2023-2024基因治疗药物行业发展白皮书

前言 基因疗法是继小分子、大分子靶向疗法之后的新一代精准疗法，为肿瘤、罕见病、慢病及其他难治性疾病提供了新的治疗理念和手段，具备了一般药物可能无法企及的长期性、治愈性疗效。（备注：本文所描述的基因疗法不含CAR-T等免疫细胞疗法、溶瘤病毒疗法、小核酸药物。） 基因疗法通过修饰、操作或删除基因从而改变基因组的变化，有望解决传统小分子、抗体药成药性差或无法根治疾病的问题。在过去的十年间，基因疗法在癌症、遗传性疾病以及传染性疾病等多个领域的临床治疗中取得了突破性的进展。目前，针对传统方法无法治疗、预防或治愈的疾病，基因疗法让广大患者看到了“治愈”的希望。 基因疗法旨在解决疾病的根本原因，如我们基因的变化。它利用遗传物质来治疗或预防疾病。被递送进入细胞的基因物质，如DNA或RNA，包含指导细胞如何合成特定蛋白质或蛋白质组的指令。对于某些疾病而言，这可能导致细胞内蛋白质的产生出现过量、不足或功能异常，从而影响细胞的正常功能。 02 基因疗法优势显著，可以克服传统药物调控蛋白质水平的局限，已成为破解疑难疾病的重要手段，在遗传、非遗传疾病领域的应用价值日益凸显，2023年美国FDA批准了5款基因疗法（含基因编辑疗法）上市，分别用于治疗镰刀型细胞贫血病、血友病A、杜氏肌营养不良和营养不良性大疱性表皮松解症。随着CRISPR、单碱基编辑（BE）、先导编辑（PE）等基因编辑技术，以及AAV载体、脂质纳米颗粒（LNP）、病毒样颗粒（VLP）等递送技术快 速发展，基因疗法研发加速，并受到资本市场的持续关注。国内多家基因药物开发公司加码基因疗法赛道，在研管线覆盖罕见病、眼科、中枢神经系统等疾病领域，基因疗法迎来快速发展阶段。 03 目录 前言02 第一章基因疗法的原理和优势06 1.1基因增补疗法07 1.2基因编辑疗法15 1.3体内基因疗法25 1.4体外基因疗法26 第二章基因疗法国内外发展现状27 2.1基因疗法发展历程27 2.2基因疗法应用方向28 2.3全球获批上市的基因疗法30 2.4国内发展现状40 第三章基因疗法的机遇与挑战50 3.1安全性挑战51 3.2临床应用挑战59 3.3序列设计挑战60 3.4商业化挑战61 3.5社会伦理挑战62 04 第四章基因疗法的技术发展趋势62 4.1非病毒载体——基因治疗技术新趋势64 4.2AAV衣壳修饰改造67 4.3基因编辑疗法——治疗常见病的未来71 4.4AI助力基因疗法72 第五章基因疗法监管政策74 5.1国外基因疗法政策74 5.2国内基因疗法政策75 第六章总结82 05 ▲基因疗法分类：A为基因增补疗法，B为基因编辑疗法 基因增补疗法主要用于治疗由单一基因缺陷引起的遗传性疾病（如囊 性纤维化、血友病和某些遗传性视网膜病变），通过向患者体内输送正常副本的基因，以补充缺失或不正常的基因，从而恢复其正常功能。 基因编辑疗法通过编辑技术（如CRISPR/Cas9）直接在患者的DNA层面上修改或修复缺 陷基因，这种方法不是添加新基因，而是更改现有的基因序列。该疗法在不同医疗场景中具备着广泛的应用前景。 06 第一章基因疗法的原理和优势 基因疗法是一种通过将正常或有治疗作用的外源基因导入靶细胞，置换或纠正患者的致病基因的方法。使用介导载体将目的基因导入靶细胞，这些基因可以整合到细胞染色体中，或者位于染色体外但仍能在细胞中转录和翻译。这种治疗方法能够改变细胞原有的基因表达，从而达到治疗疾病的目的。其核心在于精准打击疾病根源——异常DNA，实现“一次治疗，长期有效”无需面临传统药物在蛋白质层面“不可成药”靶点的困境。 《柳叶刀》发表的一篇综述（PMID:37699417）指出，基因疗法整体上可以分为基因增补疗法和基因编辑疗法两类。 1.1基因增补疗法 表1基因增补和基因编辑区别 基因增补：又称基因修饰（geneaugmentation），利用递送载体，将外源基因导入病变细胞或其它细胞，外源基因的表达产物能修饰缺陷细胞的功能或使原有的某些功能得以加强。