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            羽化成蝶15年:这些自然中不存在的氨基酸,即将引领生物药变革潮流
            栏目:行业新闻 发布时间:2019-05-27
            今年3月,百济神州宣布与Ambrx公司达成全球研发合作,使用Ambrx的“基因密码扩展”技术平台开展创新生物药的研发。新闻通稿中指出,这项技术有望创造出潜在的“first-in-class”或“best-in-class”疗法。

            今年3月,百济神州宣布与Ambrx公司达成全球研发合作,使用Ambrx的“基因密码扩展”技术平台开展创新生物药的研发。新闻通稿中指出,这项技术有望创造出潜在的“first-in-class”或“best-in-class”疗法。


            自2013年成立以来,百济神州达成的研发合作并不多见。因此,业界对本次合作的对象Ambrx也充满了好奇。这家位于美国圣地亚哥的生物技术公司,其平台对于生物药研发而言,究竟有什么意义?最近,我们对Ambrx的总裁兼首席执行官田丰博士进行了专访。作为早一批加入Ambrx的员工,田丰博士从Scientist I起步,与团队一道将其技术平台从概念推向临床,并抵达临床验证。而田丰博士也从Scientist I一步步成长为Ambrx的首席科学官,并在去年履新,出任首席执行官。无论是对于Ambrx,还是田丰博士本人,过去的15年,堪称羽化成蝶。

            从DNA到蛋白质:数十亿年的基因密码


            地球是浩瀚宇宙中,人类已知存在生命的乐园。依照现有的观点,地球生命大约诞生于35亿年前。数十亿年演化至今,这颗太阳系的三号行星上,已是一片勃勃生机。有趣的是,地球上几乎所有的生物,都遵循着一套共通的运作法则:遗传信息从DNA流向RNA,随即指导蛋白质的合成。这个简洁优美的体系将核酸与蛋白质这两类关键生物大分子串联到了一起, 奠定了分子生物学的基础。


            1953年,詹姆斯·沃森(James Watson)与弗朗西斯·克里克(Francis Crick)探明了DNA的双螺旋模型。然而DNA上的遗传信息如何决定了蛋白质的结构,却又让科学家们困惑了近10年。


            优雅的实验设计下,克里克与多位科学家一道,在1961年发表了一项划时代的研究。DNA测序技术尚未诞生之际,他们就利用精细的遗传图谱,发现在基因中插入1个或2个碱基,都会导致基因失去活性。而当这一数字变成3时,基因的活性却有可能得到保持。基于这些观察,他们大胆推导,基因里的遗传密码由3个碱基组成一个基本单位,且单位之间相对独立,没有重叠。



            ▲数十亿年演化得来的遗传密码,回答了生命的奥秘(图片来源:Thomas Splettstoesser [CC BY-SA 4.0])


            这一结论随后得到了大量验证,并被写入了生物教科书。如今我们知道,3个碱基组成了一个“密码子”,决定了每一个蛋白质从起始到终止的氨基酸顺序。地球上的绝大多数生命都使用这同一套密码体系,暗示这颗星球上的万千物种,源自同一个祖先。



            超越自然的可能:非天然氨基酸的力量



            除了少数例外,绝大多数生物体内的蛋白质都由20种氨基酸组成。这些氨基酸排列组合演化出的无数蛋白虽历经岁月考验,却在生物医药领域感到捉襟见肘——毕竟,区区20种氨基酸限制了蛋白结构和对蛋白修饰的可能性,而天然的蛋白质也更多是为了满足生命的生存需求而存在,其性质未必适用于生物疗法。如何将它们之外的“非天然氨基酸”(unnatural amino acids)引入蛋白质,优化蛋白质的成药性质,便成为了生物药研发领域的一大热点。


            最初,科学家们想要用化学手段直接对蛋白质中的氨基酸进行修饰。但限于氨基酸本身的生化性质,能够被这种方法修饰的氨基酸数量极为有限。随后,美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)的彼得·舒尔茨(Peter Schultz)教授在“生物合成”领域带来了突破。30年前,他的团队在《科学》杂志上发表研究,介绍了一种在蛋白质特定位点引入非天然氨基酸的通用方法。在这项技术诞生的20年里,有80余种非天然氨基酸被成功引入到了蛋白质中,验证了其可行性。但这项技术依赖于细胞外合成,产率较低,无法实现大规模应用。


