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中国企业,赢下了CRISPR快速诊断的关键专利之争

作者: 王世薇 2023-02-23 08:00

2月末的一天,一则从美国专利商标局传来的消息,让身在上海的王金博士心情愉悦。经历了数月的沟通和答审之后,他联合创立的吐露港生物(ToloBio)通过全球专利组织(PCT)在美国申请的Cas12蛋白诊断专利终于获得了发明授权,这对于吐露港生物的全球专利布局意义重大。

 

王金博士告诉动脉网,接下来,吐露港生物还会联合美国的合作伙伴Sherlock Bio团队一起,进一步巩固双方在CRISPR诊断领域的领先专利地位。至此,国内生物科技企业首次赢得了漫长的CRISPR专利之争中的关键一仗。

 

不同于在传统生物科技领域中大多只能追赶和模仿,开发CRISPR技术的国内创新企业站在更高的起点上,无疑将面对许多没有参考答案的新问题。最棘手的新问题之一,便是几乎会伴随从技术创新到产品创新全周期的专利之争。

 

君联资本执行董事戚飞博士谈到这场专利之争时非常感慨:“这可能是中国基因编辑领域最重要的时刻。过往在生命科学领域,能够涉及到这种底层专利竞争的情况并不常见,更不用说在基因编辑这种革命性技术的领域。中国科学家和企业能够真正做出全球性的原始创新,并在专利上击败所有对手,这可能是中国生命科学领域底层专利的里程碑事件。从此,基因编辑领域的全球底层专利,有了中国科学家和中国企业的一席之地。“


点石成金的Cas蛋白


相比Cas12蛋白,人们更为熟悉的是CRISPR/Cas9基因编辑中用到的Cas9蛋白,它是支撑CRISPR基因编辑的关键酶。

 

这里稍微展开一点背景知识。CRISPR/Cas系统的全称是规律间隔成簇短回文重复序列相关蛋白系统,它是存在于多数细菌与绝大多数古菌中的一种后天免疫系统,主要功能是消灭外来的质粒或者噬菌体。至今,人们已经发现了3种不同类型的CRISPR/Cas系统,覆盖约40%和90%已定序的细菌和古菌,基因编辑中常用的其中组成较为简单的一种类型,即以Cas9蛋白以及向导RNA(gRNA)为核心的组成CRISPR/Cas系统。

 

作为一种前所未有的更高效、低成本的基因编辑技术,CRISPR/Cas系统在出现后的短短数年内,便完成了概念验证和早期的产品开发,展示出在临床场景中强大的商业爆发力,俨然成了最热门的生物技术之一。

 

具体而言,CRISPR/Cas系统商业化的主动权主要掌握在它的发现者和专利持有者手中。2012年,CRISPR/Cas9系统的编辑机制被Jennifer Doudna、Emmanuelle Charpentier两位科学家揭示。8年后,她们藉此获得诺贝尔化学奖。与此同时,两位科学家马不停蹄将这项技术科学的发现转化为变革基因编辑的创新技术。为此,Charpentier创立CRISPR Therapeutics、Doudna则创立Intellia Therapeutics,主攻基于CRISPR/Cas9技术的基因编辑药物开发。2016年,这两家带着全新生物技术的公司登陆资本市场,得到全球投资者的追捧。

 

另一边,麻省理工-哈佛布洛德研究所(Broad Institute)的华裔科学家张锋则因率先将基因编辑技术带向人体细胞治疗,拿下了CRISPR-Cas9多项关键核心专利。

 

2013年,手握发明专利,张锋创立了Editas medicine,探索利用CRISPR/Cas9技术治疗多种疾病。这家公司在成立之初就是全球顶级风投争抢的对象,在A轮和B 轮融资中,Editas medicine相继斩获0.43亿美元和1.2亿美元,投资者包括Google Ventures等。同样是在2016年,Editas medicine 登陆美国纳斯达克市场。

 

Editas medicine主攻基于CRISPR/Cas9 技术的肿瘤和遗传缺陷病创新疗法,已经开发了多款项目,包括与JUNO合作开发的2.0版CAR-T细胞疗法、针对雷伯式先天黑内障的临床研究、和针对镰型细胞性贫血症、角膜疱疹等基因性疾病的基因编辑疗法。到2020年3月,Editas Medicine开发的CRISPR疗法AGN-151587(EDIT-101),在治疗先天性黑蒙症10型(LCA10)适应症的I/II期临床试验,完成了患者给药,开创了全球CRISPR基因编辑在体给药的先河。从前沿技术到重磅新药,似乎仅剩一步之遥。

 

从某种意义上讲,在CRISPR系统的运行规律被掌握后,Cas这个小小蛋白,有着点石成金的能力。也正因如此,围绕基因编辑治疗领域的底层专利之争旷日持久、激烈异常,从技术发明之日起延续十年,成为全球科学界关注的焦点。2022年2月,张锋和Doudna的十年对决以张锋阶段性胜出告一段落,然而,围绕更多Cas蛋白和技术应用的底层专利之争并没有完全结束。


