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抗体药年销2000亿美元,抗体发现的制胜法宝在哪里?

胡琦玥 2023-03-21 08:00

自1986年第一个治疗性抗体莫罗单抗-CD3(Muromonab-CD3)被批准上市,截止2023年1月末,FDA累计批准了119款抗体新药,每年批准的抗体药物约占批准新药的五分之一。

 

抗体药疗效好、特异性高,但抗体药的诞生却困难重重、并非易事。不同于小分子化药,抗体药结构更复杂、研发难度更高、生产工艺更繁杂,研发过程中技术工艺的微小差异都可能直接影响药物的质量和疗效。

 

抗体筛选是直接决定抗体药物开发成果的关键步骤。想要获得更好的抗体药,就需要尽可能扩大抗体的可选择范围、并精准分选出优质抗体,这其中涉及到的理论、技术、设备、操作等关键因素。

 

针对这一关键技术问题,近期发布的《抗体筛选行业研究报告》帮助行业梳理了抗体筛选的各类主流技术,并对抗体发现的国内外市场进行深度分析探讨。

 

每年获批新药1/5是抗体药,2022年销售额近2000亿美元

 

抗体药物主要包括单克隆抗体、双特异性抗体、抗体药物偶联物(ADC)、融合蛋白、抗体片段,以及多克隆抗体等。其中,近年来以单克隆抗体药物发展最为迅猛。基于其高特异性、低不良反应的特征,癌症、免疫系统疾病及相当一部分的罕见病,近年来都在抗体药物中找到了合适的解决办法。

 

据《报告》统计,2022年,有37款抗体类药物上榜全球药品销售额TOP100,共计创收约1896.14亿美元,占到TOP100药物整体销售额的38.81%。抗体药物已经成为治疗人类疾病的“主力军”之一。

 

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在销量前10的药物中,有4款是抗体药,其中3个单抗药物和1个抗体融合蛋白。其中用于治疗黑色素瘤、非小细胞肺癌、食管癌、头颈部鳞状细胞癌、结直肠癌的阿达木单抗药物Humira和帕博利珠单抗Keytruda,均创造了超200亿美元的收益。

 

另外强生制药和田边三菱联合开发的全球唯一获批用于治疗克罗恩病(CD),同时可治疗银屑病的单抗药物乌司奴单抗Stelara,以及再生元和拜尔联合开发用于治疗湿性黄斑变性的抗体类融合蛋白药物阿柏西普Eylea,也均创造了近100亿美元的销售额。

 

可以看出,不论是科研还是治疗,抗体药物的热度都极高。

 

抗体筛选对成药性起到决定性作用,单B细胞技术是“理想型”

 

那么,开发一款抗体药物主要涉及哪些关键性步骤?

 

——抗体发现、抗体生产和临床注册。

 

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抗体发现作为抗体药物发现的第一步,能够直接影响成药性、药效水平等,而抗体筛选作为抗体发现中的关键一环,又对抗体发现的结果起到决定性作用。

 

一种好的抗体筛选方式,可以筛选出更多更加优良的抗体作为先导药物,而这通常意味着更好的成药性。相反,采用不合适的抗体筛选方式,可能筛出的分子亲和力高但成药性不好,这就如同埋下“定时炸弹”,在后续开发阶段随时面临“爆炸”的可能性。

 

抗体筛选主要分为“制备”和“分选”两步,本次《报告》深度剖析了杂交瘤技术、噬菌体展示抗体库技术、细胞表面展示抗体库技术、单B细胞筛选技术在内的4大最常见的单克隆抗体发现技术,并对各技术进行了横向对比。

 

1975年,英国剑桥大学MRC 实验室的 Milstein 和 Köhler 开发了第一代抗体制备方法——单克隆抗体杂交瘤技术。该技术将具有无限增殖能力的骨髓瘤细胞和能够分泌抗体的小鼠B细胞融合后,获得了能够传代培养和持续分泌单克隆抗体的小鼠杂交瘤细胞。目前已成为制备抗体应用最广泛的技术。但该技术获得的鼠源性抗体与人体亲和力有限,也导致其成药安全性得不到保障。且从漫长至数月的免疫到特异性杂交瘤鉴定的工作流程与融合过程中大量损失B细胞多样性,此难题一直困扰着使用杂交瘤技术的科学家。

