植物生物反應(yīng)器制藥的商品化進(jìn)展及展望

郭嫣秋

（拜耳技術(shù)工程（上海）有限公司，上海 201507）

植物生物反應(yīng)器制藥的商品化進(jìn)展及展望

郭嫣秋

（拜耳技術(shù)工程（上海）有限公司，上海 201507）

利用植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥品是生物制藥的一個(gè)分支，該技術(shù)通過基因工程植物生產(chǎn)藥用蛋白質(zhì)分子、肽和二級(jí)代謝物，具有成本低、規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn).文章綜述了植物生物反應(yīng)器制藥的國(guó)內(nèi)外專利情況，專利內(nèi)容包括疫苗、治療蛋白和抗體等研究對(duì)象，我國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量以疫苗為最多，大多由高校等研究機(jī)構(gòu)申請(qǐng)；闡述了國(guó)內(nèi)外植物源疫苗、抗體、治療和保健用蛋白等的研究現(xiàn)狀及開發(fā)重點(diǎn)；并對(duì)臨床研究進(jìn)展和上市的植物生物反應(yīng)器產(chǎn)品進(jìn)行總結(jié)，到目前為止已有兩個(gè)植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥用產(chǎn)品獲得批準(zhǔn).

植物；生物反應(yīng)器；制藥；疫苗；抗體；治療蛋白；商品化

植物生物反應(yīng)器廣義上指以植物懸浮細(xì)胞培養(yǎng)或整株植物為加工場(chǎng)所大量生產(chǎn)具有重要功能或藥用價(jià)值的蛋白（人或動(dòng)物的疫苗、抗體、重要的氨基酸等），植物細(xì)胞、組織或整株植物既可以是

天然的也可以是經(jīng)過基因工程改造的，以它們作為植物工廠大量生產(chǎn)各種高價(jià)值的生物制品[1].

最近10年，許多研究證實(shí)植物系統(tǒng)具有表達(dá)活性哺乳動(dòng)物蛋白的能力，在產(chǎn)品質(zhì)量、成本和安全方面已顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，并很快得到科學(xué)家和生物制藥業(yè)的認(rèn)可.據(jù)預(yù)測(cè)，未來5～10年植物將成為臨床治療或診斷藥品的主要生產(chǎn)系統(tǒng)[2].該文闡述了植物生物反應(yīng)器制藥的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)疫苗、單抗、治療用蛋白等的研究現(xiàn)狀和專利情況進(jìn)行概況，并總結(jié)了目前進(jìn)入臨床研究和上市的產(chǎn)品，展望未來的應(yīng)用前景.

1 植物生物反應(yīng)器制藥的優(yōu)點(diǎn)

通過植物基因工程技術(shù)，在轉(zhuǎn)基因植物中生產(chǎn)藥用蛋白及多肽疫苗，具有微生物或動(dòng)物反應(yīng)器不可替代的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[1].首先，植物系統(tǒng)易于轉(zhuǎn)化和大規(guī)模生產(chǎn)，可以自動(dòng)表達(dá)動(dòng)物、人類、細(xì)菌、病毒等外源蛋白，而且價(jià)格低廉，因此利用轉(zhuǎn)基因植物開發(fā)畜禽疫苗是一種最經(jīng)濟(jì)和有效的途徑.細(xì)菌在發(fā)酵過程中常產(chǎn)生包涵體，不易對(duì)真核生物的蛋白進(jìn)行有效的翻譯后加工，如將其重新溶解并折疊成天然蛋白質(zhì)則需要很高的成本，而且本身可能是人類病原物.動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)所需的生長(zhǎng)培養(yǎng)基相當(dāng)昂貴，在細(xì)胞培養(yǎng)過程中可能感染動(dòng)物病毒而對(duì)人類健康造成潛在危害.就糧食作物而言，作物的田間種植比其他任何系統(tǒng)更加低廉有效，作物能進(jìn)行自身光合作用和物質(zhì)代謝循環(huán)，生產(chǎn)出人類所需的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品.而且隨著現(xiàn)代作物栽培技術(shù)的不斷發(fā)展，人類食用的常規(guī)糧食作物可以科學(xué)種植，相關(guān)植物生物反應(yīng)器產(chǎn)品可通過種子、果實(shí)或塊莖表達(dá)，便于貯藏、運(yùn)輸和利用.其次，轉(zhuǎn)基因植物生物反應(yīng)器產(chǎn)物的生理生化特性和生物活性與天然產(chǎn)物幾乎完全相同，省去了對(duì)下游產(chǎn)物進(jìn)行完全分離或純化步驟，降低了生產(chǎn)成本.據(jù)推算，利用轉(zhuǎn)基因植

但植物生物反應(yīng)器制藥也面臨著表達(dá)水平低、錯(cuò)誤蛋白修飾和下游加工技術(shù)限制等瓶頸問題，需要在未來一段時(shí)間內(nèi)得到改良.