或是与相应的基因结合，影响原有基因的功能。基因增补是目前已上市和临床在研阶段的基因疗法最主要的作用原理之一。 在这种治疗方法中，缺陷基因仍然存在于细胞内。基因治疗的实施是一项相当复杂的挑战，载体的选择尤为重要，载体主要有两个重要功能：一个是保护壳内的“脆弱货物”，二个是其表面配体与特定细胞相互作用。 根据技术方式的不同，FDA又将基因治疗产品分为质粒DNA基因治疗产品、病毒载体基因治疗产品、细菌载体基因治疗产品、基因编辑治疗产品和细胞基因治疗产品5类，其中细胞基因治疗产品一般指的细胞疗法不在本文探讨范围，本文不做探讨，细菌载体基因治疗产品目前处于临床早期研发阶段，在本文第一章也不做更多介绍。此外，质粒DNA、病毒载体多应用于基因增补疗法，其中质粒DNA属于一种非病毒载体。病毒载体有腺相关病毒(AAV)、腺病毒（Ad）、慢病毒（LV）和逆转录病毒（RV）。下面将简要介绍这些基因治疗载体。 1.1.1AAV载体 腺相关病毒(adeno-associatedvirus，AAV)是一种直径约20-26nm，只包含一条4.7kb左右的线状单链DNA基因和蛋白质衣壳的无包膜病毒，最早在恒河猴肾细胞的培养物中首次发现。 07 AAV具有良好的生物学特性、遗传稳定性、低免疫原性、高基因转导效率和大规模易用性。已经有几款使用AAV载体的药物相继获批。2012年获欧盟批准上市的Glybera是第一款获批的AAV药物；随后在2017年，美国FDA批准了SparkTherapeutics的Luxturna上市；2019年美国FDA又批准了诺华旗下AveXis的Zolgensma上市。 08 ▲AAV基因组结构 AAV是目前发现的一类结构最简单的单链DNA缺陷型病毒，所以无自主复制能力，需要与辅助病毒(腺病毒或疱疹病毒)进行共感染以便复制。目前的科学界共识是AAV不会导致任何人类疾病，大多数成年人都感染过AAV病毒，但尚未发现该病毒是任何疾病的致病因素。 AAV基因组中唯一被保留的部分是包装信号的反式DNA序列（即ITR），它起到指导基因组的复制和病毒载体组装的作用。将编码病毒蛋白的部分完全删除的优点是：一方面可以最大化重组AAV携带转基因的容量，另一方面减小体内递送转基因时产生的免疫原性和细胞毒性。 AAV有13种常见的血清型AAV1~13，还存在AAV-DJ、AAV-DJ/8等血清型，不同的血清型对组织或器官有着不同的亲和性，其中AAV2、AAV3、AAV9源自人类本身，是迄今研究最为彻底、应用最为广泛的腺相关病毒载体。在小鼠肝脏转导效率影响的实验中，发现效率最高的是AAV8血清型载体；AAV9型病毒载体能够有效转染中枢神经；在视网膜的转染实验中，AAV5血清型载体转染效率优于AAV2血清型载体；在对肌肉组织进行基因治疗时，AAV1和AAV7型血清型载体要优于AAV2、AAV3、AAV4、AAV5血清型载体。 表2不同血清型AAV的受体及靶向目标 基因治疗中所用的是不需要辅助病毒的重组腺相关病毒（RecombinantAAV，rAAV），其是在设计AAV载体基因组时，将编码区基因序列（Rep或Cap）替换为目的基因（transgene）和相关功能片段，仅保留两端反向末端重复序列，在质粒中表达包装病毒，然后直接使用rAAV感染细胞。病毒编码序列的完全去除一方面可以最大化重组AAV携带转基因的容量，另一方面可减小在体内递送时的免疫原性和细胞毒性。这也就是我们所说的AAV载体。 rAAV与AAV的区别在于内部基因不同，外壳相同。由于AAV根据不同的衣壳蛋白有不 09 同的血清型，所以rAAV作为基因治疗的递送载体也有不同血清型。目前文献中使用最多的rAAV血清型包括2、5、8、9。 