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使用前讓它更安全:基因神剪 CRISPR 還有哪些問題待解?

研之有物│中央研究院_96
・2019/04/30 ・4078字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐宇甜    美術編輯|林洵安

人體基因編輯的現況與未來

基因神剪 CRISPR 宛如科技魔戒,威力橫掃全球,大多數科學家積極用它改良物種,甚至人類自身。但是編輯人體基因的技術已經足夠安全了嗎?真的毫無副作用嗎?中研院生物化學研究所助研究員凌嘉鴻,站在 CRISPR 研究最前線,非常熟悉這把剪刀的優缺點。因此比起拿起 CRISPR 神剪改造人類,他更想把這把剪刀改得更安全。就讓我們一起問問他對 CRISPR 還有哪些期待!

Q:您是人體基因編輯的專家,去年發生基因編輯寶寶的爭議,您怎麼看?

基因編輯寶寶事件」是中國生物學家賀建奎和他的團隊,利用 CRISPR 技術,修改人類受精卵的 CCR5 基因,目的是讓胚胎在發育過程中對愛滋病毒免疫。

2018 年 11 月,賀建奎宣稱:已有一對基因經過編輯的雙胞胎姊妹誕生。這對姊妹的父親是愛滋病帶原者,但兩姊妹出生後證實均未感染愛滋。

當父母有一方是愛滋帶原者,胚胎發育的過程中就可能會感染愛滋病毒。賀建奎宣稱,經由剪除 CCR5 基因,可以讓胚胎對愛滋病毒免疫。
示意圖來源│iStock

Q:寶寶不會感染愛滋,聽起來很棒啊,為什麼全世界科學家都跳腳?

主要原因有三:

一、這個實驗是沒有必要的冒險!當夫妻一方感染愛滋病,又想要生下健康寶寶,可以有更好、更安全的醫療方案,不需要進行風險還很大的基因編輯。

二、這次基因編輯的雙胞胎,只有一個實驗成功,另一顆受精卵雖然也放入 CRISPR ,卻沒有切掉 CCR5 基因。但是,賀建奎竟將這顆實驗失敗的受精卵,也放到母體孕育,這讓科學界無法接受!

因為這顆失敗的受精卵,不但沒有達到抗愛滋的醫療初衷,出生的寶寶還必須承受巨大的風險。如果 CRISPR 剪到其他基因,可能為這個新生命帶來難以承受的後果。

三、雖然剔除基因 CCR5 可能抵抗愛滋病毒,但這個基因會不會有其他重要、人類還沒發現的功能?剪掉這個基因會不會造成嚴重的副作用?目前的科學仍無法預料。

Q:看來基因編輯寶寶現階段還是母湯啊!您目前在改造人類的什麼基因呢?

CRISPR 門檻很低,許多人很快跑到應用面。但我比較關心安全性、副作用等問題。

在細胞裡丟進一把剪刀和 DNA,難道細胞完全沒反應嗎?我不太相信。

最近我的實驗室發現,細胞對外來 DNA 跟 RNA 的免疫反應很激烈:細胞會認出這些 RNA 跟 DNA 不是自己的,產生發炎反應,甚至放出求救訊號:「有奇怪的 RNA 或 DNA 出現!」如果細胞會對 CRISPR 出現發炎反應,未來想在活體上進行治療,問題就很大。

另一個重要的問題:雖然現在有一把精準有效的基因剪刀,但修復過程是細胞在控制,跟剪刀一點關係都沒有。理想狀況下,當 Cas9 剪開 DNA 時,會有機會更改 DNA,但細胞願不願意將正確的 DNA 片段接上去?當細胞已出現發炎反應,它會怎麼修復 DNA?目前仍沒辦法掌握。

Q:細胞會怎麼修復自己的 DNA?

最重要的 DNA 修復方式有兩種:

一種是非同源性末端結合 (NHEJ):直接將 DNA 雙股斷裂的尾端拉近、黏上。如果細胞選擇這條路,就不會接受外來的 DNA 片段。

一種是同源性重組 (HDR):正常的 DNA 有兩副,今天斷在某一副的某個位置,另一副通常不會這麼巧合斷在同一個位置,可以作為修復模板,複製一段正確 DNA,接在 DNA 的斷口處。

細胞修復 DNA 有兩條路,NHEJ 是直接把斷裂處接起來,HDR 是拿另一副 DNA 做模板複製正確的 DNA 片段,接在斷裂處。當細胞選擇走 HDR,才有可能接受外界送入的正確基因。
圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

當細胞選擇走 HDR 這條路,才有可能接受接受我們送進去的 DNA 片段,完成基因編輯。可惜的是,細胞喜歡走 NHEJ,直接把斷掉的 DNA 兩端接起來,雖然這條路破壞性很大,DNA 序列可能多一些、少一些,無法指揮細胞做出正確的蛋白質。

Q:細胞為什麼會喜歡這麼破壞性的修補方式呢?

