Synthego Corp.

01 科研翘楚与产业化明星的初心 立志克服疾病的科研翘楚 杨辉教授：现任辉大基因首席科学顾问 中科院上海药物所研究员、基因治疗中心（筹）主任、博士生导师。杨教授的科研生涯从中科院细胞所李劲松院士门下起步，随后在MIT的Whitehead研究所Rudolf Jaenisch实验室继续深造。2014年回国在中科院神经所建立实验室。在此期间，“如何解决人类疾病困扰”不仅贯穿了其整个科研生涯，也为其后续创业定下了基调。在科研生涯的初始，模式动物的基因改造与干细胞基因编辑是杨辉教授的课题主线，尤其是针对业界药物开发难度超高的CNS领域。这一系列研究为辉大基因未来CNS管线的布局奠定了坚实的基础。 然而创业并不是一蹴而就，杨教授的创业灵感来源于一次感人的经历：在神经所期间，他接触到一些唐氏综合症患儿的家庭对于疾病治愈的渴望，这让他深受触动。杨教授感叹到,“既然我们已经做了诸多CNS疾病的灵长类模型，也做了许多基因编辑工具的开发与使用，那为什么不自己成立一家可以真正将科研积累转化为临床患者能用上的药品，造福人类的公司呢？”彼时恰逢国内基因治疗行业的快速发展，加上夏尔巴投资的蔡大庆博士的支持，拥有底层创新技术的辉大基因由此诞生，致力于为全球患者带来希望。 不断创造奇迹的产业化明星 陆英明博士：现任辉大基因CEO及联合创始人 拥有30多年生物技术与制药行业经验，陆博士曾在全球多个知名公司担任要职，如复宏汉霖、Spark Therapeutics（被罗氏收购）、Biogen（血友病业务部门被赛诺菲收购）、拜耳、Avigen（被赛诺菲健赞收购）、Tularik（被安进收购）和武汉纽福斯等，并这些公司都在陆博士的领导与参与下取得了显著成就。 来中国之前，陆博士是Spark Therapeutics的临床研究和运营VP。他参与了第一个获得FDA批准上市的基因治疗产品Luxturna及辉瑞/Spark今年四月在美国上市的用于治疗B型血友病的基因治疗产品Beqvez的开发。2006年至2009年，曾作为美国FDA罕见病临床设计委员会的行业委员会成员，他接下了优化临床试验设计这一重任。陆博士至今领导了22个产品的获批，向各国监管机构提交超过250份监管文件。在担任复宏汉霖担任CMO期间，陆博士主导了五款生物药在中、美、欧三地的成功上市，开创了中国生物药企业的新篇章，也是复宏汉霖成功上市的重要条件。后来，作为武汉纽福斯CEO，他和团队一年内不仅成功为公司引进了超过1.2亿美元的资金，还领导团队完成眼科项目临床I/II/III期无缝设计的基因治疗试验IND，并获得了FDA和EMA的孤儿药资格认定，推动公司进入中国基因治疗第一梯队。基于对杨辉教授科研翘楚的信心与辉大出海战略的渴求，双方一拍即合，陆博士希望引领中国基因治疗迈向国际前沿做到First in Class，为罕见病及更广阔疾病领域的患者带来福音。 02 基因编辑疗法的背景及优势 基因治疗以其显著的优势成为医疗领域的革命性突破。相比现有的小核酸或抗体疗法（患者需要接受多次给药，甚至是终身服药），基因治疗能够通过基因的持续表达实现患者在一次给药后彻底终身痊愈。在基因治疗中，基因编辑技术因其更高的编辑效率及可适用的潜在适应症，优于传统的基因替换疗法。简单来说，基因编辑的核心在于对核酸序列的精准修改，当前最常见的基因编辑工具有三种，包括ZFN、TALEN和CRISPR。其中，CRISPR作为最新一代技术，其优势在于编辑效率高、成本低、易获取，且更容易标准化，具有非常广泛的应用场景。 CRISPR/Cas9已成为目前使用最广泛的基因编辑工具。尽管其编辑效率随着技术进步不断提高，但其无法避免的脱靶效应和双链断裂时潜在的遗传毒性，仍是药物开发中的关键挑战。此外，由于Cas9底层专利技术被海外研究机构及少数公司垄断，寻找性能更优、精度更高且具有自主知识产权的Cas酶，已成为基因治疗领域的共同目标。 03 基因编辑公司顶流的发展历程——辉大基因 的 3.1 因势利导，建立底层技术布局 与其他创新药公司成败往往取决于一两款药物管线的商业化不同，基因编辑领域的竞争更加激烈。专利壁垒与安全性考量使得拥有底层核心技术成为公司持续创新的关键。杨教授于2018年创立了辉大基因，刚起步时便专注于底层基因编辑工具的开发。他率领团队建立了HG-PRECISE®技术平台，从超过100TB的宏基因组数据库中识别并优化新的Cas蛋白，致力于开发适合体内递送的小尺寸、更高特异性和更低脱靶活性的紧凑型核酸酶，解决了如AAV载体等常见递送工具对核酸酶尺寸的限制。 依托HG-PRECISE®技术平台，辉大基因开发了一系列靶向活性更高、脱靶更低的核酸酶工具，包括RNA编辑的Cas13X/Y、DNA编辑的hfCas12Max®和Cas12f、以及更小尺寸的RNA单碱基编辑器和不依赖脱氨酶的DNA单碱基编辑器等。这些研究成果不仅得到了学术界的高度认可，发表在顶级国际期刊和学术会议上，更重要的是，辉大基因成功获得了国际专利授权。凭借这些原创技术，辉大有效解决了海外专利“卡脖子”问题的底层创新技术，为各种基因编辑应用场景提供了自主创新的工具技术。 3.2 四面开花，推进管线前进的魄力 随着2023年12月首个基于CRISPR的离体基因编辑疗法获批，CRISPR基因组编辑迎来了全新时代。基于原创基因编辑工具，辉大基因团队搭建了一系列CRISPR基因编辑疗法产品管线，聚焦于眼科及神经疾病领域，致力于通过“一次给药，终身治愈”的潜力，解决尚未被满足的重大临床需求。 辉大基因的首个RNA编辑疗法HG202，专注于治疗湿性年龄相关性黄斑变性（wAMD），已进入临床阶段。当前wAMD的标准疗法为抗VEGF抗体药物，虽然已有多种药物获批，但它们需要频繁的玻璃体注射，不仅增加了患者的安全风险，还带来了时间与经济负担，有诸多不便。更令人担忧的是，高达46%的wAMD患者会产生耐药性而导致治疗效果不佳。虽然数家国内外公司正在开发AAV载体介导的抗VEGF基因疗法，以减少射抗VEGF抗体的频率，但长期表达VEGF抗体可能抑制正常血管生成，且对于VEGF抗体耐药性或难治性AMD患者很难起作用。辉大基因的解决方案则通过CRISPR/Cas13靶向敲低VEGFA的mRNA，部分抑制VEGFA蛋白的表达。陆博士提到：“我们已在首个人体“SIGHT-I视”临床研究（NCT06031727）中完成了HG202的低和中剂量组给药，并顺利与FDA完成了pre-IND会议，美国IND已提交。” 辉大基因的另一个RNA编辑疗法是HG204，针对神经类罕见病MECP2复制综合征（MDS）。MDS是一种致命的神经发育疾病，导致男孩在25岁前出现严重的智力障碍、运动功能障碍、癫痫和过早逝。陆博士介绍，“HG204使用新型高保真Cas13Y靶向MECP2基因，将其包装在单个AAV载体中。小鼠实验表明，HG204可恢复MECP2转基因小鼠的运动功能、焦虑行为和社会障碍，且显著延长了转基因小鼠的寿命。该项目已获得FDA的孤儿药和儿科罕见病药物资格双认定，以及EMA的孤儿药认定。