CRISPR-Cas9 基因治療（上）-- 遺傳性血液疾病

CRISPR-Cas9 是由美國 Berkeley 大學的 Dr. Doudna 和德國 MPUSP 的 Dr. Charpentier 合作研發的，兩位並於 2020 年得到諾貝爾化學獎。2023 年年底，美國 FDA 核准了用於兩個鐮刀型紅血球疾病(sickle cell disease, SCD)的基因治療：Vertex Pharmaceuticals 和 CRISPR Therapeutics 合作的 Casgevy (exagamglogene autotemcel, exa-cel) 和 Bluebird Bio 的 Lyfgenia (lovotibeglogene autotemcel, lovo-cel)。而後於 2024 年一月，FDA 也核准 Casgevy 用於治療乙型地中海貧血(transfusion-dependent β thalassemia, TBT)。

乙型地中海貧血(TBT)的成因

這兩種病是因為血紅蛋白基因突變而造成的，血紅蛋白(hemoglobin, Hb) 是由四個蛋白組成的：兩個 α-globin (HbA) 和兩個 β-globin (HbB)。TBT 是因為 HbB 突變而造成的，致病的突變有很多種，常見的突變是 β0/IVS-I-110 (G→A)(上圖紅色箭頭)，是一個在 intron 裡的突變，這個突變會使 mRNA splicing 不正常(splicing mutation)，無法轉譯成 HBB。如果突變是造成不正常 mRNA，無法轉譯成 HBB，導致無法組成血紅蛋白，紅血球無法運送氧氣，為 β0-thalassemia (thalassemia major)。如果突變是減少 HBB ，則是較輕微的 β+ thalassemia (thalassemia minor)，這種情形是還是可以生產血紅蛋白，但是量比正常人少，但需要長期接受輸血。

註：IVS = intervening sequences，IVS1 表示在第一個 intron 裡面。


Figure / β globin gene and mRNA. (G Breveglieri et al, Biomed Res Int. 2015; doi: 10.1155/2015/687635)

鐮刀型紅血球疾病(SCD)的成因

SCD 也是因為 HBB 突變造成，最常見的突變是 HbS，第六個氨基酸的 glutamic acid 突變成 valine (GAG → GTG)：βE6V。這個突變會使血紅蛋白黏在一起，結塊在一起，如果兩個 HBB 基因都帶有這種突變的話，結塊的程度會讓紅血球變成鐮刀的形狀。


Figure / HBB IVS-I-110 (G→A) mutation (G Feriotto et al, Lab Inves 2004; doi: doi.org/10.1038/labinvest.3700106)

2013 年的時候，Boston Children's Hospital 和 Dana-Farber Cancer Institute 的研究團隊發現 BCL11A 控制著 HbF (fetal Hb) 的表現。HbF 是胚胎時期的血紅蛋白，和成人的 Hb 不同的地方在於它是由兩個 α-globin 和兩個 γ-globin 組成，γ-globin 則和 β-globin 相似，嬰兒出生後，血紅蛋白的 γ-globin 會被 β-globin 取代，不過有極少數人一生都會不停的生產 HbF，被稱為 hereditary persistence of fetal hemoglobin (HPFH)。有 HPFH 的人基本上都很健康，但是極少數有 HPFH 的 SCD 患者，他們的 SCD 症狀非常輕微，因此學者們就開始研究要怎麼讓 SCD 患者體內可以大讓生產 HbF。BCH 和 Dana-Farber 的研究團隊發現，成人紅血球內有大量的 BCL11A，當他們把 BCL11A 表現降低後，HbF 就會大量增加 [5]。

CASGEVY™ 的治療方式

2019 年十一月時，Dr. Charpentier 創立的瑞士的生技公司 CRISPR Therapeutics 和美國波士頓的 Vertex Pharmaceuticals 公佈了他們 CRISPR-Cas9 基因治療 CTX001 的第一、二期臨床試驗結果 [1-3]。這個試驗的兩位病患分別患有鐮刀型紅血球疾病(sickle cell disease, SCD)和乙型地中海貧血(transfusion-dependent β thalassemia, TBT)，患有地中海貧血的病患在今年初開始接受治療，SCD 病患則在今年年中接受治療，而 CTX001 也在四月底時拿到用來治療 TBT 的 FDA Track Designation [4]。

CTX001 治療是把造血幹細胞(hematopoietic stem cells, HSPs)抽出來，用電擊(electroporation)把 CRISPR-Cas9 送進細胞裡，利用 CRISPR-Cas9 的編輯功能阻斷 BCL11A 的表現，使紅血球能夠生成 HbF，再把編輯過後的紅血球輸回病患體內 [1, 2]。2020 年年底，他們把追蹤一年後的臨床結果發表在 NEJM。他們先是抽了十位健康個體的 CD34+ HSPs 做基因編輯，看修正率和 off-target editing 有多少。分析後的結果是修正率有 80±6%，編輯過後 HSP 的 HbF 增加了 29.0±10.8%，沒編輯過的則是 10.5±5.2%，他們也沒發現有 off-target editing 的情況。TBT 患者在治療前每年需要接受多次輸血，而在接受治療九個月後便不再需要輸血。SCD 患者在治療前每年會發生多次 vaso-occlusive crises (VOCs)，在治療後便不再出現 VOCs。兩位病患在治療後觀察一年的期間內，HbF 都持續穩定的增加，雖然治療中都出現不適的情況，不過診斷過後排除是治療造成的。研究中表示，之後有六位 TBT 和兩位 SCD 患者參與 CTX001 治療，在追蹤了至少三個月後，治療效果和前兩位患者一樣。不過，雖然所有患者在治療後 HbF 持續增加，不過有件令人擔憂的事。之後在 ASH 發表其中七位的病患資料中顯示，正常的成人版 Hb 似乎有下降的趨勢，HbF 和成人版 Hb 似乎會競爭 [6, 7]。

