植物生物反应器制药的商品化进展及展望_郭嫣秋

２ ０ １ １年
抗体面临抗体的复杂性及转译后修饰及蛋白质化等挑战 ， 植物不仅提供廉价的生产平台 ， 植物源抗体的成
［］ 本仅为哺乳动物细胞培养的 ０． 而且还可以组装成多聚抗体 ， 生产 １％ ～１％ 和微生物系统的 ２％ ～１ ０％ ６ ，
， 定制的药用蛋白 ． 自从 １ 不同片段从单链 Ｆ 包 ９ ８ ９ 年第一个重组抗体在植物中获得表达后 ， ｖ 片段 （ Ｓ ｃ Ｆ ｖ ｓ ， ， 含重链和轻链的可变区 ， 通过 灵 活 的 肽 连 接 ） 的Ｆ 组 装 轻 链 和 缩 短 重 链） 到小免疫蛋白（ ａ ｂ片段（ Ｓ Ｉ Ｐ） ， 嵌合分泌免疫球蛋白 Ａ 和单域抗体均获得表达 ７－８ ． Ｉ Ｇ ｓ ｇ 在植物中表达具有生物活性抗体主要通过两大途径 ： 一种是对单独转 基 因 植 株 交 叉 授 粉 表 达 轻 链 或
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（ 、 治疗蛋白 （ 和抗体 （ 我国植物生物反应器的研究始于 ２ 检索我国国 ５ ５％ ） ３ ８％ ） ７％ ） ． ０ 世纪 ９ ０ 年代初期 ， 家专利局数据库发现 ， 专利内容包括疫苗 、 治疗蛋白和抗体 ， 趋势与国际一致 ； 专利涵盖高效植物表达载体 构建 、 转基因植物培育 、 不同植物表达系统 （ 烟叶 、 土豆 、 玉米 、 中草药等 ） 等主要技术环节 ， 且大多数专利由 代表性专利列于表 １． 高校等研究机构申请 ，
植物生物反应器广义上指以植物悬浮细胞培养或整株植物为加工场所大量生产具有重要功能或药用 ， 人或动物的疫苗 、 抗体 、 重要的氨基酸等 ） 植物细胞 、 组织或整株植物既可以是天然的也可以 价值的蛋白 （
１］ 是经过基因工程改造的 ， 以它们作为植物工厂大量生产各种高价值的生物制品 ［ ．
最近１ 许多研究证实植物系统具有表达活性哺乳动物蛋白的能力 ， 在产品质量、 成本和安全方面已显 ０年， 并很快得到科学家和生物制药业的认可． 据预测， 未来５ 现出优势， １ ０年植物将成为临床治疗或诊断药品的主 ～ ［ ］ ２ 要生产系统 ． 该文阐述了植物生物反应器制药的优点 ， 对植物生物反应器生产疫苗 、 单抗、 治疗用蛋白等的研 并总结了目前进入临床研究和上市的产品， 展望未来的应用前景． 究现状和专利情况进行概况，
３ 植物生物反应器制药的研究现状
３． １ 植物源疫苗抗原 疫苗是针对特定的疾病提高免疫力的一种抗原制剂 ． 通过减毒或灭活 的 传 统 方 法 生 产 大 量 疫 苗 存 在 内在风险 ， 疫苗生产转向利用细菌 、 酵母和哺乳动物细胞生产非复制型病毒蛋白亚单位疫苗 ． 然而 ， 这些表 较目前的生产系统 ， 植物生物反应器存在众多潜在优势 ， 包括大规模生产 ， 降低生 达系统也存在一些问题 ． 产成本与口服给药方案以及糖基化亚单 位 疫 苗 的 宿 主 ， 因此 植 物 作为 疫 苗 生产 的 平台 应 运 而 生． 自从２ ０
９］ 与抗原的结合活性与中国仓鼠卵巢源 （ 细胞产生的抗体一致 ［ ＣＨＯ） ．
３． ３ 治疗和保健用蛋白
