奧黛麗六個月大的時候，她的父母第一次注意到有些不對勁。毫無預警地，她的身體僵硬，眼睛向上翻到眼眶角落，持續數小時。儘管多次拜訪專家，但沒人知道是怎麼回事。她的醫生開了抗癲癇藥物——大量抗癲癇藥物——這讓她鎮靜下來，但並沒有阻止眼睛上翻。最後，他們承認他們不知道如何幫助，並給奧黛麗和她的父母送回家一些關於與殘疾人生活的宣傳冊。
後來的基因檢測確診奧黛麗患有一種名為芳香族l-氨基酸脫羧酶 (AADC) 缺乏症的疾病，這是由單個基因突變引起的。這種極為罕見的疾病在嬰兒期顯現，降低了AADC的活性，AADC是一種對製造大腦訊號化學物質多巴胺和血清素至關重要的酶。它會導致嚴重的智力發育和運動障礙，以及睡眠和情緒問題。大多數患有這種疾病的兒童無法說話、坐起來或支撐自己的體重。
經過多年的挫敗感，奧黛麗的父母讓她參加了一項臨床試驗，該試驗由加州大學舊金山分校神經外科教授兼俄亥俄州立大學醫學院的剋日什托夫·班凱維奇領導。班凱維奇和他的同事正在測試的基因療法使用一種無害的病毒作為載體，引入一個完整的基因版本，該基因負責製造AADC酶。七名兒童參加了試驗。研究人員將病毒直接注射到每個孩子大腦中神經元附近，他們希望這些神經元能夠開始製造AADC，並隨後製造多巴胺。
在試驗開始時，這些兒童的年齡從四歲到九歲不等（奧黛麗當時六歲）。結果是戲劇性的：手術後三個月，七個孩子中的六個停止了眼動危象——這是該疾病的標誌性眼睛上翻。班凱維奇說，第七個孩子最初也有所改善，但七個月後死於該疾病本身的併發症。術後一年，所有六名倖存兒童都能正常控制頭部，四名兒童可以獨立坐立。一年半後，奧黛麗和另一名兒童在手扶的幫助下行走，並開始學會使用他們以前無法控制的肌肉。到目前為止，沒有一個孩子出現任何嚴重的副作用。
如果沒有數十年的研究以及明知可能會危及生命，但仍自願參加實驗性治療以推動基因療法發展的患者，像奧黛麗這樣的結果是不可能實現的。嚴重的副作用，有些是致命的，威脅到該領域早年的發展，促使研究人員退後一步，重新考慮他們的方法。他們堅信基因療法的希望，並相信有可能找到更安全、更精確的基因遞送方法，因此他們堅持了下來。
從那時起，基因療法取得了一些顯著的成功 [參見“成功案例”]。然而，控制副作用的探索遠未結束。與任何開創性的醫學科學領域一樣，研究人員必須在推進可能有助於治癒毀滅性疾病的知識與謹慎行事以保護患者之間取得平衡。
首先，不傷害
傑西·蓋辛格在1999年18歲時，加入了最早的基因療法臨床試驗之一 [參見“基因修復”]。蓋辛格患有一種名為鳥氨酸轉氨甲醯酶 (OTC) 缺乏症的遺傳性疾病，該疾病會導致血液中積聚有毒水平的氨。如果不治療，這種積聚會導致嘔吐、嗜睡，嚴重時甚至會導致死亡。這種情況影響高達五萬分之一的嬰兒，是由OTC基因突變引起的。該病症的標準治療方法包括限制飲食和稱為替代途徑療法的補充劑。蓋辛格正在接受該病症的治療，病情較輕，但他偶爾會經歷高氨水平發作，稱為高氨血癥，甚至有一次陷入昏迷。
他參加的基因療法試驗使用了一種稱為腺病毒的感冒病毒，該病毒經過基因工程改造，可將OTC基因的工作版本傳遞到他的肝細胞。蓋辛格是接受最高劑量的兩名參與者之一。然而，在治療後的幾天內，他的病情迅速惡化。他的身體啟動了嚴重的炎症反應，導致器官衰竭，最終導致腦死亡。
幾年後，幾名接受基因療法治療嚴重免疫疾病的兒童患上了癌症。
研究經費枯竭，許多研究人員放棄了這個領域。但那些留下的人開始改進病毒載體的安全性和有效性。他們也開始探索一種稱為CRISPR的基因編輯方法，該方法可以實現更有針對性的治療，但也帶來了一系列新的風險。
自從蓋辛格去世以來，基因療法已經取得了長足的進步——奧黛麗就是活生生的證明。然而，研究人員仍然對副作用的幽靈保持警惕。“我們現在所處的位置非常不同，” 馬克·巴特肖說，他是 20 多年前幫助領導涉及蓋辛格的試驗的醫生，現在是兒童國家醫院的發育兒科醫生。* “我們對載體瞭解得更多了。我們對與之相關的免疫力瞭解得更多了。我認為現在更加謹慎了。”
