基于秀丽体隐杆线虫和微流体芯片的化合物筛查系统
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与3个海外医健创新项目CEO对话
Newormics由德州大学奥斯汀分校Adela Ben-Yakar教授于2016年创建。Newormics的核心技术vivoCHIPTM是世界首部利用完整动物模型（whole animal model）进行高通量（high throughput screening）、高内涵（high content screening）化合物筛查的集成系统。该系统于2007年由美国国立卫生研究院（NIH）立项， Ben-Yakar教授及其科研团队负责研发，累计研发投入达到550万美金。vivoCHIPTM将填补当前医药研发领域中的关键技术空白，从而极大降低医药研发的成本和周期。Newormics将在创业初期与各大仪器厂商合作销售产品与配套服务，在进行技术积累、产品升级的同时，凭借独有的，基于完整动物模型的高通量、高内涵筛查服务在医药外包研发（CRO）市场占据份额。最终在技术、人才、市场等方面积累成熟后，我们将与药企合作展开药物研发业务。
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技术缺失导致新药研发困局：新药研发是长达10-15年，耗资逾20亿美金的漫长历程。而作为新药研发的第一阶段，活性筛选和临床前研究将花费约5年时间与10亿美金对海量化合物进行早期筛选。在预选的5000-10000种化合物中，只有约5种可以通过该阶段，并作为候选化合物进入临床试验。而90%的候选化合物将在临床试验中被淘汰。即使药物获批上市，也有可能因疗效不良、副作用过大等原因被召回。如此高企的淘汰率是新药开发成本居高不下的首要因素。而化合物在临床前和临床试验中遭淘汰的首要原因便是早期筛选低下的准确率。在早期筛选中性状优良的化合物，有很大概率会在动物或人体实验中，因毒性、药效或药代动力学等出现重大缺陷而被淘汰。据美国食药监局（FDA）估算，如果早期筛选的准确率提高10%，将为每个新药节约近1亿美金的研发成本。
早期筛选准确率低下的根源，在于完整动物模型高通量筛选技术的缺失。现有高通量筛选技术普遍使用离体细胞作为疾病模型，然而离体细胞不仅在生理性状上与体内细胞存在较大差异，更无法重现多数疾病的完整病理特性，也难以预测药物在体内的脱靶效应。因此在离体细胞试验中有效的化合物，很可能在动物模型或人体试验中被证明无效，甚至有毒副作用。为避免此类无效化合物浪费后期研发资源，业界已将剔除无效化合物作为早期筛选的重要目标之一。而实现该目标的关键，就是在药物研发早期引入更加贴近人体的筛查模型。然而当前用于医药研发的动物模型使用成本高昂，且其筛选速度远无法满足早期筛查对高通量的要求。解决该困局的紧迫性，及其背后巨大的社会经济效应，使NIH于2007年投入重金支持Ben-Yakar教授及其团队开发基于完整动物模型的高通量、高内涵化合物筛查技术。
破局的关键-秀丽体隐杆线虫：作为小型动物模型中的明星，秀丽体隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）是学术界最常用的模式生物之一。虽然线虫只有1mm长，但是却拥有许多有研究价值的组织器官（如消化道，神经系统等），其基因组与人类的同源性高达70%。加之身体透明、生命周期短（3周）、养殖成本低，迄今学术界对线虫的研究已经获得了大量重要成果，更产生了3个诺贝尔奖。针对线虫的研究成果已经大量转化到对哺乳动物，包括人类的研究中。而随着CRISPR-Cas9等基因剪辑技术的成熟，基因修饰（如注入人类致病基因）后的线虫变种也作为疾病模型被大量用于研究各种人类疾病，包括老年痴呆症、帕金森氏症、癌症等（图1）。
图1
