人類自身細胞的設計改造

人體由體細胞與生殖細胞共同組成。體細胞作為人體結構和功能的基本單元，其數量達?40?萬億—60?萬億個，決定著人體的健康狀況。生殖細胞則影響著下一代的健康狀況。在體外細胞模型和動物模型中，經基因線路改造的人工細胞在單基因遺傳病、癌癥診斷、癌細胞識別、代謝性疾病（如痛風、糖尿病和高血壓等）、感染性疾病治療和干預等方面已取得重大突破，為進一步開展臨床應用奠定了堅實基礎。

人工細胞用于遺傳病的基因治療

醫學史上有一些改變疾病治療范式的大事件，比如外科手術的發明、抗生素的發現，而下一個大事件很可能是正在成熟的基因治療。2017?年，美國?FDA?首次批準一種針對眼科遺傳病的療法?Luxturna。不久的將來，更多的基因治療方法將從實驗室走向臨床，掀起一場新的醫學革命，以往無法治愈的遺傳疾病將從根源上得到緩解。

從原理上來說，基于小分子藥物或蛋白的療法需要反復給藥（例如糖尿病患者需要反復注射胰島素），而如果可修復病人的錯誤基因，那么單次治療就可產生持續的治療效果，達到控制甚至逆轉遺傳疾病的療效。基因治療有兩大先決條件：①需要有遞送新基因的載體，最有臨床前景的是逆轉錄病毒和腺相關病毒載體；②需要有編輯、修復錯誤基因的手段，介導基因添加、基因刪除、基因校正，以及細胞內其他高度靶向的基因組修飾，一般是采用三大基因編輯技術——鋅指核酸酶技術（ZFN）、轉錄激活因子樣效應子核酸酶技術（TALEN）和規律成簇的間隔短回文重復技術（CRISPR）。

基因治療可以指針對體細胞所攜帶的單基因遺傳病，在體內原位進行的基因療法，也可以在體外改造血紅細胞并回輸人體內的療法（亦稱細胞療法）。由于涉及人工細胞的設計改造以實現特定治療功能，因此屬于合成生物學范疇。基因治療在臨床治療中非常有潛力，是合成生物學在醫學領域應用的重大成果，許多不治之癥有望得到緩解，近期案例包括：

2017?年，Sangamo?公司開展了全球首例人體內基因編輯治療。44?歲的?Brian Madeux?患有先天新陳代謝異常疾病亨特氏綜合征，被通過靜脈注射將數十億份矯正基因及精準基因編輯工具注入患者體內。研究人員表示治療效果很好，沒有出現嚴重的副作用或安全問題。2018?年2月，Sangamo?公司被批準實施第二位患者的體內基因治療。

輝瑞公司在臨床實驗中用鋅指轉錄因子（ZFP-TFs）來治療?C9ORF72?基因突變引起的肌萎縮性脊髓側索硬化癥（ALS），也稱為漸凍人癥，以及另一種叫額顳葉大葉性變性（FTLD）的神經變性疾病。

賽諾菲集團旗下子公司?Bioverativ?從患者體內收集造血干細胞（HSCs），然后利用?ZFN?技術在體外對調控?BCL11A?基因的紅細胞增強子進行精確切割，促使?BCL11A?基因的表達下降。接受過基因編輯的?HSCs?會被重新注回患者體內，它們可以繼續增殖并且分化為成熟的血紅細胞，從而緩解鐮狀細胞病患者的癥狀。這種自體細胞療法的優勢在于不依靠病毒載體對基因進行編輯，從而避免病毒載體可能帶來的副作用。

英國制藥公司?Shire?開發出了亨廷頓氏病基因療法。亨廷頓氏病是由單個基因htt?基因中的特定類型突變引起的。該療法通過鋅指蛋白特異性下調?htt?突變體基因，從而選擇性地抑制突變型亨廷頓蛋白（HTT）的表達，同時保持正常基因拷貝的表達水平不變，以期逆轉亨廷頓氏病的癥狀，阻止病情惡化。該療法目前正在臨床前研究階段。

除了治療目的，還有生物黑客正利用基因治療技術改造自身細胞，期望獲得增強的人體功能。例如，原?NASA?科學家?Josiah Zayner?采用?CRISPR?技術，在自己身體內引入?Myostatin?基因突變，以增強肌肉生長。還有生物黑客在自己視網膜引入視紫紅質基因，試圖增強視力。