动物细胞工程制药研究进展论文

动物细胞和植物细胞工程制药探讨论文

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摘要：

细胞工程是生物制药工业中的关键技术，其在医药领域的应用使得生物制药行业得到了极大的发展，细胞工程制药前景广阔。通过对相关文献和数据的整理和分析，概述了细胞工程制药领域相关技术及其在生物制药工业中应用的意义与展望。

关键词:

细胞工程;生物制药;动物细胞工程;植物细胞工程;转基因;反应器;

1、生物制药及细胞工程概述

生物制药是生物技术的综合利用，从生物体、生物组织、细胞和体液中分离出有效成分，制备用于预防、治疗和诊断的产品[1]。天然的生物材料赋予了生物制药安全性高、副作用小、营养价值较高的特点，这些显着的优势使生物药物越来越受人们的青睐，这也是生物药物市场不断扩大的重要原因之一。

细胞工程是以细胞为研究对象，按照需求利用细胞和分子生物学的理论设计和操作，使细胞在遗传学上的特性发生变化，达到改良或创造新品种的目的，在大规模地培养和繁殖后，最终提取出对人类有利的产品。在工业上，主要包括上游工程(包括细胞培养、遗传操作和保存)和下游工程(包括转化细胞在生物制品生产中的应用)[2]。如今，细胞工程在生物制药工业发挥着不可替代的作用。

2、动物细胞工程制药

2.1、动物细胞工程制药的概述及早期发展

动物细胞工程制药最早能够追溯到20世纪50年代，用动物细胞生产病毒，也就是在生物反应器中培养动物细胞，进行大规模培养后，再接种减毒或灭活的病毒来生产疫苗[3]。常见的动物细胞培养技术流程，一般是先将动物组织分散成单个细胞、细胞群(团)后，接种于培养基中进行原代培养，再经过10～50代的传代培养，就初步得到了需要的细胞系。然而，由于自然界的细胞普遍表达水平低，通过这种方法生产的产品不仅产量低，而且成本高，因此，早期动物细胞培养并没有得到充分的重视。

2.2、杂交瘤技术

杂交瘤技术在20世纪70年代的创建，是动物细胞技术发展新的里程碑。随着杂交瘤技术在工业领域的应用，各种新产物相继出现，在生产用于疾病诊断和治疗的生物制品中具有重要意义[3]。1984年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了创立抗原选择抗体学说以及发明单克隆抗体技术的3位科学家。他们提出将能够分泌特异性抗体的B淋巴细胞与能够无限增殖的骨髓瘤细胞融合筛选，形成能产生特定抗体的杂交瘤细胞。这种方法得到的融合细胞可以稳定生产特异性强、效价高的单克隆抗体。

2.3、动物细胞大规模生产技术

动物细胞大规模生产指在人工条件下，在细胞生物反应器内大量培养有用的动物细胞，是生产药品的技术，也是制药业的关键技术。由于动物细胞对外界环境变化高度敏感，细胞培养放大工艺需要从实验室规模逐级放大到生产规模，各个反应器中工艺的差别成为目前放大过程的一大技术挑战[4]。通过动物细胞生产生物制品已成为全球生物产业的主要支柱，目前通过动物细胞培养获得较多的生物制剂是蛋白和抗体。

2.4、动物生物反应器

动物生物反应器可以从转基因动物体内源源不断地获得人类需要的某种蛋白，并进行工业化生产蛋白质。依据产生蛋白部位的不同，可分为多种类型的生物反应器，如血液生物反应器、唾液腺生物反应器等。科学家发现，由于雌性动物的乳腺能够高效表达重组蛋白并进行一定的修饰，乳腺生物反应器成为最被看好的生物反应器发展方向。随着技术的发展，乳腺生物反应器的产物已经扩大到了抗凝血酶、凝血因子、人蛋白，还有各种溶菌酶、超氧化物歧化酶、干扰素等许多具有极高医用价值的酶或细胞因子。作为一种全新的生物生产模式，由于其在生产天然产物时的高产量、低成本的优势[5]，乳腺生物反应器在生物医药行业将得到更广泛的应用。