下一代快速诊断技术


当Cas 13、Cas 12等蛋白陆续被发现,人们的目光很快被吸引过来。技术和资金持续涌入之下,基于Cas 13、Cas 12等蛋白的CRISPR快速诊断方法,在肿瘤检测、病原检测等应用场景中迅速落地,并由于新冠核酸检测的需求而走到全球聚光灯下。

 

2022年,Nature发布年度最值得关注的技术榜单,CRISPR诊断技术位列其中。研究显示,通过利用和挖掘Cas12、Cas13等Cas系列蛋白的特征,CRISPR诊断可以检测广泛的病原体,乃至有效地诊断其他非感染性疾病。自2018年以来,CRISPR检测技术的研究文献愈发增多,到2021年已超上千篇,相应地,CRISPR检测技术也愈发成熟,并不断拓展。现阶段,全球开发相对成熟的CRISPR快速诊断系统有SHERLOCK诊断系统、HOLMES诊断系统、DETECTR诊断系统等

 

实际上,在CRISPR/Cas系统的快速诊断应用中,人们最先想到的仍是Cas 9蛋白。在2016年,Collins等基于CRISPR/Cas9特异性识别并切割靶标序列的特点,开发了快速廉价检测寨卡病毒(Zika)的方法。他们把Cas 9蛋白和PCR技术相结合,通过sgRNA特异性识别只存在于美国寨卡病毒基因组中的PAM序列,在3小时内对不同亚型进行精确区分。不过,由于时间长,并且需要变温反应,该系统在诊断产品开发方向并未广泛应用。

 

随后,研究者开始探索将Cas13蛋白用于CRISPR诊断。Cas13蛋白最早是在2015年被发现。当时,美国国家生物技术信息中心的进化生物学家Eugene Koonin实验室和张锋团队合作,利用计算生物学方法,在微生物宏基因组数据库中率先发现了可用于RNA编辑的CRISPR-Cas13系统,包括Cas13a(C2c2)、Cas13b(C2c6)和Cas13c(C2c7)蛋白,并陆续证明了这些系统在哺乳动物细胞中可对靶RNA进行高效敲低。然而,在尝试用于RNA编辑药物开发时,他们发现,由于Cas13 a/b/c/d蛋白体积较大,难以被包装在单个AAV载体中进行体内递送。

 

直到2017年,张锋团队利用CRISPR-Cas13a具有“旁路活性”的特点,建立了快速核酸探测的方法。所谓“旁路活性”,即Cas13a蛋白结合特异性靶标RNA后,被激发出随机切割其他非靶标RNA的切割活性。如果将其与等温扩增技术(如RPA)相结合,就可以实现快速靶标RNA的检测。在系列研究中,张锋团队把这种检测方法用来检测寨卡病毒和登革热病毒的特定菌株,区分致病菌、人类基因型DNA,并识别无细胞肿瘤DNA的突变,并将它命名为SHERLOCK。

 

与CRISPR/Cas9系统相似,CRISPR-Cas13a系统甫一发现便迅速被投入产品开发中。2019年3月,张锋领衔创立的Sherlock Biosciences公司刚刚成立,便获得了3500万美元的融资。该公司通过博德研究所获得授权,基于CRISPR技术完成快速诊断,主要开发病原检测、基因型区分、耐药性基因以及肿瘤液体活检的即时检测等领域产品。2020年5月,Sherlock Biosciences开发的新冠检测产品在获得了新冠检测的FDA EUA,成为了全球第一个注册获批的CRISPR诊断试剂。

 

与此同时,CRISPR-Cas12系统也开始进入人们视野。主导Cas12蛋白最初发现工作的,也是张锋团队。同样是在2015年,他们发现了这种全新的CRISPR-Cas蛋白具备与常用的Cas9蛋白类似的RNA引导的特异性DNA核酸内切功能的同时,仅需要crRNA即可引导特异性切割双链DNA,并产生粘性末端等,可用于CRISPR基因编辑。

 

紧接着,王金博士团队和Jennifer Doudna团队几乎同时发现了Cas12蛋白具有一种针对ssDNA的新型切割活性。在crRNA的引导下,Cas12识别并结合靶标DNA后,便被激发出一种针对ssDNA的随机乱切活性,这种活性就被称为反式切割活性。

 

有意思的是, 2017年,前文提到的因在CRISPR基因编辑领域做出突出贡献而获诺贝尔奖的科学家Doudna,又创立了Mammoth Biosciences,又一次与张锋成立的公司同台竞技。这家公司拥有加州大学的CRISPR-Cas12反式切割活性的技术许可,探索利用CRISPR技术实现传染病、肿瘤学和基因突变方面的快速诊断。Mammoth Biosciences所采用的CRISPR快速诊断方法被称为DETECTR诊断系统。这个方法在2018年由Jennifer Doudna团队研发,基于Cas12a蛋白开发,即文章开头提到的,Mammoth Biosciences与国内创新企业吐露港生物存在专利争议的蛋白。

 

