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李湛:基因编辑技术与其带来的医学突破

发表于 2020-11-28    来源于:李湛

作者简介:

李湛 中山证券首席经济学家、中国首席经济学家论坛理事

(首发:湛述宏观)


前言


107日,瑞典皇家科学院宣布,将2020年诺贝尔化学奖授予法国科学家Charpentier和美国女科学家Doudna,以表彰她们在基因组编辑方法研究领域的贡献。


两位科学家发现了CRISPR/Cas9基因编辑技术,基于此技术,研究人员能够以极高精度改变动物、植物和微生物的DNA,对于生命科学研究产生突破性影响,并有望带来医学领域的重要突破。


那么,基因编辑技术究竟是什么,将给医学领域带来哪些突破,基因编辑行业的发展现状和投资机会又如何呢?


1.基因编辑技术:一把基因的手术刀


1.1.何为基因编辑技术?


基因是控制生物性状的基本遗传单位,是一段具有特定生物学功能的DNA片段(RNA片段),基因决定着生物体的生老病死等各种生命活动,而基因组则是生物体所有遗传物质的总和。


基因编辑就是一种能够精确的对生物体基因组的特定目标基因进行修饰(插入、移除、替换等),从而在基因水平影响机体生命活动过程的技术。


换句话说,基因编辑技术就是一把能够找出并修正特定基因的手术刀,手术过程主要可以分为“找位置”(定位异常基因)、“切错误”(切除异常基因片段)以及“补片段”(修补恢复基因)三个环节。


1)“找位置”(定位异常基因):人类基因组 DNA 的大小约3Gb(30亿个碱基对),所以在庞大的基因组中准确找到几个甚至一个出错的碱基是非常困难的,也因此,用一套精准的定位系统来快速锁定需要剪切的部位既是最先又是最重要的一步;


2)“切错误”(切除异常基因片段):定位到目标位置以后,需要把错误的基因片段切除,这个过程主要通过内切酶来实现。目前科学家已经发现了许多种类的内切酶,也从中找到了适用于基因编辑的内切酶,如Fok I酶、Cas9蛋白等。


3)“补片段”(修补恢复基因片段):内切酶把错误的双链基因片段切除后,会在 DNA 上形成一段缺口,凭借细胞自身的“DNA重组修复系统”可以实现修补过程。


细胞的“DNA重组修复系统”主要有两种:通常情况下,细胞通过非同源末端连接(NHEJ)的方式进行修复,NHEJDNA双链的断裂位点通过插入或缺失不同片段实现修复,其往往产生错误进而导致基因失活;而在存在外源同源重组DNA模板的情况下,细胞还会进行同源直接修复(HDR),可以实现特定位点的精确插入或序列修复。


在整个基因编辑过程中,“找位置”是最困难的,也是目前所有的基因编辑技术最核心的差异所在;“切错误”通过几种酶可以成功实现;“补片段”则也借助于细胞自带的DNA 修复系统基本得到了解决。


1.2.基因编辑技术的发展历程


基因编辑技术从传统的基因打靶、到改进的嵌合核酸酶技术、再到最新的RNA/DNA指导的核酸酶技术,在过去几十年取得了快速发展,为生命科学领域的研究和医学领域的临床治疗提供了一个高效的工具。


事实上,最早的基因编辑技术来于生命自身。1958年的诺贝尔生理学或医学奖得主莱德伯格在1947年就发现细菌中存在遗传重组现象,即在DNA双链断链修复过程中,机体自身两段相似或相同序列的DNA发生的交换过程;


1978年的诺贝尔生理学或医学奖授予因“限制性核酸内切酶的发现及分子遗传学应用”的阿尔伯、史密斯和内森斯,限制性内切酶作为人类主动进行基因编辑过程中的“手术刀”,为后续基因编辑技术的发展奠定了重要的技术基础;


