谢雨礼博士 | 2022年，生物医药「全球创新趋势」是什么？怎么打造差异化？
The following article is from 同写意 Author 谢雨礼
导览
................生物医药创新面临“求稳同质化，求新则风险大”的困局。这两种策略走极端都不利于医药行业的健康发展。我们当前处在“拒绝风险，过度求稳”的极端。众多公司扎堆热门靶点和技术的现象愈演愈烈。过去的一年，“内卷”成为行业最鲜明的关键词。要破局，我们必须正视风险，加大创新的力度，积极探索差异化，创造具有全球价值的产品。生物医药创新无非就是发现疾病背后的生物学机制并找到包括药物在内的治疗手段。2021年至今，生物医药各个领域取得不少进展，从中可以一窥全球高水平的创新趋势和差异化策略，对处在转型路口的中国生物医药也许有所启示。01
新的生物学
通过基础研究，发现新的生物学机制一直是药物创新的源头。2021年顶尖杂志发表了很多有转化潜力的重要发现，比如增强CAR-T活性的细胞转录因子ID3和SOX4，调节免疫的CD93、DDR1、GABA受体、COP1、RBM39、ELANE和CD161，调节代谢的B4GALT1、IL-27、HULC、GRP75、和DNPH1，新的激酶靶点CLI1-LTK和TNK1，表观遗传靶点METTL3和NSD3等(1)。其中，CD93是耶鲁大学陈列平教授最新发表的免疫靶点。研究表明，阻断CD93通路可以重塑肿瘤微环境的脉管系统，除了增加效应T细胞的数量提高免疫作用外还能改善化疗药物的瘤里渗透(2)。基于实验室的发现，科学家在风投的支持下成立公司，请专业的团队进行药物开发是欧美比较流行的转化模式。比如，2021年11月乔治·华盛顿大学的Li Rong和德克萨斯大学的An Zhiqiang团队在《自然》发表了关于调节免疫逃逸的新靶点DDR1的文章，他们发现DDR1诱导组织胶原纤维屏蔽免疫细胞进入肿瘤(3)。同时，基于这一发现成立的公司Parthenon宣布获得6500万美元A轮融资，用于开发靶向DDR1的“first-in-class“抗体药物。过去一年工业界的FIC药物也获得了丰收。尽管受到疫情拖累，FDA在2021年批准了50款新药，其中FIC药物达到21款包括默沙东的HIF-2α抑制剂Belzutifan、安进的KRAS G12C抑制剂Sotorasib和强生的EGFR/c-Met双抗Amivantamab 等。另外，2021年FDA还紧急授权或正式批准了新冠mRNA疫苗，中和抗体，以及小分子口服药物Molnupiravir和Paxlovid。现代药物发现一般是从某个具体靶点出发，但是一个成功药物的作用机制往往更为复杂。有时临床疗效的贡献甚至不是来自最初的靶点。2021年相关基础研究还发现一些老药的新作用机制。比如，美国威斯康星大学麦迪逊分校Beth Weaver团队发现染色体不稳定的乳腺癌患者对紫杉醇更敏感。紫杉醇过去被认为是通过稳定微管阻止癌细胞分裂而起效的，而Weaver等人发现紫杉醇更多地是通过诱导多极纺锤体形成和染色体不稳定性来发挥抗肿瘤作用。这项发现更新了人们对紫杉醇的理解，对于临床使用这一最为广谱的化疗药物具有重要指导意义(4)。最近，北京大学张泽民教授领衔的研究团队通过RNA-seq和TCR-seq对47个NSCLC患者肿瘤样本进行了研究，发现PD-1单抗敏感患者肿瘤中的耗竭T细胞前体（Texp）出现扩张而无应答的患者则没有(5)。据此，他们认为Texp的扩张最有可能是自我复制以及外周血T细胞分化导致的，而不是以前普遍认为的终末Tex重新激活。这项研究可能为PD-1的联用策略带来新的想法。另外，美国宾西法尼亚大学的一项关于红细胞的研究也颇让人意外(6)。众所周知，红细胞是血液循环中氧气的搬运工。宾大的科学家发现红细胞在病理状态下还可以起到免疫哨兵的作用，通过表达TLR9结合细菌、疟原虫和线粒体的CpG-DNA从而激活自身的吞噬作用和先天免疫。这一发现揭示了红细胞未被重视的免疫功能，为开发新型的免疫疗法奠定了基础。特别值得关注的是这两年欧美出现了一些物理学视角下的新概念。自1953年揭示DNA双螺旋结构开始，还原论指导下的分子生物学飞速发展，成为现代药物发现和生命科技背后的核心科学。从化学的角度看，分子生物学就是研究蛋白质和核酸等生命分子的化学反应和相互作用，而新药研发就是找到干预这个过程的有效手段，比如抑制酶的催化反应和蛋白相互作用的药物。今天，各种光学、影像、微流控、单细胞和人工智能技术的进步推动了生物学和物理学的交叉研究，给分子生物学的研究和药物发现带来了全新的视角。生命分子的物理状态必然与疾病的发生发展有关，因此可以成为药物干预的目标，比如蛋白质在细胞膜和溶液里的状态、生物凝聚体及其成分、浓度、离子强度和酸碱度等各项指标、基因表达和蛋白合成的时空变化、生命分子的空间距离、动态构象和运动轨迹等。最近，物理学教授跨界进入生物医药领域创业成为潮流。这些公司中，一家叫Eikon的美国初创公司最受关注，2022年开年就完成了超过5亿美元的B轮融资。这家公司的创始人是美国贝尔实验室的Eric Betzig，2014年因为超分辨率荧光显微技术获得诺奖，而CEO是缔造K药帝国的默沙东前研发负责人Roger Perlmutter。公司的核心技术就是用显微镜观察细胞里蛋白质的运动轨迹。