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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

390期2024年11月號

出版日期:2024/11/15

正方形 Icon 觀念探索 Insights & Trends

基因編輯只會愈來愈容易實踐, 對人類的未來會有何影響?

撰文/雷格拉多(Antonio Regalado) 插圖/拜爾斯(Michael Byers) 翻譯/連育德

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權。
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權。

2016年,我到華盛頓特區參加一場大型會議,與會者都是記者,主講人是更早幾年與人共同發明CRISPR技術的道納(Jennifer Doudn)。這是一種翻天覆地的基因編輯技術,操作簡易,因此席捲了各大生物實驗室。道納提到,人類有了這項技術,等於有能力改變自己的分子本質,帶來無限可能,也潛藏危險。她說很怕「有天早上醒來,新聞傳出有人製造出第一個CRISPR寶寶」,也就是從零到有被刻意改變基因的嬰兒。

我身為專門報導基因工程的記者(題材愈怪愈好),擔心的角度不一樣。CRISPR寶寶是世紀大新聞,我只怕被其他記者搶到獨家。基因編輯當時已是生技新聞的火熱話題,後來又傳出中國有個團隊改變猴子的DNA,引進專門訂製的突變。發展到這個地步,勢必遲早有人想挑戰極限。

倘若真的有人創造出基因編輯寶寶,道德與倫理問題預計隨之而來,道納說影響最深遠的問題是:這樣做會「改變人類進化」。胚胎經過基因修改後,如果順利發育成嬰兒,基因會透過生殖細胞系(germline)傳給後代。會有哪種科學家膽敢嘗試呢?

兩年後,我搭了將近8千哩的飛機,終於找到答案。來到中國廣州的一家飯店裡,我加入一支紀錄片攝影小組,準備採訪生物物理學家賀建奎。他帶著一群顧問現身,席間非常健談,熱情討論著他在老鼠、猴子與人類胚胎的研究,還說最終計畫在人類寶寶出生時注入有益基因,進而改善人類健康。我當時還心想這個境界暫時尚不可及,於是問他技術是否真的已經到位。

「到位了。」 他說,然後神情凝重地停頓一下子:「差不多到位了。」

一個月後,我得知賀建奎原來已經辦到。他在網路公布數據,描述兩個基因編輯胎兒的基因輪廓,也就是他正在孕育「CRISPR寶寶」。他另外還說明希望打造對HIV病毒免疫的人類。他鎖定一個名為CCR5的基因,有些人體內有這種基因變體,能夠預防HIV感染。很少有試算表的數據讓人看了這麼毛骨悚然,頂多有些氣候學家看到最新的北極圈溫度,才會有類似反應。一件空前又恐怖的大事,恐怕已經發生。我們當天發布即時新聞,我在文中大膽指出,基因訂製人類的誕生是醫學重大突破,也是人類增強技術(Human Enhancement)墮落的起點。

賀建奎後來被判處3年有期徒刑,他的科學行徑也受到嚴厲譴責。經事後證實,接受胚胎基因編輯的是一對雙胞胎女嬰(後來又傳出有第三個寶寶),但細究他的數據,基因編輯過程不但粗製濫造,甚至可說是失控。我當時也加入媒體與學界的批評聲音,每天發表文章與爆料文,就是不讓賀建奎與他的顧問群好過。今年春天,加州大學柏克萊分校的基因編輯專家烏諾夫(Fyodor Urnov)更在X平台上發飆,稱賀建奎為科學界的「縱火狂」,還把他比喻成托爾金《魔戒》裡的炎魔(Balrog)。事件演變到此,賀建奎的罪行似乎不只是違反醫療法規而已,而是還想大膽掌控讓你我身而為人的根本過程。

對於人類命運會如何演變,未來學家各有不同的想像。我們可能被植入裝滿有益基因的輔助染色體,也可能淪為複製人一員,就這樣過了一生。或許,我們只會透過幹細胞繁衍後代,性行為成為過去式。又或者,人類在外星球殖民後,長期孤立而自成一個物種。但賀建奎的構想之所以備受關注,是因為他取經於現實生活的科學技術。儘管某些基因突變會導致可怕的罕見疾病,但科學家也陸續發現,有些突變能造成一些人有能力抵抗常見疾病,例如糖尿病、心臟病、阿茲海默症、HIV等。只要時間夠久,這些彷彿超能力的有益特徵就可能普及全人類。不過,何必等上10萬年的物競天擇呢?只需要幾百美元的化學物質,就能設法在10分鐘內把這些基因變異植入胚胎。理論上,這樣來推動改變最簡單,因為只需要動用一個細胞。

