細胞工程在生物制藥中的應用

摘要:細胞工程技術(shù)是我國醫(yī)療研究與藥物開發(fā)的重要基礎(chǔ)，當今的醫(yī)藥研究離不開細胞工程。細胞工程技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展促使了我國的生物醫(yī)療以及生物制藥飛速的發(fā)展。本文依據(jù)細胞工程技術(shù)實踐的細胞類型的不同，分別從植物細胞和動物細胞兩方面進行應用闡述。本文將細胞工程在制藥工程中的主要涉及鄰域和應用的具體實例進行綜述，體現(xiàn)細胞工程制藥的重要性，最后總結(jié)推導我國未來對細胞工程的規(guī)劃。關(guān)鍵詞：細胞工程生物制藥動物細胞工程植物細胞工程1細胞工程的概述細胞工程做為生物工程的重要組成部分之一，將細胞作為研究對象進行培養(yǎng)，依據(jù)遺傳學、細胞生物學以及分子生物學的原理，滿足現(xiàn)代人們的需求。設(shè)計改變出特種細胞產(chǎn)品，造福于當今的生命科學。將細胞工程進行合理利用，對動植物細胞進行培養(yǎng)，生產(chǎn)制造出新型生物產(chǎn)品。全世界有將近一半的醫(yī)藥產(chǎn)品是細胞工程生產(chǎn)制成的，在這當中四分之一的藥物從植物細胞中進行提取，與植物細胞一樣，動物細胞工程也應用廣泛，就比如疫情期間大量使用生產(chǎn)的滅活疫苗。因此可以說細胞工程對生物制藥而言有著無法替代的重要地位。細胞工程的發(fā)展，大致可以分為三個階段。本文將三個階段分別稱為探索期、誕生期還有今天還在繼續(xù)創(chuàng)新科研的快速發(fā)展期。首先在第一階段，20世紀初植物細胞的細胞全能性首次被德國的哈勃蘭特科學家提及。在這之后的20世紀30年代，植物學家溫特發(fā)現(xiàn)植物根的生長主要由B族維生素和生長素進行作用。過了一年的時間，差不多在同一時間法國的2個科學家同時培養(yǎng)出胡蘿卜組織，而且細胞可以順利增殖，可以說植物組織培養(yǎng)的奠基人就是這兩位。動物細胞的探索期比植物細胞早半個世紀。19世紀末首次提出組織培養(yǎng)一詞，20世紀初，蝌蚪的神經(jīng)組織成功被分離出，美國生物學家將神經(jīng)組織放入培養(yǎng)液中，生長出了神經(jīng)纖維。細胞工程誕生于1970年左右，它真正的興起是因為細胞融合、動物克隆、以及細胞核移植技術(shù)的興起和初次嘗試。1973年的人參皂基，兩年之后的單克隆抗體，里程碑性的第1只克隆羊多利等，都是細胞工程快速發(fā)展期的代表之作。2植物細胞工程生物制藥2.1主要涉及領(lǐng)域2.1.1植物細胞培養(yǎng)植物細胞培養(yǎng)技術(shù)是根據(jù)20世紀德國哈巴蘭特提出的細胞全能性，將植物的離體組織進行離體培養(yǎng)，通過分離、培養(yǎng)、再生實現(xiàn)植物的大規(guī)模繁殖并且培養(yǎng)出無病毒植株。細胞培養(yǎng)技術(shù)使得植株僅需很小的面積就可以在無菌條件下快速生長，非常方便人為控制，并且不受氣候季節(jié)影響。有人統(tǒng)計過，利用植物細胞培養(yǎng)繁殖出的植物與從培養(yǎng)中分離出的次級代謝產(chǎn)物，加起來多達1000多種，甚至有些藥物的有利藥物代謝物比原有植物含量更高，例如典型的公認抗癌藥物紫杉醇，就是從豆杉細胞中培養(yǎng)出的。對于燒傷痔瘡有奇效的紫草寧，是從紫草細胞中提取分離而來。植物細胞培養(yǎng)技術(shù)能夠造福于植物自身代謝產(chǎn)物的大規(guī)模生產(chǎn)。