行研|肠道工程菌,开拓基因治疗新疗法

一、肠道微生物和人类疾病健康存在密切关系

 

作为“人体的第二套基因组”,微生物群是生活在特定环境中的微生物的集合,体内、皮肤、口腔、阴道等都存在着不同的微生物群,其中肠道微生物群最为广泛,细胞高达10万亿到100万亿,其中,肠道细菌数量与人体细胞数量相似;肠道细菌的基因数量约是人体基因组中基因数量的500倍;可成药靶点1万以上,远大于人体靶点。

 

随着宏基因组测序与生物信息学的发展和人类微生物组计划的实施,越来越多的数据表明,肠道内的微生物与宿主之间存在着密不可分的关系。肠道菌群在出生后3-6岁已成熟稳定,主要存在于小肠结肠,由于饮食,遗传学,卫生水平,所用药物环境的变化,肠道微生物的组成会发生质和量的变化。目前已知它在人类的消化,代谢,免疫等方面都起着至关重要的作用,很多疾病的产生都源于肠道功能的紊乱,肠道功能紊乱包括肠道菌群、肠道免疫、肠道代谢等的紊乱,从而引发全身各系统的疾病。

 

图:肠道菌群与人类疾病的发生息息相关

 

肠道微生物参与疾病治疗最初是直接通过粪便移植的方式来进行的,这种方法是将健康人群的肠道微生物菌群移植到非健康人群中来进行疾病治疗。最早记录利用粪便治疗肠炎和腹泻的方法是中国东晋时期的《肘后备急方》一书。国外最早的记录是1958年,美国科罗拉多大学医学院外科医生Eiseman利用健康人群粪便治愈肠炎患者。尽管利用健康患者粪便治疗疾病的方式出现已久,但由于粪便移植治疗不具有靶向性,并且其作用机制尚不明确,粪便中的病毒和杂菌较多,使得治疗效果因人而异,因此也限制了该治疗方式的推广。

 

二、合成生物学为肠道微生物改造提供“工具”

 

合成生物学(Synthetic Biology)诞生于 21 世纪,近年来进入了高速发展的时期。核心思想是通过工程学的方法改造生命(细胞等)或从源头开始构建一套生命系统,以帮助人类实现治疗疾病、生产产品、治理环境等目标。它对生命的“改造”分为两大部分:“信息设计”和“添加生物元件、装置和系统”。

 

多学科交叉是合成生物学的基本特点,与基础学科和单一技术不同,合成生物学更像是一个 “工具”,它从利用生物技术构建功能性生命体(细胞)出发,散射到不同的应用版图。发展至今,相关技术的发展也逐渐由科研探索驱动开始转向工程能力驱动。

 

图:合成生物学的概念解读及应用方向

 

合成生物学利用基因的合成、编辑以及调控等手段,结合工程学来定向改造细菌,构建新的人工系统。合成生物学为肠道微生物改造提供“工具”,同时通过设计基因线路构建以肠道微生物为载体,靶向分泌表达治疗因子的工程菌,以及能够响应环境并且对其进行调控的“智能微生物”。肠道菌群种类丰富,但大部分还有待研究,因此需要构建合适的系统以及工具对其进行编辑和改造。目前大多数改造对象为益生菌,如乳酸菌和大肠杆菌nissle 1917。

 

其中,基因编辑技术决定了改造的质量和效率。1973年,Herbert Boyer和Stanley Cohen创造了第一个转基因生物,人类开始应用基因工程。1990年代,基因编辑开始应用,包括ZFN,TALEN等,由于受到编辑效率低的限制,细菌的改造仅限于实验室应用。2012年,Charpentier和Doudna发现CRISPR/Cas9基因编辑技术。这项获得2015年Science年度最佳技术突破,2020年诺贝尔奖的技术,对生命科学产生了革命性的影响。它使研究人员可以高精度地改变动物,植物和微生物的DNA。它正在为新的疾病治疗方法做出贡献,并可能使治愈遗传性疾病的梦想成真。在载体领域,它已经被用于改造病毒,细菌等。

 

图:改造肠道微生物对疾病进行诊断与治疗

 

三、肠道微生物:百亿市场蓄势待发

 

根据Transparency Market Research的调研分析,人体微生物市场主要为诊断和治疗两个方向,预测2020年到2024年的复合年均增长率9.2%。据广证恒生预测,微生物治疗领域的全球市场空间在2026年有望达到100亿美元,并在未来保持持续增长。肠道微生物治疗领域的研究方向包括粪菌移植、代谢产物、配方菌、单一菌株、肠道工程菌等。

