三年多前，柏林的一个医疗团队公布了一项独特实验的结果，这让艾滋病病毒研究人员感到震惊。这个德国小组从一位匿名捐赠者身上提取了骨髓——人体免疫细胞的来源——这位捐赠者的基因遗传使其天生对艾滋病毒具有抵抗力。然后，研究人员将这些细胞移植到一位患有白血病且艾滋病毒呈阳性已超过10年的男性体内。尽管治疗患者的白血病是骨髓移植疗法的理由，但该小组也希望移植能提供足够的抗艾滋病病毒细胞来控制该男子的感染。治疗效果超出了该团队的预期。移植不仅减少了患者血液中艾滋病毒的数量，还将病毒的所有可检测痕迹从他的身体中清除，包括可能处于休眠状态的多个组织中。德国研究人员对如此惊人的积极结果感到惊讶，以至于他们等待了将近两年才公布数据。
这个消息听起来好得令人难以置信。然而，在该患者接受初步治疗五年后，这位所谓的“柏林病人”（后来公开了自己的身份，即加利福尼亚州的蒂莫西·雷·布朗）仍然没有表现出携带艾滋病病毒的迹象——尽管在这段时间里他没有服用任何抗艾滋病病毒的抗逆转录病毒药物。在过去几十年中感染艾滋病毒的6000多万人中，布朗是迄今为止唯一一位似乎有充分记录表明已根除感染的个体。
这种方法由于许多原因无法广泛应用，其中最主要的原因是患者自身的免疫系统必须作为第一步被摧毁——这是一项非常冒险的 undertaking。但这项意想不到的成功激励了世界各地的研究人员，看看他们是否能找到更安全、更廉价的方法，为患者提供像布朗接受的那样的新型抗艾滋病毒免疫系统。这样一项壮举将使医生能够基本上对艾滋病毒关上大门，使其无法在体内细胞与细胞之间传播。最终，改良后的免疫系统也可能清除体内各种隐藏部位残留的任何艾滋病毒。与仅仅抑制病毒的先前疗法不同，一种模仿柏林治疗的新方法——如果成功——将消除病毒并有可能治愈疾病。
事实上，我们两人和我们的同事认为，我们可能有一种更简单的方法为艾滋病病毒患者提供像柏林病人成功治疗背后的那种免疫系统。该程序在实验室中显示出希望，我们现在正在少数艾滋病病毒感染者身上进行早期临床试验。我们还有很多工作要做，并且不能保证该疗法会有效，但柏林病人持续摆脱艾滋病毒感染以及我们自己的初步结果让我们感到，我们正在开发的治疗方法很可能改变今天数百万艾滋病毒感染者的生活。
微调免疫系统
我们设计免疫系统以对抗艾滋病毒的方法建立在解决两个相关挑战的研究之上。科学家需要弄清楚如何增强免疫系统对抗艾滋病毒。他们还需要找到一种方法来阻止艾滋病毒进入其偏爱的细胞，即 CD4+ 细胞，也称为辅助 T 细胞。这些特殊的 T 细胞充当免疫反应的四分卫，通过协调许多不同类型免疫细胞之间的相互作用。当艾滋病毒首次感染辅助 T 细胞时，病毒不会造成任何真正的伤害。然后在稍后，当免疫细胞被激活以对抗正在进行的感染时，它反而会吐出更多的艾滋病毒拷贝。更不幸的是，艾滋病毒最终也会杀死这些协调细胞，从而削弱免疫系统对抗许多其他感染的能力。通过这种方式，艾滋病毒有选择地消灭了免疫系统中训练有素的“球员”。随着它们的减少，身体对抗感染的能力也随之下降，直到艾滋病——以致命感染为标志的晚期阶段——发作。
弄清楚如何增强免疫系统，更不用说保护辅助 T 细胞了，这并非易事。然而，当柏林病人的消息传出时，在两个方面都已取得进展，尽管是在不同的研究方向上。