计划在今年底开展“HERO英雄”临床试验（NCT06615206）。” 在DNA编辑疗法方面，辉大基因进展最快的项目是HG302用于治疗杜氏肌肉营养不良症（DMD），是一种严重影响男孩的神经肌肉类罕见病，导致患者会因肌肉逐渐萎缩退化而丧失行走能力，直至死亡。Sarepta公司获批的基因疗法及目前大多数临床项目都是依赖AAV递送的截短抗肌萎缩蛋白（迷你蛋白）。FDA已明确指出这是一种并不齐全的蛋白，但其功能有限，且DMD作为全身性疾病，需要更高剂量的药物来有效治疗。不少DMD患者在临床试验中被注射了高剂量的AAV，例如2E14vg/kg甚至更高的剂量，已导致发生多例免疫原性带来的安全事件，包括出现了死亡案例。最近，Cure Rare Disease 公司使用携带cas9的双AAV载体的临床试验中，注射剂量1E14vg/kg导致首例患者死亡。为应对此问题，辉大基因采用了其原创高效hfCas12Max® DNA编辑器，显著降低了所需剂量至E13vg/kg甚至更低。临床前结果显示，HG302可恢复DMD小鼠模型中的抗肌萎缩蛋白表达及其运动功能，项目已获得FDA的孤儿药和儿科罕见病药物资格双认定，首个人体“MUSCLE肌肉”临床研究（NCT06594094）即将开展。 3.3 专利出海，不畏海外竞争的决心 CRISPR技术的专利壁垒极高，特别是与Cas9相关的底层专利已被海外研究机构及少数公司垄断。相比之下，较晚发现的核酸酶如Cas12、Cas13、IscB和TnpB等，其专利保护范围相对较小，仍留有一些技术突破的空间。然而，这些核酸酶的基因编辑活性相对较低，限制了其在基因治疗中的实际应用。 辉大基因自成立之初，便立志打破这种局限，创造新的行业范式----不仅要掌握核心底层专利技术，还要以全球市场为目标，积极出海。因此，辉大选择专注于非Cas9的基因编辑体系，通过技术手段开发并优化性能更优、真正拥有底层专利保护的核酸酶。辉大自主创新的HG-PRECISE®平台是其创新能力的有力证明。该平台不仅能够高效发现新型蛋白质并通过AI设计进行蛋白进化，原创的荧光报告系统还使其可以快速进行高通量蛋白性能验证。凭借这一平台，辉大基因在在短时间内以低成本开发了多种基因编辑工具，成为全球基因编辑公司中技术工具种类最丰富企业之一。 HG-PRECISE®平台中的明星产品是DNA编辑工具hfCas12Max®。凭借其高效的靶向编辑活性和极低的脱靶风险，hfCas12Max®在科学研究、作物育种和基因治疗等领域展现了巨大的应用潜力，并已获得美国和中国的专利授权。作为国内首个成功出海的基因编辑工具，辉大基因与Synthego签署了海外许可协议，用于hfCas12Max®的生产和商业化。Synthego目前正在与全球多家大型制药公司谈判相关许可协议。陆博士激动地提到，“虽然目前具体进展保密，但我们对Synthego的进展感到非常振奋。” 除了基因编辑工具，辉大在递送系统方面也取得了重大创新。腺相关病毒（AAV）作为常用的病毒载体，虽然能够持续表达基因，但这可能会增加脱靶的风险。相比之下，脂质纳米体颗粒（LNP）作为非病毒类的常用载体可实现瞬时表达，但其递送主要靶向肝组织，其他非肝组织的递送系统开发尚在探索中。辉大基因创新方案是原创的RNA重组腺相关病毒（RAAV）递送系统，通过改造AAV载体，使其能够递送单链RNA至靶细胞中，实现瞬时表达，既保持了AAV的靶向多样性，又具备LNP类似的瞬时表达效果，降低了安全性风险。杨教授介绍道：“我们从五年前就开始开发这个体系，经过多年的系统改造和优化，我们的RAAV系统体在递送效率、工艺流程、产量和质检等方面几乎与AAV相当，同时实现了和LNP相似效果的瞬时表达，并获得美国专利局授权。” 目前，辉大在全球拥有35个专利家族、91项有效申请和17项已授权专利。正如陆博士所说：“我们植根于中国，着眼全球。辉大的临床管线为国际临床试验，编辑工具和递送系统也都具备全球知识产权保护，这为我们的国际BD合作奠定了坚实基础。” 3.4 合作共赢，深度立体考量商业化 “当前基因编辑疗法的高昂成本，使其仅依赖国内的支付体系，难以支撑商业化运营。因此，打造独属知识产权并走向国际市场至关重要。”陆博士强调。基于原创技术和产品，辉大基因积极拓展海内外的BD合作机会。在今年6月的美国BIO会议上，辉大与多家跨国药企和海外Biotech公司进行了深入的一对一合作洽谈。除了对辉大的产品管线表现出浓厚兴趣外，许多公司还对辉大的HG-PRECISE®技术平台、基因编辑工具hfCas12Max®和瞬时表达的RAAV递送载体充满期待。杨教授透露，“辉大在基因编辑疗法产品管线的差异化布局，主要集中在Cas9尚未取得突破的领域，充分利用我们自有的高效编辑工具和递送技术的优势，并通过这些产品验证我们的技术平台能力。” 陆博士进一步指出：“许多跨国药企和海外biotech都在关注我们的临床进度，甚至包括一些海外竞争对手，也表达了合作意愿。我相信，辉大的首代基因编辑药物将通过单个AAV递送是第一代基因编辑药物，聚焦于罕见的致命或致残、无药可救的疾病；而我们的第二代基因编辑药物则将以RAAV递送为基础，有望治疗更为广泛的疾病，如阿尔茨海默症和帕金森病等，希望引领全球基因编辑药物的发展。” 3.5 美好愿景，铸就精诚合作的团队 一家生物技术公司的成长往往经历三个主要阶段：公司设立、产品开发和产品商业化。辉大基因自成立六年来，已经迈入了充满希望的产品开发阶段，并逐步在全球舞台崭露头角。 作为1990年代就投身基因治疗领域的行业先驱，陆博士一直希望通过自身丰富的经验，将中国的新型基因编辑产品推向全球，为人类健康贡献力量。在担任辉大CEO之前，陆博士受邀加入了辉大的科学顾问委员会（SAB）。在SAB期间，陆博士对杨辉教授及其团队的创造力、创新基因编辑工具留下了深刻印象。双方在共同愿景的引领下，陆博士正式接任CEO，全力推动公司快速成长，发展出核心竞争力——多样化的基因编辑工具、创新的基因编辑疗法管线以及全球化的知识产权布局。 “我们不追随前人的足迹，而是开辟自己的道路（we don’t follow footsteps; we create the path）。这才是辉大想做的事情。”陆博士如是说。 04 基因治疗，尤其是基因编辑商面临的挑战 尽管基因疗法作为新兴疗法的代表在近年来发展迅速，但距离成功商业化仍有很长一段路要走。从成本角度来看，虽然基因疗法不像当前的细胞治疗需要为每位患者单独生产，但GMP级别的病毒载体和基因编辑元件等的生产成本依然高于传统大分子药物。 在监管政策方面，由于基因疗法会改变患者基因组的科学本质，监管机构对其安全性尤为关注。随着更多新兴疗法涌现，临床开发指南也在不断演进，以适应产业的创新需求。对此，陆博士指出：“基因与细胞治疗行业必须找到可扩展生产规模、降低成本的可行路径，同时在开发过程中实现成本效益的平衡。在监管机构的支持下，通过灵活的临床试验设计，尤其是II期和III期试验中，我们有望加速基因治疗药物通过有条件批准程序（CAP）进入市场，并在未来的上市后监控其安全性。” 