《自然》七大技术突破，过去一年里它们发展如何 | 年度盘点

▎药明康德内容团队编辑

年初，权威学术期刊《自然》发布了年度技术盘点专辑，预测了七个可能在2022年影响科学发展的突破性技术。转眼间一年已经过去，其中哪些技术已开始崭露头角，又有哪些依旧蓄势待发？在今天的这篇文章中，药明康德内容团队将为读者朋友们做梳理。

AI助力，蛋白质结构生物学迎来突破

01

蛋白质控制着诸多生理活动，其也是药物开发的主流靶点。为了更好地设计药物，研究人员期望能了解蛋白分子的具体结构，以便对药物分子进行更精准的优化。2020年，由DeepMind公司发布的AI算法AlphaFold 2引发了科学界的震动。基于氨基酸序列，该工具能准确地预测蛋白质的3D结构，其精准程度可与常规实验技术解析的3D结构相媲美。其诞生也“解决了生物学50年来的一个重大挑战”。

今年，AI工具在生物医药领域继续闪耀。首先，一款名为ESMFold的工具横空出世，备受关注。与AlphaFold 2不同，这款工具所针对的是蛋白质宇宙中的“暗物质”，即自然界中那些尚不为人们所知的蛋白质。凭借强大的计算能力，它成功预测了超过6亿个蛋白质三维结构，其中包含大量前所未见的结构。这些数据组成了全球首个大规模的宏基因组蛋白质结构图谱，推动着人类对蛋白质结构的理解进入全新时代。

图片来源：123RF

如果说ESMFold是在黑暗的蛋白质宇宙中探寻未知，那么下面这款AI工具可谓是“无中生有”设计蛋白结构，哪怕这些蛋白结构在自然界中并不存在。2022年年末，蛋白人工设计领域的大师David Baker教授与Generate Biomedicines公司各自开发的算法可以按照要求，精准生成自然界中不存在的全新蛋白结构。也就是说，得益于当下AI算法的发展，科学家们能“反其道而行之”，根据功能需求设计某个三维蛋白结构，并据此破译出氨基酸序列，实现蛋白质结构的“定制化”。

除此之外，David Baker教授团队还利用其开发的Rosetta程序，从头设计可结合目标蛋白的蛋白药物。今年8月的《细胞》杂志上，研究人员们利用AI技术平台精准地从头设计出能够穿过细胞膜的大环多肽分子，开辟了设计全新口服药物的新途径。同时，Baker教授团队成员联合创建的初创公司Vilya也正式亮相，并从著名风投机构ARCH Venture Partners获得5000万美元A轮融资。利用这一技术，跳过高通量筛选、直接合成候选药物的策略不再遥不可及！

在聚光灯外，AI算法还在其他疾病防治的实际场景中得到了应用。譬如在疟疾疫苗的开发中，AlphaFold 2成功破解疟原虫关键蛋白的结构，为疟疾疫苗的研制奠定了基础。运用AlphaFold 2，研究人员们还发现了轮状病毒衣壳蛋白的折叠情况不同，会导致感染力的差异，为人们了解轮状病毒感染宿主的具体分子机制提供了新证据。

基因组精准调控迈入临床，蓄势腾飞

02

人类基因组是一套复杂而精细的系统，DNA序列一旦发生变化，就可能会导致遗传性疾病的发生。由于人们以往无法对基因组DNA序列进行修复更正，对于这类疾病的治疗仅限于症状缓解，无法彻底根治。而随着基因编辑技术的出现，这一困境迎来了新的解决方案。近期，为了解决现有基因编辑技术的瓶颈，不少研究者正致力于开发可以在单碱基精度上对基因组进行编辑的技术，其中的翘楚当属先导编辑（prime editing）和单碱基编辑（base editing）。如今，2022已接近尾声，这两项技术已正式走入生物医药产业，蓄势腾飞。

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简单来说，先导编辑所采用的是“搜索-替换”策略。利用一种被称为“pegRNA”的特殊指导RNA（gRNA）通过逆转录生成的序列来替换掉基因组中待更正的序列。基于这一策略，先导编辑法有着极大的应用潜力，其适用于所有单碱基替换的场景，并且还可以做到DNA片段的插入和删除。由于在编辑过程中不会引起DNA双链的断裂，与传统的CRISPR-Cas9系统相比，先导编辑系统并不需要借助同源定向修复（HDR）机制来进行基因编辑，因而显著提升了编辑效率和准确性。

