基因编辑治愈先天性失明、体外胚胎培养被允许超过14天……疫情挑战下仍快速发展的生命科学（下）

全球科学家在新冠病毒疫情的巨大挑战中从未停止生命科学研究的步伐，2021年生命科学及相关学科仍然取得了长足的进展。

本文概述了2021年生命科学领域最具代表性的若干项前沿研究，对基因编辑与疾病治疗、体外胚胎培养、迷幻药与精神疾病治疗、新型干涉单分子定位显微镜和第二代微型化双光子显微镜的研发等研究及技术领域的突破进行梳理和回顾。

CRISPR基因编辑疗法的

临床应用

经过全世界研究人员的积极探索，CRISPR基因编辑技术取得了长足进步，从开发更有效的基因编辑工具，到治疗癌症和遗传疾病，CRISPR开始从一个基础研究工具成功迈入临床应用。

CRISPR-Cas9技术治疗镰状细胞病和β-地中海贫血

输血依赖性β-地中海贫血（TDT）和镰状细胞病（SCD）是典型的单基因病，均由于β珠蛋白单基因突变而引起血红蛋白生成障碍，严重可危及生命。

以往研究发现，γ珠蛋白与β珠蛋白功能相似，胎儿期血红蛋白由α-珠蛋白和γ-珠蛋白组成，随着β-珠蛋白和成体血红蛋白的产生，γ-珠蛋白在产后降低，成年后沉默不再表达。

如果能够重新激活γ-珠蛋白基因的表达，就能够弥补β-珠蛋白的缺失，从而缓解或治愈这2种遗传性贫血症。

BCL11A是红细胞γ珠蛋白表达的阻遏物。因此，下调BCL11A表达，激活γ-珠蛋白可增加血红蛋白含量。

研究人员各对一名TDT和SCD患者回输经过CRISPR-Cas9编辑BCL11A增强子的自体CD34+细胞，治疗18个月后发现患者骨髓和血液中等位基因编辑水平仍然较高，且循环血液中99%的红细胞表达了血红蛋白，患者不再需要依赖输血治疗。

将CRISPR-Cas9引导至BCL11A红系特异性增强子区域的SgRNA的靶向编辑位

此外，David Williams团队利用慢病毒载体递送的RNAi技术治疗镰刀状细胞贫血症也在临床取得显着成效。

他们利用BCH-BB694慢病毒介导的RNAi在体外特异性敲低CD34+细胞的BCL11A基因的mRNA，再回输到患者体内，临床试验表明治疗6个月后，6位患者的红细胞血红蛋白表达被成功诱导，SCD的临床表现减缓或消失。

CRISPR-Cas9技术实现了精准靶向的基因治疗，为未来基因缺陷性疾病的成功治愈提供了可能。

CRISPR注入血液治疗肝病

转甲状腺素蛋白淀粉样变性（又称ATTR淀粉样变性）是一种危及生命的疾病，其特征是错误折叠的转甲状腺素蛋白（TTR）在神经和心脏内进行性累积。

NTLA-2001是一种体内基因编辑治疗剂，利用脂质纳米颗粒（LNP），包装靶向TTR基因的CRISPR基因编辑系统，以静脉输注给药的方式，旨在通过降低血清TTR浓度的方式治疗ATTR淀粉样变性。

临床前研究表明，单次给药可持久敲除TTR，且不良反应较轻，在第28天时，单剂量0.3 mg/kg的NTLA-2001治疗后，ATTR患者血清中的转甲状腺素蛋白水平（TTR）平均下降87%，在第28天TTR降低幅度最大可达96%，且具有剂量依赖性反应。

NTLA-2001的作用机制

LNP是一种短暂表达系统，可使CRISPR/Cas9成功编辑目标基因后较快从胞内清除，减少在胞内的停留时间以及相关的安全问题，是迄今最有效的CRISPR/Cas9全身递送方法。

