合成生物学开启个性化诊疗时代
合成生物学开启个性化诊疗时代
合成生物学的进步正在使生物制药更接近一个能同时满足可定制化和具成本效益的世界。
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利用生物学开发治疗方法的想法并不新鲜。1978年，礼来公司（Eli Lilly and Company）和基因泰克公司（Genentech, Inc）通过将人类细胞中产生胰岛素的基因移入大肠杆菌菌株中，开发出了第一个重组人胰岛素产品。另外，早期版本的单克隆抗体也是通过使用转基因小鼠制备的。
然而，合成生物学的出现使药物研发出现一个新的转折点，即可以通过改变最高阶生物体——人类本身，来产生新的疗法。如今，许多初创公司和大型制药公司开始布局合成生物学，通过开创DNA合成方法，开发读取遗传物质和寻找靶点的新方法，以及将人工智能纳入合成生物学流程，有望在不远的未来将负担得起的个性化细胞和遗传疗法变为现实。
按照分子生物学家、SynBioBeta的创始人兼首席执行官John Cumbers的说法，与许多可靠、稳定和可重复性的工程学科不同，设计细胞、遗传回路或生物疗法目前仍是一项复杂而又昂贵的工作。但一些合成生物学公司的出现正在改变这一现状，通过开发越来越可靠的细胞工程化技术，可能促进更多疾病模型和生物学范式的产生。
从合成DNA说起
以Molecular Assemblies, Inc为例，这是一家位于圣地亚哥的初创公司。该公司开发了一种DNA合成技术，公司的首席技术官Phil Paik表示，与目前使用的化学合成相比，该公司的技术能够产生更长的DNA链，且其准确性更高。
Paik说道：“使用传统的化学工艺，如果要生产一个200核苷酸长的DNA片段（这也是目前使用该方法能够生产的极限长度），最终可能只有40%是你想要的产品，而另外的60%基本上都是废物”。
使用基于酶的合成，Molecular Assemblies公司可以生产300核苷酸长的DNA链，且纯度为80~85%。另外，相较于化学方法，酶法对于更复杂DNA序列的合成也更具优势。
“DNA喜欢自我折叠，如果能找到一个互补的序列，它就会产生二级结构”Paik解释道：“要生产出一些会自我折叠的序列真的很难，我们的做法是创造一种能在非常高温度下进行生产的方法，高温会阻止二级结构的产生”。
这些技术创新最终可以降低昂贵的基因疗法的价格，因为其通常归因于高昂的制造成本。
“当你得到低质量的DNA时，你必须重复你的实验，或者你必须调整序列并重新合成它们，这当然会影响到最终的治疗成本”，Paik说到。
改善干细胞发育
在细胞治疗领域，总部位于剑桥的初创公司bit.bio正在推广一种更快、更可靠的多能干细胞（PSC）重编程方法。公司的创始人兼首席执行官Mark Kotter曾是一名神经外科医生和干细胞生物学家，他希望能够解决当前细胞重编程方法的一些缺陷。
PSC生活在一个表观遗传背景下，这种背景决定了它们的细胞身份，以及如何通过其发育轨迹。
Kotter表示：“你可以把干细胞分化的过程看作石头从山顶滚落的过程，在它沿着不同路径滚落到山谷的过程中，有许多不同的分支点，发育的过程需要时间，大概半年才能由干细胞转变成某些细胞类型”。
他表示，在过去25年里，干细胞生物学家一直在使用化学物质来影响这些分支点的细胞发育过程，但这些方法既复杂又低效。
bit.bio不是通过化学方法影响细胞发育，而是通过靶向基因调控网络来控制PSC的身份。使用机器学习，该公司分析了给定人类细胞类型的20000个基因的组成，并识别出决定这些细胞类型功能的10000个基因，控制这些基因表达的2000个转录因子，以及负责定义每种细胞类型、亚细胞类型或细胞状态的1到6个转录因子。bit.bio平台的基础是通过使用安置在干细胞基因组中的诱导型“遗传开关”来控制这少数几个的遗传转录因子。
该公司最先进的项目bbHEP01是一种针对急性肝病的临床前阶段肝细胞疗法。bit.bio还有其他六个早期项目，其中一个是与BlueRock Therapeutics LP合作的，用于发现和制造iPSC衍生的调节性T细胞。BlueRock打算利用这些药物来开发针对未指明的自身免疫性疾病的治疗方法。bit.bio还生产各种用于研究目的的细胞类型，从神经元到肌肉细胞，以及杜氏肌营养不良症等疾病的细胞模型。
Kotter声称，bit.bio的细胞疗法将比目前的细胞疗法便宜两个数量级，因为它可以在几天内以工业规模对细胞进行重编程，并且具有出色的一致性和细胞纯度。
“所以，这意味着每个病人的治疗成本不是数十万，而是几千，这是这个世界现在迫切需要的”，Kotter表示。
对于其合作伙伴，bit.bio每年推出三种新的细胞类型，Kotter表示，如果公司能获得所需的资金，他们能将生产速度提高一个数量级。
