生物制藥產品在許多疾病的治療或預防中非常重要，并且在全球制藥市場中占有越來越大的份額。根據(jù)2022 年生物制藥基準報告：La Merie 和 Fierce Pharma 的各種財務數(shù)據(jù)的綜合顯示2021 年全球總銷售額達到 3,430 億美元。此外，生物仿制藥研發(fā)投資較小，可以為昂貴的生物制藥療法提供成本更低的替代方案，并擴大了患者的可及性。

生物制藥和免疫生物制品是一種重組治療蛋白，長期以來都是基于活細胞的傳統(tǒng)表達系統(tǒng)來生產，然而這種生產方式逐漸暴露出諸多瓶頸，如細胞存活率低、蛋白折疊錯誤、毒性蛋白抑制細胞生長等。近年來，無細胞蛋白合成系統(tǒng)（CFPS）正在成為解決這些難題的關鍵路徑。

今天，小編和大家分享一篇綜述文章——“Cell-Free Protein Synthesis: Advances on Production Process for Biopharmaceuticals and Immunobiological Products”，介紹 CFPS 生物制品生產工藝的新進展。

無細胞蛋白合成，顧名思義，就是在無完整活細胞的環(huán)境下進行蛋白質合成。研究人員通過裂解細胞，保留其胞質內含有的轉錄-翻譯機制，并在此基礎上加入DNA模板、能量分子、氨基酸等必要組分，從而實現(xiàn)目標蛋白的體外合成。

（詳文鏈接：無細胞蛋白表達：突破傳統(tǒng)瓶頸的新興技術）

該技術并非新生事物，早在1961年，Matthaei和Nirenberg就利用CFPS破譯了遺傳密碼，距今已經(jīng)使用了幾十年，之前主要用于研究生物學功能，直到近十年，隨著其在高通量、快速合成、復雜蛋白表達方面的潛力被不斷挖掘，逐漸從基礎研究走向工業(yè)應用。

• 在高產量生產方面，CFPS已展現(xiàn)出巨大潛力：

1.高效生產“難表達”蛋白：CFPS技術因其開放體系避免了細胞內的負反饋抑制，能將所有資源集中于目標蛋白的合成，成功克服了傳統(tǒng)細胞表達系統(tǒng)的瓶頸，例如，合成人骨形態(tài)發(fā)生蛋白時，CFPS在短短 3 小時內實現(xiàn)了比傳統(tǒng)方法更高的產量。Thoring 等 人利用開發(fā)的無細胞體系的優(yōu)化方法，合成難以表達的蛋白質（膜蛋白和單鏈可變片段），并能夠獲得高達 980 μg/ml 的產量。

2.復雜抗體藥物的成功合成：抗體和單克隆抗體是一類重要的生物制藥，通常，抗體在基于細胞的表達系統(tǒng)中合成，但這非常耗時且成本高昂。研究證明CFPS可用于高效生產單克隆抗體、雙特異性抗體等復雜藥物。通過優(yōu)化反應條件（如建立合適的氧化還原環(huán)境、分步添加質粒等），無細胞體系中的抗體產量可超過100 mg/L，并將生產周期縮短至2天。此外，在大腸桿菌提取物中合成曲妥珠單抗 IgG 甚至能實現(xiàn)高達 1 g/L的產量。Cai 等人描述的進一步修飾 CFPS 反應表明，該反應能夠保持高通量生產，并將成本降低 95%。

3.病毒樣顆粒（VLP）疫苗的快速制備：VLP 是類似于病毒結構的納米結構，可以觸發(fā)高體液/細胞免疫反應，VLP疫苗安全性的一個關鍵因素是缺乏病毒基因組材料，而CFPS系統(tǒng)非常適合合成細胞毒性蛋白，例如，在 CFPS 系統(tǒng)中成功合成的肉毒桿菌毒素蛋白，產量高達 1 g/L。Sheng 等人的研究中，人諾如病毒顆粒蛋白僅需 4 小時就可以在大腸桿菌裂解物中合成（而在基于細胞的系統(tǒng)中需要 50 小時）。

