人类基因组中大约有25 000个编码蛋白质的基因，许多遗传性疾病是由某个基因突变造成的。迄今为止已经发现的因突变引起的单基因遗传病多达6 000种以上。携有这类突变基因的患者由于疾病相关基因的突变失活，导致代谢紊乱或病理变化，严重的甚至危及生命。对于绝大多数遗传病来讲，一般的临床手段都难以奏效。临床上最常用的治疗方法是将患者因突变而丧失的蛋白质补入体内，例如为血友病患者输入适量所缺的凝血因子就可以缓解症状。但是，像凝血因子这样的蛋白质在人体内的生物半衰期相当短，所以患者在整个生存期内必须周期性地反复接受凝血因子注射，其中的痛苦和风险实在是常人难以想象的。那么，能不能为患者植入相应的正常基因来编码他（她）所缺乏的蛋白质，从而达到根治疾病的目的呢？这就是通过转基因技术来治疗遗传病的最初想法。20世纪60年代诺贝尔奖获得者塔特姆明确提出了在基因水平纠正突变造成的缺陷来根治遗传病的思想，并设计了用病毒包裹的功能基因转染的方法来矫治体外培养的患者细胞，再回输体内的体外/体内基因治疗（ex vivogene therapy）技术路线。
体外/体内基因治疗是先通过对体外培养患者的靶细胞的遗传学改造，再将经过改造的细胞来实现基因治疗。一般先将需要矫正致病基因的治疗基因插入工具病毒的基因组，再感染从患者身上获取的靶细胞。当被转染的靶细胞被治疗基因矫正并形成适当的细胞群时，就回输至患者体内，这些细胞就会在体内表达插入基因编码的，也就是患者所需要的蛋白质。
与此相对应的另一种技术路线是体内基因治疗（in vivogene therapy），也就是通过细胞特异性导向注射直接把整合了治疗用DNA片段的分子导入患者体内需要矫治的靶组织。采用脂质体包裹治疗DNA分子可能更有利于细胞特异性受体介导的靶向治疗。一旦整合了治疗用DNA的细胞进入体内参入了特异性靶组织，并编码表达所需的蛋白质，就可产生治疗作用。
我们知道利用转基因和基因打靶技术可以建立人类遗传病的动物模型。模拟特定基因突变的小鼠模型，可以展现由该基因突变而造成的遗传病的病理变化进程，显示出一系列与患者的症状相似的特征性表型。因此，通过转基因及其相关技术构建的疾病动物模型是遗传病基因治疗实验研究的最佳工具。
在世界各地多个研究单位和大学附属研究性教学医院的大量实验工作基础上，1990年11月，美国国立卫生研究院（NIH）的W.安德森（W.F.Anderson）等开始了世界上首例基因治疗临床实验。接受治疗的患者是因腺苷脱氨酶（adenosine deaminase，ADA）缺乏而罹患重症联合免疫缺陷症的4岁女孩黛丝尔娃（A.De Silva）。W.安德森研究组先在体外培养从女孩体内获得的淋巴细胞，再将培养的细胞与携有ADA基因的逆病毒一起孵育。通过逆病毒的介导，将ADA基因转入活化的淋巴细胞。随后将已转化的淋巴细胞输回患者体内。这些淋巴细胞能在患者体内复制增殖，并具有合成腺苷脱氨酶的功能。经过基因治疗的病孩免疫能力明显提高，开始了正常的生活，实验达到了预期的目的。
W.安德森等的成功推动了基因治疗相关的基础和临床研究，基因治疗临床实验涉及的病种和基因日益增多。基因治疗临床实验的初步成功，经过各种新闻媒体的宣传，在社会上形成了对基因治疗能治愈人类痼疾的过高期望。许多商业机构纷纷介入这个新兴的、还处于萌芽期的领域。美国的私人财团对基因治疗的投入已超过政府的专项基金。在巨大的经济利益驱动下，相当一部分基因治疗研究过早地从实验室转入临床实验。尤其是基因治疗所用的目标基因载体及其导入系统研究和外源基因整合于基因组的机制研究的相对滞后，使基因治疗的临床实验潜伏着危机。
图9-9 基因治疗的两种基本途径示意（改自gene therapy.yolasite.com网）
（a）体外/体内基因治疗途径；（b）体内基因治疗途径
1999年，美国亚利桑那州的一位名叫盖尔辛格（J.Gelsinger）的18岁青年因鸟氨酸转氨甲酰酶（ornithine carbamoyl transferase，OCT）缺乏导致尿素代谢障碍，在宾夕法尼亚大学的人类基因治疗中心接受以腺病毒为载体的OCT基因治疗后第4天不幸死亡，成为在基因治疗临床Ⅰ期实验中死亡的第一位患者。2003年费希尔（A.Fischer）等宣布，10位患有X染色体连锁重症联合免疫缺陷症（SCID）的儿童在法国接受以逆病毒为载体的基因治疗，其中有2位在治疗后的1个月和3个月分别出现类似白血病的并发症。分析表明这次事故是在基因治疗中所用的外源基因整合于染色体的过程中，插入到了促癌基因LMOZ的邻近区段导致癌基因活化所造成的。与盖尔辛格的情况不同，在法国的临床实验中，患者都获得了完整的潜在危险信息并签署了知情同意书。基因治疗造成的这一系列严重的医疗事故，使人们更加多地从安全性角度来考虑基因治疗的伦理问题。实际上，已经开展的基因治疗都只是在体细胞水平进行的，并不涉及人类种系遗传物质的修饰与改造，而遗传操作一旦涉及人类生殖系细胞的基因组，将会产生更加深刻的伦理、道德和法律问题。