2.5、动物细胞核移植

动物细胞核移植在细胞工程中同样具有良好的前景。将动物的供体细胞核取出，注入另一个去核并且处于减数分裂中期的卵母细胞，改变细胞的遗传特性，以产生新产品，再将其进行体外培养、繁殖、纯化、提取，最终用于疾病治疗。我国对鱼类的核移植研究最早，“中国克隆之父”童第周在20世纪60年代就完成了世界上第一例鱼类细胞核移植。后来，我国学者又尝试在其他多种品系鱼类之间进行核质融合实验，并利用模式动物斑马鱼，揭示鱼类核移植后再程序化的分子机制，取得了巨大的研究成果，推动了鱼类核移植技术及其他相关领域的快速发展[6]。如今，动物细胞工程在生物制药领域意义重大。由于动物细胞结构的复杂性和分工的明确[7]，动物细胞工程具有巨大的优势。

3、植物细胞工程制药

3.1、植物细胞工程制药的概述及早期发展

将植物直接入药或者从植物体中提取有效成分是一种生产药物的传统方法。随着技术的成熟，处理和提取过程越来越简便，目前多种中药都是这样生产的。但是，这样的方法只适合容易栽培、繁殖速度快的植物，对于那些生长周期长、提取难度大的植物并不适合，所以受到了诸多限制。比如拥有抗癌成分的红豆杉曾因为人们的大规模砍伐，遭受了毁灭性的破坏[8]。

植物细胞工程制药，是将植物细胞作为基本研究单位，对植物细胞进行一系列操作，改变植物细胞生物特性，最终达到改良或培育新品种的目的[9]。应用植物细胞及组织培养，具有杂质少、提取简单、有效成分含量高和培养周期短的优势。植物细胞工程制药目前主要体现在组织及细胞培养、遗传特性改造以及转基因植物等方面。

3.2、植物细胞工程大规模培养

最早提出应用植物大规模提取天然药物的是20世纪50年代美国的科学家，他们从多升发酵罐中得到了大量药用成分呋喃色酮。我国作为植物药用历史最悠久的国家之一，应用细胞培养技术能够帮助我国传统中药材发挥更大的价值。

丹参是具有活血化瘀、通经止痛功效的一味中药，其中的'主要成分——酚酸类和二萜类，药理作用主要表现在对心血管系统疾病的治疗。目前，由于丹参有效成分含量低、生长缓慢，野生丹参资源遭到大规模破坏，加上各地培育出的品种质量良莠不齐等原因，其在数量以及质量上都难以满足市场的供给需求[10]。经过实验研究发现，用一种10L规模的特殊植物组织反应器培养丹参发根，仅用50天，鲜重增殖倍数高达240倍，各种有效成分含量也得到大幅度提升。这是一种非常适合丹参发根生长及产物积累的方法，而且避免了农药等物质的污染。

3.3、植物转基因技术

转基因植物与转基因动物相比有独特的优势，一方面植物细胞具有全能性，细胞培养条件简单且易于成活；另一方面进入植物体的外源基因，可以在与其他植物杂交的过程中积累有益基因优化表达。利用转基因植物也能生产疫苗，以植物作为生物反应器，将携带抗原基因的载体导入受体细胞，在植物体内表达和修饰这类特定抗原，成为具有免疫活性的蛋白质。香蕉、胡萝卜、土豆等都可以作为受体植物。一些转化编码基因的植物疫苗，如HBsAg、LTB、诺沃克病毒等，已被用于预防和治疗乙型肝炎及细菌性腹泻。在生物和临床试验中，均展示了良好的免疫应答，相较于传统疫苗，具有生产成本低、成功率高、易形成规模化生产等优势。尽管植物转基因疫苗的研究还处于起步阶段，但我国报道的转基因植物生物试验已经取得了一些成果[11]，成为我国制药业的重要进步。

3.4、植物生物反应器

植物生物反应器，又名“植物基因药厂”。这种技术拓宽了药用蛋白及疫苗的来源，在降低成本的同时，扩大了生物制药产业规模，并产生了巨大的商业价值。植物生物反应器的研发，对于在全球范围内抢占生物经济制高点有着重要的意义，许多发达国家都已把植物生物反应器的研发列入了国家重点生物技术研究的战略性计划[12]。我国开发植物作为反应器始于20世纪90年代，目前对于植物生物反应器的研发和投入与发达国家还存在一定的差距。在我国“九五”计划对这一项目进行政策扶持后，目前已经取得了大幅度进展[13]。

