引领药物筛选新变革,提高药物研发成功率——浅谈冠科生物与类器官(PDO)技术 | 药时代专访冠科生物徐小溪博士

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引领药物筛选新变革,提高药物研发成功率——浅谈冠科生物与类器官(PDO)技术 | 药时代专访冠科生物徐小溪博士


前言

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众所周知,新药研发具有三高一长的特点。一款新药需要过五关斩六将,经历重重筛选才能进入大众视野。能够顺利通过各项测试的绝对是万里挑一,大部分的化合物都会因各种各样的问题被束之高阁。
在这场浩浩荡荡的化合物海选比赛中,什么化合物能够进入下一轮?除了化合物本身的性质以外,还取决于“评委”的智慧——企业的决策,以及筛选规则的合理性——即筛选模型的准确性。为了提升药物筛选的准确性,科学家不断尝试新的试验动物和新的技术手段,但药物测试的结果与实际临床结果往往相距甚远,关联性甚至不到30%。类器官(PDO, Patient derived organoids)技术的出现有望扭转这一尴尬的局面。
PDO究竟是一种什么技术,如何助力药物研发,未来发展方向是什么?带着这些问题,药时代团队采访了中美冠科生物技术有限公司体外研发组负责人、类器官(PDO)平台负责人徐小溪博士


肿瘤药物临床前评估和筛选常用的模型——Cell line, CDX、PDX与PDO

徐小溪博士毕业于中国科学院,博士研究期间主攻肿瘤微环境的体外模拟。机缘巧合的原因,她在博士期间第一次接触到类器官(Patient derived organoids)的文章。虽然她没能做进一步的研究,但也与之结下了不解之缘。
2015年,徐小溪博士顺利从中科院毕业,加入冠科生物的体外组,负责实验方案的设计与药物体外筛选的工作。博士期间掌握的细胞培养、微环境构建技术让她非常好地胜任了这份工作。得益于部门的成长以及公司的壮大,冠科生物在2019年成功牵手荷兰HUB研究所就类器官培养关键技术达成合作。通过此次合作,冠科生物独占性获得了HUB研究所的类器官技术和模型。作为冠科生物公司代表之一,徐博士前往HUB研究所进行学习。对于博士期间没来得及研究的类器官技术,徐博士在此时获得了大师指点的机会。
虽然对类器官抱有无限的好奇,但徐博士没有忘记自己此行的主要目的。基于冠科生物在临床前药物筛选的业务,徐博士重点研究了肿瘤类器官的培养以及类器官在体外药效检测的技术。也为冠科生物探索出继Cell Line、CDX、PDX之后的下一代药物筛选技术。
人类癌症细胞系(Cell  line)是在培养皿上获得无限增殖潜力的特殊类型的培养组织,是在癌症药物筛选中最早最常用到的临床前模型。由于其技术简单、低费用、可以大量培养,也常用于高通量药物筛选(并可易于伴随全基因组分析等)。但由于这些细胞株在体外已经传代了几年甚至几十年,经过高度的进化选择,它们的基因组结构不可避免地发生了改变,不能准确地代表原代细胞的基因型和病理特点[1]。
CDX(Cell-derived xenograft)是人源肿瘤细胞系移植模型,是将人体肿瘤细胞先在体外二维培养环境下进行培养,然后经过筛选、传代,形成稳定的肿瘤细胞系,最后注射到免疫缺陷小鼠体内建立的模型。虽然可以在体外无限增殖,便于基因编辑操作,但是肿瘤细胞在此模型中容易发生诱变,失去原有的异质性因为培养难度较大,细胞系来源有限等原因,目前能买到的模型只有约300个
PDX(Patient-derived xenograft)是人源肿瘤组织异种移植模型相对于CDX,PDX有诸多优点:首先,PDX更接近原发肿瘤,更能维持原发肿瘤的特异性,因而在活性筛选上更准确。另外,市面上能够买到CDX模型只有200-300个,而PDX模型可以建立高达上千个。目前冠科生物已经建立超2000个原代PDX肿瘤模型。模型种类的增多,也意味着适用的范围更广。不过,PDX模型在小鼠传代的过程中,也会发生原发肿瘤特征逐渐丢失的情况。PDX技术总体移植成功率低,实验周期长,费用高,也限制了该模型的应用[2]。

