三年多前，柏林的一個醫療團隊公佈了一項獨特實驗的結果，這讓艾滋病病毒研究人員感到震驚。這個德國小組從一位匿名捐贈者身上提取了骨髓——人體免疫細胞的來源——這位捐贈者的基因遺傳使其天生對艾滋病毒具有抵抗力。然後，研究人員將這些細胞移植到一位患有白血病且艾滋病毒呈陽性已超過10年的男性體內。儘管治療患者的白血病是骨髓移植療法的理由，但該小組也希望移植能提供足夠的抗艾滋病病毒細胞來控制該男子的感染。治療效果超出了該團隊的預期。移植不僅減少了患者血液中艾滋病毒的數量，還將病毒的所有可檢測痕跡從他的身體中清除，包括可能處於休眠狀態的多個組織中。德國研究人員對如此驚人的積極結果感到驚訝，以至於他們等待了將近兩年才公佈資料。
這個訊息聽起來好得令人難以置信。然而，在該患者接受初步治療五年後，這位所謂的“柏林病人”（後來公開了自己的身份，即加利福尼亞州的蒂莫西·雷·布朗）仍然沒有表現出攜帶艾滋病病毒的跡象——儘管在這段時間裡他沒有服用任何抗艾滋病病毒的抗逆轉錄病毒藥物。在過去幾十年中感染艾滋病毒的6000多萬人中，布朗是迄今為止唯一一位似乎有充分記錄表明已根除感染的個體。
這種方法由於許多原因無法廣泛應用，其中最主要的原因是患者自身的免疫系統必須作為第一步被摧毀——這是一項非常冒險的 undertaking。但這項意想不到的成功激勵了世界各地的研究人員，看看他們是否能找到更安全、更廉價的方法，為患者提供像布朗接受的那樣的新型抗艾滋病毒免疫系統。這樣一項壯舉將使醫生能夠基本上對艾滋病毒關上大門，使其無法在體內細胞與細胞之間傳播。最終，改良後的免疫系統也可能清除體內各種隱藏部位殘留的任何艾滋病毒。與僅僅抑制病毒的先前療法不同，一種模仿柏林治療的新方法——如果成功——將消除病毒並有可能治癒疾病。
事實上，我們兩人和我們的同事認為，我們可能有一種更簡單的方法為艾滋病病毒患者提供像柏林病人成功治療背後的那種免疫系統。該程式在實驗室中顯示出希望，我們現在正在少數艾滋病病毒感染者身上進行早期臨床試驗。我們還有很多工作要做，並且不能保證該療法會有效，但柏林病人持續擺脫艾滋病毒感染以及我們自己的初步結果讓我們感到，我們正在開發的治療方法很可能改變今天數百萬艾滋病毒感染者的生活。
微調免疫系統
我們設計免疫系統以對抗艾滋病毒的方法建立在解決兩個相關挑戰的研究之上。科學家需要弄清楚如何增強免疫系統對抗艾滋病毒。他們還需要找到一種方法來阻止艾滋病毒進入其偏愛的細胞，即 CD4+ 細胞，也稱為輔助 T 細胞。這些特殊的 T 細胞充當免疫反應的四分衛，透過協調許多不同型別免疫細胞之間的相互作用。當艾滋病毒首次感染輔助 T 細胞時，病毒不會造成任何真正的傷害。然後在稍後，當免疫細胞被啟用以對抗正在進行的感染時，它反而會吐出更多的艾滋病毒複製。更不幸的是，艾滋病毒最終也會殺死這些協調細胞，從而削弱免疫系統對抗許多其他感染的能力。透過這種方式，艾滋病毒有選擇地消滅了免疫系統中訓練有素的“球員”。隨著它們的減少，身體對抗感染的能力也隨之下降，直到艾滋病——以致命感染為標誌的晚期階段——發作。
弄清楚如何增強免疫系統，更不用說保護輔助 T 細胞了，這並非易事。然而，當柏林病人的訊息傳出時，在兩個方面都已取得進展，儘管是在不同的研究方向上。
