上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称：生物技术与人类课程号：B1913 班级号：F1508201 姓名：王逸林学号： 515082910017 专业：生物医学工程 阅读与理解 阅读文章名称 植物生物反应器生产药物蛋白的前景 得分 肖乃仲、白云峰、刘锦秀、王兴智植物生物反应器生产药物蛋白的前景 遗传HEREDITAS(Beijing)25(1):107~112,200 前言 植物作为药材的历史可以追述到古代中国和公元前1600年的古代埃及，那时人 们就己经发现和使用数百种植物作为药物治病。在今天，处方药中相当一部分成 分仍然来自于植物。然而，人类千百年来对于药用植物与药用植物制剂、抗生素 等的滥用使得一种天然药物的使用寿命越来越短：与此同时，大部分现有植物的 药用价值己经得到了充分的论证分析，从天然植物中发现新的药用成分较为艰难。 这些困难客观上促进了近代化学方法合成/半合成药物成分的发展。 随着化工合成产业的进步，人类能够以原油等化石化工为材料合成各种各样的 有机药物成分，或者在现有动植物原材料基础上加工药物成分，但用化学方法生 产药物成分，尤其是大分子药物蛋白，仍然存在成本高、副产物多等缺点。转基 因技术的出现，让以植物为原材料生产药物蛋白的方法重新回到了人们的视线。 如今，在生物实验室中，科学家能够利用转基因植物提纯出抗体、血液替代品等 药用蛋白
上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程号： BI913 班级号： F1508201 姓名： 王逸林 学号： 515082910017 专业： 生物医学工程 阅读与理解 阅读文章名称 植物生物反应器生产药物蛋白的前景 得分 肖乃仲、白云峰、刘锦秀、王兴智 植物生物反应器生产药物蛋白的前景 遗传 HEREDITAS(Beijing)25(1)：1O7～112，200 前言 植物作为药材的历史可以追述到古代中国和公元前 1600 年的古代埃及，那时人 们就已经发现和使用数百种植物作为药物治病。在今天，处方药中相当一部分成 分仍然来自于植物。然而，人类千百年来对于药用植物与药用植物制剂、抗生素 等的滥用使得一种天然药物的使用寿命越来越短；与此同时，大部分现有植物的 药用价值已经得到了充分的论证分析，从天然植物中发现新的药用成分较为艰难。 这些困难客观上促进了近代化学方法合成/半合成药物成分的发展。 随着化工合成产业的进步，人类能够以原油等化石化工为材料合成各种各样的 有机药物成分，或者在现有动植物原材料基础上加工药物成分，但用化学方法生 产药物成分，尤其是大分子药物蛋白，仍然存在成本高、副产物多等缺点。转基 因技术的出现，让以植物为原材料生产药物蛋白的方法重新回到了人们的视线。 如今，在生物实验室中，科学家能够利用转基因植物提纯出抗体、血液替代品等 药用蛋白
背景知识 生物反应器(bioreactor)是指利用生物系统大规模生产有重要商业价值的外 源蛋白质，用于医疗保健和科学研究。 植物生物反应器广义上指以植物悬浮细胞培养或整株植物为工厂大量生产具 有重要功能的蛋白如人或动物的疫苗、抗体和重要的氨基酸，它们具有重要药用 价值，或可作为食品添加剂、工业原料的植物次生代谢产物。可以是悬浮培养细 胞或整株植物，也可以是天然的植物细胞和组织或是经基因工程改良的植物细胞 和组织，还可以是以植物病毒为载体在植物中表达。植物生物反应器狭义上是指 以转基因的整株植物为工厂大量生产各种高价值的生物制品。 