国际重组蛋白药物的市场与研发趋势

国际重组蛋白药物的市场和研发趋势分析 (ZT)作者: 吴卫星1 张 毓2 王小宁3 詹启敏11、分子肿瘤学国家重点实验室 北京1007302、北京大学医学部免疫系 北京 1000833、华南理工大学生物科学与工程学院 广州510640摘要 从1982年美国批准第一个重组蛋白药物（重组人胰岛素Humulin）上市，至今已经整整四分之一个世纪了。重组蛋白药物虽仅占全球处方药市场的7-8%左右，但却是增长最快的一类。目前，共有82个重组蛋白药物用于临床，其中重磅炸弹15个，占总数的18%;2005年重组蛋白药物销售总额约410亿美元，重磅炸弹销售额合计约270亿美元，占总额的66%。2006年，美国和欧洲批准了第一个肺吸入型胰岛素上市；欧洲批准了第一个由转基因羊生产的重组人抗凝血酶用于临床，并批准了第一个重组蛋白仿制药物上市。重组蛋白药物市场已经从蛹发育为美丽的蝴蝶，但是，这只蝴蝶能够美丽多久，还受到多种因素的制约。本文以美国和欧洲重组蛋白药物市场为主，采用市场细分的方法，从重组蛋白药物种类的销售额入手，分析了市场及研发趋势，将对我们判断市场走向、提供创新思维和制定创新战略有着实际的参考价值。关键词：重组药物 市场 研发趋势作者简介：吴卫星，男，博士，合作研究教授 Market Analysis and the R&D Trend for Recombinant Protein TherapeuticsWU Wei-xing1, ZHANG Yu2, WANG Xiao-ning3 ZHAN Qi-min11、State Key Laboratory of Molecular Oncology Beijing 100730, China2、Department of Immunology, Peking University Health Science Center Beijing 1000833、School of Bioscience and Bioengineering, South China University of Technology Guangzhou 510640The first of its kind drug, recombinant human insulin (Humulin) received administrative approval in America in 1982. A quarter of a century later,recombinant protein drug represents a sector undergoing the fastest growth, accounting for 7-8% of todays market of prescription drugs. Among the 82recombinant proteins therapeutics licensed so far, 18 are block-busters withthe annual sale of 27 billion dollars in 2005, which is 66% of the total saleof 41 billion for the whole sector. Year 2006 observed several landmark eventsin this field, including the approval of the first inhalational insulin by USand EU, and the marketing of the first recombinant drug produced in transgenicanimals and the first generic recombinant drug in EU. While it is blooming,how long will the blossom last? In this article, we dissected the market ofthe recombinant protein