4、细胞工程制药的意义与展望

研究细胞工程制药的研究进展和前景，对于制药业的发展有重要意义。据统计，世界上50%的医药产品来自细胞工程制药，其中，植物细胞提取物和动物细胞提取物大约各占1/2。细胞工程在生物制药工业中占据重要地位，为新药开发提供了技术操作基础，在治疗免疫性疾病、提升治病疗效、创新医药品等方面都有广泛的应用[8]，细胞工程制药的研究在不断取得突破，其影响和前景也日渐得到展现。如今，生物制药与细胞工程已经紧密联系在一起，随着细胞工程技术在生物制药生产中的普遍应用，生物制药行业发展迅速，取得了巨大的经济效益[14]。

伴随着更多新兴技术的出现和更新，在未来细胞工程制药研发过程中，可以充分利用各种技术平台寻找最佳研究方案。与其他相关领域的结合，也将更好地推动我国生物制药领域的发展。近半个世纪以来，细胞工程制药发展迅猛，并且已在医药领域取得了众多的研究成果。所以，在“十四五”规划期间，应更加重视战略性新兴产业，进一步加快和壮大新一代生物技术的发展。

参考文献

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[2]李刚，刘鹏,刘诚迅,等我国细胞工程制药的研究现状和发展前景[J].中国现代应用药学,2002(4):28-31.

[3]胡显文,肖成祖.细胞工程在生物制药工业中的地位[J].生物技术通讯,2001(2):39-44.

[4]刘小双，陈飞,赵孟江,等大规模哺乳动物细胞培养中pCO2的控制策略[J]药物生物技术,2019(2):82-87.

[5]谢晶莹,张勇,冯若飞乳腺生物反应器在生物制药领域的研究进展[J].西北民族大学学报(自然科学版),2018(2):61-66.

[6]王学耕,朱作言,孙永华,等鱼类核移植与重编程[J].遗传,2013(4):45-52.

[7]唐亚雄细胞工程在生物制药I业中的地位[J].科技风。2020(6):198.

[8]成静,郭勇.植物细胞工程药物生产的研究进展[J].江西科学,2000(1):62-64.

[9]赵玉平,杨夏,高峰丽植物细胞制药的研究进展[J]中国中医药现代远程教育,2012(12):169-170.

[10]晏琼提高丹参毛状根生产丹参酮的诱导和过程策略研究[D]天津:天津大学,2005.

[11]郝宇娉,陆琳,杨志红.转基因植物疫苗的研究进展[J].核农学报,2020(12):86-102.

[12]张胜利，李东方,许桂芳,等.植物生物反应器在生物制药中的应用[J]资源开发与市场,2011,27(2):102-105.

[13]李从林.细胞工程在制药方面的研究[J]科技风，2021(5):173-174.

[14]陈劼.细胞工程在生物制药工业中的地位[J].中国高新区,2018(3):58.

