问题:2021年9月

基因治疗-解决难题:调整基因治疗的各个环节并为患者创造成功


介绍

用两个词来说,“基因治疗”一词包含了多种关键元素,这些元素对于将遗传物质输送到靶细胞以治疗或治愈疾病至关重要。这些元素中的每一个都为开发基因疗法的公司带来了挑战和机遇。由于安全问题、受影响细胞类型的靶向性差或表达不足以达到预期的生物效果,每个元素都可能成为潜在的失效点。另一方面,可以优化安全性和有效性的独特专利技术可以实现转基因工程或载体开发的差异化方法,从而提供临床、监管和竞争优势。最终,对载体生物学、基因工程、制造业和未满足患者需求的理解的无缝整合对于开发具有巨大临床和商业潜力的变革性疗法至关重要。

在着手开发新的基因疗法时,重要的是要记住,通往商业市场的最直接路线可能不是一条直线。虽然利用现有的载体和启动子似乎可以提供一个减少开发时间和风险的机会,但现实是,如果要在特定疾病的背景下提供最佳性能,有效的基因治疗必须从基础上建立在个案基础上。本文将回顾在开发安全、有效和商业上可行的基于病毒的基因疗法时必须结合起来的各种因素。

病毒载体

病毒载体是基因治疗的基础,因为它们衍生的病毒已经进化了几百万年,以高效率地将遗传物质送入人类细胞。然而,病毒感染的细胞类型、进入细胞的效率、它们在受感染细胞内的存活时间、它们能传递的基因有效载荷的大小以及它们激活宿主免疫反应甚至导致疾病的程度各不相同。载体制造的难易程度也高度依赖于病毒类型。

每种载体都具有独特的特性和优点,必须与特定的疾病适应症和所需的生物活性仔细配对。

例如,腺病毒载体提供了相对较大的有效载荷容量和易于制造,但也有可能触发强大的免疫反应,从而导致严重的、甚至致命的炎症反应。大多数腺病毒亚型对呼吸系统中的细胞具有嗜性,而其他亚型则能有效地转导肾、肠或眼细胞。腺病毒载体的作用也是短暂的,虽然在某些有限的情况下可能是有益的,但在遗传或慢性适应症的情况下需要持续治疗,从而加剧了有问题的免疫反应的趋势。慢病毒载体提供了相对较大的有效载荷容量,能够处理快速转换的细胞,并且可以被设计成对广泛的靶细胞具有取向性。然而,与腺病毒和腺相关病毒(AAV)载体相比,它们可以整合到宿主细胞DNA中,导致对其他重要基因的潜在干扰和转导细胞的不必要改变。慢病毒载体还可刺激先天性和适应性免疫反应,从而限制疗效并可能引起炎症。AAV载体的有效载荷能力更有限,制造要求更复杂,但多种血清型,加上对启动子和其他DNA调节元件的仔细选择,允许将载体靶向特定组织。此外,目前还不知道AAV会引起任何人类疾病,与其他病毒载体相比,AAV具有潜在的安全优势。

那么,选择哪一个呢?这取决于正在开发的基因疗法所针对的疾病的治疗需求。例如,AGTC将基于AAV的工程载体用于其遗传性视网膜疾病(IRD)计划,因为与腺病毒和慢病毒载体相比,在大多数情况下,它们能够适应需要传递的基因的大小,并降低炎症的可能性,这对于治疗眼部疾病尤其重要,因为炎症可能会干扰视觉功能和造成长期损害。有多种AAV血清型可用于根据给定适应症的生物学需要以高转导效率靶向特定细胞类型,并且AAV衣壳也可被工程化,以提高具有天然取向的细胞的转导效率,以及转导额外的细胞类型。例如,AGTC利用工程AAV载体(AAV-TYF)进行X-连锁视网膜色素变性(XLRP)和色盲症(ACHM),该载体已优化用于非人类灵长类感光细胞的转导。

启动子元件

基因治疗的预期治疗效果也指导启动子的选择。启动子是控制基因在细胞中表达的DNA调控序列,可以根据组织特异性、是否具有组成性活性或对生理信号有反应以及它们所驱动的表达水平来选择启动子。同样,我们的目标是构建一种在靶细胞中表达适当水平蛋白质的载体,并将非靶细胞中的表达降至最低。鉴于单个载体可能对多个组织或器官系统内的多个细胞类型具有取向性,启动子元件在更精确地将表达靶向特定细胞类型方面起着关键作用。要旨衣壳蛋白和启动子可以结合在一起,以最大限度地在多种细胞类型中表达,或根据所传递基因的生物学特性和靶向疾病指示,将表达限制在特定细胞中。

