基因编辑:上帝的手术刀,将为我们带来怎样的技术与市场机遇?

2019-09-23 编辑: 来源:医学中文网
一、基因编辑行业概述

1.1基因编辑的定义


基因编辑(gene editing),又称基因组编辑(genome edting)或基因组工程(genome engineering),是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。

基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行定点“编辑”,实现对特定DNA片段的修饰。

基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶,也称“上帝的手术刀”,在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂(DSB),诱导生物体通过非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)来修复DSB,因为这个修复过程容易出错,从而导至靶向突变。

1.2基因编辑的基本原理

对于基因功能缺失的遗传病的治疗,最根本的办法是把出错的基因找出来并进行纠正,使其恢复到正常的状态,为此科学家又发明了基因编辑技术。从微观角度看,基因编辑的过程可分为三个步骤:定位、切除、修补。


 
定位异常基因:基因编辑的第一步也是最重要的一步就是在DNA上找到需要进行编辑的位置。人类基因组DNA的大小在3Gb左右,在如此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,因此需要一套精准的定位系统来快速锁定剪切的部位。

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。

修补恢复成正常基因:内切酶把错误的基因片段切除后,会在DNA上形成一段缺口,只需要把对应的正确基因片段插入到这个缺口中并与原DNA进行连接即可完成DNA的修复。这个过程原本非常复杂,但细胞偏偏自带这种功能。为了维持自身DNA的稳定,在几十亿年的生物进化过程中细胞进化出了一套“DNA修复系统”,科学家则巧妙地利用生物体自带的“DNA修复系统”实现了这个“修补”过程。简单地说,人体细胞的DNA是双拷贝的,当一条DNA出现异常时,这套修复系统会以另一条同源DNA为模板,对错误的DNA进行修复。当人为地把外源DNA(含需要插入的基因)导入细胞时,DNA修复系统会误以为该外源DNA是自身同源DNA,并以此为模板对剪切后的DNA进行修复,从而实现目的基因的插入。

二、基因编辑工具

在整个基因编辑过程中,“准确定位”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;“剪切”已经成功实现;“修补”的过程虽然复杂,但借助于细胞自带的DNA修复系统也基本上解决了这个问题,所以难度也不大。因此,基因编辑技术只需要完成“定位”和“剪切”这两个步骤就行了。经过几十年的发展,目前的基因编辑技术主要可分为锌指核酸酶技术(ZFN)、转录激活样效应因子核酸酶技术(TALEN)、成簇规律性间隔的短回文重复序列技术(CRISPR)三大类。

2.1锌指核酸酶技术(ZFN):开基因编辑先河,但是存在操作难度和专利垄断等问题。

锌指核酸酶技术(ZFN)诞生于1996年,由细胞内天然存在的具有准确识别和结合特定DNA序列功能的转录因子衍生而来。一个锌指核酸酶由DNA识别域和DNA剪切域两部分组成。

ZFN技术是第一代基因组编辑技术,其功能的实现是基于具有独特的DNA序列识别的锌指蛋白发展起来的。1986年Diakun等首先在真核生物转录因子家族的DNA结合区域发现了Cys2-His2锌指模块,到1996年,Kim等首次人工连接了锌指蛋白与核酸内切酶。2005年,Urnov等发现一对由4个锌指连接而成的ZFN可识别24bp的特异性序列,由此揭开了ZFN在基因组编辑中的应用。ZFN由锌指蛋白(ZFP)和FokⅠ核酸内切酶组成。其中,由ZFP构成的DNA识别域能识别特异位点并与之结合,而由FokⅠ构成的切割域能执行剪切功能,两者结合可使靶位点的双链DNA断裂(DSB)。于是,细胞可以通过同源重组(HR)修复机制和非同源末端连接(NHEJ)修复机制来修复DNA。HR修复有可能会对靶标位点进行恢复修饰或者插入修饰,而NHEJ修复极易发生插入突变或缺失突变。两者都可造成移码突变,因此达到基因敲除的目的。

锌指蛋白基因编辑原理


资料来源::Nature Reviews Genetics

与转基因的基因治疗方法相比,ZFN的主要优势在于基因修复方式多样、精准更换基因、对基因表达强度影响较小。但是,ZFN的劣势主要有设计/筛选过程复杂、“可编辑性”仍然较低、存在脱靶风险、细胞毒性较大等。除了技术上的问题,ZFN发展面临更大的问题是专利上的封锁。

