活体生物药：生物技术推动的创新药研发前沿_邹丹阳.pdf

邹丹阳 等/活体生物药：生物技术推动的创新药研发前沿 Chinese Journal of Biotechnology http:/ Apr.25,2023,39(4):1275-1289 DOI:10.13345/j.cjb.220669 2023 Chin J Biotech,All rights reserved 资助项目：北京市自然科学基金(L202045)This work was supported by the Beijing Natural Science Foundation(L202045).*Corresponding author.E-mail: Received:2022-08-22;Accepted:2022-11-02;Published online:2022-11-09 1275 生物工程学报 活体生物药：生物技术推动的创新药研发前沿 邹丹阳1，董雨萌2，陈晶瑜1*1 中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083 2 苏州优信合生技术有限公司，江苏 苏州 215000 邹丹阳,董雨萌,陈晶瑜.活体生物药：生物技术推动的创新药研发前沿J.生物工程学报,2023,39(4):1275-1289.ZOU Danyang,DONG Yumeng,CHEN Jingyu.Live biotherapeutic products:the forefront of innovative drug development driven by biotechnologyJ.Chinese Journal of Biotechnology,2023,39(4):1275-1289.摘 要：随着微生物组学研究的深入，越来越多的研究证据显示微生物与人体的健康密切相关。20 世纪，人们发现了益生菌，并将其作为有健康功效的食品或膳食补充剂使用。21 世纪以来，随着人体微生物组学、DNA 合成与测序，以及基因编辑等技术的飞速发展，微生物在人体健康方面展示出更为广阔的应用前景。近年来，在新药研发上，提出了“下一代益生菌”的概念，将微生物作为“活体生物药(live biotherapeutic products,LBP)”进行研究和开发。简单地说，LBP 是活菌药物，可以用于预防或治疗人类的某些疾病和适应症。LBP 因其独特的优势，成为了新药研发领域的前沿方向，具有十分广阔的发展前景。本文着重从生物技术角度介绍 LBP 的类型和研究进展，并总结了 LBP 开发所面临的挑战以及对未来的展望，以期为 LBP 技术的发展与产品开发提供参考。关键词：活体生物药；下一代益生菌；新药研发；微生物；基因编辑 Live biotherapeutic products:the forefront of innovative drug development driven by biotechnology ZOU Danyang1,DONG Yumeng2,CHEN Jingyu1*1 College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China 2 U-Synbio Technologies Co.,Ltd.,Suzhou 215000,Jiangsu,China Abstract:As human microbiome research advances,a large body of evidence shows that microorganisms are closely related to human health.Probiotics were discovered and used as foods or dietary supplements with health benefits in the last century.Microorganisms have shown broader application prospects in human health since the turn of the century,owing to the 综 述 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q 生物工程学报 Chin J Biotech http:/ 1276 rapid development of technologies such as microbiome analysis,DNA synthesis and sequencing,and gene editing.In recent years,the concept of“next-generation probiotics”has been proposed as new drugs,and microorganisms are considered as“live biotherapeutic products(LBP)”.In a nutshell,LBP is a living bacterial drug that can be used to prevent or treat certain human diseases and indications.Because of its distinct advantages,LBP has risen to the forefront of drug development research and has very broad development prospects.This review introduces the varieties and research advances on LBP from a biotechnology standpoint,followed by summarizing the challenges and opportunities for LBP clinical implementations,with the aim to facilitate LBP development.Keywords:live biotherapeutic products(LBP);next generation probiotics;drug discovery;microorganism;gene editing 人体是多种微生物群落的宿主，宿主与微生物之间复杂的相互作用对人类健康有着重要的影响1。