干细胞移植在医学中的应用已有很长的历史，最突出的是骨髓移植。然而，真正引起学术界和公众对干细胞关注的科学事件是多莉羊克隆的成功和小鼠胚胎干细胞分离成功，以及随后灵长类动物的胚胎干细胞和人的胚胎干细胞分离成功。胚胎干细胞有两个重要特性：一是几乎无限的增殖与自我更新能力；二是向各种组织分化的发育全能性。正是这两大特性使ES细胞具有分化为特定的细胞或组织并应用于临床上的组织再生和器官移植的潜在可能。但是，要把这种可能性变为现实的前提是，阐明干细胞维持发育全能性和向特定细胞群分化的分子机制，也就是干细胞命运决定的分子调控网络。
2000年以来陆续有人报道过从人的ES细胞培养物衍生得到了血细胞、心肌细胞、内皮细胞、神经上皮细胞等细胞。然而，这些报道实质上只是在体外培养条件下，让ES细胞向各种可能类型的细胞随机分化，并在此基础上通过培养基组分的改变来提高某种类型细胞在培养细胞群中的比例，这是一种特定细胞的富集，并不是真正意义上的定向诱导分化。尽管ES细胞在再生医学与细胞替代疗法中的巨大潜能不容忽视，真正实现人ES细胞定向分化并应用于临床还是我们在今后一段时间内面临的艰巨任务。
当然，人胚胎干细胞的应用必然会因干细胞来源引发一系列伦理和法律问题。最近几年，有关成体干细胞（adult stem cell，AS细胞）和介于ES细胞和AS细胞之间的胎儿干细胞（fatal stem cell，FS细胞）的基础与应用研究，特别是诱导干细胞的出现几乎为彻底排除人胚胎干细胞的伦理困惑创造了条件。
2013年，英国和美国科学家应用合成生物学技术，合作构建了一种每个细胞都携带了人的人工染色体（human artificial chromosome，HAC）的遗传工程小鼠，为遗传病的基因治疗提供了全新的途径。该技术的关键是利用酵母的染色体组件构建插入了能纠正遗传缺陷的正常基因的HAC，然而将其导入由患者的皮肤细胞诱导而来的干细胞后，再移植回患者体内，以校正遗传缺陷。联合课题组负责人库佩瑞纳（N.Kouprina）强调，研究目的是把HAC作为某种穿梭载体（shuttle vector）将基因输入人体细胞，以便研究基因在人体细胞中的功能。因为大多数遗传病起因于基因突变或染色体畸变，HAC就可能校正基因水平和染色体水平的遗传病。因为人体细胞的正常染色体数目是46，所以这个额外染色体也可称为人的47号染色体。HAC的最大优点是它在基因治疗过程中不会像常规基因治疗中额外基因常常会随机插入人基因组而干扰其他46条染色体行使功能。至于HAC会不会有副作用这个问题，还有待进一步研究。无论如何，这项研究是遗传病的基因治疗的重要进展。
1999年5月，笔者曾与美国科学院院士、著名的人类群体遗传学家尼尔有过一次关于遗传病的基因治疗问题的对话。尼尔教授认为不应该进行遗传病的基因治疗，理由是基因治疗是在体细胞水平补偿致病基因所丧失的功能，并没有改变生殖系的基因结构。然而，基因治疗会使相当一部分患者或致病基因的携带者的生命延长到生育年龄。这样，致病基因就会有更多的机会传至下一个世代的人类基因库，从而增加致病的等位基因在群体中的频率，打破群体基因库的平衡，也会因此加重群体的遗传负荷（genetic load），这对整个人类的未来是不利的。笔者随即提出，基因治疗实在是不可避免的。当人们拥有某种可用来拯救患者生命的技术（这里指的是基因治疗技术）时，作为医生是不能在患者或患者家属知情同意的前提下拒绝应用这种技术的。因为医生面对的是患者，他要对患者的健康和生命负责，他几乎不会想到要为此而产生的群体遗传效果负责。况且，在目前条件下，绝大多数医生或许并不具备萌生这种责任感的知识。如果进一步思考，迄今所有的医疗技术都有可能直接或间接地改变群体中某些疾病相关基因的频率。实际上，人类文明的发展，例如火的使用和饮食习性的改变，是不是也会或多或少，直接间接地影响人类群体的基因库组成呢？然而，尼尔作为人类群体遗传学家还是对基因治疗给人类未来可能带来的负面影响表达了深深的伦理忧思，也触及由科学与技术发展所引发的一系列伦理问题的本质和核心。
图9-10 通过将人工染色体导入诱导干细胞进行体细胞水平基因治疗的新途径（改自Admin）
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