therapeutics launched in US and EU by their group sale.In addition, we reviewed the ongoing research and development efforts in thisfield. Such information should be of help for better judgment of the markettrend and for the strategic planning of innovation. Key words: recombinant proteins therapeutic, market, R&D trend本文中的重组蛋白药物也称rDNA药物，不包括重组疫苗、单克隆抗体药物（抗体药物的市场和研发趋势另有文章详述1）、检测用重组蛋白和生化提取的天然蛋白，也不包括仿制药物。重组蛋白药物虽然仅占全球处方药市场的7-8%左右，但是发展非常迅速，尤其到了21世纪其发展更是进入黄金时节，1989年的销售额为47亿美元，2001年为285亿美元，2004年达到347亿美元2，2005年约410亿美元，是1989年的9倍。相对小分子药物，重组蛋白药物生产条件苛刻、服用复杂和价格昂贵，但对于有些疾病的治疗是不可替代的。绝大部分重组蛋白药物是人体蛋白或其突变体，以弥补某些体内功能蛋白的缺陷或增加人体内蛋白功能为主要作用机理，其安全性显著大于小分子药物，因而具有较高的批准率，同时，重组蛋白药物的临床试验期要短于小分子药物，专利保护相对延长，给制药公司更长的独家销售时间3。这些特点成为重组蛋白药物研发的重要动力。从重组蛋白药物市场的地理分布角度，美国和欧洲占有全球市场的81%4。重组蛋白药物研发公司6强（Amgen, Biogen IDEC, Johnson & Johnson，Eli Lily，Novo Nordisk和Roche）全部来自美国或欧洲，占有75%市场份额2。从新药上市的数量和速度看，美国居首位，这与美国拥有较自由的药物价格环境以及医生接受新药的需求和高速度有明显关系。欧洲近几年发展也较快，率先批准上市了转基因动物（羊）生产的重组人抗凝血酶（美国GTC生物治疗公司）5，以及第一个重组蛋白药物的仿制药物（Biosimilar，通用名生物药，下通称重组药物仿制药）6，7，后者结束了多年来重组蛋白药物是否能有仿制药的争论。鉴于美国和欧洲实际上主导着全球市场，分析其市场和研发趋势，也就能准确把握重组蛋白药物整体发展的脉搏。专家们对新重组蛋白药物的定义不尽相同，所以，不同文献中的新重组蛋白药物统计数量可能存在较大的差别。本文以在美国和/或欧洲新上市的重组蛋白药物注册品名为准（以下通称重组药物），计有82个，包括15个重磅炸弹，后者2005年销售额即达278亿美元（图1）8-17，占销售总额的66%。目前的研发重点在于解决生产能力不足、更加合理的改变重组药物结构和给药途径多样化。尽管重组药物发展面临着种种挑战，但是我们认为该市场会持续发展，并在2020年前后到达峰值，那时将可能有新的替代治疗大量获准上市。剩下短短的十几年也许是我们发展重组药物的最后和最佳机会。一、上市重组药物的销售情况分析本文借用经济学市场细分的方法，从重组药物种类的销售入手，比分析适应症的市场规模能更直观地反映市场发展趋势。根据功能和性质，重组药物可分8类16种。促红细胞生成素Procrit最为畅销，近5年销售额近180亿美元；融合蛋白Enbrel销售增长最快，2005年的销售额是2001年的4.3倍，达36.5亿美元。（注：下文中括号：制药公司及与药物商品名对应的重组蛋白化学名称）1、多肽类激素药：（1）人胰岛素，适应症是糖尿病。1982年第一个重组人胰岛素Humulin (Eli Lilly)上市，目前共有12种制剂（Novo Nordisk的8个速效、中效和长效重组胰岛素突变体在此仅计为1个），包括3个重磅炸弹，Humulin（野生型胰岛素）、Humalog (Eli Lilly，胰岛素突变体)、Lantus (Anvents，胰岛素突变体)，2005年重组人胰岛素的销售额至少达75亿美元14,16,18。