基因编辑治愈先天性失明

Leber先天性黑蒙10型（LCA10）是一种常染色体隐性遗传病，由CEP290基因中的双等位基因功能丧失突变引起。

最常见的LCA10突变位点是IVS26，位于内含子26内的腺嘌呤至鸟嘌呤点突变，其突变产生新的剪接供体位点，导致转录提前终止。

Editas Medicin公司开发了一种名为EDIT-101的基因编辑策略，使用AAV5载体通过视网膜下注射将saCas9和CEP290特异性gRNA递送至感光细胞，通过双gRNA分别靶向突变内含子区域的上下游，直接将突变内含子区域整体删除或倒位，从而恢复CEP290基因的正常表达。

临床治疗结果显示，在长达15个月的时间里，未观察到严重不良事件或剂量限制性毒性，受试者对这种基因编辑治疗耐受性良好，并且还可能有助于改善患者的视力。

能够在人体内编辑基因的意义非常深远，这将为众多遗传病患者提供前所未有的新的治疗选择。

EDIT-101编辑策略示意

体外胚胎培养

小鼠是研究胚胎发育的常用模型，但越来越多的研究表明小鼠和人类在发育上存在许多区别，因此，构建人源胚胎模型是研究人类胚胎发育的必经之路。

体细胞重编程技术和体细胞核移植技术的发展和应用使得利用多能干细胞在体外构建人类胚胎模型成为可能，从而达到模拟实体胚胎发育从而突破之前受限的研究。

首次构建完整的人囊胚期胚胎模型

近年来，随着体细胞重编程技术的不断进步，研究者开始使用人类干细胞构建早期胚胎发育模型。

2021年3月，Nature发表了2篇同期文章，报道了世界首例人造人类胚胎样结构的构建，两者都实现了干细胞分化囊胚中完整的胚层谱系；且都使用了3D球状体培养新技术AggreWell。

人囊胚的谱系有3种，分为上胚层、滋养层和下胚层，近几年的研究表明人原始态胚胎干细胞能够同时分化出以上3种组成囊胚期胚胎的谱系。

吴军团队开发出一种3D顺序分化策略，使原始人类干细胞能够在体外自组织成囊胚样结构，从而获得人造人类胚胎模型，将其命名为blastoid（类囊胚）。

“人类囊胚”的形态、大小、细胞数量以及不同细胞谱系的组成和分配方面与人囊胚相似，且类囊胚细胞转录组总体上类似于植入前胚胎的转录组。

该工作只使用一种初始多能细胞，通过让其自我分化与组装，构建出具备3种细胞类型的囊胚，此外，构造的类囊胚由均质化的细胞一步步发育成囊胚，接近真实胚胎发育的过程，对于研究人类早期胚胎发育具有重要的指导意义。

原始人PSCs经过3D顺序分化形成人类囊胚示意

不同于吴军团队利用原始态胚胎干细胞分化构建类囊胚模型，Polo团队通过将成纤维细胞重编程的方法诱导产生类囊胚结构。

该团队曾于2020年在Nature上报道了利用单细胞转录组学联合表观组学揭示人皮肤成纤维细胞重编程的细胞命运调控机制。

在这项前期工作中，研究者发现2D培养的重编程后的成纤维细胞产生了类似外胚层细胞、滋养外胚层细胞和内胚层细胞转录水平特征的细胞群，并证实了2D培养系统包含异质细胞群。

Polo团队选取了AggreWell进行3D培养这些混合细胞群，进一步研究各种细胞群的相互影响，意外发现具有空腔的球体结构产生。

该结构具有类似囊胚腔的空间，各胚层谱系的分布位置在空间上是一致的，且成纤维细胞诱导产生的类囊胚与人胚胎具有相似的转录组特征。

结果表明，成纤维细胞重编程获得的空腔结构在结构和功能上与囊胚相似，Polo等将其命名为“iBlastoids”（诱导胚状体）。

Polo团队通过成体细胞重编程来构建囊胚样模型，完全由体细胞来源的囊胚模型受到的限制更少，且重编程意味着可以使用的细胞来源更为广泛，具有更大的应用前景。

成纤维细胞重编程构建诱导类囊胚

需要指出的是，2个团队都强调其构建的仅仅是人类胚胎的模型，并不应该被视为真正的胚胎，同时囊胚形成的诱导效率比较低，而囊胚样结构中还包含了一些在真实囊胚中并不存在的细胞类型。