蓋辛格去世後，美國食品藥品監督管理局禁止詹姆斯·威爾遜（蓋辛格接受的療法的實驗室開發科學家）及其機構賓夕法尼亞大學人類基因治療研究所至少五年內進行人體試驗。FDA 通知引用了反覆且蓄意違反研究性藥物試驗方案的行為。該機構還暫停了威爾遜研究所的所有研究。
但這並不是基因療法的終結，也不是威爾遜職業生涯的終結。“支援該領域的熱情急劇下降，” 威爾遜說。然而，“我們中的一些人繼續致力於基因療法，” 他說。“我們從臨床應用轉向了圍繞基因傳遞的基礎科學。” 威爾遜和他的同事們回到實驗室，試圖瞭解蓋辛格死亡的原因。他們最好的假設是，他以前接觸過腺病毒，體記憶體在腺病毒抗體，而這些先前感染的遺留物增強了他的免疫系統對腺病毒載體的反應。
威爾遜和其他研究人員認真審視了副作用問題以及如何最大限度地減少副作用。由於病毒載體似乎是最大的風險，他們轉而使用腺相關病毒 (AAV)，事實證明這種病毒安全得多。如今，AAV 已被用於多種療法，包括一種已獲批准的治療脊髓性肌萎縮症的藥物。“我很高興我們堅持了下來，” 威爾遜說。
從失敗中學習
在蓋辛格試驗的同時，法國和英國的科學家正在研究一種治療嚴重聯合免疫缺陷綜合徵 (SCID) 的療法，這是一種影響至少五萬分之一嬰兒的遺傳性疾病。它有時被稱為“氣泡男孩病”，因為患有這種疾病的人，主要是男孩，天生沒有免疫系統，必須生活在隔離、無菌的環境中，以防止生病。它可以透過來自匹配供體的骨髓移植治癒，但只有大約四分之一的受影響兒童能找到這樣的匹配。如果不治療，患有 SCID 的兒童通常會在出生後的第一年內死亡。
對於他們的載體，研究人員求助於一組稱為逆轉錄病毒的病毒，因為他們認為這些病毒能夠有效地將遺傳物質傳遞到細胞中。在一對臨床試驗中，他們針對一種透過 X 染色體從母親傳給嬰兒的 SCID 形式，稱為 SCID-X1。它是由編碼一種名為 IL2RG 的蛋白質的基因錯誤引起的。在這兩項試驗中，患者自身的骨髓幹細胞被收集和分離。研究人員使用逆轉錄病毒載體將IL2RG基因的工作副本插入其中，然後將經過修飾的細胞重新輸注。最初，該療法似乎有些成功：接受治療的 10 名兒童中的大多數開始產生功能性 T 細胞——這是功能性免疫系統的重要組成部分。但在三到六年內，一半的受試者患上了白血病，其中一人死亡。據信病毒載體激活了一個已知的致癌基因。FDA 暫停了所有涉及旨在修飾骨髓幹細胞的逆轉錄病毒載體的美國試驗。
“我們的知識來自動物模型，” 巴黎笛卡爾大學內克爾醫院的兒科醫生和血液學家瑪麗娜·卡瓦扎納說，她撰寫了臨床方案並處理了法國臨床試驗的患者隨訪。她說，問題在於動物模型無法預測人體毒性。“我停止了臨床試驗，我們回到實驗室，試圖解釋這些副作用的原因。然後我們再次回到臨床，” 她說。
波士頓兒童醫院血液學和腫瘤學主任戴維·威廉姆斯參與了早期的 SCID 試驗。“最後，” 他在談到 SCID 試驗和蓋辛格試驗時說，“你必須在人體上嘗試這些東西，才能完全瞭解益處與風險。”
當威廉姆斯和他的同事在十年後恢復 SCID 工作時，他們建立了逆轉錄病毒的改良版本，以避免啟用致癌癌基因。然而，它仍然只促使一種免疫細胞的產生，接受者需要持續靜脈注射以維持生產。但近十年後，沒有一名受試者出現白血病或其他副作用的跡象。
又是另一種病毒載體幫助推動 SCID 工作衝過了終點線。2016 年，聖裘德兒童研究醫院孟菲斯分院的骨髓移植專家埃韋利娜·馬姆卡茨領導的團隊啟動了一項使用慢病毒（一種與 HIV 相關的病毒）作為載體的 SCID-X1 試驗。研究人員在其中構建了一個“防火牆”，以防止啟用任何可能導致白血病的基因組部分。馬姆卡茨和她的同事還對患者進行了化療預處理，以為經過修飾的骨髓幹細胞騰出空間。
馬姆卡茨的團隊總共使用這種基因療法治療了 18 名嬰兒。迄今為止，治療後約五年，沒有一人患上白血病。“我們希望我們現在已經擺脫困境了，但我們將繼續密切監測患者，” 馬姆卡茨說。“當我們開始 [試驗] 時，我的焦慮水平要高得多，因為有太多未知因素，” 她說。“我認為現在我可以安心睡覺了，在嬰兒中使用這種基因療法多年後，但我們永不懈怠。”
