生物技术制药论文

动物细胞工程制药的研究进展摘要动物细胞工程制药是动物细胞工程技术在制药行业方面的应用。当前动物细胞工程所涉及的主要技术领域包括细胞融合技术、细胞器特别是细胞核移植技术、染色体改造技术、转基因动植物技术和细胞大量培养技术等方面[1]。本文综合论述了动物细胞工程制药的发展简史，研究近况和制造实例，并在此基础上探讨了动物细胞工程制药的未来发展趋势和前景。关键词：动物细胞工程制药细胞融合细胞大规模培养核移植 21世纪，生物技术制药是制药行业的亮点，近25年来，世界生物技术工业飞速发展，创造了35种重要的治疗性生物技术药物。中国生物技术产业是紧跟世界产业同步发展的。2007年全球生物技术药物市场销售额已达到828亿美元。基因工程、细胞工程和酶工程组成三驾马车行驶在现代生物技术发展大道的前列。动物细胞工程在生物制药的研究和应用中起关键作用，目前全世界生物技术药物中使用动物细胞工程生产的已超过80%，例如蛋白质、单克隆抗体、疫苗等。所以对动物细胞工程制药的研究具有重要意义。一发展简史1.1开始疫苗是动物细胞技术的开始，在疫苗产业早期,往往利用动物来生产疫苗,如用家兔人工感染狂犬病毒生产狂犬疫苗,用奶牛来生产天花疫苗,用某些细菌接种到动物身上来生产抵抗该种细菌的疫苗。在1920年至1950年,已经开发了多种病毒或细菌疫苗,如伤寒疫苗、肺结核疫苗、破伤风疫苗、霍乱疫苗、百日咳疫苗、流感疫苗和黄热病疫苗等。早在1950年代,已经能够利用动物细胞培养技术来生产病毒。先在反应器中大规模培养动物细胞,待细胞长到一定密度后,接种病毒,病毒利用培养的细胞进行复制,从而生产大量的病毒,这一突破是动物细胞技术或细胞工程的真正开始。基于动物细胞技术生产的病毒疫苗包括减毒的活病毒,或是灭活的病毒。在过去的30多年时间内,用动物细胞技术生产的疫苗挽救了几百万人和动物的生命。1950年至1985年期间,细胞工程及其他技术的进步,生产了多种人用疫苗来预防脊髓灰质炎、麻疹、腮腺炎、风疹、乙肝和带状疱疹等,并用于生产多种兽用疫苗[2]。但是,这段时期对细胞表达水平的研究仍然很低,因而用这种工艺生产蛋白制品产量低、成本高,因此早期的动物细胞技术只用于疫苗及少量的干扰素和尿激酶的生产。1.2发展 1970年代的两项划时代的科学发现基因重组技术和杂交瘤技术大大促进了动物细胞技术的进步以及在工业领域的应用,使得动物细胞大规模培养技术在生产疫苗,尤其在生产天然的用于诊断和治疗疾病的生物制品中具有举足轻重的作用。动物细胞技术还用于生产许多诊断和治疗疾病的单克隆抗体。用于生化检测的单抗有几千种,而单抗用于人体疾病治疗是近几年来生物制药的一个重要领域,有几十种单抗药物正处于临床试验中。从1986年FDA批准第一种单抗治疗药物用于器官移植治疗、可以抑制排斥反应的抗CD3单克隆抗体OK-T3以来,已有9种治疗用单抗药物获得FDA批准。另外,许多将病毒的抗原决定簇基因转染到宿主细胞体内,用于生产安全性更高、疗效更好的基因工程疫苗也正在开发之中。二研究现状动物细胞工程制药主要涉及细胞融合技术、细胞器移植尤其是核移植技术、染色体改造技术、转基因技术和细胞大规模培养技术等。2.1细胞融合是用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合为一个细胞的过程。可用于产生新的物种或品系及产生单克隆抗体等。