摘要：现代生物技术制药工业始于1971年，现已创造出35个重要治疗药物，全球大约有2500多家公司，主要产品有重组蛋白质药品、重组疫苗和诊断、治疗用的单克隆机体三大类。我国自80年代开始进行现代生物技术药品的研究和开发，到1998年7月底，我国已有近200多个现代生物技术制药企业，已有14种现代生物技术药品和疫苗投产，已经批准进入临床的有近10种药，正在进行临床前研究的有10多种。在采用现代生物技术改造传统生物技术制药产业方面已取得初步成果。但我国生物技术诊断试剂、酶工程、动植物细胞工程医药产品、现代生物技术支撑技术、后处理技术和制剂技术等方面与国外还存在差距。其中不重视中试放大过程是影响我国生物技术产业化发展的一个很重要的原因。 关键词：生物技术制药 生物技术的应用 生物技术发展 生物药物研究进展 生物技术药物(biotech drugs)或称生物药物(biopharmaceutics)是集生物学、医学、药学的先进技术为一体，以组合化学、药学基因（功能抗原学、生物信息学等高技术为依托，以分子遗传学、分子生物、生物物理等基础学科的突破为后盾形成的产业。现在，世界生物制药技术的产业化已进入投资收获期，生物技术药品已应用和渗透到医药、保健食品和日化产品等各个领域，尤其在新药研究、开发、生产和改造传统制药工业中得到日益广泛的应用，生物制药产业已成为最活跃、进展最快的产业之一。有些学者认为，20世纪的科学技术是以物理学和化学的成就占主导地位，而21世纪的科学技术是以生物学的成就占主导地位。无论这种说法是否得到普遍的认同，生物技术是当今高技术中发展最快的领域似乎是不争的事实。 科学家预测，生命科学到2015年会取得革命性进展。这些进展可以帮助人类解决很多目前无法医治的疾病的治疗问题，彻底消除营养不良，改善食品的生产方式，消除各种污染，延长人类寿命，提高生命质量，为社会安全和刑侦提供新的手段。有些成果还可以帮助人类加速植物和动物的人工进化以及改善生态环境对人类的影响等。产生新的有机生命的研究也会取得进展。 1.生物制药现状 目前生物制药主要集中在以下几个方向： 1 肿瘤 在全世界肿瘤死亡率居首位，美国每年诊断为肿瘤的患者为100万，死于肿瘤者达54.7万。用于肿瘤的治疗费用1020亿美元。肿瘤是多机制的复杂疾病，目前仍用早期诊断、放疗、化疗等综合手段治疗。今后10年抗肿瘤生物药物会急剧增加。如应用基因工程抗体抑制肿瘤，应用导向IL-2受体的融合毒素治疗CTCL肿瘤，应用基因治疗法治疗肿瘤(如应用γ-干扰素基因治疗骨髓瘤)。基质金属蛋白酶抑制剂(TNMPs)可抑制肿瘤血管生长，阻止肿瘤生长与转移。这类抑制剂有可能成为广谱抗肿瘤治疗剂，已有3种化合物进入临床试验。2 神经退化性疾病 老年痴呆症、帕金森氏病、脑中风及脊椎外伤的生物技术药物治疗，胰岛素生长因子rhIGF-1已进入Ⅲ期临床。神经生长因子(NGF)和BDNF(脑源神经营养因子)用于治疗末稍神经炎，肌萎缩硬化症，均已进入Ⅲ期临床。 美国每年有中风患者60万，死于中风的人数达15万。中风症的有效防治药物不多，尤其是可治疗不可逆脑损伤的药物更少，Cerestal已证明对中风患者的脑力能有明显改善和稳定作用，现已进入Ⅲ期临床。Genentech的溶栓活性酶(Activase重组tPA)用于中风患者治疗，可以消除症状30%。 3 自身免疫性疾病 许多炎症由自身免疫缺陷引起，如哮喘、风湿性关节炎、多发性硬化症、红斑狼疮等。风湿性关节炎患者多于4000万，每年医疗费达上千亿美元，一些制药公司正在积极攻克这类疾病。如 Genentech公司研究一种人源化单克隆抗体免疫球蛋白E用于治疗哮喘，已进入Ⅱ期临床;Cetor′s公司研制一种TNF-α抗体用于治疗风湿性关节炎，有效率达80%。Chiron公司的β-干扰素用于治疗多发性硬化病。还有的公司在应用基因疗法治疗糖尿病，如将胰岛素基因导入患者的皮肤细胞，再将细胞注入人体，使工程细胞产生全程胰岛素供应。 4 冠心病 美国有100万人死于冠心病，每年治疗费用高于1 170亿美元。今后10年，防治冠心病的药物将是制药工业的重要增长点。Centocor′s Reopro公司应用单克隆抗体治疗冠心病的心绞痛和恢复心脏功能取得成功，这标志着一种新型冠心病治疗药物的延生。基因组科学的建立与基因操作技术的日益成熟，使基因治疗与基因测序技术的商业化成为可能，正在达到未来治疗学的新高度。