Perlmutter在今年的JPM大会上透露，他们不急于做药而是先观察3-5年，形成大数据并建造自己的计算机基础设施和机器学习软件。这显然是一种从物理视角出发，全新的人工智能药物发现模式，有望找到传统方法无法触及的药物。按照整体论的观点，凝聚态必然产生区别于单个分子的集体性质。近年来，生物分子凝聚体的概念兴起，被《科学》杂志评为2018年十大科学突破。蛋白和核酸等生物分子凝聚至一定浓度后，有时会发生一种类似于油水分离的生物相变，从而形成一个临时的、独立于体系的、没有膜结构的小液滴。这样的小液滴具有重要的生理功能，是信号调控、免疫应答、应激反应和转录调控的临时中枢。它们既可以局部提高信号分子的浓度，促进化学反应和信号转导，也可以将不想要的分子隔离在外。研究发现生物相变几乎参与到生命活动的各个环节，与肿瘤、中枢神经系统，自身免疫和感染等疾病高度相关，逐渐成为药物开发的前沿方向。2019年底，第一家基于生物相变的Biotech公司Dewpoint成立。随后，Vivid、Transition Bio、Nereid和Faze等欧美初创公司也纷纷获得大额风险投资。生物相变成为生物医药领域的重要赛道。国内相对滞后，2022年1月奕拓医药宣布与罗氏上海创新中心就相分离技术平台达成合作协议，应该是国内第一个公开报道的相关公司。这些公司大多是通过影像和微流控等技术手段，观察正常和病理状态下生物分子凝聚体的形成、降解、融合和运动过程，并结合人工智能和分子生物学，寻找药物干预的切入点。与Eikon类似，这样一种差异化的路径给药物发现带来前所未有的视角。 比如，创立Dewpoint公司的MIT教授Richard Young等人发现肿瘤细胞中包含大量生物分子凝聚体，而药物在凝聚体中的分布影响药效的发挥，并阐述了雌激素受体（ER）抑制剂他莫昔芬耐药的全新机制(7)。他莫昔芬必须进入包含雌激素受体的凝聚体中发挥药效，而肿瘤细胞通过增加凝聚体的体积从而降低药物的相对浓度，使得同样剂量下的他莫昔芬不再敏感。筛选在凝聚体富集的药物可能是Dewpoint公司开发新型抗肿瘤药物的一种手段。作为一个药物化学家，以前很难想象药物的DMPK和成药性研究会扩展至单细胞水平。Vivid公司的“RNA Bait”药物也非常有意思。不同于当前热门的RNA药物，RNA Bait不是调控基因或蛋白表达，而是利用RNA分子的极性和水溶性调节蛋白的相分离。 研究显示相分离导致的、具有神经毒性的TDP-43异常聚集是ALS和FD等罕见病的发病机制，而RNA分子可以让TDP-43保持溶解状态，避免有毒凝聚体的生成和硬化(8)。相反，疏水的有机小分子可以诱导凝聚体的硬化。2021年山东大学与法国合作的一项研究发表在《自然》杂志上，他们发现类固醇药物环巴胺（cyclopamine）可以通过诱导凝聚体硬化抑制RSV病毒的复制，为抗病毒药物的发现提供了全新的思路(9)。另外，传统药物的靶点都是具有三维结构的功能蛋白。有一类蛋白无法折叠成稳定的三维结构而称为固有无序蛋白（IDRs）。这类蛋白缺乏稳定结构且高度可变，显然无法成为传统药物的靶点。然而，近年来的研究发现IDR是相分离蛋白中一种常见的结构域，在生物体内有着重要的生物学功能。以相变为切入点，IDR可能成为老年痴呆和肿瘤等疾病领域的重要靶点。基因表达和蛋白合成的时空变化也逐渐成为分子生物学的研究热点，相关技术被《自然》杂志评为2021年值得关注的七大技术之一(10)。其中包括瑞典科学家Joakim Lundeberg开发的一种用DNA编码mRNA的技术，可以研究组织特定位置的基因表达。耶鲁大学的Rong Fan等人开发的微流控系统DBiT-seq则是利用DNA编码抗体标记数百种蛋白。该技术使得研究蛋白合成与基因表达的动态关系成为可能。基因和蛋白的时空组学有望为肿瘤进化和免疫激活等动态过程提供新的洞见并促进相关药物的开发。比如，德国的一个研究团队最近从基因转录的层面揭示了神经母细胞瘤的时空异质性，对这类患者的诊疗方案和药物开发提出了重要建议(11)。利用肿瘤细胞和正常细胞对特定电磁波的反应差异开发的肿瘤电场治疗（TTF）也逐渐进入人们的视野。TTF通过向肿瘤部位递送连续的低强度，中频，交变电场来破坏细胞有丝分裂，可以选择性杀死快速分裂的癌细胞。目前，Novocure公司开发的头套设备Optune在美国已经上市用于治疗脑瘤，再鼎医药拥有Optune的中国权益。QV Bolelectronics最近开发了一款更加方便的可植入设备GRACE。另外，国内江苏海莱自主研发的TTF治疗仪EFE-G100已经在2021年开始临床研究。新的治疗概念最具颠覆性但未知因素多，总体来说周期长风险大。比如肿瘤免疫疗法这个概念有超过百年的历史，直到找到PD-1和CART才真正爆发，这其中包含几代科学家的共同努力。蛋白运动轨迹和生物相变这样的前沿领域，虽然已有生物医药公司进入但大多处于早期研究阶段，甚至还没有实质性的药物开发，风险是不言而喻的。02
新的药物技术
生物医药领域近年来涌现了一大批新的药物技术（表1）。药物技术沿着生命“中心法则”历经百年，由外及里全面覆盖了蛋白质，核酸和基因三个环节，包括最早靶向蛋白质的传统药物，重新崛起的核酸药物以及最新的精确操控RNA和DNA分子的基因疗法和基因编辑等。药物形式除了经典的小分子，多肽、蛋白、多糖和核酸，还出现了细胞、病毒和肠道菌等更加复杂的活体药物。
