IGC2024专访 | 高正宏博士：探索非病毒载体在基因治疗与核酸递送中的新兴应用
IGC2024 | 会前专访系列
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非病毒载体递送无疑是CGT领域最热门的技术方向以及热门话题，在基因编辑、核酸疗法中都有着巨大的开发潜力。非病毒载体由于其免疫原性低、生物相容性好、易于合成和修饰、生产成本低等优点，在临床上得到了广泛的开发和应用。
国际知名的杂志《细胞与基因治疗观察》特邀AskBio生物制药公司的非病毒递送部总监 — 高正宏博士，就基因药物开发中愈发受关注的非病毒递送话题进行了专访对话。此次专访深入探究了将脂质纳米颗粒用于 DNA 和 RNA 药物递送载体相关的前景和挑战。
采访嘉宾：高正宏博士，AskBio生物制药公司，非病毒递送部总监
高正宏博士是专注于创新药物和递送技术开发的科学家。他在顶级学术机构和制药行业拥有十多年的工作经验，一直活跃在生物医学研究的前沿领域，积极推动基础研究和医学转化。研究内容涵盖纳米医学、分子成像、液体活检、医疗设备、基因递送、药物扩散和基因编辑等多个领域。他还参与了多个IND申报，以进行“First-in-human”临床实验。高博士在临床前转化医学方面拥有丰富经验，涉及多种疾病，包括神经退行性疾病、脊髓损伤、中风、慢性疼痛、胃肠肿瘤学和癌症免疫治疗等。多年来，他开创了多项纳米递送技术，以克服中枢神经系统中的生物屏障，改善药物和基因递送。他还开发了几种分子靶向技术，用于早期检测难治性疾病。
目前，高博士担任Asklepios BioPharmaceutical, Inc. 非病毒递送部门的创始总监和部门负责人。他领导的团队，致力于推动基于脂质纳米颗粒递送和基因编辑平台的多项创新药物IND申报。作为项目的主要负责人，他还领导着一个由二十多名科学家、商业和法律专家以及企业高管组成的跨公司合作团队，探索下一代基因递送和重写技术。高博士曾获得多个奖项的认可，包括美国国防部的渐冻症治疗创意奖和欧洲分子生物学会的奖学金。他在《自然纳米技术》、《美国化学会志》、《肠胃学》等顶级期刊上发表了40多篇文章，并多次受邀在国际会议上做邀请报告和主题演讲。他获得了两项美国专利，他的研究成果多次受到《科学》和《自然》期刊的赞誉和报道。高博士毕业于兰州大学物理学院，从东京大学前沿科学与技术研究院获得博士学位。
01
Q
细胞与基因治疗观察
您现在主要从事哪些方面的研究？
A
高正宏博士
我的专业领域是纳米技术及其在生物医学中的应用。我曾在学术界工作过，重点关注利用纳米技术的潜力解决各种生物和医学难题。
目前，我在AskBio生物制药公司担任非病毒递送部总监，带领一支跨学科的优秀团队，致力于开发一种新型的纳米级“星际火箭”平台，用于高效递送RNA和DNA药物。这一平台旨在将基因药物精准递送到特定的组织或细胞类型，推动基因治疗药物开发，以及运用基因编辑手段开发革命性的基因药物。
在加入AskBio之前，我在学术界有着丰富的工作经验，曾在密歇根大学安娜堡分校和德克萨斯大学西南医学中心工作，与多位世界知名的科学家和医生合作。这段时间里，我专注于将尖端的综合分子医学工具应用于早期癌症检测和治疗，涵盖了目标识别、早期发现、临床前验证、转化和“First-in-human”临床试验等多个阶段。
我在药物递送、分子成像、液体活检和医疗器械等多个领域积累了高度跨学科的科学背景和深厚经验。特别是在许多优秀导师、同事和队友的支持下，他发明了用于研究纳米药物在脑细胞外空间扩散的理论和成像技术，以及局域化血脑屏障调控技术用于改善药物在中枢神经系统的递送。这些技术目前正在临床前模型中验证，有希望用于中枢神经系统神经退行性疾病和创伤性损伤的治疗性药物开发。
我对发明创造充满热情，并始终致力于通过开发创新药物为患者带来希望。我坚信，通过不断创新和跨学科合作，纳米技术将在解决生物和医学难题方面发挥越来越重要的作用。
02
Q
细胞与基因治疗观察
AskBio 长期以来一直是 AAV 载体驱动的基因治疗领域领军者。而非病毒递送也是公司的重点研究领域，您能跟我们说说“非病毒递送”缘何越来越受到重视？
A
高正宏博士
