互动科普

用于抗癌的基因疗法

R. Michael Blaese*

从理论上讲，导入的基因可以阻止癌肿发展甚至艾滋病。

据估计，1997年，美国将有138万人诊断出患有癌症。令人遗憾的是，目前可以采取的几项主要疗法—外科手术、放射疗法和化学疗法一一仅能治愈共中的一半左右。这一严41的事实促使人们努力寻找癌症的其它疗法—墓于癌症的生物学机制的新型疗法。为此，研究人员把注意力转向了垫因疗法即把具有潜在抗痞作用的墓因导入患者体内的方法。

研究人员最初探寻签因疗法，是为了治疗那些代代相传的遗传指令缺陷即突变引起的疾病。大多数癌症并不是以这种遗传方式得病的，而是起因于已获得的突变，这类突变产生于吸烟或大剂量放射等外部因素，也有纯粹是因为恶运临头所致。随着时间的推移，这些突少在细胞内累积起来，最终使细胞变得无法控制自身的生长，而癌症正是由这种失控引起的（参见本刊97年1月号癌症防治专辑”癌症怎样发生”一文）。

    一般说来，基因疗法是将以DNA顺序为形式的指令导入患病细胞，从而使之产生某种有治疗作用的蛋白质。这种疗法之所以可行，是因为病毒、细菌、植物和人类都拥有相同的遗传密码。研究人员在短时间内，就掌握了关于某些基因如何支配基本的生命过程以及它们如何促成疾病的大量知识。由于一个物种的基因能被另一个物种解读并理解，研究人员在设计新的疗法的过程中，就可以使基因在细胞和物种间转移。

    用于治疗癌症的实验性基因疗法分为多种类型。有些基因疗法将能产生有毒分子的基因传递给癌细胞。当这些基因表达（即被细胞用来产生蛋自质）时，所产生的蛋白质随后便会杀灭癌细胞。其它一些基因疗法的月的在于修正或校正后天性获得性遗传突变，还有一些基因疗法则试图激活这种过程，缺陷通常依靠这过程能得到修复。对癌肿如何逃避免疫系统的识别与破坏、对癌肿如何能从原始部位扩散转移、对癌肿如何获得新的供血源以及对癌肿如何造成使之能够持久和扩散的其它后果等方面的深刻认识正在产生许多新的设想与观念。

    虽然大多数基因疗法眼下还必须通过最初步的临床试验，以证明其总的安全性和治疗效果，但上述设想有可能在将来导致更为有效的癌症疗法。

除了预示实用疗法的希望外基因疗法目前己帮助医生评估了现有的疗法。例如，近几年来，医生越来越多地依靠骨髓移植来治疗对传统疗法没有反应的癌症。医生时常用骨髓移植来对付晚期白血病，这种癌症侵染白细胞。而白细胞又是由骨髓产生的:在进行骨髓移植之前，肿瘤学家先要从症状减轻的白血病患者身上提取部分骨髓。这部分显然是健康的骨髓随后便被储存起来，而对上述白血病患者则施以超高剂量的化疗或放疗。以杀灭任何残留的癌细胞，由于超高剂量的放疗和化疗会破坏正常的骨髓，这种攻击性的治疗通常不仅能杀死癌细胞，也能杀死患者。然而在做了骨髓移植之后。患者因接受了储存的自身骨髓而“得救”。

    从理论上讲，这种方法应能治愈白血病。然而有时候，白血病总要复发。临床医师往往不知道究竟是什么地方出了毛病。是超高剂量的放疗有时未能杀灭所有残留的癌细胞，还是在症状减轻期间离体储存的本以为无病的骨髓中有时存在未被发觉的白血病细胞?要辩明是哪一点出了问题，研究人员就必须创造一种无毒的永久性标记，用它来标示从患者身上提取的骨髓细胞，并便于以后在患者体内找到其踪迹。早在1991年末，田纳西州孟菲斯的圣贾德（St,Jude）儿童研究医院的马尔科姆·K. 布伦纳就率先这样做了，他将一种独特的未在人类身上发现过的细菌DNA顺序导入患者离体储存的骨髓之中。布伦纳知道，若是他在作了骨髓移植的正在康复的患者血液中和骨髓里发现了这种细菌DNA，那就足以证明一援救者骨髓正在恢复患者的血液系统。此外，若是在复发的癌细胞中发现了这种细菌标记，那也足以证明援救者骨髓正是白血病细胞的一个来源。