2.2首个真正意义上的基因“可编辑”工具

转录激活样效应因子核酸酶技术(TALEN)发明于2011年,由AvrBs3蛋白衍生而来。TALEN的工作原理与ZFN类似,核心元件的结构也类似,均由DNA识别域和DNA剪切域组成。转录激活样效应因子核酸酶通过DNA识别域结合到特定的DNA序列上,再由Fok I核酸内切酶构成的DNA剪切域对靶基因进行剪切,最后利用细胞自带的DNA修复系统完成基因编辑。TALEN与ZFN的区别在于DNA识别域对DNA序列的识别模式。在ZFN中,每个锌指蛋白识别一个DNA三碱基序列;在TALEN中,每2个氨基酸组合对应着一个特定的碱基。因此,通过人为的删减、添加和自由组合不同的氨基酸组合,科学家可以轻而易举地构造出结合特定DNA序列的蛋白,从而实现转录激活样效应因子核酸酶在人类基因组DNA上的精确定位。

TALEN系统基因编辑原理

资料来源:Nature Reviews Molecular Cell Biology

与ZFN相比,TALEN在多个方面表现出明显的优势:工具蛋白设计更简便、可编辑性高、成本降低、细胞毒性降低。相对于ZFN,TALEN尽管已经有了明显的进步,也解决了ZFN一直存在的核心难题,但还有一些缺陷:(1)TALEN的工具蛋白不能通用,针对不同的基因仍需要设计特定的转录激活样效应因子核酸酶;(2)脱靶效应导至的潜在安全风险;(3)技术使用成本仍然偏高。

2.3 CRISPR:“基因瑞士军刀”

成簇规律性间隔的短回文重复序列技术(CRISPR)于2012年由麻省理工大学的华人科学家张峰和加州大学伯克利分校的珍妮弗独立发明。CRISPR是原核生物基因组内的一段重复序列,是生命进化历史上细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器,简单说就是病毒能把自己的基因整合到细菌,利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务,细菌为了将病毒的外来入侵基因清除,进化出CRISPR-Cas9系统,利用这个系统,细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除,这是细菌特有的免疫系统。

细菌拥有多种切除外来病毒基因的免疫功能,其中比较典型的模式是依靠一个复合物,该复合物能在一段RNA指导下,定向寻找目标DNA序列,然后将该序列进行切除。许多细菌免疫复合物都相对复杂,其中科学家掌握了对一种蛋白Cas9的操作技术,并先后对多种目标细胞DNA进行切除。这种技术被称为CRISPR/Cas9基因编辑系统,迅速成为生命科学最热门的技术。该技术具有非常精准、廉价、易于使用,并且非常强大的特点。


CRISPR/Cas9系统基因编辑原理

资料来源:www.cambridge.org

与ZFN和TALEN相比,CRISPR系统的优势主要体现在系统设计简便、可实现多基因编辑等。以CRISPR/Cas9为例,发挥DNA剪切功能的Cas9元件是通用的,因此只需要根据靶基因的不同设计相应的gRNA即可,其设计难度和复杂度远低于ZFN和TALEN,大大拓展了CRISPR系统的应用前景。此外,CRISPR还具有基因编辑效率更高、操作成本低等多方面的优势。然而,CRISPR技术出现时间还太短,科学家还无法充分预估其潜在风险。相比CRISPR技术,TALEN的脱靶效应更低,更加稳定。
基因编辑技术参数对比

数据来源:火石创造

三、基因编辑的行业现状:基因编辑潜力巨大

3.1 基因编辑的行业市场规模


对于基于基因编辑技术的基因治疗来说,关键的技术难点主要是:(1)基因编辑技术,特别是CRISPR技术面世的时间还太短,存在太多不确定的因素,再加上科学家对人类基因功能和调控网络的认知还不足,轻易改动基因可能引发无法预见的安全问题;(2)基因编辑系统导入细胞的效率和基因编辑的效率都还不高,尚无法真正实现临床上的大规模应用;(3)基因编辑系统与病毒载体一样也不具有细胞靶向性。

ZFN技术由于专利垄断的原因,全球目前仅Sangamo一家公司重点发展;采用TALEN技术的代表公司主要是Cellectis、Editas Medicine等;以CRISPR为技术手段的基因治疗公司主要是CRISPR技术的发明人张峰创立的Editas Medicine、Beam Therapeutics、Sherlock Biosciences以及珍妮弗创立的Caribou Biosciences、Mammoth Biosciences和Intellia Therapeutics。(拓展阅读:市场抢占|Mammoth Biosciences有望率先实现CRISPR商业化)

根据美国MarketsandMarkets咨询公司发布的基因组编辑/改造市场分析报告显示,全球基因组编辑市场(包括CRISPR、TALEN和ZFN)的规模将从2017年的31.9亿美元增长到2022年的62.8亿美元,复合年均增长率高达14.5%。据MarketsandMarkets分析,推动这一市场增长的关键因素是政府资助在增长,基因组学项目也在增加。全球传染病和癌症高发,推动了研究活动。同时,人们也将这一技术应用于农作物的改造。2017年,CRISPR有望占据全球市场的最大份额。这要归因于CRISPR技术能够实现多重编辑,也就是平行利用多个向导RNA来靶定同一细胞中的多个位点,轻松实现多个基因突变,对基因组区域进行精确改造。