原因可能是:人體 65 億個鹼基序列上,真正存放基因的只有 1~2%,其他 98% 還不清楚有什麼功能。細胞的概念是:DNA 斷在不重要的位置的機率比較高,直接接上至少快。

HDR 雖然可以精準複製 DNA,但其實更危險。因為基因體序列重複性高,胡亂交換 DNA 片段的機率也很高,所以很多細胞寧可不走這條路。

總而言之,每種細胞面對 CRISPR 的反應不太一樣,有些細胞的開關是 HDR 一半、NHEJ 一半。幹細胞或一些免疫細胞,完全是 NHEJ。我們會特地選一些喜歡 NHEJ 的人體細胞做研究,了解細胞做決定的關鍵因素。

凌嘉鴻研究基因編輯的主要關懷,在於降低 CRISPR 這把剪刀放入人體細胞後的安全性、副作用,以及細胞的修復機制等問題,圖中紅色液體就是人體細胞的樣本。
攝影│林洵安

Q:未來 CRISPR 會怎麼治療人體?有可能做成藥劑嗎?

這是另一個技術瓶頸!CRISPR一定要成為藥劑,才能廣泛使用。例如:當病人的心臟有基因突變,不需開刀剖開心臟,只要將 CRISPR 包入膠囊吃下去,或是注射入血液,經過血液循環系統,就能抵達生病的心臟細胞進行治療。

但這麼一來, CRISPR 必須能「精準」傳送到需要治療的細胞,就像寄包裹,必須抵達正確的地址。

目前最簡單的構想是:用一層膜包起 Cas9 跟 RNA,膜上有一些結構,能夠辨識特定的人體細胞。當這個「包裹」進入血液、組織、器官,找到正確目標(正確地址),才會把 Cas9 跟 RNA 送進細胞。

有人嘗試用病毒來「包裝」 Cas9 與運送,因為大自然中有很多病毒專門攻擊某個生物或器官。有人選擇用奈米材質的包裹,例如:有人的肌肉細胞基因突變,可以把奈米材質包裹注射到肌肉附近,讓它局部擴散,至少可治療某區的細胞。

雖然 CRISPR 比過去的基因剪刀好用多了,但這把剪刀的精準度、後續的細胞反應、DNA 修復方式以及藥物傳送問題……統統需要研究。我希望把 CRISPR 改到沒有副作用,精準、完全交換到正確的 DNA。

Q:如果 CRISPR 沒有副作用、可以做成藥劑,就可以打造完美寶寶嗎?

技術上還是不可能!CRISPR 只是一把精準的基因剪刀,你得告訴它要剪什麼基因。上面說過,我們對人類基因體的了解不夠,可說是非常淺薄,光是改個身高,到底涉及哪些基因?它們怎麼運作?機制完全不清楚。

更重要的是,一個基因在成長各個階段會扮演不同的角色,或在不同細胞有不同功能,把這些基因一口氣改掉,有什麼影響?會不會有危險?我們都不知道。

另外,許多技術在研究室都可以做,但要應用到人類醫療,會有很多道德問題,這個底線應該是整個社會一起討論,不是科學家決定。

舉例來說:每個孕婦都會做產檢,如果產前就知道寶寶有基因缺陷,每位媽媽一定都會希望在受精卵或胚胎上修好寶寶的基因,以免寶貝出生後受苦。

這條底線可以繼續往前推:未來地球會越來越髒亂、氣候異常,小孩更容易罹癌。有些基因就算沒突變,是不是也能預防重於治療,先改得好一點?

總之,你可以有種種理由推進這條底線,但推到怎樣才算過頭?身高、眼睛、頭髮,什麼都要改嗎?難道真的要改成超級人種?

另外,這些技術絕對很昂貴,只有少數人負擔得起。

如果富人能隨意改東改西的話,可能更不怕生病,活得更久,或是具特殊優勢。那麼,憑什麼他們可以使用,其他人卻不行?

