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。技術自從被發明出來後，人們開始嘗試把它用在治療各種疾病上，不過目前尚未有 CRISPR 的基因治療通過核准。這個月中(2019/11)，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)的乙型地中海貧血(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]。


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

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

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。

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]。

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]。

目前這兩個臨床試驗已有超過三十位病患參與，計畫收到 45 人，然後在未來兩年內送 FDA [8]。沒意外的話，CTX001 很有可能會是第一個拿到 FDA 許可的 CRISPR 治療，Vertex 於 2021 年四月宣布和將給 CRISPR Therapeutics $900M 在研發、量產和上市上，目前兩者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]。

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]。


2023-04-05 update

Vertex 和 CRISPR Therapeutics 於本週一宣布他們已把治療鐮刀型紅血球疾病(sickle cell disease, SCD) 的 CRISPR 基因治療送 FDA 審核，此療法原本叫 CTX001，以 exa-cel 這個名稱送審，取之於 exagamglogene autotemcel。Bluebird bio 的 Zynteglo 則於去年獲得 FDA 批准，用於治療 TBT。



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)