在我国目前动物细胞工程的发展中,技术最成熟的当数细胞融合。其中淋巴细胞杂交瘤在国内已普遍开展,并培育了许多具有很高实用价值的杂交瘤细胞株系,它们能分泌产生在诊断和治疗病症方面发挥重要作用的单克隆抗体。如甲肝病毒单克隆抗体[3]、抗人IgM单克隆抗体[4]、肿瘤疫苗[5]等可用于治疗疾病;抗人结肠癌杂交瘤细胞系分泌的单克隆抗体[6],巨噬细胞集落刺激因子受体)胞外区的单克隆抗体等[7]则对诊断疾病具有重要价值。由于技术已趋成熟,目前许多单克隆抗体已经进入产业化的生产阶段。2.2细胞核移植细胞核移植就是将一个动物的细胞核,移植到卵细胞中,并发育生长。核移植技术可用于具有良好发展前景的生物反应器的制备。其中乳腺生物反应器的研制是最为看好的一个转基因制药方向。利用转基因动物乳腺作为生物反应器,生产基因工程人类蛋白质药物[8],其成本较微生物发酵、动物细胞培养生产基因工程药物大大降低。但十几年来,显微注射技术一直是生产乳腺生物反应器的唯一实用手段,由于它本身固有的缺点,使得乳腺生物反应器未能有长足的步。基因打靶与核移植相结合很可能成为生产乳腺生物反应器更有效的途径,它在外源基因定点整合、消除位点效应、降低生产成本、节省时间方面具有明显的优势。核移植技术在我国特别是培育鱼类新品种方面已有多年的研究基础。目前我国在哺乳动物细胞核移植方面的研究也开展得很好，除了传统的胚胎细胞核移植外[9]，体细胞克隆也在牛、山羊、小鼠等物种上均获得了成功。如2000年6月,西北农林科技大学先后培育出了世界上第一只成年体细胞克隆山羊“元元”和第二只成年体细胞克隆山羊“阳阳”[10]。另外，在利用转基因动物作为生物反应器生产基因工程药物方面，上海人类遗传病研究所、中国农业大学、中国科学院发育所、扬州大学、新疆畜牧科学院、解放军军事医学科学院和解放军军需大学等都先后获得了可能有潜在生产人用药物蛋白价值的转基因动物。 2.3转基因动物转基因动物是指经人的有意干涉，通过实验手段将外源基因导入动物细胞中并稳定地整合到动物基因组中，且能遗传给子代的动物。让动物成为制药工厂、创造人类急需的生物制品，这一直是人们梦寐以求的。转基因动物的出现使得这一梦想正逐步成为现实。在21世纪制药工业中，最具诱人前景的无疑是应用转基因动物生产转基因药物。转基因动物生产药物与以往的制药技术相比，具有不可比拟的优越性。哺乳动物生物反应器好比在动物身上建药厂。动物的乳汁或者血液可以源源不断地为我们提供目的基因的产品。它的优越性还表现在产量高,易提纯,表达产物已经过充分修饰和加工，具有稳定的生物活性。另外，作为生物反应器的转基因动物又可无限繁殖，故具有投资成本低、药物开发周期短和经济效益高等优点。可以说转基因动物的问世，为利用基因工程手段获得低成本、高活性和高表达的药物开辟了一条重要途径。作为生物反应器的转基因动物,主要是利用其乳腺组织和血液组织进行定位表达,特别是用乳腺组织生产具有生物活性的多肽药物和具有特殊营养意义的蛋白质,已成为一个新兴的转基因制药业。至今已在以下动物的乳汁中生产出一些人类蛋白质药物:牛奶中有抗凝血酶、纤维蛋白原、人血清白蛋白、胶原蛋白、生育激素、乳缺蛋白、糖基转移酶、蛋白C等,山羊奶中有抗凝血酶原、抗胰蛋白酶、生育激素、血清白蛋白、组织型纤维溶原激活因子、单克隆抗体,绵羊奶中有抗胰蛋白酶、凝血因子IX、纤维蛋白原、蛋白质C,猪奶中亦有蛋白质C、凝血因子IX、纤维蛋白原、血红蛋白等[11]。