            如果我们能够驾驭生命的中心法则,让细胞来自动生成带有非天然氨基酸的蛋白质,那该有多好。但要修改这数十亿年传承下的体系,又谈何容易?为了让细胞自发产生带有非天然氨基酸的蛋白质,我们还缺少两块拼图:识别独特密码子的tRNA(转运RNA),以及将这种tRNA与非天然氨基酸连在一起的合成酶。

            利用大肠杆菌易于进行基因编辑的特性,研究人员们决定先基于这种模式生物建立体系。在海量的文库筛选下,这一体系历经周折,在2001年经由舒尔茨教授的学生王磊博士之手成型。随后,同实验室的Jason Chin博士在酵母系统中也实现了突破。 “Pete的实验室聚集并培养了一群全球科学家。”田丰博士说道。基于这一技术,2003年,舒尔茨教授共同创立了Ambrx公司。几个月后,师从于舒尔茨教授的田丰博士也加入了这家公司,与团队一道开启了漫长的制药应用探索之旅。


            这一探索,就是15年的时光。



            最后的拼图:哺乳动物细胞中定点插入非天然氨基酸



            公司成立后的第一个阶段,Ambrx的科学家们把精力集中在技术平台的建立,并很快对大肠杆菌系统进行了优化。然而公司想要长足发展,单有大肠杆菌系统是不够的。我们意识到,大肠杆菌生产的产品所占份额不大,绝大多数的生物制药是用哺乳动物细胞系统生产的。”田丰博士说道。


            当时,还没有哪个实验室能用哺乳动物细胞来做非天然氨基酸的定点插入。想在一家初创公司里来开发这一技术谈何容易?“当时主流观点认为,在大肠杆菌中做非天然氨基酸定点插入技术难度已经够大了,”田丰博士说道:“哺乳动物细胞比大肠杆菌复杂得多,用它做非天然氨基酸定点插入,技术难度也要比大肠杆菌大得多。而把这一技术用于生物制药的产品开发和生产,难度又上了一个数量级,几乎不可能达成。”


            这时,作为一个化学博士,从没有养过哺乳动物细胞的田丰博士却主动请缨。“那个时候好像手很顺,做了很多有意思的东西。也许无知者无畏吧,”田丰博士说道:“我从头学起,边学边做。”功夫不负有心人,到2006年,这套哺乳动物细胞体系已有小成。随后便是改进,工艺放大并利用CRISPR基因工程对平台母细胞系进行基因改造,来进一步提高和完善。


            ▲非天然氨基酸的定点插入示意图(图片来源:Ambrx授权使用)


            从机理上看,这一技术平台更像是生命程序的一个“小升级补丁”:根据性质预测,Ambrx的科学家们会使用药物化学的方法,体外合成符合其成药需求的非天然氨基酸。随后,这些非天然氨基酸会在合成酶的作用下,与特殊的tRNA紧紧相连,运送到合成蛋白质的核糖体。在那里,tRNA会识别指定位置的特殊密码子,将非天然氨基酸插入到多肽链的特定部位。这些定点插入的非天然氨基酸将给蛋白工程修饰提供巨大的化学空间。


            这一革命性体系的建立,成功突破了数十亿年来形成的天然蛋白质的瓶颈,给蛋白药物设计带来了无限可能。“Ambrx是已知唯一一家能够在原核和真核细胞中将非天然氨基酸定点插入蛋白中的公司。”田丰博士说道: “在这项技术平台和基于它的产品上,我们目前在全球拥有600多项专利。”这两套非天然氨基酸表达体系已经成为Ambrx飞速成长的基石。


            ▲非天然氨基酸的定点插入,有望在多种治疗领域中大展身手(图片来源:Ambrx授权使用)


            接下来,他们要面临一个残酷的现实:这个看起来很美的平台,能否在临床上得到验证?



