《Biochemical Pharmacology》：Gene therapies (2015–2025): determinants of translational success
在过去十年中，有28种基因疗法在美国获得了监管批准，然而还有大量处于研发管线中的候选药物失败了。对处于转化谱系两端的基因疗法进行全面评估，需要一个统一的框架，通过该框架可以有效地分析和比较所有疗法。在此，研究人员提出了一个由五个转化成功决定因素组成的药理学和操作框架。三个上游药理学决定因素——载体设计与递送系统、靶点生物学与疾病背景、以及免疫学/毒理学障碍——决定了疗效、持久性和安全性，并共同塑造了主要的临床结果。两个下游操作决定因素——制造可扩展性和可持续的支付模式——最终决定了现实世界中的实施和商业可行性。利用这一统一框架，研究人员分析了2015年至2025年间获批的28种基因疗法，以及8个被中止、延迟或撤回的项目。研究结果揭示了一个转化成功的层级模型，其中上游药理学决定因素主导着监管批准，而下游操作决定因素则决定着市场成功。较不成功的项目在一个或多个决定因素受损时失败，这表明监管批准和商业可行性是不同的转化里程碑。除了分析回顾性数据外，应用此框架还允许研究人员预测未来十年基因疗法的关键进展。最终，这个五决定因素模型可作为简化管线开发和加速下一代基因疗法交付的战略蓝图。
1. 引言
过去十年间，基因疗法已从实验概念转变为经过临床和商业验证的治疗方式。2015至2025年期间，至少28种涵盖肿瘤学、遗传性单基因疾病、皮肤病、眼科、神经科和泌尿科的基因疗法获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的监管批准。这些干预措施代表了药理学策略的根本性转变：从对蛋白质功能的短暂调节转向对遗传景观的永久或半永久性改变。尽管这些疗法在临床上具有多样性——从离体修饰的嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）疗法如Kymriah，到体内腺相关病毒（AAV）介导的基因替代疗法如Zolgensma——但它们都统一于一套决定其治疗指数的核心生物化学和药理学原理。
与小分子药物和生物制剂一样，基因疗法也受相同的药代动力学（PK）和药效学（PD）基本原则支配。事实上，在基因疗法中，所施用的治疗剂是一种核酸有效载荷，必须在任何药理活性蛋白存在之前进行转录和翻译。这与传统小分子药物的前药-药物关系非常相似。然而，基因疗法代表了与传统小分子药物和生物制剂的概念性背离。其药代动力学行为并非由离散小分子的吸收、分布、代谢和消除相关变量决定，而是由载体嗜性、内体逃逸效率、核输入能力以及靶细胞的转录能力决定。同样地，其药效学输出也不是受体占据或酶抑制，而是特定基因产物的持久表达——或永久性抑制或纠正——这一区别可以通过单次给药产生持久效应，从而有效地解耦传统的剂量-反应关系。
基因疗法的临床成功只是迈向市场可行性的第一步。也许最令人惊讶的基因疗法失败类别涉及那些获得监管批准但在商业上失败的产物——不是因为它们不安全或无效，而是因为患者和医生不使用它们。另一方面，一些基因产物在临床试验中是有效且安全的，但无法持续生产或以足够规模满足需求。因此，理解基因疗法还需要一个操作框架，其中制造可扩展性和可持续的支付模式被视为转化成功的下游操作决定因素。
本综述综合了2015年至2025年间获批的28种基因疗法以及8个被中止、延迟或撤回项目的临床和监管数据。通过检查不同适应症下的载体平台、转基因设计、递送策略和结果概况，旨在识别出可推广的转化成功决定因素。这种全面的药理学和操作视角对于指导下一代基因疗法的合理设计至关重要。
2. FDA批准的基因疗法概览（2015–2025）
