马里兰州贝塞斯达国家卫生研究院七楼的肺科病房看起来很像普通的医院病房。但如果你看向7S-255房间的门上方，你会看到一些不寻常的管道；门旁边你会看到一个压力计。这个房间经过改造，使内部压力低于建筑物其他部分的压力。空气可以轻易流入房间，但只能通过一系列过滤器排出，这些过滤器甚至能捕获最小的漂浮病毒。
1993年4月18日星期日，在这个房间里，肺科专家罗恩·克里斯特尔和他在国立卫生研究院的同事们将一种病毒滴入了患有囊性纤维化的人的肺部。这种病毒携带的是CF患者基因缺陷的正常版本；研究人员希望这种病毒能够感染肺部细胞并释放出新基因，而新基因反过来可以通过纠正其遗传缺陷来治愈细胞。过滤器和管道到位是为了确保没有其他人接触到这些经过基因改造的病原体。“这非常像尼尔·阿姆斯特朗和他的同事们从月球返回，”克里斯特尔回忆道。
通过这项实验，研究人员迈出了第一步，尽管是初步的，将基因疗法带给了这些病重的人。在测试的早期阶段，科学家们更关心证明疗法的安全性，而不是证明它能治愈。这需要等到接下来的几轮。但尽管实验远未结束，其结果也远未明朗，但它已经被认为是迄今为止最重要的基因疗法实验之一。
基因疗法是过去十年分子生物学研究爆炸式发展中最大的潜在回报之一。然而，到目前为止，它的宣传远远超过了它的成就。1990年9月，国立卫生研究院的研究人员进行了首次基因疗法实验，对象是一名患有罕见但致命的免疫系统疾病——重症联合免疫缺陷症（SCID）的年轻女孩。他们从孩子身上取血，然后培养她的白细胞，这些白细胞在基因上无法产生一种关键酶；接下来他们将新基因插入白细胞中；最后他们将她自己的、经过修饰的细胞输回患者体内。这个过程需要数周的劳动，更不用说成千上万的美元，来治疗一名患者，一次。从那时起，针对其他18种疾病的实验已经开始。然而，到目前为止，没有一项实验取得了完全治愈。
克里斯特尔和其他CF研究人员认为，他们的策略可能最终使基因疗法达到这一目标。首先，它劳动强度小得多：病毒完成了将基因输送到细胞的所有工作，并且速度很快；其他疗法则需要至少取出一些细胞并进行培养，以便将基因植入其中。新方法也很简单。研究人员只需将含有基因改造病毒的液体滴入患者肺部。如果该技术有效，该过程有朝一日可以在医生的办公室甚至患者家中进行。
囊性纤维化是美国最常见的致命遗传性疾病。该国约有30,000人遗传了两个缺陷的CF基因副本，因此患有该疾病；约有1/20的美国人只有一个基因副本，是该疾病的携带者。
囊性纤维化患者有各种各样的健康问题，但最严重的是肺部粘液积聚。粘液是细菌的完美滋生地，CF患者特别容易受到呼吸道感染。粘液和感染会导致肺部炎症；随着时间的推移，肺组织失去弹性，其微小的气囊越来越无法从空气中提取氧气。CF患者的平均寿命是29岁。
凯伦·费里23岁。尽管她在出生后不久就被诊断出患有囊性纤维化，但她的呼吸问题直到12岁才开始。有些囊性纤维化患者就是这么幸运。但是当问题袭来时，它们来势汹汹。在整个青春期，她每天花费三到四个小时敲击自己的胸部以分解浓稠的粘液，然后吸入含有药物的雾气，这些药物旨在打开气道并使更多氧气进入她的血液。然后是更多的敲击和更多的吸入。即便如此，她每年仍会因需要静脉注射抗生素的感染而多次住院。