            成功的突破:临床验证定点偶联技术



            田丰博士向药明康德透露,抗体偶联药物(ADC)是Ambrx哺乳动物细胞平台在临床项目上的最初选择。尽管此类药物是近年医药研发行业的热门,它的概念却可以追溯到100多年前。1908年的诺奖得主保罗·埃尔利希(Paul Ehrlich)在实验中发现,具有不同化学结构的染料,能够被不同的组织所吸收。他指出,或许将来有一天,我们也能将药物靶向送往患病的组织,有的放矢地进行治疗。


            ▲Ambrx一款在研抗体偶联药物的结构示意图(图片来源:Ambrx授权使用)


            ADC可以被视为这一概念的实体。此类药物由靶向特定抗原的抗体、具有细胞毒性的药物、以及将两者连在一起的“连接头”所组成,主要用于癌症的治疗。依照设想,这些药物的抗体部分能够识别癌细胞表面的特殊抗原,并被癌细胞整体“吞下”。在癌细胞体内,那些与抗体连在一块的细胞毒性药物会发挥自己应有的功效,杀死癌细胞。


            这一简单明了的策略,理应带来抗癌疗法的新革命。然而目前为止,只有四款ADC获批。田丰博士说:“限制这一疗法得到广泛应用的大瓶颈之一是‘脱靶毒性’。受限于天然氨基酸的特性,在生物体内,毒素与其偶联氨基酸之间的链接并不牢固,容易发生断裂——在还没有抵达癌细胞之际,这些具有细胞毒性的药物就会进入血液循环,游遍全身,带来毒副作用。另外,传统的连接位点均会选择赖氨酸或半胱氨酸,但每个抗体上均有几十个这类氨基酸位点,传统方法无法控制把毒素连到哪个位点上,因此产出的ADC是包含有效产物,无效产物以及高度副作用产物的混合物。如果能解决这一困扰,无疑将大大拓展ADC的应用前景。


            这正是Ambrx技术平台的能力所在。通过引入非天然氨基酸,Ambrx的研发团队可以特异性将毒素连接到筛选出的合适位点上。此外,其开发的毒素具有强有力的癌细胞杀伤效果,连接稳定性也非常高,这大大改良了ADC的稳定性和成药性。在早期临床试验中,多款经过改良的在研疗法就已展现出了令人振奋的特性。“我们发现毒素在抗体上接到哪里,用什么化学接,其实很重要。在临床前优化药物,Ambrx技术平台给了我们大的自由度,”田丰博士说道:“我们目前有多款ADC在临床前研究阶段,两款ADC正在进行全球性临床试验。”


            ▲在ADC等蛋白药上,Ambrx期待能给整个行业带来变革(图片来源:Ambrx授权使用)


            田丰博士向我们介绍了一款名为ARX788的在研新药。这是一款针对HER2靶点的ADC,目前它正处于治疗乳腺癌的全球1期临床试验中。临床前研究显示,这款ADC的脱靶毒性极低:据介绍,在接受常规的ADC注射后,由于接头的不稳定,血液中很快会检测出一个游离毒性药物的峰值。而在Ambrx的设计和改良下,这一昭示着毒副作用的游离小分子毒素峰值不存在。相反,即便是在接受注射的数日之后,ADC本身已经被吞入细胞发生降解,ADC上的毒性药物分子依旧牢牢与非天然氨基酸连在一起,展现了这一改良带来的超强稳定性。


            更可喜的是,这款创新ADC还有望与抗PD-1免疫疗法形成协同作用。初期临床前结果发现,单独使用ARX788能将肿瘤的体积进行显著控制,而联合使用ARX788与抗PD-1疗法,疗效则比单独使用ARX788要显著更优。也就是说,这款在研新药不仅展现出喜人的安全性,其治疗效果还有望给患者带来更多希望。


            无独有偶,Ambrx与安斯泰来合作研发的另一款ADC产品ASP1235,也正在临床试验中顺利推进。作为一款潜在“first-in-class”的抗FLT3 ADC,利用Ambrx的技术,研究人员们对其进行了位点特异的修饰。与传统ADC偶联技术相比,这款产品的耐受性要好上4倍。这意味着在临床中,Ambrx的ADC有望带来更高的疗效,更低的毒性,以及更好的治疗窗口。这再次彰显了Ambrx的非天然氨基酸插入技术在提升ADC安全性,减少脱靶毒性上的巨大前景。


            除定点偶联ADC外,Ambrx还有基于大肠杆菌技术平台的定点偶联聚乙二醇技术。基于这一技术,Ambrx和百时美施贵宝在合作开发一款长效FGF-21,用于非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的治疗。这一项目目前在美国的临床试验已进入2b期阶段。这些临床试验中展现的潜力,夯实了Ambrx全方位开发蛋白修饰工程的基础。



