植物生物反应器制药的商品化进展及展望

郭嫣秋

（拜耳技术工程（上海）有限公司，上海 201507）

植物生物反应器制药的商品化进展及展望

郭嫣秋

（拜耳技术工程（上海）有限公司，上海 201507）

利用植物生物反应器生产药品是生物制药的一个分支，该技术通过基因工程植物生产药用蛋白质分子、肽和二级代谢物，具有成本低、规模化生产等优点.文章综述了植物生物反应器制药的国内外专利情况，专利内容包括疫苗、治疗蛋白和抗体等研究对象，我国专利申请数量以疫苗为最多，大多由高校等研究机构申请；阐述了国内外植物源疫苗、抗体、治疗和保健用蛋白等的研究现状及开发重点；并对临床研究进展和上市的植物生物反应器产品进行总结，到目前为止已有两个植物生物反应器生产的药用产品获得批准.

植物；生物反应器；制药；疫苗；抗体；治疗蛋白；商品化

植物生物反应器广义上指以植物悬浮细胞培养或整株植物为加工场所大量生产具有重要功能或药用价值的蛋白（人或动物的疫苗、抗体、重要的氨基酸等），植物细胞、组织或整株植物既可以是

天然的也可以是经过基因工程改造的，以它们作为植物工厂大量生产各种高价值的生物制品[1].

最近10年，许多研究证实植物系统具有表达活性哺乳动物蛋白的能力，在产品质量、成本和安全方面已显现出优势，并很快得到科学家和生物制药业的认可.据预测，未来5～10年植物将成为临床治疗或诊断药品的主要生产系统[2].该文阐述了植物生物反应器制药的优点，对植物生物反应器生产疫苗、单抗、治疗用蛋白等的研究现状和专利情况进行概况，并总结了目前进入临床研究和上市的产品，展望未来的应用前景.

1 植物生物反应器制药的优点

通过植物基因工程技术，在转基因植物中生产药用蛋白及多肽疫苗，具有微生物或动物反应器不可替代的独特优点[1].首先，植物系统易于转化和大规模生产，可以自动表达动物、人类、细菌、病毒等外源蛋白，而且价格低廉，因此利用转基因植物开发畜禽疫苗是一种最经济和有效的途径.细菌在发酵过程中常产生包涵体，不易对真核生物的蛋白进行有效的翻译后加工，如将其重新溶解并折叠成天然蛋白质则需要很高的成本，而且本身可能是人类病原物.动物细胞培养所需的生长培养基相当昂贵，在细胞培养过程中可能感染动物病毒而对人类健康造成潜在危害.就粮食作物而言，作物的田间种植比其他任何系统更加低廉有效，作物能进行自身光合作用和物质代谢循环，生产出人类所需的转基因产品.而且随着现代作物栽培技术的不断发展，人类食用的常规粮食作物可以科学种植，相关植物生物反应器产品可通过种子、果实或块茎表达，便于贮藏、运输和利用.其次，转基因植物生物反应器产物的生理生化特性和生物活性与天然产物几乎完全相同，省去了对下游产物进行完全分离或纯化步骤，降低了生产成本.据推算，利用转基因植

但植物生物反应器制药也面临着表达水平低、错误蛋白修饰和下游加工技术限制等瓶颈问题，需要在未来一段时间内得到改良.

2 植物生物反应器制药的专利现状

Drake等[3]研究2002至2008年间植物生物反应器制药的专利发现，专利申请的领域呈明显的下降趋势，大量的专利由来自公共机构的发明人申请.美国最多，其申请的专利占30%.大部分的专利为疫苗（55%）、治疗蛋白（38%）和抗体（7%）.我国植物生物反应器的研究始于20世纪90年代初期，检索我国国家专利局数据库发现，专利内容包括疫苗、治疗蛋白和抗体，趋势与国际一致；专利涵盖高效植物表达载体构建、转基因植物培育、不同植物表达系统（烟叶、土豆、玉米、中草药等）等主要技术环节，且大多数专利由高校等研究机构申请，代表性专利列于表1.