全球多數國家都限制編輯人類胚胎,根據法律學者的調查,多數國家更明訂製造基因編輯嬰兒是違法行為。但隨著科技日新月異,是否使用胚胎可能不再是重點。透過新方法將CRISPR技術應用於兒童與成人體內,也能讓他們輕易接受基因編輯。事實上,如果往後看125年後的人類基因組,許多人可能都有許多罕見但有用的基因突變,從中受惠,但這些突變目前只存在於少數人群。這些突變不但可以保護我們免於常見疾病與感染之苦,最終還可能明顯改善其他特徵如身高、新陳代謝,甚至是認知能力。這些突變固然不會遺傳給下一代,但如果廣泛分佈,也會成為一種由人類主導的自我進化,影響力不亞於電腦智慧的崛起或實體世界的工程改造。

我當時沒料到的是,即使抨擊賀建奎的人不認同他的做法,但也認為這樣的基本策略恐怕難以避免。我問在2005年發明「基因組編輯」這個詞的烏諾夫:100年後的人類基因組會是什麼模樣,他不假思索指出,隨著技術進展,人類可能會採用超級基因進行人體改良,廣泛用於成人與胚胎。但他也說,他覺得人類未必會把這件事做好做對。有些人可能會先享受到這項技術對健康的好處,商業利益考量最終也可能把這股趨勢帶往對人類無益的方向,就像演算法讓他的學生死盯著手機螢幕一樣,並不符合自然。「我雖然對100年後的人類基因組充滿期待,但想到人類歷史盡是不知節制又缺乏智慧的例子,我的熱情就消退了。」他說:「你不必是大作家赫胥黎(Aldous Huxley),也能以這個為靈感寫出反烏托邦的小說。」

及早編輯

北京,晚上約莫10點。賀建奎的臉出現在騰訊視訊會議應用程式的螢幕。這時已是2024年5月,離我第一次採訪他過了將近6年,他的背景看似閣樓,天花板很高,牆上掛著寬螢幕電視。烏諾夫事前建議我不要採訪賀建奎,這樣好比「要美國史上最大金融詐欺主謀馬多夫(Bernie Madoff)討論道德投資」。但我想跟他聊聊,因為很少有科學家像他一樣,願意鼓吹大規模改善人類基因的概念。

大家會對這個想法敬謝不敏,當然是他的錯。經過他那次實驗後,中國正式將「植入」經過基因編輯的人類胚胎到子宮視為犯罪。他的資金來源瞬間蒸發。「他引起各界反彈,許多人的研究也陷入停頓,更何況相關研究本來就不多。」俄勒岡健康與科學大學(Oregon Health and Science University)的生育醫生艾瑪托(Paula Amato)說。美國只有兩個團隊曾在實驗室編輯人類胚胎,她便是其中一個團隊的共同主持人。「再加上負面報導,沒有人想與醜聞或優生學扯上關係。」她說。

2022年出獄後,這位中國生物物理學家企圖在科學界捲土重來,跌破眾人眼鏡。他起初以患有肌肉萎縮症的兒童為訴求,拋出DNA資料儲存與「平價」療法的構想。但在2023年夏季,他在社群媒體發文表示,打算重新研究以基因編輯技術改變胚胎基因,但強調「不會將人類胚胎植入子宮受孕」,而是把焦點放在名為類澱粉前驅蛋白(APP)的基因。如果擁有這種基因的極罕見版本(亦即等位基因),幾乎不會罹患阿茲海默症。

賀建奎在視訊電話中表示,他目前以APP基因為研究主軸,正在決定要如何改變基因。他說,這項研究並不從人類胚胎下手,而是用老鼠與腎臟的細胞,採用稱為「鹼基編輯」(Base Editing)的最新CRISPR技術,可以改變單一DNA字母,而不會破壞分子。

「這個等位基因有保護力,我們希望把它從少數幸運兒擴大到多數人。」賀建奎說。此外,如果在受精卵階段進行調整,只需要變動一個細胞,就能在胚胎發生作用,最後遍及整個大腦。賀建奎說,如果等出生後再編輯大腦細胞,「就跟把人送到月球一樣難。但在胚胎進行基因編輯就不同了,跟開車回家一樣簡單。」