            工程设计:未来蛋白药的崭新天地



            核心技术平台得到临床验证后,Ambrx很快将其进行拓展,应用于多个不同的研发项目。除了更多的ADC,Ambrx还在开发多款长效蛋白制剂(long-acting protein)和双特异性药物。其中,一款聚乙二醇化的IL-2疗法有望在免疫疗法中大展身手。田丰博士介绍说,IL-2分子同时具有免疫抑制和免疫激活的功能,是免疫系统的重要调节因子。


            ▲对蛋白的聚乙二醇化修饰示意图(图片来源:Ambrx授权使用)


            目前,业内传统的IL-2聚乙二醇修饰手段具有一定的随机性,可能在一个蛋白分子上的多处出现修饰,造成性质出现不统一。由于IL-2本身具有两个截然不同的作用,异质化的修饰可能会限制其成药的潜力。而Ambrx的初步结果表明,通过在特异位点引入非天然氨基酸,研究人员们能够位点特异地对IL-2进行聚乙二醇修饰。这不仅可以有效延长其体内半衰期,还可以定向控制免疫系统的激活或抑制,协助治疗癌症或自身免疫疾病。


            此外,Ambrx多年来积累的研发经验,让他们对偶联位置的重要性有着极深的洞见。他们发现,通过在特定的位点引入非天然氨基酸并进行偶联,他们能够决定一款蛋白制剂有无免疫原性。而通过定向递送免疫调节类药物,他们还有望改变实体肿瘤的微环境,让“冷”肿瘤变成“热”肿瘤。对于田丰博士来说,打通任督二脉的Ambrx,前方是一片无人涉足的崭新天地,而他们掌握着探索这片新天地的指南针。


            ▲Ambrx多样化的研发管线(图片来源:Ambrx授权使用)


            “在Ambrx,我们像对待小分子化学药一样,对生物制剂逐个原子进行优化。这能创造出更安全,更有效的新药,”田丰博士说道:“我们的平台技术目前已经全面成熟,也已经在临床上得到了验证。在ADC和癌症免疫疗法等蛋白药上,我们期待能给整个行业带来变革!” 也正是看中这一新兴技术平台在改良生物药疗效和安全性上的潜力,在百济神州之外,百时美施贵宝、安斯泰来、以及浙江医药也已和Ambrx签署了合作协议,推进创新生物药的研发。



            崭新的团队,崭新的使命



            谈及Ambrx在成立以来,特别是最近一年取得的一系列突破性进展,田丰博士感谢了Ambrx团队的坚守和齐心协力。他回忆说:“我特别感谢Ambrx的员工们10多年来的坚持。要启动一个项目相对容易,但要历经万苦,坚持完成一个项目非常难。只有不忘迈出第一步时的初心,只有不计个人得失,去做应该做的事,才能真正帮助公司走向成功。”


            出任CEO后,田丰博士迅速组建了一个“经验丰富,齐心协力及全力投入”的管理团队,满足公司在新一阶段的运营需求。最近, Ambrx又宣布,曾协助其与多家级医药企业达成重量级合作的Simon Allen先生重返公司,出任首席业务官。作为一名在生物医药领域具有超过25年经验的“行业老兵”,Allen先生指出公司接下来的15个月里,将有6项产品位于临床阶段,3项临床试验的结果也将得到公布。这“尤其令人振奋”。 


            田丰博士也感谢多年来众多合作伙伴,也包括中国的浙江医药和药明康德集团以及最近的百济神州等合作伙伴的助力。“药明生物刚起步时就是我们的合作伙伴,Ambrx的第一个ADC就是在药明生物生产的,也是药明生物平台上第一个进入临床试验的ADC项目。


            谈及未来,田丰博士期望能够立足于中国,面向全球;与团队一起将Ambrx打造成一家具有革命性创新技术平台,且基于这一高新技术平台之上开发创新医药产品的世界的生物医药公司。“我们期待通过高蛋白工程技术来做药物开发,能够逐步提高临床前药物在临床阶段的表现可预测性,进而提高生物药物研发成功率。


            从拓展基因密码的设想到临床技术验证,从大肠杆菌平台的建立到拥有足以大规模应用的哺乳细胞产能和丰富的产品线,再到未来的智能药物,Ambrx十余载的研发与坚守恰似破茧成蝶。如今,这只蝴蝶已伸展出一对美丽的翅膀飞向充满期待的未来。