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羽化成蝶15年:這些自然中不存在的氨基酸,即將引領生物藥變革潮流
欄目:行業新聞 發布時間:2019-05-27
今年3月,百濟神州宣布與Ambrx公司達成全球研發合作,使用Ambrx的“基因密碼擴展”技術平臺開展創新生物藥的研發。新聞通稿中指出,這項技術有望創造出潛在的“first-in-class”或“best-in-class”療法。

今年3月,百濟神州宣布與Ambrx公司達成全球研發合作,使用Ambrx的“基因密碼擴展”技術平臺開展創新生物藥的研發。新聞通稿中指出,這項技術有望創造出潛在的“first-in-class”或“best-in-class”療法。


自2013年成立以來,百濟神州達成的研發合作并不多見。因此,業界對本次合作的對象Ambrx也充滿了好奇。這家位于美國圣地亞哥的生物技術公司,其平臺對于生物藥研發而言,究竟有什么意義?最近,我們對Ambrx的總裁兼首席執行官田豐博士進行了專訪。作為早一批加入Ambrx的員工,田豐博士從Scientist I起步,與團隊一道將其技術平臺從概念推向臨床,并抵達臨床驗證。而田豐博士也從Scientist I一步步成長為Ambrx的首席科學官,并在去年履新,出任首席執行官。無論是對于Ambrx,還是田豐博士本人,過去的15年,堪稱羽化成蝶。

從DNA到蛋白質:數十億年的基因密碼


地球是浩瀚宇宙中,人類已知存在生命的樂園。依照現有的觀點,地球生命大約誕生于35億年前。數十億年演化至今,這顆太陽系的三號行星上,已是一片勃勃生機。有趣的是,地球上幾乎所有的生物,都遵循著一套共通的運作法則:遺傳信息從DNA流向RNA,隨即指導蛋白質的合成。這個簡潔優美的體系將核酸與蛋白質這兩類關鍵生物大分子串聯到了一起, 奠定了分子生物學的基礎。


1953年,詹姆斯·沃森(James Watson)與弗朗西斯·克里克(Francis Crick)探明了DNA的雙螺旋模型。然而DNA上的遺傳信息如何決定了蛋白質的結構,卻又讓科學家們困惑了近10年。


優雅的實驗設計下,克里克與多位科學家一道,在1961年發表了一項劃時代的研究。DNA測序技術尚未誕生之際,他們就利用精細的遺傳圖譜,發現在基因中插入1個或2個堿基,都會導致基因失去活性。而當這一數字變成3時,基因的活性卻有可能得到保持?;谶@些觀察,他們大膽推導,基因里的遺傳密碼由3個堿基組成一個基本單位,且單位之間相對獨立,沒有重疊。



▲數十億年演化得來的遺傳密碼,回答了生命的奧秘(圖片來源:Thomas Splettstoesser [CC BY-SA 4.0])


這一結論隨后得到了大量驗證,并被寫入了生物教科書。如今我們知道,3個堿基組成了一個“密碼子”,決定了每一個蛋白質從起始到終止的氨基酸順序。地球上的絕大多數生命都使用這同一套密碼體系,暗示這顆星球上的萬千物種,源自同一個祖先。



超越自然的可能:非天然氨基酸的力量



除了少數例外,絕大多數生物體內的蛋白質都由20種氨基酸組成。這些氨基酸排列組合演化出的無數蛋白雖歷經歲月考驗,卻在生物醫藥領域感到捉襟見肘——畢竟,區區20種氨基酸限制了蛋白結構和對蛋白修飾的可能性,而天然的蛋白質也更多是為了滿足生命的生存需求而存在,其性質未必適用于生物療法。如何將它們之外的“非天然氨基酸”(unnatural amino acids)引入蛋白質,優化蛋白質的成藥性質,便成為了生物藥研發領域的一大熱點。


最初,科學家們想要用化學手段直接對蛋白質中的氨基酸進行修飾。但限于氨基酸本身的生化性質,能夠被這種方法修飾的氨基酸數量極為有限。隨后,美國斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)的彼得·舒爾茨(Peter Schultz)教授在“生物合成”領域帶來了突破。30年前,他的團隊在《科學》雜志上發表研究,介紹了一種在蛋白質特定位點引入非天然氨基酸的通用方法。在這項技術誕生的20年里,有80余種非天然氨基酸被成功引入到了蛋白質中,驗證了其可行性。但這項技術依賴于細胞外合成,產率較低,無法實現大規模應用。