 

粪菌移植(FMT):一种直接改变受体肠道菌群以使组成正常化并获得治疗益处的方法,包括通过鼻胃管或灌肠途径,将由健康人的粪便制成的细菌悬液移植进患者肠道内。FMT的最早记录可追溯到四世纪的中国,当时人类粪便被称为黄汤,用于严重腹泻患者。2012年,麻省理工学院的一组研究人员成立了OpenBiome,这是美国第一家公共粪便银行,2013年美国食品药品监督管理局批准FMT治疗复发性和难治性艰难梭菌感染。这种治疗方法有广泛的临床实践基础,已逐步规模化。Clinical Trials显示目前已完成和正在进行的研究达到331项。其中,FMT对于艰难梭菌引起的严重肠道感染的治疗已被广泛验证有效。代表公司有Finch Therapeutics,未知君等。

 

Finch Therapeutics,依托OpenBiome的粪菌库,是目前全球最领先的FMT药物公司,CP101得到了显著的II期临床结果;采用机器学习算法挖掘FMT临床数据集,寻找对特定临床有效的菌株。

 

代谢产物:菌群代谢产物包括小分子、微生物自身的结构性蛋白或者脂类。代谢产物成分明确,摆脱供体的依赖,可以实现工艺控制和规模化生产,但依赖微生物-宿主作用机制的研究。代表公司有 Enterome Bioscience,Second Genome等。

 

Enterome,通过生物信息学技术寻找微生物源性的蛋白和多肽;Oncomimics platform寻找肿瘤相关抗原(TAAs)和肿瘤特异性新抗原(TSNAs)的分子相似性;Enteromics platform寻找与人体激素的分子相似性。拥有胃肠道疾病管线EM101、肿瘤免疫治疗和自身免疫疾病长期治疗管线EO2401、EO2463,与Takeda合作的克罗恩病药物西波非克林(EB8018 / TAK-018)已进展到临床II期。

 

配方菌:超过一个菌株的多个菌株的混合治疗疾病。成分明确,摆脱供体的依赖,可以实现工艺控制和规模化生产,但依赖前期菌株功能筛选和机制研究;需要对菌株配比的组合优化。代表公司有Seres,Vedanta,Assembly等。

 

Seres Therapeutics,已上市,是微生态药物研发头部企业它与雀巢公司联合研发的预防艰难梭菌感染的药物SER-109,已由FDA已授予突破性疗法称号和孤儿药称号,目前处于临床III期;其溃疡性结肠炎管线进展到临床II期;移性黑色素瘤管线进展到临床Ib期。

 

Vedanta Biosciences,通过临床和动物实验数据,确定菌群定植能力;通过体外Assay和动物实验确定不同菌株功能,建立菌株库;通过生物信息学工具和数学模型,进行菌株配方设计。管线VE303,艰难梭菌感染治疗已进展到临床II期,炎症性肠病,癌症免疫疗法,食物过敏的管线也都在临床I期试验中。

 

单一菌株:用某个单一菌株去治疗相应的疾病。成分明确,摆脱供体的依赖,可以实现工艺控制和规模化生产,可以使用AI挑选优势菌株,但依赖菌株功能筛选和机制研究。代表性的公司有4D Pharma,Evelo等。

 

Evelo,已上市,是全球首家进行癌症微生态疗法研究的公司,通过单克隆微生物上下调节整个免疫系统。其炎症性疾病药物EDP1815已到临床II/III期,特应性皮炎药物EDP1867也处于临床Ib期,抗肿瘤单克隆微生物药物EDP1503处于临床I/II期。

 

肠道工程菌:用细菌作为载体进行基因治疗。可实现定制功能的表达;载体的生理作用以及培养条件已经经过充分研究;需要特定的应用场景。代表公司有Synlogic,Novome,Prokarium,Precigen ActoBio等。

 

Synlogic Therapeutics,以合成生物学工具编程益生菌E. coli nissle 1917;通过合成携带特殊基因的细菌修复病患体内新陈代谢紊乱,达到治疗相关疾病的效果。其PKU项目进入临床II期,肿瘤免疫项目进入临床I期。

 

Precigen ActoBio,以合成生物学工具编程乳酸菌。其中管线AG019已进入临床2期,药物为胶囊制剂,在乳酸菌中转入两种基因:人类胰岛素前体hPINS基因,提高胰岛素受体敏感性的免疫蛋白基因人白介素10(hIL-10)用以治疗1型糖尿病

