基因治疗病毒载体行业全景分析
本文节选自《An Analysis Of The Gene Therapy Viral Vector Landscape》，详细内容，请参考原文。
在过去的5年里，多个基因疗法已经获得监管机构的批准，一批已经进入后期临床研究的管线也正在接近获批上市。由于最初的几个基因疗法实现了它们作为遗传性罕见疾病的革命性治疗手段的潜力，这一领域被视为生物制药行业增长的关键部分。然而，随着第一批基因疗法开始取得初步胜利，一些挑战也出现了。考虑到这些挑战，领先的公司已经开始寻找新的递送技术。只有解决了递送问题，基因疗法才能实现其长期的潜力，改变患者的治疗结果，扩展到更广泛的疾病，并最终为投资者提供回报。
最大的障碍：递送
2017年12月，Luxturna获得FDA批准后，尽管研发人员仍面临诸多挑战，但大型制药商对基因治疗的兴趣大幅上升(图1)。越来越多的证据表明，递送方式是基因治疗的阿喀琉斯之踵（致命弱点），对优化的基因递送载体开发的研究和资金大幅增加。到目前为止，大多数基因疗法利用病毒递送目的基因。从以往经验来看，大多数公司会选择使用腺相关病毒(AAV)载体和慢病毒载体。然而，每种病毒平台都存在缺陷，如缺乏持久的基因表达(AAV)、基因组整合导致肿瘤发生的风险(慢病毒)以及有限的组织趋向性(两种病毒都存在这个问题)。我们已经评估了不同病毒(如AAV、慢病毒)和非病毒载体(如脂质纳米颗粒、外泌体)的优缺点，以及最近的一些技术创新，如优化的组织靶向(如新的AAV血清型)以及低致癌性的慢病毒载体。
图1：基因治疗年度交易。
病毒载体：基因治疗的“骨架”
基因治疗载体(或递送工具)可以分为两大类：病毒和非病毒，其中病毒载体使用最多，因为它们能够自然感染细胞(图2)。在这些载体中，慢病毒和AAV领先，但它们都有各自独特的优劣权衡(图3)。
病毒载体 | 非病毒载体 |
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图2. 病毒载体和非病毒载体
图3. AAV vs. 慢病毒
慢病毒和AAV之间最重要的区别可能是基因组整合。慢病毒会将其有效载荷整合到宿主染色体上，而由AAV递送的基因成为一个小片段，或成为驻留在细胞核内的环状DNA片段。虽然基因组整合阻止了因细胞分裂而导致的遗传物质随着时间的推移而被稀释的问题，但它也带来了致癌风险。因此，基因治疗领域已经确定了慢病毒和AAV的最佳使用案例。
慢病毒被用于体外基因修饰细胞治疗(包括CAR-T)，在这种治疗中，慢病毒将目的基因递送到从患者收集的体外干细胞中。在目的基因整合后，这些细胞扩增并回输至患者体内，通常通过自体干细胞移植。在这种情况下，基因组整合是有利的，而且不会有过大的安全风险，因为目标基因整合的位置可以在修饰的细胞中进行分析，从而消除了将转化细胞回输至患者的风险。Bluebird bio用于β-地中海贫血和镰状细胞病的基因修饰细胞疗法Lentiglobin是多种正在开发的体外基因修饰细胞疗法之一。尽管到目前为止在很大程度上是安全有效的，但体外基因修饰细胞疗法的使用受到生产(例如，证明产品的一致性)和使用(例如，需要淋巴细胞删除)的限制，这两者都导致了Lentiglobin在美国商业化的推迟。此外，理论上的致癌风险一再减缓了像Bluebird这样的开发商。
相反，AAV常用于体内或全身治疗，即通过静脉注射或注射到患者的目的组织中直接给药。由于体内治疗比体外细胞操作简单，理论上比自体干细胞移植更安全，基因治疗的研究、开发和投资最近都集中在AAV上(图4)。最近获FDA批准的Luxturna和Zolgensma都利用了AAV载体。同样，2012年EMA批准的首个基因治疗Glybera也使用了AAV载体。
图4：技术公开的基因疗法交易。
AAV递送的创新：早期科学
AAV仍然有很大的局限性，即免疫原性(例如，对AAV载体的免疫反应)和组织靶向性/趋向性。免疫原性和组织趋向性都取决于AAV亚型或血清型。每一种AAV血清型都具有免疫原性和组织趋向性，这是由其蛋白质外壳(衣壳)决定的，衣壳由独特的重复蛋白质亚基构成，称为可变区。基于AAV衣壳内的可变区域，已经区分出了数百种AAV血清型，并改变了影响免疫原性和组织趋向性的特性。其中，尤其重要的是作为AAV受体的细胞表面聚糖，它直接受AAV可变区影响，并强烈影响组织趋向性。
AAV的免疫原性，可以由预先存在的AAV抗体或对初始剂量的AAV基因治疗的免疫反应触发，直接限制了基因治疗的可治疗患者群体，并阻碍再次给药。由于大约50 - 90%的人群(取决于血清型)保有一定的抗AAV抗体水平，任何患者人群中的很大一部分可能都不是基于AAV的基因治疗的理想候选者。最后，AAV的免疫原性为预先存在免疫的患者提供最佳的治疗方案、以及再次给患者注射AAV载体以实现治疗基因的持久表达的能力，造成了阻碍。