我認為罕見疾病或致命疾病應該治療,千萬不要走向超級人類或完美寶寶,造成不公平,但這是政府、國家必須立法規範的。

Q:您博士班學的是基礎微生物學,後來為什麼會轉向人體基因編輯研究?

完全是誤打誤撞(哈哈)。原本我在博士班是研究細菌怎麼合成天然物,有次 CRISPR 發明人之一的道納 (Jennifer A. Doudna) 博士到我們學校演講,內容是解蛋白質結構的生化技術。

我對這個主題很感興趣,主動寄信問道納博士能否到她實驗室做研究。面試時,她提到發現 CRISPR 是細菌的免疫機制,剛好我是念微生物學,可以幫得上忙,於是順利錄取了。

沒想到,我正式加入她的實驗室時,碰巧遇上 CRISPR 和 Cas9 研究大突破,成為最熱門的基因編輯技術。結果,面試的東西完全撇在一邊,我也投入基因編輯的研究。那時每天都很忙碌、很像坐雲霄飛車,但非常值得,畢竟這種見證歷史的機會很難得。

Q:您對人體基因編輯還有什麼建議嗎?

請社會大眾不要只是直覺基因編輯好美好、或多可怕,可以多多了解相關知識。有了正確的知識,才能判斷它的底線應該劃在哪裡。

另外,CRISPR 仍有很多瓶頸有待突破,讓這項技術更精準、更安全,這需要很多科學家一起努力,徹底了解這把剪刀,把它改得更好。

最後,我覺得基礎科學很重要,還有很多東西等待發現。

試想,如果過去科學家不曾研究細菌免疫學,就無法發現 CRISPR了。唯有我們對基礎生物學夠了解,才能繼續發現新東西。

凌嘉鴻(右一)本來是微生物學家,博士班畢業後「誤打誤撞」進入 CRISPR 發明人之一的道納 (Jennifer A. Doudna) 博士的實驗室,參與了 CRISPR 的爆炸性發展。現在,他在中研院帶領年輕科學家,繼續努力將這把神剪改的更精準、更安全。
攝影│林洵安

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為隨心所欲編輯人體基因的時代來了?專訪凌嘉鴻,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
220 篇文章 ・ 1427 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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「血液病理診斷」導入 AI 應用,輔助醫師快速精準判讀、減輕負荷量

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/01/17 ・2491字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣諾華 協助刊登,審定編號 TW2201057472。

  • 作者/許君咏

我們想讓你知道:

被喻為困難診斷疾病的骨髓增生性腫瘤,難在哪裡?由於「病理切片判讀」很難找出「兇手」,因此,林口長庚醫院與台灣諾華及雲象科技合作,將 AI 運用於血液病理診斷,有望幫助醫生進行快狠準的判讀,可以減少經驗多寡限制,以及減輕醫生的判讀的負荷量,更重要的是,為病患做出正確的診斷,幫助及早進行治療。

在血液癌症的診斷中,病理切片是必要條件之一,例如骨髓增生性腫瘤(myeloproliferative neoplasm,簡稱 MPN),因為種類繁多,臨床症狀、病理變化及突變特徵重疊性高,過去需仰賴經驗豐富的臨床血液科及血液病理科醫師人工鑑定,然而對抗血液腫瘤就如同與時間賽跑,若無法立即提供判讀結果,延誤了治療時機,將影響病患存活率。

「骨髓增生性腫瘤」到底是什麼?

骨髓增生性腫瘤(MPN),以前稱為骨髓增生性疾病,是一組以一個或多個血細胞(白細胞,紅細胞,血小板和/或纖維細胞)過量產生為特徵的疾病。

首先,骨髓是人類的造血器官,它的重要功能就是產生造血幹細胞,之後這些造血幹細胞透過分化再生成不同的血細胞,例如紅血球、血小板、顆粒球、單核球等。而骨髓增生性腫瘤是一組罕見的血液癌症,會導致骨髓中產生過多的紅血球、白血球、血小板,根據 2016 世界衛生組織的分類,這組疾病中較常見有四類,各有不同的預後及治療方式,包括原發性血小板增多症(ET)、真性紅血球增多症(PV)、原發性骨髓纖維化(PMF),原發性骨髓纖維化又有兩種亞型:早期骨髓纖維化(pre PMF)及顯著骨髓纖維化(overt PMF)。

骨髓增生性腫瘤種類

至於確切的罹病原因目前並不清楚,科學家尚在研究中。林口長庚醫院血液科郭明宗醫師說:「骨髓增生性腫瘤臨床上常見有 3 種基因突變,分別是 JAK2V617,CALR,MPL。不論是後天的基因變異,或是環境因素等皆為可能致病因子,目前在臨床上面臨的最大挑戰不僅是治療,其實從診斷程序挑戰就已經開始。」

難如登天的「病理切片判讀」,究竟要如何找出「兇手」呢?