 

Novome Biotechnologies,通过从Caribou Biosciences收购临床前项目和知识产权,并获得CRISPR-Cas9基础专利组合的许可,扩展治疗重点和平台能力。于2020年1月获得3300万美元的A轮融资,由DCVC Bio领投,5AM Ventures,Alta Partners,Alexandria Venture Investments和Mayo Clinic跟投。该公司高草酸尿症管线已处在优化阶段,肠易激综合症在概念验证阶段

 

四、肠道工程菌参与疾病的治疗

 

肠道工程菌参与疾病治疗的研究主要从两个方面入手,一方面通过分泌治疗因子,作用于肠道细胞表面的受体,或者穿过肠道屏障进入血液作用于其他靶点,治疗疾病。另一方面,通过引入的代谢通路,在肠道将致病因子分解清除,治疗疾病。这种方法能治疗的疾病包括:肠道功能紊乱导致的疾病比如炎症性肠病,系统性疾病比如代谢性疾病,以及其他器官疾病比如通过脑-肠轴治疗神经疾病等。

 

遗传代谢疾病,以PKU为例

 

对于遗传代谢病,肠道细菌载体基因治疗前景十分可观。以苯丙酮尿症(PKU)为例,约每13,000名新生儿中有1名患有PKU,患有此病的人苯丙氨酸(Phe)无法在体内分解,Phe的累积可导致智力残疾,癫痫发作,行为问题和精神障碍等,由于苯丙氨酸在食物内广泛存在,目前的主流治疗手段是终身食用不含苯丙氨酸的特殊食品,即便终身饮食控制,很多患者随着年龄的增长仍然会发生智力残疾,癫痫发作等症状,对于每个患者的家庭都造成了巨大的心理和生理负担。

 

科学家对PKU进行了多种治疗方案的尝试,其中最有潜力的药物是美国公司Synlogic合成的具有代谢氨基酸能力的大肠杆菌。它在此菌株中插入编码了一种分解Phe的酶的基因,解决PKU患者Phe累积的问题,该细菌载体药物在临床1 / 2a期实验中已获得阳性数据。国内也有和度生物在进行此类尝试,实验结果更为可观,即将进入临床阶段。

 

 

癌症与肿瘤免疫

 

在癌症领域,若干数据有效地证实了某些肿瘤与特定微生物的存在有关。例如,菌群失衡会增加结直肠癌的风险,而幽门螺杆菌的存在会促进胃癌的发作。此外,最近被认为可用于治疗黑素瘤,肺癌和肾癌的免疫疗法受益于拟杆菌属的细菌,说明肠道细菌拥有影响免疫系统自然抵抗黑素瘤的能力。肠道菌群对于癌症治疗的前景广阔,在启动抗癌疗程前,对微生物群的分析可能成为常规测试,以预测治疗反应

 

肿瘤的异质性使癌症难以治疗,许多小分子癌症药物能够靶向肿瘤周围并快速裂解细胞,但难以深入肿瘤区域。对于这些靶向药物,肠道工程菌也显示出了惊人的增强作用。已有动物实验显示,携带肿瘤抑制蛋白p53基因的无毒伤寒沙门氏菌和促凋亡药物连用在治疗胶质母细胞瘤中拥有显著的疗效。这两年最受关注的免疫检查点抑制剂PD-1,在中国已有6款上市,十几款处于临床或上市申请阶段,在推广的同时,面临最大的问题是它的应答率在不同癌种之间差异很大,对于某些癌症,比如乳腺癌,平均应答率只有4%左右。一系列最新研究表明,肠道菌群和其他微生物的种群差异可能是区分对免疫检查点抑制剂有无反应人群的关键因素。基于此,国内细菌载体基因治疗公司和度生物通过基因工程菌表达人源基因,增强肠道免疫,发现肠道工程菌显著增强了 PD-1抗体的应答率!可以想象,一旦此药物上市,将会受到众多PD-1厂家的强力追捧。

 

在肿瘤免疫领域,前沿公司有4D Pharma,Maat,Evelo,分别都已经到了临床二期。

 

 

炎症性肠病

 