表1：生物医药领域的新技术1.药物技术的一个发展趋势是模拟生物自身的调控方式
比如，传统的药物化学非常排斥共价抑制剂，认为它们容易带来副作用。让人不解的是，历史上许多伟大的药物都是意外发现的共价抑制剂，比如阿司匹林、青霉素、氯吡格雷和奥美拉唑等。事实上，蛋白的共价修饰是生物最重要的调控手段，比如磷酸化，甲基化和乙酰化。以前的共价药物毒性大，原因是缺乏特异性。今天，我们根据蛋白的结构可以设计高度选择性的共价抑制剂。比如，合理设计的丙烯酰胺类化合物只有在靶蛋白的微环境下才能与半胱氨酸的巯基发生快速迈克尔加成反应。共价抑制剂一般是不可逆的，带来持久的疗效和差异化的调控方式，成为抗肿瘤药物研发的热点。最近的例子包括已经上市的EGFR，BTK和KRAS G12C抑制剂。多层次控制是生命的基本规律。中心法则的每一个环节都有全方位的调控，包括基因、表观修饰，转录和蛋白表达等。具体到蛋白这个环节，药物的调控目标又包括蛋白质的合成、降解、功能，构象和与其他生命分子的相互作用等。而且，同一靶点，调控方式不一样产生的生物学和表型有差异。调节蛋白构象的变构抑制剂和抑制蛋白互作的PPI近年来成为热门的小分子药物技术。诱导蛋白降解的药物不同于传统的蛋白功能抑制剂，被认为具有克服耐药和增加选择性等优点，近年来成为颇为时髦的方向。这些蛋白降解技术包括常见的PROTAC（Arvinas，Nurix和Kymera）和分子胶（Monte Rosa）。比较新的技术有斯坦福大学Carolyn Bertozzi教授的细胞膜蛋白降解技术LYTAC（Lycia）以及细胞外蛋白降解技术ATAC（Avilar），复旦大学鲁伯埙教授基于自噬蛋白LC3开发的ATTEC（PAQ）、自噬降解AUTAC、分子伴侣介导的蛋白降解CHAMP（珃诺生物），降解RNA的RIBOTA、降解DUB的DUBTAC（Stablix）、双功能降解技术（Amphista）和抗体偶联降解药物AnDC（Orum）等。这些技术一般都是模拟泛素化、自噬和内吞等生物内在的蛋白降解机制。分子胶是模拟生物学调控方式的一个经典例子。顾名思义，分子胶是指一类能够将两种蛋白质分子粘合在一起的化合物。两个分子接近时导致相互发生化学反应和生物学效应。比如，当其中一个蛋白质分子为泛素连接酶时，分子胶可以引起另外一个蛋白质发生泛素修饰，并通过蛋白酶体途径发生降解。植物生长素即吲哚乙酸就是通过这一原理降解基因抑制蛋白的一种分子胶。研究发现，免疫调节药物lenalidomide和抗癌药物indisulam等也有类似的作用机制。PROTAC就是根据这一原理设计的、一种可以将两种蛋白拉近且诱导靶蛋白降解的小分子新技术。具体就是将结合泛素连接酶的分子（binder）通过连接子（linker）与靶蛋白结合分子连接。这样，PROTAC分子包含三部分，通常分子量较大，就作用机理来说与常规的分子胶没有什么不同。2021年，Arvinas，Nurix和Kymera等公司靶向AR/ER、BTK和IRAK4等靶点的PROTAC纷纷获得初步的临床数据。在不产生明显副作用的情况下可以有效降解靶蛋白，但疗效能否优于已有的小分子抑制剂还有待临床验证。当然，分子胶的涵义更加广泛，将两个蛋白拉在一起不一定要发生蛋白降解，也可以通过形成三元复合物结构抑制靶蛋白的功能。比如，Revolution开发的、通过招募内生蛋白cyclophilin抑制KRAS G12C和G12D的分子胶药物，最近有令人印象深刻的临床前数据发表。邻近性原理普遍存在于大自然，在药物设计中得到广泛应用。经典的双抗其实就是一种“细胞胶”技术，或者叫做细胞接合器（cell engager）。比如，基因泰克的BiTE双抗一头结合肿瘤细胞的抗原CD19，另一头结合T细胞的受体CD3，将肿瘤细胞和T细胞拉在一起，让T细胞就近杀死肿瘤细胞。Immunocore公司刚获批的TCR疗法Kimmtrak也是类似的设计：一端结合T细胞受体CD3，另一端是识别肿瘤抗原GP100的高亲和力TCR。最近美国西南医学中心傅阳心团队报道了靶向T细胞CD3和DC细胞PD-L1的双特异性抗体，这款新颖设计的双抗能够诱导更加持久的抗肿瘤免疫反应(12)。强生的EGFR/c-Met双抗以及罗氏刚获批的VEGF/Ang2双抗则是靶向同一个细胞上的两个靶点。国内针对不同靶点的组合，类似的双抗已有数十个进入临床。比如，康方生物最近公布了PD-1/VEGF双抗联合化疗治疗NSCLC的二期数据，DCR达到100%。理论上，双抗如果同时结合两个靶点或者同一个靶点的不同表位，可以大大增强彼此的亲和力，这就有点类似“分子胶”技术。另外，单抗介导的ADCC和CDC等细胞毒性，本质上也是一种“细胞胶”效应，在抗肿瘤药物的设计中日益受到重视。获诺奖的CRSPR-Cas9基因编辑技术来自细菌，实质上也是生物邻近性原理的应用。sgRNA相当于一种分子胶，根据碱基配对的原则将目标DNA与具有DNA切割能力的Cas9蛋白定位于一起，获得了一种高效可控的DNA剪切工具。人们还开发了Cas13等不同的Cas蛋白，将编辑技术扩展至RNA分子。相对于反义核酸和干扰小核酸，剪切RNA分子的基因编辑工具可能意义不大。