在这背景下，陆博士相信：“中国在基因治疗产品的审批速度上不会落后于美国和欧盟。” 随着中国监管机构逐步完善新兴疗法政策，特别是对基因编辑技术的重视，中国有望在全球基因治疗领域中占据重要地位，推动国内创新药物加速进入国际市场。 05 基因疗法的未来，从罕见病到常见病 未来，从罕见病 2017年，首个基于AAV载体的基因疗法Luxturna获得美国FDA批准上市，用于治疗罕见眼病先天性黑矇。2023年底，首个用于治疗镰状细胞病的CRISPR离体基因编辑疗法Casgevy也成功在欧洲和美国获得上市批准。除此以外，治疗DMD的Elevidys、治疗血友病的Hemgenix、Roctavian和Baqvez等基因疗法也相继在美国获批上市。基因治疗领域中还出现了诸多高额的商业合作，例如拜耳以高达40亿美元收购的AskBio，其基因疗法管线涵盖了庞贝病、血友病、充血性心力衰竭和帕金森病等多种疾病。目前，全球正在进行超过2700项基因治疗临床试验，旨在将基因疗法从罕见病逐步扩展到更广泛的常见病患者人群。 总而言之，基因疗法，尤其是基因编辑疗法，作为一种新兴的治疗手段，具有显著的优势和广阔的应用前景。尽管目前成熟度尚低，面临着安全性、监管、商业化等多重挑战，但总有先行者一往无前，勇于探索，秉持科学精神和脚踏实地的新药开发原则，勇敢迎接基因疗法的“春天”。

来源：BiG生物创新社 合成生物学(synthetic biology)是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等多种学科的交叉学科，其实现的技术路径是运用系统生物学和工程学原理，以基因组和生化分子合成为基础，综合生物化学、生物物理和生物信息等技术，旨在设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程，以构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。合成生物学(Synthetic Biology)是一门结合了生命科学观察分析方法和工程学设计思维的学科，使人类通过工程方法设计、改造甚至从头合成有特定功能的生物系统。 通俗来讲，合成生物学就像奶牛产奶的过程：奶牛吃进低价值的草，而产出的却是高价值的牛奶。在合成生物学中，底盘细胞相当于奶牛，各种原料相当于低价值的草料。通过基因技术编辑过的底盘细胞，添加低廉原料后经过发酵等一系列工艺产生的高价值的化学或生物原料，就相当于生产的牛奶。高价值的牛奶最终帮助企业换取到金钱，合成生物学就完成了一整套“点石成金”的闭环过程。 根据麦肯锡研究，生物制造的产品可以覆盖60%化学制造的产品，未来生物制造的方式有望对未来医药、化工、食品、能源、材料、农业等传统行业带来巨大影响。   01   合成生物学的前世今生 1911年，“Synthetic biology”一词最早由法国物理化学家Stephane Leduc在其所著的《生命的机理》(The Mechanism of Life)一书中首次提出，在该书中其试图利用物理学理论解释生物起源和进化规律，认为“构成生物体的是其形态”，并归纳为“合成生物学是对形状和结构的合成”。 合成生物学的起源可以追溯到1961年弗朗索瓦·雅各布（Francois Jacob）和雅克·莫诺（Jacques Monod）的一篇里程碑式的出版物。他们对大肠杆菌中lac操纵子的研究的见解使他们假定存在调节性双基因表达。 随着20世纪70年代和80年代分子克隆和PCR的发展，基因操作在微生物学研究中变得广泛，为设计人工基因调控提供了技术手段。 到20世纪90年代中期，自动DNA测序和改进的计算工具使完整的微生物基因组得以测序，用于测量RNA，蛋白质，脂质和代谢物的高通量技术使科学家能够生成大量的细胞成分及其相互作用。这种分子生物学的“放大”产生了系统生物学领域，因为生物学家和计算机科学家开始将实验和计算结合起来，对细胞网络进行反向工程。 合成生物学真正被广泛关注始于21世纪初，一系列颠覆性成果在这个阶段陆续发布。 2000年,波士顿大学Collins团队受噬菌体λ开关和蓝藻昼夜节律振荡器的启发,设计合成了双稳态基因网络开关;普林斯顿大学Elowitz和Leibler基于负反馈调控原理设计了基因振荡网络。 2002年,纽约州立大学石溪市分校Wimmer团队通过化学合成病毒基因组获得了具有感染性的脊髓灰质炎病毒-人类历史上首个人工合成的生命体。 2010年,美国Venter团队宣布首个“人工合成基因组细胞”诞生.他的团队设计、合成和组装了1.08Mb的支原体基因组(JCVI-syn1.0),并将其移植到山羊支原体受体细胞中,产生了仅由合成染色体控制的新支原体细胞。 2013年，青蒿素的生物合成生产。 2014年,拓展遗传密码子入选Science年度十大科学突破。美国Scripps研究所Romesberg团队设计合成了一个非天然碱基配对:X和Y,并将它们整合到大肠杆菌基因组。理论上,遗传字母表从4个变成6个,密码子可以从64个扩充到216个,这意味着在控制条件下,未来的生命形式有无限种可能。 2016年，Nielsen等人发表了Cello，这是一个卓越的端到端计算机辅助设计系统，用于E.coli 中的逻辑构造。在过去十年中，这可能是合成生物学家最满意的，因为它通过标准化，表征和自动化设计实现了许多生物学工程功能。 2017年，基于CRlSPR的快速诊断。 2018年，具有逻辑控制的CAR-T细胞；具有合成融合染色体的酵母；自组织多细胞结构。 2019年，大肠杆菌基因组全合成；大肠杆菌基因组碳固定；大麻素的合成生产。 进入21世纪，合成生物学的发展可分为4个阶段： 1.创建时期（2000-2003年）：产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用； 2.扩张和发展期（2004-2007年）：工程技术进步较缓慢，领域有扩大趋势； 3.快速创新和应用转化期（2008-2013年）：这一阶段涌现出的新技术和工程手段使合成生物学研究与应用领域大为拓展； 4.发展新阶段（2014年后）：工程化平台的建设和生物大数据的开源应用相结合，全面推动生物技术、生物产业和生物医药“民主化”发展。   02   合成生物学的核心策略与两大基础 2.1  核心策略：“设计-构建-测试-学习” 合成生物学的目的是设计符合标准的生物系统，基于工程设计原则利用工程可预测性控制复杂系统构建的“设计-构建-测试-学习”循环（DBTL）逐渐成为合成生物学的核心策略。在生物制造领域，DBLT循环四个阶段循环往复可以成功构建需要的细胞，生产出合适的产品。 ①设计：合成生物学DBTL策略的基础，在遵循一定的规则下利用现有的标准化生物元件对基因、代谢通路或基因组进行理性设计；相关技术：生物元件库、计算机辅助设计、代谢通路合成生物学从核心DBTL循环到以发酵为主的放大生产方式。 ②构建：在生物系统中对目标基因进行操作，构建细胞工厂，该过程包括DNA合成，大片段组装以及基因编辑；相关技术：DNA合成、DNA拼接和组装、基因编辑、基因测序。 ③测试：由于逻辑线路及模块化的代谢途径在通过理性或非理性设计后，都会存在大量的突变体或候选目标，因此通常需要高效、准确和经济的检测，生成相应数据，评估构建的细胞工厂的实用性；相关技术：微流控技术、酶活性测定、无细胞系统。 ④学习：利用测试数据，学习并随机搜索更有效地推进循环实现预期目标的原则，为下一个循环改进设计提供指导；相关技术：数据收集、数据分析、机器学习、建模。 2.2  两大基础：底盘细胞、发酵工程 ①底盘细胞：底盘细胞是合成生物学的“硬件”基础，其中常用的模式微生物有酿酒酵母、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌等。不同的模式微生物具有特定的优缺点，因此被应用于不同产物的生产。相关技术：菌株改造、菌株选择。 ②发酵工程：根据生产流程可分为上游、中游和下游三部分，上游工程主要为菌种的选育和改造，以获得生产性能良好的菌株；中游则为发酵过程控制，通过对发酵过程中各种参数的采集、分析和反馈，以达到生产最佳发酵条件；下游则是对产品的分离和纯化，采用多种技术将发酵产品从发酵液或者细胞中分离、纯化出来，在达到特定标准后制成产品。 来源：天风证券   03   合成生物学关键底层技术发展带动行业进步 3.1  合成生物学产业链分布情况 合成生物学具有强科技属性，从微观的基因合成到宏观的放大生产的发酵工程 存在大量know-how，技术壁垒高。 ①产业链前端：以基因编辑相关技术公司为主，为元件构建提供技术支撑，技术要求包括基因合成、编辑、组装、测序等，国内主要代表公司有金斯瑞生物科技、诺禾致源； ②产业链中端：以合成生物学平台公司为主，通过搭建技术平台，形成项目经验积累，为下游客户提供研发支撑，国内主要代表公司有弈柯莱、蓝晶微生物； ③产业链后端：则以产品型公司为主，主导产品的放大生产与下游市场应用，市场可延伸至医疗、化工、食品、农业等多种领域，国内主要代表公司有凯赛生物、华恒生物、川宁生物、博雅辑因等。 3.2  关键底层技术发展--DNA合成成本下降 DNA合成成本下降速率快过摩尔定律，合成片段长度、精度大幅提升推动基因合成下游应用： 1）20世纪80年代开发的基于亚磷酰胺的DNA合成法为DNA合成仪的创制奠定了基础，之后三种芯片式原位合成技术（光刻合成、电化学脱保护合成、喷墨打印）和超高通量合成技术相继被开发出来，推动了合成DNA效率的提升和成本的下降，2021年每Mb碱基合成的平均费用已由2001年的超过5000美元下降至0.006美元，未来随着第四代酶促合成技术的发展和成熟，DNA合成有望进一步降低成本，实现更大规模化生产； 2）目前工业化DNA合成工艺通常从化学合成寡核苷酸起始，更长的DNA分子是以寡核苷酸为原料通过酶促反应逐步拼接和组装得到，寡核苷酸单步合成效率虽然已高达99.5%，但合成长度达到200bp时产率即降至约35%，由于该产率杂质过多难以纯化得到目的片段，而要合成kb级长度的寡核苷酸单步合成效率必须达到99.9%以上才能获得同样的产率，随着微阵列式DNA合成技术的出现，合成所需的反应浓度更低（飞摩尔级），同时保证了成本和合成的准确度，当该技术目前主要缺陷在于合成错误率较柱式法更高，仍有进一步提升的空间。 3.3  关键底层技术发展--基因编辑与迭代 基因编辑：在生物体的基因组中特定位置插入、删除、修改或替换DNA。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，人工主导或干扰这个修复过程就可以把特定DNA序列进行删除或者插入外源基因。 基因编辑技术的迭代：1996年，第一代代基因编辑技术，经基因工程改造的锌指核酸酶(ZFNs)被设计出来，开启人工改造生命体的旅程。2009年，第二代基因编辑技术类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)诞生。但前两代技术构建周期长，步骤繁琐，难以进行高通量基因编辑，极大限制了其推广应用。直到2012年，CRISPR技术横空出世，与ZFNs和TALENs技术相比,CRISPR/Cas9的设计要简单得多,而且成本很低,对于相同的靶点,CRISPR/Cas9有相当甚至更好的靶向效率。 CRISPR/Cas9：实现基因编辑能力的重大飞跃。作为第三代基因编辑技术，相比前两代，其优势明显：1）构建简单方便快捷,适用于任何分子生物实验室;2）用于基因组的点突变编辑优于ZFN或TALEN;3）CRISPR/Cas9精确的切口酶活性用于基因治疗安全性高于ZFN或TZLEN。根据头豹研究数据，2016-2018年，中国CRISPR/Cas9行业市场规模（按销售额统计）从9.7亿元人民币增长至24.8亿元人民币，年复合增长率高达59.6%。 3.4  关键底层技术发展-- DNA组装与测序 DNA组装：技术相对成熟，低成本、自动化、一体化是未来发展方向。受到技术的限制，DNA片段从头合成的长度有限，更长基因或基因组有赖于通过核苷酸片段的酶促组装或体内组装获得，通常使用的寡核苷酸组装方法有两种：连接酶组装法（ligase chain reaction, LCR）和聚合酶组装法（polymerase cycling assembly, PCA）。使用短初始片段组装染色体或基因组长度DNA所需的分层组装次数较多，过程中所需的克隆挑选和测序等质控成本也会相应增多，具有低成本、自动化和一体化特性的微流控组装体系将成为寡核苷酸体外合成和组装整合平台开发的方向。 DNA测序：测序技术不断迭代，测序成本、长度、速度均得到指数级提升。DNA序列决定了DNA分子中核苷酸排列顺序。大规模基因组测序工作可以提供有关自然界生物的信息，帮助合成生物学家从中构建生物元件和装置，同时测序可以验证制造的系统是否符合预期以及快速、廉价和可靠的测序可以促进所合成的生命系统的快速检测和鉴定。DNA测序技术在过去几十年间得到了快速的发展，从最初的Sanger测序发展到四代纳米孔测序，基因测序成本也由2001年每基因组的接近1亿美元下降至2021年的0.006美元。随着技术的迭代，读长长度、测序速度等都有了质的飞跃。   04   与人工智能结合加速研发各环节 随着合成生物学的发展，对于人工智能相关技术的需求将逐渐提升，当前，人工智能已在原件工程、基因线路、代谢工程、基因组工程中广泛应用，将合成生物各个环节的工作效率大大提升，成本明显降低，成功缩短研发周期并扩大研发可能。 元件工程：人工智能技术可改善生物元件的鉴定和功能注释效率，加快天然生物元件优化速度，为人类从头设计基因原件、蛋白质元件提供可能。例：利用生成对抗网络设计功能蛋白序列、在大肠杆菌中设计启动子。 基因线路：基因线路通常需要进行多次、长时间的调试才能正常运行，且无法确定其稳定性和对底盘细胞的其他影响。