目前大多数基因治疗用rAAV以AAV2基因组为骨架，基因组全长为4679bp，两端为145bp的反向末端重复序列（invertedterminalrepeat,ITR）,ITR序列之间为AAV病毒的编码区，含有两个开放阅读框（ORF），左侧ORF编码4种序列相互重叠的基因，分别编码Rep78、Rep68、Rep52、Rep40等四种参与病毒基因复制的蛋白，右侧ORF编码3种Cap蛋白，分别是VP1、VP2、VP3三种组成病毒衣壳的蛋白，嵌入部分编码1种AAP蛋白。 ▲AAV重组示意图 重组AAV颗粒通过与宿主细胞表面表达的糖化受体相结合，通过网格蛋白(clathrin)介导的内吞作用进入细胞。在内吞形成的内体(endosome)酸化之后，病毒衣壳的VP1/VP2部分构象发生变化，导致病毒从内体中脱离，并且通过核孔进入细胞核。进入细胞核后，单链DNA从衣壳中释放出来。这时单链DNA还不能进行转录，它们需要变成双链DNA。单链DNA可以利用宿主细胞的DNA聚合酶来合成互补链，或者两条从不同AAV颗粒中释放的互补链退火(annealing)形成双链DNA。 双链形式的AAV基因组然后利用ITRs进行分子内或分子间基因组重组，这一过程让AAV基因组成为稳定的游离DNA(episomalDNA)，导致基因组能够在不再进行有丝分裂的细胞中持续进行基因表达。 10 userid:139428,docid:165536,date:2024-07-01,sgpjbg.com ▲重组AAV载体介导转基因表达 rAAV转导细胞主要有识别细胞表面受体、内吞、逃离内体、入核、脱衣壳、双链转化、转录和翻译几个过程。如下图所示，具体每一步为： 1）rAAV被靶细胞表面糖基化修饰的受体识别； 2）通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞，包裹于早期内体中； 3）rAAV在细胞骨架蛋白网络的帮助下由细胞胞浆向细胞核运输； 4）在内体的酸性环境下，rAAV的衣壳蛋白构象发生变化，暴露出VP1和VP2的N末端，rAAV病毒粒子从晚期内体中释放出来； 5）逃离内体后的rAAV或者由蛋白酶体进行蛋白降解，或者进入细胞核； 6）rAAV病毒粒子一旦进入细胞核，就会脱壳并释放其单链基因组，并复制形成双链DNA(dsDNA)模板； 7）在双链DNA模板上进行转基因的转录和翻译为治疗性蛋白质。 11 1.1.2Ad载体 腺病毒（Ad）是一种无包膜的双链DNA病毒，其直径为70至90nm，可容纳26-45kb的线性双链DNA基因组。到目前为止，人们已经开发了三代腺病毒载体。第一代腺病毒载体是通过用长度可达4.5kb的转基因盒取代E1A/E1B区域而设计的。在第二代腺病毒载体中，通过额外删除E2/E4位点进一步增强了基因转导能力，但由于在生产细胞中的复制能力下降，总体产量仍然很低。第三代腺病毒载体，除ITR和包装信号外，其所有病毒序列均被剔除。与第一代和第二代腺病毒载体相比，这些病毒载体的免疫毒性大大降低，但仍保持了较高的转导率和嗜性。 ▲腺病毒结构示意图 如上所述，腺病毒载体的优势在于其载体容量大，另外，其制备及纯化过程相对简单，且能感染分裂和非分裂细胞，转导基因的效率高，从而让目标细胞获得目的基因的高效表达。研究表明，腺病毒载体是适用于各种细胞和组织类型的有效的基因递送系统。这是因为人类大多数细胞的细胞膜表达有两个必要的受体，即负责腺病毒与细胞粘附接触的柯萨奇腺病毒受体(CAR)和负责将腺病毒内化的整合素型受体。腺病毒载体在基因治疗临床应用方向上，可被改造为复制缺陷型腺病毒载体或选择性复制的溶瘤腺病毒。目前，有几款基于腺病毒载体的基因治疗药物获批上市，例如基于非复制型腺病毒载体用于治疗卡介苗（BCG）无响应的高风险非肌层浸润性膀胱癌（NMIBC）的Adstiladrin。 目前，腺病毒作为溶瘤病毒载体在癌症治疗方面研究与应用较多，但由于腺病毒载体不能将目的基因整合进宿主基因组，且又不能像重组AAV病毒载体基因组那样以附加体的形式存在，因此，非复制型腺病毒载体搭载的目的基因在目标细胞内只能获得短暂的瞬时表达，因此，在大部分单基因