细胞工程在生物制药中的应用

　摘要:细胞工程技术是我国医疗研究与药物开发的重要基础，当今的医药研究离不开细胞工程。细胞工程技术的出现与发展促使了我国的生物医疗以及生物制药飞速的发展。本文依据细胞工程技术实践的细胞类型的不同，分别从植物细胞和动物细胞两方面进行应用阐述。本文将细胞工程在制药工程中的主要涉及邻域和应用的具体实例进行综述，体现细胞工程制药的重要性，最后总结推导我国未来对细胞工程的规划。

　关键词：细胞工程生物制药动物细胞工程植物细胞工程

1细胞工程的概述

细胞工程做为生物工程的重要组成部分之一，将细胞作为研究对象进行培养，依据遗传学、细胞生物学以及分子生物学的原理，满足现代人们的需求。设计改变出特种细胞产品，造福于当今的生命科学。将细胞工程进行合理利用，对动植物细胞进行培养，生产制造出新型生物产品。全世界有将近一半的医药产品是细胞工程生产制成的，在这当中四分之一的药物从植物细胞中进行提取，与植物细胞一样，动物细胞工程也应用广泛，就比如疫情期间大量使用生产的灭活疫苗。因此可以说细胞工程对生物制药而言有着无法替代的重要地位。细胞工程的发展，大致可以分为三个阶段。本文将三个阶段分别称为探索期、诞生期还有今天还在继续创新科研的快速发展期。首先在第一阶段，20世纪初植物细胞的细胞全能性首次被德国的哈勃兰特科学家提及。在这之后的20世纪30年代，植物学家温特发现植物根的生长主要由B族维生素和生长素进行作用。过了一年的时间，差不多在同一时间法国的2个科学家同时培养出胡萝卜组织，而且细胞可以顺利增殖，可以说植物组织培养的奠基人就是这两位。动物细胞的探索期比植物细胞早半个世纪。19世纪末首次提出组织培养一词，20世纪初，蝌蚪的神经组织成功被分离出，X生物学家将神经组织放入培养液中，生长出了神经纤维。细胞工程诞生于1970年左右，它真正的兴起是因为细胞融合、动物克隆、以及细胞核移植技术的兴起和初次尝试。1973年的人参皂基，两年之后的单克隆抗体，里程碑性的第1只克隆羊多利等，都是细胞工程快速发展期的代表之作。

　2植物细胞工程生物制药

　　2.1主要涉及领域

　　2.1.1植物细胞培养

植物细胞培养技术是根据20世纪德国哈巴兰特提出的细胞全能性，将植物的离体组织进行离体培养，通过分离、培养、再生实现植物的大规模繁殖并且培养出无病毒植株。细胞培养技术使得植株仅需很小的面积就可以在无菌条件下快速生长，非常方便人为控制，并且不受气候季节影响。有人统计过，利用植物细胞培养繁殖出的植物与从培养中分离出的次级代谢产物，加起来多达1000多种，甚至有些药物的有利药物代谢物比原有植物含量更高，例如典型的公认抗癌药物紫杉醇，就是从豆杉细胞中培养出的。对于烧伤痔疮有奇效的紫草宁，是从紫草细胞中提取分离而来。植物细胞培养技术能够造福于植物自身代谢产物的大规模生产。

　2.2应用实例

　　2.2.1人参根细胞中生产人参皂苷

人参为五加科人参，属于珍贵的草本植物，它的根可以作为药，是中外闻名的名贵药材，被称为药中之王。科学家们研究发现人参中的有效成分为人参皂苷，人参多糖等，可以延缓衰老，补元气，护脾护肝。但由于人参生长周期长，人参皂苷含量仅占人参根干重量的二十分之一，植物细胞工程人参组织培养就显的十分重要。而且细胞工程不仅可以节约土地资源，而且还能够保护生态环境，减少破坏。近年来我国主要用细胞液体悬浮对人参组织培养。首先将人参根置于培养基上，生长出适宜悬浮培养的材料，得到生长蓬勃，颜色淡，质地蓬松的组织，然后继续培养。根据研究表明最佳的培养周期为1个月，加入相同浓度的氨态氮源和硝态氮源，磷酸盐以每毫升170mg进行调配对于培养而言是最佳的。在细胞的生长初期给予少量的糖生长后期适当添加糖，合理控制pH，添加必须的生长素和激动素。作为我们的邻国，韩日两国已经实现了产业化，但是我国人参组织培养的技术还有待改善和进一步的研究，存在诸多的问题，无法大规模的进行生产应用，期待该项技术争取早日为社会和经济发展作出贡献。