1986年Barta等首次在烟草中表达人类生长激素蛋白并获得了成功和1989年 Hiatt等首次利用转基因烟草产生具有与哺乳动物产物相同功能的抗体，证实了植 物作为生物反应器的可行性。目前，在植物中已成功表达的医药有抗体类、酶类、 激素类、白细胞介素、血浆蛋白和疫苗等。最具挑战性的成果是利用植物生产嵌 合型抗肿瘤疫苗和多亚基蛋白复合物，如分泌型IgA11等。 文章重点 本文的阐述重点有两方面，生物反应器生产药物蛋白的现有三种应用和未来工 艺上的两种改进思路。并表达了对这一产业迅猛发展的期盼。 作者首先介绍了现有利用植物生物反应器生产植物抗体的技术。如上文所述， 早在1989年转基因烟草便已成功表达出免疫球蛋白的重链、轻链基因并成功组装 成抗体。本文发表时，已有人抗疱疹病毒抗体、癌胚抗原抗体等四种具有潜在医 疗价值的植物抗体被从植物反应器身上成功获取。杜小春(2008)在文章中又介 绍了人肌酸激酶IgG、链球菌外源凝集素分泌性IgA/G等多种21世纪新生产出的 抗体蛋白。植物生物反应器生产抗体蛋白相比传统的杂交瘤途径，成本可以节省 9/10:相比动物生物反应器途径，成本可以节省1/2。这主要是源于通过水稻、小 麦种子生产的植物抗体无需提纯，直接服用便可达到药用效果。临床试验也表明， 植物抗体作为人类药物不存在免疫原性和致敏性。 植物生物反应器另一项前景诱人的应用是生产口服疫苗。疫苗需具有生物活 性，过去认为植物生产疫苗蛋白需要经过若干深加工流程，其中的活性成分在此 过程中将受到损坏。通过转基因技术引入表达热稳定性等特性的基因，可以达到 利用转基因植物组织作为载体运送疫苗蛋白进入人体肠部引发免疫反应的功效
背景知识 生物反应器(bioreactor)是指利用生物系统大规模生产有重要商业价值的外 源蛋白质，用于医疗保健和科学研究。 植物生物反应器广义上指以植物悬浮细胞培养或整株植物为工厂大量生产具 有重要功能的蛋白如人或动物的疫苗、抗体和重要的氨基酸, 它们具有重要药用 价值, 或可作为食品添加剂、工业原料的植物次生代谢产物。可以是悬浮培养细 胞或整株植物, 也可以是天然的植物细胞和组织或是经基因工程改良的植物细胞 和组织, 还可以是以植物病毒为载体在植物中表达。植物生物反应器狭义上是指 以转基因的整株植物为工厂大量生产各种高价值的生物制品。 1986 年 Barta 等首次在烟草中表达人类生长激素蛋白并获得了成功和 1989 年 Hiatt 等首次利用转基因烟草产生具有与哺乳动物产物相同功能的抗体，证实了植 物作为生物反应器的可行性。目前，在植物中已成功表达的医药有抗体类、酶类、 激素类、白细胞介素、血浆蛋白和疫苗等。最具挑战性的成果是利用植物生产嵌 合型抗肿瘤疫苗和多亚基蛋白复合物，如分泌型 IgAl1 等。 文章重点 本文的阐述重点有两方面，生物反应器生产药物蛋白的现有三种应用和未来工 艺上的两种改进思路。并表达了对这一产业迅猛发展的期盼。 作者首先介绍了现有利用植物生物反应器生产植物抗体的技术。如上文所述， 早在 1989 年转基因烟草便已成功表达出免疫球蛋白的重链、轻链基因并成功组装 成抗体。本文发表时，已有人抗疱疹病毒抗体、癌胚抗原抗体等四种具有潜在医 疗价值的植物抗体被从植物反应器身上成功获取。杜小春（2008）在文章中又介 绍了人肌酸激酶 IgG、链球菌外源凝集素分泌性 IgA /G 等多种 21 世纪新生产出的 抗体蛋白。植物生物反应器生产抗体蛋白相比传统的杂交瘤途径，成本可以节省 9/10；相比动物生物反应器途径，成本可以节省 1/2。这主要是源于通过水稻、小 麦种子生产的植物抗体无需提纯，直接服用便可达到药用效果。临床试验也表明， 植物抗体作为人类药物不存在免疫原性和致敏性。 植物生物反应器另一项前景诱人的应用是生产口服疫苗。疫苗需具有生物活 性，过去认为植物生产疫苗蛋白需要经过若干深加工流程，其中的活性成分在此 过程中将受到损坏。通过转基因技术引入表达热稳定性等特性的基因，可以达到 利用转基因植物组织作为载体运送疫苗蛋白进入人体肠部引发免疫反应的功效