他說,未來的人類胚胎「勢必」會接受矯正,能夠預防所有嚴重遺傳疾病。為了改善健康,胚胎還會接受「一整組」基因編輯,數量「可能達20到30個」。在科幻片《千鈞一髮》(Gattaca)的世界裡,這樣的基因微調是家常便飯,但立志當上太空飛行員的男主角並沒有做過變動,因此被污名化。賀建奎所說的基因編輯當中,有一項正是植入APP變體,這麼做需要變動一個DNA字母。其他基因編輯則可以預防糖尿病,甚至是癌症與心臟病。賀建奎把這些編輯稱為「基因疫苗」,也相信人類在未來「不必擔心」現在的許多致命疾病。

實現這個願景的人會不會是賀建奎?去年,他似乎邁出改過自新的一步,在武昌理工學院(位於武漢的三流大學)拿到主持基因中心的工作,但他在視訊中表示已經離職。他雖然沒有說明原因,但指出他的動向受到媒體大肆報導,「讓有些人倍感壓力」。舉例來說,法國財經日報《回聲報》(Les Echos)刊登了一篇報導,標題為〈基改嬰兒:中國科學怪人的祕密〉(GMO babies: The Secrets of a Chinese Frankenstein)。他說目前在自己的私人實驗室研究,資金來自中國與美國金主。他有創業的初步計畫,但經我詢問公司名稱和地點,他一笑置之:「當然不行。」

也可能他並沒有實驗室,只是有個概念。但這個概念很難讓人忽視。你會讓自己的小孩進行基因微調嗎?也就是從構成基因組的30億個字母當中,更換一個基因字母,藉此預防疾病,例如又稱「心智小偷」、名列美國第七大死因的阿茲海默症。民調顯示,針對在胚胎增加抗病特徵的道德議題,美國民眾的意見分歧。不過,也有不少民眾更極端。根據2023年《科學》期刊的一項調查,如果編輯胚胎能夠增加小孩未來進入頂尖大學的機會,有近三成民眾贊成這麼做。

發現APP基因變體有好處的公司,是位於冰島的基因研究公司deCODE Genetics。26年前的1998年,該公司的創辦人醫師史蒂芬森(Kári Stefánsson)獲准取得冰島公民的病歷與DNA,率全球之先成立大型國家基因資料庫。全球目前也有幾個類似的大型生物資料庫,以英國的資料庫為例,最近完成了50萬名志願者的基因組定序。透過這類生物資料庫,科學家得以在電腦搜尋數據,找到基因組成與現實生活的差異有何關聯,例如壽命長短、疾病類型,甚至是喝多少啤酒。結果得出一個統計指數,從中可知DNA每個差異對可測量特徵的影響是強是弱。

2012年,deCODE的遺傳學家採用這項技術,研究APP基因的一個微小變異,發現擁有這個變體的人很少罹患阿茲海默症,其他方面也很健康。事實上,這些老年人的思緒似乎特別敏銳,而且也更長壽。實驗室測試證實,這個變異能減少腦斑塊的產生,而阿茲海默症的關鍵病徵就是蛋白異常結塊。

進化的一種途徑是,有個小寶寶的DNA出現細微變異或錯誤,如果有利他日後生存繁衍,往往會在這個物種更為常見,代代相傳後甚至成為常態。這個過程固然緩慢,但透過科學觀察得到。舉例來說,研究人員在2018年發現,習於潛水採集食物的印尼巴瑤族(Bajau)擁有幾個基因變體,讓他們的脾臟比一般人更大,因此能夠儲存更多含氧紅血球,對他們的生活方式形成優勢。

儘管APP基因變體似乎好處多多,但受惠族群只有老年人,已經遠遠過了生育年齡,所以天擇作用對這項優勢也無用武之地。但我們可以採取行動,以技術輔助進化,掌握我們認為有用的基因變異,加以擴散。「基因增強的方式可能是觀察人口,看誰有加強版的能力,先不管這些能力是什麼。」以色列醫學遺傳學家利維拉哈德(Ephrat Levy-Lahad)去年在一場基因編輯高峰會上表示:「要利用已經存在於人群的基因變異,因為你有這些人的資訊。」

