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熊盛:挺進膠原蛋白“無人區” | 科技筑夢?

趨勢 楊曉峰 CS主編 ·  2023-05-08
全人源膠原蛋白拓荒者

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熊盛教授簡介:

暨南大學生物醫藥研究院研究員、博士生導師;“教育部新世紀優秀人才支持計劃”入選者;廣東暨大基因藥物工程研究中心有限公司(基因工程藥物國家工程研究中心)董事長,丸美全人源膠原蛋白首席科學家。


主要從事生物技術藥物及相關應用基礎研究,參與研發的重組堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)已獲Ⅰ類新藥證書并實現產業化,另有1個生長因子類藥物進入臨床研究;主持研發的多個重組蛋白成為候選藥物、醫械材料或精細化學原料;近年在權威學術期刊上發表SCI收錄論文20余篇;主持十二五新藥創制重大專項、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃、廣東省/廣州市重大專項等各類項目10余項;參編權威工具書《Methods in Molecular Biology》一輯;授權發明專利近20項,授權國際PCT專利1項(2國)。

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多年后,熊盛依然清晰地記得,武昌火車站旁邊有條千家街。

參與科研工作前,他曾在那里的湖北藥檢高等??茖W校(現并至湖北中醫藥大學)醫學檢驗系做過幾年技術員,任職微生物檢驗師。這段特殊的經歷,或多或少影響了他后來的主攻方向——生物技術藥物的研究開發。

所謂生物技術藥物,是同化學藥物、中藥相對應的一大類別,主要包括重組蛋白類藥物、核酸類藥物,以及目前比較火熱的細胞藥物(如:CAR-T免疫細胞、干細胞)等。

而對于熊盛意義最重大的,莫過于重組蛋白。

從最初涉獵到時斷時續的鉆研,熊盛與重組蛋白的羈絆,前后跨越了二十多年。而在2021年3月20日,聯合丸美實現全人源雙膠原蛋白的產業化應用后,則使他在這一領域的努力,獲得了更加圓滿的結果。

當然,科研并無止境。

“生物技術的研究,是我們這一代科學工作者的使命?!睂⑦@句話奉為圭臬的熊盛,時至今日,依然沒有停下科研的腳步。

01

“bFGF”開發工作的鋪墊

進入生物技術藥物領域,對于熊盛來說并非偶然。

早年在武漢工作時,國內生物技術剛剛興起,基因工程藥物的先進性使他大受震撼,彼時就認為,這一行業必定有著廣闊的前景。為此,1996年,熊盛選擇了放下工作,轉而考取暨南大學遺傳學碩士研究生,由此進入生物技術藥物領域。

第一個接觸的項目,便是一類新藥bFGF(即重組堿性成纖維細胞生長因子)的開發。

bFGF其實是人體內天然存在的一種活性物質,也屬于重組蛋白的類別。熊盛介紹,重組蛋白如果按照分子大小,可以分為兩大類:一類是分子量稍小、結構較簡單的蛋白,諸如胰島素、干擾素、bFGF、EGF、KGF等皆在其列,這一類蛋白藥物的研究,中國幾乎與世界同步,甚至對于某些蛋白藥物的研發及產業化,還是中國科學家首創,比如:bFGF等細胞生長因子藥物;另一類分子量更大更復雜,比如抗體、受體融合蛋白、生物酶等一些復雜的大分子蛋白。

據熊盛回憶,國內開創bFGF領域研究的先行者,是其導師——著名免疫遺傳學家、基因工程藥物研發的領軍人物林劍教授。80年代末,林教授訪學期間看到美國生物制藥行業的蓬勃發展,觸發了靈感,回國后,就在暨南大學建立了一個小實驗室,并在科技部的專項經費資助下,啟動了bFGF新藥研究。

熊盛進入暨大時,正值bFGF獲得一類新藥證書,同時也獲得了科技部“九五”科技攻關重大專項資助,實驗室也得到極大擴充。這種背景下,課題組需要更多科研人員。但那時研究生招生規模還比較小,教授每年限收一名,而熊盛,非常幸運地進入了林教授的課題組。

“在我來暨大之前,我從事了多年微生物培養、鑒定方面的工作?!被蛟S是因為這一點,再加上當時負責bFGF工程菌發酵的科研骨干出國學習,課題組亟需人手,初來乍到的熊盛被林教授委以重任,很快參與到bFGF的研發和中試生產中。