根据麦姆斯咨询的研究报告显示,在治疗应用获得额外增长前,生物技术、农业技术和诊断领域的CRISPR市场规模将从2017年的5.46亿美元,增长到2023年50亿美元。这一增长将主要受到生物技术和农业技术领域的应用推动,其中在生物技术领域,CRISPR将用于预测药物发现的模型,而农业技术领域将利用CRISPR打造创新工具。诊断和治疗应用市场贡献还较小,因为该技术尚处于起步阶段,需要经过多次迭代才能优化其功效、安全性和特异性。基于CRISPR的基因编辑为基因操纵提供了终极工具,可实现各种不同的产品,以及许多正在研究和创建的新应用。


2017--2023年CRISPR技术全球市场预测

3.2 国外基因编辑行业公司盘点

根据GEN盘点,下面分别对2019年全球前10大基因编辑公司进行排名分析,该榜单包括了基因编辑领域的5家上市公司和5家非上市公司。其中,上市公司按照2018年的收入进行排名,包括来自产品或销售服务以及合作和研发活动,非上市公司根据所披露的筹集到的总资本进行排名。

TOP5上市公司

(1)Sangamo Therapeutics


成立时间:1995年

2018年收入:8445.2万美元

Sangamo Therapeutics是一家通过基因编辑技术开展临床阶段药物研发的公司,专注于锌指蛋白技术(ZFP)的研究开发和商业化。该公司是全球应用锌指蛋白技术最广泛的公司,开展了一系列临床阶段的人类疾病治疗。基于基因治疗的多平台方法,包括基因治疗、基因组编辑、细胞疗法、基因调控等,Sangamo在血友病、血红蛋白病、中枢神经系统疾病、艾滋病等领域布局产品管线。

Sangamo2018年的收入比2017年的3656.7万美元增加了一倍多,这归功于与Kite(吉利德公司)和辉瑞公司的合作。最近,Sangamo的研究人员专注于使用锌指核酸酶(ZFNs)增强基因组编辑。7月29日,Sangamo团队在《Nature Biotechnology》杂志上发表文章称,设计ZFN结构内的两个关键功能区,即调节识别DNA的锌指阵列的结合亲和力,并减慢Fok1切割结构域的催化速率。可以组合这两种互补的方法,以实现接近100%的目标修饰而没有可检测的脱靶。今年3月,Sangamo团队在《Nature Communications》杂志上报道称,通过一系列蛋白质改造工作,开发出新的ZFN结构。这些改造包括颠倒DNA结合结构域和核酸酶结构域的顺序,以及运用新的接头(linker)跳过相邻锌指之间的碱基。通过这种结构多样化的策略,他们试图大幅度提高ZFN的靶向精确度。

(2)Horizon Discovery Group

成立时间:2005年


2018年收入:5870万英镑(7118.6万美元)

Horizon Discovery总部位于英国剑桥,其技术核心是基因编辑技术,至今已经有超过十年的基因编辑经验,从早期的rAAV技术到ZFN以及近几年火热的CRISPR技术,Horizon都有专利授权。

Horizon Discovery公司2018年收入比2017年增长了68%。这一增长也归功于其最近的合作:Celyad正在开发第一个非基因编辑的同种异体CAR-T临床项目,使用Horizon Discovery的SMARTvector™短发夹RNA(shRNA)技术平台。2018年,AstraZeneca采用了Horizon Discovery的Edit-R crRNA文库作为其功能基因组学发现平台的一部分。而Biocartis的Idylla™微卫星不稳定性(MSI)分析得到了Horizon Discovery开发的细胞系衍生参考标准的支持。

(3)Editas Medicine

成立时间:2013年


2018年收入:3197.7万美元

Editas Medicine总部位于美国马萨诸塞州,创始人之一是CRISPR领域的“大神级人物”张锋。该公司正在开发基于CRISPR/Cas9技术专利的基因组编辑平台,致力于通过改变患者的致病基因来治疗相应的疾病。目前,该公司已建成一个多样化的管线,包括针对眼睛疾病、肌肉疾病、血液疾病、肺病、肝病和癌症的产品。

由于与Beam Therapeutics、Juno Therapeutics(去年被Celgene收购)、特别是Allergan的合作,Editas2018年在合作和其他研发的收入从2017年的1370万美元翻了一倍多。Editas和Allergan于4月份宣布在2019年下半年开始对患者进行体内CRISPR的首次临床试验。这项工作也是Cynthia Collins的首要任务,她于今年3月份被任命为临时首席执行官,8月6日被任命为常任总裁兼首席执行官。