多年來，研究癌症的科學家以及研究病毒感染的科學家一直在尋找增強免疫系統的方法——例如，從患者身上提取 T 細胞，將它們暴露於導致它們增殖並變得更活躍對抗癌症或病毒感染的物質，然後將增強後的細胞返回到患者體內。我們兩人在 20 年前加入了這項工作，當時萊文來到現在的馬里蘭州貝塞斯達的沃爾特·裡德國家軍事醫療中心與瓊一起工作。在其他人的工作基礎上——尤其是西雅圖弗雷德·哈欽森癌症研究中心的菲利普·格林伯格和斯坦利·裡德爾以及休斯頓貝勒醫學院的馬爾科姆·布倫納和克莉奧娜·魯尼——我們開始了改進體外培養 T 細胞方法的實驗。當時，只能透過使用複雜的化學信使混合物，或者透過從捐贈者的血液中提取另一種稱為樹突狀細胞的細胞（通常指示 T 細胞成熟並急劇增殖）來在實驗室中培養來自捐贈者的 T 細胞。
我們認為我們可以透過建立人工樹突狀細胞來簡化該過程。從微小的磁珠開始，略小於 T 細胞，我們將模擬樹突狀細胞上分子的兩種蛋白質附著到其表面。當在實驗室燒瓶中與 T 細胞混合時，事實證明這些珠子非常有效地完成了它們指定的任務。透過大約每兩週補充一次珠子，我們可以保持活躍的 T 細胞群快樂地繁殖兩個多月，並將其數量增加一萬億倍。
當我們開始使用從艾滋病病毒陽性志願者身上採集的血液樣本測試這種方法時，我們驚奇地發現，我們產生的 T 細胞具有顯著的——儘管是暫時的——抵抗艾滋病毒侵襲的能力。我們於 1996 年 6 月發表了我們的結果，當時我們仍然不知道為什麼我們用於培養 T 細胞的磁珠方法會提高它們對艾滋病毒感染的抵抗力。但同年晚些時候，出現了一條重要的線索，最終將有助於解釋這個謎團。
感染的門戶
在我們開發 T 細胞培養系統的同時，其他研究人員發現了艾滋病毒攻擊方法的關鍵缺陷。在艾滋病流行初期，研究人員已經確定了少數個體，他們似乎對艾滋病毒感染具有高度抵抗力，儘管他們曾多次暴露於該病毒。在 1996 年底，在一次科學出版狂潮中，多家實驗室報告稱，一種稱為 CCR5 的特定蛋白質，它位於輔助 T 細胞和某些其他細胞的表面，就像一扇門戶，允許艾滋病毒進入。此外，研究人員表明，天生缺乏該蛋白質的人不會被感染[參見斯蒂芬·J·奧布萊恩和邁克爾·迪恩撰寫的“尋找抗艾滋病基因”；《大眾科學》，1997 年 9 月]。
門戶的缺失是由於編碼細胞表面蛋白質的基因中缺失了 32 個核苷酸（DNA 字母表的 A、T、C 和 G 字母）造成的。缺失導致縮短的 CCR5 蛋白無法到達細胞表面。大約 1% 的高加索人遺傳了兩個這種缺陷基因的複製，被稱為CCR5-Delta32，這使得他們的細胞對艾滋病毒感染具有高度抵抗力。這種突變在
美洲原住民、亞洲人和非洲人中很少見。除了他們的基因特殊性外，受影響的個體似乎是健康的，儘管他們可能更容易感染西尼羅病毒。
僅遺傳了一個複製CCR5-Delta32基因的人仍然容易感染艾滋病毒——但他們從最初感染髮展到疾病後期階段平均需要更長的時間。研究人員表明，稱為 β-趨化因子的天然化學信使可以阻斷正常的 CCR5 受體——使其無法被艾滋病毒利用。事實上，阻斷 CCR5 受體是一整類抗艾滋病病毒藥物的基礎。不幸的是，很難保持所有細胞上的所有 CCR5 受體都持續塗有足夠的藥物，以至於艾滋病毒無法進入任何細胞。此外，艾滋病毒可以發生突變以避開封鎖，而這些略微改變的病毒仍然可以使用 CCR5 門戶進入 T 細胞。
