从多个角度解决基因治疗挑战的创新解决方案：5个关键趋势
本文节选自《Gene-therapy innovation: Unlocking the promise of viral vectors》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。更多内容，也可点击《基因治疗的创新：解锁病毒载体潜力的3个挑战》。
为了应对基因治疗面临的挑战，科研实验室、初创企业和知名公司正在创造无数的创新解决方案。每一种方案都专注于基因治疗产品的特定部分 (例如，病毒衣壳)或开发进程的一部分(如生产)。这些创新往往旨在解决多个核心挑战，通过多种途径来实现病毒载体基因治疗的应用前景。
我们确定了五个值得关注的关键趋势。
新的创新往往旨在解决病毒载体基因治疗面临的多个核心挑战
优化的衣壳
病毒衣壳是病毒载体基因治疗的重要组成部分，决定了其靶向哪些细胞、进入细胞的效率以及基因治疗被免疫系统检测和清除的可能性。此外，衣壳在很大程度上决定了病毒载体在生产过程中的稳定性，并可能影响存储和分发需求。
目前最广泛使用的衣壳，包括那些在上市产品中使用的衣壳，都来自自然存在的病毒。它们的特性并不是最佳的，包括较低的细胞类型特异性、细胞进入效率一般以及相对较高的预先存在的免疫水平。为了解决预先存在的免疫问题，许多产品会使用来自其它物种病毒的衣壳。例如，多种AAV载体基因疗法中使用的AAV8和AAVrh74衣壳来自于从猕猴中分离出的AAV血清型，而已开发的一些COVID-19疫苗使用了来自黑猩猩和大猩猩的腺病毒血清型。虽然这种方法可能有助于降低预先存在的免疫的挑战，但它没有在根本上解决特异性或效率的问题 (特别是当这些病毒已经进化到可以感染非人类物种时)。
药物开发商正越来越多地转向在实验室中经过改造的衣壳，这些衣壳可以被选择用来克服前文提到的挑战。这些经过改造的衣壳是通过大规模筛选工作来确定的，通过筛选数百万种不同的衣壳，而获得所需的特性，并经过了反复的优化。衣壳蛋白工程平台 - 其中许多是从科研实验室衍生出来的公司 - 通过利用先进的技术，如冷冻电镜 (cryo-EM) 和人工智能来实现这些目标。
优化衣壳的特性可以带来多种直接的好处。例如，衣壳的细胞类型特异性可增加两倍，可以使所需的病毒总剂量减少两倍，从而提高安全性，并降低成本。现在确定衣壳工程的真正影响还为时过早，因为大多数工程衣壳仍处于临床前开发阶段。然而，各家公司的早期报告表明，衣壳在多个属性上可以有5到10倍的改进，且可能很快就会进入临床。
优化的载体
和衣壳一样，病毒载体本身的DNA序列也会影响基因治疗效果的多个方面，但设计载体往往更容易、更便宜、更快捷。因此，载体工程正成为基因治疗研究的热点。腺病毒和慢病毒载体的载体工程通常比AAV载体更容易，因为AAV载体不能包装大片段的DNA。然而，创新的载体元素也开始出现在AAV载体设计中。
载体工程一般有两个目的:降低病毒载体的免疫原性和提高转基因表达。实现这两个目标的一种策略是密码子优化，即探索载体序列的变化，以消除免疫原性序列基序，同时优化转基因，以获得稳健表达。通过密码子优化实现的载体序列的细微变化可以产生较大的效果，如提高表达水平，可能延长多年的表达时间。
转基因表达可通过工程调控元件进一步编程到载体序列。一些调控元件只在特定的细胞类型或组织 (理想情况下是致病细胞) 中开启转基因表达，从而防止在其它环境中潜在的毒性表达。这种细胞类型或组织特异性调控元件 (例如，启动子和增强子) 在病毒载体基因治疗中已经变得相对常见。对于另一层控制，一些病毒载体基因疗法也加入了调节元件，如microRNA-靶向位点，降低在特定细胞中的表达，例如促进免疫反应的细胞。
最后，一个更遥远和更具挑战性的目标是设计可诱导的载体，在此，转基因表达可以使用额外的信号控制，如口服小分子药物。这可以让临床医生在实施基因治疗后，开启、关闭或以其它方式进行调整，提供个性化的治疗过程。
在早期阶段基因治疗产品中被越来越多地采用的创新技术
按产品开发阶段和类型划分的新衣壳采用比例
按产品开发阶段和类型划分的新型载荷采用比例
新型的载荷