例如,AGTC目前正在开发基于AAV的XLRP和ACHM基因疗法,这两种疗法都是IRD。AAV-TYF能有效地转导视网膜内的视杆细胞和视锥细胞,但只有视锥细胞在ACHM的病理学中起作用,用于视杆细胞中的ACHM治疗的基因表达可能是有害的。因此,ACHM载体利用锥体特异性启动子来限制锥体细胞的表达,即使该载体转导杆状细胞,这将消除由非靶基因表达引起的安全问题。相比之下,XLRP结构使用的启动子在杆状细胞和锥状细胞中都是活跃的,因为这两种细胞类型都有助于XLRP疾病的病理学(图1)。

启动子选择对于将基因表达靶向适当的组织至关重要,这反过来又对提高安全性和疗效至关重要。感光细胞特异性GRK1启动子(左)在视杆细胞和视锥细胞中均激活,而PR1.7启动子仅在视锥细胞中激活(右)。基于这些表达模式,GRK1和PR1.7启动子分别适用于治疗XLRP或ACHM的基因治疗。

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转基因考虑

除了优化传递和表达以解决疾病的分子基础外,转基因本身在基因治疗的安全性和有效性方面起着关键作用。在这里,理解特定适应症的生物学对于定义指导转基因选择和工程的参数至关重要。在某些情况下,治疗活动可能需要产生与野生型蛋白质具有绝对保真度的蛋白质的转基因。在其他情况下,转基因可能受益于密码子优化,从而产生具有增强表达和/或稳定性的蛋白质(图2,左图)。根据治疗基因和载体有效载荷能力的不同,转基因可能还需要进行工程改造,使其更小,但仍能产生提供治疗益处的蛋白质(图2,中心)。

例如,目前评估Duchenne肌营养不良症(DMD)基因治疗的临床项目编码了较小版本的肌营养不良蛋白。这是因为野生型肌营养不良蛋白基因是人类基因组中最大的基因之一,对于目前可用的任何病毒载体来说都太大了。因此,DMD基因疗法使用小型或微型抗肌营养不良蛋白基因,这些基因经过工程设计以保留关键功能。虽然还没有关于这种方法的安全性和有效性的长期数据,但初步证据表明,这些较小的基因可能为DMD患者提供功能益处。

或者,双载体系统可以提供当前病毒载体系统无法包装的大型多结构域蛋白质。这样的系统可以传递更大的基因,如斯塔加德特病的治疗基因ABCA4。这可以通过将DNA分裂成两个片段来实现,这两个片段在一端共享一个重叠区域,将片段包装成单独的载体,然后将两个载体传送到单个细胞。一旦进入细胞内,每个基因片段中的重叠区域将介导DNA重组以创建全长基因序列(图2,右图)。这种重组的效率受到所选特定序列的高度影响,需要在适当的动物模型中进行测试和证明。同样,载体和启动子的选择对于确保完整的蛋白质在靶细胞中高效表达也很重要。

基因盒修饰可以提高表达和稳定性。左图:在密码子优化中,优化DNA序列以增强全长蛋白质的稳定性和表达。中心:转基因可以被设计成产生一种比天然蛋白质更小的蛋白质,同时保持基本的生物活性。右图:双载体可用于将DNA序列分成两部分,在细胞内重组以产生具有所需生物活性的蛋白质。

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病媒管理

除了载体成分本身之外的其他因素也可能在基因治疗的安全性、有效性和商业可行性方面发挥重要作用。病媒管理的途径就是这样一个因素。基因疗法可以通过视网膜下或玻璃体内注射来治疗眼部疾病;通过中耳圆窗治疗耳科疾病;通过注射到脊髓或直接注射到脑室来治疗神经疾病。在每一个例子中,给药途径可能对实现治疗效益所需的总剂量、针对特定细胞类型或亚型的能力以及给药的简单性与复杂性产生影响。此外,更复杂或更具侵入性的给药途径可能会对希望接受治疗的患者构成障碍,尽管这对于有其他有效治疗的适应症来说可能是一个更大的问题,而对于基因治疗将是一个重大新进展的疾病来说则可能是一个更大的问题。新的给药途径可能还需要用于提供基因治疗的设备的可用性和测试。因此,给药途径是基因治疗难题中的另一个重要组成部分,应在开发的早期阶段予以考虑,以确保给药途径和治疗已优化,可同时使用。