4.天然產物的環(huán)保合成：天然產物如聚酮和非核糖體肽，具有許多生物活性（如抗生素、免疫抑制、抗癌），醫(yī)藥市場上超過 50%的新藥來自此類產品。與其他難以表達的蛋白質一樣，天然產物在基于細胞的系統(tǒng)中合成存在許多問題，如產量低（由抑制宿主細胞生長的代謝負荷引起）、折疊不正確、缺乏 PTM 以及異源宿主中前體不可用。CFPS 系統(tǒng)作為天然產物合成的替代方案為抗生素、鎮(zhèn)痛肽等天然產物提供了不依賴動植物提取的合成途徑，避免了資源破壞和提取困難，并能實現(xiàn)大規(guī)模生產。

1.按需生產：一些生物制劑的消費市場并不廣闊，需要以較小的規(guī)模生產，例如孤兒病的治療、個性化藥物和即時醫(yī)療產品，這些按需藥物對于制藥公司來說效益低在經(jīng)濟上往往不可行，除非有系統(tǒng)能夠生產單劑量或滿足個人需求的小規(guī)模定制產品，而CFPS 系統(tǒng)為小規(guī)模生產生物制劑創(chuàng)造了可能性，并為按需生產開辟了新視野。例如，Bundy 的研究小組報告了美國 FDA 批準的 L-天冬酰胺酶（crisantaspase）在按需、自穩(wěn)定和低成本的大腸桿菌平臺裝置中生產，這表明 CFPS 系統(tǒng)將用于臨床環(huán)境中疾病診斷、治療和監(jiān)測治療的未來已經(jīng)不遠了。

2.個體性醫(yī)療：CFPS可以使個體化治療作為一線治療成為可能，Tran 及其同事憑借 CFPS技術，利用患者的淋巴瘤特異性 Ig V 基因在數(shù)小時內合成蛋白質。如果是通過穩(wěn)定轉染的哺乳動物或昆蟲細胞系進行的傳統(tǒng)生產可能需要數(shù)月的時間來制備，而 CFPS 平臺可以在幾天內生產。另外，CFPS 系統(tǒng)也適用于分層藥物，即根據(jù)診斷測試結果篩選患者并進行針對性治療。

即時生產：為了使生物制劑在床旁治療中變得可行，重要的是不僅要開發(fā)一個適合小型快速合成的平臺，還要開發(fā)一個便攜式設備。已有研究開發(fā)出“手提箱式”的自動化CFPS設備，研究人員可以在數(shù)小時的時間尺度上小規(guī)模合成多種蛋白質。該技術應用范圍廣泛，可以在護理點快速生產生物制劑，范圍從患者床邊、醫(yī)生辦公室、當?shù)厮幏俊?zhàn)場、地方病治療、災區(qū)或非常偏遠的地區(qū)。只需加入水和DNA模板，就能在數(shù)小時內生產出急需的疫苗或治療性蛋白，擺脫對復雜冷鏈物流的依賴，為“藥房即產”提供了可能。

CFPS 系統(tǒng)作為堅固可靠的系統(tǒng)，可以克服化學合成和基于細胞的表達系統(tǒng)的局限性。它不僅是解決“難以表達”蛋白的利器，更是未來實現(xiàn)個性化醫(yī)療、即時制藥、綠色生產的核心技術之一。許多蛋白質已經(jīng)在各種類型的細胞提取物中合成，無論是在高產量生產中還是在按需規(guī)模上。隨著下一代 DNA 測序的快速發(fā)展，可以合成更多的蛋白質，而不需要從其自然資源中提取。它們的合成生產可以避免動植物的剝削，并變得更加環(huán)保、可持續(xù)、更具有成本效益。

隨著有利于生產復雜蛋白質（包括具有不同 PTM 要求和功能的蛋白質）的不同細胞提取物和技術的發(fā)展，CFPS 的可能性正在迅速發(fā)展。由于其多種優(yōu)勢，很容易預見這項技術在未來幾年成為標準的蛋白質生產平臺，推動生物醫(yī)藥進入一個更靈活、更高效、更包容的新時代。