对于CDX、PDX技术,药时代在之前的文章《既生PDX,何生PDO(organoids)?试看登上《科学》封面的类器官如何助力新药研发!》做过详细报道。文章不仅讲解了CDX与PDX技术的区别,还提到PDO技术的原理及重要突破。其中,对体外培养类器官做出突破性贡献的正是荷兰HUB研究所的Hans Clevers教授

作为一种体外培养技术,PDO技术可以用于肿瘤细胞的3D培养。不仅培养成功率高、周期短,还可以在体外进行基因编辑操作。长期传代后仍能保持肿瘤的异质性。因此,“肿瘤类器官”被誉为提高新药研发效率和提高肿瘤治疗效果的新工具。类器官技术因此被《自然》杂志的子刊《Nature Methods》评为“2017年度生物技术”[3]。

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肿瘤模型技术比较[1]
独门绝活助力冠科生物业绩腾飞
根据徐博士介绍,冠科生物与荷兰HUB研究所达成的协议具有排他性。在世界范围内的CRO公司,只有冠科生物可以使用HUB研究所的技术和类器官模型并应用于临床前药物筛选。有了这项独门秘籍,冠科生物的业务蒸蒸日上,北京、苏州、太仓、中山四地的业务呈现齐头并进之势。随着业务的发展,当时的组织架构越来越不能满足日益增长的业务需求。基于此,冠科生物在2019年对架构重新调整,成立了北京screening center,负责所有药物筛选的工作。
北京screening center的成立,一方面提高了公司运营的效率,让客户更快地得到筛选的结果;另一方面降低了客户的成本。基于成本的降低和效率的提升,冠科生物OmniScreen平台目前已经发展成为肿瘤体外筛选领域最受欢迎的服务平台,与全球多数制药公司和生物技术企业开展了大量的合作,并积累了丰富的数据和研究经验。OmniScreen平台拥有500多株瘤细胞系,包括肺癌,乳腺癌,血液癌,前列腺癌,肝癌,胃癌等癌症种类。并且,每个细胞系都有完善的质量保证。除此以外,公司平台还拥有超2000个原代PDX肿瘤模型,以及超500个类器官模型
在冠科生物的OmniScreen平台,平均每3个月就会开一次“screening 火车”。在这3个月时间内,冠科生物可以一次性筛完约五百个细胞系。如果有客户需要测试自己的药物活性,也可以参与到这一轮的筛选中。通过搭载这趟“顺风车”,很多客户以非常低廉的价格完成了药物活性的测试。
基于这种互利互惠的模式,越来越多的客户把业务放到冠科生物。自2019年成立以来,负责药物筛选的冠科生物北京screening center,业绩几乎每年呈现翻番的势头。为了满足日益增长的业务需求、进一步为客户提供高质量的服务,冠科生物北京公司在2021年完成了厂房扩建、设施更新与重装。

目前,冠科生物北京公司拥有200人的科研队伍,在北京中关村生命科学园昌平园区拥有两个研究基地,总面积近10,000平米。其中,实验室约2500平米,符合AAALAC标准的屏障级动物房近2200平米。

冠科生物北京公司


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说到客户的积累,徐博士自豪地说公司虽然在北京,但是可以为全球的客户提供服务。在2020年1月至2021年上半年期间,US-FDA共批准了26款癌症药物上市,冠科生物参与了其中13款药物的研发,并做出重要贡献。虽然冠科生物对这些药物的贡献发生在多年前,但是这些客户一直与冠科生物保持着良好的合作关系,不断有新的项目委托给冠科生物进行研发。2019年,冠科生物北京screening center成立,使得冠科生物拥有更大的项目承载能力。公司的营业收入,更是呈现出快速增长趋势。相信多年后,又会有一批新的癌症侯选药物经过冠科生物的筛选,顺利通过US-FDA和中国药监局的批准。

谈到客户的满意度,徐博士通过一个例子向我们展示了公司的服务能力。众所周知,KRAS是目前一个研究比较火热的靶点。但是在客户公司开展KRAS药物研发的时候,该靶点还没有这么火热,也因此面临找不到合适筛选模型的困扰。但是,通过冠科生物的类器官技术,他们不仅找到了合适的模型,还一下子找到了十几个。通过冠科生物的助力,该公司在KRAS靶点研究领域保持着领先的地位。
类器官技术具有如此优势,国内是否有其他企业抓住这一风口呢?面对这一问题,徐博士自信地解释道,类器官技术是冠科生物的独门绝技。一是因为冠科生物与HUB研究所签订的协议具有排他性,二是因为类器官技术具有较高的门槛,在培养和传代上都有较大的难度,不是每家企业都能抓住这个风口。对于类器官技术在国内的使用情况,徐博士补充道,国内都是医疗检测机构使用较多,主要用于疾病的检测和判断。将类器官技术用在商业化的医药研发上的企业仅冠科生物一家。