2 植物生物反應(yīng)器制藥的專利現(xiàn)狀

Drake等[3]研究2002至2008年間植物生物反應(yīng)器制藥的專利發(fā)現(xiàn)，專利申請(qǐng)的領(lǐng)域呈明顯的下降趨勢(shì)，大量的專利由來自公共機(jī)構(gòu)的發(fā)明人申請(qǐng).美國(guó)最多，其申請(qǐng)的專利占30%.大部分的專利為疫苗（55%）、治療蛋白（38%）和抗體（7%）.我國(guó)植物生物反應(yīng)器的研究始于20世紀(jì)90年代初期，檢索我國(guó)國(guó)家專利局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn)，專利內(nèi)容包括疫苗、治療蛋白和抗體，趨勢(shì)與國(guó)際一致；專利涵蓋高效植物表達(dá)載體構(gòu)建、轉(zhuǎn)基因植物培育、不同植物表達(dá)系統(tǒng)（煙葉、土豆、玉米、中草藥等）等主要技術(shù)環(huán)節(jié)，且大多數(shù)專利由高校等研究機(jī)構(gòu)申請(qǐng)，代表性專利列于表1.

表1 植物生物反應(yīng)器制藥專利檢索Tab.1 Patent retrieve for plant bioreactor pharmaceutical

3 植物生物反應(yīng)器制藥的研究現(xiàn)狀

3.1 植物源疫苗抗原

疫苗是針對(duì)特定的疾病提高免疫力的一種抗原制劑.通過減毒或滅活的傳統(tǒng)方法生產(chǎn)大量疫苗存在內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)，疫苗生產(chǎn)轉(zhuǎn)向利用細(xì)菌、酵母和哺乳動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)非復(fù)制型病毒蛋白亞單位疫苗.然而，這些表達(dá)系統(tǒng)也存在一些問題.較目前的生產(chǎn)系統(tǒng)，植物生物反應(yīng)器存在眾多潛在優(yōu)勢(shì)，包括大規(guī)模生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本與口服給藥方案以及糖基化亞單位疫苗的宿主，因此植物作為疫苗生產(chǎn)的平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生.自從20年前報(bào)道的第一個(gè)植物源性疫苗，許多疫苗已經(jīng)在植物中獲得表達(dá)[4].乙肝表面抗原已經(jīng)在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯、番茄、香蕉、煙草細(xì)胞懸浮培養(yǎng)中表達(dá)，大腸桿菌的熱不穩(wěn)定腸毒素B亞單位（LTB）已在馬鈴薯塊塊根、玉米種子、煙草和大豆中表達(dá).霍亂弧菌的霍亂毒素B亞基（CTB）已在煙草、番茄和水稻等作物中表達(dá).以獸用為目的的植物源疫苗，包括禽流感、新城疫、口蹄疫和腸毒素大腸桿菌的疫苗也在植物中獲得表達(dá)，牛瘟血凝素蛋白在木豆和花生中獲得表達(dá).其他包括人類乳頭狀瘤病毒11型和16型L1蛋白、諾瓦克病毒衣殼蛋白，麻疹病毒血凝素蛋白和H5N1型流感疫苗，也在煙草、土豆和胡蘿卜中獲得表達(dá).另外，美國(guó)國(guó)防署贊助研究和開發(fā)針對(duì)炭疽、蓖麻毒素、鼠疫和出血豬瘟病毒的各種生物防御疫苗.

