
2023年,耶鲁大学神经科学家姜永惠(Yong-Hui Jiang)和周江兵(Jiangbing Zhou)获得了美国国立卫生研究院(NIH)4000万美元的资助承诺,用于开发一项能将基因编辑工具递送到大脑深处的技术。耶鲁大学当时宣布,这项技术有望“彻底改变基因组编辑疗法”,并可能治疗数千种脑部遗传疾病。
此后三年间,姜永惠和周江兵与雷特综合征研究信托基金(Rett Syndrome Research Trust)合作开展了两个项目。今年2月,周江兵还获得了非营利组织Cure SMA的7.5万美元资助,用于研究脊髓性肌萎缩症的治疗方法。然而,尽管取得了这些进展,研究人员尚未在同行评审刊物上分享其递送载体的详细信息,甚至连他们自己也未能完全阐明该技术的确切作用机制。
加州大学伯克利分校生物工程学教授尼伦·默西(Niren Murthy)指出,在大脑中进行基因编辑需要让大分子穿过或绕过血脑屏障(BBB),这几十年来一直困扰着研究人员。他表示:“可以说,递送是阻碍我们前进的首要因素。”
根据NIH的资助要求,耶鲁大学需在2028年前公开该技术的详细信息。在此期间,致力于将基因编辑工具递送至大脑的研究人员社区正拭目以待。北卡罗来纳大学教堂山分校细胞生物学和生理学教授马克·齐尔卡(Mark Zylka)说:“如果它有效,其他实验室都会想尝试并应用它。”
默西教授提到,腺相关病毒(AAV)迄今为止在穿透血脑屏障方面表现出最佳能力。本·德弗曼(Ben Deverman)及其团队在2024年5月发表于《科学》杂志的一篇论文中展示了一种工程化AAV,它能通过结合人体转运蛋白来穿过血脑屏障,这使得该技术具有潜在的人体转化价值。
然而,使用AAV也存在问题:病毒衣壳具有免疫原性,患者会对其产生抗体,导致第二次给药无效。此外,AAV的载荷容量仅勉强够容纳一些CRISPR-Cas9分子及其引导RNA,更不用说更安全、体积更大的下一代CRISPR工具,如碱基编辑器。
绕过血脑屏障的一种方法是将大分子直接注射到脑脊液中。这种技术已在其他疗法中取得成功,例如,用于治疗脊髓性肌萎缩症的Nusinersen(商品名Spinraza)是一种反义寡核苷酸疗法,通过脊髓周围的液体递送时,能够到达一些深层脑区。研究人员也曾尝试将基因编辑工具包裹在纳米颗粒中并递送至脑脊液,但默西指出,这些方法目前只能将CRISPR颅内递送至成年小鼠脑细胞总数的一小部分。
姜永惠和周江兵正是基于这些考量,开发了他们的技术,命名为“刺激响应性无痕工程平台”(Stimuli-responsive Traceless Engineering Platform, STEP)。周江兵表示,STEP工程化的Cas9核糖核蛋白(RNP)的主要创新之处在于其尺寸仅为10纳米,大约是AAV的一半,这使其足够紧凑,可以在大脑的组织间隙中移动。STEP技术由一个STEP分子、一个连接子和一个载荷组成。研究人员称,目前的载荷是RNP(预组装的Cas9核酸酶和引导RNA)。
默西教授指出,专利申请中描述的STEP分子“类似于胆固醇”,但其确切进入细胞的方式尚不清楚。根据专利,一旦进入细胞,连接子会被裂解,释放出基因编辑机制。RNP分子随后迁移到细胞核中,开始剪切DNA。
所有这些过程如何发生,目前尚不完全清楚。姜永惠坦言:“我们现在不知道(其机制)。”尽管如此,他和周江兵表示,这种载体通过鞘内或脑室内给药,可以将基因编辑工具递送至整个小鼠大脑。他们认为,它可能能够穿过血脑屏障,并理论上可以最大限度地减少或避免AAV递送的一些局限性,例如脱靶效应和载荷大小限制。姜永惠和周江兵也已开始在非人灵长类动物中测试这项技术。
2023年,耶鲁大学获得资助的同年,NIH的基因组编辑加速计划(SCGE)向16个项目拨款2.25亿美元,其中耶鲁大学获得的资助额度最高。这笔资助最初提供了2500万美元用于啮齿动物和猴子的研究,另有1500万美元计划用于早期临床工作,前提是姜永惠和周江兵向美国食品药品监督管理局(FDA)提交新药研究申请(IND)。拉什大学儿科和神经科学教授、医生伊丽莎白·贝里-克拉维斯(Elizabeth Berry-Kravis)也是该资助项目的共同负责人,将协助该项目度过早期临床阶段。
《The Transmitter》通过公共记录请求获得了耶鲁大学研究人员的SCGE申请。尽管该文件在耶鲁大学的专有技术部分进行了大量删节,但申请显示,姜永惠和周江兵提议靶向天使综合征(Angelman syndrome)和H1-4综合征模型小鼠的神经元。这些疾病分别由UBE3A基因母源拷贝的功能丧失和H1-4基因的功能获得性变异引起。研究人员计划通过鞘内或脑室内注射将他们的技术递送至这些疾病的小鼠模型中。齐尔卡教授认为,像天使综合征这样的单基因疾病是基因编辑的良好靶点,也是验证概念的有效途径。