这样的口服疫苗成本低、便于管理、可以削减大众对疫苗接种的恐惧心理。植物 组织表达疫苗的量需要足够大以实现口服免疫效果，目前己经运用导肽、多聚腺 苷酸信号以及优化密码子等，将亚单位疫苗定位于细胞表面、内质网或高尔基体 等位置，在多个实验室植物疫苗模型上取得了成功。 另一种有前景的应用是人类蛋白质的生产，但是这一思路存在如转基因莴苣表 达的重组乙型肝炎表面抗原含量低(1~5g/g鲜重)、马铃薯表达的诺沃克病毒 衣壳蛋白产率过低（占TSP的0.37）等问题，难以大规模应用。即使目前许多非 人源蛋白质在植物生物反应器中得到了较高效的表达，人源蛋白质的表达率仍然 十分低下。对此，作者提出在叶绿体内装配复杂真核蛋白质、蛋白质靶向定位、 替换动物源基因部分密码子等改进思路。 工艺上作者认为存在两种改进思路。第一种是寻找新的表达策略，除了在现有 常用植物生物反应器种类（烟草、首蓿、大豆）外寻找新的适用植物（水稻、小 麦)，也可以尝试悬浮培养、根分泌等更为高效的表达策略。另一种潜力巨大的表 达策略是瞬时表达，常用RNA病毒载体短时间内大量表达3OkDa以下的蛋白质， 人们正利用农杆菌法和基因枪法改进这一策略。 另一种优化思路是寻找新的纯化策略。层析纯化费用占提纯重组蛋白成本的 30%,通过转基因技术减少纯化步骤、提升纯化效率可以为植物生物反应器提供更 多的商业化空间。 最后，作者提到孟山都公司建立的转基因玉米体系生产人类抗体的水平已经 达到1.5公斤/英亩。Sigma-一Aldric通过转基因玉米表达抗生物素蛋白的量已 经达到230mg/kg,成本与从鸡蛋清中提取相比降低了10倍。作者认为随着人类 基因组计划深入，人类将会发现更多具有药用价值的蛋白质，而植物生物反应器 技术有望成为最主要的药用蛋白生产系统
这样的口服疫苗成本低、便于管理、可以削减大众对疫苗接种的恐惧心理。植物 组织表达疫苗的量需要足够大以实现口服免疫效果，目前已经运用导肽、多聚腺 苷酸信号以及优化密码子等，将亚单位疫苗定位于细胞表面、内质网或高尔基体 等位置，在多个实验室植物疫苗模型上取得了成功。 另一种有前景的应用是人类蛋白质的生产，但是这一思路存在如转基因莴苣表 达的重组乙型肝炎表面抗原含量低(1～ 5ng／g 鲜重)、马铃薯表达的诺沃克病毒 衣壳蛋白产率过低（占 TSP 的 0.37）等问题，难以大规模应用。即使目前许多非 人源蛋白质在植物生物反应器中得到了较高效的表达，人源蛋白质的表达率仍然 十分低下。对此，作者提出在叶绿体内装配复杂真核蛋白质、蛋白质靶向定位、 替换动物源基因部分密码子等改进思路。 工艺上作者认为存在两种改进思路。第一种是寻找新的表达策略，除了在现有 常用植物生物反应器种类（烟草、苜蓿、大豆）外寻找新的适用植物（水稻、小 麦），也可以尝试悬浮培养、根分泌等更为高效的表达策略。另一种潜力巨大的表 达策略是瞬时表达，常用 RNA 病毒载体短时间内大量表达 30kDa 以下的蛋白质， 人们正利用农杆菌法和基因枪法改进这一策略。 另一种优化思路是寻找新的纯化策略。层析纯化费用占提纯重组蛋白成本的 30%，通过转基因技术减少纯化步骤、提升纯化效率可以为植物生物反应器提供更 多的商业化空间。 最后，作者提到孟山都公司建立的转基因玉米体系生产人类抗体的水平已经 达到 1．5 公斤／英亩。Sigma— Aldric 通过转基因玉米表达抗生物素蛋白的量已 经达到 230mg／kg，成本与从鸡蛋清中提取相比降低了 10 倍。作者认为随着人类 基因组计划深入，人类将会发现更多具有药用价值的蛋白质，而植物生物反应器 技术有望成为最主要的药用蛋白生产系统