（2）人生长激素，适应症是生长激素缺陷、发育障碍和AIDS相关耗竭病。1985年第一个重组人生长激素Protropin(Genetech) 上市,现有8个品种。重组人生长激素的主要产品Nutropin/Protropin等在2005年的销售总额约为13亿美元10，18，23。（3）卵泡刺激激素（3个）和其他激素（7个），适应症是是不育症、调节排卵、更年期骨质酥松等，尚未形成很大的市场。2、人造血因子：（1）重组人促红细胞生成素，适应症是贫血。1989年上市第一个重组人促红细胞生成素Epogen(Amgen)，现有的5个产品中4个是重磅炸弹，Aranesp(Amgen，Epoetin 突变体)、Neorecormon(Roche，野生型Epoetin )、Procrit(Johnson & Johnson，野生型Epoetin )和Epogen(野生型Epoetin )，2005年销售合计为91.5亿美元。（2）粒细胞/单核细胞集落刺激因子GM-CSF，适应症是癌症或癌症化疗引发的感染预防和治疗。仅有的3个产品2个是重磅炸弹，Neulasta(Amgen,PEG化的GM-CSF)和Neupogen(Amgen, GM-CSF突变体)，2005年销售总额为35亿美元。（3）其他造血相关因子（5个），适应症主要是儿童发育不良以及恶性血液病或糖尿病的并发症。3、人细胞因子：（1）干扰素，适应症为慢性病毒性肝炎和某些癌症。1986年第一个重组人干扰素Roferon(Huffman-La Roche)上市,现有5个同类产品，其中2个（组）为重磅炸弹，一是Pegasys（Roche，PEG化的重组人干扰素-2a）,另一组是Schering Plough的PEG-Intron A/Intron A，2005年销售额合计约21.6亿美元。（2）干扰素，适应症为多发性硬化症（MS）。3个产品都是重磅炸弹，Rebif(Serono，野生型干扰素1a)、Avonex(Biogen, 野生型干扰素1a)和Betaferon/Betaseron (Schering AG, 干扰素1a突变体)，销售额合计40亿美元19。（3）其他细胞因子（4个），包括白细胞介素1、2和11的突变体，适应症为肿瘤化疗引起的血小板减少症、肾细胞癌和慢性肉芽肿疾病等20。4、人血浆蛋白因子：（1）重组人凝血因子VIII，适应症是血友病A。最早上市的为Recombinate (Baxter和Genetics,野生型)，现有5个同类产品，最畅销的是Kogenate（Bayer，野生型）及Advate（Baxter，野生型），2005年销售分别为8亿21和6亿美元22。（2）重组人凝血因子VII，仅上市NovoSeven(Novo Nordisk)，适应症是血友病和止血，2005年的销售额近10亿美元，2006年上半年销售增长19%。（3）重组人凝血因子IX，仅Renefix (Genetics)1个，适应症是血友病B。（4）组织血浆酶原激活物tPA，最早上市的为Activase(Genetech), 现有4个品种，适应症是急性心肌梗死，2005年市场规模为6-8亿美元23。（5）C反应蛋白，适应症是严重败血症，仅Xigris(Eli Lilly)1个。（6）重组人抗凝血酶（ATryn）是2006年批准的、第一个由转基因动物（羊）生产的重组药物。5、人骨形成蛋白（2个）：是最年轻的一组，第一个产品2001年批准上市。Wyeth的成骨蛋白2005年销售额达2.4亿美元17，适应症为急性胫骨骨折、脊椎愈合和促进骨愈合等。6、重组酶：适应症为先天性酶缺陷的替代治疗。1993年第一个重组酶Pulmozyme(Genetech)上市，适应症是肺纤维化，2005年的销售6亿美元23，共有 8个不同重组酶产品。7、融合蛋白：是为数很少的以抑制为作用机理的重组药物，仅有3个。1998年批准的Enbrel(Amgen)是TNF受体和IgG的Fc片段的融合蛋白，含934个氨基酸，适应症为风湿性关节炎，为重磅炸弹，近5年的销售额约100亿美元。1999年上市的免疫毒素Ontak（Ligand）24，适应症是皮肤T细胞淋巴瘤（CTCL），是缺失细胞结合域的白喉毒素与IL-2的N端133个氨基酸的融合蛋白。