慢性炎症性肠病(IBD),例如克罗恩病和溃疡性结肠炎,与肠道免疫系统的不适当活化有关,由潜在的遗传基因和环境因素(饮食,年龄等)触发。截止2015年,全球范围内患者数1,120万,死亡人数47,400,目前没有治愈方法,治疗药物包括减少肠道炎症的氨基水杨酸酯或美沙拉嗪,免疫抑制剂如类固醇或硫唑嘌呤,针对免疫系统特定部位基于抗体的生物和生物类似药,以及抗生素。据统计,五分之一的溃疡性结肠炎患者药物治疗无效,60%到75%的克罗恩病患者需要进行手术以修复其消化系统的损伤并治疗其并发症,IBD患者比常人更容易患肠道癌症。

 

肠道菌群是IBD优选的治疗靶标之一。目前已知的数十种IBD易感基因,都与肠道菌群有关。NOD2基因突变是克罗恩病的患者中最常观察到的突变,该基因编码固有免疫受体,负责检测细菌壁的成分。其他突变,如ATG16L1基因,涉及在细菌存在下的免疫细胞自噬;MUC2基因,在肠道粘液合成中起重要作用。但到目前为止,使用优势菌株治疗IBD的临床试验尚无定论。基于对细菌及其成分更合理选择,新的研究正在国内外展开。

 

对于炎症性肠病,走在最前的公司是Second Genome,已经到了临床三期。在二期阶段的有 Seres,4D Pharma,Synthetic,在一期阶段的还有更多的公司。

 

 

神经系统疾病

 

调节肠道的神经系统包含2亿个神经元,这些神经细胞中有80%负责将信息从肠道传递到大脑,所以学界将肠神经系统描述为第二大脑,肠道菌群的改变会改变传递给中枢神经系统的信息。最近的研究还发现,来源于肠道的IgA浆细胞可以保护大脑免受病原体侵害。有初步证据显示,在许多神经精神疾病(精神分裂症、双相情感障碍、自闭症、神经退行性疾病等)中使用肠道微生物会有疗效。但此类疾病还与遗传,表观遗传,环境和心理因素等有关,疗法的普遍有效性还有待临床实验证明。

 

肠道菌群对于此类疾病的治疗仍处于早期探索阶段,初步研究表明,服用某些益生菌能够改善身体不适和健康个体的焦虑或抑郁症状。其他研究表明,调整饮食可以改善认知衰退

 

五、使用肠道细菌载体基因治疗的优势

 

肠道细菌载体基因治疗对于炎症性肠病、肥胖、肿瘤免疫、神经系统疾病等都拥有极大的治疗潜力和商业前景。

 

CRISPR/Cas9助力细菌基因改造

 

肠道细菌载体基因治疗属于肠道菌群药物开发中的新兴方法学,概念于提出于八十年代,由于基因改造技术的限制,一直处于实验室研究阶段,直至CRISPR/Cas9基因编辑技术出现,业界才成功改造了细菌的基因组并使其保持稳定状态。比起通过挑选优势菌株的方法,基因编辑技术能使目标细菌更具有靶向性,在安全的条件下,拥有更精准的释放,更针对性的治疗,从而达到更好的疗效。

 

细菌载体vs.病毒载体

 

肠道细菌载体借鉴肠道细菌天然功能,通过基因工程加强特定信号用于治疗疾病,基因工程肠道细菌作为载体传递基因药物,相比于病毒载体拥有更好的安全性,更低的药物价格,更好的治疗效果和全新的专利机会。

 

六、国内外监管指南陆续出台,细分赛道受投资者青睐

 

国内外监管指南陆续出台

 

随着细菌载体基因治疗在全球的发展,美国、欧洲、中国等主要市场纷纷出台了相关监管指南,规范应用,助力研发企业发展。

 

美国FDA细菌载体基因治疗监管指南(2016)提出MVGTs(用于基因治疗的微生物载体)包括细菌载体,如沙门氏菌、李斯特菌或大肠杆菌,通过基因修饰来表达人类肿瘤抗原、细胞因子、生长因子、酶、治疗蛋白或核苷酸。

 

欧洲重组活性生物药监管指南(2018)提出基因治疗药品一般由载体或给药制剂/系统组成,包括被设计来表达特定的用于基因序列的调节、修复、替换、增加或删除的转基因(治疗序列)的基因结构。通过使用这种在体内构建的基因治疗,可以在原位实现体细胞的遗传调节或遗传修饰。同样的基因治疗载体可以在体外用于制造转基因细胞。

 

中国药监局CDE发布《基因治疗产品药学研究与评价技术指导原则(征求意见稿)》(2020)提出基因治疗产品通常由含有工程化基因构建体的载体或递送系统组成,根据基因载体类型 的特性差异,基因治疗产品主要可分为以病毒为载体的基因治疗产品、以质粒 DNA为载体的基因治疗产品,RNA类基因治疗产品,以及以细菌微生物为载体的基因治疗产品。