读后感 我来自生物医学工程学院，这是一个关注利用工程知识解决医疗产业中遇到问 题的专业。在我的理解中与生物医学工程解决外科医学、影像医学等宏观层面医 学问题不同，生物工程更关注微观层面、分子层面相关的医疗问题。我已修读过 生物化学课程，接下来还会修读细胞生物学、分子生物学课程。因此我对以抗体 为代表的大分子蛋白质在人体免疫流程中的重要性有一定的了解。我国市场上的 免疫制剂、非普适性疫苗的价格相当高昂，部分原因便是错过了当年第一波次的 药用蛋白生产的发展机会，当外国公司对合成/半合成药用蛋白质的技术形成垄断 时，国人便不得不忍受其高昂的价格。“十三五”工作计划中明确提及转基因作物 的商品化，这是一次国内药企实现弯道超车的好机会。这篇早在2003年发表的文 章已经提及了转基因植物生物反应器生产药用蛋白所具有的价格低廉、后续处理 简便、副产物少等优点。参考文献中提及了赵建聪(2008)利用植物生物反应器 表达胸腺素α1的研究，如果能在这一次药物技术革命中占得先机，我国在药用蛋 白领域上受制于人的程度将大大降低。 作者提及而又未详细解释的一个问题是药用蛋白的叶绿体表达。翻阅其他文献 (张胜利，2011)，我得知早在1988年，Boynton等首次成功地用野生型的叶绿体 DNA转化了单细胞生物衣藻的突变体，证明植物叶绿体基因组是可转化的。另一 种叶绿体表达的应用是丙型肝炎病毒抗原基因S3-C和CE1各自插入烟草和衣 藻叶绿体转化载体中获得表达。叶绿体作为外源基因转化的受体又具有诸多优越 性：①基因为多拷贝，表达量高：②便于外源基因定位整合：③导入的外源基因性 状稳定性高、安全性好；④能直接表达原核基因。这同样有助于解决作者提到的人 源基因在植物体内得不到良好表达的问题。 分子医学作为转化医学的一个分支也是生物医学工程学院的一个科研方向，通 过阅读这篇文献，我对分子医学产生了一定的兴趣，希望在接下来的专业课程上 能够和授课教师多加沟通，或许这会成为我最终为自己选择的科研方向。值得注 意的是，虽然这篇文章主要介绍了植物生物反应器生产药用蛋白的独特优势，动 物生物反应器，如乳腺生物反应器、精原细胞生物反应器在合成动物源乃至人源 蛋白质上也具有独特的优势，李紫聪(2013)对动物生物反应器的发展与优势有 详尽的介绍。我认为药用蛋白质的生物反应器生产或许是当下生物医疗技术产业 化的一个范例，对其有所了解对我今后的学习科研将会有一定助力
读后感 我来自生物医学工程学院，这是一个关注利用工程知识解决医疗产业中遇到问 题的专业。在我的理解中与生物医学工程解决外科医学、影像医学等宏观层面医 学问题不同，生物工程更关注微观层面、分子层面相关的医疗问题。我已修读过 生物化学课程，接下来还会修读细胞生物学、分子生物学课程。因此我对以抗体 为代表的大分子蛋白质在人体免疫流程中的重要性有一定的了解。我国市场上的 免疫制剂、非普适性疫苗的价格相当高昂，部分原因便是错过了当年第一波次的 药用蛋白生产的发展机会，当外国公司对合成/半合成药用蛋白质的技术形成垄断 时，国人便不得不忍受其高昂的价格。