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CHO细胞系在生物制剂药物中的应用

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medicilon_美迪西
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2018-06-04, 09:46
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自世界上首个重组蛋白药物胰岛素于1982年上市以来,生物医药经历了30多年的发展,其重要性也备受关注。疫苗作为生物制品的一大类别,是阻断传染病传播的重要武器,是全人类健康的守护神,在基因工程疫苗研究的哺乳动物表达载体中,最具代表性的就是中国仓鼠卵巢细胞(Chinese Hamster Ovary,CHO),它是用来表达外源蛋白最多也最成功的一类细胞,经常被用来制造生物制剂。

哺乳动物细胞表达载体在重组蛋白药物,特别是治疗性重组单抗药物的研发和生产中有最为广泛的应用。美迪西生物医药所提供的哺乳动物蛋白表达系统基于无血清培养体系提供基因表达优化,瞬时表达,稳定表达及抗体生产等多种真核蛋白服务项目。生物制剂是基于蛋白的药物,可用来治疗癌症、自身免疫疾病以及很多其他的疾病,如今,市场上50%以上最为畅销的生物制剂是由CHO细胞产生的。

1957年,美国遗传学家Theodore T. Puck从波士顿癌症研究基金会的George Yerganian博士实验室得到一只雌性中国仓鼠,并分离出原始的CHO细胞。从此,CHO在科学研究和医药工业领域逐步获得广泛的应用,CHO细胞系也出现了多种成熟的商业化产品。

1987年,基因泰克公司的tPA被FDA批准,这是第一个CHO细胞表达的上市药品,从这时开始,CHO细胞作为哺乳动物蛋白表达系统全面走入制药行业。CHO细胞大规模培养技术及其生物反应器工程可广泛应用于抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品的研究开发和工业化生产。

通过几十年的发展,CHO细胞已成为生物技术药物最重要的表达或生产系统,成为了基因工程和生物制药的重要工具。而相应的发酵工艺的提高,也类似芯片中的摩尔定律,在短短几十年间,已经从最初的毫克级提高到了今天的十克级。

2013年,在当年20个最畅销的生物药中,有11个是用CHO细胞表达的。据估计,如今用CHO细胞表达的药品份额已经占到数千亿美元。

CHO细胞系可提高蛋白产量、降低蛋白药物成本

(1)、提高产品产量

2016年发表在Cell Systems期刊上的一篇论文中,CHO中心研究人员与全世界的几个团队合作开发出一种综合的全基因组水平的CHO细胞代谢模型,并且鉴定出让蛋白产生最大化的特定途径。这个项目是由CHO中心联合主任、加州大学圣地亚哥分校儿科教授Nathan Lewis领导的。

研究人员利用这种模型预测当遭受行业上经常用来增加蛋白产生的两种处理方法时,CHO细胞实际上能够产生多少数量的蛋白。一种处理方法涉及降低培养温度,另一种处理方法涉及往培养基中加入丁酸钠。

这种模型预测这些处理方法差强人心地增加蛋白产生,但这是以牺牲细胞生长为代价的。Lewis说,“这种权衡是非常不高效的”,这是因为细胞生长下降仅换来蛋白产量少量增加。研究人员利用这种模型模拟CHO细胞发生的其他变化,然后他们研究了基因变化提高CHO细胞中的分泌途径流动的效率,这种分泌途径会产生治疗性蛋白,并将这些蛋白释放到细胞外。这种模型预测这些细胞变化能够比经常使用的行业处理方法3倍地增加蛋白产生。Lewis说,“这一发现证实这种分泌途径是细胞机器中的一种重要的管线,我们能够对它进行改造来产生更多的蛋白。”

在2017年早期发表在Scientific Reports期刊上的一项研究中,Lewis和同事们证实一种不同的方法能够增加蛋白产生,也能够增加细胞生长率。这种方法涉及当CHO细胞产生一种治疗性抗体时,绘制它们当中所有核糖体的活性。在这种过程中,研究人员发现沉默一种基因不仅改善细胞生长,而且导致抗体产生增加了18%。

(2)质量控制

很多蛋白药物包括抗体药物,都需要经过糖基化修饰,这些糖基化常常会影响蛋白药物的有效性、半衰期、免疫原性等。常用的糖蛋白表达载体包括植物细胞、昆虫细胞、转基因动物和哺乳动物细胞等。在所有的这些表达载体中,以CHO细胞系应用最为广泛。

糖基化,即将糖链附着到蛋白上,是CHO中心研究人员正在深入研究的另一种细胞过程。控制糖基化,如将哪些糖分子或多少数量的糖分子加入到所需的蛋白上,对产生高质量药物产品是至关重要的,但是它是极其充满挑战的。

在发表在Biotechnology Journal期刊上的一项研究中,研究人员开发出一种算法来预测当制造生物制剂和它们的生物仿制药时,他们如何能够修饰CHO细胞来获得所需的糖基化模式。Lewis说,这项研究能够加快显著降低主要的蛋白药物成本的努力。

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