奥黛丽六个月大的时候，她的父母第一次注意到有些不对劲。毫无预警地，她的身体僵硬，眼睛向上翻到眼眶角落，持续数小时。尽管多次拜访专家，但没人知道是怎么回事。她的医生开了抗癫痫药物——大量抗癫痫药物——这让她镇静下来，但并没有阻止眼睛上翻。最后，他们承认他们不知道如何帮助，并给奥黛丽和她的父母送回家一些关于与残疾人生活的宣传册。
后来的基因检测确诊奥黛丽患有一种名为芳香族l-氨基酸脱羧酶 (AADC) 缺乏症的疾病，这是由单个基因突变引起的。这种极为罕见的疾病在婴儿期显现，降低了AADC的活性，AADC是一种对制造大脑信号化学物质多巴胺和血清素至关重要的酶。它会导致严重的智力发育和运动障碍，以及睡眠和情绪问题。大多数患有这种疾病的儿童无法说话、坐起来或支撑自己的体重。
经过多年的挫败感，奥黛丽的父母让她参加了一项临床试验，该试验由加州大学旧金山分校神经外科教授兼俄亥俄州立大学医学院的克日什托夫·班凯维奇领导。班凯维奇和他的同事正在测试的基因疗法使用一种无害的病毒作为载体，引入一个完整的基因版本，该基因负责制造AADC酶。七名儿童参加了试验。研究人员将病毒直接注射到每个孩子大脑中神经元附近，他们希望这些神经元能够开始制造AADC，并随后制造多巴胺。
在试验开始时，这些儿童的年龄从四岁到九岁不等（奥黛丽当时六岁）。结果是戏剧性的：手术后三个月，七个孩子中的六个停止了眼动危象——这是该疾病的标志性眼睛上翻。班凯维奇说，第七个孩子最初也有所改善，但七个月后死于该疾病本身的并发症。术后一年，所有六名幸存儿童都能正常控制头部，四名儿童可以独立坐立。一年半后，奥黛丽和另一名儿童在手扶的帮助下行走，并开始学会使用他们以前无法控制的肌肉。到目前为止，没有一个孩子出现任何严重的副作用。
如果没有数十年的研究以及明知可能会危及生命，但仍自愿参加实验性治疗以推动基因疗法发展的患者，像奥黛丽这样的结果是不可能实现的。严重的副作用，有些是致命的，威胁到该领域早年的发展，促使研究人员退后一步，重新考虑他们的方法。他们坚信基因疗法的希望，并相信有可能找到更安全、更精确的基因递送方法，因此他们坚持了下来。
从那时起，基因疗法取得了一些显著的成功 [参见“成功案例”]。然而，控制副作用的探索远未结束。与任何开创性的医学科学领域一样，研究人员必须在推进可能有助于治愈毁灭性疾病的知识与谨慎行事以保护患者之间取得平衡。
首先，不伤害
杰西·盖辛格在1999年18岁时，加入了最早的基因疗法临床试验之一 [参见“基因修复”]。盖辛格患有一种名为鸟氨酸转氨甲酰酶 (OTC) 缺乏症的遗传性疾病，该疾病会导致血液中积聚有毒水平的氨。如果不治疗，这种积聚会导致呕吐、嗜睡，严重时甚至会导致死亡。这种情况影响高达五万分之一的婴儿，是由OTC基因突变引起的。该病症的标准治疗方法包括限制饮食和称为替代途径疗法的补充剂。盖辛格正在接受该病症的治疗，病情较轻，但他偶尔会经历高氨水平发作，称为高氨血症，甚至有一次陷入昏迷。
他参加的基因疗法试验使用了一种称为腺病毒的感冒病毒，该病毒经过基因工程改造，可将OTC基因的工作版本传递到他的肝细胞。盖辛格是接受最高剂量的两名参与者之一。然而，在治疗后的几天内，他的病情迅速恶化。他的身体启动了严重的炎症反应，导致器官衰竭，最终导致脑死亡。
几年后，几名接受基因疗法治疗严重免疫疾病的儿童患上了癌症。
研究经费枯竭，许多研究人员放弃了这个领域。但那些留下的人开始改进病毒载体的安全性和有效性。他们也开始探索一种称为CRISPR的基因编辑方法，该方法可以实现更有针对性的治疗，但也带来了一系列新的风险。
自从盖辛格去世以来，基因疗法已经取得了长足的进步——奥黛丽就是活生生的证明。然而，研究人员仍然对副作用的幽灵保持警惕。“我们现在所处的位置非常不同，” 马克·巴特肖说，他是 20 多年前帮助领导涉及盖辛格的试验的医生，现在是儿童国家医院的发育儿科医生。* “我们对载体了解得更多了。我们对与之相关的免疫力了解得更多了。我认为现在更加谨慎了。”