應用基因工程技術制備bFGF,首先要構建合適的高產菌種,這個并不容易。而二代bFGF菌種的表達量較低,很難滿足產業化的要求。為了盡快突破,課題組邀請了一些外部專家參與研發,林教授還指派熊盛跟隨一位海外專家從事菌種構建,很快就解決了當時的技術瓶頸。而后,熊盛在獨立研究過程中,還構建了另一個很有創意的新菌種,讓一代bFGF新藥成果轉讓至國內藥企的產業化得以順利實施。

談及這段履歷,熊盛頗為自豪。暨南大學以bFGF為代表的系列研究成果,在我國生物技術藥物發展史中,是非常值得書寫的一筆。

據了解,此前,科學家主要將bFGF作為一個基礎研究的分子,探討其調控機理。林劍教授引領的暨南大學基因工程藥物團隊,則是全球首個把bFGF變成創傷修復藥物的團隊。這是我國第二個具有自主知識產權的一類重組蛋白藥物。(編者注:第一個具有自主知識產權的重組蛋白一類新藥是重組α1b干擾素)。

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02

任何科研都離不開十幾年積累

118年前,當愛因斯坦首次列出質能方程式E=mc2時,他肯定沒有想到,這個方程式,后來能夠幫助埃隆馬斯克造出火箭。

20年前,當熊盛于華南理工大學完成發酵工程博士學業,再度回到暨南大學工作時,他也肯定沒有想到,重組膠原蛋白后來能夠成為化妝品行業備受關注的活性原料。

要知道,這個活性成分,是在新藥研發面對重重困難的背景下,熊盛于工作之余,指導課題組已畢業的博士和碩士研究生在企業完成開發的。

2015年,是一個轉折點。

學生時代的熊盛,碩士時期的研究方向是bFGF,后來的博士時期則主要做抗體藥物,分別是借助細菌和酵母進行表達,這正好對應了當前重組膠原蛋白的細菌和酵母兩大主流表達系統。

“工作后,如果以研究對象分,2002年—2010年,我主要是做與腫瘤和病毒相關的調控蛋白的功能研究與應用開發,在這期間,以多種簡單和復雜蛋白為模式分子,開展了翻譯暫停研究;2010年—2015年,則是做抗體藥物與動物細胞大規模培養的研究開發;2015年以后,主要在皮膚損傷修復、皮膚自身免疫病相關的蛋白和多肽的研究上發力?!?/span>

之前近20年的科研工作,雖未直接針對重組膠原蛋白,卻打通了與重組膠原蛋白研發及產業化相關的關鍵技術環節。憑借多年以細菌、酵母和高等真核細胞作為表達宿主、表達功能蛋白的經驗,熊盛對于重組膠原蛋白的研發,有了自己的思考。

在人體組織中,膠原蛋白主要是作為一種結構蛋白,而不是調控蛋白,這意味著,重組膠原蛋白必須要有足夠的產量和產能才有產業化價值,這和干擾素、bFGF等調控蛋白的產業化邏輯明顯不一樣。

基于重組膠原蛋白的研發現狀,熊盛有了兩個基本的項目策略:其一,應該設計有新意的膠原蛋白編碼序列,就像畫一幅畫,都是一張白紙,要畫得與人不一樣,才能脫穎而出;其二,要選擇出合適的表達系統,使產量足夠高,產業化價值才更大。

“一個科研項目,沒有十幾年的探索,很難有特別顯著的成果,必定是持續的長期的?!边@一認知,成為熊盛愿意投入更多時間去鉆研重組膠原蛋白的根由。

03

全人源膠原蛋白的誕生

等到熊盛重燃膠原蛋白產業化的火花,已是2018年,這時,課題組的陳偉博士已經完成博士后工作,愿意進入企業從事產業開發。有了技術主攻手,怎么做就成了主要問題。

彼時,重組膠原已從類人膠原蛋白迭代到人源化膠原蛋白。其中,類人膠原蛋白的基因序列和人體序列差別較大,人源化膠原蛋白的基因序列與人體序列通用性相對較高,但仍存在差異,“國內目前上市的重組膠原蛋白,絕大部分都能歸到這一類”。

熊盛指出,技術再往下迭代的話,應該就是人膠原蛋白了,這類蛋白不僅和人體內的膠原蛋白序列一致,長度一樣,還具有膠原蛋白特有的三螺旋空間結構。遺憾的是,就目前的技術而言,不管是通過細菌還是酵母表達,要產生這樣的膠原蛋白難度都非常大,直到現在,檢索公開信息,還沒有發現哪一家公司或實驗室宣稱或報道獲得了重組人膠原蛋白。

