無細(xì)胞蛋白合成技術(shù)（CFPS）實(shí)現(xiàn)高通量、可擴(kuò)展、精準(zhǔn)調(diào)控的抗體生產(chǎn)

無細(xì)胞蛋白合成（CFPS）技術(shù)通過體外重構(gòu)蛋白質(zhì)翻譯“機(jī)器”，成功突破傳統(tǒng)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)瓶頸，實(shí)現(xiàn)重組蛋白和抗體的高通量、快速制備。本文將闡述CFPS的技術(shù)優(yōu)勢，重點(diǎn)分析其在高通量抗體生產(chǎn)中的突破性應(yīng)用，并深度探討CFPS與囊泡遞送系統(tǒng)的協(xié)同整合策略，為復(fù)雜治療藥物的生物制造提供系統(tǒng)性技術(shù)框架。

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無細(xì)胞蛋白合成技術(shù)的原理及核心優(yōu)勢

無細(xì)胞蛋白表達(dá)平臺(tái)（CFPS）是一種基于細(xì)胞抽提物的體外翻譯系統(tǒng)，以DNA或mRNA為模板，通過整合核糖體、翻譯因子、氨基酸和核苷酸等元件實(shí)現(xiàn)快速蛋白表達(dá)。該技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世以來，歷經(jīng)六十余年的持續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)已具備工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)成熟度。與傳統(tǒng)細(xì)胞表達(dá)相比，CFPS具有顯著優(yōu)勢（表1）。

表1 傳統(tǒng)細(xì)胞基與無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成（CFPS）平臺(tái)在生物制造中的對比分析

無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成（CFPS）系統(tǒng)因其在基礎(chǔ)科學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢而備受關(guān)注。傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)受限于蛋白質(zhì)復(fù)雜性、成本、規(guī)模等方面，而CFPS可快至1天快速完成體外蛋白質(zhì)合成。CFPS省去耗時(shí)的細(xì)胞培養(yǎng)過程，在可控的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高通量蛋白合成。如基于提取物的CFPS平臺(tái)單日可高效表達(dá)24個(gè)開放閱讀框，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)細(xì)胞表達(dá)平臺(tái)。

精準(zhǔn)調(diào)控和優(yōu)化反應(yīng)條件的靈活性，使CFPS能高效生產(chǎn)蛋白和抗體。在傳統(tǒng)細(xì)胞表達(dá)平臺(tái)中，蛋白質(zhì)過量合成會(huì)因資源耗盡而引發(fā)宿主細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞毒性和形成包涵體，還會(huì)破壞蛋白質(zhì)的正確折疊。CFPS不受細(xì)胞限制，緩解蛋白質(zhì)與細(xì)胞生長平衡間的難題。通過引入必需的輔因子、分子伴侶和酶，簡化表征過程并調(diào)整反應(yīng)環(huán)境，對處理不穩(wěn)定或錯(cuò)誤折疊的復(fù)雜蛋白質(zhì)尤為重要。Focke等人利用CFPS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多種膜蛋白的正確折疊，包括鉀離子通道、電壓門控通道及氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等。

此外，無細(xì)胞表達(dá)還能簡化重組蛋白的純化步驟，提高合成過程的整體效率。借助無細(xì)胞蛋白合成平臺(tái)，科研人員能夠高效生產(chǎn)難表達(dá)蛋白及IgG、scFv-His、VHH-Fc、VHH-His等多種形式抗體，為蛋白質(zhì)合成提供了一種可控性更強(qiáng)、產(chǎn)率更高的創(chuàng)新方法。

無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)已在不同領(lǐng)域進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，包括抗體工程、酶生物、傳感器以及疫苗開發(fā)等。尤其在抗體工程方面，隨著抗體及抗體片段藥物的崛起，無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)被認(rèn)為是抗體工業(yè)的“Game Changer”。

圖1 無細(xì)胞蛋白表達(dá)平臺(tái)技術(shù)路線圖

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CFPS的高通量抗體生產(chǎn)能力

2.1 高通量合成

CFPS平臺(tái)最顯著的優(yōu)勢在于其卓越的并行處理能力。單次項(xiàng)目可完成2,000+個(gè)scFv-His/VHH-His抗體片段的合成、純化及親和力檢測（BLI），從基因合成、抗體表達(dá)純化到活性檢測全流程僅需3-4周，較傳統(tǒng)方法效率提升數(shù)個(gè)量級(jí)。這種超高通量特性使其成為抗體藥物早期發(fā)現(xiàn)的理想工具。

無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)非常適合高通量表達(dá)，其產(chǎn)量最高可到mg/mL級(jí)別，抗體和抗體功能性片段是100 μg/mL級(jí)別。對于少量蛋白的檢測需要建立相應(yīng)的檢測方法，我們可以協(xié)助進(jìn)行方法學(xué)設(shè)計(jì)。

2.2 真實(shí)體現(xiàn)抗體活性

純度和活性對于蛋白或抗體樣品在研究中發(fā)揮作用是極其重要的，無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)制備的樣品，純化后可以具有較好的純度和活性。

純度方面：義翹神州利用自建的無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)表達(dá)的VHH可以達(dá)到SDS-PAGE和SEC-HPLC純度均>95%（圖2）。

圖2 義翹神州利用無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)表達(dá)VHH的SDS-PAGE和SEC-HPLC結(jié)果

活性方面：義翹神州制備的抗體片段顯示出與哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)純化的樣品一致的體外抗原結(jié)合活性（圖3）。

圖3 義翹神州利用無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)表達(dá)的VHH的活性情況

2.3 突破傳統(tǒng)表達(dá)系統(tǒng)限制

通常抗體片段由于恒定區(qū)的缺失導(dǎo)致了抗體對于細(xì)胞適應(yīng)性的減弱，從而出現(xiàn)較多抗體片段在細(xì)胞或細(xì)菌中表達(dá)不理想的情況。無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)在表達(dá)細(xì)胞不耐受性或有難度的樣品方面具有突出的優(yōu)勢。義翹神州利用無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)，成功制備出在真核細(xì)胞中不表達(dá)的抗體片段（圖4）。

圖4 義翹神州無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)成功合成2個(gè)在HEK293細(xì)胞中表達(dá)困難的VHH片段

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義翹神州無細(xì)胞蛋白表達(dá)平臺(tái)

義翹神州專注于為全球生命科學(xué)研究及醫(yī)藥研發(fā)提供高質(zhì)量的蛋白及抗體試劑產(chǎn)品和高水平的CRO技術(shù)服務(wù)。目前公司已建成一支優(yōu)秀的高水平研發(fā)隊(duì)伍，經(jīng)過多年的深入研究，成功建立了自主、高效的無細(xì)胞蛋白表達(dá)平臺(tái)，3小時(shí)即可完成合成過程，快至1天即可拿到純化樣品。已具有數(shù)百個(gè)項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，成功率>99%，真正做到快速、高通量支持藥物研發(fā)。

目前，無細(xì)胞蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)研究進(jìn)入高速發(fā)展期，快速實(shí)現(xiàn)從序列設(shè)計(jì)到樣品試制，高通量抗體生產(chǎn)，加速新型藥物的開發(fā)進(jìn)程。義翹神州無細(xì)胞蛋白表達(dá)平臺(tái)將持續(xù)助力加速生物醫(yī)藥企業(yè)的研發(fā)進(jìn)程，推動(dòng)人類健康事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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