 

1985年,George P. Smith又开发出一种抗体体外制备筛选法——噬菌体展示抗体库技术。该技术采用直接将抗体DNA序列插入噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置进行抗体表达,再通过靶蛋白对噬菌体展示抗体库进行多轮快速筛选,最终获得识别靶分子的多肽或者蛋白。但由于噬菌体无法侵染过长的蛋白序列,片段组合后又无法进行有效折叠和翻译,故产生的单抗存在失去亲和力或产生自体免疫的现象。

 

为了解决噬菌体表面展示技术中出现的这些问题,细胞表面展示技术应运而生。该技术选择通过酵母细胞实现靶标蛋白的表达和展示,2020年,美国FDA批准的抗体药物依普奈珠单抗(eptinezumab),是首个基于酵母表面展示技术的抗体药物。除此之外,还有哺乳动物细胞表面展示、无细胞体系的核糖体展示等技术被提出用于全人源抗体文库的构建和筛选。除筛选特异性抗体片段外,此项技术还能够针对提高亲和力、稳定性等对抗体进行定向改造,进而优化抗体库。

 

上述抗体制备筛选技术始终没能实现高效率、多样性。伴随生物技术及其基础研究的发展和积累,近十年发展起一种全人源单抗制备技术,或可成为未来抗体筛选的长期理想技术:单B细胞筛选技术

 

单B细胞筛选,是直接从免疫的动物或者免疫人群外周血中分离单个抗体原代分泌细胞(ASCs)或记忆B细胞,并筛选出分泌目标抗体分子的B细胞的技术,结合单细胞测序技术可快速获得单个B细胞的抗体基因,后续进行表达、纯化、筛选和鉴定,以获取有效功能性抗体。通过该技术能够在很短时间内获得确保轻重链天然配对的抗体。相较于传统的抗体制备技术,单B细胞筛选技术具有B细胞多样性好、筛选周期短、筛选出的抗体质量高等优势。

 

与杂交瘤平台对比,单B细胞筛选技术可在一天之内完成数以万记甚至上百万的B细胞筛选,在很好的保留了B细胞多样性基础上大大提高了效率;与全人文库平台对比,单B细胞平台多使用经抗原免疫后的样品,在体内成熟的B细胞,因分泌的抗体亲和力更高,满足轻重链自然配对,因此极大地提升了抗体发现的效率。

 

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全球单B细胞筛选技术丰富多样,液滴微流控综合评分更高

 

B细胞制备完后,下一个技术难题出现了:如何对其进行高通量分选并获得单克隆?

 

目前全球较为主流的单B细胞分选技术包括:流式细胞荧光分选技术、液滴微流控技术、微印迹技术、微流控腔室技术。

 

本次《报告》通过相关企业案例介绍的形式对上述4大技术进行了逐一介绍,并对比梳理了各技术平台间通量、自动化、灵敏度、实验能力等方面的差异。

 

其中最早的细胞分选技术要追溯到上个世纪60年代,Len Herzenberg团队基于流式细胞仪开发出了流式细胞荧光分选技术(FACS)。目前这项技术已经十分成熟,国内外已有多家公司布局了基于该平台的单B细胞抗体筛选技术。这一平台的优势在于通量高(最高每秒可以处理上万细胞),且技术成熟,整体流程易于搭建。但该技术的局限性也很明显,因为不能检测分泌抗体的结合与功能,因此流式细胞荧光分选技术只适合于检测和筛选记忆B细胞,无法直接检测有分泌功能的浆细胞。与浆细胞相比,记忆B细胞表达的抗体亲和力不成熟,导致假阳性率高,下游验证工作量大。再者,基于流式细胞荧光分选技术只能针对可溶性蛋白作为抗原进行抗体筛选,且抗原标记上的荧光素和其他标记物也会对导致一定的假阳性亲和,同样增大了下游验证工作。

 

另一种常见分选技术是液滴微流控技术。其使用油包水微液滴将候选细胞进行单细胞包裹,确保其单克隆性,同时将检测所需反应底物也一同包裹在内,孵育后能对每个液滴进行基于荧光激发的分析与筛选。这一平台的筛选通量也非常高——每秒可达数百个微液滴,并且能够在自动化流程下完成高灵敏度的单个液滴分选,通过调整反应体系还能满足基于细胞的试验需求。