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推動他另辟蹊徑、開發重組膠原蛋白的,是膠原蛋白應用存在的諸多局限性。

其一,動物膠原的應用雖然成本較低,但質量控制有難度,潛在的安全風險比重組膠原蛋白大,并且,在動物膠原領域,很難再創新。

其二,受限于生物技術發展的成熟程度,已上市的重組膠原蛋白,很可能是基于10年前甚至20年前的技術開發出來,雖然安全性優于動物膠原,但比起理想中的膠原蛋白,依然有不小的差距。

其三,在細菌中表達膠原蛋白,基本都以包涵體形式存在于細菌細胞質內,還要通過變性、復性才能變成有活性的可溶性膠原。而熊盛,很想突破這樣的技術瓶頸。

其四,以往的膠原蛋白皆為單一型別,比如I型或III型,但人體皮膚細胞中的膠原蛋白,是I型和III型共同存在,隨著年齡增長,I型的比例逐步增加,III型的比例逐步降低。綜合考慮,以單一型別的重組膠原蛋白作為護膚原料,不一定是最佳選擇。

“科研開發首要的是思路上的創新,我們不能走別人走過的路,從國內現狀來看,必須有新的思路?!被谶@樣的認知,熊盛萌生了開發活性更高、與人體膠原更接近的重組膠原蛋白的念頭。

研究發現,人體在嬰幼兒期,I型、III型膠原蛋白比例接近1:1,那么,如果按照這一比例將I型、III型膠原蛋白組合在一起,是否就能產生更高的活性和更好的效果?在抗體藥物領域,有小鼠單克隆抗體、人鼠嵌合抗體、人源化抗體和全人抗體等不同類型,能否以抗體藥物研發的技術理念指導重組膠原蛋白研發呢?

這一思路,如同閃現的火花,點亮了熊盛開發重組膠原蛋白的方向。

不過,要真正將思路落地,依然得面對技術上的巨大挑戰,比如,I型、III型膠原蛋白應該選取哪個片段?片段連接起來后活性怎么樣?能不能穩定?能不能形成有著較高活性的三螺旋結構?等等,都是困擾熊盛的問題。僅是探索更高效的膠原蛋白表達途徑,他就同陳偉博士做過很多嘗試,付出了不少心血。有相當長一段時間,負責技術攻關的陳偉博士在實驗室都是獨來獨往、沉默寡言,微信昵稱也用上了“石頭”。

慶幸的是,此前多年的科研積累派上了用場。

2007年—2012年,熊盛團隊曾用5年時間研究“翻譯暫停表達生物活性蛋白”。在這一過程中,有種藍藻蛋白由于序列特殊,非常難以表達,或者表達出來就是包涵體。經過悉心研發,他們利用翻譯暫停理論,竟將可溶性藍藻蛋白的表達量提高了一兩千倍。這一成功經驗,給了熊盛團隊極大啟示。

在重啟膠原蛋白產業化研究一年多后,為解決膠原蛋白的表達問題,翻譯暫停的技術體系再次得以應用。彼時,熊盛結合自己此前做嵌合抗體的經驗,加上團隊獨創的C-Pro扣環技術,最終推動了嵌合型雙功能膠原蛋白的成功面世。

該膠原蛋白的典型特征是:將I型和III型膠原蛋白以1:1比例做了結合;選取的I型和III型序列,與人膠原蛋白對應結構域的基因序列完全一致;第三方實驗室的分析也發現,該膠原蛋白能局部形成三螺旋結構,分子結構更穩定;這種I型和III型嵌合的重組膠原蛋白,還能促進皮膚細胞合成更多新的I型和III型膠原蛋白。

基于以上特點,該膠原蛋白最終被命名為“全人源膠原蛋白”,成為獨家且具有高度技術壁壘的成分。

此時,熊盛離重組膠原蛋白產業化的實現,只有一步之遙。

04

聯合丸美,找到產業化的抓手

時機很快來臨。

在接下來的日子里,丸美,成為熊盛產業化夢想落地的關鍵一環。

2021年3月,丸美雙膠原系列產品正式上市,這意味著,原本僅限于實驗室研究的全人源膠原蛋白,真正開始應用于市場。而更大的意義在于,中國就此擁有了自己的獨家抗衰成分,從而對被國際品牌掌控的“抗衰三巨頭”(玻色因、勝肽和A醇)主流成分地位形成挑戰。

