基因治疗的创新：解锁病毒载体潜力的3个挑战
本文节选自《Gene-therapy innovation: Unlocking the promise of viral vectors》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
过去一年，病毒载体基因疗法既有成功也有挫折。多种腺病毒载体疫苗的快速开发和大规模推广是一项前所未有的成就，帮助减轻了COVID-19大流行的破坏性影响。而在同一时期，多个备受瞩目的基因治疗产品遭遇了挑战，临床试验因安全性担忧或未能达到疗效目标而暂停。
这些成功和挫折象征着病毒载体基因治疗的当前状态：一项具有相当大应用前景的技术，但仍面临一系列挑战。随着越来越多的基因疗法进入临床，很明显可以看到，其仍需克服多种技术挑战，才能充分发挥病毒载体基因治疗的潜力。
为了迎接这些挑战，生物技术和制药公司正在测试各种先进技术和创新战略，以解决病毒载体基因治疗发展所有方面的问题。对于准备跟上快速变化步伐的公司来说，这些创新为开创下一代病毒载体基因疗法提供了一条道路。
病毒载体基因治疗的状态
病毒载体基因疗法使用修饰的病毒作为药物载体，将特定的DNA序列 - 编码基因、调节RNA (例如，小干扰RNA[siRNA]) 或其它治疗性底物引入细胞。长期以来，这项技术因相对于传统模式的潜在优势而吸引了人们极大的兴趣。许多类型的治疗药物(例如，酶、抗体和siRNA)可以在DNA序列中实施编码，一旦确定了目标，就可以快速设计和合成。
病毒可作为这些序列的强大递送工具，因为它们能够有效地进入细胞，并有可能到达到难以达到的、高度特异性的细胞。结合这些特点，病毒载体基因疗法可以通过可编程的方式用于修改基因表达，其具有极高的潜在灵活性，有可能可治疗广泛的疾病类型，包括通过基因置换治疗罕见的单基因疾病，以及通过控制基因表达而治疗患者群体广泛的疾病，此外，也包括通过免疫，而有助于疾病预防。
目前，几乎所有的基因疗法都使用三种载体类型中的一种：腺相关病毒(AAV)载体、腺病毒载体、或慢病毒载体 (表1)。AAV和腺病毒载体通常用于以输液或局部给药方式直接注入患者体内的基因疗法，AAV是肿瘤和疫苗领域之外最受欢迎的载体。慢病毒载体通常用于体外治疗，即从患者身上获得的细胞在回输至患者前在实验室中进行修饰。本文主要关注体内基因治疗；然而，所讨论的许多挑战和进展适用于这两种治疗方式。
病毒载体基因治疗管线载体类型和阶段分布
全球基因治疗产品中使用病毒载体类型的比例
处于不同开发阶段的全球基因治疗产品的数量
行业对于病毒载体基因疗法的关注是显而易见的。尽管目前市场上只有四种体内病毒载体基因疗法，但截至2020年底，有超过100种基因疗法产品正在进行临床试验，且有更多候选产品处于临床前开发阶段。
这些产品中，有许多来自持续获得高水平风险投资的中小型生物技术公司和学术实验室。但大型制药公司也越来越关注病毒载体的潜力，仅在过去两年就有7家生物技术公司被大型企业收购，价值接近或超过10亿美元。腺病毒已被证明是一个良好的疫苗平台，在过去一年里，基于此平台的埃博拉疫苗和开创性的COVID-19疫苗获得了批准。
虽然一些基因疗法的高昂价格曾一度被视为是其商业化的一个几乎不可逾越的挑战，但创新的报销策略已经表明，成功推广是可能的，ZOLGENSMA(上市前十个月治疗了600多名患有脊髓性肌萎缩症的婴儿) 的疗效超出了分析师的预期。未来5年，病毒载体基因疗法的全球销量预计将以每年50%以上的速度增长 (不包括COVID-19疫苗的潜在影响)，影响数以万计患者的生活。
病毒载体基因治疗领域的强劲投资反映了行业对此类技术的关注程度
2016-2020年基因治疗产品风险投资（百万美元）
2016-2020年被大型制药公司收购的基因治疗生物技术公司（10亿美元）
然而，尽管势头强劲，最近也出现了多次挫折，其中许多都与麦肯锡（McKinsey）之前对基因治疗未来的展望 (包括疗效、持久性和生产) 中介绍的挑战有关。当这些疗法试图超越它们最初针对的超罕见适应症时，三个技术挑战成为了反复出现的障碍。要想让病毒载体基因疗法发挥真正的革命性潜力，像20年前的单克隆抗体技术一样，必须克服这一系列的技术挑战。
实现病毒载体基因治疗潜力的挑战
当前这一代的病毒载体基因疗法代表了数十年生物学和临床研究的高潮。随着越来越多的患者接受这些疗法，很明显，有三个基本的挑战将限制病毒载体的适用性：如何通过免疫系统、如何降低剂量以及如何控制转基因的表达。正在进行中的、应对这些挑战的工作正在产生各种技术创新，这些技术创新将不仅局限于目前的疗法，而有助于释放病毒载体的更多潜力。
突破免疫系统
任何病毒载体基因治疗的成功都取决于它能否突破人类免疫系统部署的多条防线。病毒衣壳、病毒载体DNA甚至转基因产物本身都可能被认为是外来物质，这为免疫系统将基因治疗从体内清除出去提供了多种机会。