(4)Intellia Therapeutics

成立时间:2014年


2018年收入:3034.4万美元

Intellia Therapeutics总部位于美国马萨诸塞州,专注于利用生物工具CRISPR/Cas9系统开发专有的、有潜力的治愈疗法。作为Editas Medicine最强大的竞争对手,Intellia获得了CRISPR先驱之一的女科学家Jennifer Doudna授权的相关知识产权。

Intellia与诺华和Regeneron Pharmaceuticals的合作,使其公司收入增长从2017年的2611.7万美元增加了16.5%。同时,Intellia和Regeneron(2016年启动的一项合作)在Intellia-led NTLA-2001项目上进行合作。2018年12月,Intellia扩大了与诺华公司的细胞疗法合作,包括眼部干细胞 (诺华公司为此向Intellia支付了1000万美元),并获得了对诺华公司LNP库的扩大使用权。

(5)Precision BioSciences

成立时间:2006年


2018年收入:1088.3万美元

Precision BioSciences总部位于美国北卡罗来纳州,致力于开发新一代基因组编辑技术平台ARCUS在癌症免疫疗法、遗传疾病和食品领域的应用。在癌症免疫疗法领域,该公司的目标是通过基因组编辑技术,在CAR-T或TCR细胞疗法中切除导至患者免疫系统攻击供体T细胞和导至供体T细胞攻击患者健康组织的基因,让癌症患者可以使用健康供体生成的T细胞疗法,不再局限于依靠患者本身的T细胞。

Precision BioSciences自今年4月1日完成首次公开IPO以来,已开始在PBCAR0191的 I / IIa期试验(NCT03666000)中进行患者给药。PBCAR0191是该公司与Servier一起开发的首个基因编辑的同种异体抗CD19 CAR T-细胞产品。7月,Precision在北卡罗来纳州达勒姆建立了高级治疗制造中心(MCAT)。该公司称这是目前美国第一家符合cGMP标准的内部制造工厂,专门用于基因组编辑的现成CAR-T细胞疗法。在完成调试、鉴定和验证后,MCAT将在第四季度开始cGMP生产。

TOP5非上市公司

(1)Casebia


成立时间:2016年

募集资金总额:3亿美元

Casebia是CRISPR Therapeutics与拜耳成立的一家对半持股的合资企业,旨在利用基因编辑技术开发血液疾病和自身免疫、代谢和先天性心脏病的治疗方法。

Casebia成立之时,拜耳同意在未来五年内向CRISPR Therapeutics支付至少3亿美元的研发投资,另外还有3500万美元现金用于购买CRISPR Therapeutics的少数股权。上个月在2019年国际血栓形成和止血学会大会上,Casebia首席科学家Alan Brooks博士报告了一种基因编辑方法的研究,该方法通过使用CRISPR-Cas9在小鼠中显示稳定的、可滴定的因子VIII表达,来管理治疗血友病a的因子VIII的产生。

(2)Poseida Therapeutics

成立时间:2014年


募集资金总额:2.265亿美元

Poseida Therapeutics是一家临床阶段的生物制药公司,旨在将一流的非病毒基因工程技术转化为能拯救生命的治疗手段,从而用于治疗各种疑难疾病。公司正在独立研发一种自体和同种异体CAR-T(候选产品,该产品可以治疗血液系统恶性肿瘤和实体瘤以及一些罕见遗传病)。

今年4月,Poseida宣布完成1.42亿美元C轮融资,由诺华出资7500万美元领投。Poseida表示,利用这笔资金全面推进目前进行的CAR-T计划,包括罕见遗传病的基因疗法。今年5月,Poseida获得了FDA对其CAR-T候选药物的孤儿药指定,该药物名为P-BCMA-101,用于复发和/或难治性多发性骨髓瘤(r/rMM)。

(3)Beam Therapeutics

成立时间:2018年


募集资金总额:2.22亿美元

Beam Therapeutics是首个利用CRISPR单碱基编辑技术开发全新疗法的公司,由张锋、David Liu以及J. Keith Joung三位CRISPR领域的“大神级人物”共同创立。公司在成立之初就宣布完成8700万美元的A轮融资。今年3月,公司又宣布完成1.35亿美元B轮融资,资金将用于推进下一代CRISPR技术的开发,扩大在碱基编辑技术方面的领导地位,并将产品管线推向临床开发。

5月,Beam和日本生物技术公司Bio Palette宣布了一项关于各自基础编辑知识产权(IP)的独家交叉许可协议。同时,Beam还通过多个平台为哈佛大学、Broad Institute、MIT和Editas Medicine提供技术授权。

(4)Synthego

成立时间:2012年


募集资金总额:1.58亿美元

Synthego总部在加州硅谷,是一家为科学家和研究人员提供基因工程细胞的公司。该公司由 Paul Dabrowski 和 Michael Dabrowski 兄弟二人创立,在正式进入生物科学领域之前,他们曾就职于埃隆•马斯克创立的 SpaceX公司。

