基因疗法旨在通过引入、去除或修改患者细胞内的遗传物质来治疗或预防疾病。该技术已从理论概念发展为多种遗传性疾病和癌症的批准治疗方法。

基因添加和基因编辑

存在两种广泛的策略。基因添加提供基因的功能副本以补偿有缺陷的基因，而不修改内源基因组。基因编辑使用工程核酸酶直接修改基因组，纠正潜在的突变。基因添加在临床上更简单、更先进，但基因编辑提供了永久纠正的潜力。

病毒载体

病毒是自然进化的基因传递载体，已适应治疗用途。腺相关病毒载体是临床试验中最常用的载体。 AAV 是非致病性的，可感染分裂细胞和非分裂细胞，并以游离体形式存在。 AAV 载体的负载容量有限，约为 4.7 kb，高剂量时可以触发免疫反应。不同的 AAV 血清型具有不同的组织向性，可以针对特定器官。 AAV 血清型 2 对视网膜具有天然趋向性，而 AAV9 则可以穿过血脑屏障。

慢病毒载体源自 HIV，并将其载体整合到宿主基因组中，提供长期表达。这些载体是使用 DNA 连接和克隆 技术构建的。它们可以携带高达 8 kb 的更大有效负载，并感染分裂细胞和非分裂细胞。整合存在插入突变的风险，但自失活载体提高了安全性。慢病毒载体用于 CAR-T 细胞疗法，其中患者 T 细胞经过离体改造，以表达靶向癌细胞的嵌合抗原受体。

非病毒式传播

非病毒方法避免了病毒载体的一些限制，特别是免疫原性和负载能力。脂质纳米粒子封装核酸以供递送，保护它们免遭降解并促进细胞摄取。 LNP 已成功用于 mRNA 疫苗，并正在开发用于基因治疗。电穿孔利用电脉冲在细胞膜上产生瞬时孔，从而允许 DNA 进入。物理方法，例如水动力注射，将DNA溶液快速注入血液中，可以在动物模型的肝脏中实现基因表达。

批准的基因疗法

几种基因疗法已获得监管部门的批准。 Luxturna 治疗由 RPE65 突变引起的遗传性视网膜营养不良，使用 AAV2 传递该基因的功能副本。 Zolgensma 通过使用 AAV9 传递 SMN1 基因来治疗脊髓性肌萎缩症。 Strimvelis 通过用逆转录病毒载体离体转导造血干细胞来治疗腺苷脱氨酶缺乏症。包括 Kymriah 和 Yescarta 在内的 CAR-T 细胞疗法已被批准用于治疗某些 B 细胞恶性肿瘤。最近批准的包括使用 AAV 载体的血友病 B 和血友病 A 基因疗法。

基于 CRISPR 的基因编辑

CRISPR-Cas9 通过实现对特定基因组序列的精确、高效修改，彻底改变了基因编辑。该系统由 Cas9 核酸酶组成，由单个向导 RNA 引导，与目标 DNA 序列进行碱基配对。 Cas9 核酸酶在目标位点产生双链断裂，然后通过非同源末端连接或同源定向修复进行修复。

NHEJ 可以通过引入小的插入或缺失来破坏基因，这对于敲除致病基因非常有用。当提供修复模板时，HDR 可以引入精确的序列变化，从而纠正突变。碱基编辑使用与脱氨酶融合的改良 Cas9，直接将一个碱基转换为另一个碱基，而不会产生双链断裂。 Prime 编辑使用与逆转录酶融合的 Cas9 切口酶在特定位点写入新的遗传信息。

挑战和风险

基因治疗面临着一些挑战。对病毒载体的免疫反应会限制疗效并引起不良反应。先天免疫系统识别病毒衣壳和核酸，而适应性免疫则产生中和抗体，防止再次给药，并可能妨碍对已有免疫力的患者进行治疗。脱靶编辑仍然是基于 CRISPR 的方法的一个问题，可能会导致意外的突变。对于许多疾病，尤其是那些影响大脑、肌肉或肺部的疾病，递送到靶组织是一项挑战。表达的长期持久性和延迟不良反应的可能性需要在临床试验中进行长期随访。