基因疗法首次上市始于Imlygic的出现，这是2015年首个获得FDA批准的溶瘤病毒疗法。截至2025年12月，已有28种基因疗法获得FDA批准。这一数字不包括曾获批后又被撤回并从FDA网站上移除的基因产品。在获批的疗法中，有12种是体内疗法，16种是离体疗法。AAV和慢病毒载体（LVV）是开发这些疗法中最常用的两种载体，占载体使用量的三分之二以上（19/28），凸显了它们在临床转化中的主导地位。约78.6%的基因疗法是在最近的五年内（2021–2025年）获批的，表明近年来基因疗法领域加速增长。
3. 治疗成功的药理学框架
在审视2015-2025年间定义成功基因疗法的具体决定因素之前，建立一个可用于评估基因疗法的药理学框架至关重要。尽管基因疗法受制于所有药理学干预措施背后的相同基本药代动力学（PK）和药效学（PD）原则，但基因疗法在其作用机制、药代动力学特性、效果持久性和安全性方面与小分子药物和生物制剂存在根本差异。
3.1. 基因治疗的生化基础
在单基因疾病中，突变发生在脱氧核糖核酸（DNA）水平，通常导致蛋白质产物缺失、截短或功能失调。基因疗法旨在通过基因添加、纠正或替换来修改DNA，从而恢复功能性蛋白质的产生。与传统小分子药物不同，基因疗法必须成功完成一系列连续的生化步骤，才能实现治疗效果：将遗传货物递送至靶细胞群、细胞进入和细胞内转运、核递送、转基因表达或基因组整合/编辑、蛋白质产生加工和递送、以及在所需治疗持续时间内维持功能性效应。
3.2. 影响治疗效果的生物学障碍
为了系统地评估影响治疗效果的因素，区分递送载体的内在生物学特性和其所遇到的外源性宿主环境是有用的。
3.2.1. 生物分布与嗜性
对于常规全身给药的药物，生物分布描述了药物在隔室间的可逆转移，主要由物理化学特性和蛋白结合决定。基因疗法则靶向特定组织或细胞类型，这种特性最好用嗜性来描述。嗜性——即优先转导特定细胞类型的特性——是理解基因疗法生物分布的核心。对于体内疗法，病毒载体表现出由其衣壳蛋白决定的固有嗜性。例如，AAV血清型显示出不同的嗜性特征。对于离体疗法，基因递送通过转导或电穿孔在体外进行。输注后，改变后的细胞的生物分布——它们归巢至特定组织、植入效率和持久性——成为关键的药理学参数。
3.2.2. 转基因表达水平与持续时间
转基因表达水平是基因疗法最关键药理学参数之一。转基因表达水平对于确保疗效和安全至关重要，需要精确控制以避免过表达毒性，同时保持足够的临床获益。优化表达需要平衡载体类型、剂量和增强子/启动子强度，以确保持久性并最小化免疫原性。单次给药后转基因表达的持续时间是基因疗法的一个独特药理学参数。对于基因疗法，转基因表达的持续时间根本上取决于载体是建立附加体还是实现稳定的基因组整合。附加型载体包括AAV和非整合型慢病毒载体。整合型载体包括慢病毒和逆转录病毒载体，它们将转基因插入宿主基因组，确保基因修饰在细胞分裂过程中被复制并传递给子代细胞。
3.2.3. 免疫学障碍
免疫系统对基因疗法构成了一个在传统小分子药理学中没有直接类似物的强大障碍。免疫反应可以靶向载体本身、转基因产物或基因修饰的细胞，在每个阶段都会损害治疗效果并可能引起不良事件。身体的防御机制在三个主要阶段运作：先天免疫检测、预先存在的体液免疫和适应性细胞应答。
3.3. 用于基因治疗评估的统一药理学模型
综合本节发展的概念，我们有了一个整合载体特性和宿主因素的统一药理学模型来评估基因疗法。该模型将基因疗法的治疗效果概念化为多个连续概率的乘积：成功率 = P(递送) × P(进入) × P(运输) × P(表达) × P(持久性)。这个乘法模型强调了优化每一步的重要性，因为任何一步的低效率都会按比例降低整体成功率。该模型强调，不同的治疗背景对每个生化步骤提出了不同的要求。为了将此模型应用于基因疗法，我们将上述生物学变量整合为三个不同的上游药理学决定因素：决定因素1——载体设计与递送系统，决定因素2——靶点生物学与疾病背景，决定因素3——免疫学与毒理学障碍。