而计算机仿真策略可确定设计出来的线路可以执行哪些任务，并通过修改参数以实现所需的功能。例：利用人工神经网络设计基因线路 代谢工程：传统的设计从海量信息中找到合适的改造靶点非常困难。人工智能的集成建模方法有助于在代谢网络建模时兼顾动力学、调节作用、替代模型结构和参数集合等因素。同时人工智能可以参与到自动化DBLT平台的构建。例：集成机器人平台——BioAutoMata用于DBTL循环优化番茄红素的生物合成途径。 基因组工程：人工智能在基因组编辑、合成，微生物组或群落的设计均能发挥辅助作用。例：利用贝叶斯计算等方法自动设计合成微生物群落。   05   合成生物应用场景丰富，下游空间广阔 5.1  生命健康领域 合成生物学在医疗健康领域的应用广泛，包括创新治疗疗法（细胞免疫疗法、RNA药物、微生态疗法、基因编辑相关应用）、体外检测、医疗耗材、药物成分生产和制药用酶等诸多方向。合成生物学在医疗健康多个细分领域得到广泛应用。不仅可以通过设计全新的细胞内代谢途径，使医药产品能够通过微生物细胞利用廉价糖类等原料进行合成，还可以根据不同的疾病和致病机制，进行人工设计、构建适宜的治疗性基因回路，在载体的协助下植入人体，通过纠正机体有功能缺陷的回路，实现治疗疾病的目的。 5.2  化学品、材料和能源 合成生物学在化工领域的应用主要包含材料和化学品、化工用酶、生物燃料等方向，例如，生物可降解塑料、生物燃料（生物柴油、燃料乙醇）等；合成生物学可优化化学品和材料的生产能力与效率。 随着合成生物学快速发展，对细胞代谢和调控认知的深入以及技术手段的进步，使得优化改造、从头设计合成高效生产菌种成为可能，可再生化学品与聚合材料的生产能力与效率大大提升，与此同时可大幅减少原材料和能源消耗，大幅降低生产成本。 材料领域相关公司产品：耐用生物膜：Zymergen开发了一种透明的生物膜，这种生物膜薄、柔韧、耐用，可用于在智能手机、电视屏幕和皮肤等多种表面传输触摸。智能包装：Infarm创造了一种可在物体周围折叠的可再生塑料。Earthpac利用马铃薯加工废水中的淀粉生产可生物降解的餐具和托盘。 合成生物的能源应用：以农林废物资源、城市有机垃圾资源，合成气和CO2等为原料，利用人工设计的合成生物生产获得的不同产品类型的能源产品。合成生物能源包括生物乙醇、生物柴油、高级醇等生物液体燃料、生物沼气(甲烷)、生物氢气及生物电等。目前全球至少有60多个国家开始推行生物能源，其中巴西、美国、欧盟贡献了全球消费量的84%。 5.3  农业领域 合成生物学在农业领域的应用主要涉及作物增产、虫害防治、动物饲料及作物改良等方向，例如，利用微生物固氮来帮助作物增产，通过生物发酵生产蛋白质为牲畜提供蛋白饲料，利用基因编辑技术改良作物等。 1）农业产量主要受限于光捕获效率、生物量积累效率和收获指数等。目前,植物的光捕获率已接近最大理论值,且大幅度提高收获指数已无可能。但合成生物可以通过提高光合碳同化效率如提高Rubisco酶活性、引入碳浓缩机制和减少碳损耗,以及提高光能利用效率等提高农业产量。 2）合成生物可以通过构建人工高效固氮体系为农作物提供氮源,从而部分替代或大幅度减少化学氮肥的使用，减轻水体富营养化和大气污染等问题。 3）植物合成生物学可以通过改造现有代谢途径或者从头合成新的人工代谢途径对作物进行改良或者获得新的代谢产物，提高作物营养价值，规模化生产天然产物。相关公司产品：Pivot Bio研发出了针对玉米作物的微生物固氮产品，促使特定的微生物在作物根部释放氮，以满足作物日常氮需求。 5.4  食品领域 合成生物学在食品领域的应用包含肉类和乳制品、饮品、食品安全、调味剂和添加剂等多个方向。 合成生物学可以通过使用程序化的单克隆细胞工厂、工程微生物群落或无细胞生物合成平台来改善食品生产。这有利于摆脱传统农牧业的弊端，同时提高资源转化效率。世界资源研究所分析，到2050年，相比2010年粮食缺口高达56%。牛奶和肉类的需求将更大。 合成肉类：合成肉包括植物蛋白生产的植物肉、动物细胞培养的养殖肉以及其他可持续蛋白生产的肉类类似物（如藻类和真菌蛋白质）。植物肉利用大豆、小麦、豌豆等合成。养殖肉又称体外肉，通过将动物的胚胎干细胞或肌肉组织在生物反应器中增殖，然后用支架或微载体获得特定的肌纤维和大块组织。 无动物生物工程奶：使用大肠杆菌或酵母细胞工厂培养牛奶的主要成分，乳清蛋白、酪蛋白等，然后将纯化的蛋白与水、脂肪以及其他成分（低聚糖、维生素等）混合即可制成合成牛奶。 食品添加剂：用细胞工厂生产取代传统的植物提取甜味剂等。   06   合成生物学的优势 合成生物将对广泛的领域产生重大的经济影响。根据麦肯锡的分析，预计在2030-2040年，合成生物学每年带来的经济影响将达到1.8至3.6万亿美元，到2025年，合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元，同时生物制造的产品可以覆盖60%化学制造的产品，并在继续拓展边界。而应用最清晰的医疗健康领域每年受到的直接经济影响在未来20年内达到0.5至1.2万亿美元。而在这堆经济数字的背后，是碳中和背景下节能减排的实际需求、生物技术的发展带来的制造升级、政策与资金引导诱发的产业革命。 合成生物制造是一种具有潜力的绿色生产方式，随着全球变暖及各国碳中和的提出，合成生物制造无疑成为潜在的最优解之一。合成生物制造可以降低工业过程能耗、物耗，减少废物排放与空气、水及土壤污染，以及大幅度降低生产成本，提升产业竞争力。根据创新和高技术发展司报告，和石化路线相比，生物制造产品平均节能减排30%-50%，未来潜力将达到50%-70%，以基础化学品1，3-丙二醇合成生物制造为例，与石油路线相比，生物法制造的CO2减排63%，原料成本下降37%，能耗减少30%。在全球和国家倡导”碳中和”的背景下，合成生物学无疑提供了非常好的解决方案，2014年世界经济合作与发展组织（OECD）发布《合成生物学政策新议题》报告，预测未来将有35%的化学品和其他工业产品可能涉及生物制造，世界自然基金会（WWF）估测到2030年，工业生物技术每年将可降低10亿~25亿吨CO2排放。 以基因合成、编辑为代表的合成生物学在过去20年间有了快速的发展，支撑产业迭代、升级。合成生物学从概念向产业的转变，最主要在于底层技术的创新，基因合成从传统的小片段化学合成发展到第四代酶促合成技术，合成片段的长度和效率逐步提升；基因编辑经历了从ZFN→TALEN→CRISPR/Cas9技术的升级，基因编辑效率和准确度都有了极大的提升。从Webof Science每年发表的合成生物学领域相关论文数量来看，2000年，领域内发表的论文数量为809篇，2022年达到了17456篇，增长超过20倍；从专利情况看，每年申请的合成生物学相关专利也由2004年的59项增长到2022年2899项，增长了48倍。同时，随着多组学的出现，从遗传物质DNA到最终转录产物蛋白质，功能解析越来越清楚，分子间相互作用网络也更加明晰，促进了合成生物学DBTL研发模式的发展，合成生物学处于冉冉上升期。 