多年来，研究癌症的科学家以及研究病毒感染的科学家一直在寻找增强免疫系统的方法——例如，从患者身上提取 T 细胞，将它们暴露于导致它们增殖并变得更活跃对抗癌症或病毒感染的物质，然后将增强后的细胞返回到患者体内。我们两人在 20 年前加入了这项工作，当时莱文来到现在的马里兰州贝塞斯达的沃尔特·里德国家军事医疗中心与琼一起工作。在其他人的工作基础上——尤其是西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心的菲利普·格林伯格和斯坦利·里德尔以及休斯顿贝勒医学院的马尔科姆·布伦纳和克莉奥娜·鲁尼——我们开始了改进体外培养 T 细胞方法的实验。当时，只能通过使用复杂的化学信使混合物，或者通过从捐赠者的血液中提取另一种称为树突状细胞的细胞（通常指示 T 细胞成熟并急剧增殖）来在实验室中培养来自捐赠者的 T 细胞。
我们认为我们可以通过创建人工树突状细胞来简化该过程。从微小的磁珠开始，略小于 T 细胞，我们将模拟树突状细胞上分子的两种蛋白质附着到其表面。当在实验室烧瓶中与 T 细胞混合时，事实证明这些珠子非常有效地完成了它们指定的任务。通过大约每两周补充一次珠子，我们可以保持活跃的 T 细胞群快乐地繁殖两个多月，并将其数量增加一万亿倍。
当我们开始使用从艾滋病病毒阳性志愿者身上采集的血液样本测试这种方法时，我们惊奇地发现，我们产生的 T 细胞具有显着的——尽管是暂时的——抵抗艾滋病毒侵袭的能力。我们于 1996 年 6 月发表了我们的结果，当时我们仍然不知道为什么我们用于培养 T 细胞的磁珠方法会提高它们对艾滋病毒感染的抵抗力。但同年晚些时候，出现了一条重要的线索，最终将有助于解释这个谜团。
感染的门户
在我们开发 T 细胞培养系统的同时，其他研究人员发现了艾滋病毒攻击方法的关键缺陷。在艾滋病流行初期，研究人员已经确定了少数个体，他们似乎对艾滋病毒感染具有高度抵抗力，尽管他们曾多次暴露于该病毒。在 1996 年底，在一次科学出版狂潮中，多家实验室报告称，一种称为 CCR5 的特定蛋白质，它位于辅助 T 细胞和某些其他细胞的表面，就像一扇门户，允许艾滋病毒进入。此外，研究人员表明，天生缺乏该蛋白质的人不会被感染[参见斯蒂芬·J·奥布莱恩和迈克尔·迪恩撰写的“寻找抗艾滋病基因”；《大众科学》，1997 年 9 月]。
门户的缺失是由于编码细胞表面蛋白质的基因中缺失了 32 个核苷酸（DNA 字母表的 A、T、C 和 G 字母）造成的。缺失导致缩短的 CCR5 蛋白无法到达细胞表面。大约 1% 的高加索人遗传了两个这种缺陷基因的拷贝，被称为CCR5-Delta32，这使得他们的细胞对艾滋病毒感染具有高度抵抗力。这种突变在
美洲原住民、亚洲人和非洲人中很少见。除了他们的基因特殊性外，受影响的个体似乎是健康的，尽管他们可能更容易感染西尼罗病毒。
仅遗传了一个拷贝CCR5-Delta32基因的人仍然容易感染艾滋病毒——但他们从最初感染发展到疾病后期阶段平均需要更长的时间。研究人员表明，称为 β-趋化因子的天然化学信使可以阻断正常的 CCR5 受体——使其无法被艾滋病毒利用。事实上，阻断 CCR5 受体是一整类抗艾滋病病毒药物的基础。不幸的是，很难保持所有细胞上的所有 CCR5 受体都持续涂有足够的药物，以至于艾滋病毒无法进入任何细胞。此外，艾滋病毒可以发生突变以避开封锁，而这些略微改变的病毒仍然可以使用 CCR5 门户进入 T 细胞。