3.2 植物源抗體

抗體或免疫球蛋白（IgG）是血清蛋白質(zhì)，具有與目標(biāo)分子高特異性結(jié)合的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于預(yù)防、檢測(cè)和治療疾病.到目前為止，只有單克隆抗體被用于治療關(guān)節(jié)炎、癌癥、免疫及炎癥性疾病.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，重組抗體會(huì)對(duì)病原體產(chǎn)生被動(dòng)免疫，可以用于防治傳染性疾病，尤其是面臨微生物耐藥性增加和新病原體出現(xiàn)[5].雖然市場(chǎng)需求在不斷增長(zhǎng)，但是高昂的生產(chǎn)成本阻礙了其成功作為治療傳染病的手段進(jìn)入醫(yī)療市場(chǎng).因此，要求降低生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的呼聲越來越高.利用已建立的哺乳動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)抗體面臨抗體的復(fù)雜性及轉(zhuǎn)譯后修飾及蛋白質(zhì)化等挑戰(zhàn)，植物不僅提供廉價(jià)的生產(chǎn)平臺(tái)，植物源抗體的成本僅為哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的0.1%～1%和微生物系統(tǒng)的2%～10%[6]，而且還可以組裝成多聚抗體，生產(chǎn)定制的藥用蛋白.自從1989年第一個(gè)重組抗體在植物中獲得表達(dá)后，不同片段從單鏈Fv片段（ScFvs，包含重鏈和輕鏈的可變區(qū)，通過靈活的肽連接）的Fab片段（組裝輕鏈和縮短重鏈），到小免疫蛋白（SIP），IgGs，嵌合分泌免疫球蛋白A和單域抗體均獲得表達(dá)[7－8].

在植物中表達(dá)具有生物活性抗體主要通過兩大途徑：一種是對(duì)單獨(dú)轉(zhuǎn)基因植株交叉授粉表達(dá)輕鏈或重鏈，使其產(chǎn)量達(dá)到總植物蛋白的1%～5%；另一種將重鏈和輕鏈基因一起轉(zhuǎn)移到單個(gè)、雙個(gè)或更多的表達(dá)盒進(jìn)行表達(dá).通過上述方法獲得的植物源抗體——變形鏈球菌的表面抗原分泌的抗體與鼠原IgG一樣有效，該抗體用于保護(hù)牙齒免受變形鏈球菌的定植.最近，玉米種子生產(chǎn)的艾滋病毒特異性單克隆抗體，其與抗原的結(jié)合活性與中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢源（CHO）細(xì)胞產(chǎn)生的抗體一致[9].

3.3 治療和保健用蛋白

第一個(gè)植物中表達(dá)的治療性人類蛋白質(zhì)是人類生長(zhǎng)激素[10].人血清白蛋白通常是從血液中分離，1990年首次在轉(zhuǎn)基因煙草和馬鈴薯中產(chǎn)生[11].此后，許多蛋白質(zhì)在植物中表達(dá)，包括表皮生長(zhǎng)因子，用于治療乙型肝炎和丙型肝炎α-，β－和γ－干擾素[12]，促紅細(xì)胞生成素[13]，治療克羅恩病的白細(xì)胞介素[14]，治療糖尿病的胰島素，治療Gaucher疾病的人類葡糖腦苷脂酶[15]等.2008年，我國(guó)科學(xué)工作者首次在番茄果實(shí)中成功表達(dá)具有生物活性4連體胸腺素α1（4×Tα1）[16].

抗菌保健品，如人乳鐵蛋白和溶菌酶，目前已成功地在幾種作物中表達(dá)[17]，以精細(xì)化學(xué)品的形式問市.

4 植物生物反應(yīng)器制藥商品化現(xiàn)狀

植物生物反應(yīng)器制藥的臨床試驗(yàn)進(jìn)展受到密切關(guān)注，行業(yè)觀察家都認(rèn)為，一個(gè)完全由植物制成的藥物成功推向市場(chǎng)可以觸發(fā)市場(chǎng)對(duì)該行業(yè)的關(guān)注.迄今為止，只有兩個(gè)植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)的產(chǎn)品獲得批準(zhǔn)，一個(gè)是CaroRXTM，由Planet Biotechnology公司生產(chǎn)的一種單克隆抗體，用于蛀牙治療，在歐洲以醫(yī)療設(shè)備授權(quán)銷售，但尚未正式上市.另一個(gè)是重組人內(nèi)源因子，用于治療VB12缺乏.這一現(xiàn)狀在一定程度上也反映了第一個(gè)植物生物反應(yīng)器藥物在審批過程中遇到的強(qiáng)大的監(jiān)管障礙.表2概括了目前臨床階段和上市的植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)的產(chǎn)品[18].

