武汉禾元自主创新研发植物生物反应器技术平台

在第十届日本ISSCR（国际干细胞研究组织）年会上，武汉禾元其自主创新研发的"植物生物反应器技术平台(Oryz^HiExp)" 受到了众多来自世界各国干细胞研究领域企业与学术专家的关注。正是利用该技术平台，武汉禾元自主研发出多种重组蛋白质多肽产品，包括可用于生物医药、工业试剂、美容保健等用途的重组人血清白蛋白(OsrHSA)、重组人抗胰蛋白酶(OsrAAT)、重组人酸性成纤维细胞生长因子(OsraFGF)、重组人碱性成纤维细胞生长因子(OsrbFGF)等产品。

解读Oryz^HiExp

水稻胚乳细胞蛋白质高效表达技术平台(Oryz^HiExp)，是以分子生物学为原理，应用遗传工程和DNA重组技术，利用水稻种子作为生物反应器，在种子中特异性表达各种重组蛋白质和小分子多肽。该平台可解决在其他表达体系表达量低和大规模生产困难的问题。

表达系统	总成本	产品周期	规模化生产的能力	产品性能	糖基化	污染风险	存储成本
细菌	低	短	高	低	无	内毒素	中
酵母	中	中	高	中	不正确	低	中
动物细胞培养	高	长	极低	极高	正确	阮病毒和致癌病毒	贵
转基因动物	高	极长	低	极高	正确	阮病毒和致癌病毒	贵
植物细胞培养	中	中	中	高	较小差异	低	中
转基因植物	极低	长	极高	高	较小差异	低	低

 

该平台由重组蛋白质高效特异表达技术和下游加工工艺等关键技术组成，蛋白质高效表达技术采用了胚乳细胞特异性表达、蛋白体定向储存和目的基因密码子优化等综合技术；下游加工工艺采用了国际领先的提取和分离纯化等技术；蛋白质纯化技术平台可建立小试、中试的工艺研究服务，解决技术人员在蛋白质纯化过程中遇到的技术难题，尤其可为一些中小企业客户临床前研究提供高纯度蛋白的样品。

与其他表达系统相比，Oryz^HiExp的优势

植物生物反应器是以农业的形式完成原料生产，而加工过程和最终产品又以医药的形式完成，将农业和制药业有机整合，其产品称为植物源重组药物(Plant Made Pharmaceuticals, PMPs)。如下表 所示，通过转基因植物来生产重组蛋白质具有表达量高，生产成本低，规模化容易，产品质量高，安全无污染的优点，各方面均优于细菌，酵母，动物细胞，转基因动物等生产体系。

本表达技术平台是以种子为蛋白质生产车间来表达和生产各种医用、工业用的蛋白质的分子医药农业技术。种子生物反应器利用蛋白转运和储藏的机制可以使重组蛋白在翻译和转运的过程中受到转运小泡等生物膜的保护，不会被细胞内的蛋白酶降解，而获得更高的表达量。因此种子被认为是植物生物反应器的最理想器官之一。

通过种子生物反应器来表达各种蛋白质，将重组蛋白质定向储藏在蛋白体，避免了蛋白酶的降解，在种子成熟过程中不断地积累，从而获得较高表达；同时重组蛋白质进入内膜系统，可进行正确地加工与折叠，产生具有生物活性的重组蛋白质。具体优势体现如下：

1. 表达量高： 通过表达多种不同人源蛋白质，表达量在20－150微克／种子之间，折合为0.1－0.75％的糙米重量。各种蛋白质的表达量总结如下表。

蛋白质种类	分子量	表达量（微克／粒）	备注
简单结构蛋白质	13-100 kDa	80-180	HSA、 乳铁蛋白等
细胞生长因子类	10-15kDa	10-15	IGF-1、FGF等
蛋白酶类	13-100kDa	30-120	人溶菌酶、抗胰蛋白酶等
复合蛋白质	75-150 kDa	20-50	单克隆抗体

 

2. 生物活性高：各种人体及动物细胞培养数据证明通过该平台表达的人血白蛋白的活性比血浆来源的人血白蛋白活性高；PPE方式对比测试证明植物源重组抗胰蛋白酶比市场现有抗胰蛋白酶产品的活性高出7.8%-74.4%。

3. 生产成本低：由于利用水稻胚乳生物反应器具有较高的表达水平，大规模生产以农业生产方式进行，因而生产成本极低，相对于其他生产体系，利用植物生产体系的生产成本是其他体系的1/200-1/10。

4. 规模化容易：由于水稻的繁殖细胞达到1000倍以上，一旦获得高表达的转基因品系后，即可在短期内获得大规模生产，从基因合成到规模化生产（kg）只需要24个月时间。

5. 安全性高：水稻是一种广泛种植、并且食用了几千年的谷物，尚未发现任何植物病毒或病原菌与人类交叉感染的先例，而且我们的提取和纯化工艺可杜绝任何引进的病毒或病原菌，以完全避免动物成分或病毒、病原菌通过医药产品进行传播风险。

6. 储藏运输方便：种子是理想的"天然容器"，重组蛋白质储藏在胚乳细胞的蛋白体内，处于胶体状态，极为稳定，通常在常温下储藏2-3年，即使胚损坏丧失了发芽能力，胚乳中的蛋白质也不会丧失生物活性，因此原料储藏、运输不受时空限制。

7. 低碳环保：利用水稻胚乳生物反应器生产医药产品，改传统生物发酵为现代农业种植，蛋白质的合成与累积是由植物细胞通过光合作用合成，可以节省传统医药工业需要的大量能源和原材料，符合现代工业低碳环保的理念。

相关论文Large-scale production of functional human serum albumin from transgenic rice seeds于2011年10月31日在线发表于PNAS。该研究表明由转基因水稻种子生产的重组人血清白蛋白(OsrHSA)在生理生化性质、物理结构，生物学功能、免疫原性与血浆来源的人血清白蛋白一致；并建立了大规模生产重组人血清白蛋白的生产工艺，获得了高纯度和高产量重组人血清白蛋白产品。同时，该研究利用大量数据证明了转基因水稻种子可取代现有基于发酵的表达技术来生产重组蛋白质是经济有效的。

>>“植物源重组人血清白蛋白”获国家多个基金、专项资助

武汉禾元董事长杨代常教授曾在接受生物探索专访时透露，“植物源重组人血清白蛋白”已列入国家科技部高新技术“863”计划，获国家科技部创新基金、农业部转基因生物新品种培育重大专项和武汉东湖开发区的“3551”人才计划的资助。

此外，人血清白蛋白被列入我国具有重大市场需求、存在重点问题、需要重点培育的生物药“三重”品种，武汉禾元以医药制剂为目标，将在“十二五”期间对人血清白蛋白进行临床研究，预计在2013年可获得有关新工艺白蛋白产品的临床前药学、毒理、药物代谢动力学和药效评价等可靠数据，并申报临床一期研究。

在作为医药制剂获批之前，重组人血清白蛋白以非医药产品率先进入国际、国内市场，作为工业试剂或原料向全球推广。经过2年的推广，产品目前已经销往美国、英国、德国、荷兰、韩国、印度、巴西、日本、俄罗斯等地区。