CCR5 在艾滋病毒感染中的作用的发现有助于解释为什么我们人工培养的 T 细胞被证明具有抵抗力。某种程度上，珠子对 T 细胞的激活导致细胞关闭了 CCR5 蛋白的产生。没有可用的门户，艾滋病毒就无法进入细胞。
在那时，我们想知道是否可以将 CCR5 的发现与我们新改进的 T 细胞培养方法结合起来，创造一种新的艾滋病毒治疗方法。这个想法促成了与当时都在旧金山生物技术公司 Cell Genesys 工作的克里斯汀·海格和戴尔·安多的合作，以采取早期步骤：进行人体临床试验，以确定经过基因改造以寻找和攻击艾滋病毒感染细胞的 T 细胞的安全性——这些 T 细胞也已使用我们的磁珠技术扩增。事实证明，这些细胞是安全的，并且在输注后存活了多年。然而，我们研究的特定基因改造对患者体内艾滋病毒的复制只有适度的影响。Cell Genesys 最终停止了这项工作。
工程改造抗艾滋病毒细胞
到 2004 年，在我们两人搬到宾夕法尼亚大学几年后，安多来我们的新住所拜访我们，并提出了第二个实验。他的新雇主 Sangamo BioSciences 最近开发了一种技术，可以在精心选择的位置切割基因的 DNA 链。这种方法与其他方法从根本上不同且效率更高，因为它能够靶向特定的基因序列进行编辑。以前，研究人员没有好的方法来控制哪些基因或基因的哪些部分被改变。
安多谈论的 Sangamo 技术依赖于两种类型的蛋白质来删除已就位的基因的一部分。第一种类型是锌指蛋白，它是天然存在的分子，在基因转录过程中与 DNA 结合，基因转录是将 DNA 分子中的信息转化为合成编码蛋白质所需的 RNA 分子的过程。人类产生大约 2,500 种不同的锌指蛋白，每种锌指蛋白都与 DNA 分子上不同的特定核苷酸序列结合。
多年来，科学家们研究出了一种方法来设计和人工构建锌指蛋白，使其能够闩锁到任何感兴趣的特定 DNA 序列上——例如，CCR5 基因的一部分。安多建议 Sangamo 创建一套定制的 DNA 剪刀，首先创建锌指蛋白，使其附着到我们想要删除的序列的任一端。然后，对于每种蛋白质，公司科学家都会添加第二种蛋白质，一种称为核酸酶的酶，它能够将 DNA 链切成两半。这种复合物的锌指部分将识别要切割的 DNA 部分，而核酸酶将剪断遗传物质。通过开发正确的锌指对，Sangamo 可以仅靶向我们感兴趣的CCR5基因的特定部分——而不会意外损坏其他基因。
一旦这些设计的锌指核酸酶与有问题的 DNA 序列结合，细胞自身的修复机制就会接管。这种机制将识别断裂并重新连接断开的 DNA 片段，在这个过程中咀嚼掉一些核苷酸或添加一些额外的核苷酸。因此，修复过程本身将有助于进一步确保裂隙基因无法产生 CCR5 蛋白的工作副本。
在安多完成他的提议并离开我们的实验室后，我们中的一位（琼，他通常非常乐观）转向另一位说：“是啊，当然，就像这会奏效一样！” 但值得一试。除了对CCR5缺失非常特异外，锌指系统很有吸引力，因为蛋白质只需要很短的时间即可发挥作用，并且在细胞中不留下任何残留痕迹。
柏林病人增强了希望