张锋等人巧妙地在sgRNA分子中加入一个荧光报告基团，将基因编辑演变成一个非常灵敏的RNA病毒检测工具（Sherlock Biosciences）。另外，Eiditas基于非同源末端连接修复核酸酶AsCas12a开发的基因敲入技术（SLEEK）实现了针对iPSC和免疫细胞基因敲入的改造。2021年，早期上市的基因编辑公司表现有好有坏。张锋创立的Eiditas公布了AAV递送的EDIT-101治疗眼科罕见病的临床数据，效果一般且没有剂量关系，导致股价大跌。而诺奖获得者Jennifer Doudna创立的Intellia用LNP递送的全核酸基因编辑药物（cas9 mRNA+sgRNA）治疗TTR获得靓丽的初步临床数据，公司市值一度从50亿涨到100亿美元。2013年UCSF的科学家发现，突变的Cas9蛋白不具备切割DNA的能力（dCas9）但仍然可以在sgRNA指导下与相应的DNA特异性结合(13)。2016年，哈佛大学刘如谦实验室在此基础上开发了单碱基编辑工具。他们将失活的dCas9与胞苷脱氨酶融合，在sgRNA指导下不是切割基因而是纠正基因的单碱基突变。这一工具将基因编辑的应用范围进一步扩大，而且减少了DNA断裂导致的致癌风险(14)。刘如谦的工作可能是基因编辑应用领域最重要的突破之一。没有功能的dCas9这时相当于一种连接子（linker），通过蛋白融合可以嫁接其他具有不同生物活性的酶，为精确操控DNA和RNA分子提供了无限可能性。随后，刘如谦等人通过嫁接逆转录酶和DNA甲基化酶又开发了可以搜索和替换大段基因的“Prime editing”技术（Prime Medicine），以及表观遗传编辑工具（Chroma和Omega）。类似的原理也适用RNA单碱基编辑。人们发现乌贼和章鱼能够利用一种称为ADAR的酶和指导RNA的定位对特定RNA序列进行单碱基编辑。与DNA编辑造成的永久变化不同，RNA编辑作用是暂时的，避免了长期风险。2017年，张锋团队将ADAR的催化部分与Cas13蛋白融合开发了更加高效的RNA单碱基编辑器。这些技术都获得了大额的风险投资，成为当下热门的赛道之一（Korro Bio，Beam、Shape、ProQR、Locana等）。
2.药物技术发展的另一个趋势是程序化制药（Programmable Medicine）
上述的基因编辑技术其实就是程序化制药的一种。知名风投机构Flagship的创始人Noubar Afeyan将其解读为像计算机编程一样去设计和开发药物，提高生物学的确定性。这个概念并不新鲜，是在20多年前发现小干扰核酸（siRNA）后提出来的，当时人们乐观地认为可以根据碱基配对的原则去设计和合成能够沉默任一致病基因的小核酸药物。2003年人类完成基因组测序后，程序化制药的概念推动了第一次核酸药物开发的高潮，但因为递送技术的不成熟，很快以失败而告终。直到2018年，核酸药物在核苷酸化学修饰技术，以及LNP和GalNac递送技术的推动下重新崛起，涌现了Ionis、Arrowhead、Dicerna、Alnylam、Moderna和BioNTech等一大批明星公司。目前已有超过20款核酸药物获批，数百项临床试验进行中，成为继小分子和单抗之后的第三大药物技术。核酸技术包括反义核酸，小核酸，mRNA等，与同样可编程的DNA合成，基因疗法和基因编辑一起构成了程序化制药的前沿领域，受到顶尖风投机构的追捧。特别是mRNA疫苗在这次百年难遇的疫情中大出风头，进一步推动了相关技术的发展，新技术和初创公司层出不穷。2021年受到关注的公司和技术包括Stoke激活基因表达的“TANGO”反义核酸技术，Avidity BioScience第一个进入临床的抗体-siRNA偶联药物，OliX的可透膜cp-asiRNA、Alnylam的双靶点siRNA，礼来和MiNA的saRNA，Flagship投资的tRNA公司Alltrna和IncRNA公司Laronde，VaxEquity的可以自我扩展的低剂量mRNA技术，以及Orna、Laronde和环码生物等新锐公司开拓的不需要添加帽子和尾巴结构的环形RNA技术等。核酸药物基于碱基序列快速直观的设计和可负担的生产成本让药物定制或者单病人时代成为可能。2019年，FDA历史上第一次批准了波士顿儿童医院为一个罕见病患者设计开发的反义核酸药物。Ionis创始人Crooke博士最近创立了一家非营利组织n-Lorem基金会，专门为罕见病患者定制反义核酸药物。单病人时代是个性化医疗的极致，制药行业的研发、生产、监管、市场和支付模式将发生颠覆性改变。虽然商业模式不明朗，这里面可能孕育着巨大的商机和投资机会。3.药物技术发展还有一个趋势是药物形式的互换、组合和升级
