機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)啟“衣殼改造之旅”，目前已發(fā)現(xiàn)十萬(wàn)個(gè)衣殼變種

AAV是當(dāng)下基因治療領(lǐng)域的主旋律。目前臨床上使用的大多數(shù)重組AAV衣殼，它們?cè)诎被�酸序列和生物特性上與天然AAV密切相關(guān)，甚至完全相同。這類自然選擇的衣殼，在許多目標(biāo)組織中顯示出有限的細(xì)胞靶向特異性和較低的體內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)效率，特別是靜脈注射后。究其緣由，主要是因?yàn)橐職ぴ趨⑴c治療時(shí)沒(méi)有得到優(yōu)化。

對(duì)于天然的AAV衣殼，其固有的免疫原性會(huì)對(duì)治療的安全性和療效產(chǎn)生一定的影響。而人體預(yù)先存在的體液免疫和細(xì)胞免疫也會(huì)限制病人的療法和療效。

為了攻克這些問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)啟了他們的“衣殼改造之旅”。目前獲得新衣殼的方法包括挖掘衣殼的自然發(fā)生序列多樣性、合理設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化。但是由于存在可能性的衣殼數(shù)量非常龐大，現(xiàn)有方法的篩選能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上市場(chǎng)的需求，發(fā)現(xiàn)速度緩慢，產(chǎn)量也受到了限制。

經(jīng)過(guò)大量研究之后，機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）為Dyne公司提供了一個(gè)有希望的新選項(xiàng)。ML可以與既定的方法結(jié)合，或者直接作為一種獨(dú)立的技術(shù)，通過(guò)高通量體內(nèi)試驗(yàn)來(lái)開(kāi)辟新的發(fā)現(xiàn)途徑。

圖源：Frontiers in Immunology官網(wǎng)（下文稱其為圖1）

圖1講述了病毒衣殼改造技術(shù)的方法過(guò)程。

病毒衣殼改造技術(shù)的第一步是比較多種蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方法的吞吐量（樣品數(shù)量）和產(chǎn)量（每次產(chǎn)生的成功樣品的數(shù)量），也就是圖1中的A部分。ML方法通過(guò)平衡產(chǎn)量和吞吐量來(lái)增加該技術(shù)成功的可能性。合理的設(shè)計(jì)可以提高產(chǎn)量，而定向演化可以提高吞吐量。

B部分則表示通過(guò)預(yù)測(cè)ML模型，科學(xué)家們將衣殼序列映射到它的功能屬性上，然后生成了一種方法。這種方法可以將內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為衣殼序列，生成理想的樣本。

關(guān)于圖1中的C部分，舉例一個(gè)“模型在不同的細(xì)胞類型和實(shí)驗(yàn)環(huán)境中傳遞信息”的例子來(lái)說(shuō)明。一個(gè)模型根據(jù)不同細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)（包括神經(jīng)元）的體外衣殼性能進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后用來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺少或缺失時(shí)腦神經(jīng)元體內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)果。

預(yù)測(cè)的衣殼體內(nèi)驗(yàn)證信息被用來(lái)完善模型性能，了解體內(nèi)和體外試驗(yàn)之間的關(guān)系。C部分中右邊的灰色箭頭就說(shuō)明了這種方法的迭代能力。它隨著時(shí)間的推移完善了預(yù)測(cè)模型并生成模型。

D部分講述的是設(shè)計(jì)周期問(wèn)題。設(shè)計(jì)周期從高吞吐量篩選和幾種AAV衣殼變異特性的測(cè)量開(kāi)始。這些屬性被用來(lái)訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型，而模型可以對(duì)未知序列進(jìn)行屬性歸納（預(yù)測(cè)器模型），并參與建立有幫助的表示（嵌入），然后與輔助輸入（比如域知識(shí)）結(jié)合，提出一批新的序列（生成器模型）。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程可以多次反復(fù)進(jìn)行，直到發(fā)現(xiàn)需要的衣殼為止。

Dyno開(kāi)發(fā)出一個(gè)基于人工智能技術(shù)的CapsidMap平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)優(yōu)化AAV載體的細(xì)胞靶向蛋白殼，克服了目前市場(chǎng)上基因療法的局限性。

CapsidMap平臺(tái)的工作內(nèi)容主要分為兩個(gè)階段。先是通過(guò)下一代DNA文庫(kù)合成和DNA測(cè)序來(lái)測(cè)量衣殼的高通量特性。產(chǎn)生大量的體內(nèi)數(shù)據(jù)之后，CapsidMap就可以應(yīng)用先進(jìn)的搜索算法，利用ML方法生成改良版的衣殼序列。

在ML的幫助下，Dyno的研究人員利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在28個(gè)氨基酸鏈上設(shè)計(jì)選擇性突變位點(diǎn)，鑒定出了110689個(gè)AAV2衣殼的可行變種。

一個(gè)平臺(tái)，三筆合作，Dyno的“38億美元”簡(jiǎn)史

2020年5月，Dyno在推出CapsidMap平臺(tái)的同時(shí)，宣布與諾華和Sarepta Therapeutics分別達(dá)成合作協(xié)議。

