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百年传奇!一只中国小仓鼠 影响全球

2024 年 10 月 17 日,新乡医学院副校长、“太行学者”特聘教授王天云在科普中国·星空讲坛“魅力化学 无限可能”主题场带来演讲《一个中国细胞的故事》,为我们讲述生物药物背后的故事。

以下为王天云的演讲节选:

CHO 细胞的起源与重要意义

中国仓鼠,一种生活在中国的北部和蒙古地区的啮齿动物。1919年西班牙流感暴发,大量感染者出现了肺炎症状。为了了解肺炎的类型,医生需要对患者肺部的细菌进行培养,这就需要小白鼠作为试验对象。

但由于当时条件有限,试验小白鼠不仅少见而且价格昂贵,为了寻找小白鼠的替代品,北京协和医学院的谢恩增(E.T. Hsieh)博士在北京城里寻找替代动物。正好当时北京周围的中国仓鼠众多,谢恩增便到北京郊外抓了一些中国仓鼠做动物模型,结果大获成功。

渐渐地,越来越多的人知道了中国仓鼠对生物研究的价值。1948 年解放战争进入最后阶段,时任北京协和医学院副院长、我国著名病理学家胡正祥教授赠与了正在中国研究疟疾的罗伯特·布里格斯·沃森(Dr.Robert Briggs Watson)医生 20 只中国仓鼠,沃森医生携带着 20 个木箱,共装载 10 公 10 母北京附近生长的中国仓鼠,穿过纷飞的战火,历经千辛万苦运至美国。

1957 年,美国遗传学家西奥多·帕克(Theodore Puck)从波士顿癌症研究基金会实验室得到一只雌性中国仓鼠,并从这只仓鼠的卵巢中分离出了一种细胞,即中国仓鼠卵巢细胞,简称 CHO 细胞。


图片来源于王天云演讲PPT

CHO 细胞自分离以来,在生物医药领域起到了重要的桥梁作用。这一细胞具有许多优点,例如高安全性、与人体蛋白(从人细胞分离的蛋白)类似的结构——我们称之为翻译后的修饰功能,以及能够高密度培养。

因此,它成为了基因工程蛋白药物的主要生产细胞。最早使用 CHO 细胞作为基因工程重组细胞是在 1987 年。当时美国基因泰克公司(Genentech)利用基因工程方法在 CHO 细胞中表达了一种组织型纤溶酶原激活剂(t-PA),开启了利用哺乳动物细胞表达系统生产生物药的时代。

t-PA是一种单链糖蛋白,能够降解纤维蛋白(原)和部分凝血因子,临床上用于治疗急性心肌梗死和急性脑梗死。从那时起,CHO 细胞的生产技术不断发展,最初每升的表达量小于 50 毫克,而现在已经能达到每升 10 克,提升了 200 倍。


图片来源于王天云演讲PPT

目前,近 70% 的上市重组蛋白药物都是由 CHO 细胞生产的,包括被称为“全球药王”的“阿达木单抗(修美乐)”,用于治疗包括类风湿关节炎、强直性脊柱炎等十七种疾病,已连续多年蝉联销售冠军;

“黄金救命药”人血白蛋白(HSA),临床需求量大,用于血容量不足的紧急治疗,创伤、烧伤引起的休克等;被誉为皮肤的“软黄金”的重组胶原蛋白,在生物医药、食品和医美等领域备受青睐。

此外,疫情期间,使用 CHO 细胞生产的重组新型冠状病毒疫苗(CHO细胞)成为国内第四款获批紧急使用的新冠病毒疫苗。


图片来源于王天云演讲PPT

然而,尽管 CHO 细胞源自中国仓鼠,但由于我国的生物医药产业发展较晚、早期我国科学技术相对落后,知识产权长期被国外技术垄断,目前国内使用 CHO 细胞系基本是从国外高价购买所得,CHO 细胞系在国外官网售价高达 1.73 万元,配套产品如 CHO 表达系统试剂盒售价高达 4.15 万元。

中国CHO细胞产业研发进展

为了突破这一技术壁垒,国内科学家进行了不懈努力。结合 Pubmed 网站从 1980 年到 2024 年文章发表的情况,可以看出关于 CHO 细胞的研究在 21 世纪伊始就迅猛增长,而在这些关于 CHO 细胞的研究里面,我们中国科研工作者的研究占了相当大的一部分。

下面分享一下我们实验室的一些成果。我们的实验室团队主要围绕 CHO 细胞表达系统进行研究。首先,在表达载体方面,目前我们已经成功研发了一些高效表达载体,表达载体表达量高(>12 g/L),稳定性强,优于同类产品;在细胞系方面,我们也已经有了很好的细胞系,已经在中国的细胞保障物中保藏。

我们还研发出了无血清的培养基。常规的细胞培养需要添加牛血清,但是,对于生物药物生产来说,这是不允许的,因为牛血清可能带来潜在风险,而且其中含有大量蛋白质,后续的分离和醇化过程也会很棘手。

因此,我们的实验室开发了一种适用于CHO细胞的无血清培养基。


图片来源于王天云演讲PPT

这种培养基的成分非常复杂,包含大约上百种成分,如氨基酸、无机盐、维生素以及其他添加剂。每种成分的浓度都必须严格控制在一个特定范围内。否则会产生什么后果呢?

举个例子,就像新鲜的黄瓜在盐水中会变蔫,而在清水中会膨胀,这是因为渗透压的问题。我们的培养基也面临同样的问题:如果某一种成分的浓度过高,比如盐分,那么 CHO 细胞可能会因为渗透压过高而萎缩,生长不良;反之,如果浓度过低,也会影响细胞的生长。

此外,氨基酸等营养成分的浓度也需要恰到好处,就像人一样,如果营养多了,人会发胖,营养少了呢,就会营养不良。

用这些培养基培养出的细胞密度、活性、蛋白表达水平均高于同类企业的同类产品,不仅为解决国内市场培养基依赖进口问题提供了支持,还获得了加拿大授权的国际发明专利。

现在,在研发的道路上我们还有很长的路要走,我们的目标是:打造一个属于中国人自己的重组药物蛋白系统。

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