(1)基因治疗产品简介
基因治疗产品(Gene therapy medicinal products,GTMPs)是指借助遗传物质(如 DNA、RNA)特异性改变人体的基因序列或基因表达等,和/或通过病毒、活菌等微生物,导入基因序列或调控基因表达,进而发挥相关的生物学活性,从而实现预期功能的非细胞类药品。
自 1953 年 DNA 双螺旋结构被发现以来,针对基因层面治疗的药物研究快速发展,1989 年基因治疗首次进入人体临床试验,2003 年中国首个基因治疗产品Gendicin(e 今又生)获批上市,2012年欧洲首个基因治疗产品 Glybera获批上市,
2017年美国 FDA 批准首个体内 rAAV 基因治疗产品 Luxturna上市,2023年 FDA批准首个基因编辑产品 Casgevy 上市。未来,随着基因治疗递送和编辑等关键技术的进一步成熟,更多元化适应症和技术路线的产品上市值得期待。体内基因编辑治疗产品、退行性疾病适应症治疗产品等潜力将得到进一步验证和释放,行业有望诞生更多重磅炸弹药物。
(2)基因治疗产品分类
根据治疗方式、递送载体和作用机制的不同,基因治疗可以分为体内基因治疗与体外基因治疗、病毒载体与非病毒载体和基因替代与基因编辑疗法等,具体如下:
1)按治疗方式分类:体内基因治疗与体外基因治疗
根据治疗方式是否经历提取-回输途径,可以将基因治疗区分为体内基因治疗与体外基因治疗。其中,体内基因治疗是指将携带治疗性基因的载体直接注入患者体内目标组织或器官,使基因在原位表达并修复疾病根源的技术,其核心在于利用载体实现基因序列或基因编辑组件的递送,具备便捷、高效、低成本的优点,但也对递送效率和靶向性等提出了复杂性的要求。
体外基因治疗是指将患者细胞取出体外,通过基因工程技术对这些细胞进行修饰或基因导入,然后扩增和筛选,最终将经过改造的细胞重新回输到患者体内,以表达治疗性蛋白质实现疾病修复的技术。该方式具备高安全性和低治疗复杂性等优点。但在成本、便捷性等方面存在缺点,同时应用领域相对局限于血液系统和免疫系统疾病等。
2)按递送载体分类:病毒载体与非病毒载体
载体是实现基因治疗的重要要素之一,如何安全有效地实现基因序列或基因编辑工具的特异性递送是基因治疗产品面临的一个主要挑战,若载体效率低则常
见治疗效果不足、靶向性差则会引发副作用、安全性低则加剧患者风险。当前已 获批产品和临床中常用的递送方式主要分为两大类,即病毒载体类与非病毒载体 类。二者共同为多种遗传性和退行性疾病治疗提供安全有效的多元化递送手段。
①病毒载体
病毒载体是现阶段应用最为广泛的载体类型,常见类型包括腺相关病毒 (AAV)、慢病毒(LV)、腺病毒(AdV)、逆转录病毒(RV)和疱疹病毒等。
AAV 被视为目前最有前途的基因治疗载体,在全球的基因治疗研究中应用最为广泛,也是目前获批产品中占比最多的递送载体。AAV 属于细小病毒科的依赖病毒属,单链 DNA 病毒,是最小、最简单的动物病毒。由于 AAV 载体具备多种独特的属性,包括小尺寸、非致病性、多种组织嗜性、稳定的转基因表达、 复制缺陷、可工程化的衣壳,以及适配多种载荷递送的能力,使得基于 AAV 的 基因治疗成为了最为热门的选项。
A、AAV 简介
AAV 首次被发现于 20 世纪 60 年代中期,野生型 AAV(wtAAV)是一种无包膜病毒。后续对AAV生物学的研究导致了wtAAV2基因组的成功克隆和测序, 并实现了重组 AAV(rAAV)的载体工程与规模化研究。在 1990年代和 2000年代,鉴定出具有不同组织趋向性的多种 AAV 血清型,从而引入了靶向基因递送方法的途径。在 2000 年代,开展了工程化 AAV 衣壳的工作,以增强组织特异性和转导效率,提高 rAAV 的安全性,这促进了基于 rAAV 的临床试验的成功,尤其是对于单基因遗传病,最终导致 rAAV 基因治疗产品的获批。