如果我們能夠駕馭生命的中心法則,讓細胞來自動生成帶有非天然氨基酸的蛋白質,那該有多好。但要修改這數十億年傳承下的體系,又談何容易?為了讓細胞自發產生帶有非天然氨基酸的蛋白質,我們還缺少兩塊拼圖:識別獨特密碼子的tRNA(轉運RNA),以及將這種tRNA與非天然氨基酸連在一起的合成酶。

利用大腸桿菌易于進行基因編輯的特性,研究人員們決定先基于這種模式生物建立體系。在海量的文庫篩選下,這一體系歷經周折,在2001年經由舒爾茨教授的學生王磊博士之手成型。隨后,同實驗室的Jason Chin博士在酵母系統中也實現了突破。 “Pete的實驗室聚集并培養了一群全球科學家?!碧镓S博士說道?;谶@一技術,2003年,舒爾茨教授共同創立了Ambrx公司。幾個月后,師從于舒爾茨教授的田豐博士也加入了這家公司,與團隊一道開啟了漫長的制藥應用探索之旅。


這一探索,就是15年的時光。



最后的拼圖:哺乳動物細胞中定點插入非天然氨基酸



公司成立后的第一個階段,Ambrx的科學家們把精力集中在技術平臺的建立,并很快對大腸桿菌系統進行了優化。然而公司想要長足發展,單有大腸桿菌系統是不夠的。我們意識到,大腸桿菌生產的產品所占份額不大,絕大多數的生物制藥是用哺乳動物細胞系統生產的?!碧镓S博士說道。


當時,還沒有哪個實驗室能用哺乳動物細胞來做非天然氨基酸的定點插入。想在一家初創公司里來開發這一技術談何容易?“當時主流觀點認為,在大腸桿菌中做非天然氨基酸定點插入技術難度已經夠大了,”田豐博士說道:“哺乳動物細胞比大腸桿菌復雜得多,用它做非天然氨基酸定點插入,技術難度也要比大腸桿菌大得多。而把這一技術用于生物制藥的產品開發和生產,難度又上了一個數量級,幾乎不可能達成?!?/span>


這時,作為一個化學博士,從沒有養過哺乳動物細胞的田豐博士卻主動請纓?!?/span>那個時候好像手很順,做了很多有意思的東西。也許無知者無畏吧,”田豐博士說道:“我從頭學起,邊學邊做?!惫Ψ虿回撚行娜?,到2006年,這套哺乳動物細胞體系已有小成。隨后便是改進,工藝放大并利用CRISPR基因工程對平臺母細胞系進行基因改造,來進一步提高和完善。


▲非天然氨基酸的定點插入示意圖(圖片來源:Ambrx授權使用)


從機理上看,這一技術平臺更像是生命程序的一個“小升級補丁”:根據性質預測,Ambrx的科學家們會使用藥物化學的方法,體外合成符合其成藥需求的非天然氨基酸。隨后,這些非天然氨基酸會在合成酶的作用下,與特殊的tRNA緊緊相連,運送到合成蛋白質的核糖體。在那里,tRNA會識別指定位置的特殊密碼子,將非天然氨基酸插入到多肽鏈的特定部位。這些定點插入的非天然氨基酸將給蛋白工程修飾提供巨大的化學空間。


這一革命性體系的建立,成功突破了數十億年來形成的天然蛋白質的瓶頸,給蛋白藥物設計帶來了無限可能。“Ambrx是已知唯一一家能夠在原核和真核細胞中將非天然氨基酸定點插入蛋白中的公司?!碧镓S博士說道: “在這項技術平臺和基于它的產品上,我們目前在全球擁有600多項專利?!边@兩套非天然氨基酸表達體系已經成為Ambrx飛速成長的基石。


▲非天然氨基酸的定點插入,有望在多種治療領域中大展身手(圖片來源:Ambrx授權使用)


接下來,他們要面臨一個殘酷的現實:這個看起來很美的平臺,能否在臨床上得到驗證?