先导编辑领域的产业化程度也在不断加深。2021年7月，基于先导编辑技术的科技公司Prime Medicine完成了数额为3.15亿美元的融资，旨在利用其独有的先导编辑技术为患者带来终身性的治愈疗法。作为先导编辑领域备受关注的新锐，Prime Medicine公司的总裁兼首席执行官Keith Gottesdiener博士将出席2023药明康德全球论坛，为基因编辑疗法的未来提供前沿洞见和崭新思路。

作为另一款备受关注的精准基因编辑工具，单碱基编辑技术可以将基因组特定位置的单个碱基换成其它碱基，它同样不会造成DNA双链断裂，因此可以减少基因编辑过程中的风险。

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随着研究的加速，碱基编辑技术逐渐步入临床。Verve Therapeutics公司将体内单碱基编辑疗法首次推进至临床开发，完成首位患者给药，用以治疗杂合子家族性高胆固醇血症。此外，Beam Therapeutics公司的一款基于单碱基编辑的“现货型”CAR-T细胞疗法也已获准开启临床试验。

更令人欣喜的是，这一技术在今年已经实实在在地造福到了患者。不久前，通过将单碱基编辑技术与CAR-T疗法相结合，一名患有T细胞急性淋巴细胞白血病，原本已无药可用的小女孩重获新生！这名幸运的小患者在接受治疗仅28天后，病情就有了极大的缓解，并且已保持半年以上没有复发。

随着技术的进步不断地在拓展医学的边界，我们相信这些基因组精准调控技术的未来会让更多患者“绝处逢生”。

精准靶向递送：基因疗法的新未来

03

今年是基因疗法取得爆发的一年，有多款基因疗法迎来全球首批。在临床上逐渐扩大影响之际，基因疗法的递送难点也限制了它们的应用。相比于小分子药物，作为基因疗法主体的核酸分子稳定性差，容易被降解，组织渗透性和细胞利用度不佳，即使进入体内后也很难到达目标组织和器官发挥作用。

为最大程度地发挥基因疗法的临床潜力，研究者正在开发新的给药策略，既能把核酸药物准确递送到靶组织中，同时避免对非目标器官的影响，其中代表性的递送技术包括病毒类载体，如腺相关病毒（AAV）载体和慢病毒载体等，以及非病毒性的脂质纳米颗粒（LNP）。作为推动基因治疗领域的发展的关键，这一年来，核酸药物递送技术有着多个重要进展。

在病毒载体方面，AAV依旧是生物技术公司的主要关注对象。经过一年的发展，AAV载体技术得到了很大的提升，其组织特异性不断提高，可以针对特定组织实现精准递送。以AAVHSC16载体为例，由于其病毒衣壳独特的氨基酸结构，这款载体在临床前研究中可以准确将载荷递送到大脑、心脏和肌肉组织中，同时避免靶向肝脏的药物递送。此外，一些能够突破血脑屏障将药物递送到中枢神经系统的创新AAV载体也在今年涌现，并且吸引了诺华、辉瑞等知名药企的关注，与传统AAV载体相比，它们在中枢神经系统中表现出更高和更广泛的基因表达。

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一些新锐公司也在尝试开发其他类型的病毒载体，以期为精准基因递送提供更多选择。比如Carbon Biosciences公司，其利用细小病毒（parvovirus）开发了创新载体，这种载体天然具有靶向特定组织的能力，故而具有更高的组织特异性。另一值得关注的病毒载体是单纯疱疹病毒（HSV）载体。这是一种DNA病毒，经改造后能在肿瘤细胞中特异性复制并且裂解肿瘤细胞，而且可以将调控肿瘤微环境的转基因递送到肿瘤细胞，以增强CAR-T细胞的抗肿瘤效力。今年一项CAR-T疗法和基于HSV的溶瘤病毒联合治疗复发性胶质母细胞瘤的1期试验宣布启动，为这种治疗方案的未来临床应用提供研究依据。

在病毒载体之外，非病毒载体同样也取得了不凡的进展。当下，对LNP进行修饰来提升其组织特异性仍是行业内实现精准递送的主要策略，多家公司围绕LNP的优化发力布局。今年5月，星锐医药（Starna Therapeutics）完成1.5亿元融资，其靶向LNPs递送技术可将mRNA精准递送至肺、脾、肝、肌肉等病灶部位，本轮融资所募集的资金将被用于进一步完善其肝外递送技术。6月，ReCode Therapeutics公司在融资中筹集了2亿美元以扩展其技术平台和管线，该公司的技术特点在于其器官选择性LNP靶向递送系统，通过在配方中加入具有不同生化特征的脂质，帮助身体将LNPs精确递送到靶标器官，并且具有不被肝脏吸收的能力。8月，一家致力于开发精准基因递送平台技术的生物医药公司Vector BioPharma正式亮相，其技术平台通过对病毒样颗粒表面进行修饰使其靶向不同抗原，从而将基因精准递送到表达特定抗原的组织或细胞中。