当我们收到 FDA 和美国国立卫生研究院的许可，开始在人体中进行安全性研究时，关于柏林病人显然成功治疗的消息传出——这让我们更有理由认为，将具有突变CCR5基因的 T 细胞输注到患者体内可以对他们体内的艾滋病毒造成重大打击。特别是，格罗·许特尔和他的同事报告说，他们能够进行一项可能是千载难逢的实验。他们的一位患者，艾滋病毒呈阳性已超过 10 年，并且抗病毒药物治疗效果良好，但患上了急性髓系白血病，这与他的艾滋病毒感染无关。他接受了化疗，但癌症复发了。如果没有骨髓移植，即一个人的免疫系统（包括所有 T 细胞）基本上在另一个人身上重建，他就会死亡。
许特尔搜索了欧洲潜在骨髓捐赠者数据库，寻找与他的患者的 HLA 标志物相匹配的个体，HLA 标志物是一组蛋白质（人类白细胞抗原），免疫系统使用它们来区分自身组织和其他生物的组织。匹配移植接受者的 HLA 类型对于防止移植的细胞将新宿主视为异物并攻击其组织（一种称为移植物抗宿主病的疾病）以及防止患者先前免疫系统的任何残留成分排斥至关重要。
然而，许特尔并没有止步于此。他希望找到一位 HLA 标志物正确的人，其细胞也自然携带两个CCR5-Delta32突变拷贝。来自这样的人的骨髓移植可能会为艾滋病毒阳性接受者提供一个新的免疫系统，该系统能够抵抗继续存在的病毒。
令人惊讶的是，在许特尔搜索数据库并测试了 60 多位潜在捐赠者的基因后，他找到了一位符合要求的候选人。（由于 HLA 区域因人而异，并且 HLA 基因和CCR5基因位于不同的染色体上，因此搜索过程很复杂。）考虑到很少有人在CCR5基因的两个拷贝中都具有CCR5-Delta32突变，这一发现是一个幸运的突破。幸运的是，柏林病人的 HLA 模式也非常常见。（为了让您了解这种组合有多么罕见，全球的研究人员都试图复制德国的实验，但尚未找到任何具有正确 HLA 标志物和CCR5突变组合的个体。）
最终，柏林病人需要捐赠者的两次骨髓移植才能治愈他的白血病。引人注目的是，在移植手术五年多后，并且在持续没有抗逆转录病毒药物治疗的情况下，医生使用最灵敏的分子检测方法，一直未能检测到他的血液、肝脏、肠道、大脑、淋巴组织或血浆中存在任何艾滋病毒。没有人知道艾滋病毒是否真的从柏林病人身体的每个组织中根除，实现了所谓的“消毒性治愈”，因为艾滋病毒可以将其基因插入各种细胞的染色体中[参见马里奥·史蒂文森撰写的“艾滋病可以治愈吗？”；《大众科学》，2008 年 11 月]，使其能够休眠多年。同样未知的是，如果他的免疫系统现在能够处理任何可能重新出现的感染，是否需要完全摧毁他体内所有艾滋病毒，这意味着他被“功能性治愈”了。无论如何，该患者不再需要服用抗逆转录病毒药物，并且体内没有可检测到的病毒。（当然，他仍然需要服用药物来维持骨髓移植的健康。）
不幸的是，德国的实验可能会在未来几年内被证明是骨髓治愈艾滋病毒的唯一例子。不仅捐赠者和接受者 HLA 和基因突变的正确组合非常罕见，而且这种特殊方法非常昂贵（在我们医院，骨髓移植的最低费用为 25 万美元），需要强化化疗方案、有风险的骨髓移植和终生的抗排斥药物方案。实际上，柏林病人用一组问题——艾滋病毒感染（和白血病）——换取了另一组问题——成为移植接受者。大多数能够通过抗艾滋病毒药物过上或多或少健康、富有成效的生活的人——尽管有明显的副作用和终生费用——都会犹豫是否要做出类似的交易。当然，由于柏林病人患上了致命的白血病，他别无选择。