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熊盛與丸美的淵源,最早可追溯至2005年。彼時,剛剛認識丸美CEO孫懷慶,便認為“他是一個特別敏銳、有很強執行力的企業帶頭人”。談及這個老相識,熊盛滿是稱贊,而最觸動他的,是孫懷慶非常注重技術開發,也愿意做投入,去應用高新技術和優質原料。

“有些品牌一聽說原料技術成本高,可能就繞道走了,或是做一些概念性的添加。但丸美在這方面不太一樣,愿意去應用一些好的原料?!?/span>

實際上,從2007年左右開始,重視活性物研究開發的丸美,便陸續委托熊盛團隊去研發一些項目,比如脂質體包裹多肽、天然護膚活性蛋白、植物提取物發酵和生物轉化的研究等。在一些項目的早期階段,雙方科研人員差不多每兩周就會開一次項目進展交流會,探討遇到的問題,并及時解決。

正是這些合作的基礎,為二者后來的產業化共創提供了更多可能。

熊盛回憶,自己當初與孫懷慶聊到膠原蛋白的產業化前景時,他就特別看好,馬上表示要一起合作,在技術上共同深挖。合作模式上,全人源膠原蛋白的研究開發由熊盛團隊負責,產業化這塊則由丸美牽頭。此時,熊盛又多了一層身份——丸美全人源膠原蛋白首席科學家。

“有了丸美的推動,市場應用的進展更快了”。事實很快佐證了他口中的“快”,2022年10月15日,在小金針次拋精華上市一年多后,丸美又推出雙膠原次拋面膜、奶油霜、脆皮凍干面膜等產品,覆蓋了更多品類。

而在熊盛看來,膠原蛋白將來還會有更多應用場景。

比如生物材料和醫療器械。據其介紹,膠原蛋白是一種生物相容性好、可降解的大分子,可以作為很多復合生物材料的支架;膠原蛋白自身作為材料,可以應用于骨科中移位斷裂的填充修復、外科手術縫線、人體衰老器官組織的修復等。這些都是重組膠原蛋白未來可以大展拳腳的應用領域。熊盛和團隊近期重點攻關的,便是膠原蛋白醫療器械的開發。據其透露,恰逢五一前夕,就有2個膠原器械產品獲得了醫療器械注冊證。

同時,熊盛團隊還在繼續深挖全人源膠原蛋白的活性,進行分子量增加或減小、化學修飾等方面的改造?!坝猛静煌?,對活性或物理化學特性的需求也不同”,這使得全人源膠原蛋白的研究不能僅僅局限于追求高活性上。為此,團隊也在與化學專業的科研團隊合作,對膠原蛋白開展交聯、油溶性改造等。

其實,在化妝品、醫療器械、精細化工、組織工程這些領域,要用到不同型別、不同片段、不同結構特征、不同理化特性的重組膠原蛋白,這就需要更多科學家和企業家去關注、參與和推動。

研究發現,人體內天然存在的膠原蛋白約有30種不同型別,其中部分型別的膠原蛋白功能還需要探索。雖然人體內膠原蛋白的型別數量有限,但重組膠原蛋白可以誕生無限數量的分子。以這些天然膠原蛋白為基礎,重組膠原蛋白的研究才剛剛拉開序幕。

如今,熊盛與合作伙伴攜手開展的重組膠原蛋白研究及產業化,得到了廣東省重點領域研發計劃專項的支持。當然,他最大的理想,還是希望能讓更多企業、更多消費者用得起膠原蛋白。

目前來看,重組膠原蛋白的成本仍遠高于動物膠原,只有通過制備技術的升級,提高其產量和純度,降低其成本,理想才可能實現。

熊盛深信,這一天終會到來。

① 翻譯暫停理論:天然情況下,蛋白質在細菌核糖體上合成的過程中,其合成速度并非恒定,在某些氨基酸部位上合成速度會比較慢,這種現象被稱為“翻譯暫?!?。如果蛋白質上的翻譯暫停點位不合適,該慢的地方快,可能會影響新生蛋白的折疊(空間結構),而蛋白質的空間結構決定蛋白的活性,從而最終影響有活性的蛋白質的合成效率。從理論上來說,如果能控制好這個過程,讓該快的地方快,該慢的地方慢,就能提升有活性的蛋白質的合成效率。

② C-Pro扣環技術:將Ⅰ型、Ⅲ型膠原蛋白形成三股結構,并像扎辮子一樣,使用c環,將膠原蛋白牢牢扎住,穩定扎實,增強雙膠原蛋白的穩定性。


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