如表2所示，多種植物表達(dá)的候選疫苗處在臨床試驗(yàn)的不同階段，其中拜耳創(chuàng)新公司針對(duì)非霍奇金淋巴瘤開發(fā)的個(gè)人疫苗也進(jìn)入臨床試驗(yàn)Ⅲ期[19].到目前為止，第一個(gè)獸醫(yī)疫苗為陶氏益農(nóng)開發(fā)的家禽新城疫疫苗，已通過農(nóng)業(yè)部美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）（http：／／www.dowagro.com／animalhealth）的批準(zhǔn).目前有5種不同的植物源性單克隆抗體正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)（表2）.第一個(gè)植物源scFv單克隆抗體已在古巴商業(yè)化，用于生產(chǎn)重組乙型肝炎病毒疫苗[20].表2中治療用蛋白，處在臨床試驗(yàn)的各個(gè)階段，或在接近商業(yè)化.Glucocerebrosidase（prGCD）是由以色列Protalix Biotherapeutics公司通過胡蘿卜細(xì)胞生產(chǎn)的，用于治療Gaucher疾病，該藥物正在進(jìn)行Ⅲ期臨床試驗(yàn)，在2009年輝瑞公司花費(fèi)6 500萬美元收購(gòu)prGCD，預(yù)計(jì)近期批準(zhǔn)進(jìn)入市場(chǎng).加拿大的SemBioSys Genetics公司生產(chǎn)的治療糖尿病的植物源性胰島素已經(jīng)通過臨床試驗(yàn)Ⅰ／Ⅱ期，這表明其與市場(chǎng)上的基因重組人胰島素具有生物等效性，符合預(yù)期的安全性.美國(guó)的Biolex Therapeutics生產(chǎn)的丙肝治療藥INF－α2b已經(jīng)完成臨床試驗(yàn)Ⅱ期，預(yù)期在近年內(nèi)獲得FDA批準(zhǔn).保健用蛋白更多的是以精細(xì)化學(xué)品的形式面向終端消費(fèi)者.丹麥Cobento Biotechnology公司利用擬南芥生產(chǎn)的人類內(nèi)在因子Coban最近剛剛獲得了批準(zhǔn)，用于治療維生素B12缺乏.我國(guó)武漢禾元生物科技有限公司開發(fā)了水稻胚乳細(xì)胞生物反應(yīng)器技術(shù)平臺(tái)用于生產(chǎn)重組人血清白蛋白，目前該產(chǎn)品進(jìn)入臨床前階段；此外，該平臺(tái)生產(chǎn)的重組人酸性成纖維生長(zhǎng)因子、重組α－抗胰蛋白酶、重組胰島素樣生長(zhǎng)因子、重組人粒細(xì)胞集落刺激因子、重組人堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子以精細(xì)化學(xué)品的形式面市.

可見，以植物作為生物反應(yīng)器能夠與傳統(tǒng)的方法相媲美，打破目前的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)技術(shù)的限制，打開以植物為基礎(chǔ)生產(chǎn)藥用級(jí)蛋白的新領(lǐng)域.

表2 臨床階段或上市的植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)的產(chǎn)品Tab.2 Products produced by the plant bioreactor pharmaceuticals in clinical trial or on market

5 展 望

據(jù)估計(jì)，到2020年全球生物技術(shù)市場(chǎng)將達(dá)到3萬億美元.據(jù)中國(guó)保健協(xié)會(huì)《2006－2007年度中國(guó)生物產(chǎn)業(yè)投資分析報(bào)告》預(yù)測(cè)，到2015年我國(guó)生物制品銷售收入將會(huì)達(dá)到1 100億元，而且近年中國(guó)市場(chǎng)以20%的增幅增長(zhǎng).利用植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)重組蛋白藥物較其他表達(dá)系統(tǒng)，具有成本低、規(guī)?；a(chǎn)、并能夠?qū)?fù)雜的多聚蛋白進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆g后修飾等優(yōu)點(diǎn)；采用非食用作物或轉(zhuǎn)移到室內(nèi)生產(chǎn)降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本；此外，利用植物生產(chǎn)的藥用蛋白已經(jīng)商品化或接近商品化，這些為植物生物反應(yīng)器大量生產(chǎn)外源目的蛋白提供了廣闊的前景，吸引著越來越多的商業(yè)聚焦.

[1]龐俊峰，黃東光，吳燕民.植物生物反應(yīng)器研究進(jìn)展[J].生物技術(shù)通報(bào)，2011（1）：21-25.

[2]Ma J K C，Drake P M W，Christou P.The production of recombinantant pharmaceutical proteins in plants[J].Nature Rev Genetics，2003，4（10）：794-805.

[3]Drake P，Thangaraj H.Molecular farming，patents and access to medicines[J].Expert Rev Vaccines，2010，9（8）：811-819.

[4]Tiwari S，Verma P C，Singh P K，et al.Plants as bioreactors for the production of vaccine antigens[J].Biotechnol Adv，2009，27（4）：449-467.

[5]Casadevall A.Antibody-based therapies as anti-infective agents[J].Expert Opin Emerg Drugs，1998，7（3）：307-321.