1980年的诺贝尔化学奖授予因“研究出DNA重组技术”的伯格、桑格和吉尔伯特,DNA重组技术的成功打开了基因工程的大门,标志着人类可以对DNA进行主动操作,为后续基因编辑技术的发展奠定了思想基础。DNA重组技术诞生后,多家实验室都开始进行同源重组研究,通过将外源基因引入细胞内实现基因替换,也就是基因打靶技术(2007年诺奖)。但基因打靶技术的成功率太低,因为正常情况下哺乳动物细胞的同源重组发生率很低,而DNA双链断裂后同源重组的效率很高,因此具备特异性的核酸内切酶再次成为基因编辑技术的核心。


 1985年,科学家发现大范围核酸酶(Meganuclease),提高了基因打靶的效率;1996年,科学家首次制造出锌指核酸酶(ZFN),相较大范围核酸酶具有更低的脱靶效应、且可以根据目标序列设计结构域,实现了突破性进步;2007年,科学家又发现了转录激活样效应蛋白核酸酶(TALEN),相比ZFNTALENDNA结合域设计更为简单;2012年,CharpentierDoudna发现了CRISPR/Cas9技术,相比此前的三种核酸酶,Cas9最大的优势和特点是识别目的基因的方式不再是各类设计复杂的蛋白,而是一条向导RNA(sgRNA),也正由此,CRISPR/Cas9技术大大改进了基因编辑技术,使之实现了重大突破,成为目前最火热、也最主流的基因组编辑技术。


除了以上的基因组编辑技术,近年来,RNA干扰、单碱基编辑、表观基因组编辑和转录调控等广义的基因编辑技术也逐渐兴起。


1.3.基因编辑技术的分类


如上所述,按照“找位置”和“切错误”的方法,目前主流的基因组编辑技术主要有大范围核酸酶技术、ZFN技术、TALEN技术和CRISPA/Cas9技术。相比之下,CRISPR/Cas9技术在识别目的基因方式上拥有巨大的优势,正在逐步替代ZFNsTALEN等技术。


RNA干扰、单碱基编辑、表观基因组编辑和转录调控等技术在理论上也属于基因编辑技术,只是在具体的编辑对象或者碱基数有差异。


2.基因编辑技术应用:医学领域的重要突破


基因编辑技术自问世以来,给科研、医学、农业等多个领域带来了重要突破,目前其主要应用于细胞与基因研究、动物模型构建、农作物遗传育种以及基因治疗等领域。


下文主要梳理基因编辑技术给医学领域带来的影响,为了理解基因编辑技术给医学领域带来的突破,我们首先简单回顾一下传统治疗疾病和药物发现的历程,并分析其痛点。


2.1.疾病治疗与药物发现历程概述


按照时间顺序和治疗特点,我们简单将人类药物发现的历程分为以下三个阶段:


1)从自然界发现药物


18世纪以前,人类对疾病的发生机理和药物的作用原理缺乏理解,手术等疗法也尚未出现/成熟,当时化学等学科也没有发展起来,所以疾病治疗的唯一手段就是从自然界寻找药物。比如,用于缓解疼痛的鸦片、用于治疗疟疾的金鸡纳树皮等均为当时的药物,但人类并未对影响疾病的有效成分进行深入研究。


人类对从自然界发现的药物的药理机制和毒副作用并不清楚,而且从自然界发现药物的思路本质就是“神农尝百草”式的试错、效率很低,因此到20世纪后期,人类基本已经不再从自然界发现新药(很重要的原因是有药用价值的植物等可能已经被发掘殆尽)


2)筛选化合物


18-19世纪以来,随着化学学科的快速发展和合成化学的诞生,现代药企也陆续在欧美成立并着手以分子和合成化学为基础进行新药发现,其中最标志性的药物就是19世纪末拜耳开发的阿司匹林。


在此阶段,药企发现新药的主要方法是从已有的数以百万计的化合物中筛选可能有效的化合物。尽管人类仍然不清楚化合物是如何对疾病进展产生影响的,但其相比前一阶段的盲目试错,还是有不小的进步,主要体现在化合物明确、化合物可修饰改变进而改进药效等。