表1 植物生物反应器制药专利检索Tab.1 Patent retrieve for plant bioreactor pharmaceutical

3 植物生物反应器制药的研究现状

3.1 植物源疫苗抗原

疫苗是针对特定的疾病提高免疫力的一种抗原制剂.通过减毒或灭活的传统方法生产大量疫苗存在内在风险，疫苗生产转向利用细菌、酵母和哺乳动物细胞生产非复制型病毒蛋白亚单位疫苗.然而，这些表达系统也存在一些问题.较目前的生产系统，植物生物反应器存在众多潜在优势，包括大规模生产，降低生产成本与口服给药方案以及糖基化亚单位疫苗的宿主，因此植物作为疫苗生产的平台应运而生.自从20年前报道的第一个植物源性疫苗，许多疫苗已经在植物中获得表达[4].乙肝表面抗原已经在转基因马铃薯、番茄、香蕉、烟草细胞悬浮培养中表达，大肠杆菌的热不稳定肠毒素B亚单位（LTB）已在马铃薯块块根、玉米种子、烟草和大豆中表达.霍乱弧菌的霍乱毒素B亚基（CTB）已在烟草、番茄和水稻等作物中表达.以兽用为目的的植物源疫苗，包括禽流感、新城疫、口蹄疫和肠毒素大肠杆菌的疫苗也在植物中获得表达，牛瘟血凝素蛋白在木豆和花生中获得表达.其他包括人类乳头状瘤病毒11型和16型L1蛋白、诺瓦克病毒衣壳蛋白，麻疹病毒血凝素蛋白和H5N1型流感疫苗，也在烟草、土豆和胡萝卜中获得表达.另外，美国国防署赞助研究和开发针对炭疽、蓖麻毒素、鼠疫和出血猪瘟病毒的各种生物防御疫苗.

3.2 植物源抗体

抗体或免疫球蛋白（IgG）是血清蛋白质，具有与目标分子高特异性结合的特点，广泛应用于预防、检测和治疗疾病.到目前为止，只有单克隆抗体被用于治疗关节炎、癌症、免疫及炎症性疾病.现已发现，重组抗体会对病原体产生被动免疫，可以用于防治传染性疾病，尤其是面临微生物耐药性增加和新病原体出现[5].虽然市场需求在不断增长，但是高昂的生产成本阻碍了其成功作为治疗传染病的手段进入医疗市场.因此，要求降低生产成本实现大规模生产的呼声越来越高.利用已建立的哺乳动物细胞生产系统生产抗体面临抗体的复杂性及转译后修饰及蛋白质化等挑战，植物不仅提供廉价的生产平台，植物源抗体的成本仅为哺乳动物细胞培养的0.1%～1%和微生物系统的2%～10%[6]，而且还可以组装成多聚抗体，生产定制的药用蛋白.自从1989年第一个重组抗体在植物中获得表达后，不同片段从单链Fv片段（ScFvs，包含重链和轻链的可变区，通过灵活的肽连接）的Fab片段（组装轻链和缩短重链），到小免疫蛋白（SIP），IgGs，嵌合分泌免疫球蛋白A和单域抗体均获得表达[7－8].

在植物中表达具有生物活性抗体主要通过两大途径：一种是对单独转基因植株交叉授粉表达轻链或重链，使其产量达到总植物蛋白的1%～5%；另一种将重链和轻链基因一起转移到单个、双个或更多的表达盒进行表达.通过上述方法获得的植物源抗体——变形链球菌的表面抗原分泌的抗体与鼠原IgG一样有效，该抗体用于保护牙齿免受变形链球菌的定植.最近，玉米种子生产的艾滋病毒特异性单克隆抗体，其与抗原的结合活性与中国仓鼠卵巢源（CHO）细胞产生的抗体一致[9].

3.3 治疗和保健用蛋白

第一个植物中表达的治疗性人类蛋白质是人类生长激素[10].人血清白蛋白通常是从血液中分离，1990年首次在转基因烟草和马铃薯中产生[11].此后，许多蛋白质在植物中表达，包括表皮生长因子，用于治疗乙型肝炎和丙型肝炎α-，β－和γ－干扰素[12]，促红细胞生成素[13]，治疗克罗恩病的白细胞介素[14]，治疗糖尿病的胰岛素，治疗Gaucher疾病的人类葡糖脑苷脂酶[15]等.2008年，我国科学工作者首次在番茄果实中成功表达具有生物活性4连体胸腺素α1（4×Tα1）[16].