提升药物研发成功率——冠科生物在路上
针对医药转化成功率偏低这一现象,徐博士也谈了自己的看法并对技术的发展做了展望。
首先,她认为针对病人开展精准医疗是缩短药物研发周期、提高药物研发成功率的重要手段之一。例如,默沙东能够在施贵宝之前抢先在美国上市PD-1产品,就是得益于精准的人群划分。施贵宝虽然比默沙东提前进入临床阶段,但因为没有做病人群体的划分,做了更大规模的临床。这样不仅导致进度上落后于默沙东,试验结果也不尽如人意[4]。鉴于其对药物研发的重要意义,冠科生物在生物标记物分析的工作上,做了大量的努力。通过采用模型筛选加基因测序的方式,使筛选更加高效、生物标记物的寻找更加有针对性。
其次,徐博士认为加大对药物机理的研究和理解能够提高药物研发的成功率。目前,冠科生物已经在DNA水平和mRNA水平上开展了测序研究,并且逐步建立蛋白组学的数据积累。公司一方面加强生物学和生物信息学的整合,另一方面加强各类模型的系统验证,丰富组织学、病理学、生物信息学及药理学资料,提供高质量的模型平台。相信这些数据和模型的积累,会帮助冠科生物更好地理解药物与靶点的作用方式,帮助客户选择更准确的模型,并提高药物研发的成功率。
第三点,药物筛选模型的合适性也是影响药物研发成功的关键因素。例如,在药物适应症的测试上,需要对模型进行精确地查找,如果满目尝试,可能达不到预期的目标。因此,增加药物筛选模型的数量和多样性,也是解决医药研发困境的钥匙之一。为了找到这把钥匙,提高服务客户的质量,冠科生物每年也会拨付专门的研发经费,去研究和开发新模型。公司一方面继续开发新的PDX模型,特别是经靶向及免疫治疗后复发的病人肿瘤模型;另一方面大力发展类器官技术,在2021年建成约500个肿瘤类器官模型。为了加强肿瘤领域模型的丰富程度,冠科生物还计划扩展鼠源肿瘤模型在肿瘤免疫治疗新药研发中的应用。
展望未来,徐博士也谈到类器官技术与AI技术融合的趋势。因为类器官培养具有3D的形态特征,所以类器官的形态变化也可以作为药物筛选的重要参考之一。通过收集药效检测过程中组织形态的变化,依赖AI技术对图片进行分析,很容易就可以区分药效的强弱,并指导下一步的工作。相信不久的将来,在有足够多的数据积累的情况下,类器官加AI技术的融合有望颠覆现有的药物筛选技术手段。

结语

随着科技的发展、资本的推动,医药研发迎来了一个百花齐放、百家争鸣的新时代。但是医药研发依旧面临风险大、成功率低的尴尬情况。冠科生物作为临床前药物筛选的优秀CRO,正努力通过新的技术提高药物筛选的准确性,进而提高药物研发的成功率。
类器官技术因为能够很好地保留病人肿瘤组织的异质性,所以类器官在药物筛选的结果与临床病人的药效结果一致性能够高达90%[5]。相比于以往不到30%的结果一致性,类器官技术无疑是一种具有划时代意义的技术。
通过与HUB研究所合作,冠科生物让类器官技术走出实验室,服务于医药研发。通过打造中国最大的类器官基地,冠科生物有望让更多的创新药公司用上此项技术,助力医药研发更快、更好地发展。随着类器官技术的发展,以及与AI技术的融合,类器官技术一定会更上一个台阶,颠覆甚至替代传统的临床研究方式,进而缩短药物研发的周期,提高药物研发的成功率。

参考文献:

  1. 刘惠东,夏柏荣,阁楼.卵巢癌临床前模型:从细胞系到类器官体[J].现代肿瘤医学.2020,28(12):2175-2178 
  2. 罗宝花,张永斌等.肿瘤类器官模型的建立及应用[J].实验动物与比较医学.2020,40(6):540-546 
  3. 既生PDX,何生PDO(organoids)?试看登上《科学》封面的类器官如何助力新药研发!

  4. Keytruda的故事

  5. Salo N. Ooft et al. Patient-derived organoids can predict response to chemotherapy in metastatic colorectal cancer patients. Science Translational Medicine.2019 


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