概覽#

本章探討兩大治療概念：生物製藥（biopharmaceutical） 與 基因治療（gene therapy），兩者均建立在操控基因的能力之上。

  • 生物製藥：利用基因工程生產的蛋白質與單株抗體（monoclonal antibody）作為藥物，目前已有許多核准產品
  • 基因治療：將核酸直接引入體內，重新編程細胞以預防、緩解或治癒疾病，尚未廣泛獲核准，但臨床試驗持續進行

2004 年，全球已有約 140 種生物製藥獲得核准，2.5 億患者使用這些產品，年市值達 300 億美元。

生物製藥#

蛋白質藥物的世代分類#

傳統蛋白質製劑（如動物胰島素、屍體腦垂體生長激素）面臨三大問題：萃取困難、免疫反應，以及病原體跨種傳染風險（如朊病毒污染導致庫賈氏病）。基因工程提供了解決之道。

現今生物製藥按工程化程度分為三代：

  • 第一代：將人類基因轉染至表現系統（expression system），收取並純化重組蛋白（recombinant protein）直接作藥。首例為 1982 年上市的人類重組胰島素
  • 第二代：對基因或純化產物進行人工改造，以改善活性、藥動學或降低免疫原性（immunogenicity）。例如：
    • 胰島素類似物（改為速效或長效）
    • 組織纖溶酶原活化劑（tissue plasminogen activator）類似物，延長半衰期
    • 干擾素（interferon）類似物，增強抗病毒作用
    • Factor VIII 類似物，用於血友病
  • 第三代：從頭設計具特定功能的蛋白質，技術尚未成熟

製造問題#

選擇適當的表現系統（expression system） 是一大挑戰：

  • 細菌系統（如大腸桿菌）：培養快速、易操作，但含內毒素（endotoxin）且無法進行哺乳類特有的轉譯後修飾（如糖基化）
  • 哺乳類細胞（如中國倉鼠卵巢 CHO 細胞）：修飾完整，但生長慢、產量低、成本高

新興技術可望革新生產效率：

  • 植物表現系統：菸草、萵苣、香蕉等可轉染人類基因，口服型疫苗可能直接食用而無需純化
  • 轉基因乳牛（transgenic cattle）：乳牛年產 10,000 升牛乳，重組蛋白可達 1 g/L 的高產量

蛋白質工程化#

改造蛋白質的常見目的：

  1. 改善藥動學特性：如 PEG 化（PEGylation）可延長蛋白質在血液中的半衰期（見第 10 章）
  2. 製造融合蛋白（fusion protein）：如依那西普（etanercept），由腫瘤壞死因子受體的配體結合域（ligand-binding domain）與人類免疫球蛋白 G 的 Fc 域融合，增加血中存留時間，用於治療類風濕關節炎
  3. 降低免疫原性：透過人源化（humanisation）工程

單株抗體#

傳統多株抗血清（polyclonal antiserum）組成不穩定且產量有限。1975 年，米爾斯坦（César Milstein）與柯勒（Georges Köhler）發現 融合瘤（hybridoma） 技術，首次實現體外大量生產單株抗體（monoclonal antibody）——單一種類、定義明確的抗體。

抗體工程化的演進：

  • 第一代（鼠源單株）：50–75% 受試者產生免疫反應；半衰期短；無法活化人類補體
  • 嵌合（chimeric）單株：鼠源 Fab 域結合人類 Fc 域，使血漿半衰期延長約五倍
  • 人源化（humanised）單株：僅保留鼠源超可變區（hypervariable region），其餘均為人源序列，為當今主流。代表藥物包括曲妥珠單抗（trastuzumab / Herceptin），用於乳癌

Figure 59.1：嵌合型與人源化單株抗體的工程化製造策略

單株抗體命名規則：字尾皆為 -mab；前綴反映物種性質：-umab（全人源）、-omab（鼠源）、-ximab（嵌合）、-zumab（人源化）。

安全性議題#

生物製藥的安全性問題不同於小分子藥物。2006 年英國 TGN 1412 臨床試驗（單株抗體，設計用以活化 T 細胞）中，6 名受試者均因細胞激素風暴（cytokine storm） 嚴重病倒並留下後遺症。此事件提醒業界：高度專一性的單株抗體可能不與其他物種的抗原交叉反應，難以在常規動物安全性試驗中預測風險。