抗菌保健品，如人乳铁蛋白和溶菌酶，目前已成功地在几种作物中表达[17]，以精细化学品的形式问市.

4 植物生物反应器制药商品化现状

植物生物反应器制药的临床试验进展受到密切关注，行业观察家都认为，一个完全由植物制成的药物成功推向市场可以触发市场对该行业的关注.迄今为止，只有两个植物生物反应器生产的产品获得批准，一个是CaroRXTM，由Planet Biotechnology公司生产的一种单克隆抗体，用于蛀牙治疗，在欧洲以医疗设备授权销售，但尚未正式上市.另一个是重组人内源因子，用于治疗VB12缺乏.这一现状在一定程度上也反映了第一个植物生物反应器药物在审批过程中遇到的强大的监管障碍.表2概括了目前临床阶段和上市的植物生物反应器生产的产品[18].

如表2所示，多种植物表达的候选疫苗处在临床试验的不同阶段，其中拜耳创新公司针对非霍奇金淋巴瘤开发的个人疫苗也进入临床试验Ⅲ期[19].到目前为止，第一个兽医疫苗为陶氏益农开发的家禽新城疫疫苗，已通过农业部美国农业部（USDA）（http：／／www.dowagro.com／animalhealth）的批准.目前有5种不同的植物源性单克隆抗体正在进行临床试验（表2）.第一个植物源scFv单克隆抗体已在古巴商业化，用于生产重组乙型肝炎病毒疫苗[20].表2中治疗用蛋白，处在临床试验的各个阶段，或在接近商业化.Glucocerebrosidase（prGCD）是由以色列Protalix Biotherapeutics公司通过胡萝卜细胞生产的，用于治疗Gaucher疾病，该药物正在进行Ⅲ期临床试验，在2009年辉瑞公司花费6 500万美元收购prGCD，预计近期批准进入市场.加拿大的SemBioSys Genetics公司生产的治疗糖尿病的植物源性胰岛素已经通过临床试验Ⅰ／Ⅱ期，这表明其与市场上的基因重组人胰岛素具有生物等效性，符合预期的安全性.美国的Biolex Therapeutics生产的丙肝治疗药INF－α2b已经完成临床试验Ⅱ期，预期在近年内获得FDA批准.保健用蛋白更多的是以精细化学品的形式面向终端消费者.丹麦Cobento Biotechnology公司利用拟南芥生产的人类内在因子Coban最近刚刚获得了批准，用于治疗维生素B12缺乏.我国武汉禾元生物科技有限公司开发了水稻胚乳细胞生物反应器技术平台用于生产重组人血清白蛋白，目前该产品进入临床前阶段；此外，该平台生产的重组人酸性成纤维生长因子、重组α－抗胰蛋白酶、重组胰岛素样生长因子、重组人粒细胞集落刺激因子、重组人碱性成纤维细胞生长因子以精细化学品的形式面市.

可见，以植物作为生物反应器能够与传统的方法相媲美，打破目前的标准生产技术的限制，打开以植物为基础生产药用级蛋白的新领域.

表2 临床阶段或上市的植物生物反应器生产的产品Tab.2 Products produced by the plant bioreactor pharmaceuticals in clinical trial or on market

5 展 望

据估计，到2020年全球生物技术市场将达到3万亿美元.据中国保健协会《2006－2007年度中国生物产业投资分析报告》预测，到2015年我国生物制品销售收入将会达到1 100亿元，而且近年中国市场以20%的增幅增长.利用植物生物反应器生产重组蛋白药物较其他表达系统，具有成本低、规模化生产、并能够对复杂的多聚蛋白进行适当的翻译后修饰等优点；采用非食用作物或转移到室内生产降低产品的生产成本；此外，利用植物生产的药用蛋白已经商品化或接近商品化，这些为植物生物反应器大量生产外源目的蛋白提供了广阔的前景，吸引着越来越多的商业聚焦.

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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，主要从事生物技术转移及产业化研究.E-mail：guoyanqiu＠sohu.com物生产药用重组蛋白的成本，仅为利用大肠杆菌发酵生产成本的2%～10%.

10.3969／j.issn.1674-232X.2011.04.013