她病得很重，无法定期在奥兰多佛罗里达州以外的温特公园高中上课，所以她通过居家学习项目毕业——她喜欢指出，她在班上名列前茅。然后是大学。必须是附近有良好CF中心的大学，北卡罗来纳大学符合要求。“我与我的医生达成了协议，”她说。“他们会给我一张通行证，这样我就可以去上课，然后我再回来。”
然而，囊性纤维化正在侵蚀她的肺部。她走到哪里都拖着一个氧气瓶。去年夏天，凯伦已接近生命的尽头。她的肺几乎完全停止了功能。9月16日，在等待了14个月的移植手术后，凯伦获得了一对新肺，以及新的生命机会。她很幸运：大多数囊性纤维化患者将永远得不到她的机会，因为根本没有足够的肺可供移植。
直到最近，研究人员才开始了解凯伦的疾病。囊性纤维化过去是——现在仍然是——一种有些神秘的疾病。它不仅影响肺部，还影响许多其他器官。在胰腺中，通常通过消化酶流动的微小导管被分泌物堵塞；因此，囊性纤维化患者常常注定一生需要补充酶来消化食物。在肝脏中，分泌物可以堵塞导管并导致器官衰竭。几乎所有患有囊性纤维化的男性都因其输精管——输精管——阻塞而无法生育。“很难理解缺陷可能是什么，”爱荷华大学医学院囊性纤维化研究员迈克尔·威尔士说。“什么样的遗传病会涉及胰腺、肺部和男性生殖道？”
威尔士问题的答案是，所有这些器官都有一个共同点：它们都依赖于一种叫做上皮的组织。“上皮的一个关键特征是它是一层细胞，”威尔士说，“它可以分隔不同的腔室。所以在气道中，上皮将空气侧与你体内分隔开。在肠道中，它将粪便与你身体的其他部分分隔开。在胰腺中，它提供胰液流过的微小管道。”
但上皮组织出了什么问题？找到答案费了大量心血。字面意思就是“汗水”。研究人员知道CF患者的汗液异常：CF婴儿的父母提到，亲吻孩子时，孩子尝起来是咸的。20世纪80年代的一系列实验表明，问题出在水和盐离子——尤其是氯离子——穿过上皮细胞膜的机制上。根据假设，在汗腺中，氯离子没有被细胞正确地重吸收；因此皮肤尝起来是咸的。在肺部和其余器官中，问题似乎是太少的离子从细胞中逸出。细胞外离子的浓度有助于决定进出水的量：如果细胞外浓缩了大量离子，水应该会涌出以稀释它们。但如果离子太少，水就会留在细胞内，器官的正常分泌物就会变得粘稠和脱水。“如果氯离子转运有缺陷，所有这些器官分泌的液体都可能异常，并可能导致功能障碍，”威尔士说。“显然汗液中氯离子过多，胰腺分泌物浓稠粘腻，你会出现堵塞和胰腺衰竭；男性生殖道会出现输精管衰竭，并且由于同样的过程，你会患上肺部疾病。”
一旦他们知道自己正在处理氯离子转运问题，研究人员就开始研究允许离子穿过细胞膜的细胞机制。问题在于某种主动离子泵，还是某种更被动的离子通道？唯一知道的方法是找到控制这些转运机制的缺陷基因。
到了20世纪80年代中期，这项研究已经全面展开。经过几年努力，1989年9月，由密歇根大学的弗朗西斯·柯林斯以及多伦多大学的蔡立志和杰克·里尔丹领导的团队终于捕获了CF基因。它位于7号染色体的中央。研究人员将其发现的基因所产生的蛋白质命名为囊性纤维化跨膜传导调节因子（简称CFTR），因为他们知道它可能与物质从细胞膜的一侧运到另一侧有关。但这种蛋白质到底长什么样？它的结构是什么？它的功能是什么？