此外，一个来自奥地利的团队，通过抑制原始胚胎干细胞中的TGF-β、Hippo、ERK信号通路，形成类囊胚的成功率超过70%，且形成的囊胚模型与正常的人类囊胚内细胞的相似度超过97%，几乎完美地模拟了人类真实囊胚的发育过程。

体外胚胎培养突破14 d

过去，国际干细胞研究学会（ISSCR）建议实验室饲养的人类胚胎不能超过14 d，受到大部分国家和地区的认可和法律保护，即“14天准则”。

然而基于干细胞技术构建的一系列人类胚胎模型没有体外受精的过程，“14天准则”不适用于这些胚胎模型。此外，体外胚胎培养的时间接近14 d十分困难，但随着科技的发展，在技术上突破14 d逐渐变为可行。

Jacob H. Hanna团队创建了一个“滚筒培养系统”，通过体外构建人造子宫，在体外模拟胚胎发育，并且在胚胎培养的时间上取得了突破，首次将实验室培养小鼠胚胎的时间从第5.5天延长至第11天，且胚胎在人造子宫培育过程中发育正常。此外，小鼠在子宫外培养的胚胎准确重演了子宫内发育的历程。

此项工作创造了一个前所未有的体外培养工具，能够在体外培育并观察胚胎发育的过程。

用于小鼠晚期胚胎生长至高级器官发生的子宫外培养系统

2021年5月，ISSCR发布了新指南，放宽了实验室培养人类胚胎不超过14 d的规定，允许科学家探测在14 d之后发生的胚胎事件。但ISSCR也强调，模型胚胎必须受到监督，培养的时间应当不超过达到实验目的的最低要求。

尽管“14 d准则”的打破会带来社会各界的争论，对于科学研究而言，新的干细胞指南为人类胚胎研究带来了更宽松的环境。

脑计划、迷幻药与精神疾病治疗

脑计划

2021年是美国脑计划的第9年和中国脑计划正式启动的元年。

脑计划旨在解密人类大脑细胞图谱、神经回路和连接组、特定功能神经元和脑区的精准定位以及由此建立脑机通信，有望在理解脑的结构与功能等方面带来革命突破，为理解诸多人类神经精神类疾病的发生发展的机制和发展精准防治策略带来底层源头助力。

脑科学以及相关交叉学科的技术、研究理念等也必然随着各国脑科学的进展发生重大甚至颠覆性的变革。

与此同时，多项证据表明世界范围此起彼伏的新冠病毒疫情实际上在各种人群中都增加了精神类疾病的发病率。

已有临床前和临床证据表明，部分迷幻药对多种精神类疾病有一定的疗效，但很少有大型、严格的试验表明它们是有效的。

2021年该领域取得了重大进展，同时也带来了许多关于致幻剂药用以及商用的诸多争议。

PTSD迎来突破性疗法

作为一种常见的衰弱性疾病，PTSD（创伤后应激障碍）每年影响数亿人的生活，造成无法估量的社会和经济损失。

FDA批准治疗PTSD的一线药物选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRIs）以及作为治疗PTSD金标准的专注于创伤的心理治疗对许多患者无效。因此，PTSD迫切需要新的经济有效的疗法。

MDMA是摇头丸的一种主要成分。在动物模型中，MDMA已被证明可以增强恐惧记忆的消除，调节恐惧记忆的重新巩固。

Mitchell团队与FDA合作开展的一项多中心、随机、对照的3期临床研究评估了重度创伤后应激障碍个体中MDMA辅助治疗的有效性和安全性。结果表明，MDMA辅助疗法显着减轻了PTSD患者的症状。

