中篇丨临床试验推动创新药物从基础研究走向成熟——DeepTech发布《2023年生物医药技术趋势展望》研究报告

DeepTech正式发布《》研究报告。十项生物医药技术展望，涵盖了生命科学和生物医药的底层技术CRISPR-Cas基因编辑技术、酶促DNA合成、药物递送系统，从基础研究进入临床阶段的异种器官移植、CAR-NK细胞治疗、噬菌体疗法，实现赛道破冰的微生态疗法，以及实现产业化并将有更多创新突破的mRNA药物、抗体偶联药物、双特异性抗体。

2023年，生物医药技术新趋势将重塑产业发展格局，它们可能会对未来生物医药产业的研究方向产生重大影响。未来，生物医药底层技术的革新将推动创新药物从基础研究走向临床试验，并最终实现产业化，推动创新药物研究和生物医药产业发展进入革命性变化的时代，最终为人类的生命健康保驾护航。

临床试验篇——临床试验是创新药物研发中

不可或缺的一环

临床试验是创新药物研发过程中不可或缺的重要一环，推动创新药物从基础研究走向成熟。首例基因编辑的猪心脏移植走向临床治疗，异种器官移植向临床研究迈出了关键性一步，未来有望解决人体器官供体不足的问题。

借鉴CAR-T成功的技术和经验，CAR-NK细胞治疗成为冉冉升起的肿瘤细胞治疗新星，目前多个研究项目已进入临床试验阶段。噬菌体疗法已经通过医疗技术服务的方式临床治愈多例超级细菌感染的患者，未来期待研发出标准化的噬菌体疗法，解决耐药菌感染的世界性难题。

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异种器官移植是用手术的方法将某一种属个体的器官或组织移植到另一种属个体中（尤其是人体中）。人体接受异种器官移植后，如果能够接受异种器官并且不产生强烈的免疫排斥反应，那么这种动物提供的器官将有效地解决临床移植中人体器官供应不足的问题。

2022年，经FDA批准，首例基因编辑的猪心脏移植到一位生命濒危的终末期心脏患者体内，患者存活59天。尽管近2个月的时间并不长，但这仍旧是异种器官移植一个值得写入历史的里程碑事件，表明异种器官移植向未来的临床研究迈出了关键性一步。

小型猪被公认为是异种器官移植中最理想也将是未来最主要的器官供体。猪主要器官的大小、生理功能等指标与人类比较接近；猪是多胎动物，易繁育，适合大规模培养；猪的基因研究较为深入，且目前猪的基因改造技术成熟；猪不是保护动物，伦理学方面碰到的压力相对会小。美国FDA已经批准满足“无特定微生物”标准的猪可用于临床试验。因此，基因编辑猪作为理想的器官供体，被广泛研究和培育。

▲图丨 异体器官移植潜在的治疗疾病（来源：The Lancet）

免疫排斥反应是异种器官移植所面临的最大难题。第一步要解决的是超急性排斥反应。在异种器官移植到人体后，在几分钟到几小时内会发生补体活化、内皮细胞破裂、血管破坏和超急性排斥反应。超急性排斥反应最主要的原因是血液中的天然抗体与异种器官表面的抗原结合，从而激活了人体的补体系统。 补体系统由无数补体蛋白构成，通过经典补体通路、替代补体通路和凝集素补体通路3条补体激活途径被激活，之后引起免疫细胞溶解、免疫溶血，从而导致异体器官移植失败。

克服了超急性排斥反应之后，其次是急性排斥反应。 急性排斥反应发生在移植后数日至6个月内，人体大多数的B细胞、T细胞、巨噬细胞等免疫细胞以及众多细胞杀伤因子均参与到急性排斥过程中。 最后是慢性排斥反应，异种器官移植被认为将会发生与人器官移植相类似的慢性免疫排斥反应。 因而异种器官移植后，患者也需要接受综合的免疫抑制治疗，以有效抑制复杂的免疫排斥反应。

基因编辑用于解决异种器官移植中的免疫排斥反应。为了缓解这些排斥反应，现在科学家在猪身上测试了近50种不同的基因，通过敲除猪的基因或者导入人类的基因来抑制免疫排斥反应的发生。目前，多家公司通过不同的基因编辑组合方式，通过基因工程的手段制备了多种适用于异种器官移植的基因编辑猪。