2003年上市的Amevive（Biogen Idec）25是LEF-3的CD2与IgG的Fc片段的融合蛋白，适应症是牛皮癣。8、外源重组蛋白：外源蛋白能够用于人的疾病治疗，这在单克隆抗体药物发展过程中已经得到了验证。但是，至今批准上市的只有1个重组水蛭素（hirudin）20，适应症为血栓性疾病。 图1：15个重磅炸弹重组药物2001-2005销售情况。注1：美元汇率按2005年12月31日计算；注2： Amgen年报只列出Neulasta和Neupogen联合销售额，但均为重磅炸弹；注3：PEG-Intron A、Intron A和利巴韦林组合销售，所以其销售额是经过减去利巴韦林的销售额后的结果，PEG-Intron A/Intron A可算1组重磅炸弹。 重组药物最大的一类是重组人促红细胞生成素，近5年销售总额近430亿美元；以后依次是重组胰岛素（除重磅炸弹外，总销售额用Novo Nordisk的相应产品销售额进行调整，因为该公司占有胰岛素市场的近50%份额）、干扰素、GM-CSF、融合蛋白Enbrel以及干扰素（图2）。由于重组血浆蛋白中没有单一重磅炸弹，所以没有列入重磅炸弹中进行比较，但其在2005年的总销售额已达到30亿美元18，21-23。图2：2001-2005年重磅炸弹重组药物按类的销售情况。时隔5年，占市场前3位的重组药物名次没有发生变化，只是由于Enbrel的快速增长导致各自的份额有所下降，Enbrel在2005年已上升至与GM-CSF并列第四名，干扰素降至第六位。重组人促红细胞生成素的适应症已经从肾衰性贫血扩大至癌症或癌症化疗引起的贫血，并已有大量临床证据说明重组人促红细胞生成素能够促进癌症病人的生活质量26，其领头羊位置在未来5年将更加稳固。重组胰岛素占市场份额下降，但今年上市的肺吸入型胰岛素以及长效胰岛素和基础胰岛素等会支持市场不会下滑。干扰素治疗MS将受到抗体药物和小分子药物的挑战，发展可能会受到抑制。GM-CSF在临床使用中能够有效降低癌症化疗导致的中性粒细胞下降引发的感染，长效GM-CSF Neulasta一个化疗疗程使用一次，医生和患者接受程度很高，市场份额增长将一步加快。Enbrel近5年增长幅度较大，但会受到抗体药物的有力挑战。干扰素与利巴韦林联合治疗慢性病毒性肝炎疗效显著10，12，在获得肝炎大国日本批准后，其必会有更大的增长空间。明年，NovoSeven可望成为重磅炸弹，会带领重组血浆蛋白使整体市场份额格局有较大调整。其他类重组药物近5年内不会形成很大市场。图3：2001和2005年重组药物分布比例的变化（左图为2001年）。二、研发趋势重组药物的迅速发展有着必然性，但要持续发展，有几个问题必须解决或优化，包括生产载体与产量、基因工程改造和翻译后修饰以及用药途径。1、生产载体与产量生产能力不足已经成为重组药物发展的瓶颈。以Enbrel为例，在1998年上市6个月内仅美国销售就超过对全球整年需求的预计27，生产规模缺口很大。又如，HIV蛋白微球（microbicides）在局部使用可以防止HIV传播，但至今未进入临床研究，原因也是生产量不够 28。还有很多药物不仅发展中国家用不上，即便是发达国家也难以使用，估计有80%的血友病患者无药可用，主要是生产能力不足。生产能力不足也导致其价格不菲。哺乳动物细胞和大肠杆菌（E.coli）是上市重组药物最主要的生产载体（见图4）。E.coli用于表达不需要翻译后修饰的重组药物，如胰岛素、生长激素、干扰素和白细胞介素等。糖蛋白重组药物除刚批准上市的ATryn以外，全部在哺乳动物细胞中表达。Activase是第一个由哺乳动物细胞表达的上市重组药物，Epogen是第一个由哺乳动物细胞表达的重磅炸弹药。CHO细胞是最为常用的生产载体之一，其糖基化最近似人的糖基化结构，但糖基化产物是不均一的混合物。BHK细胞是第二常用的，另外，NSO、HEK-293和人视网膜细胞表达的蛋白也获得过批准。目前，哺乳动物细胞的产量亟待提高。上个世纪80年代，培养细胞密度最大达到2X106/ml，生产期7天，特异产物量为50mg/L。2004年的数据显示，细胞密度最大可达到10X106/ml，有效表达时间达到3周，表达量接近5g/L，是1980s的100倍29，现在世界上最大的细胞发酵罐达到2万升。