　2.2.2紫草细胞培养

紫草又称紫丹，是紫草科紫草属植物，属于多年生草木植物。紫草的根部有一种叫紫草素的物质，可以活血抗炎，清热解毒，治疗烫伤疮疡，同时也是一种高级色素。紫草深受市场欢迎，但是由于紫草大部分属于野生植物，产量稀少，资源严重缺乏，并且一些无良厂家或者个人大规模的肆意采挖，严重导致紫草资源匮乏。紫草的人工培植和化学合成工艺均不能满足需求，存活率不高，并且生产成本高昂。随着细胞工程的诞生，科学家就想到了将植物组织培养技术运用于生产紫草，成功解决这个疑难问题。1974年塔巴塔开创了用细胞工程培养紫草细胞的先河，不到10年的时间他通过悬浮培养获取到紫草素衍生物。紫草细胞的培养包含3种方法，分别为细胞悬浮培养，固定化培养还有双液相培养。研究最全面的是细胞悬浮培养。细胞悬浮培养分为两部分，第1部分对细胞进行培养，第2步进行色素合成。在细胞生长期间目的产物形成，转入培养基的15至25天内合成最明显。近年来固定化培养方法也在进一步研究，固定化培养法是把B5培养基作为基础的培养基，以此减缓细胞生长速度，从而增加紫草色素外泌量。在20世纪末，我国通过科研，成功培养提取出的紫草素比天然紫草根中的紫草素含量多了十倍。

3动物细胞工程生物制药

　　3.1主要涉及领域

　　3.1.1细胞融合技术

细胞融合技术是指在外力作用或人工方法下把两个或两个以上的细胞合并成一个细胞。细胞融合是目前我国细胞工程中最成熟的技术，在遗传学、生物学还有免疫学中广为使用。不受有机杂交的种性隔离机制影响，几乎可以对任何细胞杂交生成新的细胞。细胞融合技术荣获了1984年的诺贝尔医学奖。科学家们将长命的骨髓瘤细胞和短命B淋巴细胞这两种细胞进行融合，研究出了新的细胞，称为杂交瘤细胞。杂交瘤细胞同时拥有骨髓瘤细胞和B淋巴细胞的优点，不仅具有很强的繁殖能力，而且可以产生特异性抗体。

　3.1.2转基因动物技术

转基因动物位于转基因生产药物的第三时间段，转基因动物技术是将外源基因和内部重组的基因结构转移到动物的受精卵内，在动物的身体里进行整合和表达，产生具有新遗传信息的动物，并把遗传信息成功的传给新一代。在动物器官中的乳房是最适合进行蛋白药物生产的部位，而转基因动物的乳房可以生产更多的乳汁，还有减少生产成本，品质优良，简易环保的优点。当今世界利用转基因动物技术生产出的药用蛋白已经多达10种，这些生物药用蛋白可以用来诊断和治疗有关疾病，其中包括溶酶菌、乳铁蛋白，还有血清白蛋白等。我国成功研究出一种转基因克隆牛，与克隆羊不同，克隆牛的克隆过程是将供体细胞注入受体细胞而多利羊是将供给细胞核注入受体细胞，两种方法相比较下来，克隆牛更便于操作，也更容易成功。克隆牛体内携带有一种胰岛素基因可以用来治疗恶性肿瘤，并且克隆牛生产出的药物蛋白的表达量遥遥领先于世界水平。

