入寄主的基因體裡，然後在寄主的基因體裡沉睡，每當寄主細胞開始複製DNA，進行將細胞一分為二的細胞分裂時，病毒的DNA也會跟著複製。我們繁衍後代時，也順便用自己的遺傳緞帶包裝這些偷渡客，送給我們的子孫。哺乳類動物已經演化出許多分子防禦方式，讓這些入侵者保持靜定。然而，這些機制一旦瓦解，沉睡的病毒就會醒來，進入更活躍的狀態，再次橫行肆虐。豬也不例外。研究人員已經鑑定出潛伏在豬基因體裡的病毒，並指出它們確實在寄主的基因體裡靜待時機。這些病毒沒有死亡，也沒有分解，它們就是靜靜地待著，只要給予正確的刺激，它們就會醒過來。異體移植特別令人擔心的地方在於，這些感染豬的病毒，也能感染人類細胞。且讓我們想像一下，有個人接受了豬心移植，他幾乎非得服用藥物來抑制自己的免疫系統，把人體排斥豬心的風險降到最低。如果豬的病毒重新活躍起來，他的免疫系統可能無法以足夠的強度和速度產生回應，病毒可能就此抓住機會，導致接受移植的患者生病。更糟糕的是，接受移植的患者有可能把病毒傳播給其他人。人類這個物種不擅長應付未曾遭遇過的傳染病，當初歐洲人踏上現在我們所知的拉丁美洲時，一併帶著病毒登陸，消滅了七成五至九成的美洲原住民族群。這種程度的死亡率，應該不至於發生在上述人豬器官異體移植事件上，不過受到免疫抑制的人，包括年幼者、年長者和病人，若跟感染病毒的器官受贈者接觸，肯定是有風險的。在醫院出沒的人士，普遍而言多是病人，可以預期的是，器官受贈者會是醫院的定期訪客。喬治．丘奇是哈佛醫學院的教授，目前發表了約五百篇學術論文，並且用十九世紀探險家及傳教士（滿腮鬍子使他看起來像極了這些人）的滿懷熱情，採納了新的基因編輯技術。對於拓展基因編輯技術的極限，丘奇一直是重要推手，他對豬基因體的病毒研究就是絕佳的例子。豬的基因體裡有六十二個沉睡的病毒，利用基因編輯技術，他和團隊成員讓所有病毒同時失去活性——就早期的基因改造技術來說，這根本是不可能的任務，對後勤工作人員簡直是場噩夢——病毒從豬細胞至人細胞的傳播率因此下降了一千倍。兩年後，相關領域又有一個研究團隊向前躍進，其中一位領導者就是丘奇。他們原本的研究是在實驗室裡，以細胞培養的方式進行。二○一七年，他們結合基因編輯和動物複製技術，創造出經過基因編輯的豬隻，使牠們基因體中的病毒大盜無法再活化。曾有人引用丘奇的話，表示到了二○一九年底，我們有可能看到豬至人的異體移植發生。這話似乎過度樂觀了，至少在西方國家，如此激進的做法不太可能這麼快在道德倫理層面獲得認同。目前仍有許多其他障礙有待跨越，尤其是要預防外源心臟引發的快速排斥反應。不過，若能將針對各別技術問題的研究成果結合起來，我們的信心會逐漸增加，相信有朝一日能夠靠著基因編輯技術，用各種方式破解豬的基因體，讓藉此打造出來的豬隻具備異體移植成功所需要的確切特徵。最起碼，我們可以把期待先放在心臟、肺臟和腎臟上。或許有一天，人類最好的朋友不再是狗，而是豬。※ 本文摘自《竄改基因：改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》。《竄改基因：改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》作者：奈莎‧卡雷 譯者：陸維濃出版社：貓頭鷹出版日期：2022/01/24