威尔士确信这种蛋白质是一种氯离子转运通道。“当时争议很大，”他回忆道，“因为，至少从氨基酸序列上看，CFTR不像任何其他通道。”直到今天，氯离子通道的问题究竟如何导致CF患者的全部痛苦仍不清楚。但威尔士确信，通过纠正这一缺陷，他可以恢复细胞内正常的离子流。他开始在实验室培养皿中，将正常版本的CF基因插入从CF患者身上提取的人肺细胞核中。随着细胞生长和分裂，离子浓度趋于稳定：细胞的遗传机制正在利用正常基因制造健康的氯离子通道。“这真的令人满意，”威尔士说。“它将分子缺陷与我们正在进行的生理学研究联系起来。”
它还表明，通过修复基因问题，你可能会修复生理问题——这是基因疗法背后的基本概念。而对于囊性纤维化来说，这应该相对容易。“你不需要表达很多CF蛋白质就能纠正细胞，”理查德·布彻指出，他负责北卡罗来纳大学的CF基因治疗中心，该中心是全国九个由NIH资助的CF基因治疗中心之一。基因治疗师面临的最大问题是如何将足够数量的正常基因蛋白质输送到需要它的地方。“相比之下，”布彻说，“对于CF细胞，你可能每个细胞只需要10到100个CFTR分子就能完全恢复该细胞类型的功能。因此，相对效率不高的系统也有机会发挥作用。”
但是，你如何将基因植入体内数十亿细胞中的一小部分——比如说，那些排列在肺部气道中的细胞内？又具体将其放置在每个细胞的哪个位置？
“对于CF的肺部基因转移有两种思路，”布彻说。第一种是所谓的整合基因转移，其中制造正常蛋白质的DNA直接插入染色体——理想情况下，插入缺陷基因所在的位置——并允许其定居。然后，当细胞分裂时，纠正后的基因应该会传递给子细胞。但是肺上皮细胞会在几个月后死亡并脱落，因此，为了使整合策略终生纠正问题，它必须以某种方式靶向于上皮的干细胞——本质上是不朽的细胞，它们产生新的上皮。
将基因植入正确的细胞和细胞中的正确位置是最终目标。但以今天的技术而言，这还不可能。首先，当你将基因直接插入人类染色体时，几乎不可能知道它会落在哪里。“我们担心的是，”威尔士说，“它会落在癌基因旁边并将其激活，或者它会落在肿瘤抑制基因中间并将其关闭。”这些可能性都会引发一系列可能导致癌症的事件。“那将是个糟糕的结果。”
这就是为什么研究人员正在接受不那么理想的方法：一种暂时性的修复，基因被转移到细胞核中，但没有进入染色体。在这种情况下，核机制会读取基因的指令并制造其蛋白质，但基因不会被复制或传递给该细胞的后代。“这就是所谓的瞬时策略，”布彻说，“你只知道它的效果会持续几周到几个月。”
克里斯特尔记得他想出利用这个策略的那一天。那是1989年春天，他在国立卫生研究院临床中心六楼的办公室里，接到法国同事安德烈亚·帕维拉尼的电话。帕维拉尼想告诉克里斯特尔他关于一种用于将基因转移到人体内的病毒的研究。这种病毒是腺病毒。
那天下午，克里斯特尔前往岩溪公园进行日常跑步时，思绪又回到了与帕维拉尼的谈话，他开始兴奋起来。“我知道腺病毒会引起呼吸道感染，”他回忆道。他还知道囊性纤维化会影响肺部。“我突然想到，我们也许可以通过将CF基因植入腺病毒来治愈囊性纤维化。”这种病毒会自然感染肺部细胞，一旦进入，它就可以传递正常基因。“病毒的存在是为了自我复制。它们通过感染细胞并接管其遗传机制来做到这一点。因此，病毒是新基因的理想运载工具。”
