2025 CRISPR技术新进展：医疗领域的革新潜力研究报告

CRISPR：关于这项技术日益重要性的最新进展 CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）及其相关蛋白（Cas）是细菌和古菌中自然存在的机制，作为防御病毒感染的防御机制，后来被利用，使得在多种生物体中实现精确高效的基因组编辑成为可能。1–6 生物修复。例如，CRISPR/Cas技术已被用于植物基因组编辑。17,18为了培育高产量且耐受非生物和生物压力的作物，大约有13%的CRISPR相关文件与CRISPR在植物及农业领域的应用相关——根据我们在CAS内容收藏中的搜索结果。商标. 这项技术彻底改变了基因工程和治疗方法发展的领域。1,7–9提供前所未有的机会，以推进我们对遗传性疾病的理解、开发新型疗法，并有可能治愈以前难以治疗的疾病。1然而，重要的是要认识到它在医学诊断、合成生物学、农业和食品以及环境方面的更广泛潜力。 在本报告中，我们分析了CAS内容集数据库的数据，这是由人类编纂的最大多学科出版物和物质数据库，旨在突出CRISPR技术的最新进展和发展，重点关注其潜在应用领域。药物. 自从CRISPR/Cas技术在基因编辑领域的应用以来，该技术迅速发展，研究人员已经开发出多种对原始CRISPR/Cas9系统的改进版本，以提高其特异性、效率和多功能性。 从自然界到实验室：CRISPR/Cas系统是如何工作的？ 在细菌中，CRISPR/Cas系统通过捕获入侵病毒中的DNA片段并将它们储存起来来工作。当相同的病毒再次攻击时，细菌可以迅速产生一段名为核糖核酸（RNA）的分子片段来靶向病毒DNA。这种RNA引导Cas蛋白到互补的病毒DNA，在那里它们可以像分子剪刀一样，切割DNA并中和威胁。3,10 The approval of the first CRISPR-Cas9-basedgene editing therapy, Casgevy®, approved bythe U.S. Food and Drug Administration (FDA)for the treatment of patients with transfusion-β 此自然机制已被改编用于基因编辑。1,11最常用的系统是CRISPR/Cas9，它涉及一个引导RNA（gRNA），该RNA与目标DNA序列相匹配，以及Cas9酶，该酶在特定的期望位置切割DNA。这种DNA断裂随后可以通过细胞的自然修复机制进行修复，从而允许基因插入、删除或修改.12,13图1总结了Cas9在自然界的角色以及其作为基因编辑 依赖型-地中海贫血症标志着CRISPR技术发展的一个重要里程碑。相同的疗法已在欧洲和英国获得批准，并增加了镰状细胞病的额外适应症。14–16 工具的应用。 首次基于CRISPR-Cas9的基因编辑疗法，Casgevy®，已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准，用于治疗患有β患者的治疗。输血依赖型-地中海贫血14-16 在CRISPR的关键里程碑中（图 2对CRISPR介导机制的认知已有显著提高。首先，自然界中保护细菌的天然CRISPR防御机制被定义为三个基本阶段（图3A):适应（空格收购），CRISPR RNA(crRNA)成熟，并且目标干扰.28–30另一个突破是在实验室中合成了单引导RNA（sgRNA），通过将crRNA和反式激活crRNA（tracrRNA）通过连接子融合在一起，将它们的作用结合成一个单一分子。26,31CRISPR/Cas-9基因组编辑的机制包含三个步骤：识别、切割和修复，如图所示：图3B.32 图3. CRISPR/Cas9的机制。（一个CRISPR/Cas9适应性免疫。CRISPR/Cas系统由一个Cas操纵子和一个CRISPR阵列组成，该阵列由相同的重复序列组成，这些重复序列之间被相位衍生的间隔序列所间隔。