揭秘生物制藥核心：哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的生產(chǎn)邏輯

摘要：這篇內(nèi)容拆解了治療性糖蛋白在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的生產(chǎn)核心邏輯。我結(jié)合頂刊綜述的內(nèi)容，聊透了行業(yè)主流的CHO細(xì)胞為什么能占據(jù)70%的生物藥生產(chǎn)市場(chǎng)，也講清了細(xì)胞工程、糖基化改造這些核心技術(shù)，到底是怎么讓生物藥更安全、藥效更強(qiáng)的。沒(méi)有晦澀公式，只有一線科研視角的干貨。

生物藥的核心，為什么偏偏是哺乳動(dòng)物細(xì)胞？

現(xiàn)在歐美獲批上市的生物藥，市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)沖到1400億美元。其中占大頭的，就是重組糖蛋白，尤其是單克隆抗體。

說(shuō)起來(lái)，這類藥的藥效、半衰期、免疫原性，全靠蛋白上的糖鏈修飾說(shuō)了算。細(xì)菌、酵母這些表達(dá)系統(tǒng)，根本沒(méi)有完整的糖基化加工機(jī)器，做不出人源化的糖鏈。用到人身上，很容易觸發(fā)免疫反應(yīng)，直接讓藥失效，甚至帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

哺乳動(dòng)物細(xì)胞自帶全套的人源樣糖基化修飾系統(tǒng)，自然成了生物制藥行業(yè)的首選。

圖1 生物制藥行業(yè)用于糖蛋白生產(chǎn)的表達(dá)系統(tǒng)

CHO細(xì)胞：生物藥生產(chǎn)的“頭號(hào)選手”

做細(xì)胞培養(yǎng)這么多年，我最常打交道的就是CHO細(xì)胞，也就是中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞。它是目前行業(yè)里絕對(duì)的主流，70%以上的重組生物藥，都靠它來(lái)生產(chǎn)。

它能輕松適應(yīng)大規(guī)模無(wú)血清懸浮培養(yǎng)，蛋白產(chǎn)量夠高，做出來(lái)的糖蛋白糖型和人源的最接近。更關(guān)鍵的是，它對(duì)人類病毒有天然抗性，工業(yè)生產(chǎn)的生物安全風(fēng)險(xiǎn)直接降到最低。

當(dāng)然它也不是完美的。它沒(méi)法合成一些人源特有的糖型，還會(huì)產(chǎn)生微量的Neu5Gc和α-gal這兩種非人源糖基，存在潛在的免疫原性風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)需要特殊翻譯后修飾的凝血因子，它的加工能力也有限。

細(xì)胞工程：給細(xì)胞工廠做“定向升級(jí)”

想讓細(xì)胞多產(chǎn)蛋白、產(chǎn)好蛋白，就得做細(xì)胞工程改造。工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，主流用的還是穩(wěn)定表達(dá)系統(tǒng)，這里面最核心的就是篩選體系。

我們常用GS/MSX和DHFR/MTX這兩套篩選系統(tǒng)，給整合了目標(biāo)基因的細(xì)胞足夠的篩選壓力，篩出能穩(wěn)定高產(chǎn)的單克隆株。

過(guò)去的隨機(jī)整合，就像開(kāi)盲盒，要從上千個(gè)克隆里大海撈針找高產(chǎn)株?，F(xiàn)在RMCE、CRISPR/Cas9這些定點(diǎn)整合工具，能把目標(biāo)基因精準(zhǔn)插到基因組的轉(zhuǎn)錄熱點(diǎn)里，克隆篩選的工作量直接砍半，表達(dá)穩(wěn)定性也高了很多。

圖2 用于提升生產(chǎn)效率與糖基化修飾的細(xì)胞工程策略

還有些改造，是沖著細(xì)胞生長(zhǎng)和存活去的。比如生產(chǎn)階段用30-32℃的 mild 低溫培養(yǎng)，能讓細(xì)胞從增殖模式切換到生產(chǎn)模式，拉長(zhǎng)培養(yǎng)周期。過(guò)表達(dá)Bcl-2家族的抗凋亡基因，也能讓細(xì)胞在營(yíng)養(yǎng)耗盡的后期活得更久，蛋白產(chǎn)量再上一個(gè)臺(tái)階。

蛋白折疊和分泌也是個(gè)大瓶頸。很多時(shí)候基因拷貝數(shù)上去了，蛋白產(chǎn)量卻沒(méi)跟著漲，就是卡在了這一步。過(guò)表達(dá)PDI這類分子伴侶，還有SNARE家族的分泌相關(guān)蛋白，能幫蛋白正確折疊，順利分泌到胞外。

糖工程：讓生物藥藥效翻倍的核心密碼

坦白講，糖基化修飾，才是決定糖蛋白成藥性的核心。現(xiàn)在行業(yè)里做的最多的，就是去巖藻糖化和高唾液酸化這兩個(gè)方向的改造。

抗體的Fc段去巖藻糖化之后，和NK細(xì)胞的FcγRIIIa受體結(jié)合力能直接提升幾十倍，ADCC效應(yīng)直接拉滿，抗癌藥的殺傷效果會(huì)強(qiáng)很多。現(xiàn)在我們用ZFN、CRISPR直接敲掉CHO細(xì)胞里的FUT8基因，就能做出完全無(wú)巖藻糖的抗體，這也是現(xiàn)在很多抗體藥的核心優(yōu)化方向。

高唾液酸化也很關(guān)鍵。糖鏈末端的唾液酸，能避免蛋白被肝臟的去唾液酸糖蛋白受體識(shí)別清除，大幅延長(zhǎng)蛋白在血液里的半衰期，減少患者的給藥次數(shù)。CHO細(xì)胞本身沒(méi)法合成α2,6-唾液酸化的糖鏈，我們就把對(duì)應(yīng)的ST6Gal1轉(zhuǎn)移酶基因轉(zhuǎn)進(jìn)去，直接補(bǔ)齊這個(gè)短板。

組學(xué)時(shí)代：給細(xì)胞工廠做“全身體檢”

2011年CHO-K1的基因組測(cè)序完成，整個(gè)領(lǐng)域直接踏進(jìn)了組學(xué)時(shí)代?；蚪M、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組，這些工具能把細(xì)胞里的每一個(gè)生化變化都看得清清楚楚。

我們能通過(guò)轉(zhuǎn)錄組，對(duì)比高產(chǎn)株和低產(chǎn)株的基因表達(dá)差異，找到影響蛋白產(chǎn)量的關(guān)鍵基因。用蛋白質(zhì)組，能定位到蛋白折疊、分泌通路里的具體瓶頸?？看x組，能摸清細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程里的營(yíng)養(yǎng)消耗和副產(chǎn)物積累，精準(zhǔn)優(yōu)化培養(yǎng)基和補(bǔ)料配方。

某種程度上，組學(xué)技術(shù)讓我們從過(guò)去“摸著石頭瞎改細(xì)胞”，變成了精準(zhǔn)定向的設(shè)計(jì)改造。未來(lái)的下一代細(xì)胞工廠，肯定是靠多組學(xué)的整合數(shù)據(jù)堆出來(lái)的。

其實(shí)生物藥的生產(chǎn)，本質(zhì)上就是和細(xì)胞打交道的過(guò)程。我們?cè)蕉?xì)胞的運(yùn)作邏輯，就越能讓它成為更完美的“蛋白工廠”。這篇綜述里的技術(shù)，很多已經(jīng)成了現(xiàn)在生物制藥行業(yè)的常規(guī)操作，而新的技術(shù)還在不斷冒出來(lái)。

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