事实上，这正是布伦纳以及其它一些研究人员在一些病例中发现的、它使得人们很有必要对骨髓移植的应用进行严格的重新评价。例如，医疗界如今公认，对于某些类型的癌症。很有必要对骨髓本身作附加治疗，从而在移植之前除去骨髓中任何造成污染的癌细胞。为此，和上面描述的一样。骨髓“基因标记”研究正在帮助找到最理想的解决办法。这些研究使得研究人员可以对清除骨髓中残留癌细胞的各种方法进行比较。不同的标记基因用来标示以不同的方法清除残留癌细胞的骨髓取样。结果，医生就能确定。以某种方法清除了癌细胞的骨髓能在多大程度上有助于接受治疗的患者。而且，若是癌症又复发了，他们也能确定这癌细胞是否来自以某种特定方法进行了净化的骨髓。

基因疫苗接种

    就治疗而论、研究人员已花费了30多年时间来找出促使免疫系统攻击癌肿的方法，即所谓的免疫疗法或疫苗疗法，他们这样做有充分的理由。由于免疫作用是一种全身性的反应，它有可能消除患者体内的所有癌细胞，即使是在癌细胞已从原始癌肿部位转移或在临床症状已减轻多年之后又重新出现的情况下。用于抗癌的免疫疗法的问题在于，免疫系统并不是总能识别出癌细胞并专门对它进行攻击，事实上，许多癌肿都能设法避开免疫系统的探查。

    然而，最近，基础免疫学方面的研究已显示出一些揭露这类癌肿的手段和方法。特别值得一提的是，看来可以用某些基因标示出癌细胞，使之更容易被免疫系统发觉。而一旦被激活，免疫系统甚至时常还能发现那些未加标记的癌细胞。

免疫反应涉及许多不同的细胞和化学物质，它们共同发挥作用。以一些方式摧毁进入机体的微生物或受损的细胞。一般说来，异常的细胞都会突变出一些称为“抗原”的表面蛋白质，它们不同于健康细胞上的表面蛋白质，免疫系统被激活后，B淋巴细胞就会产生出称为“抗体”的分子。这些化合物在体内巡查、并同外来抗原结合，从而标示出带有该抗原的细胞，以便于免疫系统的其它成分将其摧毁。称为“T淋巴细胞”的其它细胞也负责识别外来抗原，并负责摧毁显示出外来抗原的细胞、或促使其它杀伤性少细胞这样做。B细胞和T细胞通过其分泌的蛋白质“细胞因子”相互通信，其它重要的附属细胞一一抗原呈示细胞和树突细胞—则进一步帮助T淋巴细胞和B淋巴细胞发觉癌细胞或受到侵染的细胞上的抗原并对其作出反应。

    目前正在得到广泛试验和检验的一种基因疗法要用为细胞因子编码的基因来修饰患者的癌细胞。首先，患者的癌细胞被取出来。然后研究人在这些癌细胞内插入生成细胞因子的基因，如T细胞生长因子“白细胞介素2”（interleukin - 2简称IL - 2），或称为“粒细胞一巨噬细胞集群激活因子”一（granulocyte - macrophage colony一stimulating factor，简称GMCSF）的树突细胞激活素。此后，这些已被变性的癌细胞被回往到患者皮下或肌肉内，在这里，它们分泌出细胞因子。从而引起免疫系统的注意。从理论上讲，这些被变性的细胞应能在回注癌细胞的部位引起有力的免疫细胞活性。此外，如今对癌细胞很警惕的被激活的细胞会在体内循环而攻击其它癌细胞。

    在某些情况下，这些经基因修饰癌肿疫苗似乎确实能够唤起免疫系统注意癌肿的存在，并且人们已观察到一些显著的临床反应。然而，所有这些临床研究都还只是初步的。在大多数情况下，患者对这些治疗的反应都还没有同常规治疗单独引起的反应进行仔细的比较。此外，反应的模式还不是可预测的，并且不同类型的癌肿的反应模式以及同一类型癌肿在不同的患者身上的反应模式也不一致。