鎖定存在於人口的有利DNA變異,好處在於效果已經受到檢驗。deCODE鎖定的測試者已屆80、90歲高齡,看起來跟一般老年人沒有兩樣,但頭腦卻異常清晰。從deCODE生物資料庫的電腦螢幕觀察他們的生活,可視為一種長期的自然實驗。然而,把這個基因變體植入胚胎能否奏效,科學家無法百分之百確認,因為好壞處可能會因為其他既有遺傳因子而有所不同,特別是阿茲海默症的其他風險基因。此外,進行研究來觀察結果的難度很高。以APP基因來說,要等上70年才能看到最終證據,參與研究的科學家屆時恐怕已經作古。

我去年採訪史蒂芬森時,他針對拿「效應龐大的罕見變體」(如APP基因變體)來改變基因組,提出正反論點。「每個人都希望老了還能頭腦清晰,這是一定的。如果按個按鈕,就能像那些有基因突變的人一樣擁有保護力,何樂而不為?」他說,但即使有技術能夠在嬰兒出生前就編輯基因,評估風險似乎難上加難:「你不只影響了這個人,還改變了他的所有後代。這些突變會造成進一步天擇與進化,等於攸關人類這個物種的本質。」

全民編輯

有些基因工程專家認為,編輯胚胎在理論上雖然不難做到,但未來勢必會受限於諸多變數,在成年人進行DNA編輯反而可能變得相對簡單,不僅可以藉此矯正罕見疾病,還能讓有需要的人增強能力。倘若如此,增強型基因編輯可能很快就普及,跟任何消費者科技產品或醫療潮流一樣。「我覺得不會是透過生殖細胞系。」因為鐵口預言而備受關注的哈佛大學遺傳學家邱奇(George Church)說:「地球的80億人口就是市場。」多年來,邱奇持續宣傳他所謂的「我那著名或惡名昭彰的增強表格」。這份清單列出能夠賦予人類超能力的基因變體,APP是其一,另一個基因變體則是導致骨骼特別堅硬,會發現這個變體,是因為有個家族抱怨無法在游泳池漂浮。至於這份表格臭名遠播,則是因為邱奇納入抗HIV的CCR5變體,賀建奎才會動念把它編輯到CRISPR寶寶。

邱奇認為,新型基因療法一旦證實能治療重症,將逐漸演變成用於增加與改善一般人的能力。「你會不斷微調與獲得回饋。」他說,這點很難透過生殖細胞系做到,因為人類的成長期很長。成人的基因編輯不會遺傳給後代,但邱奇認為這也可視為一種遺傳形式。他指出,鐵路、眼鏡、手機,乃至於製造與使用這些技術的知識,已經一代傳過一代。「就連非生物也是我們遺傳的東西。」他說。

生技產業已經在設法模擬罕見有益變體的療效。比方說,PCSK9基因有種罕見變體有助於維持膽固醇,效果受到一類新型心臟病藥物模仿。這項變異最初在美國與辛巴威少數人身上發現,能夠阻斷該基因的活動,讓人終生保持極低的膽固醇水準。每隔幾週或幾個月服用一次這些藥物,就會阻斷PCSK9蛋白。不過,有家生技公司已開始嘗試編輯人體肝臟細胞的DNA(肝臟是代謝膽固醇的地方),以期永久達到相同效果。

成人的基因編輯目前仍舊有難度,CRISPR指令不易「傳遞」到數千、甚至數十億細胞——通常是以病毒攜帶小分子藥物。大腦與肌肉等器官難以觸及,治療可能辛苦難熬,研究過程偶爾也傳出死亡案例。儘管如此,生技公司紛紛重金研發更新、更厲害的技術,希望將CRISPR傳遞到難以觸及的地方。有些公司正在設計可以精準鎖定特定類型細胞的特殊病毒,也有公司採取類似用於新冠疫苗的奈米粒子,希望打一針就能輕易傳遞編輯工具(Editor),而且價格低廉。

來到道納在加州大學柏克萊分校成立的創新基因組研究所(Innovative Genomics Institute),研究人員預計,隨著傳遞技術持續精進,日後將可研發出一種CRISPR輸送帶,只需點幾下滑鼠,醫生就能為患有遺傳重症的兒童設計基因編輯療法,包括罕見到沒有公司願意接手的免疫缺陷。「我的領域已經有這股趨勢。我們能夠迅速利用人類遺傳學,編輯範圍未來會迅速擴大。」任職於該研究所的烏諾夫說:「我們現在就已經知道──不是2124年,是2024年──我們可以為全球生產足夠的CRISPR。我真心認為,打針來編輯基因的概念會愈來愈普遍。後續必定浮現的問題是,如何公平分配這些資源。」