生物铸造厂模式的出现，给合成生物学产品开发和数据积累提供了优质的研发平台。生物铸造厂是以自然界已有的自然物质或合成物质为基础，构建基于生物体的新型制造平台，将生物设计、研发、制造过程变成工程设计问题，通过对自然生物的操纵来获取原创性新材料、新器件、新系统和新平台，实现高价值材料和设备的“按需设计与生产”，实现生物元器件和生物制造平台的模块化标准化设计，推动生物制造平台质的突破。以Ginkgo bioworks为代表的合成生物学平台型公司建立了相对成熟的生物铸造厂商业模式，通过将DNA编辑、合成、插入，细胞水平测试，强化数据分析能力，并将数据科学应用到下一次测试中去，形成了研发闭环。生物铸造厂规模效应突出，以Ginkgo bioworks为例，在生物铸造厂投入使用后，每年经济产出提升了3倍，而每个工作单元的平均支出却能够下降约50%。 底层技术成本指数级下降，带来下游合成生物学应用爆发。随着生命科学技术的发展和应用场景的拓宽，底层的基因合成与基因测序服务能力得到了极大的提升，价格上，基因测序与基因合成的成本下降速率明显快于摩尔定律，2021年每Mb的基因合成成本约为0.006美元，而每个基因组的测序成本约为562美元，更低的成本使得这些技术大规模应用成为了可能。 精准发酵替代传统发酵，成本下降带来竞争优势。随着在发酵工程的发展，精准发酵逐渐成为合成生物学放大生产的主流，精准发酵通过对于发酵微生物进行基因修饰，已达到目标产物最高得率。精准发酵的优势在于1）目标产物相对可控；2）成本、能耗降低；3）污染降低。 中国合成生物产业处于高速发展时期，国家持续出台政策助力产业发展。从“十二五”，国家提出对生物制造技术的支持；到“十三五”，国家将合成生物技术列为引领产业变革的颠覆性技术之一。此后国家出台一系列政策支持合成生物的发展，“十四五”更是强调了对生物合成的应用，在政策的大力支持下，合成生物产业也迎来了重要的发展机遇。   07   产业图谱：产业生态链分析与代表公司 合成生物学产业关键环节包括菌株设计改造、工艺开发、工业化量产和终端产品的交付，分为大致的上、中、下游。 上游是工具层，负责为该行业提供关键的底层技术和原料等，如DNA测序、DNA合成、基因编辑、细胞培养基以及菌株等，这类公司也被称为技术赋能公司。中游是平台层，提供技术赋能、构建平台型生物，涉及对生物系统和生物体进行设计、开发和改造等。 下游则是各类产品应用型公司，覆盖范围广泛，涉及医药、农业食品、化工能源和信息技术等领域应用和产品落地。 根据商业模式，合成生物学相关公司主要分为两类：一类是专注垂直化产品及专项技术突破，覆盖所有关键环节的全产业链产品型公司，企业需要建立从研发到生产的全链条能力，直接向客户交付终端的产品，因此选品是关键；另一类是底层技术驱动、专注于菌株设计和改造的平台型服务公司，根据性能特点选择应用场景，交付的产品是菌株，由代工厂完成产品的生产。 7.1  技术赋能型公司 开发使能技术的公司为行业提供关键的产品，如DNA测序、DNA合成、基因编辑、生物信息学或细胞培养基产品。如Agilent、Twist、Illumina、华大。 7.2  平台型公司 合成生物学的中游（平台层）和下游（产品层）界限并不清晰，往往是一体的。“平台型”企业通过软件工程、生化工具、基因工程、自动化平台、机器学习与数据科学、代码库等技术，打通“设计－构建－测试－学习（DBTL）”的循环迭代，建立一个生物体设计与软件开发的集成化平台，获得满足需求性状的微生物细胞工厂，实现从产品设计到微生物开发、最终规模化生产的进程。这类公司容易获得VC青睐。美国的Amyris、Ginkgo基因（高通量测序）、博雅辑因（基因编辑疗法）、泓讯生物（DNA合成）等企业。 Bioworks和Zymergen，都通过建立生物铸造厂来帮助将遗传电路自动化装到细胞中，实现工程化的海量试错从而加速设计周期。如Ginkgo，通过自身的代码库（Codebase）完成菌株设计、编码和修正，再通过铸造厂自动化生产出满足需求的微生物细胞，目前服务的客户横跨了食品、农业、工业化学、医药等行业。 Synthego公司提供“全栈式”基因工程服务，利用机器学习、自动化和基因编辑构建了全栈基因组工程平台。美国Benchling和英国Synthace以软件产品为主体，更有效地设计和构建自定义DNA序列。国内的惠利生物依托酶计算设计平台开发创新生物催化技术并实现商业化落地。当然，也有平台型公司在打造高通量、自动化的生物工程和筛选的同时，往下游延伸，或是与其他人合作共同开发，或是干脆自己下场来做终端产品，这类公司包括Amyris、Zymergen等，以及国内Bota（恩和生物）、合曜生物等。 Amyris在过去十年内逐渐完成从提供化工、医药制品原材料向生产高毛利消费品的转型，预计到2025年，公司72%的收入都将来自下游消费品。恩和生物依托自动化技术平台BotaFreeway，加速开发可替代传统石油基的生物基产品。合曜生物搭建以独特的非模式生物自动化改造技术为核心的三大技术平台，并拓展了多条化妆品与创新食品原料管线。 7.3  产品应用型公司 产品型公司打通了从生物构造、发酵纯化到产品改性的全产业链，侧重规模化生产，也就是发酵等后续环节，这类公司有明确的产品管线规划，选品也更务实，力求能在短期内做出上规模、有利润的终端产品，涉及医疗健康、化工能源、食品饮料、农业技术、信息技术等应用领域。目前是国内合成生物领域的主流商业模式，各家公司都拥有自己的“代表性产品”。 如凯赛生物的生物尼龙（生物基聚酰胺Polyamide）、华恒生物的丙氨酸（Alanine）、华熙生物的透明质酸（Hyaluronic Acid），到金丹科技生产的聚乳酸（PLA）、再到蓝晶微生物和微构工场生产的聚羟基脂肪酸酯（PHA），都是合成生物领域打通从研发到产品全产业链的成功案例。 图片来源：synthetic biology深波   08   合成生物学未来可期 合成生物技术发展成为传统技术的充分补充和替代，广泛用于医疗、化工、食品、农业、消费品等终端领域。在政策和技术的双重驱动下，截至2021年底，全球合成生物学相关市场行业整体爆发式增长，市场规模达到736.93亿美元，较2020年增长767.5%。中国合成生物学从基础研究到产业发展进入了快车道，2021年市场规模约为64.16亿美元，同比增长158.92%。 从细分市场来看，医疗、科研服务和化工行业是主要应用领域。其中增长最明显的是医疗领域，超过七成的药物发现来自生物，2021年市场规模达到687.24亿美元；其次是化工领域，合成生物学市场规模18.22亿美元；科研服务领域合成生物学市场规模18.11亿美元；农业领域合成生物学市场规模为4.97亿美元；食品领域合成生物学市场规模为5.08亿美元；其他领域合成生物学市场规模为3.31亿美元。 合成生物学将在未来10年内对各个行业产生重要影响。