研究人員在研究其他疾病時，也一直將對基因療法副作用的擔憂放在首位。鐮狀細胞病每年影響約 30 萬名新生兒，在非洲後裔中更為常見，長期以來一直是基因療法的主要目標，因為它也是由單基因缺陷引起的。這種情況會導致紅細胞呈鐮刀狀並聚集在一起，使其無法有效地運輸氧氣。患有這種疾病的人會經歷使人衰弱的疼痛危象、中風和其他問題，並且可能是致命的。儘管存在治療方法，但唯一的治癒方法是高風險的骨髓或幹細胞移植。
位於馬薩諸塞州劍橋市的生物技術公司 Bluebird Bio 在 2020 年底報告了其鐮狀細胞基因療法臨床試驗的令人鼓舞的結果。19 名患者接受了含有成人血紅蛋白成分工作版本的慢病毒載體治療——所有 19 名患者在六個月內停止了嚴重的疼痛危象。但在五年多後，另一個佇列中的兩名患者患上了一種罕見的血癌，稱為急性髓細胞白血病。
FDA 對 Bluebird Bio 的研究以及幾項類似試驗進行了臨床擱置，同時該公司調查了這些病例。Bluebird Bio 自己的調查發現，白血病不太可能與基因療法有關。Bluebird Bio 首席醫療官裡奇·科爾文表示，在其中一個病例中，在癌細胞中未發現病毒載體，而在另一個病例中，存在病毒 DNA，但未整合到任何已知與白血病發展相關的基因中。2021 年 6 月，FDA 解除了對試驗的擱置，試驗已恢復。
Bluebird Bio 還在測試一種針對 X 連鎖腎上腺腦白質營養不良症 (ALD) 患者的基因療法，這是一種主要影響男孩的毀滅性疾病，他們的預期壽命只有 5 到 10 年。在該試驗中，67 名患者中的一名患上了骨髓增生異常綜合徵，這種情況可能導致白血病，這一次發現與病毒載體有關。FDA 現在已擱置該試驗。科爾文說，該療法的益處仍然大於 ALD 的風險，ALD 本身是致命的。但他知道這是一個微妙的平衡：“我認為當你操縱人類基因組時，你必須保持謙遜。”
風險與收益
病毒載體本質上可以將自身插入到靶細胞基因組的不期望部分。但更新的技術正在實現對基因的更精確編輯。CRISPR 技術已用於某些基因療法。儘管存在對基因組其他部分產生所謂的脫靶效應的潛在風險，但在早期的臨床試驗中尚未觀察到這些效應。
在由位於馬薩諸塞州劍橋市的 CRISPR Therapeutics 和位於波士頓的 Vertex Pharmaceuticals 贊助的一項涉及 CRISPR 基因療法的試驗中，根據未公佈的資料，兩名患有鐮狀細胞病和 20 名患有相關疾病β地中海貧血的患者的症狀幾乎完全得到改善。儘管需要更長期的隨訪，但 Vertex Pharmaceuticals 首席科學官戴維·阿爾特舒勒稱這些結果為“醫學和科學的里程碑”。
對於所有新療法，都必須在正在治療的疾病的背景下考慮副作用的風險。像 AADC 缺乏症這樣的疾病可能是致命的，奧黛麗的母親凱莉在讓女兒參加加州大學舊金山分校的臨床試驗時就意識到了這一點。她很絕望，並認為任何改善都比現狀好。
在讓奧黛麗參加試驗三年後，凱莉說她的女兒是“完全不同的孩子”。她不再有眼睛上翻的情況。她正在學習用嘴吃東西和說一些話。多虧了她的說話裝置——一種觸控式螢幕機器，可以讓她啟用口語化的計算機生成短語——她可以交流。凱莉說，在治療前，她的女兒可以理解別人在說什麼，但她無法表達自己。“現在她真的可以暢所欲言了，” 凱莉說。
奧黛麗繼續在某些方面掙扎，包括平衡和說話。但她今天的生活與原本可能的樣子相去甚遠。凱莉說，在那一項基因療法的成功中，其他家庭可以找到希望。“如果我們不做，我們就知道最終結果，” 她說。但是“如果它能做任何事情，即使只是一點點，那也已經是勝利了。”
本文是“基因療法創新”的一部分，這是一份編輯上獨立的特別報告，由輝瑞公司提供財政支援製作。
*編者注 (2021 年 10 月 20 日)：這句話在釋出後進行了編輯，以包括馬克·巴特肖目前的隸屬關係。