20世纪以来,临床试验逐渐成熟规范、药监系统对于药品研发的监管也逐渐加强,新药研发的成本持续上升并逐渐成为新药研发的一个难题。


3)从理性设计到靶向治疗


19-20世纪人类发现了许多重磅药物,比如阿司匹林、青霉素、氯噻嗪等,但这些药物仍然有很强的偶然性因素:第一,这些药物在体内的作用机制并不清楚,多数时候发现药物的疗效均是出于偶然;第二,化合物的筛选也仍是不断试错的过程。


直到20世纪中后期,药理学家逐渐有了受体的概念、药理学也逐渐成为一门学科,科研机构和药企逐渐开始根据受体理论针对性地开发新药、并且从简单的化合物筛选逐渐走向理性设计分子等,市场也陆续出现了许多me-toome-better类药物;另一方面,20世纪80年代以来,随着基因重组等技术的突破,大分子药物也开始问世,胰岛素、生长激素、促红素等一系列蛋白质分子解决了很多因蛋白质/激素缺乏引起的疾病,而且疗效优异,近年来药企又利用基因重组等技术大力开发抗体药物,并逐渐成为主流用药。


2.2.基因疗法是医学和药物研发的新一轮革命


尽管小分子和生物药的研发在过去几十年已经取得了非常大的突破,目前药物研发仍然有极大的不足,而许多不足可能通过基因编辑得到改进。


首先,人类对于疾病的认知依然有限,很多受体/靶点依然没有被发现,多数疾病无法通过传统的药物治疗(ICD-11共有55000个疾病编码,而人类能够有效治疗的疾病屈指可数);


其次,已经发现的多数靶点难以成药。目前人类基因组编码的蛋白质中,约75%的靶点被认为与疾病治疗无关,而剩余25%的靶点中又有60%的靶点无法成药,这进一步限制了传统小分子和生物药的用途(目前人类已知大约5000个疾病分子基础,但只有250种疾病有治疗方案)


第三,新药筛选难度太大。尽管DELFBDD/SBDD、计算机设计等新的分子筛选方法逐渐兴起,但成本依然很高,而且有效靶点数量有限也带来新药研发靶点扎堆;


最后,无论是小分子、还是大分子,实际上都是从改变蛋白质结构和功能的角度实现疾病治疗,这意味着常常需要持续给药,而且药物本身会存在特异性、亲和力不如人意从而使疗效不佳、副作用较大等缺点。


而基因疗法有望在以上多个不足中带来突破。


不同于传统药物作用于蛋白质分子的治疗机制,基因编辑等基因疗法在疾病治疗领域的特点是从源头出发,通过改变影响疾病发生和发展过程的基因本身而实现疾病治疗。


FDA给基因治疗药物的定义为“通过转录和/或翻译转移的遗传物质和/或通过整合到宿主基因组并作为核酸用来表达其功能的产品、病毒或基因工程微生物”。具体来说,基因疗法就是将修饰后的基因注入体内从而实现治疗疾病的目的,按照递送方式主要分为体外治疗和体内治疗两种,前者主要通过体外细胞培养、转染、筛选后再讲修饰后的细胞注入体内,比如CAR-T疗法,后者则主要通过载体等将质粒直接递送至体内。


基因疗法在治疗理念、治疗疾病、治疗效果以及药物研发过程上都有明显突破:


1)治疗理念方面,基因疗法首次将药物作用对象从蛋白水平溯源至基因水平,有望实现“治标且治本”;

2)具体治疗疾病种类方面,基因疗法在遗传病、肿瘤、免疫以及代谢等与基因异常相关的疾病领域优势明显,未来有望在多个疾病领域成为首选治疗方案;

3)治疗效果方面,基因疗法多为一次治疗,且副作用更少;

4)相关药物的研发方面,由于基因疗法主要是对DNA/RNA进行“手术”,不需要进行传统治疗的靶点特异性结合、主要是进行测序和相应序列设计,因此在药物发现、筛选以及合成设计等过程中更为方便高效。




