“黑科技”问世!改变细胞和基因疗法规模化生产的格局

2022-05-17 07:50:36 上海 药明康德
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▎药明康德

编者按:人类历史上每一次颠覆性的技术革新,都会带来生产力的大解放,从根本上改变社会的发展轨迹。当新一代的技术悄然问世,曾经阻碍创新的壁垒被率先击穿,产业变革的前奏就已然吹响。

突破创新——新一代技术TESSA™的问世

基因疗法问世以来,人类多了一种前所未有的对抗疾病的“武器”。许多书写在生命遗传物质“天书”中的疾病,自此有了纠错和弥补的希望。

药明康德旗下专注于细胞和基因疗法的CTDMO药明生基首席科学官Ryan Cawood博士在2022年药明康德健康产业论坛上作出提醒:“目前,细胞与基因疗法仍然造价高昂,且仍然只对一些有限的患者群体可及。由于生产瓶颈的存在,使得这些技术难以提供给广泛疾病队列中更庞大的患者群体。”

如何变革传统的制造工艺,突破当前规模化生产的瓶颈,成为产业亟待解决的挑战。

▲基因疗法(图片来源:FDA官网)

作为一种通过改变人的基因来治疗或治愈疾病的技术,基因疗法可以通过以下几种机制发挥作用:

  • 用健康的基因拷贝替换致病基因

  • 让不能正常工作的致病基因失活

将一种新的或修改过的基因导入体内以帮助治疗疾病


基因治疗过程中不可避免的会发生基因的“运输”,所采用的工具形象的称之为“载体”。 这是一种先进的重组腺相关病毒(rAAV)载体生产工艺,由药明生基英国全资子公司OXGENE自主研发,通过大幅提升rAAV载体的生产规模,降低细胞和基因疗法的生产成本,从而有望改善基因疗法的患者可及性。

TESSA™技术的问世,将为基因疗法的研发和生产带来怎样的改变呢?

审视当下——rAAV载体规模化量产为何两难?

rAAV源自于对野生腺相关病毒(AAV)的人工改造。相比其他载体,重组腺相关病毒(rAAV)由于安全性好、宿主细胞范围广、免疫源性低,在体内表达外源基因时间长等特点,被视为最有前途的基因转移载体之一。目前在研的许多基因疗法,都采取了rAAV载体策略。这就意味着在实际的患者治疗中,需要大量高品质的载体交付。

“在自然界中,AAV的生产方式非常高效,几乎每一个AAV颗粒中都会含有基因组。”药明生基首席科学官Ryan Cawood博士在Cell & Gene Therapy Insights的访谈中表示。

但问题随之而来,AAV之所以称为腺相关病毒,是因为在自然界中,它往往作为腺病毒的伴随病毒存在,不能独立复制,需要依赖腺病毒的辅助才能完成。AAV通常不具有致病性,而腺病毒却具有极高的免疫原性,进入人体后的安全性仍有巨大争议。

腺病毒在辅助AAV扩增的时候,也会进行自我的复制,因而在整个工艺中,产生目标rAAV的同时,也会产生相当数量的腺病毒“杂质”,需要在下游工艺中为纯化rAAV付出巨大的努力,这无疑增加了额外的步骤和成本。

因而,时下主流技术是采用质粒转染(plasmid transfection)的方式生产rAAV。在自然界中,质粒通常存在于细菌中,是一种很小的环状或者线状的双链DNA。作为独立于染色体外的一种基因存在形式,质粒可以在不同的细菌之间转染传递携带的DNA,因此,是一种非常好的基因传递工具。经过改造的质粒能够将AAV复制的必要基因组转染到生产载体的“细胞工厂”内,从而在没有腺病毒辅助的情况下进行rAAV的生产。

虽然质粒转染的方式避免了腺病毒的引入,从工艺上避免了相关的不安全因素,但局限在于很难放大规模。质粒的生产工艺规模通常限制在200L-500L左右。由于多种质粒需要在短短数秒的时间内将目的基因导入“细胞工厂”中,因此,随着规模增大到一定程度,质粒与细胞间难以在瞬间完成较为充分的混合,“细胞工厂”内不同种类的“质粒生产线”设备难以配套,从而使得不含基因组的rAAV空壳率增加,或虽然携带目的基因,但作为载体的转染效能不高,难以获得很好的基因治疗效果。

“当使用质粒转染工艺时,实际上在某些血清型中仅有2%-5%含有目标基因组。” Ryan Cawood博士补充道。与小规模研发不同,大规模生产阶段,这种较低的成功率将大大影响载体的质量和成本,难以忽略不计。

由于基因治疗产品必须达到一定的剂量才能实现理想的治疗效果,因此,传统的质粒工艺往往一次生产只能满足一位患者的治疗,具有较高的成本;而TESSA™技术可以实现通过一次性生产,满足更多患者的治疗需要,从而有望降低基因治疗的成本,提升患者的可及性。

精准调控——将腺病毒打造成“最强辅助”

当创新之路上出现棘手的问题时,需要直面挑战。悬而未决的难题本身往往就是突破口。TESSA™所提供的解决方案很好的诠释了这个观点——它勇敢地选择了来自“自然界”高效的rAAV生产模式,却又巧妙地将腺病毒的污染降到了最低。