基因編輯療法現階段複雜又昂貴,只有富裕國家的病患才有機會接受治療。第一個獲得美國食品藥物管理局(FDA)核准的基因編輯治療用於鐮形血球貧血症,要價逾200萬美元,而且需要長時間住院。儘管非洲是鐮形血球貧血症最盛行的地區,但礙於執行困難,多數非洲國家並不提供這項療法。有鑑於這樣的醫療落差,現在有愈來愈多單位致力於大幅簡化基因編輯,例如蓋茲基金會(Gates Foundation)與美國國家衛生研究院(National Institutes of Health)便共同資助一項計畫,旨在研發出「針劑型」CRISPR,可望擴大相關療法的管道,「人人可得」。類似新冠疫苗的基金編輯工具可能只要1,000美元。蓋茲基金會指出,這項技術預計有助於大規模治療鐮形血球貧血症與HIV,因應未被滿足的醫療需求。為此,該基金會正在考慮將一種抗HIV的基因編輯注入人體骨髓,這正是賀建奎當初想植入胚胎的基因變體。

科學家可以預見莫大的好處,紐約康乃爾大學醫學院(Weill Cornell Medicine)「太空遺傳學家」梅森(Christopher Mason)甚至說這是「分子自由的最後疆界」。梅森使用新型基因編輯工具,能夠暫時開啟或關閉基因。他在實驗室利用這些基因,讓細胞對輻射損傷產生抗性。他說,這項技術對太空人可能有幫助,又或者,一般人可以趁週末做點娛樂性基因微調,例如加強體內的修補基因,為參觀車諾比核電廠做準備。「我真的認為這項技術的用途很令人振奮。」梅森說:「我們可以在基因組鎖定一個點,打開或關閉任何基因的開關,隨心所欲控制它的表徵。」

一旦能輕易將基因編輯工具傳遞到成人體,預計會引發迫切的政策問題,正如當年的CRISPR寶寶爭議一樣。其中一個問題是,是否應該鼓勵基因增強技術,尤其是自由市場的基因組升級。有幾位健康類網紅已經在宣傳一種來自宏都拉斯的基因療法,聲稱可以增加肌肉量,但這項療法尚未獲得美國核准。另一個風險是:如果改變人的DNA變得容易,基因恐怖分子或政府可能在未經對方許可或不知情的情況下行動。這讓人想到,有款皮膚病基因療法被製成乳霜,去年在美國獲准上市,成為第一種塗抹式基因療法(但不是基因編輯工具)。

有些科學家認為,新型傳遞工具有必要維持繁複麻煩,只有專家才能使用,達到生物學版本的「隱晦式安全」(security through obscurity)。「打造基因編輯工具來進行這些改變,不再是只有100人做得到的技術。這項技術已經普及了。」烏諾夫說:「隨著傳遞方式日益改善,要如何監管才好,我不知道。」

在我們的對話中,烏諾夫常會提到那份超能力清單,也就是讓有些人與眾不同的基因變體。有一種基因突變讓人晚上只需要睡眠五小時,卻不會有不良影響。蘇格蘭有位女子因為基因變異,不但感受不到疼痛,而且常常保持愉悅心情,但同時也很健忘。另外還有越野滑雪冠軍曼泰羅塔(Eero Mantyranta)的例子,他在1964年冬季奧運拿下三面獎牌,後來才發現他的紅血球生成素受體(EPO Receptor)基因出現變異,體內的紅血球數量過多。對有意參加「禁藥運動會」(Enhanced Games)的人,這形同是一張參賽藍圖。禁藥運動會是一場以自由意志為出發點而規畫的國際賽事,鼓勵運動員服用提升表現的藥物,雖然遭人批評「遊走犯罪邊緣」,但也有矽谷創投天王提爾(Peter Thiel)等富豪的支持。

這些都是人類基因組的可能發展,而且甚至未必需要編輯胚胎。有些研究人員甚至預期未來會發明一種技術,更新人體DNA就像透過Wi-Fi傳送文件一樣簡單,使得現在的病毒或奈米粒子就跟磁片一樣過時。我問邱奇怎麼看基因編輯技術的長期演變。「發展到最後,人一出生可能就注射一大堆東西,甚至在媽媽肚子裡就打了。」他說:「遺傳改造的優勢你都有,又沒有伴隨而來的缺點。」

這,無非也是一種進化。

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