動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞工程制藥探討論文
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摘要：
細(xì)胞工程是生物制藥工業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，其在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用使得生物制藥行業(yè)得到了極大的發(fā)展，細(xì)胞工程制藥前景廣闊。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)的整理和分析，概述了細(xì)胞工程制藥領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)及其在生物制藥工業(yè)中應(yīng)用的意義與展望。
關(guān)鍵詞:
細(xì)胞工程;生物制藥;動(dòng)物細(xì)胞工程;植物細(xì)胞工程;轉(zhuǎn)基因;反應(yīng)器;
1、生物制藥及細(xì)胞工程概述
生物制藥是生物技術(shù)的綜合利用，從生物體、生物組織、細(xì)胞和體液中分離出有效成分，制備用于預(yù)防、治療和診斷的產(chǎn)品[1]。天然的生物材料賦予了生物制藥安全性高、副作用小、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的特點(diǎn)，這些顯著的優(yōu)勢(shì)使生物藥物越來越受人們的青睞，這也是生物藥物市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的重要原因之一。
細(xì)胞工程是以細(xì)胞為研究對(duì)象，按照需求利用細(xì)胞和分子生物學(xué)的理論設(shè)計(jì)和操作，使細(xì)胞在遺傳學(xué)上的特性發(fā)生變化，達(dá)到改良或創(chuàng)造新品種的目的，在大規(guī)模地培養(yǎng)和繁殖后，最終提取出對(duì)人類有利的產(chǎn)品。在工業(yè)上，主要包括上游工程(包括細(xì)胞培養(yǎng)、遺傳操作和保存)和下游工程(包括轉(zhuǎn)化細(xì)胞在生物制品生產(chǎn)中的應(yīng)用)[2]。如今，細(xì)胞工程在生物制藥工業(yè)發(fā)揮著不可替代的作用。
2、動(dòng)物細(xì)胞工程制藥
2.1、動(dòng)物細(xì)胞工程制藥的概述及早期發(fā)展
動(dòng)物細(xì)胞工程制藥最早能夠追溯到20世紀(jì)50年代，用動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)病毒，也就是在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞，進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)后，再接種減毒或滅活的病毒來生產(chǎn)疫苗[3]。常見的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)流程，一般是先將動(dòng)物組織分散成單個(gè)細(xì)胞、細(xì)胞群(團(tuán))后，接種于培養(yǎng)基中進(jìn)行原代培養(yǎng)，再經(jīng)過10～50代的傳代培養(yǎng)，就初步得到了需要的細(xì)胞系。然而，由于自然界的細(xì)胞普遍表達(dá)水平低，通過這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅產(chǎn)量低，而且成本高，因此，早期動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)并沒有得到充分的重視。
2.2、雜交瘤技術(shù)
雜交瘤技術(shù)在20世紀(jì)70年代的創(chuàng)建，是動(dòng)物細(xì)胞技術(shù)發(fā)展新的里程碑。隨著雜交瘤技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，各種新產(chǎn)物相繼出現(xiàn)，在生產(chǎn)用于疾病診斷和治療的生物制品中具有重要意義[3]。1984年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了創(chuàng)立抗原選擇抗體學(xué)說以及發(fā)明單克隆抗體技術(shù)的3位科學(xué)家。他們提出將能夠分泌特異性抗體的B淋巴細(xì)胞與能夠無限增殖的骨髓瘤細(xì)胞融合篩選，形成能產(chǎn)生特定抗體的雜交瘤細(xì)胞。這種方法得到的融合細(xì)胞可以穩(wěn)定生產(chǎn)特異性強(qiáng)、效價(jià)高的單克隆抗體。
2.3、動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)
