动物繁殖激素产品现存的问题和创新

罗昊澍，闫 林，师 磊，熊剑胜

（1.中国农业大学生物学院，北京 100083；2.北京伟杰信生物科技有限公司，北京 100085）

中国的畜牧业规模产值居全球首位，目前总产值每年稳定在3万亿元人民币左右。2016年，国务院印发的《全国农业现代化规划（2016-2020年）》中明确提出，到2020年畜牧业产值占农业总产值比重要超过30%，而2018年我国畜牧业总产值仅占农业总产值的25.27%。同时《规划》提出，要推进以生猪和草食畜牧业为重点的畜牧业结构调整，形成规模化、集约化为主导的产业发展格局。

中国目前每年生猪出栏数在7亿头左右，其中年存栏母猪数量在4 000万头左右。2018年国内暴发非洲猪瘟疫情，导致2018年年底能繁母猪的存栏量（约3 260万头）比非洲猪瘟暴发前的5月份（约4 200万头）下降20%左右。经过2019年，能繁母猪的存栏量预计下降50%以上，存栏不超过2 000万头。巨大的市场需求缺口，导致猪肉价格猛涨，从而带动全国的基本生活物资价格上升。非洲猪瘟对猪肉供应和价格的影响，已经引起国家层面的高度重视，中央已经出台各种措施推进和加快国内生猪的复养和生产。而快速复养的关键是要提高母猪繁殖性能，为了提高生猪养殖效率和降低生产成本，这要求全面或大量应用同期发情、定时输精技术等批次化生产繁殖技术，而科学运用动物繁殖激素产品是批次化生产的核心所在。

目前国内主要通过使用孕马血清（PMSG）、人绒毛膜促性腺激素（HCG）、促性腺激素释放激素（GnRH）以及其他化学激素等，来调节动物体内生殖激素的分泌，从而达到促进发情和解决发情障碍的目的[1-4]。从2016年开始，为了提高母猪的总体繁殖利用率，满足国内养殖高度集约化的生产要求，生猪养殖行业开始大力推广批次化生产繁殖技术（同期发情和定时输精），这对于繁殖激素产品提出了新的更高要求，所以正确把握繁殖激素产品的特性，开发出活性好、纯度高、更安全、成本低的高品质蛋白类繁殖激素产品，是提高我国乃至全球畜牧业发展效率的关键所在。

目前市面上的动物繁殖激素产品的分类和作用如下。

1 化学类性激素

在动物体内由性腺 卵巢或睾丸产生，其基本结构为甾体类化学激素，目前的上市产品均为人工化学合成产物，主要包括：

1）雄性激素：如睾酮、脱氧表雄酮等。可刺激公猪精子的产生，延长附睾中精子的寿命，促进公猪性欲和维持第二性征。

2）雌激素：如雌酮、雌二醇等。可促进母猪发情和生殖道的生理变化；引起个体下丘脑的正反馈，形成促黄体素峰引发排卵。

3）孕激素：如孕酮、烯丙孕素等。主要是通过负反馈生殖调控机制抑制动物发情；烯丙孕素是国内近2年上市的用于后备母猪同期发情的化学激素药物。

4）前列腺素（PG）：是一种不饱和脂肪酸，主要用于促进动物的黄体溶解，促进卵泡启动发育。

化学类性激素生物利用度比较低，大部分产物经尿液或者粪便排出，释放到环境中后很难被降解，并且这些类雌激素物质通过水体、土壤、农作物被人体摄入之后，对人类的生殖健康会产生重大危害。近20年来，我国人口的不孕不育、出生婴儿缺陷、生殖系统疾病和肿瘤发病率居高不下，这与食物和环境中高含量类雌激素化学物质的污染紧密相关。此外，化学类性激素的过度使用对动物的生殖内分泌系统的干扰和危害比较大，并且可能导致激素残留，引发食品安全问题。因此，从环境友好和人类健康的角度综合考虑，应该尽量减少或者禁止化学类性激素的使用，目前农业农村部也在出台相应的法律法规来减少该类化学药物的使用。

2 蛋白类生殖激素

蛋白类生殖激素由动物下丘脑、垂体或胎盘组织细胞产生，目前上市产品为孕马血清、孕妇尿液或猪垂体组织的提取物，其成本越来越高，且品质较难保证。其优点是蛋白类激素进入动物体内发挥作用后将会被全部代谢，所以不存在药物残留和食品安全问题，是一类天然、安全的生殖激素。

2.1 多肽类生殖激素

1）促性腺激素释放激素（GnRH）：10肽结构，是下丘脑产生的10肽，主要促进垂体合成与分泌促卵泡素（FSH）和促黄体素（LH）。它除作用于垂体外，还作用于性腺、胎盘和其他组织，但是长时间使用GnRH或其高活性类似物，对生殖有抑制作用。

2）催产素（OXT）：10肽结构，是下丘脑的视上核和室旁核产生的多肽类生殖激素，主要生理作用为刺激子宫平滑肌收缩，促进分娩；刺激乳腺导管上皮组织细胞收缩，引起排乳。目前的上市产品为多肽合成仪生产，主要用于动物的人工授精，提高受精率；用于动物分娩，促进子宫收缩，提高产仔率。