 

 

肠道微生物治疗领域受到投资者青睐

 

根据Global Engage的部分统计数据,从2010年开始,全球近18亿美金的风投资金(种子轮到C轮)涌入微生物产业,2016年到2017年就占了10亿美金。微生物产业的4个应用领域中,微生物治疗成为投资热土,占总投资额的61%,其次是临床诊断(18%), 农业应用(12%)和消费级产品(9%)。

 

七、肠道细菌载体基因治疗的代表公司

 

作为新兴的治疗方法,目前尚无有任何细菌载体药物上市,海外竞争格局已初具雏形,而国内仍处起步阶段,布局肠道细菌载体研发的企业较少。全世界有十余家公司布局在此领域,其中代表性企业有美国的上市公司Synlogic,Precision等,最先进的管线已到达临床二期,早期临床试验提供了令人鼓舞的数据并展示出细菌载体基因治疗的重大潜力。

 

国外代表公司:

 

目前国外肠道细菌载体基因治疗的代表公司SynlogicPrecigen ActoBioNovome Biotechnologies

 

Synlogic

Synlogic已上市,于2014年成立。Synlogic以合成生物学工具编程大肠杆菌益生菌,通过合成携带特殊基因的大肠杆菌修复病患体内新陈代谢紊乱,或增强患者免疫反应等,达到治疗相关疾病的效果。靠前的管线有SYNB1618(临床二期):给大肠杆菌转入能合成苯丙氨酸代谢途径中的酶的基因,治疗苯丙酮尿症。SYNB1891(临床一期):针对晚期实体瘤和淋巴瘤,对抗肿瘤逃避免疫系统的能力,增强患者的免疫反应并增强人体检测和破坏癌细胞的能力。SYNB8802(临床一期):在胃肠道中消耗草酸盐以降低草酸盐水平和降低肾脏损害的风险,治疗肠高草酸尿症。

 

Precigen ActoBio

Precigen ActoBio已上市,是Precigen全资子公司。Precigen ActoBio以合成生物学工具编程乳酸菌。其中管线AG019已进入临床II期,药物为胶囊制剂,在乳酸菌中转入两种基因:人类胰岛素前体hPINS基因,提高胰岛素受体敏感性的免疫蛋白基因人白介素10(hIL-10)用以治疗1型糖尿病。

 

Novome Biotechnologies

 

Novome Biotechnologies2016年成立,2020年完成A轮融资。Novome Biotechnologies通过从Caribou Biosciences收购临床前项目和知识产权,并获得CRISPR-Cas9基础专利组合的许可,扩展治疗重点和平台能力。于2020年1月获得3300万美元的A轮融资,由DCVC Bio领投,5AM Ventures,Alta Partners,Alexandria Venture Investments和Mayo Clinic跟投。该公司高草酸尿症管线已处在潜在客户优化阶段,肠易激综合症在概念验证阶段。

 

图:海外肠道细菌载体基因治疗药物研发企业一览

 

国内代表公司:

 

目前国内肠道细菌载体基因治疗的代表公司和度生物Delonix Bioworks。

 

和度生物

和度生物(CommBio)于2019年11月成立于上海张江药谷,2019年完成天使轮融资,是中国第一家从事细菌载体基因治疗新药研发企业,有望填补该新型基因药物在国内的空白。和度生物利用肠道细菌的天然生理机制,通过CRISPR基因编辑等方法改造细菌基因组,引入治疗疾病的外源基因,使构建的基因工程细菌具有增强肠道免疫和调节代谢等功能,并针对性地治疗肠道功能紊乱相关的疾病。公司正在开发针对肿瘤免疫、苯丙酮尿症、炎症性肠病和肥胖的原创性新型药物,其中部分项目已经取得可喜的实验数据;计划在三年内进行人体试验,建成细菌载体基因治疗药物从探索研究到早期临床试验的技术平台,并创制出引领全球的First-in-Class基因药物。

 

Delonix Bioworks

Delonix Bioworks于2020年成立。Delonix Bioworks用合成生物学方法开发传染病和癌症的下一代医疗解决方案。通过抗原发现和合成生物学平台,设计和改造细菌作为药物。第一步计划用细菌开发更安全和有效的疫苗,以治疗抗生素耐药(AMR)。第一种针对金黄色葡萄球菌的合成疫苗有望在2024年提交IND。