2.2應用實例2.2.1人參根細胞中生產(chǎn)人參皂苷人參為五加科人參，屬于珍貴的草本植物，它的根可以作為藥，是中外聞名的名貴藥材，被稱為藥中之王?？茖W家們研究發(fā)現(xiàn)人參中的有效成分為人參皂苷，人參多糖等，可以延緩衰老，補元氣，護脾護肝。但由于人參生長周期長，人參皂苷含量僅占人參根干重量的二十分之一，植物細胞工程人參組織培養(yǎng)就顯的十分重要。而且細胞工程不僅可以節(jié)約土地資源，而且還能夠保護生態(tài)環(huán)境，減少破壞。近年來我國主要用細胞液體懸浮對人參組織培養(yǎng)。首先將人參根置于培養(yǎng)基上，生長出適宜懸浮培養(yǎng)的材料，得到生長蓬勃，顏色淡，質(zhì)地蓬松的組織，然后繼續(xù)培養(yǎng)。根據(jù)研究表明最佳的培養(yǎng)周期為1個月，加入相同濃度的氨態(tài)氮源和硝態(tài)氮源，磷酸鹽以每毫升170mg進行調(diào)配對于培養(yǎng)而言是最佳的。在細胞的生長初期給予少量的糖生長后期適當添加糖，合理控制pH，添加必須的生長素和激動素。作為我們的鄰國，韓日兩國已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，但是我國人參組織培養(yǎng)的技術(shù)還有待改善和進一步的研究，存在諸多的問題，無法大規(guī)模的進行生產(chǎn)應用，期待該項技術(shù)爭取早日為社會和經(jīng)濟發(fā)展作出貢獻。2.2.2紫草細胞培養(yǎng)紫草又稱紫丹，是紫草科紫草屬植物，屬于多年生草木植物。紫草的根部有一種叫紫草素的物質(zhì)，可以活血抗炎，清熱解毒，治療燙傷瘡瘍，同時也是一種高級色素。紫草深受市場歡迎，但是由于紫草大部分屬于野生植物，產(chǎn)量稀少，資源嚴重缺乏，并且一些無良廠家或者個人大規(guī)模的肆意采挖，嚴重導致紫草資源匱乏。紫草的人工培植和化學合成工藝均不能滿足需求，存活率不高，并且生產(chǎn)成本高昂。隨著細胞工程的誕生，科學家就想到了將植物組織培養(yǎng)技術(shù)運用于生產(chǎn)紫草，成功解決這個疑難問題。1974年塔巴塔開創(chuàng)了用細胞工程培養(yǎng)紫草細胞的先河，不到10年的時間他通過懸浮培養(yǎng)獲取到紫草素衍生物。紫草細胞的培養(yǎng)包含3種方法，分別為細胞懸浮培養(yǎng)，固定化培養(yǎng)還有雙液相培養(yǎng)。研究最全面的是細胞懸浮培養(yǎng)。細胞懸浮培養(yǎng)分為兩部分，第1部分對細胞進行培養(yǎng)，第2步進行色素合成。在細胞生長期間目的產(chǎn)物形成，轉(zhuǎn)入培養(yǎng)基的15至25天內(nèi)合成最明顯。近年來固定化培養(yǎng)方法也在進一步研究，固定化培養(yǎng)法是把B5培養(yǎng)基作為基礎(chǔ)的培養(yǎng)基，以此減緩細胞生長速度，從而增加紫草色素外泌量。在20世紀末，我國通過科研，成功培養(yǎng)提取出的紫草素比天然紫草根中的紫草素含量多了十倍。3動物細胞工程生物制藥3.1主要涉及領(lǐng)域3.1.1細胞融合技術(shù)細胞融合技術(shù)是指在外力作用或人工方法下把兩個或兩個以上的細胞合并成一個細胞。細胞融合是目前我國細胞工程中最成熟的技術(shù)，在遺傳學、生物學還有免疫學中廣為使用。不受有機雜交的種性隔離機制影響，幾乎可以對任何細胞雜交生成新的細胞。細胞融合技術(shù)榮獲了1984年的諾貝爾醫(yī)學獎。科學家們將長命的骨髓瘤細胞和短命B淋巴細胞這兩種細胞進行融合，研究出了新的細胞，稱為雜交瘤細胞。