在登上福布斯2019年估值10亿美元创业公司排行榜前一个月,Synthego宣布了爆炸性消息——推出了Gene Knockout Kit v2。该试剂盒旨在通过利用新的生物信息学驱动的多指导策略来确保基因敲除,该策略使用多达三个针对同一基因的修饰的sgRNA。Synthego表示,这套设备将使科学家在优化CRISPR实验时避免多次反复试验,从而加快研究速度。2018年10月,Synthego完成了由Founders Fund牵头的1.1亿美元C系列融资,筹集了总资本的三分之二以上。

(5)Inscripta

成立时间:2015年


募集资金总额:1.345亿美元

Inscripta是一家基因编辑技术公司,总部位于美国科罗拉多州,致力于创造革命性的基因编辑技术和工具,为人类的食品、燃料和医疗等带来变革。

在2019年的合成生物学:工程、进化与设计(SEED)会议上,Inscripta首次公开展示了其基于CRISPR的最新技术,该技术旨在以前所未有的规模实现多路可跟踪的细胞编辑。该公司基于前沿的CRISPR基因编辑原理,开发一类CRISPR酶类家族(称为MADzymes),可为研究人员和商业合作伙伴专门定制所需的核酸酶,以及全套基因编辑配套工具(软件、仪器和试剂等),这些工具将大大提高基因编辑的速度和效率。今年4月,Inscripta宣布,在2018年的8550万美元C轮融资的基础上,又新增了2000万美元融资,使本轮融资总额达到1.055亿美元。

3.3 国内基因编辑行业情况

虽然美国基因编辑水平位于世界前列,但中国在该领域的技术同样世界领先,外媒甚至称“中国基因编辑技术发展令美国望尘莫及”。2019年9月,《Science》杂志访问了中国5个城市的科学家,他们正在广泛运用CRISPR的各个学科。中国最大的努力是在农业领域,但那里的研究人员也在将编辑器大规模应用于动物,其中最具挑衅性的目标是用于人类移植的猪器官。中国正在积极探索基因组编辑技术在医学上的应用,已经启动了比任何国家都多得多的主要针对癌症的CRISPR临床试验。

在发表论文方面,根据PubMed数据显示,2018年美国发表的CRISPR论文数量最多,为2967篇,而中国为2059篇排第二位,但是中国有迎头赶上的趋势。



资料来源:Science

在申请专利方面,根据《Science》杂志数据显示,截至2018年12月,中国CRISPR的专利数量仅次于美国,排在第二位,中国的专利数量与美国有类似的地方,都集中在技术改进领域与医学领域,但是中国在农业领域的专利数量远超美国。


资料来源:Science

中国作为全球第一个将CRISPR用于人体试验的国家,迄今至少有86名中国患者接受了基因编辑治疗。相对而言,美国监管更严,需要通过种种风险评估与安全检查,在尽可能保证患者安全的前提下,才能实施基因编辑治疗。毫无疑问,中国将成为美国基因编辑技术的强劲对手。

从当前商业化应用的情况来看,基因编辑技术主要用于科研和制药两大领域,上游的终端用户包括生物技术和制药公司、学术研究机构以及CRO等。产业链下游的应用尚处于临床试验或临床前研发阶段,产值规模受到多种因素的限制。

据不完全统计,中国涉及基因编辑的企业有20多家,大多数以技术支持和服务外包为主,客户来源医疗机构、企业、科研院所与高校等,可见基因编辑技术本身在国内发展较为成熟,接受度较高。

国内基因编辑领域企业不完全统计


 
部分代表性企业简介:

1、博雅辑因

博雅辑因(EdiGene)是一家创新生物制药企业,致力于将国际前沿的基因组编辑技术用于治疗难以根治的遗传疾病和癌症。博雅辑因以基因组编辑治疗技术为基础,以解决患者亟待满足的医疗需求为目标,力求研发创新型医学方案。博雅辑因在研基因编辑疗法包括:β地中海贫血基因编辑疗法、血液肿瘤基因编辑疗法等。目前,博雅辑因在北京、广州以及美国波士顿拥有子公司。2019年9月17日,博雅辑因宣布顺利完成8150万人民币的Pre-B2轮融资,由博雅辑因A轮领投方IDG资本及Pre-B轮领投方礼来亚洲基金共同投资。