    这些研究的另一个问题在于，迄今为止接受试验的几乎每一个患者所患的都是广泛扩散的晚期癌症。通常情况下，这些患者在此之前都曾接受过强烈的杭癌治疗，这种治疗大大削弱了他们的免疫系统。因此，即使基因疫苗确实激活了这些患者的免疫力，其反应也是不容易引人注意的。经基因修饰的癌肿疫苗极有可能证明有益于癌肿负担极小而免疫力还很强盛的患者。然而，对这种类型的患者的试验必须等到研究人员已对病情更为严重的患者群体作了试验并已确定与这种治疗有关的风险之后。正如这一研究表明的那样，新的抗癌疗法的创造是一个非常复杂而又漫长的过程。

    一种相关的基因疗法涉及主要在癌细胞上发现的抗原。在过去的三、四年里，研究人员在鉴别由癌细胞产生的抗原上取得了显著的进展。此外，他们还发现了为这些与癌症有关的抗原编码的基因，尤其是最严重的一种皮肤癌—黑色素瘤—的基因。由于至少有一些这类抗原已得到描述，或许有可能研制出一种防癌疫苗，一种非常象破伤风疫苗或脊髓灰质炎疫苗的东西。这种方法或许也能有助于治疗现有的癌症。

预防性免疫法

    正如细胞因子疫苗的情况一样，这些基于抗原的癌症疫苗也需要进行基因转移。当用于容易被免疫系统选取的细胞上时，这种疫苗的效力最好。例如，圣迭戈的Vical公司的菲利普·L. 费尔格纳（Felgner）和威斯康星大学的乔恩·A.沃尔夫及其同事发现，将为一种外来抗原编码的DNA碎片直接注入肌肉组织，能够在小鼠身上引起对该抗原的强烈的免疫反应（参见本期Philip·L. Felgner所撰“基因疗法的非病毒方法”一文）。这一反应的解释很简单—一点外来的DNA进人了小鼠的肌肉细胞或其它相邻的细胞，并指使其产生了少量的该DNA的蛋白质产物，含有这种新合成的外来蛋白质的细胞随后便将它呈示给在体内巡查的能产生抗体的B细胞和T细胞。结果，这些敏化的免疫成分便在体内巡游，准备对带有激活性抗原的细胞进行攻击。

    相同的基本方法正在对防治多种传染病的疫苗的研制工作产生革命化的影响。当这些DNA免疫法用于抗痛试验时，针对新发现的癌肿抗原的基因便通过疫苗或已作去毒处理的腺病毒粒子或裸DNA一类非病毒基因导入系统直接导入体内。目前，这类试验仅用于癌肿已广泛扩散的患者，当然，就这些病例而言，要用DNA疫苗来防治癌症显然已为时太晚，但这些研究应能证明该抗原能否达到在人体内引起免疫反应的基本要求。此外，这类研究应能使人知道DNA疫苗对于治疗现有癌肿是否有价值。然而，由于上述患者中的许多人病情过于严重，迄今为止，试验的结果很难得到解释。

还有一种用于抗癌的基因免疫疗法目前还在作临床试验和实验室试验，它涉及到抗体。由于各个抗体的区段具有很强的可变性、这些分子的专一性很强。它们能够区分外来或突变的抗原和与之非常相似的自身抗原之间极其细微的差别。正如事实证明的那样，专一的抗体分子天然存在于某些癌细胞（如由B细胞发展而成的琳巴瘤细胞）的外膜上，它们专门产生抗体分子。由于一个细胞系或一个细胞无性系只能产生一种专一的抗体，由这些细胞构成的癌肿就都含有同一种专一的外膜分子。这种抗体随后便能提供一种独特的分子标记，正是这种标记使癌细胞有别于相似而非癌的产生抗体的细胞。    