Vertex 於 2021 年四月宣布和將給 CRISPR Therapeutics $900M 在研發、量產和上市上，雙方同意在支出和營收上，Vertex 負擔 60% 的支出和在上市後拿 60% 的營收 [8, 9]。2023 年四月，Vertex 和 CRISPR Therapeutics 將藥物申請送 FDA 審核，此療法原本叫 CTX001，以 exa-cel 這個名稱送審，取之於 exagamglogene autotemcel。2023 年年底，FDA 核准該藥用於治療 SCD，以商品名 CASGEVY™ 上市，之後於 2024 年年初獲得核准用於治療 TBT。

另外要提的是 Vertex 的在治療 TBT 上有個競爭對手 bluebird bio，它的 Zynteglo 已在 2019 年六月於歐洲上市，但是尚未拿到美國 FDA 許可。2021 年二月的時候，公司決定停止銷售 Zynteglo，因為它的另一個用來治療 SCD 的基因治療 LentiGlobin 在第一、二期臨床試驗的中，有兩位患者分別得到急性血癌(acute myeloid leukemia, AML)和骨髓增生異常綜合症(myelodysplastic syndrome, MDS)，而 Zynteglo 用的 lentiviral vector 和 LentiGlobin 是相同的 [10, 11]。Zynteglo 在美國的臨床試驗先前也遭到暫停，不過六月時 FDA 讓它恢復 TBT 第三期的臨床試驗，LentiGlobin 目前也在第一、二期臨床試驗中。雖然如此，要申請 FDA 審核也要延到 2022 年年底，因此 Vertex 的 CTX001 可能搶先一步 [12]。


Clinical trials:
NCT03745287 (CLIMB SCD-121) - A Safety and Efficacy Study Evaluating CTX001 in Subjects With Severe Sickle Cell Disease
NCT03655678 (CLIMB THAL-111) - A Safety and Efficacy Study Evaluating CTX001 in Subjects With Transfusion-Dependent β-Thalassemia



Articles:

1. Science | Company claims signs of success with CRISPR-edited stem cell transplants for two genetic diseases (Nov 2019)

2. The Scientist | Early Results Are Positive for Experimental CRISPR Therapies (Nov 2019)

3. VERTEX News | CRISPR Therapeutics and Vertex Announce Positive Safety and Efficacy Data From First Two Patients Treated With Investigational CRISPR/Cas9 Gene-Editing Therapy CTX001® for Severe Hemoglobinopathies

4. GlobeNewswire | CRISPR Therapeutics and Vertex Announce FDA Fast Track Designation for CTX001 for the Treatment of Beta Thalassemia (April 2019)

5. NIH Director's Blog / A CRISPR Approach to Treating Sickle Cell (April 2019)

6. FIERCE Biotech | CRISPR, Vertex show CRISPR/Cas9 gene-editing therapy works in more patients (Nov 2020)

7. 2020 ASH | 4 Safety and Efficacy of CTX001 in Patients with Transfusion-Dependent β-Thalassemia and Sickle Cell Disease: Early Results from the Climb THAL-111 and Climb SCD-121 Studies of Autologous CRISPR-CAS9–Modified CD34+ Hematopoietic Stem and Progenitor Cells

8. Vertex | Vertex Pharmaceuticals and CRISPR Therapeutics Amend Collaboration for Development, Manufacturing and Commercialization of CTX001™ in Sickle Cell Disease and Beta Thalassemia (April 2021)

9. GEN News | Vertex Pays $900M Upfront to Lead CTX001 Development with CRISPR Therapeutics (April 2021)

10. FIERCE biotech | Bluebird bio gets FDA green light to restart sickle cell gene therapy trials after rocky few months (June 2021)

11. FIERCE Pharma | Bluebird's Zynteglo trials set to resume, putting gene therapy back on flight path to FDA filing (June 2021)

12. FIERCE Pharma | Bluebird tanks as FDA's LentiGlobin demands in sickle cell delay filing to late 2022 (Nov 2020)

13. BioPharma Dive | Vertex, CRISPR finish US filing for gene editing drug approval (2023)




Papers:

NF Olivieri, The β-Thalassemias. NEJM (1999)

Vijay G Sankaran et al, Human Fetal Hemoglobin Expression Is Regulated by the Developmental Stage-Specific Repressor BCL11A. Science (2008)

H Frangoul et al, CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and β-Thalassemia. NEJM (2020)