 

MIT的Christopher Love及其团队使用软光刻技术开发出一种微印迹分选技术,又称为SCAN。该技术主要通过单克隆B细胞分泌的抗体与检测试剂在玻璃器皿表面参与反应并产生信号,从而达成信号识别并实现进一步筛选的目的。但该检测方式自动化程度低,筛选周期相对较长,且无法满足基于细胞的检测需求。

 

能够同时实现高自动化、高灵敏度、多通道试验,且能够进行细胞实验的另外的一种技术——微流控腔室技术。该技术目前能够满足功能性筛选的要求,但分选高通量受限,效率不够理想。

 

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AI公司、生物药企、生命科学公司纷纷进场,中国代表:达普生物

 

综合来看,液滴微流控技术在效率、质量、功能度等多个维度的对比下,是目前更为理想的单B细胞分选技术。该技术的代表性企业较多,从聚焦液滴微流控技术的生命科技企业,到AI公司、生物芯片公司、生物药企等,业务形态较为丰富,但都多为海外企业。

 

AbCellera创建的AI驱动抗体发现平台集成了前沿的硬件、软件,运用微流控技术开创了纳升级单细胞抗体筛选方法。

 

以生物芯片起家的英国剑桥大学系公司Sphere Fluidics于2018年正式推出其单细胞筛选系统Cyto-Mine®。该系统使用微滴控制、分析、分选、成像等技术,可以在几个小时内处理大约1000万个异质哺乳动物细胞。同时,系统还允许每个微液滴被选择和分配到96孔甚至384孔微孔细胞板中,确保高度的真单克隆性(FDA批准所有单克隆抗体所需的证据)。

 

值得注意的是,行业内也有创新型生物医药企业不计成本自建单B细胞分选技术,可见该技术对于抗体药物发现的重要性。Amberstone Biosciences关注于开发针对实体瘤和其他疾病的新型靶向免疫治疗药物,其自有的液滴微流控单细胞功能发现平台:AmberFlow,能够在微液滴中分离出罕见的高价值分泌治疗候选物的单细胞,且公司目前已经借助该技术开发出4个候选药物。

 

发展更快的是法国生物药企:高诚生物(HiFiBio)。该公司的技术平台整合了微流控、单细胞分离及测序、微滴反应等多个创新技术,通过从单细胞层面深入研究细胞的表型和基因型,以解析单个细胞特性,从而加速管线推进。成立 4 年来,高诚生物共开发了 10 多个创新药品种,其中已有3个药物进入临床阶段,再次验证了抗体筛选技术对抗体药物开发的重要性。

 

能够与上述海外头部企业相提并论的国内企业,是中国液滴微流控领军企业——达普生物。自2018年成立以来,达普生物已商业化多款基于液滴微流控技术的科学仪器,包括单细胞高通量筛选系统(Comet High Throughput Sorting System)、星海单细胞测序建库系统(Galaxy Single Cell Analysis System)与星云数字PCR系统(Nebula dPCR System)。

 

达普生物Comet单细胞高通量筛选平台整合液滴微流控、荧光激活检测及介电泳力分选技术为一体,单次可实现百万级浆细胞的功能评估及分选。通过在液滴中同时实现ELISA检测与分选,摒弃传统费时费力的孔板法ELISA 筛选,此筛选平台大大简化单B抗体开发流程,并且系统设计灵活,可根据接驳的下游流程,将单个阳性液滴分选至96孔板,自动保存对应孔的照片用于真单克隆确认。

 

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简化后的流程,将传统六至八周的杂交瘤筛选工作缩减至1-2天内完成,极大加速抗体药物开发,且试剂成本降至杂交瘤成本的万分之一。Comet单细胞高通量筛选平台可兼容FRET法、微珠法、磁珠法及报告细胞法的微液滴筛选,以满足单B细胞抗体开发不同客户需求,筛选后阳性B细胞可直接对接自研的单细胞测序平台。提供了一套完整的基于单B细胞的抗体药物发现全流程解决方案,填补了全球空白。

 

开发高效抗体筛选,还需从工程整体和成本考虑

 

尽管抗体筛选步骤复杂,且可选择的技术多样,但极高的技术壁垒使得从理论到落地的难度极大、成本极高,这也是目前赛道内企业还没有出现“内卷”的原因。

 