▲图丨异种器官移植相关的基因敲除和人类基因导入（来源：Transgenic Research，DeepTech整理）

2022年异种器官移植开始向临床试验迈进。2022年1月7日，美国马里兰大学医学中心报告了全球首例基因编辑猪心脏移植到终末期心脏病患者体内，并使之存活了59天。该心脏来源于10G基因编辑猪，即经过10种基因修饰：GGTA1、CMAH、B4GALNT2和GHR的敲除以及人类CD46、CD55、TM、EPCR、CD47和HO1的导入。

这10个基因可以分为3类：3个可以激活人抗体的糖基化抗原基因GGTA1、CMAH和B4GALNT2被敲除；生长激素受体基因GHR被敲除，防止心脏过度生长；6个可以减轻免疫排斥反应的人源基因CD46、CD55、TM、EPCR、CD47和HO1被导入。而在此之前，已有3例基因编辑GTKO猪肾脏体外移植到脑死亡患者的案例。针对异种器官移植这种实验性疗法，美国FDA批准了“同情使用”条款，当患者面临严重或危及生命的医疗状况，且仅有实验性疗法这一种选择的时候，就适用这项条款。

国内异种器官移植在临床前试验阶段积累了一定的经验。2021年，海南医学院移植医学研究所科研团队将基因编辑猪的肾脏移植给猕猴，受体猴存活32天，达到了国际领先水平。2022年10月，西京医院科研团队开展了国际首例六基因编辑猪-猴多器官、多组织同期联合移植获得成功，实现了国际异种移植领域多器官多组织移植零的突破。

研究团队通过获取1头基因编辑猪的肝脏、心脏和肾脏3个脏器，以及角膜、皮肤和骨骼3个组织，分别为4只受体猴同期实施肝肾联合移植、心脏移植、角膜和皮肤移植、骨骼移植。截至目前，4只受体猴及移植器官、组织存活良好。

未来，异种器官移植仍然有许多问题需要解决，比如免疫排斥、生物安全、跨种系适配和伦理问题。基因编辑猪目前部分解决了免疫排斥的问题，可延长受体的存活时间，但是并不能完全排除免疫排斥的问题。目前主要供体猪的体内带有18种人动物互传的微生物，而其中猪内源性逆转录病毒可产生严重的生物安全风险。 此外，也不能排除异种器官中未知微生物会带来生物安全性问题。

猪的器官在大小、解剖、生理功能与人体还是存在一定的差异，这种跨种系的差异可能会影响异种器官在受体体内的长期存活。异种器官移植涉及生命和人格尊严、社会公共安全等伦理问题，在异种器官移植过程中更需要加强伦理学的规范。

异种器官移植即将进入新时代。全球首例猪心脏异种移植临床试验的开展，为以后异种心脏移植到人体的长期存活提供了借鉴，也为将来其他器官移植到人体提供了经验与技术。相信未来将会有更多的异种器官移植临床研究在国内外开展，来共同推进异种器官移植进入临床应用。但对未来保持乐观的同时，同时还需要保持冷静和理智，解决好异种器官移植的难题，并处理好伦理问题。

自然杀伤细胞（Natural Killer Cell），也被称作NK细胞，是机体重要的免疫细胞，是一类无需预先致敏就能直接识别细胞表面配体，从而非特异性杀伤肿瘤细胞和病毒感染细胞的淋巴细胞，被誉为人体抗癌的第一道防线。

NK细胞具有细胞毒性效应，能自发杀伤肿瘤细胞和病原体，并参与机体的抗肿瘤免疫监视和免疫应答。自从20世纪70年代人们第一次观察到NK细胞的存在，就对这种免疫细胞的杀伤作用产生了极大的兴趣。