人体胃肠道内的微生物群落可能会导致多种代谢和免疫相关的疾病，例如肥胖、营养不良、炎症性肠病等2-7。这些宿主-微生物之间相互作用的发现为通过调节微生物群落的结构和功能来解决疾病提供了新的思路，将微生物以一种具有针对性和可控性的方式递送至人体内进行疾病的治疗8。益生菌是活的细菌物种，能够在胃的酸性环境中生存和繁衍，并对宿主的健康产生有益的影响9。在益生菌被发现和应用的前 100 年里，人们只将益生菌作为食品或者膳食补充剂使用。进入 21 世纪，人们逐渐认识到微生物特别是细菌在疾病治疗上的潜力，同时受生命科学领域组学技术、DNA合成与测序、基因编辑等技术的推动，一个创新药研发的新领域逐渐崭露头角，即活体生物药(live biotherapeutic products,LBP)，也被称为“下一代益生菌”。活体生物药是利用正常微生物或促进微生物生长的物质制成的活的微生物制剂10，具有安全性高、疗效好、成本低的优势，有望成为未来创新药研发领域的一匹“黑马”。活体生物药主要分为天然活菌药物和基因编辑活菌药物两类，前者又可细分为单菌种药物和多菌种复配药物11。目前，LBP 的研发已在癌症、炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)、艾滋病、糖尿病、焦虑症、苯丙酮尿症等多种类型疾病中有所报道12-17。活体生物药应用范围之广，极具开发的潜力和价值。本文将从生物技术角度介绍活体生物药的研究进展，并对活体生物药在疾病治疗上的发展前景以及所面临的挑战进行讨论，以期为活体生物药的开发提供参考。1 活体生物药概述 1.1 活体生物药的定义与开发指导原则 2016 年美国食品药品监督管理局生物制品评价与研究中心(Food and Drug Administration Center for Biologics Evaluation and Research,FDA/CBER)发布了全球第一部明确将活体生物药作为药物使用的指南10，该指南侧重的是活体生物药早期临床阶段化学制造和控制(chemical manufacturing and control,CMC)相关技术要求，明确了活体生物药的定义。活体生物药是一种生物活性药物，具有以下的特点：(1)含有活的生物体，如细菌；(2)具有预防、治疗人类疾病或适应证的功能；(3)不是疫苗。其核心要素是要按新药的标准开发，明确适应症并进行系统的菌株安全性、药效、CMC 以及临床评价。除了生物制品的一些共同特征以外，食品药品监 邹丹阳 等/活体生物药：生物技术推动的创新药研发前沿 ：010-64807509： 1277 督管理局(Food and Drug Administration,FDA)指南突出了活菌药物特有的研究重点，如鉴定菌株的稳定性、抗生素敏感性、耐药性、是否转移以及存在移位的可能，还有产品的生产控制与稳定性等18。1.2 活体生物药的主要类型 目前开发的活体生物药可分为单菌药物、复合菌药物、工程菌药物 3 类。单菌药物即利用天然的单菌种微生物制成活体生物药，其药效明确、成分单一。复合菌药物由 2 种或多种天然菌种复配而成，成分和药效模型都更为复杂。随着合成生物学的发展，人们开始着力于人工设计和改造微生物，使之具有疾病治疗功效，并可实现靶向给药、生物遏制等功能，称为工程菌药物19-20。工程菌活体生物药相较于前 2 种药物具有智能响应、表达高效、靶向明确、功能多样等优势。这 3 种类型的活体生物药在疾病治疗方面已逐步展现出明确的疗效和临床应用价值。例如：单菌药物脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilus)BF839 在肿瘤、自闭症、癫痫、银屑病、帕金森等疾病的治疗中均有报道21-22；著名的活体生物药公司 Seres Therapeutics正在研制的复合菌药物 SER-109 可有效治疗复发性艰难梭菌感染(Clostridium difficile infections,CDI)23；美国合成生物学公司 Synlogic 研制的工程菌药物 SYNB1618 能显著降低苯丙酮尿症患者血清中苯丙氨酸水平14。2 活体生物药的研究进展 利用微生物来干预疾病是目前基础和转化研究的热门方向，国际上涌现了一批科研机构及企业正致力于将活菌作为治疗手段开发利用，特别是开发成活体生物药。严格按照FDA 或欧洲药典对活体生物药的标准衡量，目前全球活体生物药研发尚处于临床前和临床阶段。2.1 天然菌株 LBP 研发现状 近年来，随着测序与分离技术的发展，人们不断发现了更多与疾病密切相关、但尚无人体应用历史的天然新菌种，并将其按照药物进行开发，成为天然菌株 LBP，其包含单菌 LBP和复合菌 LBP，这 2 种类型的 LBP 已在多种疾病治疗的临床试验中有所报道。表 1 总结了目前天然菌株 LBP 研发项目的进展情况。2.1.1 单菌 LBP 的开发 单菌 LBP 已在癌症、消化道疾病等多种疾病的研究领域中有所报道。在癌症治疗方面，英国 4D pharma plc 公司基于鸡肠球菌(Enterococcus gallinarum)开发了活体生物药MRx0518，该药物可以与 pembrolizumab 单抗联合治疗实体瘤，其机理是 MRx0518 的鞭毛蛋白可以激活细胞受体 TLR5 和核因子(nuclear factor kappa-B,NF-B)并