行研 | 基因治疗产业化成败之得病毒者得天下
基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿缺陷和异常基因引起的疾病，能实现治疗性蛋白的长期表达和组织特异性表达，无需药物干预、放疗或手术治疗，即可从根源上解决传统疗法存在的一系列问题 [1]。并且这一新兴的治疗方法可针对单基因遗传病、心血管疾病、免疫缺陷性疾病和癌症等多种疾病。基因治疗包括在体基因治疗和离体基因治疗（CAR-T等）。2010年以前基因治疗处于迂回式发展，挫折性前进。直到2010之后，随着基因治疗“科学”的进一步成熟，载体安全性和传递效率的提升，才最终促成了重大的临床进展。尤其2016年以来，欧洲药品管理局（EMA）和美国食品药品监督管理局（FDA）批准了六种基因治疗产品（图一），极大加速了基因治疗的发展。
同时，全球资本市场对基因治疗领域投融资及并购异常火热，2018年全球基因疗法的融资额同比增长了一倍以上（图二） [2]。大型生物制药公司正越来越多地寻求接触这一新的治疗类别，并于2017年开始一系列收购 (图三)。和如火如荼的欧美基因治疗市场相比，我国基因治疗产业（除CAR-T外）的发展仍处于行业小量维持、谨慎跟进的状况，仅有很少的方案进入临床。据资料显示，到2019年11月份为止，全球基因治疗（除CAR-T外）在ClinicalTrial.gov上注册的临床试验数。中国（48）较美国（198）和欧洲（98）仍有较大差距。基因治疗在历史上曾出现两次重大危机，均与载体技术直接相关。一次是由于使用了免疫原性强烈的腺病毒载体，在病人体内引起了过度的免疫反应并最终导致病人的死亡；另外一次由于逆转录病毒整合突变效应激活了癌基因，导致接受基因治疗的20名病人当中5位出现了白血病病征 [3]。因此，降低病毒载体的免疫原性与随机插入导致基因突变的风险，开发和优化新型的基因递送载体系统，将极大地促进基因治疗在临床应用中的进程。从成本考虑，Glybera退市的很重要原因之一为价格昂贵。而制造定制病毒的费用占生物技术公司开发预算的1/3甚至更多 [2]，因此规模化的载体生产能力将是降低研发成本、上市后获得价格优势的关键技术。全球来看，基因疗法CDMO行业获得病毒平均等待时间为16个月，某些情况下甚至为两年 [4]。导致病毒产能严重不足的原因除了自2017年基因治疗首次获得FDA批准以来的需求激增，更主要的是病毒载体比传统生物制剂更难制备。同时在可预见的将来，尚未有其他载体可以替代病毒载体在基因治疗商业化中的主导地位。迄今为止有2/3的临床试验通过病毒载体进行。用于基因治疗的最常用病毒载体包括逆转录病毒、腺病毒、腺伴随病毒（AAV）和慢病毒（图四），其中AAV是使用最广泛的（70％的基因疗法）。非病毒载体主要通过物理和化学方法来转染治疗性遗传物质，包括针、基因枪、电穿孔、声孔效应、磁场转换、质粒、脂质体、细菌载体和金纳米粒子等。但体内转染效果差以及毒性过大严重制约了非病毒载体的临床转化。（图五）属于重资产行业，建立符合 cGMP 要求的设施对资本要求很高，前期需要大量资本投入，建设一座新的厂房投资可能高达数亿美金。大规模生产成本包括设备仪器、原材料/消耗品以及人才成本等。仪器设备（生物反应器）现在绝大部分依靠从美国进口，包括默克、赛多利斯、通用电气、颇尔、艾贝泰等；生产过程中用到的原材料和耗材同样如此，包括培养基、填料、一次性反应袋、接口管道等。
我们已经逐渐关注到了一些开发和销售培养基的国产企业，而致力于开发国产填料的企业则相对较少。所以，国内病毒制造除了在人才成本上有些许优势（高级别人才成本差别不大），和欧美制造商相比在生产成本方面没有太大优势。