AAV 病毒颗粒无包膜,结构由直径约 20-26nm 的二十面体蛋白质衣壳和4.7kb左右的单链 DNA基因组组成,其基因组 DNA的两端是反向末端重复(ITR)序列,该序列是 DNA 复制起始及 rAAV 病毒颗粒包装所必需。在 ITR序列之间是病毒编码区,其中包含两个基因 Rep和 Cap。其中,Rep基因主要负责病毒基因组的复制,而 Cap基因主要负责病毒基因组的包装及其从宿主细胞的分泌。对于 AAV 基因治疗,主要指野生型 AAV 基因组被包装成 rAAV,并用作基因疗法中的载体。
B、AAV 的血清型介绍
不同血清型对靶细胞亲和力不同,自然存在的野生型 AAV 正在迅速进化,产生了广泛的基因多样性。在过去的二十年中,至少从腺病毒库、人类/非人灵长类动物组织以及其他哺乳动物或非哺乳动物物种中鉴定出了12种AAV血清型和超过 1,000种变体。这些血清型对各种细胞或组织有不同的偏好,被称为嗜性。AAV血清型之间的基因组差异主要位于病毒衣壳序列的可变区域,特别是VP3,它在决定嗜性方面起着至关重要的作用。然而,许多其它过程和与宿主蛋白的相互作用可能会影响嗜性。
C、应用 rAAV 作为载体的优势与特点
近年来,rAAV 载体已成为基因治疗领域的热点,是获批基因治疗产品中最常见的递送载体,在多种疾病治疗中具有独特的治疗优势,其具备以下主要优势与特点:
①尺寸较小,能容纳一定量的外源基因的同时在进入细胞时拥有较高的穿透效率,为体内递送提供基础,且由于基因组较短,其 DNA 结构也更易于使用重组 DNA 技术进行构建和改造,为开发治疗性载体提供了便利;
②具备非致病性和低免疫原性,野生型 AAV 是一种非致病性病毒,通常不会引起疾病,在自然状态下对人类无害,且感染通常是无症状的,因此使用 rAAV 作为载体几乎可以避免感染引发疾病和免疫反应,具备良好的安全性基础;
③可工程化优势,rAAV 可以通过基因工程技术进行优化和改造,改变其表面蛋白,使其能够靶向 特定类型的细胞,其可定制性使其在治疗中能够更精确地递送基因至目标细胞, 减少非靶向细胞的转导,加大治疗效果并降低副作用风险。④支持局部给药, rAAV 载体能够通过局部给药(如注射到目标组织)来实现低剂量的精准治疗, 特别是在眼科、神经系统等领域具有显著优势。这种局部给药方式能够显著提高 特异性与治疗效率,同时减少对非目标健康组织的影响。
②非病毒载体
尽管病毒载体系统是现阶段基因治疗大规模商业应用的主流技术。然而,病 毒载体存在一些固有的、难以消除的缺点,如载荷容量有限、插入诱变(如 RV、 LV)以及先天免疫等。而非病毒载体在解决此等问题上往往具备独特的优势。 具体而言,非病毒载体指不依赖病毒结构实现核酸递送的一类基因治疗递送系统, 主要包括脂质基纳米颗粒(如 LNP)、聚合物及无机纳米颗粒等类型。该类载 体通常通过可设计的化学结构与表面修饰实现组织靶向,并在载药能力、生物相 容性和功能化潜力方面具有优势。
脂质纳米颗粒(LNP)是目前应用最广泛的非病毒载体,凭借其通常由可电 离脂质、胆固醇、磷脂和 PEG 化脂质四种组分构成的适配性结构,有效解决了 核酸递送难、易降解的痛点,同时具备递送效率高、适配场景广、安全性优异、 可重复给药、产业化成熟、成本可控、技术迭代快且临床落地性强的综合优势, 奠定了其在非病毒载体领域开发的主导地位,LNP 与 CRISPR 的组合也被视为最 具潜力的体内基因编辑治疗手段之一。
A、LNP 简介
1965 年,作为脂质纳米颗粒(LNP)的早期版本,脂质体开始发展,是最早成功从概念到临床应用的纳米药物传递平台。1976 年,开始探索包被在聚合粒子中来传递核酸。随后,外源 mRNA 通过脂质体传递到宿主细胞。1995 年,由LNP 递送的小分子药物 daunorubicin 获得 FDA 批准上市,2018 年首款LNP-siRNA 药物 Patisiran 获 FDA 批准上市,2021 年两款 LNP-mRNA 疫苗获批上市。LNP 技术的多功能性和适应性使其在生物医学领域具有广泛的应用前景,随着研究的深入和技术的优化,预计将有更多的基于LNP递送的核酸药物上市,为多种疾病提供新的治疗策略。