盖辛格去世后，美国食品药品监督管理局禁止詹姆斯·威尔逊（盖辛格接受的疗法的实验室开发科学家）及其机构宾夕法尼亚大学人类基因治疗研究所至少五年内进行人体试验。FDA 通知引用了反复且蓄意违反研究性药物试验方案的行为。该机构还暂停了威尔逊研究所的所有研究。
但这并不是基因疗法的终结，也不是威尔逊职业生涯的终结。“支持该领域的热情急剧下降，” 威尔逊说。然而，“我们中的一些人继续致力于基因疗法，” 他说。“我们从临床应用转向了围绕基因传递的基础科学。” 威尔逊和他的同事们回到实验室，试图了解盖辛格死亡的原因。他们最好的假设是，他以前接触过腺病毒，体内存在腺病毒抗体，而这些先前感染的遗留物增强了他的免疫系统对腺病毒载体的反应。
威尔逊和其他研究人员认真审视了副作用问题以及如何最大限度地减少副作用。由于病毒载体似乎是最大的风险，他们转而使用腺相关病毒 (AAV)，事实证明这种病毒安全得多。如今，AAV 已被用于多种疗法，包括一种已获批准的治疗脊髓性肌萎缩症的药物。“我很高兴我们坚持了下来，” 威尔逊说。
从失败中学习
在盖辛格试验的同时，法国和英国的科学家正在研究一种治疗严重联合免疫缺陷综合征 (SCID) 的疗法，这是一种影响至少五万分之一婴儿的遗传性疾病。它有时被称为“气泡男孩病”，因为患有这种疾病的人，主要是男孩，天生没有免疫系统，必须生活在隔离、无菌的环境中，以防止生病。它可以通过来自匹配供体的骨髓移植治愈，但只有大约四分之一的受影响儿童能找到这样的匹配。如果不治疗，患有 SCID 的儿童通常会在出生后的第一年内死亡。
对于他们的载体，研究人员求助于一组称为逆转录病毒的病毒，因为他们认为这些病毒能够有效地将遗传物质传递到细胞中。在一对临床试验中，他们针对一种通过 X 染色体从母亲传给婴儿的 SCID 形式，称为 SCID-X1。它是由编码一种名为 IL2RG 的蛋白质的基因错误引起的。在这两项试验中，患者自身的骨髓干细胞被收集和分离。研究人员使用逆转录病毒载体将IL2RG基因的工作副本插入其中，然后将经过修饰的细胞重新输注。最初，该疗法似乎有些成功：接受治疗的 10 名儿童中的大多数开始产生功能性 T 细胞——这是功能性免疫系统的重要组成部分。但在三到六年内，一半的受试者患上了白血病，其中一人死亡。据信病毒载体激活了一个已知的致癌基因。FDA 暂停了所有涉及旨在修饰骨髓干细胞的逆转录病毒载体的美国试验。
“我们的知识来自动物模型，” 巴黎笛卡尔大学内克尔医院的儿科医生和血液学家玛丽娜·卡瓦扎纳说，她撰写了临床方案并处理了法国临床试验的患者随访。她说，问题在于动物模型无法预测人体毒性。“我停止了临床试验，我们回到实验室，试图解释这些副作用的原因。然后我们再次回到临床，” 她说。
波士顿儿童医院血液学和肿瘤学主任戴维·威廉姆斯参与了早期的 SCID 试验。“最后，” 他在谈到 SCID 试验和盖辛格试验时说，“你必须在人体上尝试这些东西，才能完全了解益处与风险。”
当威廉姆斯和他的同事在十年后恢复 SCID 工作时，他们创建了逆转录病毒的改良版本，以避免激活致癌癌基因。然而，它仍然只促使一种免疫细胞的产生，接受者需要持续静脉注射以维持生产。但近十年后，没有一名受试者出现白血病或其他副作用的迹象。
又是另一种病毒载体帮助推动 SCID 工作冲过了终点线。2016 年，圣裘德儿童研究医院孟菲斯分院的骨髓移植专家埃韦利娜·马姆卡茨领导的团队启动了一项使用慢病毒（一种与 HIV 相关的病毒）作为载体的 SCID-X1 试验。研究人员在其中构建了一个“防火墙”，以防止激活任何可能导致白血病的基因组部分。马姆卡茨和她的同事还对患者进行了化疗预处理，以为经过修饰的骨髓干细胞腾出空间。
马姆卡茨的团队总共使用这种基因疗法治疗了 18 名婴儿。迄今为止，治疗后约五年，没有一人患上白血病。“我们希望我们现在已经摆脱困境了，但我们将继续密切监测患者，” 马姆卡茨说。“当我们开始 [试验] 时，我的焦虑水平要高得多，因为有太多未知因素，” 她说。“我认为现在我可以安心睡觉了，在婴儿中使用这种基因疗法多年后，但我们永不懈怠。”