１ ０］ 第一个植物中表达 的 治 疗 性 人 类 蛋 白 质 是 人 类 生 长 激 素 ［ 人 血 清 白 蛋 白 通 常 是 从 血 液 中 分 离， ． ［１］ 此后 ， 许多蛋白质在植 物 中 表 达 ， 包 括 表 皮 生 长 因 子， 用于 １ ９ ９ ０ 年首次在转基因烟草和马铃薯中产生 １ ． ［ ［ ［ １ ２］ １ ３］ １ ４］ 促红细胞生成素 ， 治疗克罗恩病的白细胞介素 ， 治疗 治疗乙型肝炎和丙型肝炎 α －， －和 γ－干扰素 ， β ［５］ 糖尿病的胰岛素 ， 治疗 Ｇ 等． 我国科学工作者首次在番茄果实 ａ ｕ ｃ ｈ ｅ ｒ疾病的人类葡糖脑苷脂酶 １ ２ ０ ０ ８年， ［ １ ６］ （ ） 中成功表达具有生物活性 ４ 连体胸腺素 α １ ４×Ｔ １ ． α ］ １ ７ ， 抗菌保健品 ， 如人乳铁蛋白和溶菌酶 ， 目前已成功地在几种作物中表达 ［ 以精细化学品的形式问市 ．
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物生产药用重组蛋白的成本 ， 仅为利用大肠杆菌发酵生产成本的 ２％ ～１ ０％． 但植物生物反应器制药也面临着表达水平低 、 错误蛋白修饰和下游加工技术限制等瓶颈问题 ， 需要在 未来一段时间内得到改良 ．
２ 植物生物反应器制药的专利现状
［］ 专利申请的领域呈明显的下降 Ｄ ｒ ａ ｋ ｅ等 ３ 研究 ２ ０ ０ ２至２ ０ ０ ８ 年间植物生物 反 应 器 制 药 的 专 利 发 现 ， 趋势 ， 大量的专利由来自公共机构的发明人申请 ． 美国最多 ， 其申请的专利占 ３ 大部分的专利为疫 苗 ０％．
表 １ 植物生物反应器制药专利检索 Ｔ ａ ｂ ． １ Ｐ ａ ｔ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｔ ｒ ｉ ｅ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｌ ａ ｎ ｔ ｂ ｉ ｏ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｈ ａ ｒ ｍ ａ ｃ ｅ ｕ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｐ 表达产物 人类胰岛素／人类表皮生长因子 霍乱疫苗 口服禽流感疫苗 ， 乙肝表面抗原 重组口蹄疫疫苗 牛病毒性腹泻病毒转基因疫苗 口蹄疫疫苗 丙肝病毒疫苗 口蹄疫疫苗 乙肝病毒疫苗 植物 灵芝 ， 莴苣 ， 蕃茄 ， 烟草 胡萝卜 盐藻 ， 花生子叶 烟草 黄芪 莴苣叶绿体 ， 油菜叶绿体 可食性植物 烟草 人参愈伤组织细胞 公司 北京大学 中国科学院 郑州大学 上海植物生理所 吉林农业大学 中国科学院 青岛科技大学 云南烟草研究所 长春生物制品研究所 申请 （ 专利 ） 号 Ｃ Ｎ ０ ３ １ ０ ９ ７ ３ ９． １， Ｃ Ｎ ０ ３ １ １ ９ ５ ８ ５． ７， Ｃ Ｎ ０ ２ １ ０ ４ １ ７ ６． ８， Ｃ Ｎ ０ ０ １ ２ ２ ８ ０ ２． １ Ｃ Ｎ ９ ９ １ １ ９ ５ ０ ５． １ Ｃ Ｎ ０ １ １ ２ ８ ４ ８ ６． ２ Ｃ Ｎ ０ ０ １ １ １ ４ ９ １． ３ Ｃ Ｎ ２ ０ １ ０ １ ０ １ ２ ０ ７ ５ ９． ５ Ｃ Ｎ ０ １ １ ４ ５ １ ６ ６． １， Ｃ Ｎ ０ １ １ ４ ５ １ ６ ５． ３ Ｃ Ｎ ２ ０ ０ ６ １ ０ ０ ７ ８ ０ ４ １． ８ Ｃ Ｎ ２ ０ ０ ５ １ ０ ０ １ ０ ７ ２ ８． ３ Ｃ Ｎ ０ ３ １ ２ ０ ９ ８ １． ５