4. 决定因素1：载体设计与递送系统
选择合适的递送载体可以说是基因疗法治疗成功的最关键决定因素。28种FDA批准的基因疗法采用了多种载体平台，每种都具有独特的药理学特性。
4.1. 腺相关病毒载体：体内基因治疗的主导平台
截至2025年，AAV已成为体内基因疗法中使用最广泛的载体，有7种基于AAV的产品获得FDA批准。AAV的主导地位源于其有利的药理学特征：天然高效地将基因递送入细胞的能力、在多种组织中持续的转基因表达，以及与其他病毒载体相比低免疫原性的卓越安全记录。
4.1.1. AAV载体的结构基础
AAV核衣壳由60个蛋白质亚基组成二十面体对称结构，包裹着约4.7千碱基（kb）的单链DNA基因组。对于治疗应用，所有病毒编码基因都被移除，替换为包含治疗基因、增强子/启动子和多聚腺苷酸化信号的转基因表达盒，形成重组AAV（rAAV）。
4.1.2. 货物限制与克服策略
重组AAV载体（rAAV）的一个主要物理限制是其严格的货物容量，限制在大约4.7 kb。在本十年间，有两种主要的工程策略趋于成熟：微型基因工程和双AAV载体平台。
4.2. 慢病毒载体：用于离体应用的稳定整合
源自人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）的慢病毒载体（LVs）已被证明对于离体基因治疗应用至关重要，特别是在造血干细胞（HSC）修饰和嵌合抗原受体（CAR）-T细胞制造中。与AAV载体不同，慢病毒载体实现稳定的基因组整合，使得在增殖细胞及其后代中能够持久表达转基因。
4.2.1. 载体设计与安全性演变
将野生型HIV-1转化为安全有效的基因递送载体需要进行大量的工程改造，以消除复制能力，同时保留高效的转导能力。当前的第三代慢病毒载体系统采用四质粒分裂包装设计。关键的安全特性包括：自失活（SIN）设计、辅助基因去除和假型化。
4.2.2. 在离体基因治疗中的应用
使用慢病毒载体进行离体方法的药理学理由是令人信服的：通过在体外改造细胞，体内递送的复杂性——包括生物分布、脱靶感染和免疫中和——得以规避。改造后的细胞在质量控制测试后被重新输注，确保只有适当修饰的细胞返回患者体内。应用包括CAR-T疗法、T细胞受体T细胞（TCR-T）疗法和造血干细胞（HSC）基因疗法。
4.3. γ-逆转录病毒载体（γ-RVVs）
4.3.1. 结构与生物学基础
γ-RVVs是包膜的单链RNA病毒，历史上为临床基因疗法铺平了道路。它们在结构上与慢病毒共享相似的货物容量，但表现出一个关键的生物学区别：γ-RVVs严格需要活跃的细胞分裂才能进行转导。
4.3.2. 基因组整合图谱与安全性演变
γ-RVVs的决定性药理学特征——也是推动临床向现代慢病毒载体转变的核心驱动力——是其基因组整合图谱：靶向偏好、插入诱变风险以及与慢病毒载体（LVVs）的对比。
4.3.3. 在2015-2025年FDA批准队列中的临床足迹
尽管存在这些历史上的遗传毒性问题，γ-RVVs在2015-2025年FDA批准窗口内仍保持着重要且高度受监管的足迹。它们通过专注于那些逆转录病毒插入后恶性转化风险较低的细胞类型或组织而成功转化。因此，γ-RVVs作为几种具有里程碑意义的商业化治疗药物的递送载体，包括CAR-T疗法和自体细胞片基因疗法Zevaskyn。
4.4. 非病毒递送平台
虽然病毒载体在已批准的基因疗法中占主导地位，但非病毒递送平台——特别是脂质纳米颗粒（LNPs）——已获得显著发展势头。
4.4.1. 非病毒方法的基本原理
非病毒载体相对于病毒系统提供了几个药理学优势。首先，它们避免了与病毒衣壳相关的免疫原性。其次，非病毒递送可实现瞬时治疗效果。第三，非病毒系统可以容纳更大的货物。
4.4.2. 使用电穿孔进行基因转移
首个获批的基于CRISPR的疗法Casgevy利用了离体编辑，其中CRISPR组分通过电穿孔递送。