“我们的目标不仅是能够生产任何人类细胞类型，而且是能够生产任何状态的人类细胞”，Kotter补充说。
无脱靶效应的基因编辑
Prime Medicine, Inc.在2月份的公开募股中筹集了1.513亿美元，该公司的治疗开发平台采用了曾获奖的体内基因编辑技术——Prime Editing。该公司利用一种起向导作用的RNA在细胞的基因组中找到需要修复的特定位置，而结合向导RNA的一种蛋白质（Prime Editor）则负责在目标位点写入新的DNA序列。
在公司成立四年后的2020年，Prime Medicine现在已经有一个项目进入临床，还有九个项目目前处于早期阶段。
今年1月，该公司获得了FDA对PM359的孤儿药认定，PM359是其用于治疗慢性肉芽肿病的基因疗法，这是一种在儿童时期表现出来的致死性疾病。该公司计划在2024年上半年启动该药物的I/II期研究，预计将于2025年获得初步临床数据。PM359使用的是离体的自体造血干细胞解决造成该疾病的p47phox蛋白中的单点突变。
该研究包括三个队列，每个组别在时间上错开，每个连续的组别都包括更年轻的患者。这种设计将有助于获得疗法的安全性数据。鉴于该疗法的新颖性，这也是一种相对谨慎的设计方法。
Prime Medicine公司首席科学官Jeremy Duffield表示，该公司将在美国基因与细胞治疗学会（ASGCT）的年会上展示临床前数据，该数据显示该疗法能够大规模、高效地修复患者体内的中性粒细胞，而且“从公司进行的广泛的非靶点研究来看，该疗法具有难以置信的良好安全性”。
该公司还将在ASGCT会议上展示海报并发表演讲，介绍其专有的递送系统，包括脂质纳米粒子系统，该系统可携带用于全身注射的大RNA或小RNA。
Prime Medicine公司在血液、免疫、肝脏、眼部和神经肌肉适应症方面的研发正处于不同的阶段，但计划扩展到免疫疾病、传染病，并最终瞄准常见疾病的遗传风险因素。
Duffield表示：“Prime Medicine的技术基本上可以修复任何疾病和身体任何部位的突变”。
随着公司朝着精准医疗方法的不断迈进，Duffield希望监管机构能够接受基于公司正在构建的模块化治疗平台的简化流程。
“模块化平台的概念是，你建立一个系统，开发组件，进行CMC（化学、制造和控制）并与系统建立监管途径。当你要制造新产品时，你只需替换掉其中一个RNA并导入另一个RNA，而其它所有组件均保持不变”，Duffield补充到。
他希望，如果模块化处理的毒理学特征可以标准化，这种方法可以促进新监管途径的出现。如果监管机构能够对这种方法持开放态度，他们的基因治疗成本可能会进一步降低。
大型制药公司对合成生物学的兴趣
罗氏控股（Roche Holding AG）等大型制药公司正在布局合成生物学领域，瑞士主要公司从学术界聘请合成生物学研究人员，“以确保在研究和实际应用方面的领导地位，尤其是在公司的细胞和基因治疗产品上”，罗氏pRED（药物研究和早期开发）全球治疗方式负责人兼高级副总裁Sylke Poehling说道。
除了使用合成生物学的先进技术，该公司采用合成生物学的思维方式来改变员工的工作模式。具体而言，Poehling强调了该公司在CGT开发中使用到的设计-构建-测试-学习（DBTL）循环。她表示，这种方法产生了高度可控的生物和生化途径，这些途径随后又可用于设计具有特定特征和功能的合成细胞或治疗方法。Poehling认为，将AI和DBTL循环相结合，可以进一步提高罗氏优化CAR-T细胞和基因疗法设计的能力。
“我们的目标是开发一种自动化的、以平台为中心的方法，这些方法具有简化和标准化的程序，有可能提高生产力、增加产量并缩短项目周期时间”。
Poehling还表示，大型制药公司可能还没有准备好在内部增加合成生物学的基础设施和技能，但尽早采用DBTL等基于合成生物学的工艺将获得广泛的收益。整合大型制药公司可以访问的广泛数据类型，从疾病生物学到临床经验以及安全性和毒理学数据，可以为整个研发流程带来帮助。
她补充说：“通过扩大采用DBTL循环的范围，制药公司可以创造一种更全面、更明智的药物开发方法，从而带来技术上可行，且对患者安全的创新疗法”。
多样化的合成生物学格局
在外部合作和投资方面，Poehling表示，大型制药公司和投资者都面临着同样的挑战：初创公司数量众多，新技术种类繁多，以及领域发展迅速。
“诸如‘这是我们一直等待的关键时刻吗？’，‘这项技术会很快过时吗？’以及‘我们如何最好地整合各种技术来实现我们的战略目标？’等问题很常见”。
对于那些不知道从何处开始寻找合成生物学公司的人来说，Ginkgo Bioworks今年早些时候推出的Ginkgo Technology Network可能会提供一些帮助。这是一个聚集了超过25个合成生物学领域合作伙伴，涵盖从人工智能到基因医学、生物制剂和制造等一系列能力的技术网络。