近些年，随着多款CAR-T细胞疗法获批上市，并在临床上取得了很好的效果，工程化的免疫细胞治疗越来越受到重视。虽然CAR-T细胞免疫治疗发展迅速，但仍有其局限性，例如自体T细胞来源有限，异体T细胞可能导致移植物抗宿主病，CAR-T细胞治疗可能会产生细胞因子释放综合征以及神经毒性等严重的副作用。而NK细胞具有更强的肿瘤细胞毒性，来源丰富，异体NK细胞通常不会引发宿主抗移植反应，仅分泌少量的细胞因子等优点，人们将工程化技术开始转移到NK细胞上。

CAR-NK细胞治疗是通过基因工程修饰，在NK细胞表面表达能够和肿瘤特定抗原结合的嵌合抗原受体(CAR)，通过基因工程改造后形成CAR-NK细胞。将细胞回输人体后，CAR-NK能够特异性识别带有特定抗原的肿瘤细胞，引发免疫反应从而达到清除肿瘤细胞的目的。

功能性CAR分子由胞外细胞域、跨膜结构域和胞内信号结构域三个结构域组成。胞外细胞域包含单链可变片段（scFv），通常来源于抗体，能够特异性识别癌细胞上表达的肿瘤抗原。跨膜结构域将CAR结构锚定在NK细胞膜上。一旦CAR识别并被其特异性抗原触发，CAR的细胞内活化结构域就会发出信号，从而产生促进靶细胞杀伤的下游过程。

▲图丨 CAR构建模块示意图（来源：Journal of Hematology&Oncology）

CAR结构的设计对于CAR-NK细胞的免疫治疗效果发挥着关键作用，因而有别于CAR-T细胞的设计，有着其特有的设计方法。胞外细胞域由短信号肽、scFv和铰链区组成。短信号肽将CAR结构引导至NK细胞膜上，常用的短信号肽为CD8a短信号肽。scFv是CAR的肿瘤抗原结合结构域，由拟治疗的肿瘤特异性抗原所决定。铰链区将scFv连接到跨膜结构域上，最常采用的为CD8α铰链区，其它的还有CD28、IgG Fc结构域和DAP12等。CAR-NK最常用的跨膜结构域改造于CD3ζ、CD8和CD28，另外，基于NKG2D、2B4和DNAM1的改造目前处于研究阶段。

胞内信号结构域的数量和组合方式决定着CAR-NK细胞未来的研究设计方向。胞内信号结构域是CAR结构设计的重点，激活信号的多少决定了CAR的代次。第一代CAR-NK细胞与CAR-T细胞一样，只含有CD3ζ信号。第二代和第三代CAR分别携带2个和3个激活信号。第二代CAR中， CD3ζ被普遍用作主要的激活域，另外一个激活信号常被设计为CD28、CD137、2B4等。第三代CAR常见的胞内信号结构域为CD28-CD137-CD3ζ、CD137-2B4-CD3ζ。第四代CAR在第三代的基础上引入细胞因子，从而增强细胞的持久性和抗肿瘤活性。

由于同种异体NK细胞具有低GVHD风险的特性，决定了NK细胞来源多样化，可以从外周血（PB）、脐带血（UCB）、人类胚胎干细胞（HESC）、诱导多能干细胞（iPSC）甚至NK-92细胞系中产生。目前CAR-NK细胞临床试验多采用NK-92细胞系，因为该细胞系是一个均匀的细胞群，并且具有无限体外增殖能力。但是由于其来源于肿瘤细胞系，具有潜在的致瘤风险，在人体输注前必须进行辐射处理。

PB-NK表达大部分激活受体，细胞毒性强，是NK细胞的重要来源。由于具有无限增殖能力，HESC和iPSC也是CAR-NK细胞的重要来源。与分化的NK细胞相比，HESC和iPSC可以更稳定表达CAR。同时，需要关注HESC和iPSC来源的NK细胞成熟和伦理问题。

随着基因编辑技术的进步，多种基因编辑技术被用于改造NK细胞来生产CAR-NK细胞。慢病毒或逆转录病毒转导、裸质粒DNA转染、转座子介导的DNA整合、mRNA电穿孔以及CRISPR-Cas9基因敲入策略等基因编辑技术被用于CAR结构的导入。慢病毒和逆转录病毒转导是最常用的系统，但是如何在保持NK细胞良好活力的同时获得较高的病毒转导效率是CAR-NK细胞治疗的一个挑战。目前，解决该问题的思路是通过改变细胞的电荷或上调靶细胞受体的表达，从而提高病毒转导效率。

