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爱玛所接受的基因疗法是受到试图复制布朗治愈疗法的研究的启发。布朗的经验不仅仅影响了HIV治疗研究的路线,更影响了癌症基因疗法的走向。这是因为朱恩能够根据T细胞修改(HIV基因疗法试验里,以CCR5为目标来修改的T细胞)时所得到的教训,使爱玛接受的疗法更臻完美。
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朱恩的征兵号码是50,这不是个好数字。在1944年至1950年出生的任何一位美国男性,征兵号码若少于195号,就会被归类为1-A,然后被要求报到服役。朱恩知道那个号码代表的是什么,他必须去越战前线作战。这是1971年,而他刚高中毕业。两年后,战争结束,但朱恩的军旅职涯才刚刚开始。他进了安纳波利斯美国海军军官学校,之后,朱恩为了要“掌控他的命运”,决定学医。这是一种把握长期义务服役的方法。到了20世纪80年代初期,他已经成为一个小型医生团体中的一分子,他们被选往日本学习一种复杂的疗法:骨髓移植。
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对美国军队而言,这一行动与治疗癌症无关。20世纪50年代,随着对核战的恐惧提升,美军认为辐射中毒对民众来说是个相当大的威胁。曼哈顿计划期间,一群科学家观察到脾脏似乎能够屏障辐射中毒。依据这个观察,他们在1951年对小鼠进行了首次骨髓移植。他们的成果是显著的:这一过程——将从骨髓里提取出的干细胞重新注入小鼠体内,能够将动物从致命剂量的辐射中拯救回来。
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朱恩从专家爱德华·唐纳尔·托马斯那里学习的骨髓移植技术,爱德华·唐纳尔·托马斯是1956年第一位进行人体骨髓移植的人。托马斯的成就大幅提升了像布朗这样的患者的存活率,也让他于1990年获得了诺贝尔医学奖。朱恩对癌症研究的兴趣被激发,但当得知在日本的计划不能继续时,他感到非常失望。而这纯粹因为军中没有进行癌症研究。由于无法再研究癌症,他决定转向海军军官学校正开始大力投资的感染性疾病项目:HIV。如果由他自己决定的话,他不可能选择癌症和HIV差异这么大的训练,但正是因为军队之故,朱恩拥有完美的背景,让他发展出一种治疗两种疾病的全新疗法。
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在20世纪90年代中期,朱恩在位于马里兰州的贝塞斯达,现今称为沃尔特·里德国家军事医疗中心工作。隔着一条街,中心对面就是美国国家卫生研究院。当时,一位博士后研究员前来应征他实验室里的一个职缺。布鲁斯·莱文来自一个科学世家,从高中开始就在实验室工作。当应征朱恩的实验室职缺时,他就坐在自己出生的产科病房正上方两层楼处,这有如前兆一般。莱文加入了朱恩的实验室。他身为一位博士生,很高兴成为医院环境的一部分。
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莱文和朱恩开始探究如何使T细胞在人体外生长。当时,在实验室里培养T细胞是一项重大挑战,涉及细胞信号分子或者是树突状细胞的复杂混合。不难想象,对于研究HIV的人来说,这种情况并不好。研究人员需要一种简单的方法来模拟人体细胞内的病毒。朱恩和莱文解决了这个问题,方式是制造一个人工树突状细胞。树突状细胞是一种全身都会产生的免疫细胞。被称作树突,是因为它们有像树一样的有趣外形,细胞的边缘像是树根一样分叉。除了其他功能,它们还向T细胞提供信号,告诉细胞要熟化。朱恩和莱文培育了一个人工的树突状细胞:一个细小的珠子,可以在T细胞里诱发相同的效果。人工细胞相当成功;每两周将它们加入培养的T细胞中,T细胞就可以轻易地在培养箱中成长。但是,当他们在从HIV携带者身上提取的T细胞上测试他们的技术时,奇怪的事情发生了。一度蕴藏病毒的T细胞,突然能抵抗HIV感染。这是个谜:人工的树突状细胞如何赋予抵抗HIV感染的能力?