《报告》指出,事实上,想要开发出高效的新型抗体分子发现技术,需要考虑到抗体药开发是一个整体工程,要考量的不仅仅是抗体亲和力这个单一指标,所以能够在筛选时候加入其他功能指标的评估能力是需要考虑的关键点。

 

如果单B细胞平台能实现从特异性到功能性的筛选,并保证assay结果的准确度,则会提高总体筛选的工作效率、减少下游表达验证的工作量、缩短抗体发现的周期。

 

除此以外,无论是CRO 公司还是biotech 、biopharma公司,更多还需要在日益竞争激烈的市场环境下,综合成本控制及客户对价格的敏感性等因素考虑,以选择合适的平台开展抗体药物开发及服务工作。

 

抗体发现全球市场朝60亿美金“狂飙”,我国抗体发现能力还需提升

 

据《报告》统计,在 2019-2020期间,全球有超过20亿美元投入在抗体发现相关的服务以及平台上。值得注意的是,这其中,超过40%的投资来自资本市场,这也反映出市场对于抗体发现行业的商业化前景的看好。

 

抗体发现行业未来还将继续保持快速增长的势态,预计全球将以超过10%的最高复合年增长率增长,到2030年底,全球市场规模将达到60亿美元。而中国将有机会成为高增长率的主要贡献者,通过拓展新兴市场抢占北美、欧洲的现有市场份额。

 

中国抗体药物广阔的前景一方面来自于肿瘤、自身免疫病等疾病,患病率和死亡率逐年增加,释放了大量对抗体药的临床需求。更重要的,是国家政策的指引,近年来,国内陆续出台国家“十四五”规划纲要、《中国制造2025》和《医药工业发展规划指南》等政策,明确将抗体药作为重点发展方向,进一步促进了抗体市场的增长。

 

从中国抗体药市场看,仿制药,进口药居多,自研药创新药占比低,归根结底在于中国企业目前缺少抗体筛选方式的创新,进而面临“新抗体发现难”、“困难靶点抗体开发难”的困境,这也是目前我国抗体药物始终没能跻身全球创新药市场竞争的核心因素之一

 

环顾整个全球高通量筛选市场,北美绝对是目前市场份额的重要贡献者。这是基于北美制药公司对研究和开发的重视、对药物检测技术的接受程度,以及资本和政策的支持。并且,在化学检验技术、自动化测试技术、相关科研机构建设、高通量筛选数据处理软件应用等因素的正向发展下,欧洲市场也开始逐步占据较大市场份额。

 

可观的是,亚洲地区高通量筛选技术也正在日益普及,特别是新冠疫情期间对高通量筛选技术应用的推动。随着高通量筛选产品在药物发现中的扩大应用,以及各项疾病治疗药物开发项目的增加,都将推动市场稳步增长。

 

抗体药推动高通量筛选市场,液滴微流控技术潜力巨大

 

高通量筛选技术是目前药物筛选领域的重要课题,随着高通量筛选研究的不断深入,对高通量筛选技术的评价标准统一和筛选技术创新发展,高通量筛选技术必将在未来的药物研究中发挥越来越重要的作用。

 

尽管高通量筛选技术在中国起步较晚,但随着中国生物制药产业的蓬勃发展,高通量筛选技术的需求进一步扩大,中国创新药物的高通量筛选研究也得到极大推动。

 

作为高通量筛选技术的典型代表,液滴微流控高通量筛选技术因其能在体外分区及高筛选通量的特性,可直接对原代浆细胞进行功能性筛选,能保留更丰富的B细胞多样性,利于新抗体药物的发现,更有助于困难靶点抗体药物的开发。另外,该技术的使用成本更低,能大大缩减企业研发成本,在为企业提供新技术平台的同时,还能够帮助企业提高市场竞争力。

 

目前,基于液滴微流控高通量筛选技术开发的药物已经有8款分别进入了临床阶段,并获得了积极的支撑数据。达普生物作为中国微流控领军企业,于2022年上市了其自主研发的液滴微流控高通量筛选平台,目前已经有单B抗体开发的多种解决方案,有望带领中国药企突破现有僵局,引发中国抗体药市场的新一轮增长。



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