蔡小玲，哈小琴，楊波，徐倩，曾通旭

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一種便攜式無活細胞表達的生物合成新技術及其應用

蔡小玲，哈小琴，楊波，徐倩，曾通旭

730050 蘭州總醫(yī)院檢驗科（蔡小玲、哈小琴、楊波、徐倩、曾通旭）；730050 蘭州，甘肅省干細胞與基因藥物重點實驗室（蔡小玲、楊波、徐倩、曾通旭）

1 生物合成新技術概述

合成生物學將工程設計原則合理地應用于分子生物學、新的基因裝置設計，在疾病的診斷和治療的領域發(fā)揮作用[1]，如，創(chuàng)建全細胞生物傳感器[2]，基因修飾益生菌[3]以及細胞生物分子加工廠。源自基因工程的生產細胞系基礎上，生物合成已成為藥品生產[4]、蛋白質療法[5]、燃料及其他產品[6]的主流技術。然而介導細胞宿主遺傳基因進行生物合成，要伴隨生物安全、實際障礙、特殊性實驗室限制技術的問題，并且疫苗和其他蛋白質的生產需要穩(wěn)定的冷鏈配送，但配送成本高，也影響了偏遠地區(qū)對藥物制品的應用。

鑒于上述問題，一種使用凍干、無細胞（freeze drying-cell free，FD-CF）表達系統(tǒng)的安全基因編碼工具的生物合成新技術方法產生了，其具有避免冷鏈運送、降低運送成本等優(yōu)點[7]。該表達系統(tǒng)不僅保留了活細胞的基本蛋白質合成能力，而且還是無活性、無菌和便攜式的平臺，該平臺有望成為一種新的低成本診斷工具[8]。FD-CF 系統(tǒng)在室溫下保持長期（> 1 年）活性，操作簡便，可以減少活細胞的生物合成并不受冷鏈配送要求的限制[9]，也可用生物合成方法合成一些便攜式藥物，治療性蛋白質和其他生物分子。這充分地支持了按需以及就地生物制造的發(fā)展趨勢[10-11]。簡要步驟是將緩沖液、細胞活性物質和模板分子制成一個凍干反應顆粒，需要時只需要添加水激活，1 ~ 2 個小時即可得到目的產品，不需要特殊的設備和技術，如圖 1 所示。

該生物技術可應用于全球健康和個性化醫(yī)療，使得大部分分子合成都可以通過凍干試劑和 DNA 編碼生物合成來實現。這些直徑在幾微米的顆?？奢p松地被航天員、士兵或前往偏遠地區(qū)的醫(yī)療工作者攜帶。它是一種模塊化系統(tǒng)，能夠經編程后在現場制造所需要的目的蛋白，有上百個不同的 DNA 顆?？晒┻x擇，這些顆粒含有從細胞中提取出的幾十種酶和其他分子，能夠在室溫下保存更長時間，一旦加入水和凍存的 DNA，便開始產生DNA 編碼的目的蛋白。

2 生物合成新技術特點

2.1 便攜

FD-CF 生物系統(tǒng)新技術是一種便攜式生物制造平臺，只需加入水并在常溫孵化就可以激活生物反應，用來產生多種蛋白質，包括抗菌肽、疫苗、抗體等生物制劑，通過改善集中生產的不足能滿足更多的需求。事實上，最近的研究報告表明，以分散的藥品生產替代中心化的藥物生產有著全球化的需要。此外，FD-CF 生物系統(tǒng)可以擴展到一系列復雜的應用中去，以滿足按需治療，并且是治療產品分散化生產的可行性選擇。

2.2 快速

FD-CF 生物系統(tǒng)新技術非常適用于快速生物合成，在無活細胞表達系統(tǒng)中，表達參數以及 DNA 編碼的按需產物可以迅速地被篩選和制造。對于快速、低成本開發(fā)和在健康危機時的配送和治療很重要[12]。

圖 1 便攜式生物制造平臺[1]

生物分子產品對冷鏈配送和保存的需求增加了其成本，嚴重影響配送到較遠或資源貧乏地區(qū)[13-14]。而該新技術在使用之前，FD-CF 試劑和編碼 DNA 是互相分開的，這使其有了靈活的制造能力可以緊急應對治療需要。在應用之前建立一個預混的或單獨的分子程序，編碼一個虛擬藥房，需要時只需水化就可以快速制造。這個概念為疾病爆發(fā)時大批生物合成和疫苗配送提供了方法[15]。例如，當發(fā)現小批量的流行性感冒病毒亞單位疫苗的有效性變低時，可以迅速重新生產[16-18]，傳統(tǒng)的疫苗生產很難實現這一點[19-20]。

2.3 經濟

疫苗在運輸過程中冷鏈配送費用可以占到疫苗生產成本除外的 80%[21]，使用 FD-CF 生物系統(tǒng)新技術的核心益處是可以在常溫下運輸治療產品。同時，世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國兒童基金會估計在發(fā)展中國家疫苗損耗高達 50%，這個問題可通過FD-CF 生物系統(tǒng)按需生產解決，從而減少損失[22-23]。

3 生物合成新技術應用

3.1 抗菌肽

抗菌肽是一類多元化的有潛力的多肽類，它可以作為防御分子通過保護細胞和細胞內的成分抗感染。據非凍干表達的文獻報道[24-25]，通過FD-CF 表達形式生產的抗菌肽可以替代使用經典的抗生素。

3.2 便攜疫苗的生產

疫苗是在兒童時期預防疾病的強有力的工具之一，然而運送到偏遠地區(qū)具有成本和冷鏈的要求。有研究者嘗試使用 FD-CF 系統(tǒng)進行生物合成疫苗[26-27]。

3.3 按需的組合抗體類似物

抗體類似物如 DARPins 和納米抗體是強有力的治療藥物，但其生產成本高和冷藏需要限制了產品的配送和效用。因此，通過 FD-CF 生物系統(tǒng)合成 DARPins 和納米抗體親和分子方面有重大的意義[28-29]。

基因藥物在使用之前往往是液體狀態(tài)，這不利于藥效的穩(wěn)定，也是儲存和運輸的一個障礙。因此，改變這種液體狀態(tài)可以增加其穩(wěn)定性和簡化運輸的過程。而“凍干”是長時間保持不穩(wěn)定分子和無菌條件下儲存的良好選擇，這有助于疾病的治療，在基因藥物治療上開辟了新領域。未來發(fā)展中，新技術將可以實現現場 DNA 合成，如戰(zhàn)爭或太空等條件下，可使患者得到高效診斷和治療，并且生物指導的電子傳輸可以在現場實現。FD-CF 系統(tǒng)提供了一個新的生物制造的方法，是合成生物學的進一步創(chuàng)新，這種凍存的不含細胞的生物制造平臺能夠按需合成治療藥物、疫苗、生物化學試劑等，同時展現出一種不需要冷鏈供應的未來。通過將工廠生產移到第一線，我們可能會得到目前不可能獲得的藥物，有益于全球健康的改變。但是，該新技術的普及還需大量的實驗研究證明，還待進一步的驗證確認。

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哈小琴，Email：haxiaoqin@163.com

2017-11-29

10.3969/j.issn.1673-713X.2018.03.012