CRISPR/Cas介导的适应性免疫包括三个阶段：适应、成熟和干扰。（B CRISPR/Cas9介导的基因组工程。合成的sgRNA引导Cas9在目标DNA中引入双链断裂。双链断裂通过DNA修复机制修复。图表由www.BioRender.com创建，并改编自江和道登纳（Jiang F，Doudna，2017）。《年度生物物理学评论》46:505–29). crRNA, CRISPR RNA; PAM, 原始间隔位点基序; sgRNA, 单导RNA; tracrRNA, 转录激活crRNA. CRISPR分类 CRISPR/Cas系统主要分为两大类、六种类型和48个子类型（图4).33第一类系统包括I型、III型和IV型，它们使用多蛋白复合物来破坏核酸，而第二类系统包括II型、V型和VI型，它们使用单蛋白。34 以下是已用于作为治疗药物使用的天然Cas核酸酶及其工程变种的简要概述。 二类CRISPR/Cas系统 一类CRISPR/Cas系统 一类系统需要多个Cas蛋白质在一个复合体中聚集来介导对抗外源遗传元素的干扰，限制了第一类系统在基因编辑中的应用。根据是否存在特定标记蛋白质，第一类系统进一步分为三种CRISPR/Cas类型：I型包含Cas3，III型包含Cas10，IV型包含Csf1，这是一种类似于Cas8的蛋白质。35 与第一类CRISPR/Cas系统不同，第二类CRISPR/Cas系统的效应模块仅由一个具有多个结构和功能的单一蛋白组成。36二级CRISPR/Cas系统进一步分为三种类型：II型、V型和VI型。 二级 图4. 各种CRISPR/Cas系统类型及其切割特性的示意图。根据涉及的效应分子，CRISPR/Cas系统分为两类。I类系统以多单元效应子为特征，而II类系统涉及单个效应子。每一类进一步分为三种类型，通过其催化域和靶核苷酸特异性进行区分。该插图使用www.BioRender.com创建。 CRISPR治疗可能性 基因治疗的概念由Friedmann和Roblin于1972年提出。37锌指核酸酶（ZFN）和转录激活因子样效应器核酸酶（TALENs）作为主流工具被开发出来，以评估针对或编辑基因以治疗和治愈疾病的可能性。然而，这两种方法都具有不利的特性，使得有效基因治疗的发展面临挑战。38–41 CRISPR疗法领域的出版物概览 对CAS内容库（1995–2024）数据进行的定量分析揭示了39,000篇关于CRISPR在治疗学应用方面的学术期刊文章和14,000多项专利。自2008年起，出版物数量急剧上升，并自此以来稳步增长，过去十年平均增长率为54%。这一总出版物增长主要是由学术期刊文章推动的；然而，与期刊50%的平均年增长率相比，过去十年专利的平均年增长率达到72%，这表明商业兴趣有所增加。 自那时起，CRISPR/Cas已被定义为探索治疗以往被认为无法治愈或难以治疗的疾病的一种潜在治疗途径。这些疾病包括某些类型的癌症、传染病以及各种遗传性疾病等。 专利领域CRISPR疗法的商业授权方主要包括美国的再生元制药公司、瑞士的CRISPR Therapeutics公司和中国的山东顺丰生物科技有限公司，而非商业活动则由中国科学院和124个个体研究机构主导。图5).43 CRISPR/Cas技术在外科领域有各种关键应用，其中最显著的是校正或替代突变或致病基因的能力。42截至今日，众多基于CRISPR的治疗技术处于临床前发展阶段，许多正在开展临床试验以验证它们针对各种疾病状况的安全性和有效性，其中一种CRISPR治疗技术获得了美国食品药品监督管理局(FDA)的批准。 CRISPR发表领域热门话题：针对疾病的治疗方法 在目前正被研究的各种疾病或紊乱中，CRISPR治疗数据集中大部分文档都聚焦于癌症和传染病（图6). 出版趋势还显示，聚焦这两种状况的CRISPR文章数量显著增加。研究还包括其他状况，如血液疾病、遗传疾病、神经系统疾病、心血管疾病、呼吸系统疾病、免疫疾病和代谢性疾病。 ,).