基因治療#

吸引力與挑戰#

基因治療（gene therapy）的潛力巨大：

  • 根治單基因疾病（如囊狀纖維化、血紅蛋白病變）
  • 改善惡性腫瘤、神經退化疾病、感染性疾病等多基因相關疾病
  • 理論上甚至可改變無遺傳成分的疾病進程

然而核心挑戰落在四個面向：

  1. 藥動學：如何將基因遞送至正確的靶細胞（尤其是中樞神經系統）
  2. 藥效學：如何控制基因的表現量
  3. 安全性：載體毒性、免疫反應
  4. 臨床療效與長期可行性

目前基因治療試驗均聚焦於體細胞（somatic cell）。有共識不得改變生殖細胞（germ cell）DNA，以避免影響後代——即遵守「魏斯曼屏障（Weismann barrier）」原則。

基因遞送策略#

遞送系統的選擇須考量：

  • 承載容量（可攜帶多少 DNA）
  • 轉染效率（進入並利用靶細胞的能力）
  • 轉染材料的持續時間
  • 安全性（尤其是病毒載體）

兩大遞送路徑：

  • 體內（in vivo）策略：直接將含治療基因的載體（vector）注射入患者體內（靜脈或直接注入靶組織如腫瘤）
  • 體外（ex vivo）策略：從患者取出細胞（如骨髓幹細胞、肌芽細胞），以載體處理後再回輸體內

病毒載體#

理想載體應具備：安全、高效率、高選擇性，並能在靶細胞中長期持續表現治療基因。

反轉錄病毒（retrovirus）

  • 優點：永久整合宿主 DNA，效果持久
  • 缺點：整合位置隨機，可能損傷基因組；感染範圍廣，僅適合 ex vivo 使用；只能感染分裂中細胞

Figure 59.2：逆轉錄病毒載體的製備策略，以 factor IX 基因為例

腺病毒（adenovirus）

  • 優點：對上皮細胞感染力強，可用於 in vivo
  • 缺點：不整合宿主基因組（效果短暫）；免疫原性強，易引發炎症反應；中和抗體使療程無法重複

腺相關病毒（adeno-associated virus, AAV）

  • 優點：與宿主 DNA 相關聯，免疫原性低，穩定表現
  • 缺點：難以大量生產；攜帶容量小

皰疹病毒（herpes simplex virus）

  • 特點：不整合宿主 DNA，但在神經組織中持久存在，可能適用於神經系統疾病

失活 HIV

  • 特點：與多數逆轉錄病毒不同，可感染非分裂細胞（包括神經元），但需移除複製相關基因

非病毒載體#

  • 脂質複合體（lipoplexes）：由帶正電脂質製成，可與帶負電的細胞膜及 DNA 相互作用，協助進入細胞核。效率低於病毒，但無病毒感染風險。可直接注射入腫瘤以達到高局部濃度
  • 生物可降解微球（biodegradable microspheres）：由多酸酐共聚物製成，可攜帶質粒 DNA，口服後可達全身吸收，開啟口服基因治療的可能性
  • 裸 DNA（naked DNA）：質粒 DNA 本身可進入部分細胞核並表現，無病毒複製風險，常用於開發 DNA 疫苗（如流感、瘧疾、結核病等）

控制基因表現#

基因治療不只需要遞送，更需要控制基因的表現量與時機。目前方法：

  • 可誘導表現系統：基因攜帶多西環素（doxycycline）可誘導啟動子，可通過用藥或停藥開關基因
  • 組織特異性啟動子（tissue-specific promoter）：限制基因只在靶組織（如卵巢癌細胞）中表現