我国在这方面的研究也很活跃,并取得了一些成果。早在1996年黄淑帧等成功制备了5头有目的基因(人凝血因子IX基因)整合的转基因羊(3公2母),其中1头母羊已于1997年9月产下小羊羔,进入泌乳期,其乳汁中含有活性的人凝血因子IX蛋白,这种凝血因子是治疗血友病的珍贵药物[12]。而近几年来的转基因产物更是如雨后春笋般的涌现出来,如潘玲、黄俊成和黄英等,分别在转基因小鼠乳汁中成功地表达了人促红细胞生成素、人胰岛素原和人血清白蛋白。转基因动物除了可在生产基因工程药物方面发挥重要作用外,还可用于建立诊断和治疗人类疾病的动物模型、生产可用于人体器官移植的动物器官等方面。863高科技展览中展示的长有“人耳”的小鼠显示了这方面的良好前景,这将有效地解决器官异体移植的生理适应难度大的问题和大幅度地降低器官异体移植的成本。2.4动物细胞培养 动物细胞培养是指离散的动物活细胞在体外人工条件下的生长、增殖的过程。动物细胞培养开始于本世纪初。1962年,其规模开始扩大,发展至今已成为生物、医学研究和应用中广泛采用的技术方法,利用动物细胞培养生产具有重要医用价值的酶、生长因子、疫苗和单抗等,已成为医药生物高技术产业的重要部分[13]。利用动物细胞培养技术生产的生物制品已占世界生物高技术产品市场份额的50%[14]。大量资料表明,生物技术药物是当前新药开发的重要领域，生物技术制药工业是下一个10年制药工业的重要新门类，期间将有数百种生物技术新药上市[15].动物细胞大规模培养技术是生物技术制药中非常重要的环节。目前，动物细胞大规模培养技术水平的提高主要集中在培养规模的进一步扩大、优化细胞培养环境、改变细胞特性、提高产品的产率与保证其质量上[16]。三制造实例如今，利用动物细胞生产的生物制品已日益增多。美国自1996年以来批准的33个产品中有25个是用动物细胞生产的。下面就几个在动物细胞工程制药的发展史上具有重要意义的产品进行介绍。3.1类淋巴细胞干扰素类淋巴细胞干扰素是由一株从Burkitt淋巴瘤的患者获取Namalva细胞生产的干扰素，它含80%左右的IFN-α，20%左右的IFN-β。该干扰素首先由英国的Wellcome公司的Fante和Finter等开发成功，并扩大至8000L罐生产。该产品1986年先在英国获准进入市场，商品名为“Wellferon”。1999年Wellferon获美国FDA批准进入美国。该干扰素获准生产在动物细胞发展技术史上是一个很重要的里程碑，因为这是第一个获准用肿瘤细胞系生产的人用药品。类淋巴细胞干扰素的生产工艺大致如下：先将细胞逐级放大直至4000L或8000L罐，培养基用RPMI1640培养基，加10%小牛血清。培养方式主要是搅拌式批次培养，当细胞密度达1×106/ml时，加入2nmol/L丁酸钠起动48h，接着用仙台病毒（50HAU/ml）诱生，18h后冷却至5～10℃，收集培养液，连续离心分离细胞，对上清液进行分离纯化。类淋巴细胞干扰素已被广泛应用于临床治疗多种病毒性疾病，如乙型肝炎、丙型肝炎，以及多种肿瘤病的治疗，如毛细血管白血病、Kaposi肉瘤等。3.2组织型纤溶酶原激活剂 据不完全统计，各种血栓病已成为许多国家人口死亡和致残的第一位原因。我国患各种血栓病的患者估计在1300万以上。对于血栓病的治疗方法多种多样，但目前主要的疗法仍是溶血栓法。组织型纤溶酶原激活剂做为第二代特异性的溶栓药于1987年被FDA批准上市。