[6]Chen Min，Liu Xianwei，Wang Zhankun，et al.Modification of plant N-glycans processing：the future of producing therapeutic proteins in transgenic plants[J].Med Res Rev，2005，25（3）：343-360.

[7]Ismaili A，Jalali J M，Rasaee M J，et al.Production and characterization of anti-（mucin MUC1）single-domain antibody in tobacco（Nicotiana tobacumcultivar Xanthi）[J].Biotechnol Appl Biochem，2007，47：11-19.

[8]Xu B，Copolla M，Herr J C，et al.Expression of a recombinant human spermagglutinating mini-antibody in tobacco（Nicotiana tabacum L）[J].Soc Reprod Fertil Suppl，2007，63：465-477.

[9]Ramessar K，Sabalza M，Capell T，et al.Maize plants：an ideal production platform for effective and safe molecular pharming[J].Plant Sci，2008，174（4）：409-419.

[10]Barta A，Sommengruber K，Thompson D，et al.The expression of a napoline synthase human growth hormone chimeric gene in transformed tobacco and sunflower callus tissue[J].Plant Mol Biol，1986，6：347-357.

[11]Sijmons P C，Dekker B M，Schrammeijer B，et al.Production of correctly processed human serum albumin in transgenic plants[J].Biotechnol，1990，8：217-221.

[12]Zhu Z，Hughes K W，Huang L，et al.Expression of human alpha-interferon cDNA in transgenic rice plants[J].Plant Cell Tissue Organ Cult，2004，36（2）：197-204.

[13]Weise A，Altmann F，Rodríguez-Franco M，et al.High level expression of secreted complex glycosylate recombinant human erythropoietin in the Physcomitrella D-fuc-t D-xyl-t mutant[J].Plant Biotechnol J，2007，5（3）：389-401.

[14]Fujiwara Y，Aiki Y，Yang L，et al.Extraction and purification of human interleukin-10from transgenic rice seeds[J].Protein Expr Purif，2010，72（1）：125-130.

[15]Shaaltiel Y，Bartfeld D，Hashmueli S，et al.Production of glucocerebrosidase with terminal mannose glycans for enzyme replacement therapy of Gaucher's disease using aplant cell system[J].Plant Biotechnol J，2007，5（5）：579-590.

[16]金麗鑫，趙凌俠.植物生物反應(yīng)器研究現(xiàn)狀、瓶頸及策略[J].中國(guó)生物工程雜志，2009，29（5）：104-110.

[17]Huang N，Bethell D，Card C，et al.Bioactive recombinant human lactoferrin，derived from rice[J].In Vitro Cell Dev Biol，2008，44（10）：464-471.

[18]Obembe O，Popoola J，Leelavathi S，et al.Advances in plant molecular farming[J].Biotechnol Adv，2011，29（2）：210-222.

[19]Bayer Innovation.Plant made Pharmaceuticals[EB／OL].（2010-09-23）[2011-03-11]http：／／www.bayer-innovation.com／en／plantmade-pharmaceuticals.aspx.

[20]Pujol M，Ramírez NI，Ayala M，et al.An integral approach towards a practical application for a plant-made monoclonal antibody in vaccine purification[J].Vaccine，2005，23（15）：1833-1837.

Commercialization Evolution and Prospects of Plant Made Pharmaceutical

GUO Yan-qiu
（Bayer Technology and Engineering（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai 201507，China）

Using plant bioreactor to produce medicines is one branch of pharmaceuticals，which produces protein，peptides and secondary metabolites by the transgenetic plants with the advantage of low production cost and large scale volume.This paper reviewed both global and domestic patent application situation with the main topics of vaccine，therapeutic protein and antibody.The major part of the applications relates to vaccine and most are applied by institutes in China.The paper also expatiated the research progress and research focuses on plant made vaccine，antibody and therapeutic protein，and summarized the commercialization（clinical trial and product on market）of plant made pharmaceuticals.Up to now，two products have already been approved globally.

plant；bioreactor；pharmaceutical；vaccine；antibody；therapeutic protein；commercialization

Q819

A

1674-232X（2011）04-0348-06

2011-05-01

郭嫣秋（1981—），女，浙江杭州人，博士，主要從事生物技術(shù)轉(zhuǎn)移及產(chǎn)業(yè)化研究.E-mail：guoyanqiu＠sohu.com物生產(chǎn)藥用重組蛋白的成本，僅為利用大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)成本的2%～10%.

10.3969／j.issn.1674-232X.2011.04.013