然而，相比构建一种基于AAV的基因治疗方法，以将有效载荷递送到目标器官系统的过程，免疫原性也许并不那么重要。由于特定的AAV血清型只能感染特定的组织，因此靶向特定器官和细胞的能力是有限的。例如，很少有AAV能有效感染肌肉细胞。Zolgensma (AAV9)和Luxturna (AAV2)中使用的AAV血清型可以在体内给药后靶向神经元和视网膜细胞。由于有限的免疫监视以及直接组织注射(如视网膜或鞘内注射)的能力，这些组织通常被认为是很容易作为靶点。
最后，由于迄今为止仅有十几种人类和非人类AAV血清型得到了很好的描述，还有很多血清型的特性没有被很好地表征，新的AAV衣壳生成已经成为基因治疗临床前开发的关键部分。随着衣壳氨基酸和翻译后修饰的改变被证实可影响AAV的特性，调节免疫原性和组织趋向的概念已经在学术界和工业界得到了科学证明。例如，uniQure开发了载体AAV5，它被认为对抗体中和的敏感性低于其它AAV载体。产生新的AAV衣壳的过程，称为表位定位，其扫描和测试可能并入衣壳的多肽的多样性。除了解决免疫原性和趋向性问题，表位定位还有助于产生新的IP，因为通过表位定位设计的AAV不是自然发生的。随着早期AAV载体的知识产权保护已到期或即将到期，新型AAV衣壳为早期基因治疗公司提供了具有战略意义的知识产权保护，并有助于实现公司的差异化优势(图5)。
图5. AAV载体特性和专利。
大大小小的玩家
为了开发最佳的基因治疗产品，上市的或私有的基因治疗公司都在从四个关键方面设计下一代载体技术：AAV衣壳、AAV免疫原性、慢病毒载体和非病毒载体(图6)。
图6. 部分载体技术玩家的开发阶段和技术类型
AAV技术
由uniQure、Freeline、Vivet Therapeutics、Spark Therapeutics和REGENXBIO等公司开发的第一代和第二代AAV衣壳已经显示出商业化的初步前景。例如，AAV9是由REGENXBIO的NAV技术开发的，自2015年以来已经有超过5次的对外授权(包括Zolgensma)，由于其转导神经元的能力，最终有可能成为基因治疗领域中使用最广泛的衣壳。
因此，行业发展的重点已转向第三代AAV衣壳方法。Dyno Therapeutics (CapsidMap平台)、4DMT(治疗性载体进化平台)和StrideBio(结构启发的AAV载体工程; STRIVE平台)都已参与下一代AAV衣壳平台相关靶点的合作。寻求下一代AAV衣壳技术的合作伙伴包括Sarepta、罗氏/Spark、诺华/Avexis、武田和CRISPR Therapeutics。2020年3月，Vertex获得6000万美元融资，一个月后，该公司与Affinia就新型AAV衣壳达成了一项多年合作计划。
尽管AAV衣壳技术的优势在于优化AAV的递送和免疫原性，但很少有公司开发技术/疗法来调节针对AAV载体的免疫反应。改良的AAV衣壳直接提高了基因治疗的安全性和有效性，而基于免疫学的技术通过改变机体对基因治疗的免疫反应，来提高基因治疗的安全性和有效性。Selecta Biosciences和Hansa Biopharma都与Sarepta签署了免疫靶向药物的协议。Selecta的ImmTOR免疫耐受平台可允许对AAV药物进行重复给药治疗，而Hansa的Imlifidase可能去除预先存在的AAV中和抗体。Spark Therapeutics最近发表的一项研究显示，酿脓链球菌的免疫球蛋白G降解酶可以瞬时裂解血液中的AAV中和抗体。
其它载体
非病毒载体技术正在迅速发展，在过去一年中吸引了大量公共和私人投资，包括外泌体、囊泡和聚合物纳米颗粒(图7)。此外，许多非病毒平台最近都有对外授权，包括武田、Sarepta和Editas的大型合作。
相比之下，慢病毒载体技术的开发基本上合并成四家主要公司，其公开市场估值超过40亿美元，包括专注于平台的Oxford Biomedica和Bluebird bio，以及专注于产品的Orchard Therapeutics和Avrobio。Oxford Biomedica很大程度上在其内部开发了自己的平台，并对外授权了多个产品，而Bluebird bio已经从Généthon等机构引入了慢病毒技术，并达成了多个以产品为重点的合作，以实现增长。慢病毒产品与以产品为中心的AAV合作不同，后者的大多数技术都是由公司授权的，而慢病毒产品通常在对外授权之前是由科研机构开发的。Avrobio和曼彻斯特大学最近的合作就是这种方法的一个例子，此外，也包括OrchardTherapeutics和曼彻斯特大学和SR-Tiget之间的早期协议。
原文：K.M.O’Neil，B.J.Wang，An Analysis Of The Gene Therapy Viral Vector Landscape. Bioprocessonline, 2021.