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美國白宮科技政策辦公室(OSTP)生物技術和生物製造研發戰略(一):強化供應鏈韌性與促進人類健康

薛孝亭、洪立萍/ 發布日期:2023/09/15/ 瀏覽次數:104

一、前言

美國政府近期積極強化生物經濟(bioeconomy)之發展,以及生物技術與生物製造的創新。2022年9月拜登政府頒布了行政命令-「推進生物技術和生物製造之創新以實現永續、安全和有保障的美國生物經濟(Advancing Biotechnology and Biomanufacturing Innovation for a Sustainable, Safe, and Secure American Bioeconomy)」。2023年3月,白宮科技政策辦公室(The White House Office of Science and Technology Policy, OSTP)公佈「美國生物技術和生物製造的宏偉目標(Bold Goals for U.S. Biotechnology and Biomanufacturing)」報告,設定了美國生物技術和生物製造研發戰略目標與優先事項。該報告由美國能源部(Department of Energy)、農業部(Department of Agriculture)、商務部(Department of Commerce)、衛生與公眾服務部(Department of Health and Human Services)和國家科學基金會(National Science Foundation)等單位共同編撰完成,範疇涵蓋氣候變遷、食品與農業創新、供應鏈韌性、人類健康之促進、推動跨領域發展等五大領域。本文將簡介供應鏈韌性與人類健康之促進等兩領域之發展目標與研發規劃。

 

二、供應鏈韌性

全球動盪(如COVID-19)、地緣政治衝突、氣候變遷等暴露了美國供應鏈的脆弱性。新生物技術與生物製造技術有助於減輕供應鏈中斷的風險和衝擊。例如合成生物學(Synthetic biology)能改變藥物、食品、燃料、材料和化學品的生產方式,提供更靈活且適應性強的解決方案。另外,生物技術平台與數據分析進展,也能使製造商更有效率地生產多元化的產品。

美國商務部於供應鏈韌性領域提出了三大發展主題,並且制定了多項目標。各項發展主題與研發規劃介紹如下(各主題之5年與20年目標請參閱圖一):

 

 

(一)利用生物技術和生物製造建立替代供應鏈以促進經濟安全
生物技術創新能為活性藥物成分(API)、生物燃料、化學產品、塑膠等產品提供新穎的生產製造途徑。此外,先進的生物製造設施亦能降低長期的生產成本,並可提升永續性,減少生產過程對環境的衝擊。

目標 1.1:改善關鍵藥物供應鏈
目前,大多數小分子活性藥物成分(active pharmaceutical ingredients, APIs)來自於中國、印度等國。生物製造的創新技術可使美國就地生產具成本效益的APIs。例如精準發酵(precision fermentation)或無細胞(cell-free)生產系統等合成生物學技術的進展,能夠在單一設施中生產多種 API,降低不同藥物生產所需的產線轉換成本。未來需要進行更全面的大規模概念驗證,以提升業者對該類技術的投資意願。

目標 1.2:更加永續的化學製品生產
生物製造能使美國減少對石化燃料的依賴,並且能促進美國傳統化學製造業轉型。根據農業部的研究報告,美國具備每年生產10億噸生物質(由農業、林業、廢物和藻類材料組成)的潛力,該數據可滿足美國一年30%的石油使用量。且由生物質生產的化學產品可以減緩傳統原料市場價格波動對美國造成的影響。為達到永續生產的目標,美國將著重生物質生產、運輸與處理等相關技術的研發,以及提高下游加工與精密發酵的能力。

目標 1.3:加速生物製造產品的開發
合成生物學和人工智慧(AI)的進展正在為生物經濟帶來新的突破。生物技術創新可以生成傳統化學技術無法合成的新型分子,並且可發展出能促進永續發展與支持半導體產業回流的新興應用,例如可從廢棄物中回收關鍵礦物與原料(如鋰、鈷)之生物技術。此外,生物質亦具備發展替代性燃料的潛力,供航空和海運等高碳排產業使用。因此,美國將進行戰略投資,支持突破性的生物技術研發,並達成大規模生產。

 

(二) 生物製造創新提升供應鏈韌性
先進的生物製造生態體系應能於供給短缺或物流瓶頸時進行調適,以降低供應鏈中斷的可能性,並且減緩中斷發生時的衝擊。

目標2.1:預測能力
地緣政治衝突、運輸延誤、突發公共衛生事件、天氣事件等皆可能造成供應鏈中斷。無論中斷類型如何,提升對供應鏈相關數據的理解有助於利害關係人提早做好準備並減輕衝擊。因此,改善供應鏈管理相關數據之取得以及部署人工智慧等工具,將有助於政府和業者提早識別供應鏈風險,並且儘早擬定因應措施。