根據(jù)協(xié)議內(nèi)容，Dyno將通過(guò)ML技術(shù)為兩家公司的實(shí)驗(yàn)性基因療法量身定制新的AAV載體，而諾華和Sarepta需要自行進(jìn)行所有的臨床前和臨床研究。Dyno透露，這兩項(xiàng)合作預(yù)計(jì)會(huì)為公司帶來(lái)超過(guò)20億美元的資金。

Dyno與諾華的這次合作，主要是利用DynoCapsidMap人工智能平臺(tái)和諾華在基因療法開(kāi)發(fā)和全球商業(yè)化方面的專業(yè)知識(shí)，為患有嚴(yán)重眼疾的患者提供新的基因療法。根據(jù)協(xié)議條款，Dyno將獲得前期的研究經(jīng)費(fèi)和許可費(fèi)用、臨床監(jiān)管和銷售里程碑付款以及商業(yè)產(chǎn)品凈銷售的特權(quán)使用費(fèi)。

Sarepta與Dyno的合作是利用CapsidMap平臺(tái)共同開(kāi)發(fā)治療肌肉疾病的新型AAV載體。根據(jù)合作協(xié)議，Dyno將獲得4000萬(wàn)美元的預(yù)付款和許可證付款。如果Sarepta開(kāi)發(fā)并商業(yè)化多個(gè)候選藥物，Dyno還將獲得額外的里程碑費(fèi)用。

2020年10月，Dyne與羅氏及其子公司Spark Therapeutics達(dá)成了一份價(jià)值18億美元的合作協(xié)議，它們將一起開(kāi)發(fā)治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病和肝臟定向遞送的基因療法。

根據(jù)協(xié)議條款，Dyno將負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)能夠改善基因療法功能特征的新型AAV衣殼，而羅氏和Spark將負(fù)責(zé)使用新型衣殼開(kāi)展候選基因療法的臨床前試驗(yàn)、臨床試驗(yàn)和后期的推廣活動(dòng)。Dyno會(huì)獲得前期和里程碑付款，以及任一合作產(chǎn)品的銷售額分成。

這濃墨重彩的三筆合作，使波士頓媒體Xconomy為Dyne公司冠上了“2020年度創(chuàng)業(yè)公司”的稱號(hào)。

2021年4月，哈佛醫(yī)學(xué)院的Debora Marks博士和加州大學(xué)舊金山分校的Nicole Paulk博士加入了Dyne公司的科學(xué)咨詢委員會(huì)。

Dyne公司的CEO Eric Kelsic表示：＂在機(jī)器學(xué)習(xí)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)合應(yīng)用方面，Debora為Dyne公司提供了許多獨(dú)特的見(jiàn)解。而Nicole在AAV基因治療研究、開(kāi)發(fā)和制造方面擁有深厚的專業(yè)知識(shí)�！彼齻兊募尤胍矠镈yne公司帶來(lái)了建設(shè)性的幫助。

病毒衣殼改造技術(shù)是一件了不起的杰作，然“任重而道遠(yuǎn)”

對(duì)于Dyne公司的病毒衣殼改造技術(shù)，有人夸其獨(dú)特，也有人唱起哀歌。

麻省眼耳醫(yī)院基因治療中心的負(fù)責(zé)人Luk Vandenberghe曾在《化學(xué)與工程新聞》雜志上評(píng)論：“病毒衣殼改造技術(shù)是一件了不起的杰作�！�

但是這位對(duì)病毒衣殼改造技術(shù)表示夸贊的科學(xué)家，卻對(duì)Dyne公司能否成功持保留態(tài)度。Luk博士曾在病毒衣殼改造技術(shù)上有過(guò)慘痛的失敗教訓(xùn)，他深知這項(xiàng)技術(shù)的艱難和不易。

Luk博士認(rèn)為：“該領(lǐng)域在開(kāi)發(fā)攜帶大片段基因以及躲避中和抗體的載體方面能力很薄弱�！倍�通過(guò)AI去改造優(yōu)化AAV衣殼蛋白需要有足夠的知識(shí)和能力。

基因治療初創(chuàng)公司 Shape Therapeutics 的首席執(zhí)行官Francois Vigneault則認(rèn)為：“Dyno現(xiàn)在做的事情很新穎，但5年之后，所有公司都可以做到。”

雖然外界的懷疑聲很多，但不可否認(rèn)的是，僅憑一個(gè)CapsidMap平臺(tái)，就讓Sarepta、諾華以及羅氏等行業(yè)巨頭接連拋出了橄欖枝的Dyne公司，肯定具有它的獨(dú)到之處。盡管Dyno目前還沒(méi)有建立自己的治療管道。

除了Dyne公司，也有其他公司嘗試設(shè)計(jì)新的AAV。今年5月初，基因技術(shù)公司Affinia Therapeutics完成了1．1億美元的B輪融資，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其基因治療平臺(tái)。而在去年的4月，Affinia與Vertex Pharmaceuticals建立了價(jià)值高達(dá)16億美元的合作伙伴關(guān)系。

作者：顏莎莎