2.3.基因编辑疗法的挑战与不足


尽管基因编辑疗法给医学带来许多突破,但这项技术在成熟运用之前仍有一些挑战和不足。其中,技术方面的挑战主要是降低脱靶效应、提高核酸内切酶编辑的效率以及优化递送系统,应用层面的不足有目前主要用于单基因疾病、部分细胞尚无法编辑以及治疗费用高昂等。


2.3.1.技术层面的挑战


1)降低脱靶效应


基因编辑的准确性是指基因编辑技术准确编辑目的基因的能力,与之相对应,基因编辑技术对非目的基因的编辑就称为脱靶效应,脱靶效应可能带来基因组毒性、基因功能失活、遗传改变甚至致癌等毒副作用。


ZFNsTALEN技术相比,CRISPR/Cas9技术在人体细胞中更容易产生脱靶效应,主要是因为当Cas9-sgRNA复合物与目标DNA结合时,其对相同的DNA序列和高度同源的DNA序列都可以进行切割,进而导致脱靶效应。目前学界常用的几种降低脱靶效应的方法有:选择与基因组其他区域缺乏同源性的目标序列作为靶序列、将sgRNA5’端缩短2-3个碱基以提高敏感性、控制Cas9-sgRNA复合物的浓度(浓度越低,脱靶效应越低,但是编辑效率也越低)以及开发多种检测脱靶方案等。


2)提高核酸酶编辑效率


如前所述,非同源末端连接(NHEJ)和同源直接修复(HDR)是细胞在目标基因被切割后自行重组修复的两种方式,二者主要发生在不同的细胞类型/周期。具体而言,NHEJ在多种类型的细胞周期中都比较常见,而HDR则主要出现在细胞的S期和G2期。由于NHEJ主要是以基因敲除的方式进行修复,而HDR是以基因矫正或插入的方式进行修复,因此,对于需要通过基因矫正/插入进行治疗的疾病而言,提高HDR修复的效率就成为关键难题。


3)优化递送系统


递送系统是基因编辑技术应用于临床实践中的主要挑战之一。


目前基因编辑技术的递送系统主要可以分为病毒载体和非病毒载体,病毒载体主要是腺病毒、逆转录病毒和腺相关病毒等作为运输基因编辑系统的载体,将Cas9-sgRNA等输送至人体细胞内实现治疗,非病毒载体主要是电穿孔、流体动力学喷射等非病毒物理递送方法。


由于病毒载体的递送效率最高,因此目前病毒载体是最主要的递送系统,但病毒载体也存在一定问题,比如病毒载体的基因容量一般较小因而难以递送较大片段的基因、存在安全性和免疫原性以及大规模生产纯化的难度较高等。


2.3.2.应用层面的不足


1)用途有限


目前基因编辑疗法主要是针对单基因疾病,多基因病的技术尚不成熟;此外,基因编辑技术难以对神经细胞等进行基因编辑,因此也无法治疗相关疾病。


2)安全性风险


首先,目前的基因编辑技术主要是针对DNA,而DNA编辑意味着基因组信息不可逆的永久变化,这本身就存在一定安全性风险(目前学界和业界也在逐渐开发针对RNA的基因组编辑策略);第二,脱靶效应、病毒载体可能造成的免疫原性等均可能带来较大的毒副作用;最后,目前基因编辑技术还只能应用于体细胞治疗,对人类胚胎、生殖细胞等进行基因编辑则存在较大的伦理风险。


3)治疗费用高昂


由于技术不够成熟导致研发成本相对较高以及适用人群数量太小(多为罕见病),目前基因编辑疗法的治疗费用高昂,普遍费用在数十万美元甚至百万美元,对于产品的销售、特别是在国内的销售将带来较大的商业化风险。


3.基因编辑疗法的发展历程与研究现状


3.1.基因编辑疗法的发展历程


与其它新技术的应用与普及过程类似,基因编辑疗法也经历了非常曲折的发展过程,并于2017年左右再次进入繁荣阶段。


1972年,FriedmannRoblin正式提出了基因治疗的概念,基因治疗进入萌芽阶段;