通过病毒载体基因疗法运送的载荷通常是一个基因的工作拷贝，用于替代病人的致病基因拷贝。然而，任何可以在DNA中编码的治疗药物理论上都可以通过病毒载体递送。研究人员和药物开发商正越来越多地利用这种灵活性来提供其它类型的、具有治疗价值的分子，包括调节RNA(例如短发夹RNA [shRNA])、载体化抗体以及用于基因编辑的底物。
基因编辑是一个有趣的潜在解决方案，以实现持久的、生理上合适的基因表达。对于由某些类型的突变引起的疾病的患者，通过基因编辑恢复患者自身基因拷贝的功能和表达，可能比试图设计并提供替代物更简单(也更持久)。
优化的生产工艺
早期的基因治疗生产工艺起源于科研实验室，专注于小批量的研究。这些工艺没有针对系统性给药的中等或大规模生产进行优化。随着基因疗法开始扩展到极端罕见疾病之外的领域，面临的许多挑战之一，是在生产过程中产生的空衣壳。这些空衣壳没有活性物质，但会导致更高剂量的需求，从而刺激更强的免疫反应。
目前，正在开发两种方法来减少生产过程中空衣壳与完整衣壳的比例：基于特定的属性(例如，电荷和分子量) 开发分离空衣壳和完整衣壳的优化方法，以及设计可以更有效地包装完整衣壳的细胞系。通过减少空与完整衣壳的比例，这些技术进步可降低生产成本，减少免疫反应，并提高基因治疗的安全性。事实上，监管机构已经将降低空衣壳与完整衣壳比例，作为解除此前存在安全问题的基因治疗产品的临床控制的理由之一。
改善预处理和调节方案
除了设计衣壳和载体外，另一种减少免疫系统检测病毒载体基因疗法的方法是与免疫抑制剂共同进行治疗。目前正在对多种这样的调节方案进行测试，以减少中和抗体对治疗效果的影响，包括预先存在的抗体和新产生的抗体，这些抗体可能会阻止未来的再给药。目前，几乎所有的病毒载体基因疗法都使用类固醇来帮助管理对病毒载体的潜在免疫反应；然而，类固醇治疗的类型、剂量和时间差别很大。
一些临床试验正在测试更有针对性的免疫抑制，如使用利妥昔单抗减少记忆B细胞的产生。另外一些正在进行动物模型测试的方法，旨在直接减少中和抗体的存在。这些方法包括使用剪切免疫球蛋白G(IgG)的酶、通过血浆置换去除针对基因治疗产品的中和抗体、甚至是基于CRISPR抑制中和抗体的生成。这些方法可以扩大合格患者的范围，包括那些已经有免疫力的人。此外，这些方法可以使患者接受同一疗法或使用同一载体骨架的不同疗法的多次给药。
前方的道路
病毒载体基因疗法正处于另一个拐点。在治疗罕见疾病和疫苗方面的早期成功已经证明了这种方法的潜力，而像单克隆抗体在过去20年里所面临的那样，要实现更广泛的采用而面临的挑战正变得越来越清晰。然而，学术界、生物技术、制药和合同开发和制造组织（CDMO）正在探索的创新解决方案表明，病毒载体基因疗法将继续发展。
如前所述，针对每个核心挑战都出现了不同的解决方案。这些方法的多样性和基因治疗的复杂性意味着没有一种方法有可能“全面获胜”。这种情况将催生一个快速的创新周期，基因疗法将不断得到改进，这将提供超越现有产品的新机会。尽管基于AAV载体的递送正在成为领先的技术，但一些显而易见的局限性加上快速的创新步伐，为其它递送技术的出现留下了机会。
病毒载体平台的所有者需要不断地关注他们现有平台和资产之外的下一个创新。这可能包括直接的投资，以帮助克服更广泛的挑战，或购买或授权关键技术，以升级其平台。事实上，许多新的生物技术公司已经成立，以解决本文中介绍的一个或多个挑战，为基因疗法的开发者提供服务。要跟上这些发展的步伐，我们就必须严密监察各方面的科技进步。然而，由于在这个早期阶段很难对所有潜在的解决方案和创新者下注，基因治疗的领导者进行投资时需要明智。
在短期到中期，虽然技术挑战将基因疗法的范围限制为罕见疾病的治疗，但快速跟进者可能会发现，即使有改进的技术，也很难获得成功，因为第一批进入者能够迅速解决当前的目标患者群体。因此，基因治疗的领导者们需要在加快项目进度的同时，保持采用创新技术的灵活性，为更广泛的患者群体提供治疗，并使病毒载体基因治疗在长期内充满希望，从而达到一种“谨慎的平衡”。
原文：E.Capra, A.Godfrey, A.Loche, et al., Gene-therapy innovation: Unlocking the promise of viral vectors. Pharmaceuticals & Medical Products Practice, 2021.
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