“许多公司拥有出色的技术，我们通过这个网络为它们提供与Ginkgo的合作机会”Ginkgo的业务发展副总裁兼体内生物治疗负责人John Androsavich说道：“我们拥有一支庞大的销售团队，我们擅长建立合作，对于一些可能只有一两个业务开发人员的小公司来说，这可能为它们提供助力”。
合成生物学和AI/ML
与大多数其他行业一样，合成生物学的前沿在于使用生成式AI增加各种组合的空间。具体来说，将生成式AI引入到生物学中有助于概念化和构建自然界中不存在的蛋白质。
“这不仅仅是对现有生物学内容的操纵或调整，而是从头构建的生物学”Androsavich强调。
凭借Androsavich提到的世界上最深的宏基因组数据库，Ginkgo Bioworks一直在修改RNA，以使其更稳定，免疫原性更低，“但当涉及RNA时，最大的问题其实是能否找到自然界中不存在的序列，并赋予更好的物理或化学性质，这一点也是我们想在药物中实现的”。
“我们正尝试通过机器学习（ML）模型来做到这一点，ML允许我们测试一定数量的RNA，然后该模型可以引导我们得出额外的假设序列，我们可以对此继续进行验证和确认”。
Androsavich表示，该公司已经使用人工智能和机器学习来设计新的酶，这些酶可以使用有机溶剂进行生物催化反应，通过使用这些方法也能得到具有治疗性用途的酶。虽然从头开始的酶工程是可能的，并且已经有先例，但“鉴于我们数据集中宏基因组多样性的深度，我们通常可以找到一种自然界中已经存在的酶”，这些酶可以满足客户的需求，可能只需要稍微修改一下。
“大自然在很多方面已经为我们提供了我们想做的大多数事情的起点”。
限制利率的变量：融资
就行业实现其潜力而言，限制利率的因素可能是融资。
“高利率继续抑制风险投资，”SynBioBeta的Cumbers说道：“特别是许多未盈利公司目前也都在努力筹集资金。”
Marcus Gstottner是早期合成生物学初创公司clock.bio的首席执行官，同时他也是BlueYard Capital的常驻企业家，他也支持合成生物学公司遭受资金短缺困扰的观点。他表示，面临“合成生物学寒冬”的部分原因是，7~8年前的炒作现在才开始以有意义的科学形式实现。然而，他也听到越来越多持乐观情绪的言论，认为“合成生物学的春天”即将到来。
“无论我们身处何处，好的想法和强大的科学技术一直都在那里，直到春天再次到来”
使细胞重焕生机
Gstottner认为，他的公司（2023年之前一直处于隐身模式，现在正筹集种子轮融资）将度过这次融资寒冬。该公司总部位于维也纳，专注于强行老化人类PSC，并读取随后过程中发生的基因变化。与体细胞（已分化的干细胞）不同，处于未分化状态的PSC不会受到相同的衰老损耗。当它们被迫衰老时，它们最终会恢复到原来的状态。
“随着时间的流逝，衰老主要表现在表观遗传噪音和错误的积累，以及无法抵御负面的外部影响”。
该公司使用CRISPR在整个衰老和年轻化过程中筛选大量hPSCs样本。他们希望通过读取细胞重焕生机过程中的遗传变化来开发针对衰老相关疾病的潜在疗法。
“当我们使用CRISPR筛选这些事件时，我们可以解码基因组的哪些部分在恢复过程中起作用，而这些部分也很可能是与年龄相关疾病的靶标”Gstottner补充到。
生物学的十年即将到来
虽然一些合成生物学企业目前面临着融资困难的窘境，但与更广泛的生物技术一样，合成生物学产出的价值将很快显现出来。
“我们正在进入一个惊人的生物学十年，甚至可能是一个生物学世纪”，Cumbers说道。
Ginkgo Bioworks的Androsavich对此表示赞同，他指出，“所有主要的工具现在都已就位，在5年或10年前可并非如此”。
“我们现在可以操纵和编辑DNA，低成本地合成DNA并构建整个染色体，计算能力也已经很出色，在2025年、2026年、2027年，我们将看到什么，绝对是不可思议的”。
文章来源：
Synthetic Biology Matures, Promising Affordable And Personalized Treatments
https://invivo.citeline.com/IV154611/Synthetic-Biology-Matures-Promising-Affordable-And-Personalized-Treatments?utm_source=ActiveCampaign&utm_medium=email&utm_content=LabGenius%20%C2%A335M%2C%20Nabla%20Bio%20%2426m%2C%20Circe%20%248m%20%2B%20%20Fiona%20Mischel%20speaks%20at%20the%20House%20of%20Lords%20Science%20%26%20Technology%20Committee&utm_campaign=Digest%20%23542