目標 2.2:即時生物製造流程調整
相較於傳統化學製造,細胞生物製造需要更先進的監控系統,以監控產品的品質與產量。為了實現即時大規模細胞監測,應發展新生物技術解決方案,例如,開發含有報導基因(reporter gene,為可以被偵測或被定量的蛋白質或酵素基因)的細胞株,有助於即時監測生物反應的狀態,進而得以幫助製造商了解生產問題,提高生產效率。

目標 2.3:可調整式(adaptive)供應鏈
發展結合先進生物技術、自動化、數據分析等技術之先進生物製造平台,以在面臨供應鏈中斷時,能即時調整生產,不需進行複雜且耗時的產線重組。同時該平台亦能生產多樣的客製化產品,並可因應需求調整,提升供應鏈的靈活性與備援能力(redundancy)。

目標 2.4:供應鏈靈活性
將生物質加工設施建置在靠近原料生產地,為強化美國國內供應鏈韌性之最有效方式,同時還可實現振興農村社區經濟之政策目標。為此,美國需開發模組化、可移動式的製造平台,以及先進的生物製造技術,以將酵素、代謝物等多種原料轉化為多樣化的產品。

 

(三) 支持生物技術和生物製造商品化及跨國交易所遵循之標準與相關數據基礎設施
標準與高品質數據有助於建立永續且安全之生物經濟。基因體學和多體學等數據與相關基礎設施能支持生物技術進步與創新。標準則可促進創新藥物研發與商品化、確保品質一致性,同時強化消費者對新生物技術產品的信心。

目標 3.1:數據基礎設施
可串聯與整合生物數據(包含生物製造數據)之標準化數據基礎設施,能加速生物技術和生物製造創新,例如結合基因體學、蛋白質結構和生物功能相關數據加快了COVID-19疫苗的開發。為了更有效地利用研發投資產生的大量數據,美國和國際合作夥伴可以建立開發工具與標準,並透過開放數據架構實現跨領域合作,以加速生物技術與製造研發與規模化。

目標 3.2:標準基礎設施
美國可以透過領導和制定國際標準來支持生物經濟成長。例如生物技術和生物製造的標準製造流程、測試方法,能支持敏捷製造(agile manufacturing)發展,以減輕供應鏈的衝擊,並確保產品品質。同時,也需要持續開發傳播與教育工具來促進產業採用最新標準。

 

三、人類健康之促進

人類健康的改善受益於過去數個世紀以來生物技術和生物製造的進步,如疫苗與細胞療法的進展。為了加速醫學突破,並且促進民眾健康,美國公共及衛生服務部(Department of Health and Human Services, HHS)於健康醫療領域提出五項發展主題,並且制定了十項目標。各項發展主題與研發規劃介紹如下(各主題之5年與20年目標請參閱圖二):

 

 

(一) 無障礙健康監測 (accessible health monitoring)
及早發現疾病以及監測疾病為目前醫療保健面臨的重要挑戰。發展能於居家或社區診所環境中監測下一代健康生物指標,可為臨床醫師和患者提供更有效評估與監測健康的方法。同時,醫療保健提供者和患者亦可以使用新的工具遠距追踪健康狀態,並且實現個人化診斷、治療與護理。

目標1.1 發展下一代健康生物指標
規劃發展項目涵蓋:開發創新感測器檢測新型生物指標;橫向鄭和健康生理數據與人類生物學研究,並且利用人工智慧技術,確定健康與健康高齡化之相關標誌;分析不同種族、不同群體之健康生物標誌,以了解包括健康不平等現象、照護技術與護理服務之可及性(accessibility),以及生物標誌之多樣性;設計與展開大規模分散式臨床研究;整合與分析電子健康紀錄,識別健康生物標誌。

目標1.2 開發綜合健康診斷
具體發展項目包括:開發微型感測器與先進且便於使用的多重(multiplexed)檢測裝置;與FDA等單位及醫療健康相關專家合作發展健康監測與紀錄套組(Health Kits),且該健康套組可供每位美國人使用;建置健康套組所需的數據基礎設施與相關規範。

 