研究人员有时也能产生出针对癌细胞外膜上发现的抗体的抗体。而且用这些所谓的抗个体基因型抗体治疗的一些患者其产生的反应极其好。遗憾的是，这种抗个体基因型抗体的产生费力而又麻烦。因此，即使这种方法有时能提供有效的治疗，到目前为止其应用也是有限的。基因转移技术新近提供了其它一些选择。由于抗体是基因的产物。研究人员现已能制备抗个体基因型DNA疫苗，这种疫苗中包含着给关键的癌肿标记（个体基因型）编码的DNA。这一DNA顺序随后便同给细胞因子GM一CSF编码的一种基因连接起来了。到目前为止，这种双重打击式抗癌疫苗还只在实验动物中做过试验，但它已显示出令人振奋的希望。

    尚在研究中的另一种双重打击式免疫疗法把抗体同T淋巴细胞连接起来。一些罕见的患者所患的癌肿其T细胞确实能识别出来。但这些患者的T细胞通常只攻击自身的癌细胞或者具有同一种癌症和组织类型的一小部分病例的癌细胞。此外，人体很少产生抗癌肿的抗体。相反，用人体癌细胞诱发免疫反应的小鼠确实能够产生能对同一些人类癌细胞产生强烈反应的抗体。在某些情况下，这些小鼠的抗体能同一根试管中的一种癌肿的几乎所有的癌细胞结合，即使这些癌细胞是采自患有同一种癌症的多个不同的人类个体。然而，这些小鼠的抗体通常不能有效地杀灭人体内的同样一些癌细胞。即使这些小鼠的抗体确实具有杀灭患者体内癌细胞的活性，这种免疫反应所持续的时间通常也是非常短暂的，因为患者体内很快便会产生出失活的抗该小鼠抗体的抗体。

    因此，长期以来，肿瘤学研究人员一直希望能够找到一种方法，将鼠类的抗癌抗体的寻靶能力同人类T细胞的杀伤力结合起来。遗传重组DNA技术为此提供了必要的手段。研究人员已从小鼠细胞中成功地分离出了抗癌抗体的基因，并将它们的部分同下述基因的节段重组起来。这些基因是为杀伤性T细胞用来识别靶标的受体编码的。经如此修饰的受体基因转而促使时常识别不出癌细胞的杀伤性T细胞发现辩别力较差的小鼠抗体所发现的目标。事实上，用具有嵌合力的T细胞受体重新武装的杀伤性T细胞确实在试管内非常有效地杀灭了癌细胞。运用这一方法的早期临床试验目前正在癌症患者中进行研究，同时还在对感染了艾滋病病原体人体免疫缺失病毒的患者（参见这两页框内的文章）和感染了其它病原体的患者进行这项研究。

其它的基因疗法

    除了兔疫疗法以外，人类还可以利用其它遗传阵线同癌肿作斗争。研究人员对于发现确切的致癌DNA缺陷一直有着强烈的兴趣，他们已经知道，一些突变与具体的癌肿类型有联系。其它一些缺陷则出现在多种多样的疾病中。此外，突变还有不同的类型。一些突变能激活致癌基因.从而导致细胞生长失控。其它一些突变，即所谓的抑癌基因中的突变，则导致人体丧失正常的阻止细胞生长失控的能力。

    人类癌症的抑癌基因中其突变最常见的之一是p 53，这种基因的蛋白质产物正常情况下监控着细胞分裂时细胞内的DNA的活动。若是该基因有了缺陷，则p53的蛋白质会停止细胞的分裂活动，直到这种缺陷被修复或引起细胞自灭即凋亡为止。当p53的一份正常拷贝被重新导入组织培养物中的癌细胞时，这些细胞或是恢复较为正常的生长模式，或是自我毁灭。这两种结果之中的任何一种都有利于癌症的治疗，因此，人们已作了大量努力，以创造将正常的p 53基因导入体内正在生长的癌细胞之中的方法。

    到目前为止，基因疗法的应用还存在着一些大的障碍一一正如Theodore Friedmann在本专栏的第一篇文章“克服基因疗法的障碍”中所指出的那样，目前的将基因导入特定器官或细胞集群的技术还是效力很差的。此外，至今还没有完善的方法能够将这种局部导入的基因的效应扩展到体内的其它部位。而在医生们能做到这一点之前，这些基因疗法将只能有助于对付孤立部位的癌肿。