雜交瘤細胞同時擁有骨髓瘤細胞和B淋巴細胞的優(yōu)點，不僅具有很強的繁殖能力，而且可以產(chǎn)生特異性抗體。3.1.2轉(zhuǎn)基因動物技術(shù)轉(zhuǎn)基因動物位于轉(zhuǎn)基因生產(chǎn)藥物的第三時間段，轉(zhuǎn)基因動物技術(shù)是將外源基因和內(nèi)部重組的基因結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到動物的受精卵內(nèi)，在動物的身體里進行整合和表達，產(chǎn)生具有新遺傳信息的動物，并把遺傳信息成功的傳給新一代。在動物器官中的乳房是最適合進行蛋白藥物生產(chǎn)的部位，而轉(zhuǎn)基因動物的乳房可以生產(chǎn)更多的乳汁，還有減少生產(chǎn)成本，品質(zhì)優(yōu)良，簡易環(huán)保的優(yōu)點。當今世界利用轉(zhuǎn)基因動物技術(shù)生產(chǎn)出的藥用蛋白已經(jīng)多達10種，這些生物藥用蛋白可以用來診斷和治療有關(guān)疾病，其中包括溶酶菌、乳鐵蛋白，還有血清白蛋白等。我國成功研究出一種轉(zhuǎn)基因克隆牛，與克隆羊不同，克隆牛的克隆過程是將供體細胞注入受體細胞而多利羊是將供給細胞核注入受體細胞，兩種方法相比較下來，克隆牛更便于操作，也更容易成功?？寺∨ｓw內(nèi)攜帶有一種胰島素基因可以用來治療惡性腫瘤，并且克隆牛生產(chǎn)出的藥物蛋白的表達量遙遙領(lǐng)先于世界水平。3.1.3細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)細胞培養(yǎng)技術(shù)就是取出胚胎或者幼齡動物的器官組織，并將其剪碎，用膠原蛋白酶或者胰蛋白酶處理，分散細胞得到單個細胞，加培養(yǎng)液稀釋后制成細胞懸液，在無菌無毒的環(huán)境下放入培養(yǎng)瓶中觀察培養(yǎng)。將原代培養(yǎng)進行傳代培養(yǎng)，進行無限傳代，增加細胞數(shù)量。動物細胞培養(yǎng)能否成功重點在于培養(yǎng)液中的動物血清，因為血清中的蛋白質(zhì)和核酸物質(zhì)能夠促進細胞生長，同時培養(yǎng)液中還需要葡萄糖、氨基酸、無機鹽等營養(yǎng)物質(zhì)。20世紀50年代，細胞培養(yǎng)開始大規(guī)模的開發(fā)與研究，經(jīng)過多年的研究，現(xiàn)如今動物細胞培養(yǎng)應用的產(chǎn)物有狂犬疫苗、干擾素、各種單克隆抗體等。上世紀70年代，科學家們還發(fā)明了生物反應器應用于細胞培養(yǎng)技術(shù)，使用生物反應器可以省時省力，實現(xiàn)自動化管理，提高產(chǎn)量的同時，還可以確保產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。3.2應用實例3.2.1單克隆抗體的制備抗體可以鑒別外來對身體不利的物質(zhì)，吞噬有害細胞，是一種具有免疫功能的蛋白球。傳統(tǒng)的抗體由淋巴B細胞產(chǎn)生，而每個細胞只產(chǎn)生一個抗體，但單克隆抗體是一群基因型相同的群體他們的特異性強，更加靈敏，這就是單克隆抗體優(yōu)點。在制備中選擇小鼠的骨髓瘤細胞，與B細胞進行細胞融合和細胞篩選，產(chǎn)生雜交瘤細胞，再進行細胞培養(yǎng)篩選，繼續(xù)培養(yǎng)得到足夠數(shù)量的細胞后，注射進小鼠體內(nèi)，形成單細胞抗體。單細胞抗體制備抗癌藥物，已經(jīng)在國際上廣泛應用。第一個臨床應用的美羅華-CD20單抗，有效抑制淋巴細胞，可以治療淋巴癌。