多个CAR-NK进入临床试验，新一代细胞免疫治疗新星在冉冉升起。据Patsnap新药情报库数据显示，目前有34项CAR-NK药物进入临床试验阶段，最快的已经进展到2期临床试验。另外还有77项CAR-NK处于临床前研究，为CAR-NK药物发展积蓄力量。从靶点看，研究处于前10的靶点分别是CD19、BCMA、CD33、GPC3、CD70、CD38、CD22、HER2、MSLN和KLRK1等。CAR-NK已经被用于治疗血液恶性肿瘤和多种实体瘤。目前根据已公布的临床数据看，CAR-NK细胞治疗显现出较好的临床疗效和安全性，没有出现细胞因子释放综合征和神经毒性。

▲图 丨CAR-NK各研究阶段数量（来源：Patsnap新药情报库，DeepTech整理）

▲图丨 CAR-NK排名前10的靶点（来源：Patsnap新药情报库，DeepTech整理）

尽管最近取得了进展，CAR-NK仍然面临着一些挑战。这些挑战包括如何提高细胞增殖效率，更有效地激活细胞毒性；寻找最佳的CAR构建改造方法；CAR-NK细胞冻存解冻后细胞的存活率和细胞毒性可能降低的问题；抑制性的肿瘤微环境，包括肿瘤微环境中的免疫抑制分子、免疫抑制细胞和妨碍免疫细胞功能的不利环境等对CAR-NK的抑制作用等。对于CAR-NK细胞治疗的研究目前还处于临床前和临床阶段，相信未来随着研究的不断深入，基于NK细胞良好的抗肿瘤效果，CAR-NK细胞疗法也会展现出显著的临床效果，期待着CAR-NK这颗细胞治疗的新星冉冉升起。

噬菌体是一类以细菌、真菌、放线菌等微生物为宿主的病毒，由外层的蛋白质外壳和内层的核酸遗传物质组成。根据宿主细菌是否裂解，噬菌体分为烈性噬菌体和温和噬菌体。烈性噬菌体可以直接杀死并裂解细菌释放子代噬菌体，因而常被用于噬菌体疗法，其通过细菌吸附、侵入、增殖、装配和裂解释放来完成自己的生命周期。

噬菌体疗法即利用噬菌体在宿主细菌中繁殖并裂解宿主的特性，来降低致病菌的密度，从而减少或避免致病菌感染或发病的机会，达到治疗和预防疾病的目的。

▲图 丨噬菌体生命周期 （来源：Microbiology）

噬菌体疗法在防治耐药菌感染方面有巨大的应用潜力。随着抗生素的广泛使用，细菌的耐药性给人类带来了严峻的挑战，抗生素耐药相关死亡已经成为全球死亡的主要病因之一。噬菌体能够特异性地靶向一种或几种细菌，并导致细菌裂解死亡。这种特异性让噬菌体疗法在防治耐药菌感染上展现出巨大的应用潜力。

噬菌体疗法在许多国家都是紧急使用，将噬菌体疗法作为治疗耐药细菌感染的最后手段，来治疗个别患者。美国FDA迄今为止批准了多个噬菌体的临床试验，展现出良好的耐药细菌治疗效果。我国上海噬菌体研究所通过噬菌体有效对抗耐药细菌感染，已经在临床上治疗了近百位超级细菌感染、抗生素治疗无效的患者。

噬菌体疗法在治疗耐药菌感染上具有多种的优势。噬菌体特异性强，不受细菌耐药性影响，只靶向对应的病原菌，而不会破坏人体的正常菌群。噬菌体在宿主细胞中呈现指数增殖，给药量少，且一次给药可以达到抗生药多次给药的效果。细菌不易对噬菌体产生耐药性，而且噬菌体还可以产生相应的变异以应对细菌的耐药性。噬菌体只在细菌感染部位发挥治疗作用，随着细菌被清除而死亡，不会残留在人体体内，产生的副作用较小。