转基因技术用于构造转基因植物和转基因动物，已逐渐进入产业阶段，用转基因绵羊生产蛋白酶抑制剂ATT，用于治疗肺气肿和囊性纤维变性，已进入Ⅱ，Ⅲ期临床。大量的研究成果表明转基因动、植物将成为未来制药工业的另一个重要发展领域。 2.生物制药展望 今后10年生物技术将对当代重大疾病治疗剂创造更多的有效药物，并在所有前沿性的医学领域形成新领域。目前热门的药物生物技术如下：表1 热门药物生物技术技 术 新颖性 技 术 新颖性 组合化学 成熟领域 前导物综合鉴定技术 新生技术 药学基因组科学 发展领域 核糖酶 新生技术 蛋白质工程 发展领域 抗体酶 新生技术 基因治疗 发展领域 药物设计与人工智能 新生技术 糖类治疗剂 发展领域 功能抗原 新生技术 表2 正在研究开发的生物技术药物类型领 域 开发药物品种 领 域 开发药物品种 单克隆体 78 人生长激素 5 疫苗 62 组织纤溶酶原激活剂 4 基因治疗 28 凝血因子 3 白介素 11 集落细胞刺激因子 3 干扰素 10 促红细胞生成素 2 生长因子 10 SOD 1 重组可溶性受体 6 其他 56 反义药物 6 总数 284 生物学的革命不仅依赖于生物科学和生物技术的自身发展，而且依赖于很多相关领域的技术走向，例如微机电系统、材料科学、图像处理、传感器和信息技术等。尽管生物技术的高速发展使人们难以作出准确的预测，但是基因组图谱、克隆技术、遗传修改技术、生物医学工程、疾病疗法和药物开发方面的进展正在加快。除了遗传学之外，生物技术还可以继续改进预防和治疗疾病的疗法。这些新疗法可以封锁病原体进入人体并进行传播的能力，使病原体变得更加脆弱并且使人的免疫功能对新的病原体作出反应。这些方法可以克服病原体对抗生素的耐受性越来越强的不良趋势，对感染形成新的攻势。 除了解决传统的细菌和病毒问题之外，人们正在开发解决化学不平衡和化学成分积累的新疗法。例如，正在开发之中的抗体可以攻击体内的可卡因，将来可以用于治疗成瘾问题。这种方法不仅有助于改善瘾君子的状况，而且对于解决全球性非法毒品贸易问题具有重大影响。 各种新技术的出现有助于新药物的开发。计算机模拟和分子图像处理技术(例如原子力显微镜、质量分光仪和扫描探测显微镜)相结合可以继续提高设计具有特定功能特性的分子的能力，成为药物研究和药物设计的得力工具。药物与使用该药物的生物系统相互作用的模拟在理解药效和药物安全方面会成为越来越有用的工具。例如，美国食品药物管理局(FDA)在药物审批的过程中利用Dennis Noble的虚拟心脏模拟系统了解心脏药物的机理和临床试验观测结果的意义。这种方法到2015年可能会成为心脏等系统临床药物试验的主流方法，而复杂系统(例如大脑)的药物临床试验需要对这些系统的功能和生物学进行更为深入的研究。 到下世纪初生物技术药物的种类数目尚不会超过一般药物的总数，但生物技术制药公司总数将超过前10年的6倍。目前主要生物技术公司多分布在美国，如Amgen,Genetics institute,Genzyme,Genentech和Chiron，还有Biogen也发展较快。1987年尚没有一种重组DNA药物进入世界药品销售额排名前列表，但到1996年已有多种生物工程药物榜上有名。经上市的生物技术药物主要含3大类，即重组治疗蛋白质、重组疫苗和诊断或治疗用的单克隆抗体。 药物的研究开发成本目前已经高到难以为继的程度，每种药物投放市场前的平均成本大约为6亿美元。这样高的成本会迫使医药工业对技术的进步进行巨大的投资，以增强医药工业的长期生存能力。综合利用遗传图谱、基于表现型的定制药物开发、化学模拟程序和工程程序以及药物试验模拟等技术已经使药物开发从尝试型方法转变为定制型开发，即根据服药群体对药物反应的深入了解会设计、试验和使用新的药物。这种方法还可以挽救过去在临床试验中被少数患者排斥但有可能被多数患者接受的药物。这种方法可以改善成功率、降低试验成本、为适用范围较窄的药物开辟新的市场、使药物更加适合适用对症群体的需要。如果这种技术趋于成熟，可以对制药工业和健康保险业产生重大影响。 值得注意的是，制药工业的知识产权保护在世界各地是不平衡的。某些地区(例如亚洲)会继续以生产专利过期药物为主，有些地区(如美国和欧洲)除了继续生产低利润的药物外会不断开发新的药物。 总之，综合多学科的努力，通过新技术的创立可以大大拓宽发明新药的空间，增加发明新药的机遇与速度。因为这些手段可以寻找快速鉴定药物作用的靶，更有效地发现更多新的先导物化学实体，从而为发明新药提供更加广阔的前景。