药物形式各有特点，不存在谁淘汰谁的问题，而是共存互补的关系。口服小分子药物替代单抗等注射药物成为药物开发的一种趋势。2021年，小分子PD-L1抑制剂、PCSK9抑制剂和GLP-1激动剂都有概念验证性的临床数据报道。相反，让单抗等大分子靶向细胞内的靶点也是药物创新的一个方向。2021年天境生物引进比利时Complix的穿膜抗体技术Alphabody，用于开发两款针对胞内肿瘤免疫靶点的药物。Alphabody是一种由三个α螺旋特殊结构组成的大小仅10kDa的非天然蛋白，可以携带药物分子有效穿过细胞膜。还有，靶向中心法则不同环节的药物成为差异化的策略。去年，诺华靶向PCSK9的siRNA药物Inclisiran获批，直接与安进和再生元的单抗形成竞争。mRNA作为蛋白替代的技术，对传统疫苗和蛋白药物不断发起冲击。继新冠疫苗后，Moderna和BioNTech等公司开发的新一代流感，HIV和肿瘤个性化疫苗，以及单抗替代药物纷纷进入临床研究。药物形式组合的经典例子是单抗小分子偶联药物（ADC）。药物技术组合最初是为了扬长避短，比如ADC就是利用单抗的特异性将毒素带入肿瘤组织而减少对正常组织的伤害。Daiichi Sankyo的DS8201代表了ADC技术发展的新趋势：一方面，高DAR值和旁观者效应使得中等活性和不同作用机制的毒素和载荷（payload）成为可能。创新的大门由此打开，载荷的可选范围大大增加。比如，单抗与小分子免疫激动剂偶联（ISAC，TLRs/STING等）成为热门方向，可惜去年报道的临床数据都不太理想（Bolt和Silverback公司）。生物学上值得思考的是，将免疫效果通过ADC技术局限于肿瘤微环境是不是正确的方向。另一方面，载荷、单抗甚至连接子可以协同作用，创造新的生物学。比如DS8201的毒素Dxd被认为可以促进Her2的表达，而且可以与Her2单抗的治疗和ADCC效应形成协同作用。因此，类似于ADC的多肽偶联药物（PDC）虽然增加了药物的组织穿透能力，但也丢失了单抗的免疫效果，需要具体分析其优缺点。最后，条件激活抗体（probody）和双抗也是ADC药物常见的差异化设计。这些设计进一步增加了药物的复杂程度，目前并没有太多的临床数据报道，处于概念验证阶段。CytomX和AbbVie共同开发的Probody偶联药物CX-2029最近的临床数据相当负面，在16例NSCLC患者中客观缓解率（ORR）仅为18.8%。大道至简，类似于probody这样过于复杂设计的药物未知风险比较大。值得一提的是，Harpoon复杂设计的TriTAC CD3双抗HPN424临床效果也不佳。Xilio公司所谓的肿瘤微环境选择性激活的单抗和炎症因子药物2021年也已进入临床研究，暂未见临床数据报道。UCSF教授James A Wells等人开发了一种通过小分子控制双特异抗体的技术平台T-LITE(15）。2021年，基于该技术的Soteria宣布获得4200万美元的A轮融资。Soteria利用小分子控制的双特异抗体，致力于开发下一代更加安全可控的双特异性T细胞接合器，用于治疗实体瘤。病毒，细胞和肠道菌算是更加高级的活体药物（Living Medicine）。这种升级的活体药物同时也是各种药物技术组合的平台。溶瘤病毒（Oncolytic virus）是一类能选择性感染和杀伤肿瘤细胞的治疗病毒，而且同时激发免疫反应攻击残余的肿瘤细胞。2005年，用于治疗晚期鼻咽癌的溶瘤腺病毒药物率先在我国获批。2015年，美国FDA批准了T-VEC用于治疗黑色素瘤患。2021年6月份日本有条件批准了Daiichi Sankyo的一款溶瘤病毒产品DELYTACT，用于治疗恶性胶质瘤。目前，上市的溶瘤病毒药物的临床疗效一般。当前的发展趋势是，利用病毒作为载体，插入PD-1，炎症因子等免疫药物的基因，形成病毒和免疫蛋白药物的组合。目前，已有多款新型溶瘤病毒产品进入临床研究，包括CAN-2409/Candel，MVR-C525/亦诺微，VG161/复诺健，RIVAL-01/ Turnstone，BS001/滨会生物等。抗体和细胞技术组合的CAR-T在肿瘤领域取得了巨大成功。CAR-T面临的问题包括实体瘤效果差，炎症因子风暴和神经毒性以及个性化导致的高成本。这恰恰也是细胞疗法创新和发展的方向。 具有归巢能力的TCR-T、TILs和γδT等有望突破实体瘤，而通用型CAR-T和iPSC来源的NK细胞（Fate，CAR-NK）可以像传统药物一样批生产从而大幅降低生产成本。也有公司尝试各种新的生产技术比如“cell squeeze”（SQZ）和细胞快速扩增纯化技术等实现成本的降低。另外，Treg细胞（GentiBio，I型糖尿病）、NKT（Athenex）和巨噬细胞（Carisma，CAR-M）等其他免疫细胞也成为细胞疗法的目标，已经进入早期临床研究。细胞的体外基因编辑，以及与小分子，单抗和核酸技术的组合也是细胞疗法的发展趋势。2021年12月30日，美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心的研究人员报道了一种新的CAR-T技术——SEAKER细胞（synthetic enzyme-armed killer cells）。这种CART与肿瘤细胞结合后分泌一种酶，可以水解小分子毒素的前药，实现选择性杀伤肿瘤细胞(16）。降低细胞疗法成本的最新技术是一种基于mRNA的瞬时改造技术，也就是用LNP技术递送mRNA在体内直接改造细胞。美国宾大科学家1月份在《科学》杂志上发表了一项开创性工作，他们向小鼠体内注射mRNA，对患心衰的个体进行体内T细胞的改造，实现了瞬时CAR-T治疗，成功修复了小鼠心脏的功能(17）。最近，Carisma宣布与mRNA巨头Moderna合作，开发基于mRNA的瞬时CAR-M技术。干细胞技术中，造血干细胞移植最为成熟，广泛应用于贫血和输血。