噬菌体疗法的缺点制约着其研发进程。噬菌体对细菌的专一性使得其抗菌谱狭窄，单个噬菌体往往缺乏足够的宿主范围，导致噬菌体疗法无法成为抗生素一样广谱的标准产品。针对不同细菌，需要寻找和分离相对应的噬菌体，明确噬菌体的宿主范围以及是否对宿主具有裂解作用，该过程耗时长。另外，临床细菌感染通常是由不同细菌造成，或者是混合感染，因此需要验证噬菌体对多种病原菌的灭杀效果。这些缺点都限制了噬菌体疗法的临床应用。

鸡尾酒疗法解决噬菌体抗菌谱狭窄问题。噬菌体鸡尾酒疗法，即使用多种不同抗菌谱的噬菌体制成混合制剂，可以扩展抗菌谱，应对较为复杂的细菌感染环境并减少细菌的噬菌体抗性，是目前噬菌体疗法的主要发展方向之一。Locus Biosciences是一家开发工程噬菌体生物治疗药物的公司，为4种不同的病原体（大肠杆菌，肺炎克雷伯菌，铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌）生产噬菌体鸡尾酒产品，可以靶向95%以上的临床菌株。这种方法不需要培养患者的分离物并筛选以寻找正确的噬菌体，大大节约时间。

噬菌体和抗生素联合使用，提高杀菌效果。噬菌体和抗生素具有不同的杀菌抑菌机制，研究表明，二者联合使用可产生协同效应，恢复耐药菌对抗生素的敏感度，提高对耐药菌的杀伤效果。联合使用之所以取得更好的治疗效果是由于噬菌体和抗生素给予细菌足够且不同的压力要比单一压力更有效；联合使用可以减少抗生素的使用，降低耐药性危机；降低细菌的抗噬菌性；有效控制继发和其他非主要病原菌感染。噬菌体和抗生素联合使用成为当前噬菌体疗法的研究和应用热点。

基因工程改造噬菌体，拓宽噬菌体的抗菌谱。位于噬菌体吸附装置末端或尾纤维尖端的受体结合蛋白（RBP）决定了噬菌体的宿主范围。通过基因工程的手段，对RBP进行改造，可以有效扩大或者改变噬菌体的宿主范围。主要的改造策略有RBP等位基因和结构域交换，更换噬菌体RBP的球状受体结合域，建立嵌合RBP，改变宿主范围；利用高通量靶向RBP诱变方法，产生多种RBP突变体，通过筛选获得广谱的噬菌体；多价RBP噬菌体，在噬菌体基因组中插入了第二个针对不同宿主的RBP等位基因，构建具有多价宿主结合特性的合成噬菌体。

基因工程改造噬菌体，提高噬菌体的抗菌能力。利用基因工程改造噬菌体，使噬菌体侵入病原菌后，表达异源蛋白质，如生物膜解聚酶、群体淬灭酶和具有跨属裂解活性的细胞壁水解酶等，病原菌裂解时释放这些蛋白质，从而作用于相邻病原菌，从而提高噬菌体的抗菌能力。另外，Locus公司基于CRISPR-Cas 平台开发新型的噬菌体疗法，噬菌体将CRISPR-Cas3递送到病原菌宿主，Cas3酶切割病原菌DNA并造成不可逆地破坏，从而杀死细菌，提高噬菌体抗菌能力。

大数据和人工智能助力噬菌体疗法研发。基于噬菌体和宿主细菌的完整基因组数据库，通过人工智能算法研究噬菌体与宿主细菌相互作用，针对特定宿主匹配最合适的噬菌体，并对噬菌体裂解特定宿主的能力进行预测，从而指导噬菌体选择、设计和改造，进一步推动噬菌体疗法的研发进程。

噬菌体疗法在治疗耐药菌感染上具有良好的发展前景，但是其临床转化有许多困难和挑战需要克服，如噬菌体给药途径受限，噬菌体的药效学、药代动力学、安全性研究还很缺乏，噬菌体制剂的质控标准难以统一等。期待未来可以早日突破这些困难和挑战，实现噬菌体疗法的临床应用，解决耐药菌感染的世界性 难题。

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