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答案在他们1996年发表论文之后才拨云见日:在培养箱中培养的T细胞没有表现CCR5。人工树突状细胞除了告诉T细胞要熟化之外,也将CCR5从细胞表面清除。没有CCR5,HIV就无法感染细胞。
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朱恩和莱文继续他们的研究,这些观察让他们印象深刻。朱恩将他们的实验室迁到宾夕法尼亚大学,并在2004年接待了一位老朋友的拜访。这位老朋友是戴尔·安多。在该年落脚于桑加莫生物科技公司之前,安多曾短暂任职于好几家不同的生物科技公司。他为朱恩带来了一个疯狂的点子:用“星际大战法”来治疗HIV。安多假设,他们“如果能打倒HIV进入T细胞所需要的辅助受体呢”?这主意听起来疯狂,但更疯狂的是安多拥有的数据。他们能够打倒辅助受体的效力只有1%。耗费时间和金钱在这样没效率的技术上真是疯了。若是其他人,而不是他的朋友安多提出来,朱恩有可能否决整个想法。但事实就是,朱恩告诉莱文这个点子,然后不屑一顾地加了一句:“是啦,最好这样行得通。”
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1995年,爱德华·兰菲尔创立了桑加莫生物科技公司。出于对基因疗法的强烈兴趣,兰菲尔曾为索马堤克斯工作,这是搭上基因疗法风潮的创投公司中的一家。就基因疗法而言,这是一个充满挑战性的时期。几乎每个兰菲尔想要取得的基因都已经有人拥有,知识产权上的限制正在弱化这个新产业。兰菲尔坦言:“这很不理想,你只能取得你有办法得到的东西。”
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在协商这些复杂交易的过程中,兰菲尔开始关注斯里尼瓦桑·钱德拉塞加兰的研究。钱德拉(朋友都这么叫他)曾是约翰霍普金斯大学杰瑞里·博格实验室的博士后研究员,当时他创造了锌指核酸酶(ZFN)并且取得了专利,这是一种小型的基因编辑机器。为了制造它们,钱德拉将两种从自然界借来的机制组合在一起。第一种是锌指,锌指在研究非洲爪蟾的RNA时首度被发现。科学家纳闷这种生物的RNA如何坚固地黏附在特定一种蛋白质上。他们发现,秘密在于一种蛋白质的特殊结构,它有着拉长如指状的结构,以锌离子为中心连接在一起。在自然界中,这是一个完美的例子,说明了如何瞄准特定的DNA并将之抓起来,这个东西就是锌指。钱德拉将几种锌指蛋白质缝合在一起,然后将它们附着于一种能切割DNA的酶上。这些被称为限制性核酸内切酶的酶,最早是在细菌里发现的。神奇的是,细菌用这些酶来击退病毒。酶将入侵者的DNA从原生的DNA内切除。这些酶是分子生物学和克隆的有力工具,让科学家能够切割他们正在研究的DNA,并重新排列。钱德拉将锌指的DNA抓取特征和限制性核酸内切酶的DNA切割能力结合,创造了一种全新的工具。
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不过,索马堤克斯对锌指核酸酶兴致索然,但这没有阻碍兰菲尔,他知道自己已经找到一种强大的新科技。在被知识产权法所困扰,使基因疗法陷入瘫痪之后,兰菲尔很感激有了这个全新方法来塑造基因。他决定孤注一掷,成立自己的公司。靠着家人和朋友,他筹措了75万美元来开创他的事业。回想那些年时,兰菲尔说他“应当很害怕才对”。不过,那些年却令人感到振奋。
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用这个来对付HIV的想法是数年后,戴尔·安多加入公司时才有的。他和桑加莫的科学主管菲利普·格里高利构思了一项计划,想利用锌指核酸酶的专一性来攻击HIV进入T细胞所需的辅助受体。每个锌指都被设计成只黏附在基因的特定部位。桑加莫为HIV设计的锌指核酸酶专门瞄准CCR5,而且只会瞄准CCR5。锌指会与DNA的12个碱基——A、T、G、C——相匹配。若要去除CCR5基因,只抽出一条DNA链是不够的,因为细胞会修复它。应该要将编码CCR5的两条DNA链切割,因为细胞无法好好修复双链断裂。我们的修复酶需要互补单链所包含的信息才能重建基因。这就像是破坏一栋建筑,如果只拆掉一面墙,只要依靠剩余的墙的结构也能修复。但假使我们拆掉所有墙,建筑就完了。