间充质干细胞（MSC）治疗自免、肝病、肾病、心血管等诸多疾病处于临床试验阶段。MSC修复组织和抗衰老作用暂时还缺乏严谨的证据。神经干细胞在学术界一直饱受争议，离真正的应用还有一段距离。胚胎干细胞（ESC）理论上是最理想的干细胞，但受到来源和伦理的困扰。值得注意的是，干细胞技术也有安全性的问题，操作中任何环节不到位，都可能损害患者的健康，比如干细胞导致眼疾病人失明的消息时有报道。当前，诱导多能干细胞（iPSC）最受重视，有望解决干细胞的来源问题。难点在于保障iPSC的存活状态和形态功能。iPSC和ESC一样，必须体外培育成合格的分化细胞后才能使用，否则容易失效或致瘤。iPSC分化的T细胞和NK细胞是细胞免疫疗法的热门方向。iPSC技术用于其他特定疾病治疗也处于临床研究阶段。与前面提到的瞬时CAR-T技术类似，干细胞技术发展的一个最新方向是避免体外人工制备细胞这一步。直接注射“山中因子”，在体内将衰老细胞变为年轻细胞。2020年，哈佛大学David·Sinclair课题组在Nature发表重磅研究，他们运用部分iPSC技术，避免使用“山中因子”中可能致癌的c-Myc，用AAV技术给小鼠眼部注射Oct4、Sox2和Klf4三个因子(18）。老龄小鼠的青光眼、失明直接被逆转，且视网膜DNA甲基化模式回归年轻状态。持续治疗数周没有发现mTOR激活和肿瘤发生等副作用。mRNA技术当然也可以应用于干细胞因子的替代和体内递送，Moderna等公司在再生医学领域也做了重要布局。人类其实是一种与细菌共生的体系。肠道菌是当前生物学研究的重点，其种类和代谢产物几乎对生命的各个环节都有调节作用，与疾病高度相关。2022年，Douglas Hanahan教授更新了著名的癌症十大特征（Hallmarks），将肠道和肿瘤内部的细菌列入癌症新的特征之一(19）。细菌作为一种活体药物，也有产品进入临床研究，但效果不尽人意。2021年，Forte公司治疗特应性皮炎的粘膜玫瑰单胞菌药物FB-401 2二期临床失败，股票暴跌80%。Seres治疗艰难梭菌感染的肠道菌药物SER-109曾获得过FDA的突破性疗法，但也在样本量放大的二期临床中折翼，没有达到临床终点。Flagship孵化的纳斯达克上市公司Kaleido最近也中止了治疗COPD的肠道菌药物KB109的二期临床试验，股价跌去峰值的90%。可能还是像中药一样，体系过于复杂，我们还不能完全理解其中的科学原理。肠道菌的基因组学和代谢组学的深入研究有望推动这一领域的发展。最近，基因编辑改造的、猪的心脏和肾脏移植人体在美国获得初步成功，获得媒体的高度关注。基因编辑可以解决猪内源性病毒和免疫排斥的难题，华人科学家杨璐菡是这方面的开拓者之一，其创立的公司包括eGenesis和杭州启函生物。某种意义上，基因编辑的动物器官和干细胞3D打印的替换器官也算是一种高级药物。这些技术属于器官移植范畴且处于早期探索阶段，这里就不再展开讨论。
03
药物发现赋能技术
1.人工智能（AI）
AI预测蛋白质的三维结构被评为2021年《科学》杂志的十大科学突破之首。DeepMind团队开发的AlphaFold2模型在第十四届国际蛋白质结构预测竞赛（CASP14）上一鸣惊人，预测的准确度几乎可以与冷冻电镜的实验结果相媲美。目前，DeepMind与EMBL-EBI联合开发的蛋白结构库在过去的一年内囊括了人类和其他27个物种的蛋白质结构，总数超过35万个。其他预测模型还包括华盛顿大学David Baker教授研发的RoseTTAFold、百度的PaFold、腾讯的tFold以及华深智药的新一代结构预测平台HeliXonAI等。蛋白结构预测让AI技术在分子层面上触及了生物学的本质，使得已经火热的AI制药在2021年火上浇油，大额投资和跨国公司合作的消息层出不穷。泡沫式的AI热度也让不少专家开始反思，人们是不是过于乐观了？从投资的力度和大公司的交易来看，这一轮AI制药热有点类似2003年核酸药物的第一次高峰。人们总是希望通过一项革命性技术一劳永逸地解决生物制药的问题。在深不见底的人体生物学面前，这显然是不太现实的。蛋白结构的精确预测固然令人惊叹，但也没有创造全新的生物学洞见，而只是一种将已有蛋白结构信息和各种尝试过的预测想法集合在一起的工程化算法系统。AIphaFold2在算法上构架了两条轨道（track），一是包含氨基酸残基和共变化的多序列对比，二是氨基酸残基之间的三维空间距离。AIphaFold2运用基于自注意力（self-attention）的变换神经网络（transformer neural network）将两条轨道联通，使得氨基酸序列和空间结构的信息可以互相传递和影响。经过两条轨道交互处理的信息传递到一个以肽键几何构型为核心的结构模块上，自动生成蛋白质的三维结构从而实现了所谓“端到端”的训练和预测。AIphaFold2是各种独立的预测小点子堆砌，每一个点子都贡献了一小点提高，这种极度工程化的系统后续很难有革命性的提高。如果要突破AIphaFold2框架，需要另辟蹊径。而且，每一次算法更新需要对应地更新庞大的蛋白质数据库，非常费时费力。另外，现有蛋白质预测模型与AI技术在生物制药其他环节的应用一样面临数据缺乏的困境，很难突破真实蛋白质数据库PDB限定的边界。比如，AlphaFold2的置信度打分与PDB中存在目标结构的同源体（homologs）显著相关。