“十三五”工作计划中明确提及转基因作物 的商品化，这是一次国内药企实现弯道超车的好机会。这篇早在 2003 年发表的文 章已经提及了转基因植物生物反应器生产药用蛋白所具有的价格低廉、后续处理 简便、副产物少等优点。参考文献中提及了赵建聪（2008）利用植物生物反应器 表达胸腺素α1 的研究，如果能在这一次药物技术革命中占得先机，我国在药用蛋 白领域上受制于人的程度将大大降低。 作者提及而又未详细解释的一个问题是药用蛋白的叶绿体表达。翻阅其他文献 （张胜利，2011），我得知早在 1988 年,Boynton 等首次成功地用野生型的叶绿体 DNA 转化了单细胞生物衣藻的突变体, 证明植物叶绿体基因组是可转化的。另一 种叶绿体表达的应用是丙型肝炎病毒抗原基因 NS3 -C 和 CE1 各自插入烟草和衣 藻叶绿体转化载体中获得表达。叶绿体作为外源基因转化的受体又具有诸多优越 性:①基因为多拷贝, 表达量高;②便于外源基因定位整合;③导入的外源基因性 状稳定性高、安全性好;④能直接表达原核基因。这同样有助于解决作者提到的人 源基因在植物体内得不到良好表达的问题。 分子医学作为转化医学的一个分支也是生物医学工程学院的一个科研方向，通 过阅读这篇文献，我对分子医学产生了一定的兴趣，希望在接下来的专业课程上 能够和授课教师多加沟通，或许这会成为我最终为自己选择的科研方向。值得注 意的是，虽然这篇文章主要介绍了植物生物反应器生产药用蛋白的独特优势，动 物生物反应器，如乳腺生物反应器、精原细胞生物反应器在合成动物源乃至人源 蛋白质上也具有独特的优势，李紫聪（2013）对动物生物反应器的发展与优势有 详尽的介绍。我认为药用蛋白质的生物反应器生产或许是当下生物医疗技术产业 化的一个范例，对其有所了解对我今后的学习科研将会有一定助力
参考文献： []郑虎.21世纪化学合成药物发展趋势N.中国医药报，2001-10-09007. [2庞俊峰，黄东光，吴燕民.植物生物反应器研究进展.生物技术通报，2011,01)：21-25. [3]杜小春，何正权，陈磊，杨晔，姚伟.植物生物反应器表达药用蛋白研究新进展.中国生物工程 杂志，2008,09)：135-143. [4张胜利，李东方，许桂芳，周岩，王春虎，魏琦超.植物生物反应器在生物制药中的应用.资源开 发与市场，2011，(02)：102-105. ⑤张丹凤余自青，吴锁伟，饶力群，万向元.植物生物反应器在分子医药农业中的应用川，中国生 物工程杂志，2016，(01)：86-94. 6李紫聪，黄晓灵，刘德武，吴珍芳.转基因动物生物反应器研究进展.广东畜牧兽医科 技，2013，(04：1-5
参考文献： [1]郑虎. 21 世纪化学合成药物发展趋势[N]. 中国医药报,2001-10-09(007). [2]庞俊峰,黄东光,吴燕民. 植物生物反应器研究进展[J]. 生物技术通报,2011,(01):21-25. [3]杜小春,何正权,陈磊,杨晔,姚伟. 植物生物反应器表达药用蛋白研究新进展[J]. 中国生物工程 杂志,2008,(09):135-143. [4]张胜利,李东方,许桂芳,周岩,王春虎,魏琦超. 植物生物反应器在生物制药中的应用[J]. 资源开 发与市场,2011,(02):102-105. [5]张丹凤,余自青,吴锁伟,饶力群,万向元. 植物生物反应器在分子医药农业中的应用[J]. 中国生 物工程杂志,2016,(01):86-94. [6]李紫聪,黄晓灵,刘德武,吴珍芳. 转基因动物生物反应器研究进展[J]. 广东畜牧兽医科 技,2013,(04):1-5