CCR5 在艾滋病毒感染中的作用的發現有助於解釋為什麼我們人工培養的 T 細胞被證明具有抵抗力。某種程度上，珠子對 T 細胞的啟用導致細胞關閉了 CCR5 蛋白的產生。沒有可用的門戶，艾滋病毒就無法進入細胞。
在那時，我們想知道是否可以將 CCR5 的發現與我們新改進的 T 細胞培養方法結合起來，創造一種新的艾滋病毒治療方法。這個想法促成了與當時都在舊金山生物技術公司 Cell Genesys 工作的克里斯汀·海格和戴爾·安多的合作，以採取早期步驟：進行人體臨床試驗，以確定經過基因改造以尋找和攻擊艾滋病毒感染細胞的 T 細胞的安全性——這些 T 細胞也已使用我們的磁珠技術擴增。事實證明，這些細胞是安全的，並且在輸注後存活了多年。然而，我們研究的特定基因改造對患者體內艾滋病毒的複製只有適度的影響。Cell Genesys 最終停止了這項工作。
工程改造抗艾滋病毒細胞
到 2004 年，在我們兩人搬到賓夕法尼亞大學幾年後，安多來我們的新住所拜訪我們，並提出了第二個實驗。他的新僱主 Sangamo BioSciences 最近開發了一種技術，可以在精心選擇的位置切割基因的 DNA 鏈。這種方法與其他方法從根本上不同且效率更高，因為它能夠靶向特定的基因序列進行編輯。以前，研究人員沒有好的方法來控制哪些基因或基因的哪些部分被改變。
安多談論的 Sangamo 技術依賴於兩種型別的蛋白質來刪除已就位的基因的一部分。第一種型別是鋅指蛋白，它是天然存在的分子，在基因轉錄過程中與 DNA 結合，基因轉錄是將 DNA 分子中的資訊轉化為合成編碼蛋白質所需的 RNA 分子的過程。人類產生大約 2,500 種不同的鋅指蛋白，每種鋅指蛋白都與 DNA 分子上不同的特定核苷酸序列結合。
多年來，科學家們研究出了一種方法來設計和人工構建鋅指蛋白，使其能夠閂鎖到任何感興趣的特定 DNA 序列上——例如，CCR5 基因的一部分。安多建議 Sangamo 建立一套定製的 DNA 剪刀，首先建立鋅指蛋白，使其附著到我們想要刪除的序列的任一端。然後，對於每種蛋白質，公司科學家都會新增第二種蛋白質，一種稱為核酸酶的酶，它能夠將 DNA 鏈切成兩半。這種複合物的鋅指部分將識別要切割的 DNA 部分，而核酸酶將剪斷遺傳物質。透過開發正確的鋅指對，Sangamo 可以僅靶向我們感興趣的CCR5基因的特定部分——而不會意外損壞其他基因。
一旦這些設計的鋅指核酸酶與有問題的 DNA 序列結合，細胞自身的修復機制就會接管。這種機制將識別斷裂並重新連線斷開的 DNA 片段，在這個過程中咀嚼掉一些核苷酸或新增一些額外的核苷酸。因此，修復過程本身將有助於進一步確保裂隙基因無法產生 CCR5 蛋白的工作副本。
在安多完成他的提議並離開我們的實驗室後，我們中的一位（瓊，他通常非常樂觀）轉向另一位說：“是啊，當然，就像這會奏效一樣！” 但值得一試。除了對CCR5缺失非常特異外，鋅指系統很有吸引力，因為蛋白質只需要很短的時間即可發揮作用，並且在細胞中不留下任何殘留痕跡。
柏林病人增強了希望