事实上,在2025年11月发表的一篇预印本中,研究人员展示了STEP-RNP能够在天使综合征小鼠模型的“新生期(P1)和断奶或成年期(P21/P42)”将基因编辑工具递送至整个大脑的证据。该论文显示,接受STEP-RNP治疗后,小鼠的学习和运动功能得到改善,癫痫发作活动减少,且基因表达在数月后仍保持稳定。默西教授评论道:“显然,他们正在制造有效的东西。”
齐尔卡教授表示,如果耶鲁的穿梭技术在临床试验中奏效,它可能也能将其他药物输送到细胞中,从而拓宽该技术的潜在应用。但目前尚不清楚该技术是否比AAV更有效。齐尔卡说:“他们没有进行同一个人操作的并排比较,那将是理想的……我是说,我很乐意尝试它。”
周江兵表示,他们不打算将STEP与AAV进行比较。他说,STEP在目前的迭代中,并非旨在完全取代AAV。STEP-RNP对靶细胞进行永久性改变,并且会迅速降解。而AAV可以在宿主细胞中持续存在,并持续表达其遗传载荷长达十年。
仍有一些副作用需要考虑。齐尔卡教授指出,STEP-RNP(至少在姜永惠和周江兵预印本中与Cas9结合的配方)会导致“基因组大量损伤,包括染色体重排、倒位和大片段缺失”。他认为,这将使活性Cas9“不是通过STEP递送的可行治疗选择”。
也许最大的问题是规模化。齐尔卡教授表示,许多在小鼠中看起来很有前景的AAV递送策略在非人灵长类动物中都失败了,原因在于脑容量的巨大差异。他说:“我看过非人灵长类动物的AAV数据,情况并不理想。”论文表明AAV“转导了大脑,但实际上只是一些神经元”。
这些问题都与鞘内递送有关。姜永惠表示,在初步实验中,一些基于STEP的化学物质显示出“潜在”能力,可以将载荷穿过血脑屏障,但研究人员表示他们目前并未专注于证明这一点。
即便如此,这一说法本身也引起了质疑。威斯康星大学麦迪逊分校神经科学教授赵欣宇(Xinyu Zhao)并未参与姜永惠和周江兵的工作,她表示:“如果他们有一种粒子能够穿过血脑屏屏障,那他们就成功了。”但她也指出,该预印本中没有数据显示STEP能够实现这一目标。
赵欣宇教授说,在大脑量大的动物中,扩散是困难的。她认为,要实现非侵入性地将药物递送至非人灵长类动物和人类的整个大脑,可能需要穿过血脑屏障。
耶鲁大学于2022年12月为STEP技术申请了专利,同年研究人员成立了一家名为Couragene的公司,并从耶鲁大学获得了该专利的许可。曾共同创立基因组测序服务公司GENEWIZ的廖艾米(Amy Liao)被任命为首席执行官。根据PitchBook的数据,该公司迄今已筹集了100万美元的种子资金。姜永惠拒绝评论Couragene的融资情况。(Couragene和天使综合征治疗基金会去年还成立了一家合资企业,名为CourageAS Biotherapeutics。)
Trace Neuroscience的首席执行官兼创始人、连续创业者埃里克·格林(Eric Green)表示,NIH向耶鲁大学STEP项目提供的4000万美元资助,很可能使研究人员能够降低该技术的风险。这将使该提案对有兴趣发展Couragene的投资者更具吸引力。
然而,宾夕法尼亚大学医学伦理与健康政策助理教授马修·麦考伊(Matthew McCoy)指出,这种情况构成了“潜在的高风险利益冲突”。他表示,处理这种冲突的方式是大学建立一个管理计划,包括披露和其他规定。
《The Transmitter》通过信息请求从耶鲁大学获得的NIH利益冲突声明指出,姜永惠通过持有Couragene和CourageAS Biotherapeutics的股权,在这两个实体中拥有重大利益。姜永惠拒绝评论他在Couragene的股份。根据利益冲突声明,这些公司是私营的,其利益价值未知。
耶鲁大学利益冲突办公室的副主任肯·格林奎斯特(Ken Greenquist)表示,耶鲁大学的利益冲突管理计划不向外部公开。耶鲁大学未评论为何不公开利益冲突管理计划,但政府关系委员会研究伦理与合规主任克里斯汀·韦斯特(Kristin West)表示,有时这些计划可能包含敏感的财务信息。
麦考伊指出,从某些方面来看,耶鲁大学STEP项目获得的SCGE资助虽然数额巨大,但并非独一无二。他说:“许多生物技术项目都由联邦资金资助”,而且无论资助规模如何,都可能存在财务激励影响研究人员判断的风险。但他补充说,“NIH已经决定资助这项工作。他们认为这是值得冒的风险。”
与此同时,研究如何穿过血脑屏障的学术界正在等待更多信息。姜永惠和周江兵被要求在资助结束时(目前定于2028年)将STEP的数据存入SCGE转化协调与传播中心。研究人员表示,一份解释该技术的手稿正在学术期刊审阅中,但目前尚未公布发表日期。
即便如此,这些结果也只是部分信息。关于STEP技术及其尚未解释的作用机制的更完整答案,将来自试验本身。
默西教授说:“不幸的是,除非在人体上进行试验,否则无法知道它是否对人类有效。”