　3.1.3细胞大规模培养技术

细胞培养技术就是取出胚胎或者幼龄动物的器官组织，并将其剪碎，用胶原蛋白酶或者胰蛋白酶处理，分散细胞得到单个细胞，加培养液稀释后制成细胞悬液，在无菌无毒的环境下放入培养瓶中观察培养。将原代培养进行传代培养，进行无限传代，增加细胞数量。动物细胞培养能否成功重点在于培养液中的动物血清，因为血清中的蛋白质和核酸物质能够促进细胞生长，同时培养液中还需要葡萄糖、氨基酸、无机盐等营养物质。20世纪50年代，细胞培养开始大规模的开发与研究，经过多年的研究，现如今动物细胞培养应用的产物有狂犬疫苗、干扰素、各种单克隆抗体等。上世纪70年代，科学家们还发明了生物反应器应用于细胞培养技术，使用生物反应器可以省时省力，实现自动化管理，提高产量的同时，还可以确保产品质量，实现高效生产。

　　3.2应用实例

　　3.2.1单克隆抗体的制备

抗体可以鉴别外来对身体不利的物质，吞噬有害细胞，是一种具有免疫功能的蛋白球。传统的抗体由淋巴B细胞产生，而每个细胞只产生一个抗体，但单克隆抗体是一群基因型相同的群体他们的特异性强，更加灵敏，这就是单克隆抗体优点。在制备中选择小鼠的骨髓瘤细胞，与B细胞进行细胞融合和细胞筛选，产生杂交瘤细胞，再进行细胞培养筛选，继续培养得到足够数量的细胞后，注射进小鼠体内，形成单细胞抗体。单细胞抗体制备抗癌药物，已经在国际上广泛应用。第一个临床应用的美罗华-CD20单抗，有效抑制淋巴细胞，可以治疗淋巴癌。我国也有许多的新型抗体药物上市，除了传统的lgG，还有ADC和双功能抗体等。随着科学的不断进步，会有越来越多的抗体药物的出现给肿瘤患者带来希望。

3.2.2胰岛素的批量生产

当前医疗临床降低血糖唯一可以使用的方法就是注射胰岛素，胰岛素作为一种蛋白质类激素，可以促进激素的合成。细胞工程中用大肠杆菌生产重组人胰岛素。流程第一步从DNA里提取胰岛素，获得目的基因，之后还有四步骤，包括第二部分质粒提取，倒数第二步重组基因，再将重组之后的质粒送回大肠杆菌，在菌内翻译转录，形成蛋白质，继续培养，最后再进行批量生产的步骤。运用转基因技术，可以在较短时间内迅速繁殖，是临床生产胰岛素的常用工艺。我国已经有很多生物公司生产胰岛素，20世纪末，我国研制出了第一支重组基因的胰岛素，为以后的胰岛素生产奠定了基础。

　3.3.3激活剂尿激酶原

尿激酶原作为特异性溶栓剂，是从尿液中纯化出的一种新的高分子单链尿激酶，可以有效的溶解血栓，一般使用注射给药，尿激酶原激活剂溶栓作用强，出血风险小而且再通率高，在临床中成功救治了很多心脑梗塞病人。尿素酶原最开始被人们发现是在20世纪70年代，在20世纪末就已经进入临床试验。我国在“七五”期间开始致力于科研，首先取得基因cDNA克隆，而后不久成功在21世纪初完成临床试验。尿激酶原细胞构造过程先从人体中提取出细胞RNA,经过反转录并重组基因，构建成重组表达质粒。国家军事科学院研制出新技术转染CHO细胞，进行酶切确认，成功获得高质量的CL-11G工程细胞株。

总结

细胞工程技术发展进50年来突飞猛进，在临床治疗，药物制造方面广泛应用，为医疗事业做出了杰出贡献。许多先进细胞工程技术的应用不仅简化了制药的实施过程，而且还可以提高药物开发的质量和治疗效果。虽然我国的研究比别国晚，但是进展显著，前景更是一片光明。但是，在我国细胞工程生物制药技术的发展中，仍然存在问题，诸如缺乏专业研究人员以及研究技术缺乏创新和独立性等问题，严重阻碍了我国生物制药技术的可持续发展。因此，有必要加强细胞工程制药技术的研究和开发，进一步优化细胞工程制药产品的质量，进一步提高细胞工程在我国医疗市场的市场占有率，促进人类健康和健康的可持续发展。我国今后的发展应注意这几个方面，包括研制更高效安全的抗体疫苗，拯救濒临消失的中药资源和合理利用转基因技术提高药物产量，同时鼓励高校开展细胞技术课程，增强考核，为国家培养更多的细胞工程技术的能人。

参考文献

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