哺乳动物细胞生产体系还需要解决的其他问题包括无血清培养基、延迟细胞凋亡和糖基化改进等30。酵母细胞虽然能够糖基化，但是与人的糖基化有很大差别，为高度木糖醇型，表达的重组药物在体内半衰期很短并有潜在的免疫反应。因此，该领域最可能取得的突破是人源化P.pastoris酵母31，能生产均一、与人糖基化相同的糖蛋白，靶蛋白的产量可达到15g/L，是哺乳细胞的3倍，对哺乳动物细胞表达体系形成有力挑战。图4：上市重组药物生产载体的比例。另一个正在取得突破的是植物表达体系（molecular farming），植物糖基化免疫原性低，不易诱发过敏，但有可能改变一些糖蛋白的功能。目前已用于10多个重组药物候选者的表达，其中1个已进入II期临床28。该体系尚需解决的问题有，进一步提高表达产量、通过人源化改造糖基化结构以及评价生产体系对环境的影响。已经有了突破的转基因动物生产方式至少在近期不会成为主流，其问题在于转基因高等哺乳动物乳液蛋白糖基化仍有别于人，可能导致抗原性的变化。欧盟人用医学制品委员会（CHMP）曾对ATryn上市提出过反对意见，理由是临床例数太少。另外，美国Genzyme公司重组人酸性-葡萄糖酶（商品名Myozyme），原本在转基因兔奶中生产，最终换为CHO细胞生产并获得FDA批准上市20。转基因鸡的蛋青也可高水平表达重组药物，但目前尚无任何一个转基因鸡制备的药物被批准，主要问题仍是糖基化问题。当然，如果药物是口服和局部使用，抗原性问题将可能被忽视。2、重组药物的基因工程改造和翻译后修饰高度纯化的重组蛋白与人内源蛋白相同或高度相似，能避免出现免疫反应。但有30%左右重组药物是经过基因工程改变或经过其他手段进行翻译后修饰的（图5），也有文献指出现有上市重组蛋白药物种基因改造率达38%。改变蛋白的结构的目的是为了优化其药代动力学，但又不能弱化其生物功能及产生新的抗原性。图5：上市重组药物的基因改造或翻译后修饰的比例以重组人胰岛素为例，有多种基因工程改变序列的产品，主要是B28、B29和B30位的氨基酸改变。第一个经基因工程改变的重组人胰岛素为Lispro，是B28、B29之间的颠换，使产生双聚体和多聚体的可能性比野生型降低300倍32，可以更快地释放入机体，起到速效的作用。缺失突变体也比较常见，ReFacto（重组凝血因子VIII，2005年销售额2.5亿美元）就是缺失突变体33，对体内出现因子VIII抑制物的血友病患者有较好疗效。最近研究表明，Ankyrin重复（出现在erythrocytes等中，由33个氨基酸组成，有折角反向平行和螺旋）有助于加强重组药物靶标识别、膜蛋白的朝向性和稳定性34。但是，基因工程改变序列应非常谨慎，一些很小的变化就可能导致蛋白构象较大变化，从而诱发免疫反应。翻译后修饰主要包括脂化和PEG化。脂化是指将脂肪酸共价定点连接在蛋白上，从而增加药物与血清白蛋白的亲和力，延长在血清中的循环时间，发挥长效作用。PEG化分为单一PEG化和多点PEG化，通过降低血浆清除率、降低降解和受体介导的摄入，也能达到长效的目的，同时屏蔽抗原表位提高药物的安全性。PEG-干扰素（Pegasys和PEG-Intron）和PEG-GCSF都是PEG化成功例子35。融合蛋白是指不同蛋白的不同功能域通过基因工程手段构建成一个蛋白，希望具有双功能或新的功能。虽然在这方面进行了大量的尝试，但是，25年来仅有3个被批准，提示其难度之大。外源蛋白更是只有1个成功例子。3、给药途径的变革绝大多数重组药物是注射给药或静脉途径，仅有2个是喷雾剂，如Pulmozyme即是一种液体喷雾剂。有些疾病如糖尿病、肾衰性贫血等都需要长期使用药物，注射或静脉途径的方式非常不便利，从而人们在给药途径上进行了大量的尝试。2006年，终于有了重大突破，Pfizre和Avents的肺吸入型胰岛素Exubera获得批准在美国和欧洲上市。作为干粉，肺吸入性剂型比液体喷雾剂稳定，剂量也好掌握。当然，Exubera 价格昂贵，以至英国有关部门拒绝使用，因为每周每个病人为此要多付出18美元。无论怎样，这将改变众多糖尿病患者的治疗方式，减除他们的痛苦，也激发了其它药物替代注射途径的研究热潮。