2、赛业生物

赛业生物2006年成立于美国,在中国设立有赛业苏州公司和赛业广州公司,在北京、上海、武汉、重庆等地均有办事处。目前员工人数达400余名,总规模超22000平方米,业务经营范围涵盖模式动物、分子生物学、细胞生物学、生物信息学等生命科学领域的多个支学科。2016年,TurboKnockout将ES打靶金标准推向新高度,CRISPR-Pro使大片段敲入及条件性敲除变得更加高效;2017年,自主研发的AlphaKnockout基因打靶专家系统首次实现基于人工智能化的最优方案设计;同年7月推出万例CRISPR-AI敲除小鼠资源库,目前已建立超16000品系全敲与条件性敲除小鼠。赛业生物成立十三年来,一直致力于技术创新,十三年来的种种努力,让赛业生物稳步成为实力雄厚的转基因/基因敲除模式动物商业技术平台,成为国际上最主要、最被认可的基因工程模式动物商业服务平台之一。

3、菁良基因

菁良基因成立于2018年1月29日,是全球领先的提供分子诊断标准品的研发创新型的高科技企业。菁良基因两位创始人均出身英国剑桥大学生物学系。韦良慎博士曾在全球领先的基因编辑上市公司HD任职,主导HD标准品全线产品的研发,同时任职该公司亚太地区总监,将标准品市场带到中国;李菁华博士在博士后期间专注于乳腺癌,血癌相关信号通路的分子机制研究,加入英国剑桥HD后,则创立了中国区销售、市场,技术支持和客服团队,熟悉中国市场需求和法规政策。目前,行业排名前50的基因检测公司超85%都在使用菁良标准品,包括华大基因、燃石医学、安诺优达等国内外知名企业。菁良基因创新性利用基因编辑技术为千亿分子诊断行业开发标准品,前景广阔。

4、吉锐生物

江苏吉锐生物技术有限公司 (Genloci Biotechnologies Inc.) 成立于2011 年 4 月,是一家致力于研发生物医学新技术、开发生物技术新产品、引领生物技术新应用的生物技术公司。拥有先进生物医药研发,生产和服务设施。吉锐生物拥有完善的 CRISPR/Cas9 载体系统,包括单敲除,双敲除,缺口酶、慢病毒敲除载体和敲除载体库等体系。并且每一个载体系统都有不同的标签(EGFP/RFP/Puro/Neo)可供选择。同时,拥有100余种基因敲除的项目经验,可以快速、准确、高效的完成任何一个基因敲除的项目。

5、杰毅生物

杭州杰毅生物技术有限公司是一家从事医疗器械和体外分子诊断试剂研发、生产、销售和服务的创新型高科技企业。公司致力于开发和完善一整套用于临床感染诊断的系统性解决方案,实现病原微生物核酸检测的自动化、一体化和智能化。与传统的病原体鉴定方法相比,核酸检测在灵敏度和特异性上均有显著优势,但现有产品在时效性、易用性和灵活性上存在诸多痛点。为了改变临床分子诊断的现状,杰毅生物在试剂、仪器和软件三个维度进行创新性布局:针对常见病原体造成的普通感染,杰毅生物研发了基于CRISPR/Cas的等温核酸j检测体系CNAD™和流水线分子检测平台SMAP™,实现了样本进、结果出,随到随检。每个样本检测16项靶标,8小时完成400例样本;针对复杂病原体引起的急危重症感染,杰毅生物研发了宏基因组检测产品PDC-seq™,凭借自动化建库仪Cubics™,基于PCR-Free的技术,2小时内完成样本核酸提取、文库构建和纯化。测序结果经过metAI™智能化软件分析,准确识别16000余种病原微生物,样本接收到报告不超过24小时。

6、启函生物

启函生物是一家专注于将最新的基因编辑技术用于异种器官移植的创新型生物科技公司,致力于解决全球供体器官短缺的问题。公司由美国eGenesis公司创始人及首席科学家杨璐菡博士以及美国科学院和工程院双院院士、哈佛大学George Church 教授在2017年共同创建。2018年,启函生物获780万美元A轮融资。杨璐菡博士是目前最先进的基因编辑CRISPR-Cas9技术的共同发明人之一,2014年被美国《福布斯》评为全球“30位30岁以下科学医疗领军人物”,2017年被世界经济论坛评为“全球青年领袖”,同年也被美国《彭博商业周刊》评为“全球50大最具影响力人物”。杨璐菡博士的创始团队于2017年研发出了第一代小猪,解决了异种器官移植的一个重大安全问题,也建立了世界上最先进的基因修改动物平台。2019年7月23日,启函生物完成超2000万美元融资,招银国际、联想之星参与了本轮融资。

7、微远基因

广州微远基因科技有限公司专注于基因技术创新与感染精准医疗方向,拥有两大核心技术:病原宏基因组学(mNGS)诊断平台与基因编辑(CRISPR-Cas12/13)快速诊断技术。微远基因研发中心与医学检验实验室坐落于国家级科技企业孵化器广州科学城华新园,占地总面积达近3000平方米,已按照行业最高标准建成病原高通量测序实验室。微远医学检验实验室已经获得第三方医疗机构执业许可证。微远基因已经与哈佛大学公卫学院,中国医学科学院病原所,复旦大学附属华山医院感染科,广州呼吸健康研究院等顶级临床院所建立了深入合作关系,面向临床儿科,呼吸科,ICU,感染等科室, 着力打造基于基因组学,影像组学与EHR大数据的人工智能诊断体系。2019年9月11日,微远基因宣布完成亿元的A轮融资,本轮融资由火山石资本和国科嘉和基金共同领投。