    虽然如此，但当p53基因是通过血流导入日益体内（即通过带有能让细胞吸收该基因的脂质体的复合物）时，或直接导入癌细胞（利用经修饰的病毒将该基因送入细胞）时，动物实验结果均显示出重大改善。据一项初步的临床试验报道，局部的一些癌肿消退了。然而从理论上讲，因还有一个大的障碍而不能利用基因导入法来激活抑癌基因或阻断致癌基因—必须将治疗基因导入每一个癌细胞。否则，未导入治疗基因的癌细胞就会继续无控制地生长。利用目前的技术是不可能纠正每一个癌细胞一一甚至那些单独的部位中的癌细胞中的上述基因的。而且，尽管附加治疗或许会有助于纠正更多的癌细胞，利用经修饰的病毒反复进行基因导入往往也是不可行的，免疫系统时常在第二次遇到上述病毒时就能将其识别出来并在其将基因导入癌细胞以前将其摧毁。

    然而，幸而初始的基因导入的有益效应有时看来似手也影响到了基因未作纠正的细胞.事实上，几种不同的试验性抗癌基因疗法都报道说，出现了一种“旁观者效应。”这一现象被用来解释这一点—有时，一次治疗所杀灭的癌细胞的比例高于能够归因于实际表达出某种新基因的细胞的数目.研究人已报道过二些p53基因疗法试验中出现的这种偏差，但却不能解释这一点—推测起来，若是正常的p53基因确实能够产生一种旁观者效应，那么想必癌肿原先就不会产生；然而研究人员已连同其它治疗（如“自杀性’基因疗法）一起。对旁观者效应作了认真研究，在上述情况下，导入癌细胞的基因会使癌细胞对通常情况下根本没有抗癌作用的某种药物过敏。

    在自杀性基因疗法的初期应用中，笔者及其同事爱德华·H. 奥德费尔德、兹维（（Zvi）·拉姆以及肯·卡尔弗将取自一种疙疹病毒的所谓胸苷激酶的基因导入了患者患癌的脑细胞中。在感染了单纯疱疹病毒的细胞中，胸苷激酶能将在其他情况下无毒的药物ganciclovir转化成一种代谢物（即副产物），它起着强力病毒杀灭剂的作用。我们发现，上述这种有毒代谢物能够杀灭正在分裂的癌细胞，在某些癌肿中，它还杀灭了相邻的癌细胞，为了产生这种旁观者效应，这种有毒代谢物从产生它的细胞通过间隙连接—供小的化合物在细胞间流动的通道一一扩散到与之相邻的细胞。在检验这一疗法对脑癌的效果的初期临床试验中，约占1/4的患者产生了疗效反应。此外，临床医师还在试验利用不同的抗癌化合物的其它一些自杀性基因疗法，其中有一些预计也能产生旁观者效应。

在对基因疗法技术的种种初步探索和研究中。研究人员才刚开始了解其潜能和局限性。正如其它许多新的尚未得到探索的科学领域一样，一些设想或许能证明是有效的，而更多的则将被淘汰。随着我们技术能力的提高，目前不能实行的一些设想最终有可能成为非常成功的手段。即使将来人们回顾当今这些基因疗法时。会认为它们原始而低效，这些方法也已为人类提供了重要的经验和教训。除此之外，它们还为探索降服癌魔的途径这一方面指明了一条条新的道路。

用于抗癌的基因疗法

R.M.S.

尽管到目前为止，所有基因疗法临床研究项目中，约有一半都是针对癌症的，但其次占第2位的一组研究（约占总数的10%）却是针对导致艾滋病的人体免疫缺失病毒感染的。试验性的抗人体免疫缺失病毒基因疗法旨在实现两个目标中的一个—或是阻止人体免疫缺失病毒在被感染的细胞内自我复制，或是防止该病毒蔓延到健康细胞。

上述所有努力的最终对象都是干细胞，这类细胞最后发育成免疫细胞和血细胞。这些细胞在离成熟之前很久，就可使之变为对人体免疫缺失病毒具有抵抗力。然而，就目前情况而言，研究人员至多只能用称为“单核白血球”的血细胞和所谓的“辅助细胞一即CD4型T细胞（这类免疫细胞受人体免疫缺失病毒的毁坏最为严重）检验各种不同的基因疗法。下述步骤做起来并不困难—从某人的血液中分离出T细胞给，给T细胞导入一种治疗基因，然后将其回输给同一个人或输给另一个受治者。