1990年,FDA正式批准第一个基因治疗临床试验,基因治疗进入狂热阶段,全球基因疗法的研究数量迅速从1990年的不到100起快速增长至2000年的2000多起;


1999年起,美国、法国等国在基因疗法临床试验中相继出现严重不良事件,基因治疗因此受创、自此进入漫长的蛰伏阶段;


直至2012年,EMA批准第一款基因治疗药物Glybera17年退市)、Doudna等科学家发现CRISPR/Cas9基因编辑技术并将其应用至哺乳动物细胞,基因治疗开始重见曙光,2015年起,连续多个基因治疗药物的获批基本标志基因编辑疗法再次进入繁荣阶段。


与基因编辑疗法的曲折发展历程相对应的是政策监管的变迁历程。


以国内为例,1993年卫生部出台了首个基因治疗的监管政策,标志着基因治疗在国内正式被政府监管,但此时监管政策非常宽松;


21世纪以来,卫生部/卫健委、药监局、科技部等多部门陆续发文,对基因治疗进行更精细的管理,包括临床试验、质量控制、辅助生殖、伦理审查等方面,但整体对药品的审批要求仍较低,在此阶段,我国相继上市了“今又生”和“安科瑞”等基因治疗药物,2015年卫计委也取消了第三类医疗技术临床应用的行政审批;


2016年以来,随着魏则西事件、贺建奎事件等的出现,国内基因治疗领域的监管再次加强,比如魏则西事件发生后,卫计委暂停了所有未经批准的第三类医疗技术的临床应用。

3.2.已经获批的基因治疗药物


截至目前,全球共获批10余款基因治疗药物,主要聚焦于恶性肿瘤、遗传病等。由于早期上市的产品因各种原因多已退市,我们仅就16年之后获批的产品进行概述:


1GSKStrimvelis


Strimvelis2016年经EMA批准用于治疗腺苷脱氨酶缺陷导致的重症联合免疫缺陷症(ADA-SCID),也是继Glybera(已退市)之后欧盟批准的第二款基因治疗用药。尽管Strimvelis定价高达65万美元,但由于患者数量极少(欧洲平均每年仅15名患者),因此商业化并不成功。


2)诺华的Kymriah


Kymriah2017年经FDA批准上市用于治疗复发或难治性急性B系淋巴细胞白血病,也是FDA首次批准的基因治疗(细胞治疗)药物和全球首个CAR-T药物,定价约48万美元。2019年,Kymriah实现2.78亿美元销售额,开始逐步放量。


3)吉利德的Yescarta


Yescarta是继Kymriah之后的第2CAR-T药物,于2017年由FDA批准,主要用于治疗成人非霍奇金淋巴瘤,定价约37万美元。2019年,Yescarta实现4.56亿美元的销售额,也处于快速放量阶段。


4)罗氏的Luxturna


Luxturna2017年经FDA批准上市用于治疗因双拷贝RPE65基因突变所致的遗传性视网膜疾病(约战遗传性视网膜疾病的20万分之一)、也是FDA首次批准的体内基因疗法(AAV作为载体),此后又通过EMA批准上市,定价约85万美元。与Strimvelis类似,Luxturna的适用群体数量也非常小,据估计每年美国只有约20名携带RPE65突变基因的婴儿,2018年其销售额也仅2700万美元。


5)诺华的Zolgensma


Zolgensma2019年经FDA批准上市用于治疗脊髓性肌肉萎缩症(SMA),也是继Luxturna之后的第二个体内基因疗法药物(AAV载体),定价约210万美元,第一年销售额就已经达到3.61亿美元。


6BluebirdZynteglo


Zynteglo2019年相继经EMAFDA批准上使用于治疗12岁及以上患者的输血依赖性β地中海贫血,也是全球首个针对β地中海贫血疾病的基因疗法。Zynteglo在美国的价格约177万美元。