第１ ０卷第４期 ２ ０ １ １年７月
杭州师范大学学报 （ 自然科学版 ）
（ ） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｙ
１ 植物生物反应器制药的优点
通过植物基因工程技术 ， 在转基因植物中生产药用蛋白及多肽疫苗 ， 具有微生物或动物反应器不可替
１］ 代的独特优点 ［ 首先 ， 植物系统易 于 转 化 和 大 规 模 生 产 ， 可 以 自 动 表 达 动 物、 人 类、 细 菌、 病毒等外源蛋 ．
白， 而且价格低廉 ， 因此利用转基因植物开发畜禽疫苗是一种最经济和有效 的 途 径 ． 细菌在发酵过程中常 不易对真核生物的蛋白进行有效的翻译后加工 ， 如将其重新溶解并折叠成天然蛋白质则需要 产生包涵体 ， 很高的成本 ， 而且本身可能是人类病原物 ． 动物细胞培养所需的生长培养基 相 当 昂 贵 ， 在细胞培养过程中 可能感染动物病毒而对人类健康造成潜在危害 ． 就粮食作物而言 ， 作物的田间种植比其他任何系统更加低 廉有效 ， 作物能进行自身光合作用和物质代谢循环 ， 生产出人类所需的转基 因 产 品 ． 而且随着现代作物栽 培技术的不断发展 ， 人类食用的常规粮食作物可以科学种植 ， 相关植物生物 反 应 器 产 品 可 通 过 种 子 、 果实 或块茎表达 ， 便于贮藏 、 运输和利用 ． 其次 ， 转基因植物生物反应器产物的生理生化特性和生物活性与天然 产物几乎完全相同 ， 省去了对下游产物进行完全分离或纯化步骤 ， 降低了生产成本 ． 据推算 ， 利用转基因植
４］ 年前报道的第一个植物源性疫苗 ， 许 多 疫 苗 已 经 在 植 物 中 获 得 表 达［ 乙肝表面抗原已经在转基因马铃 ．
番茄 、 香蕉 、 烟草细胞悬浮培养中 表 达 ， 大肠杆菌的热不稳定肠毒素 Ｂ 亚单位（ 已在马铃薯块块 薯、 Ｌ Ｔ Ｂ） 根、 玉米种子 、 烟草和大豆中表达 ． 霍乱弧菌的霍乱毒素 Ｂ 亚基（ 已 在 烟 草、 番茄和水稻等作物中表 Ｃ Ｔ Ｂ） 达． 以兽用为目的的植物源疫苗 ， 包括禽流感 、 新城疫 、 口蹄疫和肠毒素大肠杆菌的疫苗也在植物中获得表 牛瘟血凝素蛋白在木豆和花生中获得表达 ． 其他包括人类乳头状瘤病毒１ 诺瓦克 达， １ 型和１ ６型 Ｌ １ 蛋白 、 麻疹病毒血凝素蛋白和 Ｈ 也在烟草 、 土豆和胡萝卜中获得表达 ． 另外 ， 美 病毒衣壳蛋白 ， ５ Ｎ １ 型流感疫苗 ， 国国防署赞助研究和开发针对炭疽 、 蓖麻毒素 、 鼠疫和出血猪瘟病毒的各种生物防御疫苗 ． ３． ２ 植物源抗体 抗体或免疫球蛋白 （ 是血清蛋白 质 ， 具有与目标分子高 特 异 性 结 合 的 特 点， 广 泛 应 用 于 预 防、 检 Ｉ Ｇ） ｇ 到目前为止 ， 只有单克隆抗体被用于治疗关节炎 、 癌症 、 免疫及炎症性疾病 ． 现已发现 ， 重组 测和治疗疾病 ． 抗体会对病原体产生被动免疫 ， 可以用 于 防 治 传 染 性 疾 病 ， 尤其是面临微生物耐药性增加和新病原体出