我国有几家科研机构和公司研究透皮给药和肺吸入给药方式已经取得了可喜的进展。但是，应该指出，肺吸入型胰岛素在1999年就已经进入III期临床研究36，至今才获得批准，难度可想而知。在这方面，最大的技术难点是给药剂量的精确度和药物稳定性等。三、重组药物面临的问题和挑战 有分析家把重组药物市场喻为美丽的蝴蝶。但是，蝴蝶能飞多久呢？又会如何演变？换句话，重组药物市场是否进入了成熟期？近10年再没有出现对市场有较大影响的新产品类别，R&D投入相对稳定（生物公司2002-2004年连续3年的R&D总额均稳定在150亿美元37）都是市场过于成熟的表现，将使持续发展受到限制，这是来自其自身的挑战。客观分析其他治疗技术的发展，我们认为重组药物市场在近期不会遇上真正意义上的挑战，但潜在的威胁确实存在。1、其他治疗药物或方法对重组药物市场的挑战 重组药物的很多适应症是由于单基因或明确的简单原因造成的某个蛋白的缺乏或功能丧失，如血友病和I型糖尿病，非常适合基因治疗。设想一下，如果能在人体内可调控地表达重组药物的基因，重组药物市场将走向何处？基因治疗在短期内是否会较大地影响重组药物市场？事实是，从1989年起，约1140个基因治疗产品进入临床研究，仅有少数几个进入临床III期研究20，而且没有1个在美国和欧洲上市，并有许多因为临床研究出现意外死亡而终止。目前，世界上只有我国2003年11月批准上市了以人p53基因为基础的基因治疗今又生。美国同类产品早已进入3期临床，迟迟未能上市的原因是美国FDA批准的基础是5年存活率的变化，而我国是以肿瘤变小为批准依据的。基因治疗要在以下关键领域取得突破才可能大批量的进入市场：目标基因传送的特异性、稳定性、可控性和抗原性。可以预见，5-10年内基因治疗难以对重组药物形成有力挑战。干细胞诱导生成胰岛（样）细胞的方法也没有得到预期的进展，走向临床的路可能比基因治疗更为遥远。抗体药物或aptamer是以特异靶向结合和抑制被结合物为作用机理的，而绝大多数重组药物是以补充蛋白（功能）为作用机理的，所以无论是抗体药物还是aptamer仅会对抑制作用为机理的重组药物产生严重挑战，如Enbrel和干扰素。2、重组药物仿制药时代对重组药物市场格局的影响 目前药物市场的规则是：新药专利保护期过后，将有通用名药物上市，其价格是新药的15%左右，极大影响药物利润。如，连续5年的处方药销售亚军Zocor（小分子降血脂药）的专利保护今年到期，其通用名药将不仅影响Zocor的价格也将使降血脂药物整体价格下滑。有几种在1980s的重组药物已经丧失或即将丧失专利保护，预计未来5年将有价值100亿美元以上的重组药物将失去专利，会不会涌现出一批重组药物仿制药颠覆重组药物市场？欧洲在2006年首次批准了2个重组药物仿制药上市，为人生长激素的2个不同版本，Omnitrope和Valtropin，这是否预示重组药物仿制药时代的到来？实际上，重组药物的情况远比小分子药物复杂。欧洲有生长激素、Epo、GM-CSF和胰岛素仿制药物的指导原则，但是对结构和加工较为复杂的PEG蛋白和凝血因子还没有考虑。美国如何发展重组药物仿制药还存在很大争议，美FDA还没有发布有关的指导原则。最主要的考虑是安全性，与小分子药物不同，即使是同一个基因在同种细胞中表达并使用类似的加工方式，重组药物仿制药也难以保证与原创药完全相同。考虑生产成本和加工的复杂性，重组药物仿制药对现有市场的影响还不明显。但是，重组药物仿制药时代一定会到来，并会对重组药物市场格局产生重大影响。3、临床安全存在风险因素如同其他药物一样，重组药物也存在引发副作用的风险。首先，重组药物的功能并不是单一的，或者其作用程度很难精确控制，有可能导致严重的副作用。例如，有专家认为用重组促人红细胞生成素纠正癌症病人贫血的同时可能促进肿瘤的生长26。类似的，重组人生长激素会刺激肿瘤生长、增加血脂升高和糖尿病发病的风险。而应用tPA治疗中风会引起出血倾向，有研究提示与血清基质代谢蛋白酶9（MMP9）关系密切33。其次，患者出现针对重组药物抗体，原因主要是糖基化差异和改构产生的新抗原表位(尤其是T细胞表位)，其临床表现类型和程度难以预料。最为常见的是造成治疗效果不好甚至无效，严重时会出现致命合并症，如抗重组促