研究人员在研究其他疾病时，也一直将对基因疗法副作用的担忧放在首位。镰状细胞病每年影响约 30 万名新生儿，在非洲后裔中更为常见，长期以来一直是基因疗法的主要目标，因为它也是由单基因缺陷引起的。这种情况会导致红细胞呈镰刀状并聚集在一起，使其无法有效地运输氧气。患有这种疾病的人会经历使人衰弱的疼痛危象、中风和其他问题，并且可能是致命的。尽管存在治疗方法，但唯一的治愈方法是高风险的骨髓或干细胞移植。
位于马萨诸塞州剑桥市的生物技术公司 Bluebird Bio 在 2020 年底报告了其镰状细胞基因疗法临床试验的令人鼓舞的结果。19 名患者接受了含有成人血红蛋白成分工作版本的慢病毒载体治疗——所有 19 名患者在六个月内停止了严重的疼痛危象。但在五年多后，另一个队列中的两名患者患上了一种罕见的血癌，称为急性髓细胞白血病。
FDA 对 Bluebird Bio 的研究以及几项类似试验进行了临床搁置，同时该公司调查了这些病例。Bluebird Bio 自己的调查发现，白血病不太可能与基因疗法有关。Bluebird Bio 首席医疗官里奇·科尔文表示，在其中一个病例中，在癌细胞中未发现病毒载体，而在另一个病例中，存在病毒 DNA，但未整合到任何已知与白血病发展相关的基因中。2021 年 6 月，FDA 解除了对试验的搁置，试验已恢复。
Bluebird Bio 还在测试一种针对 X 连锁肾上腺脑白质营养不良症 (ALD) 患者的基因疗法，这是一种主要影响男孩的毁灭性疾病，他们的预期寿命只有 5 到 10 年。在该试验中，67 名患者中的一名患上了骨髓增生异常综合征，这种情况可能导致白血病，这一次发现与病毒载体有关。FDA 现在已搁置该试验。科尔文说，该疗法的益处仍然大于 ALD 的风险，ALD 本身是致命的。但他知道这是一个微妙的平衡：“我认为当你操纵人类基因组时，你必须保持谦逊。”
风险与收益
病毒载体本质上可以将自身插入到靶细胞基因组的不期望部分。但更新的技术正在实现对基因的更精确编辑。CRISPR 技术已用于某些基因疗法。尽管存在对基因组其他部分产生所谓的脱靶效应的潜在风险，但在早期的临床试验中尚未观察到这些效应。
在由位于马萨诸塞州剑桥市的 CRISPR Therapeutics 和位于波士顿的 Vertex Pharmaceuticals 赞助的一项涉及 CRISPR 基因疗法的试验中，根据未公布的数据，两名患有镰状细胞病和 20 名患有相关疾病β地中海贫血的患者的症状几乎完全得到改善。尽管需要更长期的随访，但 Vertex Pharmaceuticals 首席科学官戴维·阿尔特舒勒称这些结果为“医学和科学的里程碑”。
对于所有新疗法，都必须在正在治疗的疾病的背景下考虑副作用的风险。像 AADC 缺乏症这样的疾病可能是致命的，奥黛丽的母亲凯莉在让女儿参加加州大学旧金山分校的临床试验时就意识到了这一点。她很绝望，并认为任何改善都比现状好。
在让奥黛丽参加试验三年后，凯莉说她的女儿是“完全不同的孩子”。她不再有眼睛上翻的情况。她正在学习用嘴吃东西和说一些话。多亏了她的说话设备——一种触摸屏机器，可以让她激活口语化的计算机生成短语——她可以交流。凯莉说，在治疗前，她的女儿可以理解别人在说什么，但她无法表达自己。“现在她真的可以畅所欲言了，” 凯莉说。
奥黛丽继续在某些方面挣扎，包括平衡和说话。但她今天的生活与原本可能的样子相去甚远。凯莉说，在那一项基因疗法的成功中，其他家庭可以找到希望。“如果我们不做，我们就知道最终结果，” 她说。但是“如果它能做任何事情，即使只是一点点，那也已经是胜利了。”
本文是“基因疗法创新”的一部分，这是一份编辑上独立的特别报告，由辉瑞公司提供财政支持制作。
*编者注 (2021 年 10 月 20 日)：这句话在发布后进行了编辑，以包括马克·巴特肖目前的隶属关系。