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因为这个理由,两个锌指核酸酶被送入细胞核。每个锌指朝着它特定的目标前进:编码CCR5基因的单链DNA(见图25.1)。锌指黏住DNA,将分子牢牢抓住。只有当DNA已经在其掌中,锌指核酸酶才会开始进攻。如果各自行动,任何一个酶都没有切割DNA的能力。但当两个锌指核酸酶完美排列,它们就成了一个二聚体,两半合一,能精准地切割双链DNA。这就是对付HIV的方法。使用专门针对CCR5的锌指核酸酶,它们就能将T细胞表面的CCR5一扫而尽,阻挡HIV进入细胞。
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基因疗法有潜力作为疫苗,防止接触病毒的健康人士受到感染。它也可以是一种治疗方法,将病毒从那些蕴藏病毒的人体内消灭。这是一种极为创新的方法,可能太过创新了。对于大部分头一次听说这一方法的科学家而言,实在太疯狂了。
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图25.1 锌指核酸酶将CCR5移除的方式
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两个锌指核酸酶被送入一个细胞,每个都包含能够黏附CCR5基因的区域。当它们都黏着在基因上,伴随着它们的限制性核酸内切酶会结合并且让双链DNA断裂。被施予锌指核酸酶的细胞没办法制造CCR5蛋白质,因此将HIV阻于门外。
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朱恩也不例外。尽管如此,因为命运之故,朱恩的背景可说是为这项不寻常的计划量身定制的。20世纪90年代培养T细胞的那些日子,让他有了处理CCR5和HIV的经验。他正在积极寻求治疗癌症患者的基因疗法,并对如何将其应用在HIV上感兴趣。他有操纵和移植血液细胞的经验。这些要素结合在一起,让他有完全适切的经历,来进行这项看起来疯狂又复杂的计划。事实上,以这项计划所需的混合研究经验来说,很难想象有其他研究人员有办法应付。
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朱恩和他的团队勉强地从桑加莫那里取得CCR5锌指核酸酶,并在直接由病人身上提取的T细胞上开始进行测试。他们私底下嘲笑这种方法,称其为对付HIV的星球大战。他们处理难搞的人类细胞,然后找到办法让干扰CCR5的方式更为完善。而后,他们将细胞注射到小鼠模型中。不过这不是随便一个小鼠模型:朱恩和他的团队选了一个人源化小鼠模型。
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人源化小鼠是动物模型领域的最新趋势。在动物身上模拟疾病的问题是,其永远无法完全模仿人体内的病原体。人类疾病在小鼠身上的表现与在人类身上的不一样。以HIV来说,问题相当严重。小鼠不会感染HIV,因此我们转而使用猴子感染模型来替代。但即使是在我们的灵长类表亲身上,我们也遇到了问题。除了黑猩猩,猿猴类不会感染HIV,但由于它们在野外濒临绝种,黑猩猩已经不得再被用作动物模型。反之,我们用的猴子模型感染的是SIV,亦即猴免疫缺陷病毒。SIV是HIV的近亲,其行为与人类的相似,但绝非一模一样。SIV有超过40种病毒株,各自原生于不同的灵长类物种。尽管有多样的病毒株可供选择,但从基因上看,最常用于研究的SIV病毒株中只有50%与HIV的病毒株相符。
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HIV和SIV之间最大的不同,可能在于大部分的SIV不会导致疾病。病毒在猴子体内繁殖,却没有太大影响,猴子依然可以正常生活。随着时间的推移,病毒和猴子的共生逐渐修正,进化替病毒与宿主之间稳定的休战状态铺平了道路。猴子可以如此,但人类不行,原因在于它们与SIV共存的时间比人类久,可能超过3.2万年。相较之下,HIV只有100年来适应我们,而SIV有的是时间来解决这些问题。
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因此,大部分SIV模型并不太适合用来研究HIV。因此,研究人员开发了SIVmac,将一种从白颈白眉猴身上提取到的SIV,置入恒河猕猴体内。恒河猕猴是一种在野外不会自然感染SIV的猴子。因此它们还没有时间适应病毒,尤其是来自另外一种猴子的病毒。这就是为什么SIVmac行为更像HIV:它会致病,甚至致死。
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