動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模生產(chǎn)指在人工條件下，在細(xì)胞生物反應(yīng)器內(nèi)大量培養(yǎng)有用的動(dòng)物細(xì)胞，是生產(chǎn)藥品的技術(shù)，也是制藥業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。由于動(dòng)物細(xì)胞對(duì)外界環(huán)境變化高度敏感，細(xì)胞培養(yǎng)放大工藝需要從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模逐級(jí)放大到生產(chǎn)規(guī)模，各個(gè)反應(yīng)器中工藝的差別成為目前放大過程的一大技術(shù)挑戰(zhàn)[4]。通過動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)生物制品已成為全球生物產(chǎn)業(yè)的主要支柱，目前通過動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)獲得較多的生物制劑是蛋白和抗體。
2.4、動(dòng)物生物反應(yīng)器
動(dòng)物生物反應(yīng)器可以從轉(zhuǎn)基因動(dòng)物體內(nèi)源源不斷地獲得人類需要的某種蛋白，并進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)蛋白質(zhì)。依據(jù)產(chǎn)生蛋白部位的不同，可分為多種類型的生物反應(yīng)器，如血液生物反應(yīng)器、唾液腺生物反應(yīng)器等。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，由于雌性動(dòng)物的乳腺能夠高效表達(dá)重組蛋白并進(jìn)行一定的修飾，乳腺生物反應(yīng)器成為最被看好的生物反應(yīng)器發(fā)展方向。隨著技術(shù)的發(fā)展，乳腺生物反應(yīng)器的產(chǎn)物已經(jīng)擴(kuò)大到了抗凝血酶、凝血因子、人蛋白，還有各種溶菌酶、超氧化物歧化酶、干擾素等許多具有極高醫(yī)用價(jià)值的酶或細(xì)胞因子。作為一種全新的生物生產(chǎn)模式，由于其在生產(chǎn)天然產(chǎn)物時(shí)的高產(chǎn)量、低成本的優(yōu)勢(shì)[5]，乳腺生物反應(yīng)器在生物醫(yī)藥行業(yè)將得到更廣泛的應(yīng)用。
2.5、動(dòng)物細(xì)胞核移植
動(dòng)物細(xì)胞核移植在細(xì)胞工程中同樣具有良好的前景。將動(dòng)物的供體細(xì)胞核取出，注入另一個(gè)去核并且處于減數(shù)分裂中期的卵母細(xì)胞，改變細(xì)胞的遺傳特性，以產(chǎn)生新產(chǎn)品，再將其進(jìn)行體外培養(yǎng)、繁殖、純化、提取，最終用于疾病治療。我國(guó)對(duì)魚類的核移植研究最早，“中國(guó)克隆之父”童第周在20世紀(jì)60年代就完成了世界上第一例魚類細(xì)胞核移植。后來，我國(guó)學(xué)者又嘗試在其他多種品系魚類之間進(jìn)行核質(zhì)融合實(shí)驗(yàn)，并利用模式動(dòng)物斑馬魚，揭示魚類核移植后再程序化的分子機(jī)制，取得了巨大的研究成果，推動(dòng)了魚類核移植技術(shù)及其他相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展[6]。如今，動(dòng)物細(xì)胞工程在生物制藥領(lǐng)域意義重大。由于動(dòng)物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和分工的明確[7]，動(dòng)物細(xì)胞工程具有巨大的優(yōu)勢(shì)。
3、植物細(xì)胞工程制藥
3.1、植物細(xì)胞工程制藥的概述及早期發(fā)展
將植物直接入藥或者從植物體中提取有效成分是一種生產(chǎn)藥物的傳統(tǒng)方法。隨著技術(shù)的成熟，處理和提取過程越來越簡(jiǎn)便，目前多種中藥都是這樣生產(chǎn)的。但是，這樣的方法只適合容易栽培、繁殖速度快的植物，對(duì)于那些生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、提取難度大的植物并不適合，所以受到了諸多限制。比如擁有抗癌成分的紅豆杉曾因?yàn)槿藗兊拇笠?guī)模砍伐，遭受了毀滅性的破壞[8]。
植物細(xì)胞工程制藥，是將植物細(xì)胞作為基本研究單位，對(duì)植物細(xì)胞進(jìn)行一系列操作，改變植物細(xì)胞生物特性，最終達(dá)到改良或培育新品種的目的[9]。應(yīng)用植物細(xì)胞及組織培養(yǎng)，具有雜質(zhì)少、提取簡(jiǎn)單、有效成分含量高和培養(yǎng)周期短的優(yōu)勢(shì)。植物細(xì)胞工程制藥目前主要體現(xiàn)在組織及細(xì)胞培養(yǎng)、遺傳特性改造以及轉(zhuǎn)基因植物等方面。
3.2、植物細(xì)胞工程大規(guī)模培養(yǎng)
最早提出應(yīng)用植物大規(guī)模提取天然藥物的是20世紀(jì)50年代美國(guó)的科學(xué)家，他們從多升發(fā)酵罐中得到了大量藥用成分呋喃色酮。我國(guó)作為植物藥用歷史最悠久的國(guó)家之一，應(yīng)用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)能夠幫助我國(guó)傳統(tǒng)中藥材發(fā)揮更大的價(jià)值。