针对病毒衣壳的免疫会限制基因治疗的效果。因为目前大多数病毒载体基因疗法使用的载体源于在人类中传播的无害病毒，许多患者 (高达60%)可能由于过去接触过病毒而预先存在免疫。例如，CanSinoBIO（康希诺）报告称，其COVID-19疫苗在已存在针对其选择用于基因递送的腺病毒-5(Ad5) 载体的抗体的个体中，效力会降低。
尽管这种效应取决于所使用的载体血清型，而且临床影响仍不清楚，许多临床试验的发起者保守地将此类患者排除在他们的研究之外，即如果患者对所研究的载体有抗体。这可能导致大多数患者没有“资格”接受治疗。从长期来看，病毒载体的获得性免疫给病毒载体基因治疗带来了新的挑战。从目前的情况来看，如果两种基因治疗方法使用了相同的病毒载体，那么患者在接受了一种基因治疗后，可能就无法在未来接受第二种基因治疗。
此外，病毒衣壳和病毒载体DNA可以“积极激发”人体的免疫反应。对于病毒载体疫苗，这种免疫原性可能是有益的，因为它减少了对佐剂的需要，并提高了疗效。然而，对于其它病毒载体基因治疗，免疫原性会降低疗效，增加基因治疗被免疫系统检测并清除的机会。事实上，一些人推测，免疫原性载体DNA序列是最近一些基因疗法持久性受限的背后原因，导致它们被放弃。更令人担忧的是，免疫原性在治疗使用中可能导致安全性问题，因为高水平的病毒衣壳可在注射时引起严重的免疫反应。
阐明免疫系统对病毒载体基因疗法相互交织的反应仍然很困难。动物模型不能概括人类免疫系统的所有相关方面 (因为免疫系统的行为在不同物种之间是非常不同的)。虽然人体临床试验提供了有价值的洞见来源，但许多基因治疗试验规模太小，无法可信地分离出与药物成功或失败相关的参数。
降低剂量
目前的病毒载体基因治疗需要给患者注入大量的病毒颗粒，特别是针对系统性疾病的治疗。例如，最近针对杜氏肌营养不良症 (DMD) 的基因疗法，其旨在纠正全身肌肉细胞的突变，单剂需要约10^16(10,000万亿)病毒颗粒 (例如，每公斤 [kg] 体重需要3 × 10^14载体基因组[vg]，假设一个孩子体重为30公斤)，这是人体细胞数量的数倍之多。对于系统性疾病，需要靶向并修复身体中的许多细胞，这部分解释了为什么要给予如此大剂量的治疗。另一种解释是目前病毒载体的细胞类型特异性有限：必须输送大量病毒颗粒，以确保足够数量的病毒颗粒到达临床相关细胞。
目前基因治疗中使用的大剂量带来了两个挑战。首先，大剂量的生产既困难又昂贵。目前，使用高产细胞系和大体积生物反应器进行AAV载体治疗的典型生产运行时，单批可能只能生产大约10剂系统性基因治疗，每剂成本近10万美元(假设每批大约获得1 × 10^17 vg)。随着基因疗法逐步到达临床和商业化规模，这些成本将逐渐降低，任何降低所需剂量的技术进步都将带来直接利益，因为剂量减少十倍也可能带来十倍的成本缩减。
其次，更重要的是，大剂量的病毒注射与不良的安全结果有关。虽然对2020年AAV载体疗法临床试验中4例死亡的调查仍在进行当中，但其中3例死亡发生在高剂量组。临床试验方案随后进行了修订，以限制病毒剂量，这也反映了这个问题的重要性。
控制转基因表达
一旦病毒载体成功地将其治疗性基因递送到了相关的细胞当中，基因治疗的效果将取决于转基因表达的质量。具体来说，转基因必须在适当的细胞中以适当的水平(既不过低也不过高)表达，并在适当的时间内介导期望的临床效果。针对治疗用途 (与疫苗相比)，转基因可能需要永久性表达，特别是如果基因治疗作为一次性给药治疗时，这对患者来说，是一种有吸引力的选择，因为当前的标准治疗需要重复给药 (由于前文提到的免疫等问题，有些情况下，可能无法进行二次给药治疗)。监管机构要求多年的随访数据，以证明基因表达得到了维持。事实上，一些药物在12个月后表达减弱时就被放弃了。
为了最大限度地提高成功的机会，早期病毒载体基因治疗选择了包括调控元件 (DNA序列，如控制基因表达的启动子和增强子)，这些被选择用来驱动所有细胞类型的高水平转基因表达。然而，这种方法可能有重大的缺点，特别是当基因疗法不在局限于基因替代单基因罕见疾病时。转基因的过表达或在错误的细胞中表达可能会导致炎症和其它毒性 (正如最近在非人灵长类动物的研究中观察到的那样)。此外，目前的基因治疗一旦实施，临床医生就不能在需要的时候进行控制或关闭。
原文：E.Capra, A.Godfrey, A.Loche, et al., Gene-therapy innovation: Unlocking the promise of viral vectors. Pharmaceuticals & Medical Products Practice, 2021.
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