随着合成生物学的应用，医学、美容行业将在5年内迎来一定的产品替代和/或工艺改进，纺织品、食品、农业、化学品等各个行业也都将受到合成生物学技术进步带来的影响。 合成生物学行业快速扩容，预计到2024年全球市场规模将达到189亿美元。随着应用场景的增多和技术的改善，市场逐渐扩容，根据CB Insights的预测，2019年全球合成生物学市场规模约为 53亿美元，到2024年将扩容至约189亿美元，2019-2024 CAGR为28.8%，其中占比最高的为医疗健康细分应用领域。 据麦肯锡预测，2030-2040年期间，合成生物学每年在医疗健康方面潜在影响将达到0.5至1.2万亿美元，最终有望解决全球疾病总负担的45%。 从技术发展、政策、投融资等方面综合来看，合成生物学正处于行业成长期，凭借其在各个领域的广泛应用前景，未来有望推动生产制造升级，带来新一轮产业革命。 参考资料：  [1]Cameron DE, Bashor CJ, Collins JJ. A brief history of synthetic biology. Nat Rev Microbiol. 2014 May;12(5):381-90. [2] Brooks SM, Alper HS. Applications, challenges, and needs for employing synthetic biology beyond the lab. Nat Commun. 2021 Mar 2;12(1):1390. [3] Meng F, Ellis T. The second decade of synthetic biology: 2010-2020. Nat Commun. 2020 Oct 14;11(1):5174. [4]东吴证券：合成生物学深度报告：合聚万物，成致未来 [5]2022年中国合成生物学产业发展报告 [6]张先恩，中国合成生物学发展回顾与展望 [7]沉浮中的合成生物学三巨头：垄断、焦虑与隐忧 [8]中金合成生物学系列报告一：造物致知、造物致用

2024医美与器械创新前沿华西论坛，与您共探药企转型之道，解锁消费医疗市场新机遇。10月12日，成都等您来！ 14年前，艾米莉·怀特黑德（Emily Whitehead）被诊断患有急性淋巴细胞白血病。 最初诊断结果令人鼓舞，但治疗效果并不理想。即使强化化疗下病情好转，这个小孩仍需进行骨髓移植，而当时，接受骨髓移植的儿童中只有30%能再活五年。 医生建议艾米莉参加CAR-T细胞疗法临床试验，这是一项刚获得FDA临床批准用于儿童的实验性疗法，由宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的先驱科学家卡尔·朱恩（Carl June）开发。 CAR-T细胞疗法有时被描述为“活体药物”的应用，它涉及提取和重新编程人体细胞，并将其注入患者血液中以识别和杀死肿瘤。艾米丽是第一个接受这种疗法的儿童。经过最初的高烧不退后，最终，她活了下来。 自2012年被治愈以来，艾米丽成为今天不少行业会议上谈CAR-T绕不开的一个案例。这是她和家人所始料未及的，同样超出卡尔的想象。30年前，当这位先驱作为学术研究项目负责人首次研究合成细胞时，他从未想过有一天个性化疗法能够商业化。 然而，该领域创新速度令人震惊：根据ClinicalTrials.gov的数据，目前有1000多项细胞疗法临床试验。如果说，第一批CAR-T细胞疗法是操作系统Windows 1.0，那么业界目前正使用的版本是Windows 11。 “我是一个拿着糖果盒的孩子。制造真正更智能、更安全、更有效的细胞的可能性太多了。”朱恩回忆说。 研究人员还在探索将细胞疗法用于治疗其他癌症、心脏病，甚至痴呆症。朱恩表示，美国三家研究医院已经取得“相当惊人的成果”——将CAR-T细胞疗法直接注射到大脑中，治疗胶质母细胞瘤。不过他强调，这些疗法尚处于早期试验阶段，可能需要5到10年才能推向市场。 接受CAR-T细胞疗法治疗的某些血癌患者，缓解率可超过80%。但这肯定不是治疗所有癌症的灵丹妙药。生物学很复杂，细胞疗法的质量参差不齐，而且这种疗法并不适用于所有患者。 此外，细胞疗法有望挽救生命，但也还有一个严重缺点：成本高昂。艾米莉的细胞疗法花费47.3万美元，除了最富有或保险最丰富的人之外，其他患者都无法负担得起。 “科学的发展速度，超出了我们的制造能力。”朱恩说。 1 把价格打下来 与北旧金山相比，南旧金山给人的感觉截然不同。这里曾经是钢铁厂、肉类加工厂和工业工厂的聚集地，隐于人们视线之外。如今，此处成了商业区，随处可见玻璃幕墙的办公大楼。 南旧金山地区还被誉为生物技术的发源地。基因泰克，以及紧随其后的许多Biotech都将总部都设在这里，当然也包括Cellares。 作为一家雄心勃勃的初创Biotech，Cellares正瞄准朱恩——也是该公司的顾问——所说的制造挑战，以彻底改变细胞疗法的生产。该公司由德国航空航天工程师费边·格林豪斯（Fabian Gerlinghaus）于2019年联合创立，使命是尽快为数以万计的患者提供更便宜的治疗。 细胞疗法正从一个生物学难题演变为一个工程难题。“科学令人惊叹，但制造方面存在挑战，因为细胞疗法是为每位患者量身定制的。”格林豪斯说。 Cellares总部洁白耀眼，一尘不染，给人一种半导体工厂的感觉。参观者通常必须穿上防护服和口罩，才能进入该公司的Cell Shuttle原型所在的洁净室。Cell Shuttle是一个蓝白相间的大容器，看起来像先进的太空舱，实际上是一个装满实验室仪器和数字设备的微型生物工厂。 按照Gerlinghaus的说法，Cell Shuttle在功能上相当于一台机器上有100种不同的台式仪器。 Cellares名字由细胞（Cell）和希腊战神阿瑞斯（Ares）构成，这是对制造杀伤细胞以对抗癌症的目标的致敬。如果成功，Cellares可能会对医药产生巨大影响。 到目前为止，Cellares已筹集3.55亿美元，用于在新泽西、欧洲和日本建造智能制造工厂。投入运营后，它们有望以每年生产出数万剂疗法，而且价格要低得多。格林豪斯估计，每批细胞疗法的成本在10万至15万美元之间。从数学上看，很容易看出Cellares是如何吸引一些大型VC的支持。 格林豪斯出生于德国巴伐利亚州，进入著名的慕尼黑工业大学学习航空航天工程。凭借这样的背景，他可能被期望继续制造飞机或太空火箭。但他意识到，除非在SpaceX工作，否则自己也许在德国航空航天业工作30年，却只能看到一架飞机起飞或一枚卫星发射。 “开发周期非常非常长。我喜欢快速取得很多进展。”他说。于是，格林豪斯进入斯坦福大学的一个机器人研究实验室。在那里，他投入大量时间学习创业。 当基因组工程初创公司Synthego的创始人兼CEO保罗·达布罗夫斯基（Paul Dabrowski）向他抛出橄榄枝，格林豪斯逐渐走上生物技术领域。 当时，Synthego只有五名员工，但制定了宏大计划，希望从2010年代初爆发的生命科学革命中掘金。格林豪斯在那里待了五年，了解了生物技术的工程挑战。