當我們收到 FDA 和美國國立衛生研究院的許可，開始在人體中進行安全性研究時，關於柏林病人顯然成功治療的訊息傳出——這讓我們更有理由認為，將具有突變CCR5基因的 T 細胞輸注到患者體內可以對他們體內的艾滋病毒造成重大打擊。特別是，格羅·許特爾和他的同事報告說，他們能夠進行一項可能是千載難逢的實驗。他們的一位患者，艾滋病毒呈陽性已超過 10 年，並且抗病毒藥物治療效果良好，但患上了急性髓系白血病，這與他的艾滋病毒感染無關。他接受了化療，但癌症復發了。如果沒有骨髓移植，即一個人的免疫系統（包括所有 T 細胞）基本上在另一個人身上重建，他就會死亡。
許特爾搜尋了歐洲潛在骨髓捐贈者資料庫，尋找與他的患者的 HLA 標誌物相匹配的個體，HLA 標誌物是一組蛋白質（人類白細胞抗原），免疫系統使用它們來區分自身組織和其他生物的組織。匹配移植接受者的 HLA 型別對於防止移植的細胞將新宿主視為異物並攻擊其組織（一種稱為移植物抗宿主病的疾病）以及防止患者先前免疫系統的任何殘留成分排斥至關重要。
然而，許特爾並沒有止步於此。他希望找到一位 HLA 標誌物正確的人，其細胞也自然攜帶兩個CCR5-Delta32突變複製。來自這樣的人的骨髓移植可能會為艾滋病毒陽性接受者提供一個新的免疫系統，該系統能夠抵抗繼續存在的病毒。
令人驚訝的是，在許特爾搜尋資料庫並測試了 60 多位潛在捐贈者的基因後，他找到了一位符合要求的候選人。（由於 HLA 區域因人而異，並且 HLA 基因和CCR5基因位於不同的染色體上，因此搜尋過程很複雜。）考慮到很少有人在CCR5基因的兩個複製中都具有CCR5-Delta32突變，這一發現是一個幸運的突破。幸運的是，柏林病人的 HLA 模式也非常常見。（為了讓您瞭解這種組合有多麼罕見，全球的研究人員都試圖複製德國的實驗，但尚未找到任何具有正確 HLA 標誌物和CCR5突變組合的個體。）
最終，柏林病人需要捐贈者的兩次骨髓移植才能治癒他的白血病。引人注目的是，在移植手術五年多後，並且在持續沒有抗逆轉錄病毒藥物治療的情況下，醫生使用最靈敏的分子檢測方法，一直未能檢測到他的血液、肝臟、腸道、大腦、淋巴組織或血漿中存在任何艾滋病毒。沒有人知道艾滋病毒是否真的從柏林病人身體的每個組織中根除，實現了所謂的“消毒性治癒”，因為艾滋病毒可以將其基因插入各種細胞的染色體中[參見馬里奧·史蒂文森撰寫的“艾滋病可以治癒嗎？”；《大眾科學》，2008 年 11 月]，使其能夠休眠多年。同樣未知的是，如果他的免疫系統現在能夠處理任何可能重新出現的感染，是否需要完全摧毀他體內所有艾滋病毒，這意味著他被“功能性治癒”了。無論如何，該患者不再需要服用抗逆轉錄病毒藥物，並且體內沒有可檢測到的病毒。（當然，他仍然需要服用藥物來維持骨髓移植的健康。）
不幸的是，德國的實驗可能會在未來幾年內被證明是骨髓治癒艾滋病毒的唯一例子。不僅捐贈者和接受者 HLA 和基因突變的正確組合非常罕見，而且這種特殊方法非常昂貴（在我們醫院，骨髓移植的最低費用為 25 萬美元），需要強化化療方案、有風險的骨髓移植和終生的抗排斥藥物方案。實際上，柏林病人用一組問題——艾滋病毒感染（和白血病）——換取了另一組問題——成為移植接受者。大多數能夠透過抗艾滋病毒藥物過上或多或少健康、富有成效的生活的人——儘管有明顯的副作用和終生費用——都會猶豫是否要做出類似的交易。當然，由於柏林病人患上了致命的白血病，他別無選擇。