我國也有許多的新型抗體藥物上市，除了傳統(tǒng)的lgG，還有ADC和雙功能抗體等。隨著科學的不斷進步，會有越來越多的抗體藥物的出現(xiàn)給腫瘤患者帶來希望。3.2.2胰島素的批量生產(chǎn)當前醫(yī)療臨床降低血糖唯一可以使用的方法就是注射胰島素，胰島素作為一種蛋白質(zhì)類激素，可以促進激素的合成。細胞工程中用大腸桿菌生產(chǎn)重組人胰島素。流程第一步從DNA里提取胰島素，獲得目的基因，之后還有四步驟，包括第二部分質(zhì)粒提取，倒數(shù)第二步重組基因，再將重組之后的質(zhì)粒送回大腸桿菌，在菌內(nèi)翻譯轉(zhuǎn)錄，形成蛋白質(zhì)，繼續(xù)培養(yǎng)，最后再進行批量生產(chǎn)的步驟。運用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，可以在較短時間內(nèi)迅速繁殖，是臨床生產(chǎn)胰島素的常用工藝。我國已經(jīng)有很多生物公司生產(chǎn)胰島素，20世紀末，我國研制出了第一支重組基因的胰島素，為以后的胰島素生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。3.3.3激活劑尿激酶原尿激酶原作為特異性溶栓劑，是從尿液中純化出的一種新的高分子單鏈尿激酶，可以有效的溶解血栓，一般使用注射給藥，尿激酶原激活劑溶栓作用強，出血風險小而且再通率高，在臨床中成功救治了很多心腦梗塞病人。尿素酶原最開始被人們發(fā)現(xiàn)是在20世紀70年代，在20世紀末就已經(jīng)進入臨床試驗。我國在“七五”期間開始致力于科研，首先取得基因cDNA克隆，而后不久成功在21世紀初完成臨床試驗。尿激酶原細胞構(gòu)造過程先從人體中提取出細胞RNA,經(jīng)過反轉(zhuǎn)錄并重組基因，構(gòu)建成重組表達質(zhì)粒。國家軍事科學院研制出新技術(shù)轉(zhuǎn)染CHO細胞，進行酶切確認，成功獲得高質(zhì)量的CL-11G工程細胞株。總結(jié)細胞工程技術(shù)發(fā)展進50年來突飛猛進，在臨床治療，藥物制造方面廣泛應用，為醫(yī)療事業(yè)做出了杰出貢獻。許多先進細胞工程技術(shù)的應用不僅簡化了制藥的實施過程，而且還可以提高藥物開發(fā)的質(zhì)量和治療效果。雖然我國的研究比別國晚，但是進展顯著，前景更是一片光明。但是，在我國細胞工程生物制藥技術(shù)的發(fā)展中，仍然存在問題，諸如缺乏專業(yè)研究人員以及研究技術(shù)缺乏創(chuàng)新和獨立性等問題，嚴重阻礙了我國生物制藥技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。因此，有必要加強細胞工程制藥技術(shù)的研究和開發(fā)，進一步優(yōu)化細胞工程制藥產(chǎn)品的質(zhì)量，進一步提高細胞工程在我國醫(yī)療市場的市場占有率，促進人類健康和健康的可持續(xù)發(fā)展。我國今后的發(fā)展應注意這幾個方面，包括研制更高效安全的抗體疫苗，拯救瀕臨消失的中藥資源和合理利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高藥物產(chǎn)量，同時鼓勵高校開展細胞技術(shù)課程，增強考核，為國家培養(yǎng)更多的細胞工程技術(shù)的能人。參考文獻武君詠.細胞工程制藥的研究進展及展望[J].現(xiàn)代鹽化工,2021,48(02):3-4.董大維.生物制藥技術(shù)在制藥工藝中的運用探尋[J].科技風,2021