Ｖ ｏ ｌ ． １ ０Ｎ ｏ ． ４ Ｊ ｕ ｌ ． ２ ０ １ １
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ２ ３ ２ Ｘ． ２ ０ １ １． ０ ４． ０ １ ３ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ４ － ｊ
植物生物反应器制药的商品化进展及展望
郭嫣秋
（ ） 拜耳技术工程 （ 上海 ） 有限公司 ， 上海 ２ ０ １ ５ ０ ７
［ ］
使其产量达到总植物蛋白的 １％ ～５％ ； 另一种将重链和轻链基因一起转移到单个 、 双个或更多的表 重链 ， — — 变形链球菌的表面抗原分泌的抗体与鼠原 Ｉ 达盒进行表达 ． 通过上述方法获得的植物源抗体 — Ｇ 一样 ｇ 有效 ， 该抗体用于保护牙齿免受变形链球菌的定植 ． 最近 ， 玉米种子生产的艾滋病毒特异性单克隆抗体 ， 其
摘 要 ：利用植物生物反应器生产药品是生物制药的一个分支 ， 该技术通 过 基 因 工 程 植 物 生 产 药 用 蛋 白 质 分子 、 肽和二级代谢物 ， 具有成本低 、 规模化生产等优点 ． 文章综述了植物生物反应器制药的国 内 外 专 利 情 况 ， 专 利内容包括疫苗 、 治疗蛋白和抗体等研究对象 ， 我国专利 申 请 数 量 以 疫 苗 为 最 多 ， 大 多 由 高 校 等 研 究 机 构 申 请； 阐述了国内外植物源疫苗 、 抗体 、 治疗和保健用蛋白等的研究现状及开发重点 ； 并对临床研究进展 和 上 市 的 植 物 生物反应器产品进行总结 ， 到目前为止已有两个植物生物反应器生产的药用产品获得批准 ． 关键词 ：植物 ； 生物反应器 ； 制药 ； 疫苗 ； 抗体 ； 治疗蛋白 ； 商品化 中图分类号 ：Ｑ ８ １ ９ 文献标志码 ：Ａ ） 文章编号 ： １ ６ ７ ４ ２ ３ ２ Ｘ（ ２ ０ １ １ ０ ４ ０ ３ ４ ８ ０ ６ － － －
５］ 现［ 虽然市场需求在不断增长 ， 但是 高 昂 的 生 产 成 本 阻 碍 了 其 成 功 作 为 治 疗 传 染 病 的 手 段 进 入 医 疗 市 ．
场． 因此 ， 要求降低生产成本实现大规模生产的呼声越来越高 ． 利用已建立的 哺 乳 动 物 细 胞 生 产 系 统 生 产
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杭州师范大学学报 （ 自然科学版 ）
收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ５ ０ １ － － ， ： 作者简介 ： 郭嫣秋 （ 女， 浙江杭州人 ， 博士 ， 主要从事生物技术转移及产业化研究 ． １ ９ ８ １—） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｕ ｏ ａ ｎ ｉ ｕ＠ｓ ｏ ｈ ｕ． ｃ ｏ ｍ ｇ ｙ ｑ
第４期
郭嫣秋 ： 植物生物反应器制药的商品化进展及展望