病毒载体的生产是定制的，没有“one-size-fits-all”的解决方案。载体的选择取决于目标器官/组织和治疗基因片段的大小。业界正在不断努力开发具有改进工艺结果的病毒载体平台，例如CAP-GT（CEVEC）、LentiVector（Oxford Biomedica）和NAV技术（ Regenxbio）。病毒生产上游的主要挑战包括：缺乏稳定的细胞系供应，现在的细胞系主要靠进口，且有国外专利的保护；优化瞬时转染步骤，以减少所需的质粒DNA和其他昂贵试剂的数量，并提高病毒生产率；培养更高密度的细胞以增加病毒滴度；贴壁细胞通常在滚瓶或细胞工厂中生长，但是这些技术难以扩大规模（200L规模即存在挑战），并且存在交叉污染的风险 [6]。下游的主要挑战包括：减少初次回收，澄清和纯化步骤中病毒颗粒的损失；提高病毒载体产物库的纯度；开发可扩展的纯化过程；减少从生产过程中生产和纯化的病毒载体的批次间差异；目前用于纯化和抛光步骤的离心色谱法或体积排阻色谱法不易扩大规模。缺乏具有病毒经验的训练有素的人员。疫苗制造是最密切相关的领域，但仍然不尽相同。国内病毒相关人才更为匮乏，需到海外去找，或者从相近的疫苗行业转型。需要建立成熟可靠的质量控制、成本及效率控制和 EHS 管理体系。尤其是质量控制，其挑战在于改进病毒载体配方，使其在低温和高温下具有更高的稳定性，以及严格的无菌产品灌装线，避免额外的无菌过滤 [6]。国家药典委在今年6月份发布的《人用基因治疗制品总论》（草案）给企业质控方面提供了更多的指导。图七-图九列举了美国、欧洲和中国的主要基因治疗CDMO公司。主要差异体现在以下方面：1. 国内CDMO成立时间大部分在2015年以后，缺乏技术和经验上的积累，能够达到临床级别病毒生产的只有寥寥几家。而国外临床级别的开发已经趋于成熟，正在朝商业化大规模生产发展，并且近几年由于行业产能不足，几乎所有欧美主要CDMO都增加了产能，预计在未来几年内将增长约40％ [2]。2.国外基因治疗生物科技公司倾向于病毒生产外包，65％临床阶段的基因疗法选择外包（与传统生物制剂的35％相比） [2]。国内基因治疗公司由于CDMO扩大化工艺水平经验不足，并且市场还在起步阶段，临床试验数以及所需病毒量少，以及为了更好的CMC灵活性，更倾向于自建管线生产。3.国外基因治疗CDMO专业度更高，有的专注于质粒生产，有的只专注于AAV或是慢病毒生产，有的只提供质控管理与测试，而国内服务商倾向于提供全流程所有类型病毒的一站式生产服务。图九：中国主要基因治疗CDMO（到2019年11月不完全统计）
综上所述，现在全球基因治疗还处于早期产业化阶段，中国的基因治疗在上游的科学创新迅速跟进了，但在病毒制备的工艺和大规模生产上差距较明显，需要从知识、技术、人才和资本等各方面的深度投入来逐渐弥补差距。欧美病毒载体制造商巨头尚不能满足当地市场以及病毒进出口严格的问题，因此国内的基因治疗公司需要不断地进行大额融资来自己解决病毒产能问题。同时，这也为国内的CDMO提供了一定的市场空间。但国内市场处于早期起步阶段，市场容量小并且还需要培养，国内基因治疗CDMO需要有与欧美CDMO对接合作的能力甚至是拓展国际市场的潜力。
国内基因治疗产业化的差距是否会随着更多的人才回流而逐渐消失，是否会有一两家发展较快的先发巨头把能力建设起来形成寡头垄断？相信会在未来几年给出答案。
Reference：[1] “NEJM最新综述 | 简述基因治疗的最新临床研究进展,” 08 2019. [Online].
[2] “Cell & Gene Therapy Deep Dive,” J.P. Morgan, 2019.
[3] “基因治疗：趋势与风险,” 新华网, 6 5 2019. [Online].
[4] Gina Kolata, “Gene Therapy Hits a Peculiar Roadblock: A Virus Shortage,” The New York Times, 2017.
[5] Y. H. K. M. S. &. D. B. L. Chen, ” Viral vectors for gene transfer,” Current Protocols in Mouse Biology, e58. , 2018.
[6] Q. Shi, “Global Gene Therapy Market, CMC Challenge and Trend,” Merck, 2019.
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