它是由美国Genetich公司用CHO细胞表达的，也是第一个用动物细胞大规模培养生产的基因工程产品。3.3尿激酶原作为第二代的又一个特异性的溶栓药，单链尿型纤溶酶原激活剂—尿激酶原目前在许多国家进行临床Ⅲ期试验，估计不久即可上市。在国内，南京大学是用大肠杆菌表达的，而军事科学院生物工程研究所则是用CHO细胞表达的，目前正和天津天士力公司一起进行试验。尿激酶原是一种碱性蛋白，具有特异的溶血栓作用，具有很好的发展前景。3.4促红细胞生成素促红细胞生成素，又称血细胞生成素、红细胞刺激因子，是一种酸性糖蛋白，是第一个被发现并批准应用于临床的造血生长因子，也是迄今为止产值最高的基因工程产品。它主要用于多种贫血，包括慢性肾衰性贫血、恶性肿瘤放疗和化疗引起的贫血等。由于该药的用量很小，因此有的单位仍采用传统的转瓶生产工艺。也有单位为了达到高产目的，采用了固定化灌流培养的生产工艺。3.5凝血因子Ⅷ由先天性缺乏凝血因子Ⅷ而引起的出血称为甲型血友病，早期治疗采用输入全血或血浆，但由于血浆内凝血因子Ⅷ的浓度很低，因此效果不理想。20世纪80年代以后，采用单克隆抗体亲和层析，使产品的纯度进一步提高。尤其是由于研究成功了一系列血浆的病毒灭菌法后，使由血浆制备的“极纯”产品，如Monoclate等一直沿用至今。3.6乙型肝炎疫苗乙型肝炎是由乙肝病毒引起的，约占所有病毒性肝炎的40%，它可以急性发病也可以形成慢性肝炎，并进而引发肝硬化、肝癌，而其中很大的一部分人是健康的病毒携带者，不出现症状，但表面抗原阳性，常常是重要的传染源。在我国，这样的慢性病毒携带者约有一亿人，是对公共卫生的一个重要威胁。 至今已被批准的乙肝工程疫苗有两种宿主细胞的，一种是酵母表达的，另一种是CHO细胞表达的。我国病毒研究所的任贵方等在1987年就研究成功了用CHO细胞表达的疫苗。他们用的是NBS公司生产的微载体篮式生物反应器连续灌注培养CHO细胞，然后以14000r/min连续离心去除细胞残骸提取上清，再经ButylSSepharoseFastFlow疏水柱层析—SephadexG25脱盐—DEAESepharoseFastFlow阴离子交换柱层析—Sepharose4FastFlow凝胶过滤，即可得纯品[17]。四展望动物细胞工程制药是从疫苗开始的，迄今已有悠久的历史。动物细胞工程制药中目前运用的主要手段有：细胞融合、核移植、转基因动物、细胞培养等。随着细胞工程技术研究的不断深入,我们必能开发出更具有安全性，有效性的技术手段。目前已研发的细胞产品实例主要有类淋巴细胞干扰素，组织型纤溶酶原激活剂，尿激酶原，促红细胞生成素，凝血因子Ⅷ，乙型肝炎疫苗。随着继续深入的研究，更多的不同结构的细胞产品将应用于临床。动物细胞工程不仅可大量工业生产天然稀有的药物,而且其产品具有高效性和对疾病鲜明的针对性。因而,动物细胞工程药物的发展必将给制药工业带来一次革命性飞跃,在人类的医疗保健中发挥越来越重要的作用。作为现代生物技术之一的细胞工程技术在近半个世纪来突飞猛进,并已在医药领域取得了许多具有开创性的研究成果,如通过细胞融合技术形成的杂交瘤细胞生产的单克隆抗体已广泛用于临床治疗,并显示出独特的疗效,获得了很好的社会和经济效益。随着细胞工程技术研究的不断深入,它的前景及其产生的影响将会日益地显示出来。 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