被喻為困難診斷疾病的骨髓性增生腫瘤,難在哪裡?

郭明宗醫師進一步說明,因骨髓性增生腫瘤屬於血液增生性疾病,和其他實體腫瘤不同的是,病患沒有明顯可觸及的腫塊,通常是因為出血、中風、脾腫大等併發症而求診,無法直接看出病因是什麼。這時醫生就像偵探一樣,必須從其他類似的症狀、血液檢查數值等尋找線索,列出可能的疾病名單,而最關鍵的證據除了基因變異之外就是「病理切片判讀」。因此, 2016 年世界衛生組織也將「骨髓切片」列為骨髓增生性腫瘤診斷的必要條件之一。

但最難的部分就在於「病理切片判讀」,林口長庚紀念醫院解剖病理部莊文郁副主任說:「骨髓切片主要是由血液病理次專科醫師進行判讀,而骨髓增生性腫瘤判讀的複雜度遠超乎一般人所能想像,病理醫師必須仔細評估各種造血細胞在顯微鏡下的數量及形態,特別是巨核細胞的形態特徵、數量及空間分布,才能得到精準的診斷。」

莊文郁主任實施病理切片判讀

也就是說,傳統的病理切片裡的血球型態與其他疾病極為相似,需由經驗豐富的醫生判讀,並進行診斷,然而人工判讀的缺點在於,難以取得客觀量化的數據,並且可能會有人為誤差。如前段提及骨髓增生性腫瘤有不同種類,預後和病程進展有極大差異,需要不同的治療策略。郭明宗醫師分享:「早期世界衛生組織尚未明確分類時為例,曾有 20% 的患者原先被診斷為原發性血小板增多症(ET),後續分類後重新診斷為早期骨髓纖維化(pre PMF)。」說明病理切片判讀在診斷上有一定的困難及複雜性。

病理切片耗人又講求經驗怎麼辦?AI 來幫忙!

莊文郁副主任說:「林口長庚每月有近萬個案例、高達上萬筆的病理玻片需要判讀,病理團隊每日皆須面臨龐大且急迫的病例,為了能及早且精準幫助病患確診,已全面將病理玻片數位化,為全台少數完成跨院區病理科數位化的醫療院所,可大大提升判讀方便性。」

這次合作跨界三方,結合不同優勢,林口長庚龐大的病理資料庫,雲象科技的 AI 技術,加上台灣諾華長期投入血液腫瘤研發治療的經驗,共同提升台灣血液腫瘤篩檢量能,幫助病患在進入急性期或惡化前獲得及時診斷及擬定適合的治療策略,延續病患生命並提升生活品質。

血液疾病的診斷與治療相當困難,然而因病患數不如其他器官癌症,故新技術如 AI 較不會第一時間應用在血液疾病上;不過,對血液疾病來說,以形態學為基礎的病理診斷扮演關鍵角色,而型形態辨識正是 AI 在醫療上能有最大發揮空間的面向。

這個概念就像是平常大家將合照上傳社群軟體,平台會透過自動人臉辨識系統,標記照片裡的朋友人名。運用 AI 進行深度學習,辨識骨髓玻片裡的細胞型態、特徵和空間分佈的情形,能夠提供量化且客觀的數據。

莊文郁副主任打趣地說,隨著時代與醫療的進步,AI 技術不僅可以認臉,也可以辨別極度困難與複雜的細胞了!

雲象科技骨髓切片判讀

而台灣諾華在癌症治療領域耕耘已久,諾華腫瘤(台灣)總經理陳喬松說:「身為全球製藥領導者,從第一代標靶治療到目前最新的細基因療法,建立了許多治療創新里程碑。」目前除了利用資料科學發展新興藥品外,諾華爲重新改善患者生活品質,並延長其存活期,亦發展大數據分析及 AI 技術,希冀幫助更多血液腫瘤病患及早診斷、治療,讓血液腫瘤的早期診斷向前邁出一大步。在 AI 的加持下,未來血液病理的發展,或許能夠和近年備受重視的分子和基因診斷攜手合作,更進一步加強疾病診斷與治療品質。

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