儘管我們受到了柏林研究結果的鼓舞，但我們也知道，捐贈的免疫系統中CCR5的缺失可能不是患者顯然無艾滋病毒狀態的唯一原因。也許患者的休眠艾滋病毒顆粒庫在多年的抗逆轉錄病毒藥物治療期間被耗盡了。或者，也許在為移植做準備而摧毀他原來的免疫系統後，患者體內沒有殘留的艾滋病毒。或者，也許柏林病人在治療期間遭受的一次危及生命的移植物抗宿主病也在用藥物控制反應之前摧毀了任何剩餘的艾滋病毒感染細胞。（沒有人 HLA 匹配是 100% 完美的——除非是同卵雙胞胎。）儘管如此，CCR5缺失仍然是移植成功的最可能解釋，因此我們急切地繼續進行我們自己的實驗。
臨床試驗正在進行中
當柏林病人的訊息傳出時，Sangamo 已如承諾的那樣，開發了一套鋅指核酸酶，靶向CCR5基因關鍵 32 個核苷酸序列附近的位點。（由於目標是停用CCR5，因此我們是否完全複製自然發生的基因突變並不重要，只要由此產生的蛋白質停止起作用即可。）與當時的實驗室博士後研究員埃琳娜·佩雷斯一起，我們表明，諷刺的是，艾滋病毒感染本身可以幫助重塑免疫系統，使其更能抵抗病毒。我們的實驗室實驗表明，即使在培養物中最初以低頻率存在的CCR5基因已被鋅指核酸酶停用的 T 細胞，在暴露於艾滋病毒後也能夠補充和穩定 T 細胞群；相比之下，仍然含有 CCR5 受體的未編輯 T 細胞會被艾滋病毒摧毀。換句話說，艾滋病毒殺死了脆弱的 T 細胞，留下越來越多的 CCR5 缺陷型 T 細胞，而這些細胞恰好是對艾滋病毒具有抵抗力的細胞，因此可以履行其作為免疫細胞的職責，並提供免受感染的保護。
我們在人體安全性試驗中的初步結果也令人鼓舞。在費城領導我們試驗的醫生巴勃羅·特巴斯的指導下，第一位患者於 2009 年夏天接受了他的 CCR5 修飾的 T 細胞再輸注。從那時起，我們在美國國立衛生研究院贊助的一項研究中治療了 11 名額外的艾滋病毒陽性志願者。Sangamo 正在西海岸進行一項類似的研究。儘管這些安全性研究本質上並非旨在證明治療是否有效，但我們觀察到，迄今為止，所有患者的持續血液檢測中測量的輔助 T 細胞數量都從基線水平有所增加，這表明該治療可能正在保護 T 細胞。此外，在腸道淋巴組織和血液中檢測到了缺乏功能性 CCR5 受體的輔助 T 細胞。（這些細胞可能僅來源於透過鋅指核酸酶修飾的再植入細胞。）
下一步是測試新改變的免疫細胞對抗體內已存在的艾滋病毒顆粒的能力。我們正在採用一種公認的策略，儘管如此，這種策略仍然令人生畏。在研究醫生的密切監測下，我們計劃停止志願者的抗艾滋病毒藥物治療，看看會發生什麼。當我們對我們的一位接受治療的受試者進行 12 周的試驗時，該受試者遺傳了一個CCR5-Delta32基因（因此給他帶來了一點自然優勢），我們發現在為期三個月的抗病毒藥物中斷結束時，他的血液或淋巴組織中沒有病毒的證據。最近接受治療的患者正處於輸注後方案和隨訪的中期，這些訪視將在明年完成。計劃進行額外的臨床試驗，以測試這項新技術的療效。如果我們最終獲得成功，鋅指核酸酶方法可能比罕見的 CCR5 缺陷型骨髓移植或終生抗艾滋病毒藥物治療便宜得多。
僅僅在幾年前，開發安全、有效且更便宜的療法，以實現對艾滋病毒的長期、無藥物控制，對於我們中的少數人來說，甚至是不敢夢想的願景。即使我們定製設計的鋅指核酸酶不是一種治癒方法，我們相信它們也可能是 30 年來最接近鎖定艾滋病毒的方法。
本文以“阻斷艾滋病毒的攻擊”為標題發表在印刷版上。