在国内,王金博士和吐露港生物则同样利用Cas12a的反式切割活性开发了HOLMES诊断系统,其在时间上要比DETECTR系统更早。在此基础上,王金博士团队又反复验证了ssDNA和dsDNA靶标都能激活Cas12a的反式切割活性,并且证明了这种活性具有普适性,从而为后面HOLMES体系中的Cas12a蛋白的筛选和进化提供了重要的理论基础。

 

据王金博士介绍,为了简化CRISPR快速诊断的操作流程,并提高准确性,吐露港生物该又基于LAMP-Cas12b开发了HOLMESv2系统,构建了One-Step(一步法)CRISPR诊断体系,这也是全球首个开发的一步法CRISPR诊断系统,目前有多个研究团队在跟进相关研究。

 

在2020年底,Mammoth Biosciences基于DETECTR诊断系统的新冠诊断试剂也获得了EUA批准。此外,为了应对大规模的筛查,在2022年初,FDA又授予DETECTR诊断系统的另一款产品DETECTR BOOST新冠检测试剂的EUA,后者同样基于CRISPR系统,但将CRISPR与自动化技术相结合,首次实现了基于CRISPR系统的高通量检测,在新冠蔓延全球期间的大规模筛查中发挥了重要作用。

 

“在国内,CRISPR诊断技术也正从实验室快速走向临床应用。”王金博士告诉动脉网,在CRISPR诊断标准体系、供应链生态、技术产品化、以及产品和规划层面,国内企业都保持了与全球同步的推进速度。同样是在新冠疫情期间,上海伯杰也利用吐露港生物授权的CRISPR诊断技术开发了新冠快检试剂盒,成功获批了NMPA的产品注册证。此外,据王金博士透露,吐露港生物已与多家临床、环境监测相关企业建立了产品或技术合作,共同推动这项创新技术应用生态的繁荣。


构建中的专利壁垒


CRISPR诊断技术的出现,给沉寂许久的精准医学领域带来新的光。据外媒报道,近年来,前文提及的2家基于CRISPR-Cas平台开发快速诊断技术的美国公司,已经累计融资超5亿美元,吸引了Illumina Ventures、BV百度风投、Pacific 8 Ventures、Foresite Capital等具备产业资源的投资机构入局,为后续的产品化和规模化应用奠定了基础。在国内,吐露港生物也曾获得了华大共赢、君联资本和惠远资本等头部机构的投资。

 

据动脉网不完全统计,目前,全球的CRISPR诊断底层技术专利主要掌握在上述三家公司手中。Cas13的诊断专利归属相对明确,Cas12的诊断专利则充满悬念。具体来说,Sherlock Biosciences获得了从Broad研究所张锋团队授权的Cas13诊断专利;而吐露港生物和Mammoth Biosciences均声称拥有底层的Cas12诊断专利,其分别源自王金博士和Jennifer Doudna团队。由于两家公司基于Cas12的技术方案几乎相同,这注定了他们在未来的商业化进程中将面临着不可避免的竞争。

 

专利之争,正是吐露港生物和Mammoth Biosciences这两家竞对开展的第一场较量。动脉网此前曾撰文分析,技术十分接近的吐露港生物和Mammoth Biosciences都在布局全球市场,也都在全球多国申请技术专利。他们之间核心的争议点聚焦在美国专利之上。此前,美国专利商标局曾将Cas12诊断的专利授予Mammoth Biosciences,而吐露港生物的专利由于拥有比对方早了4个多月申请的优先权,进而通过PCT途径落地美国。尽管具备明显的领先申请优势,在复杂的全球专利大环境下,王金博士和吐露港生物也一直在谨慎准备,小心应对,以期拿下CRISPR诊断技术中最关键的底层专利。

 

“我们一早预判到这个领域的竞争非常激烈,特别是核心专利的竞争。我们也做了相应的准备,但仍有一些工作没能做早、做足、做透。”王金博士曾如此向动脉网感叹。彼时,吐露港生物与Mammoth Biosciences的美国专利之争,正悬而未决。


如今,Cas 12蛋白美国专利终于尘埃落定,这既是王金博士代表的中国科学家团队在前沿生物技术领域作为全球创新开拓者的胜利,也是吐露港生物作为中国创新生物技术企业征战全球的实例。即便是面临最强大的对手,在最热门的技术面前,中国科学家和企业也可以凭借真正原始的创新和坚持不懈的努力,取得关键胜利。

 

而在此之前,吐露港生物和Sherlock Biosciences业已签署合作协议,在双方原有大中华区和美国两个市场开展合作的基础上,进一步签署了全世界范围内的“CRISPR诊断专利交叉授权”合作协议。

 

作为市场上仅有的两家拥有CRISPR-Cas12和Cas13分子诊断底层专利的公司,该协议进一步加强了吐露港生物和Sherlock Biosciences的深入合作,并为双方提供了最全面的CRISPR诊断相关专利的权利组合,以确保双方都能在全球市场范围内推出更有竞争力的CRISPR诊断产品。

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文章标签 生物技术基因
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王世薇

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