在行业进展之外，LNP递送技术的基础研究领域也传来喜讯。年初《美国国家科学院院刊》（PNAS）报道了一种可以向肺部组织精准递送mRNA的LNP，研究者通过对其脂质分子结构进行修饰，在小鼠模型中显著增强了LNP对于肺部的选择性。

除了载体形式的创新，新型非病毒载体递送技术也正蓄势待发。超声引导的非病毒性基因疗法新秀SonoThera公司的创新递送技术在今年大放异彩，吸引了顶尖风投机构的目光并收获6千万美元投资。其技术利用微小气泡介导的生物物理过程——当利用超声波震破细胞环境中的微小气泡时，其释放出的力量可以在细胞膜上打出暂时性的小孔，促进目的基因的递送。这一技术可以非侵入性地将多种类型和大小的核酸载荷选择性递送到体内的不同器官中，无需病毒载体的参与，在保有良好组织特异性的同时规避了潜在的免疫原性问题。

展望未来，这些创新基因递送技术如果顺利转化为临床应用，将为更多患有遗传性疾病的患者们提供全新的治疗方案。相信随着技术的发展，未来遗传病患者实现“一次治疗，终身获益”不再是梦想。

值得一提的是，除了上述3类前沿技术之外，《自然》杂志在本年度的值得关注的技术榜单中还提到了首个完整、无间隙人类基因组图谱T2T-CHM13，量子模拟，空间多组学，以及基于CRISPR的诊断技术等四个技术，这些技术在2022年也取得了诸多进展，由于篇幅有限，本文不再一一介绍。我们也期待在未来见证这些技术的发展与应用，让更多科研成果转化为造福患者的疗法。

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参考资料（可上下滑动查看）：

[1] What's next for AlphaFold and the AI protein-folding revolution，Retrieved Dec 16th，2022，from https://www.nature.com/articles/d41586-022-00997-5

[2] Alphabet’s AI predicted the structure of 200 million proteins. Can it really speed up drug discovery?  Retrieved Dec 16th，2022，from https://www.statnews.com/2022/10/13/can-alphabet-alphafold-really-speed-up-drug-discovery/

[3] What does AlphaFold mean for drug discovery? Retrieved Dec 16th，2022， from http://nmg.wor1dbwvwvvrrnm.top/rwt/30/https/P75YPLUPMF4HK6UFF3SX85B/articles/d41573-021-00161-0

[4] AlphaFold’s new rival? Meta AI predicts shape of 600 million proteins，Retrieved Dec 16th，2022， from https://www.nature.com/articles/d41586-022-03539-1

[5] Scientists are finally learning how to design proteins from scratch. Drug development may never be the same. Retrieved Dec 16th, 2022，from https://endpts.com/scientists-are-finally-learning-how-to-design-proteins-from-scratch-drug-development-may-never-be-the-same/

[6] Generate Biomedicines Uses AI to Create Proteins That Have Never Existed. Retrieved December 16th, 2022, from https://www.businesswire.com/news/home/20221201005267/en/Generate-Biomedicines-Uses-AI-to-Create-Proteins-That-Have-Never-Existed

[7] David Baker’s lab and ARCH sprout Lord of the Rings-inspired macrocycle biotech. Retrieved Dec 16th , 2022, from https://endpts.com/david-bakers-lab-and-arch-sprout-lord-of-the-rings-inspired-macrocycle-biotech/

[8] Bhardwaj et al., (2022). Accurate de novo design of membrane-traversing macrocycles. Cell, https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.019

[9] Vilya Launches to Design a New Transformational Class of Medicines That Precisely Target Disease Biology，Retrieved Dec 16th , 2022, from https://www.businesswire.com/news/home/20220829005088/en/Vilya-Launches-to-Design-a-New-Transformational-Class-of-Medicines-That-Precisely-Target-Disease-Biology

[10] AI is helping Matthew Higgins and his team develop a vaccine that could dismantle the malaria parasite’s ability to infect humans, potentially saving hundreds of thousands of lives every year，Retrieved Dec 16th from https://unfolded.deepmind.com/stories/matthew-higgins-is-unlocking-a-new-path-to-stop-malaria-in-its-tracks