4.4.3. 脂质纳米颗粒技术
LNPs已成为用于核酸递送的有前途的下一代非病毒平台。LNP介导的递送机制涉及全身给药后的几个步骤。对于mRNA递送，一旦进入细胞质，mRNA就会被内源性核糖体翻译以产生治疗性蛋白质。LNP启用的CRISPR递送目前正在进行临床试验。
5. 决定因素2：靶点生物学与疾病背景
基因疗法的成功也深受靶细胞生物学和疾病背景的影响。
5.1. 增殖状态：分裂细胞与静止靶细胞
也许决定基因疗法成功的最基本生物学因素是靶细胞群是分裂的还是保持静止。这种区别决定了实现持久表达所需的载体平台、治疗效果的动力学以及与基因组整合相关的潜在风险。
5.1.1. 静止靶细胞：附加型载体的领域
静止或缓慢分裂的细胞——包括神经元、肝细胞、视网膜色素上皮（RPE）和成熟肌纤维——其特征在于延长或无限期的细胞周期停滞。在这些细胞中，附加型DNA元件不会被有丝分裂稀释，可以持续数年或可能持续细胞的整个生命周期。
5.1.2. 分裂靶细胞：对整合型载体的需求
对于经历活跃分裂的靶细胞群体，附加型载体在有丝分裂过程中逐渐被稀释，导致转基因表达随时间丧失。这一生物学现实要求使用整合型载体将转基因插入宿主基因组，确保传递给子代细胞。
5.2. 组织特异性递送障碍
除了靶细胞的增殖状态外，特定组织内的物理和生物学障碍深刻地影响着载体递送和治疗效果，包括血脑屏障（BBB）、肝脏、免疫豁免的视网膜和肌肉的质量挑战。
5.3. 疾病病因学：功能丧失与功能获得
潜在遗传缺陷的性质深刻影响着所需的基因治疗策略和治疗成功的可能性。大多数获批的基因疗法靶向由功能丧失突变引起的常染色体隐性遗传病。功能获得突变或常染色体显性遗传病则需要沉默或编辑策略。
5.4. 单基因疾病：唾手可得的成果
2015年至2025年获批的28种基因疗法主要靶向单基因疾病。这种集中反映了明确定义的遗传靶点的科学易处理性以及基因型和表型之间的直接关系。
5.5. 来自获批疗法的经验教训：将生物学与策略相匹配
对28种获批疗法的分析揭示了靶点生物学如何塑造治疗策略选择的清晰模式，包括针对视网膜色素上皮、运动神经元、肝细胞、骨骼肌、造血干细胞和活化T细胞的靶向策略。
6. 决定因素3：免疫学与毒理学障碍
基因疗法向患者体内引入了免疫系统进化来识别和消除的生物材料。本节分析了2015年至2025年间28种FDA批准的基因疗法发展中形成的免疫学和毒理学障碍，包括预先存在的免疫、先天免疫感应和适应性免疫反应，以及基因毒性。
6.1. 对病毒载体的预先存在免疫
预先存在的免疫力源于先前与野生型病毒的自然感染。对于具有预先存在的中和抗体（NAbs）的患者，载体可能在转导靶细胞之前就被中和。
6.1.1. 血清阳性率与临床影响
AAV是最常见的人类细小病毒，NAbs在一般人群中的检出率为30-70%。预先存在的NAbs的临床影响具有滴度依赖性。临床结果因疗法而异，如Luxturna、Zolgensma和Hemgenix所示。
6.1.2. 克服预先存在免疫的策略
已经开发了几种策略来解决预先存在的免疫问题，包括血浆置换、酶法清除、瞬时免疫抑制和血清型转换。
6.2. 先天免疫感应
先天免疫反应在载体给药后数分钟至数小时内发生，由模式识别受体（PRRs）对病原体相关分子模式（PAMPs）的识别触发。
6.2.1. 先天免疫激活的机制
包括病毒衣壳识别、核酸感应和脂质纳米颗粒（LNP）识别。
6.2.2. 缓解策略
先天免疫激活可引起急性输注反应、肝细胞毒性和转基因表达减少。已开发的策略包括皮质类固醇使用、CpG耗竭、启动子选择和免疫调节。
6.3. 适应性免疫反应：体液免疫和细胞免疫
适应性免疫反应在载体给药后数天至数周内发展，其特征是抗原特异性和免疫记忆。
6.3.1. 体液免疫：中和抗体
在施用病毒载体后，免疫系统会产生针对病毒衣壳的NAbs。这些NAbs可以阻止同一载体的再次给药。