关于靶基因，TP53c-myc，血红蛋白β亚基（HBB) 和c-Ki-Ras最常见的是与CRISPR出版物相关。特别是，TP53近年来已看到（ ）迅速增加（）。图7 癌症 从根本上讲，癌症起源于激活和失活的突变，或来自表观遗传组的失调。在细胞水平上，改变的代谢、细胞结构和迁移促进了癌细胞的发展。最终，癌细胞绕过宿主的免疫防御机制，与正常细胞共存。理解复杂的基因组、细胞和组织水平的变化对于开发更有效的治疗选择和改善结果至关重要。CRISPR对我们对癌症生物学的理解产生了重大影响，并持续推动该领域的新发现。44 多个基因候选者在CRISPR的背景下正被研究，用于癌症治疗。图8以下展示了从CAS内容收藏中检索到的CRISPR数据集中发现的癌症类型和基因的共现情况，以及表 1展示了CRISPR在癌症治疗中应用的多样性。 遗传疾病 传染病代表了CAS内容库中CRISPR相关文献的第二大子集。在提及人类疾病的期刊和专利出版物中，传染病分别占25%和22%。在过去的几年中，关于传染病和CRISPR/Cas技术的文献数量显著增加。这些文献中的大部分集中在抗病毒研究上。 在众多使用基于CRISPR的治疗方法的潜在可能性中，它们在单基因人类遗传病中的转化应用具有提供单次治疗长期疗法的潜力。通过编辑缺陷基因（致病基因）或编辑缺陷基因的增强子或调节因子，CRISPR可以帮助治疗遗传疾病。众多研究表明，采用这两种方法都取得了有希望的结果。 CRISPR/Cas技术已成为一种有前景的替代方案，通过以下方法开发针对各种病原体的治疗药物：77–79 遗传疾病，对于这些疾病已经研究了基于CRISPR的治疗方法，包括杜氏肌营养不良症（Duchennemuscular dystrophy）。肌萎缩蛋白DMD基因），亨廷顿病（亨廷顿蛋白HTT基因）和青光眼（MYOC).82–84 –针对复制所需的病原体基因，或进入或感染宿主细胞 神经系统疾病 近年来，关于阿尔茨海默病和帕金森病与CRISPR相关的文献发表率有所提高。由于实验周期短和易于进行分子工程的要求，CRISPR/Cas9技术在神经退行性疾病领域获得了广泛流行。目前，该技术被广泛用于构建疾病模型、通过筛选识别致病基因以及进行靶向治疗。85–91 –改变病原体造成感染所需的宿主基因 –修改导致药物耐药性或易感性的基因 血液疾病 CRISPR/Cas技术具有为患有遗传性单基因血液疾病如镰状β地提供治愈方法的有趣可能性。细胞贫血和β-地中海贫血。正如之前所强调的，Casgevy®是美国FDA批准的首个CRISPR疗法，它是一种自体基因疗法，靶向BCL11A基因，防止红细胞呈现出镰刀状。80其他针对镰状细胞贫血和β-地中海贫血的基因靶向疗法目前正在进行临床试验。81 CRISPR 在实践中 临床试验开发 在过去的十年里，CRISPR在临床研究方面取得了显著进展，已有众多试验启动以探索其在治疗领域的潜力，并且仅用了11年的时间，首个基于CRISPR的药物就获得了批准。14–16 图9A显示过去十年中基于CRISPR的治疗药物开发数量稳步增长。目前有142种CRISPR治疗药物处于不同开发阶段。其中，10%处于I期临床试验，11%处于II期临床试验，1%处于III期临床试验。大多数（77%）处于临床前阶段（。图 9B). 图9. (一个）按年度划分CRISPR疗法在临床前研究和临床试验中的分布。B) 当前基于CRISPR技术的治疗方法各开发阶段的状况。数据源自Pharmaproject Citeline临床情报。请注意，2024年的数据因数据提取时间的原因不完整，涵盖了1月至6月的数据。 CRISPR 预临床试验和临床试验正在针对广泛的一系列疾病，从罕见的遗传性疾病和血液疾病到各种形式的癌症以及人类免疫缺陷病毒（HIV）、肺结核和COVID-19等传染病（。图表10). CRISPR技术疗法在临床前开发和临床试验中的分布情况如图所示图11A和11B分别。大多数药前临床研究和临床试验都聚焦于使用与CRISPR相关的疗法作