生物制藥產(chǎn)品在許多疾病的治療或預(yù)防中非常重要，并且在全球制藥市場(chǎng)中占有越來(lái)越大的份額。根據(jù)2022 年生物制藥基準(zhǔn)報(bào)告：La Merie 和 Fierce Pharma 的各種財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的綜合顯示2021 年全球總銷售額達(dá)到 3,430 億美元。此外，生物仿制藥研發(fā)投資較小，可以為昂貴的生物制藥療法提供成本更低的替代方案，并擴(kuò)大了患者的可及性。

生物制藥和免疫生物制品是一種重組治療蛋白，長(zhǎng)期以來(lái)都是基于活細(xì)胞的傳統(tǒng)表達(dá)系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)，然而這種生產(chǎn)方式逐漸暴露出諸多瓶頸，如細(xì)胞存活率低、蛋白折疊錯(cuò)誤、毒性蛋白抑制細(xì)胞生長(zhǎng)等。近年來(lái)，無(wú)細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)（CFPS）正在成為解決這些難題的關(guān)鍵路徑。

今天，小編和大家分享一篇綜述文章——“Cell-Free Protein Synthesis: Advances on Production Process for Biopharmaceuticals and Immunobiological Products”，介紹 CFPS 生物制品生產(chǎn)工藝的新進(jìn)展。

無(wú)細(xì)胞蛋白合成，顧名思義，就是在無(wú)完整活細(xì)胞的環(huán)境下進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。研究人員通過(guò)裂解細(xì)胞，保留其胞質(zhì)內(nèi)含有的轉(zhuǎn)錄-翻譯機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上加入DNA模板、能量分子、氨基酸等必要組分，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)蛋白的體外合成。

（詳文鏈接：無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)：突破傳統(tǒng)瓶頸的新興技術(shù)）

該技術(shù)并非新生事物，早在1961年，Matthaei和Nirenberg就利用CFPS破譯了遺傳密碼，距今已經(jīng)使用了幾十年，之前主要用于研究生物學(xué)功能，直到近十年，隨著其在高通量、快速合成、復(fù)雜蛋白表達(dá)方面的潛力被不斷挖掘，逐漸從基礎(chǔ)研究走向工業(yè)應(yīng)用。

• 在高產(chǎn)量生產(chǎn)方面，CFPS已展現(xiàn)出巨大潛力：

1.高效生產(chǎn)“難表達(dá)”蛋白：CFPS技術(shù)因其開放體系避免了細(xì)胞內(nèi)的負(fù)反饋抑制，能將所有資源集中于目標(biāo)蛋白的合成，成功克服了傳統(tǒng)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)的瓶頸，例如，合成人骨形態(tài)發(fā)生蛋白時(shí)，CFPS在短短 3 小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)方法更高的產(chǎn)量。Thoring 等 人利用開發(fā)的無(wú)細(xì)胞體系的優(yōu)化方法，合成難以表達(dá)的蛋白質(zhì)（膜蛋白和單鏈可變片段），并能夠獲得高達(dá) 980 μg/ml 的產(chǎn)量。

2.復(fù)雜抗體藥物的成功合成：抗體和單克隆抗體是一類重要的生物制藥，通常，抗體在基于細(xì)胞的表達(dá)系統(tǒng)中合成，但這非常耗時(shí)且成本高昂。研究證明CFPS可用于高效生產(chǎn)單克隆抗體、雙特異性抗體等復(fù)雜藥物。通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件（如建立合適的氧化還原環(huán)境、分步添加質(zhì)粒等），無(wú)細(xì)胞體系中的抗體產(chǎn)量可超過(guò)100 mg/L，并將生產(chǎn)周期縮短至2天。此外，在大腸桿菌提取物中合成曲妥珠單抗 IgG 甚至能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 1 g/L的產(chǎn)量。Cai 等人描述的進(jìn)一步修飾 CFPS 反應(yīng)表明，該反應(yīng)能夠保持高通量生產(chǎn)，并將成本降低 95%。

3.病毒樣顆粒（VLP）疫苗的快速制備：VLP 是類似于病毒結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)，可以觸發(fā)高體液/細(xì)胞免疫反應(yīng)，VLP疫苗安全性的一個(gè)關(guān)鍵因素是缺乏病毒基因組材料，而CFPS系統(tǒng)非常適合合成細(xì)胞毒性蛋白，例如，在 CFPS 系統(tǒng)中成功合成的肉毒桿菌毒素蛋白，產(chǎn)量高達(dá) 1 g/L。Sheng 等人的研究中，人諾如病毒顆粒蛋白僅需 4 小時(shí)就可以在大腸桿菌裂解物中合成（而在基于細(xì)胞的系統(tǒng)中需要 50 小時(shí)）。