一旦病毒进入细胞，将基因注入细胞核，并利用细胞酶制造更多自身副本，这些副本就可以继续感染其他细胞。但如果感染人类的病毒一旦进入体内就会疯狂生长，那将是不可行的。因此，克里斯特尔和他的同事制造了一种缺陷病毒。“你取出腺病毒中控制病毒自我复制能力的一部分，”他解释道。这个想法是去除足够的腺病毒基因组，使病毒无法复制——但又不能去除太多以至于它不再具有传染性。“它将遗传信息——在这种情况下是CF基因——带到细胞，带到细胞核，并将其沉积，”克里斯特尔解释道。“它做得很非常非常有效。但它无法自我复制。”
在甚至还没有基因可供转移的几个月前，克里斯特尔就开始着手研制他的理想“送货卡车”。但结果证明，去除病毒复制基因有助于解决CF基因发现时出现的一个问题：起初，正常的CF基因——长达4500个碱基——太大，无法装入病毒中。到1991年秋天，克里斯特尔的实验室已经拥有了一种病毒-基因包裹，它可以将正常基因传递给其感染的细胞，无论是在实验室试管中还是在活体动物体内。
然而，仍然存在安全问题。克里斯特尔和他的同事们花了数小时玩“如果”游戏。如果患者在之前的腺病毒感染中残留了病毒遗传信息——生殖信息——怎么办？那会允许这种失活的病毒再次开始生长吗？如果他们治疗了患者，然后患者感染了偶然存在的腺病毒怎么办？病毒会以某种方式重组吗？如果病毒导致蛋白质产生过多怎么办？那会有害吗？如果病毒进入其他器官怎么办？如果它进入性腺怎么办？如果基因工程病毒设法逃脱患者并感染其他人怎么办？毕竟，正常的腺病毒具有很强的传染性。只要走进一个有人打喷嚏的房间，你就会被感染。“我们想在国立卫生研究院的临床中心感染患者，”克里斯特尔说，“但不想感染贝塞斯达。”
动物实验最终使克里斯特尔和美国食品药品监督管理局确信，即使存在正常腺病毒，这种工程病毒也不会自我复制。似乎也没有因产生过多蛋白质而产生任何有害影响。但唯一能够判断基因工程病毒是否会从人类患者体内逃逸的方法是进行尝试并观察。
1993年4月17日，他们在精心设计的7S-255房间里正是这样做的。他们将经过改造的腺病毒及其正常CF基因轻轻喷入一名患有囊性纤维化的年轻男子的鼻子，并检查他是否对病毒有不良反应。他没有。因此，第二天，他们将一根叫做支气管镜的柔性管插入他的肺部，并滴入病毒基因包。医学史正在被创造，然而整个过程却显得司空见惯。对于病人来说，这只是又一个住院日，只不过晚餐吃的是披萨。
然而，安全测试的原因很快就变得清晰。9月，3号病人——一名女性——接受了迄今为止最高的腺病毒剂量。“病人首先发烧了，”克里斯特尔说。“用阿司匹林或泰诺等常用药物处理。但随后我们也开始看到血压略有下降，我们现在意识到那是肺部炎症。”
她的症状在几天内就消失了，但这对于克里斯特尔和他的团队来说是一个重要的教训。“我们知道我们会在某个时候开始看到毒性，但我们不知道在什么水平，”克里斯特尔说。“我们已经在动物身上使用了高出一百倍甚至一千倍的剂量。因此，这有助于我们确定疗效和毒性之间的窗口。如果你头痛，服用十分之一的阿司匹林而没有消失，那么剂量是无效的。你服用两片阿司匹林，它有效并且你的头痛消失了。如果你服用一百片阿司匹林，那可能是致命的。基因疗法也会发生同样的事情。我们现在正在做的是确定治疗毒性窗口，就像我们对任何药物所做的那样。”
两个月后，克里斯特尔治疗了第四位病人；3号病人的可怕症状没有重演。随后他将实验室搬到了纽约的康奈尔大学医学中心，并开始了新一轮试验。每位患者将接受两次剂量——一次在鼻子，一次在肺部。