在基因治疗领域，腺相关病毒（AAV）被广泛认为是一种有效的递送平台，特别是在特定组织中的应用。美国食品和药物管理局（FDA）已经批准了几种基因治疗药物。然而，尽管AAV在基因递送方面取得了显著成功，它也面临着一些关键的局限性。一个主要的挑战是，由于以前接触过这种病毒的患者会产生针对AAV的中和抗体，这些患者不能再使用AAV进行治疗。
为了克服AAV的免疫原性问题，该领域正在积极探索非病毒递送方法。脂质纳米颗粒（LNPs）是一种值得注意的非病毒递送方法，在新冠病毒疫苗的开发中已取得成功。虽然通过局部肌肉注射重新给药已被证明是可行的，但全身给药带来了更多挑战，不过目前在这方面也正在取得进展。
深入探究其机制，AAV能够高效地运送DNA序列，因为它具有进入细胞核并在脱壳后释放DNA的天然能力。另一方面，LNPs以其有效递送RNA序列而闻名，但由于LNPs体积较大，在递送DNA时面临挑战。LNPs只能到达细胞的细胞质，而不能进入细胞核。要利用LNPs运送DNA，必须对DNA序列进行设计，以提高其进入细胞核的效率，在这方面也取得了重大进展。
“值得注意的是，非病毒递送方法，如脂质纳米颗粒，并不被视为AAV的直接竞争对手。相反，它们作为补充技术，解决了核酸递送的具体挑战。” 非病毒递送方法可以与AAV技术互为补充，共同推动基因治疗的发展。
03
Q
细胞与基因治疗观察
您如何看待LNP技术在基因治疗领域的应用前景?
A
高正宏博士
基因治疗，特别是在体内基因编辑领域，正处于一个充满活力的革新阶段，LNPs用做体内递送载体显示出巨大的潜力。在这种背景下，CRISPR/Cas“分子剪刀”技术与LNP的结合被视为未来基因治疗的重要方向。
CRISPR/Cas系统，特别是化脓性链球菌Cas9（SpCas9），被广泛应用于基因编辑。它可以与向导RNA（gRNA）一起在目标DNA链上通过微小的“分子手术”创造插入位点，从而促进治疗基因的插入（也可称为基因书写）。
当使用AAV递送SpCas9时，它在细胞中提供了长期的蛋白质表达。这种扩展表达虽然有助于持续的对基因进行编辑，但也带来了风险，即持续的SpCas9表达可能导致不必要的DNA切割，从而引发脱靶效应和潜在的基因组不稳定性。
相比之下，通过LNP以信使RNA（mRNA）格式传递SpCas9，可以确保短期表达。一旦DNA被切割并允许基因插入，Cas9蛋白就不再需要了，从而降低了长时间蛋白表达带来的风险。这种瞬时表达策略显著减少了脱靶效应的可能性，提高了基因编辑的安全性。
除了基因编辑，LNP在RNA治疗中也显示出广泛的应用前景。新冠肺炎疫苗的成功展示了mRNA递送的巨大潜力，证明LNP可以有效地递送和保护mRNA。此外，LNP也可以用于递送其他RNA格式，如环状RNA（circRNA）和短干扰RNA（siRNA）。
尽管面临无数的挑战，研究人员仍在积极探索通过纳米颗粒传递基因编辑。该领域的最新进展值得关注，其总体目标是通过非病毒递送方法实现高特异性、有效性和安全性，为基因治疗领域开辟新的可能性。
04
Q
细胞与基因治疗观察
您能详细说明在治疗环境中实施LNPs的具体挑战吗?
A
高正宏博士
基因治疗药物的递送过程确实复杂且依赖于特定的环境，尤其是当需要靶向特定器官或细胞类型时。以新冠肺炎疫苗为例，局部肌肉注射的成功显著，但在全身应用中，未经修饰的脂质纳米颗粒（LNPs）通常倾向于优先靶向肝脏，这是由于ApoE介导的靶向作用。在肝脏中，LNP的递送效率非常高，即使没有额外的靶向元件。
另外，n-乙酰半乳糖胺（GalNAc）修饰技术被广泛应用于增强LNP对肝细胞的特异性靶向。GalNAc通过结合肝细胞上高度表达的去唾液酸糖蛋白受体，实现了更精确的递送。这使得肝脏成为许多LNP基因治疗的理想靶点。扩展基因递送目标到其他器官是当前研究的一个重点领域。不同实验室和公司在肺部基因递送方面取得了一些进展，采用不同的方法以实现特定细胞类型的治疗。免疫细胞的脾脏是另一个有吸引力的靶点。文献表明，通过精细调控纳米颗粒的特性，可以实现对脾脏中免疫细胞的精确靶向。
然而，这些发现从动物模型向非人类灵长类动物和人类的转化仍需进一步研究。递送技术正不断进步，LNPs在RNA和DNA治疗中的应用前景广阔。尽管挑战依然存在，特别是在扩展靶向范围和优化剂量方面，持续的研究和创新将推动这一领域的发展，为实现安全、高效的基因治疗提供新的可能性。
05
Q
细胞与基因治疗观察
与RNA递送相比，LNPs应用于DNA递送有哪些特殊的挑战和考虑?如何解决这些问题?