令人遗憾的是，PDB数据库中包含比较少的、与药物发现高度相关的蛋白质-配体复合物结构，这让基于蛋白预测的药物发现举步维艰。另外，AI目前还不能准确预测动态和无序的蛋白结构、蛋白-蛋白相互作用，与RNA和DNA的结合，突变的影响等。突出困难不代表否定AI在生物医药领域的潜力，汽车刚开始可能也比马车跑得慢。然而，对于生物制药这么一个庞大的复杂体系，技术变革不能急于求成。可以预见，AI技术会以润物细无声的方式逐渐渗透到疾病诊断、药物发现、数据分析、临床设计、生产制造和质量控制等各个环节。 AI与生物医药融合的一种方式是“锤子找钉子“，即先发展AI技术，再试图解决生物医药的某个痛点。这种方式在国内这一波的AI制药公司中比较常见。创始人一般是AI技术出身，名牌大学毕业的高材生。这些公司一般都配有生物制药经验丰富的高管团队，但对制药痛点的把握比较泛而不深，通常包括蛋白质结构预测，小分子药物、抗体和核酸序列设计，理化性质和毒性预测等。相当一部分公司也没有真正的核心算法，同质化竞争的现象比较严重。欧美近年来的趋势是“钉子找锤子“，也就是新技术的“AI+”。前面提到的Eikon公司就是先构建蛋白运动的大数据再发展自己的AI技术。2021年11月9日，张锋创立的Arbor宣布完成2.15亿美元的B轮融资。这家公司主要是利用AI技术筛选基因编辑酶，目前已发现数十个DNA核酸酶（Cas12h，Cas12i），RNA核酸酶（Cas13d，Cas12g，III-E型）和转座酶（Tn7-Cas12k）。2月8日，国内公司博雅基因宣布与Arbor达成合作协议，以利用Arbor全新的基因编辑工具开发肿瘤细胞疗法。2月份，生物相变公司Dewpoint宣布完成1.5亿美金的C轮融资，主要用于建设AI驱动的生物凝聚物数据平台。Moderna最近发表了利用深度学习快速鉴定稳定性和活性兼顾的代谢酶的文章(20）。这项工作显然来自他们mRNA药物AI发现平台。各大跨国公司也在通过自建和合作不断夯实自己的AI平台。2.药物递送技术
递送技术是药物开发的“最后一公里”，有时直接决定一个新药或者一项新技术的成败。核酸药物和疫苗的成功就是得益于脂质纳米颗粒（LNP）和GalNac偶联技术的日益成熟。最近，张锋和刘如谦相继发表了各自实验室开发的病毒样颗粒（VLP）递送技术。张锋团队注意到逆转录病毒样蛋白PEG10能够与自身的mRNA结合并在其周围形成球型保护囊，将其改造成包装和递送mRNA的通用递送系统（SEND）。该系统成功地将基因编辑工具递送到小鼠和人类细胞中并完成了目标基因的编辑。SEND来自人源病毒，与现有的病毒载体和脂质纳米颗粒相比，所引起的免疫反应更小(21）。刘如谦实验室研究了影响VLP递送效率的几个特性，然后通过工程化设计改造颗粒结构，优化了生产、携带和释放分子货物等步骤。新的VLP系统可以高效地将基因编辑工具递送到动物体内的细胞中进行相关疾病的治疗(22）。VLP也可以应用于类似于ADC的偶联递送（VDC药物）。2017年拉斯克奖获得者John T. Schiller等人发现HPV病毒颗粒能选择性地与肿瘤细胞表面的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPG）结合。Schiller创立的Aura公司2021年获得8000万美元的投资并成功登陆纳斯达克，其第一款药物AU-011通过VLP偶联了一种可被红外光激活的强效细胞毒药物。被激活后，AU-011可产生高水平的单线态氧，选择性破坏肿瘤细胞并激活免疫系统产生抗肿瘤反应。2021年，哈佛大学George Church等人创立的Dyno获得了近1亿美元的A轮融，该公司通过机器学习和高通量筛选建立了AAV衣壳蛋白改造的平台。最近发表的一项研究显示，他们从AAV2野生型序列的一个28个氨基酸片段获得了110,689个工程衣壳，变种数超过了天然AAV序列的多样性(23）。AAV2衣壳是首个获得FDA批准的基因疗法的递送系统。AI赋能的AAV设计可以达到以前无法到达的序列空间，有望克服目前DNA递送载体的局限性，从而推动基因疗法的快速发展。哈佛医学院另一位教授Lon Vandenberghe创立的Affinia则是利用新型的AAV9系统开发肿瘤和罕见病药物，目前产品仍处于临床前阶段。2021年Flagship孵化的Ring Therapeutics宣布完成1.17亿美元的B轮融资。Ring的核心技术是基于指环病毒（Anellogy）的递送系统。这类病毒在细胞内停留较长但不会激发免疫反应，使其成为可替代AAV的潜在给药系统。他们开发的工程化指环病毒携带单链环状DNA，入核后无法与其他DNA整合，从而降低了基因变异的风险。指环病毒的安全性如果在人体得到验证，将为基因疗法带来新的给药选择。LNP是最早产业化成功的RNA递送系统，2018年FDA批准的第一款siRNA药物Onpattro和mRNA新冠疫苗均采用了该项技术。LNP倾向于肝脏中累积而对其他器官的选择性较差。2020年，美国西南医学中心Daniel J. Siegwart团队报道了一种被称为选择性器官靶向（SORT）的技术，通过添加新的脂质分子改变LNP的摩尔组成和内部电荷，实现了RNA靶向肝、肺和脾等不同组织的特异性递送(24）。