4.天然產(chǎn)物的環(huán)保合成：天然產(chǎn)物如聚酮和非核糖體肽，具有許多生物活性（如抗生素、免疫抑制、抗癌），醫(yī)藥市場(chǎng)上超過(guò) 50%的新藥來(lái)自此類產(chǎn)品。與其他難以表達(dá)的蛋白質(zhì)一樣，天然產(chǎn)物在基于細(xì)胞的系統(tǒng)中合成存在許多問題，如產(chǎn)量低（由抑制宿主細(xì)胞生長(zhǎng)的代謝負(fù)荷引起）、折疊不正確、缺乏 PTM 以及異源宿主中前體不可用。CFPS 系統(tǒng)作為天然產(chǎn)物合成的替代方案為抗生素、鎮(zhèn)痛肽等天然產(chǎn)物提供了不依賴動(dòng)植物提取的合成途徑，避免了資源破壞和提取困難，并能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

1.按需生產(chǎn)：一些生物制劑的消費(fèi)市場(chǎng)并不廣闊，需要以較小的規(guī)模生產(chǎn)，例如孤兒病的治療、個(gè)性化藥物和即時(shí)醫(yī)療產(chǎn)品，這些按需藥物對(duì)于制藥公司來(lái)說(shuō)效益低在經(jīng)濟(jì)上往往不可行，除非有系統(tǒng)能夠生產(chǎn)單劑量或滿足個(gè)人需求的小規(guī)模定制產(chǎn)品，而CFPS 系統(tǒng)為小規(guī)模生產(chǎn)生物制劑創(chuàng)造了可能性，并為按需生產(chǎn)開辟了新視野。例如，Bundy 的研究小組報(bào)告了美國(guó) FDA 批準(zhǔn)的 L-天冬酰胺酶（crisantaspase）在按需、自穩(wěn)定和低成本的大腸桿菌平臺(tái)裝置中生產(chǎn)，這表明 CFPS 系統(tǒng)將用于臨床環(huán)境中疾病診斷、治療和監(jiān)測(cè)治療的未來(lái)已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

2.個(gè)體性醫(yī)療：CFPS可以使個(gè)體化治療作為一線治療成為可能，Tran 及其同事憑借 CFPS技術(shù)，利用患者的淋巴瘤特異性 Ig V 基因在數(shù)小時(shí)內(nèi)合成蛋白質(zhì)。如果是通過(guò)穩(wěn)定轉(zhuǎn)染的哺乳動(dòng)物或昆蟲細(xì)胞系進(jìn)行的傳統(tǒng)生產(chǎn)可能需要數(shù)月的時(shí)間來(lái)制備，而 CFPS 平臺(tái)可以在幾天內(nèi)生產(chǎn)。另外，CFPS 系統(tǒng)也適用于分層藥物，即根據(jù)診斷測(cè)試結(jié)果篩選患者并進(jìn)行針對(duì)性治療。

即時(shí)生產(chǎn)：為了使生物制劑在床旁治療中變得可行，重要的是不僅要開發(fā)一個(gè)適合小型快速合成的平臺(tái)，還要開發(fā)一個(gè)便攜式設(shè)備。已有研究開發(fā)出“手提箱式”的自動(dòng)化CFPS設(shè)備，研究人員可以在數(shù)小時(shí)的時(shí)間尺度上小規(guī)模合成多種蛋白質(zhì)。該技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，可以在護(hù)理點(diǎn)快速生產(chǎn)生物制劑，范圍從患者床邊、醫(yī)生辦公室、當(dāng)?shù)厮幏俊?zhàn)場(chǎng)、地方病治療、災(zāi)區(qū)或非常偏遠(yuǎn)的地區(qū)。只需加入水和DNA模板，就能在數(shù)小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)出急需的疫苗或治療性蛋白，擺脫對(duì)復(fù)雜冷鏈物流的依賴，為“藥房即產(chǎn)”提供了可能。

CFPS 系統(tǒng)作為堅(jiān)固可靠的系統(tǒng)，可以克服化學(xué)合成和基于細(xì)胞的表達(dá)系統(tǒng)的局限性。它不僅是解決“難以表達(dá)”蛋白的利器，更是未來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療、即時(shí)制藥、綠色生產(chǎn)的核心技術(shù)之一。許多蛋白質(zhì)已經(jīng)在各種類型的細(xì)胞提取物中合成，無(wú)論是在高產(chǎn)量生產(chǎn)中還是在按需規(guī)模上。隨著下一代 DNA 測(cè)序的快速發(fā)展，可以合成更多的蛋白質(zhì)，而不需要從其自然資源中提取。它們的合成生產(chǎn)可以避免動(dòng)植物的剝削，并變得更加環(huán)保、可持續(xù)、更具有成本效益。

隨著有利于生產(chǎn)復(fù)雜蛋白質(zhì)（包括具有不同 PTM 要求和功能的蛋白質(zhì)）的不同細(xì)胞提取物和技術(shù)的發(fā)展，CFPS 的可能性正在迅速發(fā)展。由于其多種優(yōu)勢(shì)，很容易預(yù)見這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)幾年成為標(biāo)準(zhǔn)的蛋白質(zhì)生產(chǎn)平臺(tái)，推動(dòng)生物醫(yī)藥進(jìn)入一個(gè)更靈活、更高效、更包容的新時(shí)代。