机器学习开启“衣壳改造之旅”，目前已发现十万个衣壳变种

AAV是当下基因治疗领域的主旋律。目前临床上使用的大多数重组AAV衣壳，它们在氨基酸序列和生物特性上与天然AAV密切相关，甚至完全相同。这类自然选择的衣壳，在许多目标组织中显示出有限的细胞靶向特异性和较低的体内转导效率，特别是静脉注射后。究其缘由，主要是因为衣壳在参与治疗时没有得到优化。

对于天然的AAV衣壳，其固有的免疫原性会对治疗的安全性和疗效产生一定的影响。而人体预先存在的体液免疫和细胞免疫也会限制病人的疗法和疗效。

为了攻克这些问题，科学家们开启了他们的“衣壳改造之旅”。目前获得新衣壳的方法包括挖掘衣壳的自然发生序列多样性、合理设计和定向进化。但是由于存在可能性的衣壳数量非常庞大，现有方法的筛选能力远远跟不上市场的需求，发现速度缓慢，产量也受到了限制。

经过大量研究之后，机器学习（ML）为Dyne公司提供了一个有希望的新选项。ML可以与既定的方法结合，或者直接作为一种独立的技术，通过高通量体内试验来开辟新的发现途径。

图源：Frontiers in Immunology官网（下文称其为图1）

图1讲述了病毒衣壳改造技术的方法过程。

病毒衣壳改造技术的第一步是比较多种蛋白质设计方法的吞吐量（样品数量）和产量（每次产生的成功样品的数量），也就是图1中的A部分。ML方法通过平衡产量和吞吐量来增加该技术成功的可能性。合理的设计可以提高产量，而定向演化可以提高吞吐量。

B部分则表示通过预测ML模型，科学家们将衣壳序列映射到它的功能属性上，然后生成了一种方法。这种方法可以将内部数据转换为衣壳序列，生成理想的样本。

关于图1中的C部分，举例一个“模型在不同的细胞类型和实验环境中传递信息”的例子来说明。一个模型根据不同细胞转导实验（包括神经元）的体外衣壳性能进行学习，然后用来预测实验数据缺少或缺失时脑神经元体内转导的结果。

预测的衣壳体内验证信息被用来完善模型性能，了解体内和体外试验之间的关系。C部分中右边的灰色箭头就说明了这种方法的迭代能力。它随着时间的推移完善了预测模型并生成模型。

D部分讲述的是设计周期问题。设计周期从高吞吐量筛选和几种AAV衣壳变异特性的测量开始。这些属性被用来训练预测模型，而模型可以对未知序列进行属性归纳（预测器模型），并参与建立有帮助的表示（嵌入），然后与辅助输入（比如域知识）结合，提出一批新的序列（生成器模型）。整个设计过程可以多次反复进行，直到发现需要的衣壳为止。

Dyno开发出一个基于人工智能技术的CapsidMap平台，该平台通过优化AAV载体的细胞靶向蛋白壳，克服了目前市场上基因疗法的局限性。

CapsidMap平台的工作内容主要分为两个阶段。先是通过下一代DNA文库合成和DNA测序来测量衣壳的高通量特性。产生大量的体内数据之后，CapsidMap就可以应用先进的搜索算法，利用ML方法生成改良版的衣壳序列。

在ML的帮助下，Dyno的研究人员利用神经网络在28个氨基酸链上设计选择性突变位点，鉴定出了110689个AAV2衣壳的可行变种。

一个平台，三笔合作，Dyno的“38亿美元”简史

2020年5月，Dyno在推出CapsidMap平台的同时，宣布与诺华和Sarepta Therapeutics分别达成合作协议。

根据协议内容，Dyno将通过ML技术为两家公司的实验性基因疗法量身定制新的AAV载体，而诺华和Sarepta需要自行进行所有的临床前和临床研究。Dyno透露，这两项合作预计会为公司带来超过20亿美元的资金。

Dyno与诺华的这次合作，主要是利用DynoCapsidMap人工智能平台和诺华在基因疗法开发和全球商业化方面的专业知识，为患有严重眼疾的患者提供新的基因疗法。根据协议条款，Dyno将获得前期的研究经费和许可费用、临床监管和销售里程碑付款以及商业产品净销售的特权使用费。

Sarepta与Dyno的合作是利用CapsidMap平台共同开发治疗肌肉疾病的新型AAV载体。根据合作协议，Dyno将获得4000万美元的预付款和许可证付款。如果Sarepta开发并商业化多个候选药物，Dyno还将获得额外的里程碑费用。

2020年10月，Dyne与罗氏及其子公司Spark Therapeutics达成了一份价值18亿美元的合作协议，它们将一起开发治疗中枢神经系统（CNS）疾病和肝脏定向递送的基因疗法。

根据协议条款，Dyno将负责设计能够改善基因疗法功能特征的新型AAV衣壳，而罗氏和Spark将负责使用新型衣壳开展候选基因疗法的临床前试验、临床试验和后期的推广活动。Dyno会获得前期和里程碑付款，以及任一合作产品的销售额分成。

这浓墨重彩的三笔合作，使波士顿媒体Xconomy为Dyne公司冠上了“2020年度创业公司”的称号。

2021年4月，哈佛医学院的Debora Marks博士和加州大学旧金山分校的Nicole Paulk博士加入了Dyne公司的科学咨询委员会。

Dyne公司的CEO Eric Kelsic表示：＂在机器学习和蛋白质结构的结合应用方面，Debora为Dyne公司提供了许多独特的见解。而Nicole在AAV基因治疗研究、开发和制造方面拥有深厚的专业知识。”她们的加入也为Dyne公司带来了建设性的帮助。

病毒衣壳改造技术是一件了不起的杰作，然“任重而道远”

对于Dyne公司的病毒衣壳改造技术，有人夸其独特，也有人唱起哀歌。

麻省眼耳医院基因治疗中心的负责人Luk Vandenberghe曾在《化学与工程新闻》杂志上评论：“病毒衣壳改造技术是一件了不起的杰作。”

但是这位对病毒衣壳改造技术表示夸赞的科学家，却对Dyne公司能否成功持保留态度。Luk博士曾在病毒衣壳改造技术上有过惨痛的失败教训，他深知这项技术的艰难和不易。

Luk博士认为：“该领域在开发携带大片段基因以及躲避中和抗体的载体方面能力很薄弱。”而通过AI去改造优化AAV衣壳蛋白需要有足够的知识和能力。

基因治疗初创公司 Shape Therapeutics 的首席执行官Francois Vigneault则认为：“Dyno现在做的事情很新颖，但5年之后，所有公司都可以做到。”

虽然外界的怀疑声很多，但不可否认的是，仅凭一个CapsidMap平台，就让Sarepta、诺华以及罗氏等行业巨头接连抛出了橄榄枝的Dyne公司，肯定具有它的独到之处。尽管Dyno目前还没有建立自己的治疗管道。

除了Dyne公司，也有其他公司尝试设计新的AAV。今年5月初，基因技术公司Affinia Therapeutics完成了1．1亿美元的B轮融资，进一步开发其基因治疗平台。而在去年的4月，Affinia与Vertex Pharmaceuticals建立了价值高达16亿美元的合作伙伴关系。

作者：颜莎莎

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