A
高正宏博士
DNA的固有性质带来了诸多挑战，特别是在体内递送领域。
首先，DNA与先天免疫反应系统激活相关联。这种反应是通过干扰素基因信号通路（STING）和toll样受体（TLR）介导的，细胞能够感知外源DNA，并启动免疫反应。
其次，纳米颗粒系统缺乏将DNA递送到细胞核的内在能力。DNA需要进入细胞核才能发挥其基因编辑或治疗功能。在DNA序列中加入核定位信号，可以增强DNA对核孔复合物的亲和力，促进其运输到细胞核内。
另外，在全身注射后，巨噬细胞往往将纳米颗粒识别为外来实体，并主动将其从体内移除。这限制了纳米颗粒在目标组织或细胞中的有效递送。正在进行的研究致力于减少巨噬细胞的摄取，这是追求有效的体内DNA递送的关键探索领域。在LNP递送系统中，克服DNA固有性质带来的挑战是关键。尽管面临复杂的免疫反应和递送障碍，通过优化DNA序列、构型，改进纳米颗粒设计和探索新的递送策略，有希望提高基因治疗的有效性和安全性。
06
Q
细胞与基因治疗观察
针对LNPs的分析工具包的开发，该领域最需要进一步创新的地方在哪里?
A
高正宏博士
在利用LNPs封装mRNA进行基因治疗时，需要考虑多个关键因素，尤其是mRNA的稳定性、纳米颗粒的“蛋白质冠”以及多药物递送的平衡。
首先，mRNA在体内环境中面临降解的风险，尤其是暴露于血液中时。评估mRNA的稳定性对于确保其在体内能保持足够长时间的完整性以达到所需的表达峰值至关重要。
其次，LNPs进入体内后，血浆蛋白会吸附在其表面，形成所谓的“蛋白质冠”。这个冠层会影响纳米颗粒的生物分布、细胞摄取和免疫反应。
另外，同时递送mRNA和DNA等多种药物的复杂性在于需要优化它们在纳米颗粒中的比例，以确保每种药物的稳定性和有效性。在基因治疗的递送系统中，解决mRNA和DNA递送的挑战需要综合考虑其稳定性、纳米颗粒的蛋白质冠影响以及多药物递送的平衡。
07
Q
细胞与基因治疗观察
在 LNP 领域，专利问题是绕不开的挑战。对于希望在该领域工作的研究人员来说，解决这些问题的最佳方法是什么？
A
高正宏博士
在LNPs领域，知识产权确实非常复杂。当前的竞争格局不仅涉及LNPs，还包括其他多样化的非病毒载体，如聚合物纳米颗粒和类病毒粒子（VLPs），这增加了研究和开发的复杂性。通过开发新的可电离脂质、优化专利策略、进行多样化载体研究以及持续创新，能够有效导航这一竞争激烈的领域，推动基因治疗技术的发展和应用。
08
Q
细胞与基因治疗观察
最后，在可预见的将来，您能总结一二点您工作的主要目标和优先事项吗?
A
高正宏博士
我的首要目标是推动肝脏基因编辑项目向前进行，然后，循序渐进地开拓肝脏以外组织特异性递送平台建设和基因治疗药物开发。通过实施这一战略，不仅能够利用LNPs推动肝脏项目的进展，还能战略性地扩展其应用范围，探索非病毒递送系统的巨大潜力。这一综合策略将有助于在基因治疗领域开辟新的前沿，为患者提供更多的治疗选择和更好的治疗效果。持续的创新和合作将确保AskBio在非病毒基因递送领域保持领先地位，与AAV平台一起，为基因治疗的发展做出重大贡献。
感谢高正宏博士的解答，他还将受邀出席9月6-7日于北京举办的IGC 第八届免疫基因及细胞治疗大会 会前Webinar演讲，让我们敬请期待！
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