在药物开发过程中，生物制剂往往无法从临床前阶段过渡到临床阶段，造成巨大的时间和金钱损失。我们探索如何选择正确的表达系统和优化被称为瞬时蛋白表达的方法可能提供一个潜在的解决方案。
生物生产是利用生命系统生产复杂的治疗药物，如抗体或酶。这些生命系统，包括细菌，酵母和哺乳动物细胞，被称为表达宿主，和产生的药物，一种生物。
在生物生产过程中，质粒(一种工程基因结构)被运送到宿主细胞。质粒包含了如何利用宿主自身机制翻译遗传信息的指令，从而成功地产生蛋白质。
整个系统，包括宿主细胞、质粒和用于生物生产的条件，被称为蛋白质表达系统。
选择最佳表达系统的重要性
药物的发现和开发过程通常很漫长，平均长达10年以上。它也很昂贵，通常需要数十亿美元的投资。
因此，选择合适的表达系统对优化生物发育和确保巨额投资获得回报至关重要。
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“蛋白质的结构决定了它的活性，”欧洲抗体生产公司ProteoGenix的科学内容经理安娜·赖斯说。例如，如果酶和抗体的活性中心或结合位点的配置不正确，蛋白质可能不会与它们的靶标相互作用，或者反应可能不会那么有效。
这种结构不仅受到准确的蛋白质翻译的影响，还受到翻译后事件的正确处理的影响，被称为翻译后修饰(PTMs)。
“拥有适当的蛋白质折叠和类人PTMs对于确保必要的治疗效果至关重要。这也确保了在给患者用药时不会引起免疫反应。”里斯继续说。“当一种生物从临床前阶段过渡到临床阶段时，拥有正确的表达设置变得更加关键，特别是当从小表达到大规模表达时。”
“例如，表达宿主的折叠和PTMs过程不同，在扩大生产时，改变表达系统是不可取的，例如从一种细胞类型切换到另一种细胞类型。否则，由于折叠和加工的差异，被确定为进一步开发的良好候选药物的化合物可能在后期表现不佳。”
表达系统:从细菌到哺乳动物细胞
用于蛋白质表达的第一个宿主是菌株大肠杆菌．细菌拥有遗传机制，确保质粒被复制并转移到它们的后代。这使得所需蛋白质的持续和大规模生产成为可能。
“然而，大肠杆菌会产生内毒素，为了任何医疗用途，必须将其从最终产品中去除。”解释里斯．“此外，它们不能进行复杂的(类人)PTMs，也不能作为折叠复杂蛋白质的理想宿主，这限制了最终产品的治疗效果。”
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科学家们还研究了其他系统，如酵母、杆状病毒-昆虫和哺乳动物细胞。
“在抗体生产等应用中，类人蛋白加工和优越的折叠能力至关重要。为此，哺乳动物系统如中国仓鼠卵巢细胞(CHO)或人类胚胎肾细胞(HEK)是首选。”ProteoGenix分子、细胞生物学和免疫学实验室负责人兼研究科学家Isabelle Robert补充道。
然而，由于哺乳动物细胞在细胞分裂时不能复制质粒，随着时间的推移，它们往往会失去质粒。为了从哺乳动物细胞中获得长期稳定的蛋白质生产，需要应用整合机制，然后仔细选择成功结合了外来DNA的细胞。
今天，在CHO细胞中生产的几种生物制剂已经获得了FDA和EMA的监管批准，使其成为大规模生物制药生产的主要系统。为了帮助减少从小型生产向大规模生产过渡的风险，CHO细胞也成为早期发育的热门宿主选择。
瞬时表达系统:廉价和快速的蛋白质生产
由于生物生产依赖于生命系统，它有一些相关的挑战。
在生物生产过程中，表达宿主需要在灵活的监测系统控制的环境中存活和生长。为了确保高产量，系统需要无污染，细胞需要保持自我复制的能力，并以稳定的方式生产蛋白质。
这些措施需要耗时和昂贵的投资。
在药物开发的早期阶段，不需要大量的蛋白质。因此，一种被称为瞬时蛋白表达的临时小规模生产方法可以用来节省时间、成本和资源。
“传统的稳定表达实际上涉及持续的和大规模的蛋白质生产，而瞬时表达在短时间内产生少量的蛋白质。”阐述了里斯。
“瞬时表达不需要稳定的质粒整合到哺乳动物基因组或人工细胞选择。它可以在几周而不是几个月的时间内产生高度复杂的蛋白质，这是临床前开发的理想选择。”
暂态系统的广泛应用
当需要在有限的数量内生产大量不同的蛋白质分子时，瞬时表达就很方便了。它还可以快速识别生产问题，如蛋白质聚集和不稳定性。
瞬时生产的一个突出应用是候选药物筛选，许多有前途的生物制剂需要筛选，以确定进一步开发的先导。
同样，瞬时表达可以在蛋白质工程中帮助产生所需的蛋白质变体，在蛋白质工程中，随机或位点定向突变被诱导来改善潜在药物的特性。
“瞬时生产在基础研究中也很有用，特别是在检测蛋白质或污染物或确定其浓度的分析分析中。它可以用来生产各种蛋白质，如抗原、抗体或用于研究应用的酶。”持续的里斯。“最近，这种方法被用于体外新型硅设计生物制药化合物的验证。”
事实上，如今商业上可用的表达系统，如ProteoGenix的XtenCHO™，都是考虑到这些应用而设计的。“利用CHO细胞增强的生物生产特性及其对病毒的抵抗力，我们的XtenCHO™该系统易于集成到现有的生物制剂发现工作流程中。”罗伯特说。
“该系统营养需求低，抗温度变化能力强，这节省了研究人员维护细胞的时间。它具有易于遵循的协议，缩短了操作时间，提供的产量是竞争对手系统的5到10倍。”
这种系统的重点还在于可伸缩性:XtenCHO™已用于基础研究中的中小型生产。它拥有14天的瞬时基因表达期，而在其他系统中通常只有7到10天的细胞活力。
优化生物生产的未来
“基于CHO细胞的系统很可能在未来几年保持金标准表达系统的地位，因为它们具有可扩展性、多功能性、类人蛋白处理，以及获得监管机构批准的可靠记录。”共享的罗伯特。
“多亏了多组学——从基因组、蛋白质组等生物分析中提供见解的研究——我们对宿主细胞及其优化潜力的了解每天都在快速增长。”
这提高了理解，结合编辑工具的推动CRISPR基因编辑革命，将有助于开发创新的新宿主细胞系。随着表达蛋白的产量、质量和靶向活性得到优化，它将使生物制剂发现和生物生产的快速进化成为可能。结论罗伯特。
了解更多有关XtenCHO™瞬时表达系统的应用包括早期药物发现，蛋白质工程和研究。
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本文最初发表于2022年5月。
图片来自Shutterstock.com和ProteoGenix。