赛洛西宾与抑郁症治疗

赛洛西宾是一种活性致幻剂，此前有一些研究表明，赛洛西宾可以为心理困扰患者带来益处。

然而，直接将赛洛西宾与治疗抑郁症的一线药物进行比较的研究目前比较少见。

Robin Carhart-Harris团队报道了一项比较赛洛西宾和艾司西酞普兰的抗抑郁疗效的临床II期试验。

研究者选取长期中重度重度抑郁症患者，对赛洛西宾和选择性5-羟色胺再摄取抑制剂艾司西酞普兰进行了为期6周的比较，表明在经过选择的患者人群中，赛洛西宾和艾司西酞普兰的抗抑郁疗效无显着差异。

然而，该研究具有一定的局限性：这是一个经过选择的试验人群，限制了结果的普遍适用性；试验的患者在族群或社会经济背景方面缺乏多样性。

此外，目前已证明致幻剂使人更易受到暗示，并且认为致幻剂的心理效应具有情境依赖性。这些因素表明，需要开展规模更大、时间更长的试验来比较赛洛西宾和现有抗抑郁疗法。

光学显微技术热点及突破

随着分子生物学的兴起，当代生命科学前沿领域逐渐将研究范围缩小到细胞范围，在微观尺度上研究细胞与细胞间以及细胞内的生命活动。

显微技术的突破，能够帮助研究者更好地探索生命的奥秘。

新型干涉单分子定位显微镜

在纳米尺度观察亚细胞结构乃至单个生物大分子内的结构，需要分子水平的光学显微分辨率，这是一个巨大的难题。

徐涛院士团队在前期工作的基础上，提出了一种轴向单分子定位成像新技术，并据此研制出新型干涉定位显微镜ROSE-Z，将单分子定位成像的轴向分辨率提升到了纳米尺度。

通过引入非对称干涉光路，极大提升了轴向的分辨率，进一步突破了分辨率的极限。

ROSE-Z的工作原理

自此，ROSE-Z完成了在3个维度上实现了纳米级别的单分子定位，作为一种简单易用、功能强大的三维成像工具，具有广阔的应用前景，可以满足对某些生物大分子内部结构和动态变化的分析，为生命科学研究提供了更强大的观测手段

可以预见，随着这一技术的不断发展，具有更高时间和空间分辨率的超分辨率成像方法将被开发，从而进一步推动光学显微镜分辨率的极限。

第二代微型化双光子显微镜

微型荧光显微镜的问世使得对参与自主行为动物的大脑活动和结构动力学的可视化成为可能。

其中微型双光子显微镜是神经科学微型荧光显微镜主流解决方案之一，具有光学切片能力、深度穿透、高空间分辨率和对比度、减少光漂白和光毒性，以及以单细胞精度结合光遗传学操作的独特能力，将具有更广泛的适用性。

程和平院士团队于2017年研制出第一代微型化双光子显微镜FHIRM-TPM，并基于FHIRM-TPM首次获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动的动态图像。

在第一代的基础上，该团队研发出第二代微型化双光子显微镜FHIRM-TPM 2.0。

该团队重新设计了微型光学系统，使得FHIRM-TPM 2.0的成像视野相比于第一代的150 μm×150 μm，扩大至420 μm×420 μm，视场放大了7.8倍，工作距离延长到1 mm。

FHIRM-TPM 2.0示意

FHIRM-TPM 2.0除了获得可与常规微型单光子显微镜相媲美的视野外，还具有快速容积和多平面成像的能力，可用于探测自由行为动物的三维神经元网络功能。

重新设计的光学和机械系统方便了头盔的反复安装，能够记录长达几周的时间框架内同一大脑区域的神经元活动，扩大了微型双光子显微镜在研究学习和记忆、社会互动和恐惧条件作用等范式中的脑动力学，特别是在神经发生和再生、疾病进展和衰老等慢性过程中的适用性。

FHIRM-TPM 2.0与FHIRM-TPM 1.0视野大小对比