成功的突破:臨床驗證定點偶聯技術



田豐博士向藥明康德透露,抗體偶聯藥物(ADC)是Ambrx哺乳動物細胞平臺在臨床項目上的最初選擇。盡管此類藥物是近年醫藥研發行業的熱門,它的概念卻可以追溯到100多年前。1908年的諾獎得主保羅·埃爾利希(Paul Ehrlich)在實驗中發現,具有不同化學結構的染料,能夠被不同的組織所吸收。他指出,或許將來有一天,我們也能將藥物靶向送往患病的組織,有的放矢地進行治療。


▲Ambrx一款在研抗體偶聯藥物的結構示意圖(圖片來源:Ambrx授權使用)


ADC可以被視為這一概念的實體。此類藥物由靶向特定抗原的抗體、具有細胞毒性的藥物、以及將兩者連在一起的“連接頭”所組成,主要用于癌癥的治療。依照設想,這些藥物的抗體部分能夠識別癌細胞表面的特殊抗原,并被癌細胞整體“吞下”。在癌細胞體內,那些與抗體連在一塊的細胞毒性藥物會發揮自己應有的功效,殺死癌細胞。


這一簡單明了的策略,理應帶來抗癌療法的新革命。然而目前為止,只有四款ADC獲批。田豐博士說:“限制這一療法得到廣泛應用的大瓶頸之一是‘脫靶毒性’。受限于天然氨基酸的特性,在生物體內,毒素與其偶聯氨基酸之間的鏈接并不牢固,容易發生斷裂——在還沒有抵達癌細胞之際,這些具有細胞毒性的藥物就會進入血液循環,游遍全身,帶來毒副作用。另外,傳統的連接位點均會選擇賴氨酸或半胱氨酸,但每個抗體上均有幾十個這類氨基酸位點,傳統方法無法控制把毒素連到哪個位點上,因此產出的ADC是包含有效產物,無效產物以及高度副作用產物的混合物。如果能解決這一困擾,無疑將大大拓展ADC的應用前景。


這正是Ambrx技術平臺的能力所在。通過引入非天然氨基酸,Ambrx的研發團隊可以特異性將毒素連接到篩選出的合適位點上。此外,其開發的毒素具有強有力的癌細胞殺傷效果,連接穩定性也非常高,這大大改良了ADC的穩定性和成藥性。在早期臨床試驗中,多款經過改良的在研療法就已展現出了令人振奮的特性?!拔覀儼l現毒素在抗體上接到哪里,用什么化學接,其實很重要。在臨床前優化藥物,Ambrx技術平臺給了我們大的自由度,”田豐博士說道:“我們目前有多款ADC在臨床前研究階段,兩款ADC正在進行全球性臨床試驗?!?/span>


▲在ADC等蛋白藥上,Ambrx期待能給整個行業帶來變革(圖片來源:Ambrx授權使用)


田豐博士向我們介紹了一款名為ARX788的在研新藥。這是一款針對HER2靶點的ADC,目前它正處于治療乳腺癌的全球1期臨床試驗中。臨床前研究顯示,這款ADC的脫靶毒性極低:據介紹,在接受常規的ADC注射后,由于接頭的不穩定,血液中很快會檢測出一個游離毒性藥物的峰值。而在Ambrx的設計和改良下,這一昭示著毒副作用的游離小分子毒素峰值不存在。相反,即便是在接受注射的數日之后,ADC本身已經被吞入細胞發生降解,ADC上的毒性藥物分子依舊牢牢與非天然氨基酸連在一起,展現了這一改良帶來的超強穩定性。


更可喜的是,這款創新ADC還有望與抗PD-1免疫療法形成協同作用。初期臨床前結果發現,單獨使用ARX788能將腫瘤的體積進行顯著控制,而聯合使用ARX788與抗PD-1療法,療效則比單獨使用ARX788要顯著更優。也就是說,這款在研新藥不僅展現出喜人的安全性,其治療效果還有望給患者帶來更多希望。


無獨有偶,Ambrx與安斯泰來合作研發的另一款ADC產品ASP1235,也正在臨床試驗中順利推進。作為一款潛在“first-in-class”的抗FLT3 ADC,利用Ambrx的技術,研究人員們對其進行了位點特異的修飾。與傳統ADC偶聯技術相比,這款產品的耐受性要好上4倍。這意味著在臨床中,Ambrx的ADC有望帶來更高的療效,更低的毒性,以及更好的治療窗口。這再次彰顯了Ambrx的非天然氨基酸插入技術在提升ADC安全性,減少脫靶毒性上的巨大前景。


除定點偶聯ADC外,Ambrx還有基于大腸桿菌技術平臺的定點偶聯聚乙二醇技術?;谶@一技術,Ambrx和百時美施貴寶在合作開發一款長效FGF-21,用于非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的治療。這一項目目前在美國的臨床試驗已進入2b期階段。這些臨床試驗中展現的潛力,夯實了Ambrx全方位開發蛋白修飾工程的基礎。