• 2022-02-07 養生.聰明飲食

  「欺騙」萵苣產生更多營養素 科學家用一招讓萵苣維生素C增8倍

  你應該要知道的食事為了解決營養不良問題，以色列希伯來大學的Yarin Livneh透過基因編輯技術讓萵苣誤以為需要更多營養素來維持生命，使單位重量下的萵苣產生8倍維生素C。一般來說，各種食物所富含的營養素是固定的，也因此才會有著每日攝取量的出現，但在基因編輯技術問世後，將對人們對於食物的既定印象帶來巨變，例如將萵苣含有的維生素C量增加到原本的8倍。全球10％民眾面臨營養不良，基因編輯或許能改善根據聯合國於2021年發布的報告，目前全球不僅有3分之1的人無法獲得足夠食物，更有10％的人面臨營養不良，且全球營養不良問題可能在新冠肺炎疫情對全球經濟帶來的衝擊下，變得更嚴重為了改善這樣的問題，以色列希伯來大學的Yarin Livneh希望透過基因編輯技術使單位重量下的食物能帶來更多營養素。「欺騙」萵苣產生更多營養素！兩杯就能滿足一天所需維生素CYarin Livneh選擇先以萵苣作爲實驗對象。萵苣內含有維生素C、β-胡蘿蔔素等營養素，而營養素的量取決於萵苣本身運作所需，因此此研究者想藉著基因編輯技術調整生物體中調節營養素累積的區塊，讓萵苣誤以為需要更多營養素來維持生命，「欺騙」萵苣產生更多營養素。然而，Yarin Livneh面臨一個大問題：如何有效地使基因編輯器精準調整植物中調節營養素生產的區塊。在嘗試多種方式後，Yarin Livneh選擇採用病毒載體的方式，透過感染植物，將修改好的遺傳基因送到植物體內。經基因編輯的萵苣，其中的維生素C量增加到原本的8倍，可以說是「強化萵苣」，成年人一天所需80毫克的維生素C，只需要兩杯切碎的「強化萵苣」即可達成。歐盟禁止基因編輯，但商業化仍極具潛力儘管在全球重要市場之一的歐盟仍將基因編輯與基因改造視為同一類技術且禁止，但世界其他地區例如美國就積極開發基因編輯技術，2020年脫歐的英國也開始投入基因編輯研究，可見該技術極具潛力。此外，Yarin Livneh亦表示對於基因編輯作物商業化相當看好，認為將成為商業趨勢。在研究發佈後，已有當地農民和蔬菜供應商前來詢問，並對於種植和銷售非常感興趣，延伸閱讀▶繼基改馬鈴薯獲FDA核准後 美國J.R. Simplot公司推出可延長保鮮期的基因編輯草莓▶脫歐後管制少 英國核准基因編輯小麥實地種植▶對抗隱性飢餓！植物基因工程可以使產能穩定還可提升農作物營養價值？參考資料▶Nutritionally charged lettuce developed with CRISPR/Cas gene editing tech（本文獲「《食力》」授權轉載，原文刊載於此）

