Cas9编辑成人血液干细胞可以逆转多种血

2019年7月31日，弗雷德哈钦森癌症研究中心的研究人员在 Science 子刊 Science Translational Medicine 杂志发表了题为：Therapeutically relevant engraftment of a CRISPR-Cas9–edited HSC-enriched population with HbF reactivation in nonhuman primates 的研究论文。该项最新研究使用CRISPR/Cas9基因编辑技术编辑长寿命血液干细胞，删除了一段通常会关闭胎儿血红蛋白表达的DNA序列，使红细胞持续产生高水平的胎儿血红蛋白，逆转了几种血液疾病（包括镰状细胞病和地中海贫血）的临床症状。

这是首次专门编辑成人血液干细胞的一个特殊细胞群的基因。成人血液干细胞是血液和免疫系统中所有细胞的来源。研究表明，靶向干细胞的有效修饰可以降低血液病和其他疾病的基因编辑治疗的成本，同时降低可能发生的不良影响的风险。

在这项临床前研究中，研究人员选择了一种与镰状细胞病和β-地中海贫血相关的基因。其他研究表明，通过重新激活一种血红蛋白，可以逆转这些症状。这种血红蛋白在胎儿发育过程中起作用，但在我们一岁生日时就被关闭了。因此，胎儿血红蛋白（HbF）的活化正被作为血红蛋白病的治疗策略。

该研究中，研究人员使用非人类灵长类动物（NHP）自体移植模型，利用造血干细胞和祖细胞（HSPCs）的基因编辑，评估该方法对血红蛋白病的治疗潜力。这个临床前模型密切复制了人类干细胞移植的参数（造血恢复动力学、免疫表型标记物、细胞因子间的交叉反应性等），并提供了一个监测长期移植和外周血血红蛋白（PB）生成的机会。利用该模型，研究人员确定了一个造血干细胞（HSC）富集的靶细胞群（CD34+CD90+CD45RA-），该细胞群是快速、短期和持久的多系造血重建所必需的。

研究人员证明了1）移植后，CRISPR-Cas9编辑的非人灵长类动物造血干细胞和祖细胞可复制和稳定植入1年以上，2）胎儿血红蛋白的持续性活化与体内的编辑程度相关，3）通过靶向富含HSC的CD34+ CD90+ CD45RA-群体，靶细胞数量减少10倍以上。这些结果表明，CRISPR-Cas9编辑的造血干细胞和祖细胞可以在大动物模型中稳定植入，移植1年后，在外周血中可以检测到超过25%的编辑频率。这些发现应有助于促进基于造血干细胞和祖细胞的血红蛋白病和其他遗传疾病编辑方法的临床转化。

“通过证明如何对这组经过挑选的细胞进行有效的编辑，我们希望能将同样的方法用于治疗艾滋病和某些癌症等疾病。针对这部分干细胞可能会帮助数百万血液疾病患者。”通讯作者Hans-Peter Kiem博士说道。

“这种方法不仅能够有效地编辑细胞，还展示了它们在高水平上的高效移植，这给了我们很大的希望，我们可以把它转化为一种有效的治疗人类的方法。”“20%含有胎儿血红蛋白的红细胞——我们用这种方法观察到的——将接近足以逆转镰状细胞病症状的水平。”

“由于CRISPR技术仍处于早期开发阶段，证明我们的方法是安全的非常重要。我们在编辑过的细胞中没有发现有害的靶外突变，我们目前正在进行长期的跟踪研究，以证实没有任何不希望看到的影响。”第一作者Olivier Humbert博士说。

这是科学家首次专门编辑一小部分血细胞的研究，Kiem的团队在2017年发现这些血细胞只负责整个血液和免疫系统的再生。他的团队将这组被挑选出来的细胞区分为CD90细胞，CD90细胞是以一种蛋白质标记物命名的，这种标记物将它们与其他血液干细胞（另一种蛋白质标记物CD34所知）区分开来。

这种干细胞群的自我更新特性使它们成为一种强大的潜在基因治疗候选者，因为它们可以长期产生这些转基因血细胞，从而可以终生治愈疾病。由于它们仅占所有血液干细胞的5％，因此使用基因编辑机器对其进行定位将需要更少的供应并且可能成本更低。

研究背景

β-血红蛋白病，例如镰状细胞病（SCD）和β-地中海贫血是非常常见的单基因疾病，由β-珠蛋白基因突变引起，严重危害人类健康。

目前，β-血红蛋白病的唯一治疗方法是同种异体干细胞移植，但这种疗法具有明显的并发症风险，而且还受到供体可获得性的限制。干细胞基因治疗的最新进展为其他治疗方法带来了希望，其中一些正在进行临床研究。