(二) 精準多體學醫學
將多體學技術(如表觀基因體學、轉錄體學、蛋白質體學、代謝體學等)導入至大型世代研究中,以提升科學家對健康與疾病產生的認知,並且能在分子基礎上對疾病進行分類,提供患者更為精準地的診斷與治療方式。

目標2.1 蒐集多體學數據
具體行動規劃包括:開發新型感測器,如以DNA分子為基礎的體內(in vivo)記錄器,以蒐集生理健康數據;透過專案投資降低新型高通量多體學技術(包括合成生物學)之開發成本。

目標2.2 實現個人多體學
具體行動規劃包括:與美國國家衛生研究院(NIH)、FDA等單位合作,制定多體學使用標準;開發能分析多體學多項且複雜之數據類型的革命性方法,如改進資料視覺化方法;創建標準化的多體學數據收集與分析方法;開發將多體學與環境、生活方式和其他表型數據相結合的臨床研究方法。

 

(三) 細胞療法生物製造
細胞療法能為患有癌症等嚴重疾病之患者提供新的治療選擇。然而目前細胞的生產製造耗時(約兩周),同時在細胞採集、篩選、運輸等方面也面臨多重挑戰。為了充分發揮細胞療法的潛力,須要改善細胞製造方式,並且提升細胞療法療效。

目標3.1 提高療效
規劃研發項目包括:開發可用於下一代細胞療法的新型基因編輯技術;將合成生物學創新與新型非病毒遞送載體(如脂質或奈米粒子載體)結合;制定運輸規範及開發儲存技術,以在不使用防腐劑情況下維持細胞活性;開發有效的臨床指標來識別適合細胞療法之患者;發展能評估製造流程對細胞療法療效的影響。

目標3.2 擴大製造規模
該目標之研發規劃包括:開發具優異再現性(reproducible)且成本更低細胞株,如同種異體細胞;依據細胞類型,標準化細胞療法生產設施,從而降低生產成本和時間;開發模組化的細胞工程平台;於符合量產品質要求的生產設施中試驗新一代生物技術產品的生產製造;與醫生及醫事人員合作制定細胞產品使用手冊,以確保患者在接受細胞治療時能達到最佳效果。

 

(四) 人工智慧驅動治療藥物生產
緊急或特定事件發生時(如COVID-19),需要大規模且快速地生產治療藥物。為了因應前述情況,需要發展新型的生物製造技術,以靈活且迅速地調整產能,實現按需求製造。人工智慧可串聯分佈於各地的實驗室與製造設備,並且實現生產優化,進而得以滿足大規模生產的需求。同時人工智慧還有助於實驗室自動化,加速藥物設計與療法開發。

目標4.1 提高藥物生產速度
建置國家生物製造資源網絡。該網絡應具備下列三項要素,包括:(1)模組化且自動化的分散式實驗室;(2)雲端虛擬研究組織(Cloud-based virtual research organization),並可與各個分散式實驗室串聯;(3)以人工智慧技術分析與模擬實驗,並且於各分散式實驗室進行實際測試與驗證。

目標4.2 利用人工智慧設計各類藥物
該目標的行動規劃包括:創建統一與標準化的實驗數據;開發新穎的人工智慧方法來設計各類藥物(包含小分子藥物與生物製劑);利用量子技術(如量子感測器與量子計算)開發出檢測靈敏度與準確度高於現有技術的檢測技術;發展能於生物製造過程中即時檢測細胞代謝物、產品品質等資訊的偵測技術。

 

(五) 先進基因編輯技術
基因編輯技術(如CRISPR-Cas9)與基因療法等技術的發展,為罕見疾病與遺傳性疾病患者提供治癒的機會。然而,目前為少數或罕見疾病患者開發出專屬的基因療法,將面臨到許多挑戰,包含安全性、有效性、成本效益等。因此,需要能針對特定基因進行編輯的先進基因編輯技術平台,並且能大量生產基因療法藥物,以克服前述挑戰。

目標5.1 提高基因治療功效
研發重心包括:以過去經驗為基礎,開發基因遞送工具、基因編輯系統;與合成生物學、奈米技術、臨床醫師等專家合作,開發可評估基因編輯工具之有效性及可配對合適的遞送載體之標準方法;結合人工智慧與臨床研究,評估基因編輯系統的安全性。

目標5.2提高基因編輯藥物製造能力
具體規劃包括:開發可大規模生產並可應用於多種疾病的基因編輯技術平台;提升委託研究機構(CRO)與委託生產製造機構(CMO)等單位之基因編輯藥物開發與製造能力。

 

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