制造业

载体、启动子和转基因的战略选择对于基因治疗的安全性和有效性至关重要,而稳健的制造过程对于商业成功和广泛的患者访问至关重要。可在生物反应器系统中执行的可扩展过程类似于几十年来用于生产各种蛋白质和抗体疗法的生物反应器系统,可实现经济高效的制造,以满足小的罕见疾病适应症,如IRD,同时提供支持大市场基因疗法开发的能力,如年龄相关性黄斑变性。基于生物反应器的方法也减少了对手动组织培养过程的需要,这会带来操作员错误或污染的风险。

基因治疗制造业面临的一个关键挑战是平衡“速度需求”与满足监管要求并支持商业用途的工艺开发。许多基因疗法最初是在学术实验室开发的,使用小规模的生产方法,适合于临床前研究,甚至可能有足够的产量用于小规模1期试验。然而,这些工艺对于后期临床开发或商业制造而言不够稳健。商业规模的基因治疗制造需要在工艺开发、设施建设或合同制造方面进行大量投资。公司必须在早期投资于可能无法保证持续开发的项目和等待候选产品接近批准和商业化之间取得适当的平衡,这可能会推迟后期试验的启动。

基因治疗制造工艺的设计还必须确保高产量的载体具有完整的基因盒包装,空载体数量有限,并有效去除残留的原材料,如宿主细胞蛋白质和DNA。自开始其AAV制造工作以来,AGTC显著提高了其工艺的生产率,从而使目前的工艺有可能将销售成本降低90倍。此外,该工艺产生90%的完整衣壳和无法检测到的残余原料。这对于通过提供具有最低总病毒载量且无可能导致副作用或毒性的杂质的治疗剂量实现优化剂量非常重要。

载体表征是制造业的另一个关键要素,因为它确保了成品的安全性、有效性和效力。监管机构将重点放在确保基因治疗的安全性、质量和可重复性上,就像他们放在临床安全性和疗效上一样。举例来说,2020年9月,美国FDA要求Sarepta在公司计划的DMD基因治疗第3阶段试验中,在给药之前,使用额外的药效试验释放商业工艺材料。这一要求强调了载体表征作为开发基因治疗的内在组成部分的重要性。

询问专家

安全、有效和成功地组装基因治疗难题的各个部分还需要另一个关键因素——疾病特异性专业知识。如前所述,载体、启动子、转基因和给药途径的选择必须着眼于最佳解决特定基因治疗设计用于治疗的疾病生物学问题。这只能通过那些真正的疾病专家的洞察力来实现。

对于规模较大的生物制药公司,此类专业知识可能存在于内部,并可与内部基因治疗研究和开发工作相结合。较小的公司可以通过战略伙伴关系和协作,协同利用互补的专业知识和技术,实现相同的目标。对于AGTC来说,这意味着建立与仿生视力和耳科学的合作,分别开发视力丧失和耳科疾病的基因疗法。在每一种关系中,AGTC提供基因治疗开发方面的专业知识,而合作伙伴则提供光遗传学(仿生视力)或遗传性听力障碍方面的专业知识。这允许根据疾病生物学和期望的治疗结果,为每个适应症开发优化的(耳蜗学)载体和给药策略。

值得解决的难题

在连续统一体的每一步都有不同的因素和选择,发展基因疗法的道路可以被视为充满了多重障碍和复杂性。然而,一种勤奋、数据驱动和以患者为中心的方法来引导这条道路,为真正推进和改变急需解决的严重疾病的治疗提供了独特的机会。由于有可能优化基因治疗发展的各个方面,以优化安全性、疗效和患者结局,我们不能接受任何不足。从成功的基因治疗发展中获益的患者肯定不会。

苏·洗衣机是AGTC的总裁兼首席执行官,在雅培实验室和礼来公司拥有十年的药品管理和研究经验,在创业公司(包括三家初创公司)拥有超过26年的高级管理经验。在AGTC,她为AGTC获得了超过2.9亿美元的私人和公共投资,与顶尖生物技术公司谈判并完成了两项重大合作,产生了超过1.5亿美元的现金流,并领导AGTC高效完成了关键的科学里程碑。她是美国证券交易委员会小企业资本形成咨询委员会的任命成员,也是ECSGB Bio董事会副主席,目前担任Bio和BioFlorida董事会成员。她获得了密歇根州立大学生物化学的本科学位和佛罗里达大学的MBA学位,她是沃灵顿商学院创业计划的首批毕业生之一。

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