尽管我们受到了柏林研究结果的鼓舞，但我们也知道，捐赠的免疫系统中CCR5的缺失可能不是患者显然无艾滋病毒状态的唯一原因。也许患者的休眠艾滋病毒颗粒库在多年的抗逆转录病毒药物治疗期间被耗尽了。或者，也许在为移植做准备而摧毁他原来的免疫系统后，患者体内没有残留的艾滋病毒。或者，也许柏林病人在治疗期间遭受的一次危及生命的移植物抗宿主病也在用药物控制反应之前摧毁了任何剩余的艾滋病毒感染细胞。（没有人 HLA 匹配是 100% 完美的——除非是同卵双胞胎。）尽管如此，CCR5缺失仍然是移植成功的最可能解释，因此我们急切地继续进行我们自己的实验。
临床试验正在进行中
当柏林病人的消息传出时，Sangamo 已如承诺的那样，开发了一套锌指核酸酶，靶向CCR5基因关键 32 个核苷酸序列附近的位点。（由于目标是禁用CCR5，因此我们是否完全复制自然发生的基因突变并不重要，只要由此产生的蛋白质停止起作用即可。）与当时的实验室博士后研究员埃琳娜·佩雷斯一起，我们表明，讽刺的是，艾滋病毒感染本身可以帮助重塑免疫系统，使其更能抵抗病毒。我们的实验室实验表明，即使在培养物中最初以低频率存在的CCR5基因已被锌指核酸酶禁用的 T 细胞，在暴露于艾滋病毒后也能够补充和稳定 T 细胞群；相比之下，仍然含有 CCR5 受体的未编辑 T 细胞会被艾滋病毒摧毁。换句话说，艾滋病毒杀死了脆弱的 T 细胞，留下越来越多的 CCR5 缺陷型 T 细胞，而这些细胞恰好是对艾滋病毒具有抵抗力的细胞，因此可以履行其作为免疫细胞的职责，并提供免受感染的保护。
我们在人体安全性试验中的初步结果也令人鼓舞。在费城领导我们试验的医生巴勃罗·特巴斯的指导下，第一位患者于 2009 年夏天接受了他的 CCR5 修饰的 T 细胞再输注。从那时起，我们在美国国立卫生研究院赞助的一项研究中治疗了 11 名额外的艾滋病毒阳性志愿者。Sangamo 正在西海岸进行一项类似的研究。尽管这些安全性研究本质上并非旨在证明治疗是否有效，但我们观察到，迄今为止，所有患者的持续血液检测中测量的辅助 T 细胞数量都从基线水平有所增加，这表明该治疗可能正在保护 T 细胞。此外，在肠道淋巴组织和血液中检测到了缺乏功能性 CCR5 受体的辅助 T 细胞。（这些细胞可能仅来源于通过锌指核酸酶修饰的再植入细胞。）
下一步是测试新改变的免疫细胞对抗体内已存在的艾滋病毒颗粒的能力。我们正在采用一种公认的策略，尽管如此，这种策略仍然令人生畏。在研究医生的密切监测下，我们计划停止志愿者的抗艾滋病毒药物治疗，看看会发生什么。当我们对我们的一位接受治疗的受试者进行 12 周的试验时，该受试者遗传了一个CCR5-Delta32基因（因此给他带来了一点自然优势），我们发现在为期三个月的抗病毒药物中断结束时，他的血液或淋巴组织中没有病毒的证据。最近接受治疗的患者正处于输注后方案和随访的中期，这些访视将在明年完成。计划进行额外的临床试验，以测试这项新技术的疗效。如果我们最终获得成功，锌指核酸酶方法可能比罕见的 CCR5 缺陷型骨髓移植或终生抗艾滋病毒药物治疗便宜得多。
仅仅在几年前，开发安全、有效且更便宜的疗法，以实现对艾滋病毒的长期、无药物控制，对于我们中的少数人来说，甚至是不敢梦想的愿景。即使我们定制设计的锌指核酸酶不是一种治愈方法，我们相信它们也可能是 30 年来最接近锁定艾滋病毒的方法。
本文以“阻断艾滋病毒的攻击”为标题发表在印刷版上。