LNP 是由可电离脂质、胆固醇、磷脂和 PEG 化脂质四种组分构成的纳米级递送系统,能够高效包裹各类核酸分子并保护其免受体内核酸酶降解。一般为饱和磷脂的中性辅助脂质用于支撑脂质双层结构的形成并稳定其结构排列;具有膜融合性的胆固醇调整脂质膜的完整性和硬度,增强 LNP 的稳定性;能改善亲水性的 PEG 化脂质位于 LNP 表面,既可以避免粒子被免疫系统快速清除以延长循环时间,又可以防止颗粒聚集以增加稳定性;pH 敏感性的可电离脂质,在包载过程中提供正电荷与带负电荷的核酸结合,同时在内涵体中再次转为正电荷有助于内涵体逃逸,提高载荷体内转染效率。
B、应用 LNP 作为载体的优势与特点
LNP 具有高安全性(无基因组整合风险)、低免疫原性(支持重复给药)及无载荷限制等优势,具备在基因治疗领域广泛应用的潜力。①高安全性,与 RV、LV 等病毒载体相比,LNP 不涉及基因组整合,避免了因基因整合引起的长期副作用或插入突变的潜在风险,具有较高的安全性;②低免疫原性,LNP 的免疫原性较低,在体内使用时能够减少免疫反应的发生,并与病毒载体相比支持多次重复给药,使得 LNP 成为长期治疗和免疫应答不强烈的理想载体;③无载荷限制,LNP 的载体容量理论上没有上限,可以递送大基因片段、多基因组合和体内基因编辑工具。
③载体系统发展趋势展望
现阶段,无论是病毒和非病毒载体均存在固有的优势与缺点,二者互为补充,协同发展,共同构成了基因治疗实现多元化载荷胞内递送的基础。长远来看,载体技术发展仍将围绕免疫原性、递送效率与系统安全性三条主线同步推进。病毒载体(如 rAAV 等)在体内递送方面具备先天优势,但临床放量与适应症拓展的关键约束集中在既往暴露导致的中和抗体与细胞免疫反应、与剂量相关的安全性事件等,因此研发方向将更强调通过衣壳/伪型工程化与理性设计降低免疫原性。
与此同时,非病毒递送体系(如 LNP)在避免基因组整合风险、载荷形态更灵活与制造放大潜力方面具有比较优势,但普遍面临体内递送效率偏低、缺乏天然组织嗜性以及胞内释放机制不充分等短板,未来需要通过材料结构与配方工程提升内体逃逸与胞质释放效率,并通过配体修饰与器官选择性递送策略强化靶向性,从而在效率、特异性与耐受性之间实现系统优化并支撑更广泛的临床应用场景。
3)按作用机制分类:基因替代疗法与基因编辑疗法
①基因替代疗法
基因替代疗法(Gene Replacement Therapy)核心目的是通过向患者的细胞中引入具有正常功能的基因,取代或补偿因遗传突变导致的缺陷基因,从而恢复细胞的正常功能。以 AAV 载体递送的基因替代疗法为例,其治疗机制如下图所示:在与受体和辅助受体的相互作用下(见下图○1 ),以及在必需的宿主细胞组分(如 AAV 受体)的帮助下,AAV通过内吞作用(见下图○2 )进入目标细胞,
并在一个内吞囊泡内通过逆行运输向高尔基体网络移动(见下图○3 );内吞体的酸化以及可能的其他因素触发衣壳内的重大结构变化,暴露出一个磷脂酶 A2(PLA2)催化域,允许病毒颗粒逃逸到细胞质中(见下图○4 );然后 AAV 病毒颗粒可以被泛素化以进行降解(见下图○5a ),或者通过核孔复合体被导入到细胞核中(见下图○5b )。在细胞核中,它先在核仁中积累,然后移动到核质中,在那里释放单链基因组(见下图○6 ),并转换成可以在细胞核中以环形游离体或线性或游离体连接体的形式持久存在的双链DNA(见下图○7 ),从而引起基因表达(见下图○8 )和蛋白质合成(见下图○9 )。
②基因编辑疗法