基于SORT技术的初创公司ReCode最近获得Pfizer领投的大额投资，用于开发靶向气管上皮细胞的基因编辑药物，治疗遗传性呼吸系统疾病PCD和CF。RNA是强极性分子，内吞进入细胞后一般卡在内吞体（endosome）当中，只有1%不到的分子能够逃逸进入胞内发挥作用。Siegwart团队2021年又开发了一种由新型磷脂（iPhos）组成的、具有强内吞体逃逸（endosome escape）性能的新型LNP递送系统（iPLNPs）。该系统显示了极高的体内mRNA递送和CRISPR/Cas基因编辑效率，而且通过iPhos化学结构和比例调控可实现器官选择性递送(25）。另外，Entrada公司的小环肽递送系统（EEV™）也宣称可以有效加强药物的内吞体逃逸。该公司2021年成功登陆纳斯达克，募集资金主要用于其EEV偶联核酸药物ENTR-601-44和ENTR-501的临床研究。2021年，初创公司GenEdit宣布完成2600万美元的A轮融资，专注开发非病毒、非脂质聚合物纳米粒子递送载体，并针对神经系统疾病开发临床候选药物。该公司的NanoGalaxy平台可以依据不同货物分子修饰新型聚合物的结构从而实现DNA、RNA或CRISPR核糖核蛋白复合体的组织选择性递送。 中枢神经系统药物的一个挑战是透过血脑屏障。2021年，武田与PeptiDream达成35亿美元合作，扩大多肽偶联药物研究合作。武田拥有靶向人转铁蛋白受体1（TfR1）的CNS递送系统，利用PeptiDream公司先进的多肽发现平台扩大合作范围，开发治疗神经退行性疾病的多肽偶联药物。Flagship参与投资的Denali号称拥有一项穿透血脑屏障的抗体递送技术（ATV），2018年即开始与武田合作开发CNS药物。然而，2022年1月份FDA拒绝了两家公司合作开发的旨在激活TREM2的AD治疗药物DNL919的临床申请，具体原因还不清楚。外泌体除了用于诊断，近年来也被广泛应用于药物递送。比如，天然蛋白质和脂质组成的外泌体可以穿过血脑屏障，是包裹CNS药物的理想载体。与AAV和LNP比较，天然的外泌体具有低毒性和低免疫原性的优点，并有一定的归巢功能和组织选择性。外泌体的生产和提纯是阻碍外泌体技术向临床转化的最大障碍。 纳斯达克上市公司Codiak的核心技术是利用蛋白PTGFRN和BASP1将目标蛋白锚定在外泌体的外侧或内侧，并使用色谱和过滤代替传统的超速离心方式，提高外泌体GMP生产的效率和纯度。Codiak构建了一系列针对肿瘤和神经疾病的药物管线，其中临床产品包括肿瘤免疫药物exo-STING 和exo-IL-12。2021年还有多家外泌体治疗公司获得大额投资以及与跨国公司合作的机会，包括Evox，ArunA Bio以及国内的唯思尔康和恩泽康泰等 空心的红细胞一直被研究作为治疗药物的载体。全球约有七家公司的技术发展相对成熟，其中Rubius、EryDel、EryTech、西湖生物医药等公司已有产品处于临床阶段。随着基因编辑技术的成熟，干细胞衍生的工程化红细胞递送技术获得快速发展。美国的Rubius是这一技术的开创者，公司重点布局了癌症和自免领域的产品。进展较快的产品包括抗肿瘤药物RTX-240、RTX-321和RTX-224，以及用于I型糖尿病的RTX-T1D。基于血小板的药物递送系统落后于红细胞，大部分产品仍处于临床前，领先的公司包括Plasfer、PlateletBio和Cellphire Therapeutics等。意大利公司Plasfer的血小板转移技术（PTTTM）能够在血小板里高效转染遗传物质 (mRNA、siRNA、microRNA、质粒DNA) 并递送到目标器官。3.核酸的化学修饰技术
化学修饰是解决核酸分子递送的重要一环，主要是让其稳定并躲避免疫系统的识别。核酸分子的修饰包括碱基，糖环和连接基团磷酸的改造。化学修饰对核酸的多方面性质有重要影响，包括稳定性，药代性质和碱基配位亲和力等。以mRNA新冠疫苗为例，化学修饰是影响产品效果最关键的因素之一。天然的mRNA分子不稳定且能激活Toll-like受体等免疫防御系统，一般需要通过5’端帽子结构（5’-cap) 、两端非转录区域（UTRs）和3’端polyA加尾信号的优化和修饰。美国宾夕法尼亚大学匈牙利裔女科学家Katalin Karikó长期致力于mRNA技术的研究，她于2005年发表的一项关键研究显示核苷修饰（m5C，m6A，m5U, s2U，pseudouridine等）可以抑制mRNA激活Toll-like受体（TLR3，TLR7和TLR8），为今天新冠疫苗的成功奠定了基础(26）。从现有的结果来看，Moderna公司在Katalin研究成果基础上改造的1-甲基假尿嘧啶是mRNA疫苗成功的关键。上市的两款疫苗都携带有1-甲基假尿嘧啶，不仅蛋白质表达水平较高，而且所引起的炎症反应也较轻。CureVac使用未修饰的核苷酸原意是利用核酸的免疫刺激增强疫苗的作用，然而非特异性免疫反应带来的严重副作用使得疫苗剂量难以递增，抗原蛋白表达效率低，最终导致保护率偏低(27）。表2：三家公司的新冠疫苗比较(27)
1. 100个新靶点-医药魔方Pro
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