    一些研究人员希望有朝一日能够通过基因导入工具即媒介将治疗基因导入体内，这类媒介能够找出受到人体免疫缺失病毒感染的细胞或在其它方面敏感的细胞。目前研究人员偏爱的媒介就是病毒，这些病毒（到目前为止，包括腺病毒群病毒和人体免疫缺失病毒一类的反转录病毒）需要经过修饰使之不再具有致病力而仍能将遗传信息传递给人类细胞，例如已作变性处理的用作媒介的人体免疫缺失病毒位子同野生型人体免疫缺失病毒粒子一样、也能被同样的CD4型T细胞吸引，但不会在细胞内危险地增殖，因此这些媒介能够向恰恰最需要它们的那些细胞提供治疗基因。

    目前，研究人员正在探查一系列的基因的摧毁人体免疫缺失病毒的能力。一种带有所谓的“显性负性突变”（dominant negative mutation）的基因类型能够产生人体免疫缺失病毒通常为了自我复制而产生的蛋白质的无活性变型。当受到感染的接受了治疗的细胞产生出这些无用的表面上相似的蛋白质型式时，经变性处理的蛋白质就会使其正常的同等物犯错误—或是通过与之结合或是通过在分子反应中取而代之。对人体免疫缺失病毒基因rev的显性负性突变的临床研究己从1995年开始。

    导入体内的基因会被转录成短股RNA.它们同基本的病毒的对照RNA极其相似目前，研究人员正在评估将基因导入体内的价值。他们希望，这些RNA引诱物能同人体免疫缺失病毒的调节蛋白质结合，并能阻断其作用，被转录成能降解病毒RN A的ribozymes（催化性RNA）的基因或许同样能够阻断人体免疫缺失病毒的复制。一种相关的打算是要将编码寄主细胞所形成的并同人体免疫缺失病毒粒子相互作用的蛋白质的基因导入人体。例如蛋白质CD4的可溶性形式或许能在细胞外同人体免疫缺失病毒粒子结合，从而阻止其侵染在外表面上呈现出CD4分子的T细胞。

    此外，研究人员还在探查用于抗人体免疫缺失病毒治疗的所谓“自杀基因”。这些基

因同正在作为抗痛基因疗法研究的那些基因没有不同之处.由于这类基因大概能进人通常被选中的媒介侵染的任何细胞，研究人员就想弄清.自杀基因是否只是在受人体免疫失病毒感染的受治者的少数细胞中才会表达。因此他们打算给自杀基因加上对照要素，它们只是在受到人体免疫缺失病毒感染的细胞中时，才会活化和启动自杀基因。

    另一种借用于杭痛基因疗法的方法要依靠增强活动的辅助细胞T细胞识别受感染的细胞的能力和协调抗病毒感染的免疫反应的能力。例如.有一种给部分抗体分子（指去识别和结合到人体免疫缺失病毒表面的gp120蛋白质上的抗体分子）编码的基因可以同给杀伤性T细胞上的分子即受体（这类受体通常负责识别病态细胞）编码的基因结合起来，因这种结合而产生的嵌合性受体更能注意到人体免疫缺失病毒，因而能够重新指使T细胞摧毁受到人体免疫缺失病毒感染的细胞，目前正在进行第一阶段的临床试验（检查安全性的）。

    正在仔细研究之中的其它一些治疗基因能够产生能在受到感染的细胞内发挥作用的抗体断片。通过与一些新生成的病毒蛋白质结合，这些胞内杭体就能阻止病毒粒子自我组装，最后抗艾滋病的基因疫苗的临床试验己得到批准。和其它基因疫苗的情况一样，这些免疫疗法向受到免疫系统巡查的细胞提供为人体免疫缺失病毒分子进行编码的基因、这些分子能识别出作为外来侵染者的人体免疫缺失病毒。免疫系统随后便会对这抗原作出反应—产生出在体内漫游的抗体并作好准备，只要带有这些抗原的任何细胞一出现，就对其发起攻击。

（郑小石 译 巨浪 校）