他最自豪的成就之一，是帮助发明了Synthego专有的RNA合成器技术，该公司使用这项技术制造Crispr-Cas9基因组工程试剂盒。 在Synthego，格林豪斯还遇到了工程师同事奥马尔·库尔迪（Omar Kurdi），后来两人一起创立了Cellares。 库尔迪出生在约旦，从小梦想成为医生。他进入斯坦福大学学习医学，但发现自己不具备作为医生的镇静。导师建议他换转移，他接着转而从事工程学——将昂贵的、手动的科学过程自动化，将是他为医学做出贡献的另一种方式。 两人对细胞治疗这一新兴领域感到兴奋。他们认为，生命科学行业可以从自己的应用工程专业知识中受益。 接着，Cellares制定了一套高度系统化的产品开发流程，确定用户需求，定义必要的产品要求，并根据这些要求设计原型。然后，他们会反复测试产品，以确保它符合最初的用户需求。 “在每个抽象层面，我们都会根据最初计划构建的产品进行测试。而你构建的产品很大程度上取决于你的客户。”格林豪斯说。 2 机器自动化革命 “细胞疗法是当今医学领域最有前途和最令人兴奋的技术之一，”BSM细胞疗法组织总裁莱内尔·霍克（Lynelle Hoch）说。一次性输注重新设计的细胞，有望实现深度、持久的缓解。 BMS已与Cellares达成一项价值3.8亿美元的供应协议。2021年，这家巨头将两款CAR-T商业化，由此建立起生产能力，但渴望提高生产疗法的速度和规模。BMS表示，Cellares提供了使用下一代自动化流程的途径。 目前，细胞疗法的开发大都由实验室中熟练的工作人员，通过七个阶段的流程进行。 实验室工作人员通常需要50到100个手动步骤，才能制造出一款疗法，正如格林豪斯所观察到的，这有可能产生50到100次人为错误。但机器Cell Shuttle可以自动完成所有这些过程，同时生产16批产品，一年最多可生产2800剂疗法。 Cellares的生产链第一步是在诊所进行，即抽取部分患者血液并对其进行浓缩，由Cell Shuttle纯化。 第二步，是使用抗体覆盖的磁珠分离目标T细胞群，这些磁珠粘附在T细胞表面并可进行分类。 随后是激活阶段。此时，将试剂添加到混合物中，向T细胞发出信号，告知它们正在受到攻击。这会迫使T细胞分裂和繁殖，为“战争”做好准备。 第四、第五步被称为转染和转导，涉及对细胞进行基因操作。预先准备好的、经过基因改造的Crispr-Cas9化学混合物，会扩散到细胞中。 一旦激活并进行基因改造，T细胞就被放入一个生物反应器中，从而优化细胞生长。生物反应器将液体保持在37℃，并添加氧气和营养物质，以形成培养皿。 最后，过滤掉任何剩余的杂质，并替换捕获细胞的液体，再将该溶液冷冻，运回医院，解冻并通过滴管或注射器注入患者体内。 格林豪斯计算出，Cell Shuttle可以将生产人员数量和制造细胞疗法所需的人力减少90%。自动化还将生产细胞疗法所需的设施空间减少90%。“这意味着，在同样的设施规模和同样的人员数量下，我们可以生产出比竞争对手多10倍的细胞疗法。”他说。 由于每种细胞疗法都是为每位患者量身定制的，因此，确保每种治疗的完整性至关重要。Cellares开发了自己的自动化质量控制测试系统，称为Cell Q，该系统将集成到其制造工厂中。 格林豪斯透露，Cellares成立时曾遭到投资者的反对，他们不相信一家公司能做所有事情——开发出五种专有的台式仪器，并将它们集成到机器人自动化Cell Shuttle中，从而同时为16名患者开发疗法。 生物技术领域到处都是一些承诺改变世界但却失败的初创企业。2018年，备受吹捧但却存在欺诈行为的血液检测公司Theranos倒闭后，投资者的怀疑仍然很高。Cellares仍面临巨大挑战，需要证明其自动化流程能够大规模生产质量始终足够高的细胞疗法，从而收回投资。 与任何Biotech一样，由于科学发展速度如此之快，Cellares也容易受到竞争对手发明更简单、更好、更便宜的治疗方法的影响。“你必须能够看到冰球将走向何方，而不仅仅是它现在的位置。”业内人士说。 Cellares能否成功，取决于MNC在多大程度上支持细胞疗法而非替代疗法，以及是否接受Cellares的垂直整合模式。 一位持怀疑态度的风险投资人表示：“最终，你的公司价值可能达到1000亿美元，也可能非常低。”Cellares仍有很长的路要走，才能走出初创企业行业臭名昭著的“死亡之谷”。 3 “卖水人”的明天 今年晚些时候，Cellares计划在美国新泽西州开设第一家智能工厂。这座占地11.8万平方英尺的工厂将配备40台Cell Shuttle，每年可生产超过4万批次产品。根据生产的疗法类型和价格，这家工厂每年可产生40亿至60亿美元的收入。 此外，Cellares计划于2026年在欧洲和日本开设工厂。其最大的希望是细胞疗法可用于治疗越来越多的疾病。 根据美国国家癌症研究所的资料，大约有2700种细胞疗法正在开发中。尽管CAR-T细胞对某些形式的血癌有效，但它们对更复杂的实体瘤（乳腺癌、前列腺癌等）的效果尚不理想。格林豪斯希望这种情况有所改变。 BMS已经拥有两种FDA批准的细胞疗法，分别针对非霍奇金淋巴瘤和多发性骨髓瘤，另有几种正在研发中。该公司对德国科学家乔治·谢特（Georg Schett）在该领域取得的最新突破尤其感到兴奋，后者一直在使用细胞疗法对抗自身免疫疾病，例如狼疮，这种疾病会导致人体攻击自身组织。 “大多数人认为，当你患有自身免疫疾病时，你必须永远抑制免疫系统。现在，我们有一种看起来很像治愈方法的单针药物。”谢特今年早些时候说。 霍克表示，谢特的研究为“重置”患者免疫系统和开发前所未有的治疗方法提供了可能性。 “这是早期数据，但数据看起来非常令人兴奋和非凡。”她补充道。正是科学和医学的这种交集，让许多研究人员认为该领域前景光明。 不过，也有更加现实的一面。Kyverna Therapeutics已用CAR-T细胞疗法治疗了30名自身免疫疾病患者，约有三分之一仍需要接受后续的类固醇治疗；几乎所有患者都出现细胞因子释放综合征，即免疫系统对治疗反应过度；3名患者出现更严重的神经系统副作用，一名患者在六个月后复发。 另一家Biotec Cabaletta，也在测试CAR-T细胞疗法对肌炎和皮肤病硬皮病等自身免疫疾病的疗效。它认为，该领域的“兴衰取决于药物能否复制谢特的数据”。 无论科学或医学多么令人印象深刻，格林豪斯都知道必须应对工程挑战，以确保为最多的患者生产出最多的疗法。库尔迪认为，他们应该解决所能找到的最难的问题，因为回报将是最大的。 众所周知，制造细胞疗法面临三大挑战：可扩展性、成本和质量。管理咨询公司麦肯锡预测，未来五年内，CAR-T细胞疗法对应的患者人数可能达到200万人。根据WHO的数据，每年约有40万儿童患上癌症。 参考文献： 1.Inside the ‘killer cell’ factory 2.Cell therapy offers ‘single shot’ hope to autoimmune disease patients 同写意媒体矩阵，欢迎关注↓↓↓