病毒引發感染是通過注射它們自己的遺傳物質。自上世紀70年代以來，科學家們就已經開始運用病毒的這一特性：利用病毒載體運送DNA到細胞中，用於研究、基因療法等。
然而，構建病毒載體其實是一個非常艱苦、昂貴的過程，臨床級載體（clinical-grade vectors）的短缺還導致了基因療法和細胞療法的生產瓶頸。此外，即使是可用的，病毒載體也遠不是一種理想的工具，因為它們會將基因隨意插入到細胞基因組中，這將損害現有的健康基因或使新引入的基因不受確保細胞正常運作的調節機制的控制。這些侷限性可能會導致嚴重的副作用，已經引起了人們對基因療法和細胞療法（如CAR-T）的擔憂。
擺脫“病毒”的新技術
7月11日，發表在Nature雜誌上題為“Reprogramming human T cell function and specificity with non-viral genome targeting”的研究中，來自加州大學舊金山分校（UCSF）的科學家們開發出了一種在不使用病毒插入DNA的前提下就能“重寫”人類T細胞基因組的強大技術。
具體來說，該技術依賴於電穿孔：將一個電場應用於細胞，使得細胞膜暫時具有更大的滲透性。經過一年的探索，UCSF的Alex Marson博士帶領的團隊發現，當一定數量的T細胞、DNA和CRISPR被混合在一起，然後暴露於適當的電場後，T細胞能夠精準整合特定的基因序列到基因組中被CRISPR切割的位點。
Alex Marson, MD, PhD, UCSF immunologist whose group has developed an approach to edit T cell genomes without using viruses, speaks with MD/PhD student Theo Roth. Credit: Noah Berger.
事實上，Marson博士實驗室的成員先前已經在利用電穿孔和CRISPR插入少量遺傳物質到T細胞中取得了一定程度的成功。但大量嘗試將長的DNA序列插入到T細胞中的實驗都失敗了：導致了細胞死亡。這使得很多研究人員認為，大的（長的）DNA序列對T細胞毒性過大。
為了展示新技術的多功能性和實力，Marson博士等利用它修復了T細胞中的一種致病基因突變，並且創造出了能夠找到和殺死人類黑色素瘤細胞的“定製T細胞”。
據論文第一作者Theodore L. Roth介紹，科學家們嘗試將新基因插入T細胞已有30年之久。在他們的研究中，經過近一年的反覆試驗，Roth確定了T細胞數量、DNA數量和CRISPR丰度（CRISPR abundance）的比值，結合擁有適當參數的電場，實現了對T細胞基因組高效、準確的編輯。
The research team created CRISPR guides that would cause green fluorescent protein to be expressed in only certain cellular locations and structures. Credit: Alex Marson's Lab.
“實力”驗證
研究中，Roth首先設計CRISPR用綠色熒光蛋白（green fluorescent protein，GFP）標記一組不同的T細胞蛋白，結果證實，新技術具有高度的特異性，且脫靶效應水平非常低：GFP只在特定的細胞位置和結構中表達。
接著，他們開始驗證新技術的治療前景。在第一個實驗中，Roth及其同事使用了由耶魯醫學院Kevan Herold提供給Marson博士實驗室的T細胞。這些細胞來自患罕見、嚴重自身免疫性疾病的三個兄弟姐妹。基因組測序顯示，這些兒童的T細胞攜帶著IL2RA基因的突變。而IL2RA基因編碼的是對調節性T細胞（Tregs，可抑制其他免疫細胞，阻止自身免疫）發育至關重要的一種細胞表面受體。
利用基於CRISPR的新技術，UCSF的團隊快速修復了兒童T細胞中的IL2RA缺陷，以及因突變受損的細胞信號。研究人員希望，就像利用CAR-T療法抗癌一樣，類似的技術能夠有效治療自身免疫性疾病。
在第二個實驗中， 藉助新技術，科學家們用“被專門設計用於識別人類黑色素瘤細胞特殊亞型的新受體”完全取代了“正常人類T細胞中的天然T細胞受體（T cell receptors，細胞用於檢測疾病和感染的傳感器）”。在培養皿中，被改造過的T細胞表現出了特異性：不僅能夠有效地找到目標黑色素瘤細胞，同時還會忽略其他細胞。這對於癌症精準治療是非常重要的。
研究人員強調，在不使用病毒載體的情況下，他們能夠生產出大量經CRISPR改造後表達新T細胞受體的工程細胞。而將這些CRISPR工程細胞（CRISPR-engineered cells）移植給攜帶人類黑色素瘤的小鼠後，它們能夠進入腫瘤部位，並顯示出抗癌活性。
Set of test tubes in Alex Marson's lab. Credit: Noah Berger.
前景廣闊
Roth表示，由於新技術使得“在一週多一點的時間內創建可用的定製T細胞系”成為了可能，因此，它已經改變了Marson博士實驗室的研究環境。先前一些受限於病毒載體的實驗現在可以進行了。
“這是一種能夠用於改變、增強以及重編程T細胞的快速、靈活的方法。與速度和易用性一樣重要的是，新技術使得‘將大量的DNA片段插入T細胞中’成為了可能，這將賦予T細胞強大的新特性。”Marson博士評價道。
總結來說，研究人員希望，他們的新技術——一種基於CRISPR的快速、全能、經濟的方法能夠在新興的細胞治療領域得到廣泛應用，加速開發新的、更安全的癌症、自身免疫性疾病和其他疾病（包括罕見的遺傳性疾病）的治療方法。
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