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鉴于线虫在人类疾病研究领域的巨大潜力，Ben-Yakar教授提出基于线虫的高通量筛查系统将成为提高早期筛查准确度的关键技术（图2），以破除当前药物研发的困局。在化合物筛查阶段，相比离题细胞模型，线虫疾病模型可以为化合物提供与人体更加 47 32029 47 15231 0 0 2928 0 0:00:10 0:00:05 0:00:05 3046近的生理、病理环境，同时还可以提供多种毒理信息，从而在凸显高活性化合物的同时，及时淘汰在体内无效或有毒的化合物。在临床前研究阶段，相比organoid、iPS细胞和其他动物模型，线虫模型在本身的成本优势之上，也将通过我们的vivoCHIPTM技术获得其他动物模型无法企及的高通量。因此，Newormics将在筛查和临床前研究中对现有技术形成巨大优势，而我们竞争力的核心便是vivoCHIPTM技术。
图2
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vivoCHIPTM：作为世界首部可以利用完整动物模型进行高通量、高内涵化合物筛查的集成系统，vivoCHIPTM由微流体芯片（及密封控制组件），高分辨率成像系统以及图像自动采集－分析软件组成（图3，专利号US20160016169 A1）。微流体芯片上表面采用与96/384孔试剂板相同结构，可以利用移液机器人完成自动加注。经不同化合物处理的线虫群组将被分别加注到各个孔中，随后密封组件将启动加压程序并将线虫压入各孔底部的微流体通道阵列。通过优化微流体结构以及加压程序，我们可以在5分钟内将超过10000只线虫以利于成像的角度固定在微流体通道中直到成像完成。随后，光学成像系统将在软件自主控制下，于15分钟内完成对各个群组的三维成像。该系统可以达到亚微米分辨率，并可对多种荧光蛋白信号进行多色成像，以保证对微弱表型的有效区分。最后，图像分析程序将在10分钟内自主完成图像分析、数据统计等步骤，并返回用户要求的数据。vivoCHIPTM在2-3周内完成的筛选量，传统的线虫筛选手段需要花费一年以上才能完成。
图3
作为初步验证，我们已经针对亨廷顿舞蹈症完成了对1000种FDA认证化合物的筛查（Z’factor=0.8），并发现了4种候选化合物（结果发表于nature communications）。其中dronedarone HCl显示出了明显的剂量反应（图4）。值得注意的是，在我们的筛选中显示出毒性的geldanamycin，在其新药研发过程中通过了临床前试验，但在临床试验中由于体内毒性遭到淘汰。而其改进型化合物17-AAG则在我们的筛选中没有产生毒性。这直接证明了使用完整动物模型进行早期筛选的必要性。与此同时，我们也与德州大学奥斯汀分校的Stephen Martin教授合作，对阿兹海默症进行了新颖化合物的活性筛选。我们发现一种新颖的norbenzomorphan具有较好活性。在之后的小鼠疾病模型验证中，该候选化合物被证明可以有效缓解小鼠的认知障碍（结果尚未发表）。
图4
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商业计划：目前Newormics团队拥有核心成员5名，在未来的一年中，我们将继续招聘一名实验室经理、两名线虫生物学家和一名软件工程顾问。2017-2019年，Newormics将与各大仪器厂商合作销售实物产品与配套服务，包括已经定型的4孔芯片以及96孔芯片。我们已经与Molecular Devices达成初步合作销售意向，并在中国积极寻求芯片生产商。在进行技术积累、产品升级的同时，2018年起我们将开展化合物筛查业务，为医药研究领域提供多种线虫疾病模型的筛查服务。而通过设计定型新的微流体芯片，我们也将把可筛查范围扩至斑马鱼、organoid等其他生物模型。Newormics已经和众多学界、业界机构建立合作意向，获得了极好的市场反响，其中包括Eli Lilly，Calico，Perlara，Bulk Institute，Brown University，EnBiome等知名机构。最终在技术、人才、市场等方面积累成熟后，我们将在2019年前后与药企合作展开药物研发业务。Newormics将自主开展活性筛查以及临床前研究，并将候选化合物交付合作伙伴进行临床试验。
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