基因编辑疗法(Gene EditingTherapy)是指通过直接在患者的基因组中修复或替换致病基因等来纠正遗传缺陷的一类治疗技术。与传统的基因替代策略不同,其并非简单地补充一个外源基因,而是利用精准基因编辑工具在基因组的目标位置进行精准敲除或修改,从根本上恢复正常的基因功能,从而提供潜在的根治方案。该疗法目前在一些单基因遗传性疾病上展现出了独特优势,比如对于由单一基因突变引起的血液病如镰状细胞贫血(SCD)和β-地中海贫血等。
A、基因编辑技术简介
基因编辑工具体系总体经历了从蛋白质工程主导的序列特异性核酸酶(如巨核酸酶、ZFNs、TALENs)向 RNA 引导的 CRISPR/Cas 平台的演进:前者通常依赖定制化蛋白结构实现靶序列识别并诱导双链断裂,具备较强的编辑能力但在设计构建、成本与规模化应用方面门槛较高;后者以 sgRNA 决定靶向性,显著降低了工程化难度并提升了多位点编辑的可行性,从而推动基因敲除、修复与插入等应用快速扩展,成为目前最为常用的基因编辑技术,但仍需在脱靶控制与不同细胞类型中的递送效率等关键问题上持续优化。
B、CRISPR/Cas 系统简介
CRISPR/Cas 系统是细菌中天然存在的 RNA 干扰系统,对靶序列的识别是RNA 与 DNA 的碱基配对过程,摆脱了合成并组装具有特异性 DNA 识别能力蛋白质模块的繁琐操作,设计过程更为简单且易操作,仅需一步就可对目标基因组 进行各种敲入、敲除。凭借低成本和高通用性,CRISPR 技术已成为主流基因编 辑工具,近年来已在生物医药、模式动物、植物育种、动物器官移植等领域得到 了广泛的应用,与以前的基因编辑方法相比展现出巨大应用潜力和应用优势。
Cas 蛋白(CRISPR-associatedproteins),即 CRISPR 相关蛋白,是一种核酸内切酶,能够识别 DNA 序列,并切割 DNA 双链,实现基因的定向修改。目前在基因编辑领域,主流的 Cas9(如 SpCas9)虽生态成熟但体积较大(约 1,368aa), 给体内递送带来挑战。相比 Cas9产生的平末端,Cas12b 切割产生的粘性末端更 有利于同源定向修复(HDR)和高效基因插入,在降低脱靶风险的同时,为精细 化的基因组工程提供了更优的递送效率与工具选择。
C、基因编辑技术的发展趋势展望
基因编辑技术正从传统依赖双链断裂的 Cas9 体系,迈向以紧凑型、高保真核酸酶工程化为代表的新阶段,行业研发重点集中于通过蛋白设计拓展 PAM 兼容性、提升编辑精度并降低脱靶与结构变异风险,从而形成更可预测且具临床可转化性的安全边界。顺应这一演进方向,部分企业已将研发重心布局于 Cas12家族等小型化、多 PAM 且高特异性的编辑平台及配套 gRNA 工程化与多位点编辑能力,推动基因编辑走向可规模化临床应用。
同时,该等新 Cas蛋白的发展也能够规避以 Cas9 为代表的专利网络限制,避免国内企业陷入多个境外专利权人层层布局的专利保护及付出高昂的专利实施许可费用,助力更多国内企业的基因编辑治疗产品和应用基因编辑技术的细胞治疗产品加速商业化与全球化。此外,近年来,国内外以 R2 逆转座子整合系统为代表 的 “RNA 写入型基因编辑(RNA-guided gene writing)”前沿技术等也在快速发展,致力于实现大片段基因的精准写入。
(3)全球及中国基因治疗产品研发布局情况
全球基因治疗管线适应症布局以年龄相关性黄斑变性数量最高,其次集中于血友病、肌营养不良症、地中海贫血及视网膜色素变性等疾病。
中国基因治疗管线的适应症布局与全球基本一致,但目前仅有 3款药物获批上市,预计未来随着技术的发展和监管系统的进一步完善实现更多的药物上市。
(5)全球及中国基因治疗产品市场规模
根据灼识咨询的数据,全球基因治疗呈现出快速增长的发展趋势。2020 年到2025年,全球市场规模由9.6亿美元增长到34.0亿美元,年复合增长率为28.9%,预计到 2032 年进一步增长到 186.1亿美元,期间年复合增长率为 27.5%。
中国市场方面,中国基因治疗产品起步相对较晚,首款 rAAV 基因治疗产品于 2025 年方获批上市,预计市场规模有望在 2032年达到 83.2 亿元。