工程設計:未來蛋白藥的嶄新天地



核心技術平臺得到臨床驗證后,Ambrx很快將其進行拓展,應用于多個不同的研發項目。除了更多的ADC,Ambrx還在開發多款長效蛋白制劑(long-acting protein)和雙特異性藥物。其中,一款聚乙二醇化的IL-2療法有望在免疫療法中大展身手。田豐博士介紹說,IL-2分子同時具有免疫抑制和免疫激活的功能,是免疫系統的重要調節因子。


▲對蛋白的聚乙二醇化修飾示意圖(圖片來源:Ambrx授權使用)


目前,業內傳統的IL-2聚乙二醇修飾手段具有一定的隨機性,可能在一個蛋白分子上的多處出現修飾,造成性質出現不統一。由于IL-2本身具有兩個截然不同的作用,異質化的修飾可能會限制其成藥的潛力。而Ambrx的初步結果表明,通過在特異位點引入非天然氨基酸,研究人員們能夠位點特異地對IL-2進行聚乙二醇修飾。這不僅可以有效延長其體內半衰期,還可以定向控制免疫系統的激活或抑制,協助治療癌癥或自身免疫疾病。


此外,Ambrx多年來積累的研發經驗,讓他們對偶聯位置的重要性有著極深的洞見。他們發現,通過在特定的位點引入非天然氨基酸并進行偶聯,他們能夠決定一款蛋白制劑有無免疫原性。而通過定向遞送免疫調節類藥物,他們還有望改變實體腫瘤的微環境,讓“冷”腫瘤變成“熱”腫瘤。對于田豐博士來說,打通任督二脈的Ambrx,前方是一片無人涉足的嶄新天地,而他們掌握著探索這片新天地的指南針。


▲Ambrx多樣化的研發管線(圖片來源:Ambrx授權使用)


“在Ambrx,我們像對待小分子化學藥一樣,對生物制劑逐個原子進行優化。這能創造出更安全,更有效的新藥,”田豐博士說道:“我們的平臺技術目前已經全面成熟,也已經在臨床上得到了驗證。在ADC和癌癥免疫療法等蛋白藥上,我們期待能給整個行業帶來變革!” 也正是看中這一新興技術平臺在改良生物藥療效和安全性上的潛力,在百濟神州之外,百時美施貴寶、安斯泰來、以及浙江醫藥也已和Ambrx簽署了合作協議,推進創新生物藥的研發。



嶄新的團隊,嶄新的使命



談及Ambrx在成立以來,特別是最近一年取得的一系列突破性進展,田豐博士感謝了Ambrx團隊的堅守和齊心協力。他回憶說:“我特別感謝Ambrx的員工們10多年來的堅持。要啟動一個項目相對容易,但要歷經萬苦,堅持完成一個項目非常難。只有不忘邁出第一步時的初心,只有不計個人得失,去做應該做的事,才能真正幫助公司走向成功?!?/span>


出任CEO后,田豐博士迅速組建了一個“經驗豐富,齊心協力及全力投入”的管理團隊,滿足公司在新一階段的運營需求。最近, Ambrx又宣布,曾協助其與多家級醫藥企業達成重量級合作的Simon Allen先生重返公司,出任首席業務官。作為一名在生物醫藥領域具有超過25年經驗的“行業老兵”,Allen先生指出公司接下來的15個月里,將有6項產品位于臨床階段,3項臨床試驗的結果也將得到公布。這“尤其令人振奮”。 


田豐博士也感謝多年來眾多合作伙伴,也包括中國的浙江醫藥和藥明康德集團以及最近的百濟神州等合作伙伴的助力?!八幟魃飫偲鸩綍r就是我們的合作伙伴,Ambrx的第一個ADC就是在藥明生物生產的,也是藥明生物平臺上第一個進入臨床試驗的ADC項目。


談及未來,田豐博士期望能夠立足于中國,面向全球;與團隊一起將Ambrx打造成一家具有革命性創新技術平臺,且基于這一高新技術平臺之上開發創新醫藥產品的世界的生物醫藥公司?!拔覀兤诖ㄟ^高蛋白工程技術來做藥物開發,能夠逐步提高臨床前藥物在臨床階段的表現可預測性,進而提高生物藥物研發成功率。


從拓展基因密碼的設想到臨床技術驗證,從大腸桿菌平臺的建立到擁有足以大規模應用的哺乳細胞產能和豐富的產品線,再到未來的智能藥物,Ambrx十余載的研發與堅守恰似破繭成蝶。如今,這只蝴蝶已伸展出一對美麗的翅膀飛向充滿期待的未來。

江苏11选5