[11] Gupta, Meghna et al. “CryoEM and AI reveal a structure of SARS-CoV-2 Nsp2, a multifunctional protein involved in key host processes.” bioRxiv : the preprint server for biology 2021.05.10.443524. 11 May. 2021, doi:10.1101/2021.05.10.443524. Preprint. Beam Therapeutics Announces FDA Has Lifted the Clinical Hold on the Investigational New Drug Application for BEAM-201，Retrieved Dec 16th from https://investors.beamtx.com/news-releases/news-release-details/beam-therapeutics-announces-fda-has-lifted-clinical-hold

[12] Prime Medicine Launches with $315 Million Financing to Deliver on the Promise of Prime Editing. Retrieved Dec 16th , 2022, from https://www.prnewswire.com/news-releases/prime-medicine-launches-with-315-million-financing-to-deliver-on-the-promise-of-prime-editing-301332085.html

[13] Apellis and Beam Therapeutics Enter Exclusive Research Collaboration to Apply Base Editing to Discover Novel Therapies for Complement-Driven Diseases. Retrieved Dec 16th, 2022, from https://investors.apellis.com/news-releases/news-release-details/apellis-and-beam-therapeutics-enter-exclusive-research

[14] Base editing: Revolutionary therapy clears girl's incurable cancer. Retrieved Dec 16th, 2022, from https://www.bbc.com/news/health-63859184 

[15] Homology Medicines Announces Peer-Reviewed Publication on Novel Discovery of AAVHSC with Robust Distribution to the Central Nervous System and Peripheral Organs with Low Affinity for the Liver, . Retrieved Dec 16th, 2022, from https://homologymedicines.com/news-story/homology-medicines-announces-peer-reviewed-publication-on-novel-discovery-of-aavhsc-with-robust-distribution-to-the-central-nervous-system-and-peripheral-organs-with-low-affinity-for-the-liver

[16] Voyager Therapeutics Announces License Option Agreement with Novartis for Target-Specific Access to Next-Generation TRACER™ AAV Capsids for Gene Therapy Programs. Retrieved Dec 16th, 2022, from https://ir.voyagertherapeutics.com/news-releases/news-release-details/voyager-therapeutics-announces-license-option-agreement-novartis

[17] Voyager Therapeutics Announces Pfizer License of Next-Generation AAV Capsid for Rare Neurologic Disease Target. Retrieved Dec 16th, 2022, from https://ir.voyagertherapeutics.com/news-releases/news-release-details/voyager-therapeutics-announces-pfizer-license-next-generation

[18] Carbon Biosciences Launches with $38 Million Series A Financing to Advance Novel Gene Therapy Platform and Pipeline. Retrieved Dec 16th, 2022, from  https://www.businesswire.com/news/home/20220621005289/en

[19] Mustang Bio Announces a Phase 1 Clinical Trial Combining MB-101 (IL13Rα2‐targeted CAR T cell therapy) and MB-108 (C134 oncolytic virus) for the Treatment of Glioblastoma. Retrieved Dec 16th, 2022, from https://ir.mustangbio.com/news-events/press-releases/detail/137/mustang-bio-announces-a-phase-1-clinical-trial-combining

[20] 码刻 | 「星锐医药」宣布完成1.5亿元A轮融资 源码参投. Retrieved Dec 16th, 2022, from https://mp.weixin.qq.com/s/W1EYNvDuBwu-1FWN5E186Q

[21] ReCode Therapeutics to Expand Next-Generation Delivery Platform and Diversify Genetic Medicines Pipeline with Oversubscribed Series B Financing Totaling $200M. . Retrieved Dec 16th, 2022, from https://www.businesswire.com/news/home/20220629005119/en

[22] Versant Ventures Launches Vector BioPharma AG. . Retrieved Dec 16th, 2022, from https://www.businesswire.com/news/home/20220810005124/en/Versant-Ventures-Launches-Vector-BioPharma-AG

[23] Targeting gene therapy directly into the lungs. Retrieved Dec 16th, 2022, from https://medicalxpress.com/news/2022-02-gene-therapy-lungs.html

[24] SonoThera™ Completes $60.75M Series A Funding for Ultrasound-Guided, Nonviral Gene Therapy Platform Development. Retrieved Dec 16th, 2022, from https://www.businesswire.com/news/home/20221205005008/en/SonoThera%E2%84%A2-Completes-60.75M-Series-A-Funding-for-Ultrasound-Guided-Nonviral-Gene-Therapy-Platform-Development

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