安全性議題#

使用病毒載體的主要安全隱患：

  • 病毒可能在使用過程中重新獲得毒力
  • 逆轉錄病毒隨機插入宿主 DNA，可能破壞細胞週期調控基因，增加惡性腫瘤風險
    • 實例：接受逆轉錄病毒治療的重度聯合免疫缺乏症（SCID）兒童，部分發展出類白血病病症，載體被發現插入 LMO-2 基因
  • 免疫原性病毒蛋白可引發炎症反應（對囊狀纖維化患者尤為危險）
  • 重大事件：Jesse Gelsinger（一名 18 歲受試者）在基因治療試驗中死亡，促使各界重視載體的免疫媒介安全風險

治療應用#

單基因缺陷#

  • SCID（腺苷去胺酶缺乏症）：首個美國國立衛生研究院核准的基因治療方案，法國團隊後續治療 11 名兒童，是基因治療可治癒致命疾病的首證，但也揭示了逆轉錄病毒導致惡性腫瘤的風險
  • 囊狀纖維化（cystic fibrosis）：氣道上皮缺乏 CFTR 氯離子轉運蛋白，研究緩慢但持續
  • X 染色體連鎖慢性肉芽腫病（X-linked chronic granulomatous disease）：以逆轉錄病毒遞送完整 NADPH 氧化酶基因，達到臨床治癒

Figure 59.3：基因治療矯正 X 染色體連鎖慢性肉芽腫病的臨床試驗結果

  • 先天性黑矇（Leber’s congenital amaurosis）：由視網膜色素基因突變引起，以腺相關病毒載體矯正，獲顯著療效

癌症#

基因治療癌症的策略包括：

  • 恢復腫瘤抑制基因（如 p53）的功能
  • 抑制致癌基因表現（如對 k-ras 致癌基因使用反義 RNA）
  • 將自殺基因（suicide gene）導入腫瘤細胞（如胸苷酸激酶，使 ganciclovir 活化後殺傷腫瘤）
  • 將多重抗藥性基因導入正常骨髓細胞，保護其不受化療損傷
  • 標記腫瘤細胞，使其更容易被免疫系統識別（如 HLA-B7 抗原、IL-2 或 GM-CSF）

卵巢癌是理想靶標，因可直接將載體注入腹腔「封閉環境」中。

感染性疾病#

  • DNA 疫苗可針對流感、瘧疾、結核病等病原體
  • 針對 HIV：使幹細胞在分化為免疫細胞前就對 HIV 具有抵抗性；包括使用「顯性負突變（dominant-negative mutation）」、RNA 誘餌及可溶性 CD4 等策略

心血管疾病#

血管基因治療（vascular gene transfer）適合透過心導管手術直接遞送，潛力應用包括：

  • 防止血管成形術（angioplasty）後再狹窄
  • 靜脈橋接術（vein graft）後保持通暢
  • 促進缺血組織血管新生（angiogenesis）（如過表現 VEGF 或 FGF）

其他核酸基礎療法#

反義寡核苷酸（Antisense Oligonucleotides）#

反義寡核苷酸（antisense oligonucleotide）為 15–25 個鹼基的短鏈核酸，互補於目標基因或其 mRNA。作用機制：

  • 與染色體 DNA 的調控區形成三鏈螺旋結構，抑制轉錄
  • 與 mRNA 互補結合，並招募 RNase H 裂解 mRNA

由於血漿與細胞質中有大量降解外源 DNA 的酵素，故需合成甲基磷酸酯（methylphosphorate） 或硫代磷酸酯（phosphorothioate） 類似物，以增加水溶性並抵抗酵素降解（須至少 15 個鹼基長）。

臨床試驗應用包括 HIV 感染及惡性腫瘤（如對非霍奇金淋巴瘤使用 Bcl-2 反義療法）。

小干擾 RNA（siRNA）#

小干擾 RNA（small interfering RNA, siRNA）是雙鏈 RNA 片段，透過招募 RISC 酶複合物（RNA-induced silencing complex） 選擇性降解對應的 mRNA，達到比反義寡核苷酸更高效的基因靜默。臨床試驗正在進行中。

siRNA 的發現源於植物科學家的意外觀察：在矮牽牛中引入編碼花色酵素的 RNA，反而使花朵顏色變淡。此機制後來被確認為重要的生理性基因表現調控途徑，Mello 與 Fire 因此獲得 2006 年諾貝爾獎。

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