7BiomarinValoctocogene


Valoctocogene2019年向FDA递交了上市申请,用于治疗A型血友病成年患者。


3.3.基因编辑疗法的研究现状


截至2020年初,全球共有约40款基因编辑产品处于临床研究阶段,主要疾病领域有遗传病、恶性肿瘤、病毒感染、眼科疾病、心血管疾病以及代谢等,其中不乏血友病、黏多糖贮积症等罕见病。


整体而言,基因编辑疗法还处于临床早期阶段,共12项研究处于临床一/二期,其余研究均处于一期阶段;从靶向的目的基因来看,目前的临床研究仍比较集中于研究相对充分的基因,比如CCR5PDCD1BCL11AHPV16/18等,且部分靶点存在一定扎堆现象,差异化主要是递送方式或者靶细胞的差异。


4.重点公司与投资建议


随着CRISPR/Cas9技术的快速发展,目前基因编辑行业的主流技术平台已经逐渐从ZFNsTALENs走向Cas9,目前进入临床研究的项目中,使用CRISPR/Cas9技术的占比已经超过50%。因此,下文我们主要分析了纳斯达克的CRISPR/Cas9三巨头以及国内的CRISPR/Cas9龙头。


另一方面,基因编辑行业整体还处于技术应用和产品开发的早期阶段,各公司也均为典型的无盈利甚至无收入的Biotech。因此我们认为,对于此类Biotech企业,评判公司的核心要素主要是技术平台、科研团队与研究实力、股东与合作伙伴背景、产品管线及临床进展等。


4.1.CRISPR/Cas9三巨头


 CRISPR三巨头即CRISPRIntelliaEditas,三家公司在创业历程、创始人团队、核心技术、股东背景以及产品管线等多方面都有很多相似之处:三家公司均为顶级科学家联合创办、拥有CRISPR/Cas9技术平台及相关专利授权,并陆续与大型药企进行合作等。


4.1.1.CRISPR Therapeutics4款产品处于临床阶段


 CRISPR Therapeutics由诺奖得主Charpentier等人于2013年在瑞士联合创办(Charpentier现任公司科学顾问委员会成员),股东和合作伙伴也不乏福泰、拜耳等大型药企和富兰克林邓普顿等机构投资者。公司于2017年登陆纳斯达克,当前市值约65亿美元。


公司的核心技术平台为CRISPR/Cas9技术,同时拥有专利(授权)。目前共有9款产品在研,4款处于临床阶段,主要聚焦于血红蛋白等遗传病、免疫肿瘤疾病以及再生医学等领域。


1CTX001


CTX001是一种自体CRISPR/Cas9基因编辑造血干细胞疗法,用于治疗β-地中海贫血和镰刀型细胞贫血症。


β-地中海贫血和镰刀型细胞贫血病都是典型的遗传性疾病,前者因基因突变使红细胞不能产生足够的携氧血红蛋白分子进而出现贫血,后者则因突变使血红蛋白改变形状进而堵塞血管,目前主流的治疗方案都是定期住院输血、去铁治疗或骨髓移植。


CTX001通过Cas9编辑患者的造血干细胞基因后回输体内以产生血红蛋白,有望从根本上治愈两种疾病,2017年公司就该产品与福泰制药达成合作共同开发该产品。同为基因编辑疗法的BluebirdZynteglo2019年已经获批上市,定价约177万美元,不过CTX001的差异点在于其使用的为CRISPR/Cas9技术,而Bluebird的产品使用的是MegaTALE技术。


2CTX110CTX120以及CTX130


三者均为利用CRISPR/Cas9技术编辑T细胞相应基因的疗法,具体而言,CTX110CTX120以及CTX130分别通过切断CD19BCMA以及CD70基因以治疗CD19阳性的恶性肿瘤、多发性骨髓瘤以及实体瘤和血液瘤,目前三者也均已进入临床研究阶段。


目前全球已有多款靶向CD19BCMA的抗肿瘤药上市,其中吉利德的Yescarta2019年取得4.56亿美元的销售额、诺华的Kymriah也有2.78亿美元的销售额。