• 2022-01-18 新聞.健康知識+

  基因編輯的原理是什麼？一次看懂基因神剪CRISPR

  2018年11月，中國基因編輯寶寶引起舉世譁然！這個事件的前因，要追溯到2012年橫空出世的基因剪刀CRISPR，讓人類從此可精準、快速、便宜地編輯DNA。但這把剪刀目前仍有技術瓶頸，只適合治療可拿出體外的免疫細胞。中央研究院生物化學研究所的凌嘉鴻助研究員與團隊，正致力鑽研這項正在翻轉世界的基因神器CRISPR。▌為什麼需要基因編輯？編輯人體基因，就是修改人體DNA，主要動機是根治基因突變引發的疾病。但是我們真的需要基因編輯來治病嗎？由於DNA是生命的藍圖，指揮細胞生產蛋白質，維持人體的生長與運作。當DNA的重要位置發生突變，「細胞工廠」運作便會失控，就有可能造成生理失調，甚至引致白血病等重大遺傳疾病。凌嘉鴻解釋：「生病可以吃藥，但基因突變造成的疾病，單憑藥物只能控制病情。因為基因突變是從藍圖就錯了，細胞永遠只能製造錯誤的蛋白質。想要根治，最好直接更正藍圖，修改DNA。」基因編輯可以從源頭下手，找到錯誤的DNA片段，用一把分子「剪刀」切開，剔除這個錯誤的基因，或是在缺口處「貼上」正確的DNA片段。因此必須先有一把精準、能夠剪開DNA雙螺旋的好剪刀，CRISPR就是當前最好用的一把。有趣的是，它來自細菌的免疫系統。▌細菌裡的基因剪刀，快狠準摧毀病毒DNA1987年，日本科學家在大腸桿菌的基因體發現一段古怪的規律序列：某一小段DNA會一直重複（Repeat），重複片段之間又有一樣長的間隔（Spacer）。因其功能不明，科學家便把這段序列叫做CRISPR（clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats）。後來科學家陸續發現，許多細菌都有CRISPR，它是細菌免疫系統的一種機制，可以記憶曾經來犯的病毒。當時意想不到的是，這個看似不起眼的DNA片段，將會引爆基因編輯的大狂潮！故事是這麼開始的：當病毒入侵細菌後，會把自己的DNA注入細菌中，企圖霸占細菌工廠的資源以複製新病毒。但細菌也不會束手就擒，它們的免疫系統可以辨識、摧毀病毒的DNA。這是一場微觀世界的閃電戰，細菌的反擊必須夠快、夠準，才有機會存活。經歷一場血戰後，倖存的細菌會挑選一段病毒的DNA碎片，插入自己的CRISPR序列（增加一段Spacer），就像為病毒建立「罪犯資料庫」。當病毒第二次入侵，細菌就能依靠CRISPR序列快速辨識出這種病毒，並於第一時間反殺，提高存活率。細菌如何認出病毒呢？首先，細菌會用舊病毒的DNA片段（Spacer）當模板，打造一條互補的引導RNA，例如病毒DNA的鹼基是T、RNA是A，DNA是G、RNA是C，或是互相顛倒。引導RNA再利用這種互補關係，比對新病毒DNA片段，如果可以互補，表示新舊病毒相同。接著，細菌體內的武裝警察──可以切割DNA的酵素（例如某些細菌裡的Cas9）──會抓著這段引導RNA（嫌犯資料），「盤查」新病毒的DNA，看看有沒有與引導RNA互補的段落。這一次反過來，RNA是A，DNA是T；RNA是C，DNA是G，或是互相顛倒。一旦找到了，Cas9便會立刻剪開「被認出」的DNA片段，當DNA被剪斷摧毀後，病毒自然就沒戲唱了。這種細菌的免疫機制，統稱為CRISPR。▌基因神剪CRISPR這麼基礎的細菌免疫學，跟基因編輯有什麼關係呢？想想，基因編輯的關鍵即是找到一把可以切開DNA、又不會隨便亂剪的分子級剪刀。而細菌的Cas9酵素憑藉一段引導RNA，就能精準「喀擦」掉鎖定的DNA片段。好剪刀，不用嗎？實務上的操作方法很簡單：先將Cas9做好、放入冰箱，當想要剪下某段DNA，就訂做一條互補的引導RNA。然後將Cas9解凍，與引導RNA結合，再用電擊的方式進入細胞，讓它剪下錯誤的基因。壞基因剪下來了，又該如何貼上好的基因？因為細胞天生能自動修補受損的DNA，只要把正確的基因送進細胞核，就有機會被細胞拿來修補Cas9剪下的斷口，完成基因編輯。▌基因編輯技術大躍進CRISPR不是第一把基因編輯剪刀。早在1990年代，科學家就開發了許多種能「剪開」DNA的酵素。每種酵素有自己的特殊結構，只能跟特定的DNA片段結合，藉此精準切割目標基因。只不過，如果研究者想剪開另一段DNA，即使序列只有一點點差異，也要花費兩、三個月重新設計與組裝全新的酵素，技術複雜、耗時又花錢。直到2012年，科學家終於找到CRISPR這把神剪。它不像過去的酵素剪刀，每剪一種基因就得設計、組裝一把新的剪刀。CRISPR從頭到尾只用一把萬能酵素剪刀Cas9，加上一條引導RNA，就能切割所有的DNA。若目標基因更換，即訂購一條RNA就好，不需要重新設計複雜的酵素，這讓技術和價格的門檻大大降低。當CRISPR一問世，立刻鋪天蓋地被應用在細菌、真菌、動物、植物與人類醫學。與CRISPR相關的論文數量，2010年時還不到50篇，到了2015年已暴增到1,100篇。▌基因編輯治療免疫疾病，潛力無窮你或許會問：「既然CRISPR這麼好用，是不是可以終結所有的遺傳疾病？」可惜的是，這把剪刀目前仍有很多技術上的瓶頸，還不能直接把Cas9打進活體，必須把細胞取出再進行基因編輯較安全。例如：將免疫細胞取出以進行基因編輯，再放回體內。「最重要的瓶頸之一，是這把細菌的基因剪刀用在人體的DNA，不是百分之百準確。」凌嘉鴻慎重提醒。由於Cas9能辨認的序列是23個鹼基，但人體DNA鹼基序列有65億個；Cas9想要找到正確的序列，宛如大海撈針。以統計學方法來算，要從65億個鹼基序列裡找到一條獨一無二的序列，長度至少要28個，若低於這個數字，找到的可能只是相似的序列，因此Cas9無法保證統統剪對位置。當Cas9切錯位置，可能造成難以想像的副作用。「目前比較安全的做法，是先從病人體內取出細胞修改，確定沒問題之後，再放回體內。」凌嘉鴻說明。不過，大部分的細胞和組織都不可能任意取出，只有隨時懸浮在血液中的免疫細胞，抽血就能取得。如果有人免疫細胞先天不足，可以先把它們取出體外以修改基因，例如把T細胞取出來，「教會」它們癌細胞長什麼樣子，再把「變聰明」的T細胞放回體內，將癌細胞找出摧毀。近幾年，許多醫藥或癌症研究轉向CRISPR，像中國很早即開始將CRISPR搭配免疫療法，美國、歐洲也漸漸跟上。CRISPR還可用在幹細胞──先從病人身體取出幹細胞，在體外進行基因編輯，之後放回體內分化成各種健康細胞。這些實證研究，都說明CRISPR擁有無窮的潛力，未來可望成為醫療重要助力。※ 本文摘自《研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課》。《研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課》作者：中央研究院研之有物編輯群 出版社：時報出版 出版日期：2021/12/21