8、邦耀生物

上海邦耀生物科技有限公司成立于2013年,是一家以基因编辑技术引领创新,开发突破性疗法,造福全人类为使命的高新技术企业,总部位于上海紫竹科学园区。邦耀生物由留美归国的20位科学家团队创建成立,包括国家特聘教授、长江学者等,目前已有员工百余名,硕士及以上学历的人数占比达到70%。邦耀生物拥有SPF级实验动物房、2000平方米独立的GMP中试基地及5000平方米待建中试工厂。邦耀已获得了东方富海领投的天使轮融资以及华润领投的Pre-A轮近亿元融资,用于开发治疗B细胞恶性血液病的异体细胞疗法UCART的国内外新药申报及注册临床推进,助力公司在CART领域的早日实现新突破,目前已申请专利40余项。

四、基因编辑适应症与市场规模分析

研究成果也不断证实基因编辑在临床治疗中的广阔前景,如TALEN靶向治疗杜氏肌营养不良(DMD)、HIV、ZFN治疗帕金森(PD)、TALEN或ZEN都有望治疗大疱性表皮松解疾病和α1-抗胰蛋白酶缺陷症、TALEN或CRISPR-Cas9治疗镰刀型细胞贫血症、CRISPR-Cas9治疗遗传酪氨酸血症、白内障等。

4.1镰刀型细胞贫血

镰刀型细胞贫血是一种常染色体隐性基因遗传病,主要见于非洲黑人,也见于中东、希腊、土籍印第安人及与上述民族长期通婚的人群。正常的红细胞呈圆饼状,而患者的红细胞呈镰刀状,其携带氧的功能只有正常红细胞的一半。患者出生半年后症状逐渐出现,除了表现出贫血的相关症状外,临床上患者还常伴有生长发育迟缓、骨骼发育异常等表现。

镰刀型细胞贫血的病理在于β-珠蛋白基因发生单碱基突变,改变了β-珠蛋白的氨基酸序列,导至血红蛋白溶解度下降,进而形成管状凝胶结构,引起红细胞扭曲成镰刀状。由于形态异常,镰刀型红细胞易在细微血管分支处聚集,造成血管阻塞,严重者甚至死亡。

镰刀型细胞贫血症致病机制

资料来源:Boston Public Schools Health Services

目前镰刀型细胞贫血尚无法治愈,临床上采用的治疗方案多只能缓解症状,如输血、造血干细胞移植等,而基因治疗有望对镰刀型细胞贫血进行根治。不同于地中海贫血转基因的治疗方案,镰刀型细胞贫血需要对患者自身错误的基因进行纠正,故而在采集病人的造血干细胞后,可利用基因编辑技术,把突变的基因变回正常的基因,使造血干细胞的功能得到恢复,再将改造后的造血干细胞回输给病人,实现疾病的治疗。

镰刀型细胞贫血症的发生率约为8/100000,但在不同人种中的发生率差异较大,主要见于非洲黑人,杂合子状态者占非洲黑人的20%、美国黑人人群的8%,此外也见于中东、希腊、土籍印第安人及与上述民族长期通婚的人群。关于非洲人群的研究发现,具有镰刀形细胞特征的人比具正常人更不容易罹患疟疾,因此学术界普遍认为该疾病在非洲高发是疟疾长期自然选择的结果。

2015年全球镰刀型细胞贫血症新生儿患者分布

资料来源::The New England Journal of Medicine

根据Grand View Research研究报告显示,从全球范围来看,目前镰刀型细胞贫血的市场规模在20亿美元左右,2012-2022年的复合年增长率为13.78%,非洲裔和印度裔人群是需求最大的市场。基因治疗的成熟将大幅提高临床的治疗效果,有望加速拉动市场需求的增长。

2012-2022年全球镰刀型细胞贫血症治疗预计市场空间

资料来源:Grand View Research

目前针对镰刀型细胞贫血还没有基因治疗相关的产品上市,有几家公司正在开展临床试验,进展较快的是Bluebird公司的BB305,在治疗效果最好的一组病人中,抗疾病蛋白HbA T87Q的水平均高于3-6g/dL。其中,首名接受治疗的患者在6个月时,抗疾病蛋白HbA T87Q的水平已经达到了8.8g/dL,占总血红蛋白的60%多。然而,几家公司采取的治疗方案还是以慢病毒为载体的转基因的方式,还不是最理想的治疗方案,待基因编辑技术正式应用于这个领域以后,将取得更加亮眼的治疗数据,值得期待。