2.2 蛋白类促性腺激素

1）促卵泡素（FSH）：由垂体产生，促进卵巢增长、卵泡发育和颗粒细胞增殖，常被用于超排[5，6]；

2）促黄体素（LH）：由垂体产生，在促卵泡素作用的基础上，促使卵泡发育和成熟，主要作用为促进排卵；

3）孕马血清（PMSG）：其主要有效成分为eCG，来自孕马的胎盘杯状细胞，是一种高度糖基化的蛋白激素，兼有FSH和LH的双重功能，也是目前诱导猪发情的常用药物；

4）人绒毛膜促性腺激素（HCG）：来源于人胎盘的滋养细胞，有较丰富的糖基化，半衰期比LH长，所以在人类医学领域用于试管婴儿，辅助生殖促排卵和提高受孕率，以及提高男性精子活力和数量；在动物繁殖领域主要用于催情、促排卵和鱼类排卵排精。

以上4种促性腺生殖激素属于糖蛋白，结构复杂，所以目前全世界范围内没有上市的兽用重组生殖激素产品。目前人用重组FSH和HCG产品主要由默克雪兰诺有限公司生产销售，但是人用药的成本非常高，并且人与动物之间存在物种的基因差异，所以无法应用于动物繁殖领域。因此，克服哺乳动物细胞生产重组蛋白的高成本问题，与研发适合于动物基因专属的产品是开发重组兽用生殖激素的关键所在。

目前全世界范围内只有提取类蛋白生殖激素（PMSG、HCG），其存在的问题如下：

1）原料来源有限、成本越来越高：孕马血清和孕妇尿液的供应越来越少，收集难、成本高，很多欧美国家因动物福利原因已禁止采集孕马血清。

2）产品纯度低、杂质多：血清和尿液的成分复杂，含有较多杂质和杂蛋白，通过低成本的纯化工艺很难除去杂质而获得高纯度的产品；如果增加纯化工艺步骤，又会增加成本，使得产品售价增加。

3）产品存在病原污染风险：孕马血液中可能含有马属动物的病毒等病原微生物，而人尿液的收集过程中又很难避免操作污染，所以提取产品中存在病原微生物的污染风险。并且提取类产品相对粗放的生产工艺很难避免内毒素超标的问题，可能导致动物的副作用。

4）免疫原性问题：PMSG为马的绒毛膜促性腺激素，应用于猪、牛、羊的繁殖，属于异源蛋白，长时间使用后动物体内会产生抗体，从而降低产品的使用效果。市面上的提取类产品已经出现反复多次使用后需增加药量的弊端。

5）产品批次稳定性问题：因为收集的不同批次的孕马血清和人尿液所含有效成分波动较大，再加上提取类产品的工艺相对比较粗放，所以很难保证产品的批次稳定性。

综上所述，开发高品质的基因重组兽用蛋白类生殖激素是大势所趋。

3 开发高品质的基因重组兽用蛋白类生殖激素

开发过程中，如何选择合适的蛋白表达系统是关键。目前基因重组蛋白表达系统有两类，原核表达系统主要为大肠杆菌；真核表达系统包括酵母、昆虫细胞和哺乳动物细胞。

1）大肠杆菌原核细胞表达系统。大肠杆菌发酵具有工艺简单、成本低的优点，但是大肠杆菌无法正确表达分子量大、空间结构复杂、二硫键多以及需要翻译后修饰的糖基化蛋白。此外大肠杆菌表达的蛋白多为包涵体形式，需要有体外复性过程。

2）酵母、昆虫真核细胞表达系统。昆虫及酵母等真核细胞虽能进行有效的翻译后修饰，但是其糖基化方式与动物体内天然蛋白的糖基化修饰方式有较大差别，表达动物或人体相关药物蛋白，通常活性欠佳。

3）哺乳动物细胞表达系统。现在广泛使用的哺乳动物细胞株为中国仓鼠卵巢细胞（CHO），目前上市的重组蛋白及抗体类药物70%以上使用CHO细胞。哺乳动物细胞系统表达动物或人体内的蛋白分子，具有很多优势：表达的产物在免疫原性和结构上与动物体内天然蛋白最为相似，可以进行正确的糖基化；不产生内毒素污染，不产生包涵体；药物蛋白可分泌表达，CHO细胞自身较少分泌内源性杂质蛋白，减轻了纯化工艺的压力；可悬浮培养，能够耐受较高的剪切力和渗透压,便于利用生物反应器进行大规模培养；能在无血清培养基中悬浮培养，有利于实现高密度、大规模生产。

目前在人类生殖领域，美国默克公司已经利用基因重组开发出重组的FSH、HCG和LH产品，因其产品的高品质在不孕不育医学治疗领域受到的全世界医生和患者的高度认可，全球销售额超过百亿元。然而因为哺乳动物细胞CHO药物开发系统的技术难度大、工艺复杂、成本高等特点，造成目前在全球范围内也没有基因重组的兽用生殖激素产品[7，8]。目前，国内已有公司正通过持续努力和技术攻关，致力于开发出基因重组的猪专用蛋白生殖激素产品。

综上所述，只有利用先进的生物技术并结合生物制药的优良工艺，不断创新，才能开发出高品质的动物繁殖激素产品，提高生猪养殖效率和降低生产成本，进一步推广批次化生产繁殖技术，为提升我国乃至全球畜牧业的动物繁殖效率做出贡献，为动物和人类的健康提供重要保证。