其他三个团队——由宾夕法尼亚大学的詹姆斯·威尔逊、北卡罗来纳大学的布彻和爱荷华大学的威尔士领导——也已开始使用改良腺病毒将正常CF基因递送给囊性纤维化患者。每个团队在使腺病毒失活和制造病毒-基因包方面都有略微不同的方法。
威尔士的团队采取了保守的方法，坚持治疗鼻腔上皮。“我们选择鼻腔上皮有三个原因，”他解释道。“首先，它很容易到达。你不需要进行支气管镜检查，这本身可能会带来潜在问题。其次，鼻腔内壁和肺部的组织学和生理学是相同的，最重要的是，CF缺陷也是相同的。第三个选择鼻腔上皮的原因是，这是一个未知的风险；这是一种新方法。我们认为通过选择鼻腔上皮，我们可以将对自愿参与者的任何风险降到最低，同时获得我们前进所需的关键数据。”
威尔士最初的计划只招募了三名受试者：他于去年仲夏开始，到9月底完成。在鼻腔内，并且在他们使用的剂量下，病毒没有产生毒副作用。但更棒的是，威尔士能够证明这种疗法显然达到了预期目的。“我们发现病毒将DNA带入了细胞。最令我们兴奋的是它纠正了功能。”所有三名患者的鼻腔上皮细胞开始以正常健康的水平泵出离子。
尽管研究人员对腺病毒作为基因递送系统的潜力充满热情，但他们也深知其中存在的潜在缺陷。该过程将总是需要重复：例如，肺上皮细胞大约每两到三个月脱落一次，威尔士发现新基因的功效似乎只能持续几周。改良后的病毒在免疫系统看来始终是外来入侵者，因此在反复接触后，患者的免疫系统可能会在病毒递送其载荷之前将其清除。
因此，研究人员正在尝试其他递送系统。在英国和美国，他们正在研究脂质体——一种充满DNA的肥皂泡，它与细胞膜融合，可以将基因递送到细胞核。脂质体的优点是它们不太可能引起炎症或免疫反应。缺点是它们将DNA导入细胞的能力不强。在辛辛那提大学，杰弗里·惠特塞特正在试验将正常CF基因附着到一种叫做表面活性剂的肺蛋白上。医生已经很擅长将表面活性剂导入肺细胞——它们通常被用于早产儿以帮助他们的肺发育。其他团队正在研究通过血液递送基因的方法，希望能够治愈CF患者的所有问题，而不仅仅是呼吸问题。
一些团体仍然坚持使用病毒。几个实验室正在试验腺相关病毒，这是一种可以将DNA永久插入细胞染色体的病毒——这是一种整合方法。研究人员说，正常病毒每次都将DNA插入染色体的相同位置——消除了对激活肿瘤基因的担忧——但到目前为止，当经过修改以携带CF基因时，它似乎失去了这种能力。其他实验室正在测试逆转录病毒——携带RNA而非DNA的病毒——作为将正常CF基因转移给患者的方法。他们目前还没有取得太大成功。
凯伦·费里对所有这些研究都有着浓厚的兴趣。她的新肺功能良好，但她清楚地记得旧肺的感觉。此外，她仍然需要服用酶来帮助消化食物，而且她有朋友正在为生存而奋斗。
所以她决定加入对抗囊性纤维化的斗争。尽管她仍是一名本科生，但她正在布彻的CF中心进行一项研究项目。她正在利用新开发的囊性纤维化小鼠模型，以加速对这种疾病的研究。“我是一个非常有主见的人，”她说。
克里斯特尔认为凯伦新发现的能量方向正确。“你认为我们能治愈囊性纤维化吗？”他问道。“我认为我们绝对能。我无法预测它何时会发生。我无法预测它是否会是我们今天设想的系统。但它一定会发生。”