全球镰刀型细胞贫血症基因治疗临床进展

资料来源:ClinicalTrials

4.2艾滋病

艾滋病又称获得性免疫缺陷综合征,由人免疫缺陷病毒(HIV)感染引起。HIV进入人体后,主要攻击CD4阳性的T淋巴细胞,破坏人体的免疫系统,最终患者多因免疫系统崩溃而罹患肿瘤或受其他病原体感染致死。研究发现,HIV感染T细胞需要由细胞表面的多种蛋白共同介导,因此阻断这些蛋白与HIV的识别有望治愈艾滋病。

科学家曾偶然发现一名艾滋病患者在接受骨髓移植后其体内的HIV消失了,这意味着这名患者的艾滋病被骨髓移植治愈了。进一步研究发现,其骨髓捐献者天然携带CCR5△32这种基因变异,而该基因原型CCR5是介导HIV感染T细胞的关键蛋白之一,这种基因突变阻断了HIV感染T细胞的途径,使T细胞获得了抵抗HIV的特殊能力。因此,通过基因编辑的方式,将患者造血干细胞的CCR5基因替换成CCR5△32,即可使患者新生成的T细胞获得抵抗HIV的能力,再辅以抗病毒药物的治疗,有望实现艾滋病的治愈。


艾滋病基因治疗(TALEN)原理

资料来源:AGCT公司官网

然而,基因编辑的技术出现时间还太短,仍存在较大的安全风险,可能会因人为改造基因引入新的基因突变,带来严重的副作用。同时,艾滋病的临床试验周期非常长,这也会在很大程度上拖慢基因治疗新药研发的进程。整体而言,艾滋病的基因治疗目前还是集中在解决基因编辑技术上的问题,以及发现更多可用的抗HIV的靶点。随着越来越多的抗HIV基因被发现,基因治疗可选择的空间也越来越广,该技术成熟以后,将彻底终结目前“谈艾色变”的局面。

根据世界卫生组织的统计,2016年全球感染HIV的人数在3670万左右,当年约100万人死于艾滋病。其中非洲是艾滋病的重灾区,撒哈拉以南非洲地区的人口只占全球人口的10%左右,但这一地区却集中了全球60%以上的HIV感染者。

根据Allied Market Research研究报告显示,从全球范围来看,目前艾滋病治疗药物的市场规模在200多亿美元的水平。经过多年的发展,该市场相对成熟,已有不少药物面世,体量也大,故而复合年增长率较低,仅为4.16%。然而,基因治疗的出现有望打破目前大市场、低增速的局面,将快速拉升市场需求,使这个千亿市场再上一个台阶。


2014-2022年全球抗病毒类艾滋病治疗药物预计市场空间

资料来源:Allied Market Research

据中商产业研究院最新报告,2016至2020年全球精准医疗市场规模将以每年15%的速率增长。预计2020年全球精准医疗市场规模将破千亿,达到1050亿美元,“基因剪刀”将是撬动千亿级大市场的一把钥匙。

目前基因编辑作为精准医疗的分支,产业链并不完整,更多是技术的突破与更新迭代。新的基因组编辑技术,如ZFNs(锌指核酸酶)、TALENs(转录激活因子效应物核酸酶)和CRISPR-Cas9系统的相继出现给基因治疗领域开辟了新途径。由于它们能操作简单、定向精准,且成本较低地编辑靶向位点,避免了传统依赖同源重组、有效率低、耗时复杂等弊端,正成为新一代基因治疗的宠儿。

目前全球还没有艾滋病的基因治疗产品上市,但已有多个临床试验正在进行。从作用机制上来看,基因编辑是艾滋病基因治疗的最佳选择,但此前由于Sangamo对ZFN技术的高度垄断,全球范围内其他所有公司和机构都无法正常开展涉及基因编辑的临床试验,因此长期以来,利用基因编辑治疗艾滋病仅Sangamo一家公司开展了临床试验,这也在很大程度上延缓了整个艾滋病基因治疗领域的临床进展。

虽然包括Sangamo在内部分公司的临床试验取得了一些成绩,但受到基因编辑专利垄断和艾滋病临床试验周期长等因素的影响,这个领域进展一直较为缓慢,还处于早期,距离基因治疗产品真正面世还有一段时间,然而在临床上取得治疗效果短期内还是有希望的,而新一代基因编辑技术的面世也有望加速这个过程。


全球艾滋病基因治疗临床进展

资料来源:ClinicalTrials

如果说基因测序是让人类看到了上帝的造物指南,基因编辑则有机会让人类学会上帝的手术刀的使用方法,很多疾病将有望得以被治愈。未来可期!




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