丹參是具有活血化瘀、通經(jīng)止痛功效的一味中藥，其中的主要成分——酚酸類和二萜類，藥理作用主要表現(xiàn)在對(duì)心血管系統(tǒng)疾病的治療。目前，由于丹參有效成分含量低、生長(zhǎng)緩慢，野生丹參資源遭到大規(guī)模破壞，加上各地培育出的品種質(zhì)量良莠不齊等原因，其在數(shù)量以及質(zhì)量上都難以滿足市場(chǎng)的供給需求[10]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，用一種10L規(guī)模的特殊植物組織反應(yīng)器培養(yǎng)丹參發(fā)根，僅用50天，鮮重增殖倍數(shù)高達(dá)240倍，各種有效成分含量也得到大幅度提升。這是一種非常適合丹參發(fā)根生長(zhǎng)及產(chǎn)物積累的方法，而且避免了農(nóng)藥等物質(zhì)的污染。
3.3、植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)
轉(zhuǎn)基因植物與轉(zhuǎn)基因動(dòng)物相比有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一方面植物細(xì)胞具有全能性，細(xì)胞培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單且易于成活；另一方面進(jìn)入植物體的外源基因，可以在與其他植物雜交的過程中積累有益基因優(yōu)化表達(dá)。利用轉(zhuǎn)基因植物也能生產(chǎn)疫苗，以植物作為生物反應(yīng)器，將攜帶抗原基因的載體導(dǎo)入受體細(xì)胞，在植物體內(nèi)表達(dá)和修飾這類特定抗原，成為具有免疫活性的蛋白質(zhì)。香蕉、胡蘿卜、土豆等都可以作為受體植物。一些轉(zhuǎn)化編碼基因的植物疫苗，如HBsAg、LTB、諾沃克病毒等，已被用于預(yù)防和治療乙型肝炎及細(xì)菌性腹瀉。在生物和臨床試驗(yàn)中，均展示了良好的免疫應(yīng)答，相較于傳統(tǒng)疫苗，具有生產(chǎn)成本低、成功率高、易形成規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。盡管植物轉(zhuǎn)基因疫苗的研究還處于起步階段，但我國(guó)報(bào)道的轉(zhuǎn)基因植物生物試驗(yàn)已經(jīng)取得了一些成果[11]，成為我國(guó)制藥業(yè)的重要進(jìn)步。
3.4、植物生物反應(yīng)器
植物生物反應(yīng)器，又名“植物基因藥廠”。這種技術(shù)拓寬了藥用蛋白及疫苗的來源，在降低成本的同時(shí)，擴(kuò)大了生物制藥產(chǎn)業(yè)規(guī)模，并產(chǎn)生了巨大的商業(yè)價(jià)值。植物生物反應(yīng)器的研發(fā)，對(duì)于在全球范圍內(nèi)搶占生物經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)有著重要的意義，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都已把植物生物反應(yīng)器的研發(fā)列入了國(guó)家重點(diǎn)生物技術(shù)研究的戰(zhàn)略性計(jì)劃[12]。我國(guó)開發(fā)植物作為反應(yīng)器始于20世紀(jì)90年代，目前對(duì)于植物生物反應(yīng)器的研發(fā)和投入與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距。在我國(guó)“九五”計(jì)劃對(duì)這一項(xiàng)目進(jìn)行政策扶持后，目前已經(jīng)取得了大幅度進(jìn)展[13]。
4、細(xì)胞工程制藥的意義與展望
研究細(xì)胞工程制藥的研究進(jìn)展和前景，對(duì)于制藥業(yè)的發(fā)展有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上50%的醫(yī)藥產(chǎn)品來自細(xì)胞工程制藥，其中，植物細(xì)胞提取物和動(dòng)物細(xì)胞提取物大約各占1/2。細(xì)胞工程在生物制藥工業(yè)中占據(jù)重要地位，為新藥開發(fā)提供了技術(shù)操作基礎(chǔ)，在治療免疫性疾病、提升治病療效、創(chuàng)新醫(yī)藥品等方面都有廣泛的應(yīng)用[8]，細(xì)胞工程制藥的研究在不斷取得突破，其影響和前景也日漸得到展現(xiàn)。如今，生物制藥與細(xì)胞工程已經(jīng)緊密聯(lián)系在一起，隨著細(xì)胞工程技術(shù)在生物制藥生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用，生物制藥行業(yè)發(fā)展迅速，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[14]。
伴隨著更多新興技術(shù)的出現(xiàn)和更新，在未來細(xì)胞工程制藥研發(fā)過程中，可以充分利用各種技術(shù)平臺(tái)尋找最佳研究方案。與其他相關(guān)領(lǐng)域的結(jié)合，也將更好地推動(dòng)我國(guó)生物制藥領(lǐng)域的發(fā)展。近半個(gè)世紀(jì)以來，細(xì)胞工程制藥發(fā)展迅猛，并且已在醫(yī)藥領(lǐng)域取得了眾多的研究成果。所以，在“十四五”規(guī)劃期間，應(yīng)更加重視戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，進(jìn)一步加快和壯大新一代生物技術(shù)的發(fā)展。
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