TESSA™技术首先以担任“辅助”角色的腺病毒作为突破口。根据DNA复制过程,腺病毒的生命周期可分为早期和晚期阶段。早期阶段主要产生高保真、高滴度AAV生产所需的“辅助工具”,晚期阶段主要生产腺病毒结构蛋白,自组装后就成为了影响AAV载体安全性的腺病毒“杂质”。

因而,TESSA™技术充分利用了腺病毒的生命周期,对此进行了严格调控,激活其早期阶段的基因表达,关闭晚期阶段的基因表达,在充分行使“辅助”功能的同时,又不能进行自我复制。改造后的腺病毒成为了优秀的“rAAV生产助手”,它能够感染细胞,使得细胞转变成一个rAAV的“生产工厂”,然后进入自我“沉默”,从而在rAAV高效量产的同时,充分降低腺病毒对rAAV产品污染,有效抑制了rAAV 生产过程中99.999-100%的腺病毒的产生

TESSA™,全称Tet Enabled Self Silencing Adenovirus(四环素自沉默腺病毒技术)。 研究人员在重组腺病毒的主要晚期启动子(Major late promoter,MLP)中插入了一个四环素阻遏(tetracycline repressor,TetR)结合位点,使得其在没有四环素存在的条件下仅能完成早期表达。

研究人员进一步将AAV的Rep和Cap基因稳定整合到TESSA™中。Cap基因编码rAAV的衣壳蛋白,Rep基因则参与复制和整合,二者对于rAAV的复制和包装具有决定性作用。整合后的TESSA™可同时高效递送rAAV复制所有必要的组分,成为能够高效进入“细胞工厂”的 “一站式生产线”,显著地提升了rAAV的产率、实心率和转染能力。

▲TESSA pro 与TESSA 2.0 生产rAAV示意图

rAAV有多种血清型,我们以其中的rAAV2亚型为例(见下图)。与依赖质粒的无辅助系统相比,使用TESSA™技术生产rAAV2可使载体产量增加约40倍;在质量方面,AAV载体让细胞带有目的基因的转染能力累积增加超2400倍以上(基于TESSA™技术,含基因组的rAAV2可发生转染率为1/6,而基于质粒转染技术,该比例为1/1200);此外,rAAV载体的包装效率也得到了显著的提升,载体的实心率(衣壳内含有基因组)由2-5%增至70%

TESSA™技术不仅仅是产量和质量的突破,更加是规模的突破。与依赖质粒工艺路线不同的是,通过TESSA™技术,rAAV的生产规模可以跃升到2000L。对于基因治疗而言,这意味着什么呢?

▲不同技术生产rAAV规模差异的示意图

虽然,现在的许多基因治疗产品依然是个体化、定制化的。我们可以畅想有一天,基因治疗产品如同当下很多常规的注射药品一样,可以预先批量生产。有需要的患者可以在医疗机构简单、便捷地即时获取。

TESSA™技术让我们离这样的梦想又接近了一步。它改变了rAAV生产的范式,实现了从低效到高效的跃迁,为产业提供了一种可规模化生产、无污染、无转染试剂和不依赖于转染的全新选择。

创新引领——提升基因疗法的患者可及性

毫无疑问,TESSA™技术对于全球聚焦细胞与基因疗法开发的创新者而言,是一个振奋人心的突破。当我们重新以治疗端的视角来审视TESSA™的前景,我们有理由相信其所拥有的安全性和高效能将直接提升开发效率,降低成本,并进一步推动细胞和基因疗法的可及性,惠及全球病患。

颠覆性的创新永远都是少有人走的路,但聚力合作、推动创新已成为全产业的共识与责任。此次合作旨在促进细胞和基因疗法领域的科研创新,建立联合人才发展计划,为行业培养下一代GMP生产领域的科学家和工程师。

作为一个全球化运营的细胞和基因疗法CTDMO,药明生基独特的商业模式将强大的测试能力与工艺开发及生产平台能力紧密结合,如用于rAAV生产的TESSA™技术和用于慢病毒稳定生产的Lenti解决方案等。通过药明生基的一体化赋能平台,所有的测试开发、生物安全、病毒清除和最终产品放行检测等环节都能在这个平台上得以实现,帮助客户大幅缩短先进疗法的上市周期。

正如药明生基首席执行官张幼翔博士所展望的那样:“技术的突破将带动产业创新蓬勃发展。我们期待,随着载体高品质规模化生产的实现,在提升新一代基因疗法的患者可及性的同时,也能够进一步优化现有疗法的生产工艺和治疗效果,希望不远的将来,可以造福更多患者。”

创新的一端是突破常规的设想,另一端是扎根现实的变革。更好的“明天”,需要从更好的“今天”开始。

参考资料:

[1]What is gene therapy. https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/cellular-gene-therapy-products/what-gene-therapy

[2] Su, W., Patrício, M.I., Duffy, M.R. et al. Self-attenuating adenovirus enables production of recombinant adeno-associated virus for high manufacturing yield without contamination. Nat Commun 13, 1182 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28738-2

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