生物制药：奇思妙想提高生产率

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    对于新兴的生物制药行业来说，由于其产品是通过一桶桶发酵液酿造而成，所以微观水平的创新就能在几乎不增加成本的情况下带来巨大的收益。
    　　
    现在，一系列的奇思妙想有望给制药商们带来惊喜：利用相同的设备和劳动力，产量却能双倍甚至三倍地增长。
   
    生产效率问题，摆上了生物制药公司的议事日程
   
    生物制药公司与传统的药物公司不同，传统的药物公司只要将实验室的化学合成工艺扩大，就可以生产相应的产品了，而生物制药公司是利用哺乳动物、细菌以及真菌等的活细胞来生产相应的药物。用来治疗贫血、血友病和糖尿病等疾病的蛋白质药物已经形成了一个200亿美元的产业，再加上用来治疗高胆固醇的 statins和治疗传染性疾病的抗生素类药物，全球生物技术药物的年销售额已经突破了650亿美元。
   
    其实人类首次涉足生物技术制药可以追溯到8000年前，当时人类开始利用酵母将糖类转变成酒精，从而生产出可以长期储存的酒饮料。大约60年前科学家们开始利用真菌培养法生产青霉素和当今用途广泛的抗生素类药物。最近20年来研究人员又开始想方设法将人类基因插入细菌和真菌细胞的基因中，从而诱导这些细菌和真菌的细胞生产出治疗性蛋白类药物，这就是所谓的基因重组技术。利用这一技术生产的第一类药品是人类胰岛素，是由礼莱公司于1982年从转基因细菌生产出来的。
   
    由于这类转基因技术相对来说比较新，生物制药业的发展遭遇了化学类药物制造业同样的问题：发明与生产能力之间存在落差。当第一个化学药物分子问世后，它表现出了非常好的药效，但当时制药企业却不知道如何以较低的成本和较高的效率批量生产，现在同样的问题出现在了生物合成行业。
   
    所有的生物药物都有一个共性，那就是它们都是利用发酵工艺生产的。生产生物药物的工厂都装备有光亮的不锈钢生物反应器，这类高技术设备是从啤酒厂的发酵桶改造而成的。在生物反应器内，细胞培养液能提供精确的营养混合物和细胞所需的生活条件，这些细胞就不断繁殖并生产出相应的药物分子。
   
    随着数十种新型生物技术类蛋白药物的研发成功，生物制药企业最担心的是，一旦获得了美国食物和药品管理局（FDA）的许可，怎么解决药物生产问题。显而易见，答案是建立更多拥有生物反应器的工厂，但是这些发光的无菌的设备并不便宜，据一位生物工程方面的专家估计，建立并配备一家1.6万平方米左右的工厂，大约需要3亿美元的投入，更何况，一家工厂从设计、建造到获得 FDA的通过，大约需要4－5年的时间。而且除了建造新工厂需要投入大量的钞票，生物制药企业还需要花钱雇用大量的智囊团来提高新工艺的生产效率。
   
    可制造性设计DFM，较少的研发投入可大大提高生产率
   
    位于弗雷德里克市的MedImmune公司的工厂就是一个很有说服力的例子。这家年产值达到6.19亿美元的公司生产的主要产品是用来预防新生儿呼吸道感染的单克隆抗体类药物Synagis，该药是利用转基因老鼠的肿瘤细胞（由于复制快而成为受欢迎的微生物工厂）生产的。1998年MedImmune公司获得了FDA的生产Synagis的许可并着手扩大生产规模问题，最后公司决定拿出1亿美元将公司已有的两条2500升的发酵罐扩大成15000升的生物反应器。该公司研发部的主席詹姆斯?杨介绍说：“我们之所以下决心扩大规模，是因为我们的研究人员提出了一种新方法，利用这种方法可以高密度地培养细胞并利用这些细胞产出更多的抗体。结果我们在原有工艺的基础上将生产规模扩大了4倍，2500升的生物反应器瞬间变成了10000升。”
   
    MedImmune通过不多的研发投入获得了预期的生产能力，正是其它生物制药公司梦寐以求的。尽管其细节部分是受到专利保护的，但这一新工艺使人们在对老鼠细胞的代谢和生理特点的理解上获得了重大突破，从而使得科学家们能够不断补充细胞所需，生产出更多的蛋白质类药物。“利用以前的老工艺设备，我们只能获得每升培养液生产出700－800毫克Synagis的生产能力，而现在我们的生产能力增加到每升培养液3克Synagis，我们正在实验室开发每升4克的生产规模”杨表示。
   
    MedImmune公司在设计其另外一种药物Vitaxin的批量生产时出现了麻烦，公司开始采用一种新的产品开发思路―――可制造性设计，英文名为design for manufacturability，简称DFM。其实那些为消费者提供齿轮、汽车和器械等电子类产品的公司早就开始推崇 DFM开发了，这些公司的工程师们必须保证他们设计的产品利用公司现有的生产线很容易地制造和组装。
   
    Vitaxin是一种可治疗癌症和关节炎的蛋白质类药物，该药物遇到的问题是，杂质类成分使得产量大大减少。用来生产Vitaxin的细胞培养液可培养出两类分子：一类是含量较多的有用物质，另一类含量较少的物质是需要通过提纯除去的非活性物质，但是常用的分离这两种类型物质的色谱法很难识别出非活性物质。为了满足 FDA对药物的纯度要求，MedImmune公司最后不得不同时舍弃一半以上的有用的活性物质，这真是所谓“泼洗澡水时把孩子也泼了。”
   
    MedImmune公司开始向Applied Molecular Evolution（AME）公司寻求帮助，AME是一家专长于优化药物分子的生物技术公司，它的方法是利用一种微生物的DNA片段来指导生产出单克隆抗体药物，这些单克隆抗体药物是能够结合并中和相应的病原体及其毒素的蛋白质。就像音乐家根据一首曲子弹出很多变奏曲一样，AME将微生物的梯状结构的DNA分子中的化学键顺序打乱，形成许多结构相似的变异体，然后通过诱导这些变异体表达出相应的蛋白质， A ME和它的客户们就可以得到许多新的分子。进一步试验后，总会幸运地得到一两种比原始分子药效更好的蛋白质药物。
   
    这种方法就用到Vitaxin上，AME公司的主席威廉姆•修斯表示：“我们改变DNA的某个位点，引起蛋白质降解成非活性变异体。在此过程中，可能会或多或少地损失活性成分的药效，但是我们可以再改变其它的一些位点，重新恢复其药效。”得到改善的分子似乎很有效，MedImmune舍弃了原始药物的初期临床试验结果，重新对新型Vitaxin进行临床试验，同时利用试验性生产线得到的Vitaxin的产量也扩大了三倍。“现在，和AME合作得出最优化的新药物分子，是我们前期开发的重要组成部分。”詹姆斯•杨表示。
   
    有关专家认为，像可制造性设计这样的方法将会像帮助其它行业的制造商那样帮助生物技术公司，如果在产品开发的早期就开始想到它，它将给公司带来巨大的经济利益。纯化可能是生产中最昂贵和最困难的一步，所以可以利用可制造性设计等方法设计出含有较少杂质的药物分子。
   
    寻找基因控制区，开启或关闭相关基因
   
    在某部电影中，一位水平较差的吉他手拥有一个特别的扩音器，这个扩音器的音量按钮能将最大值调到11而不是10,这与生物制药业的人们处理其制药用的细胞培养技术相似：找到产量调节按钮，然后将其调到最大值。位于加州的 S angamo Biosciences公司拥有这样的一种方法。 S angamo公司擅长于设计所谓的锌指蛋白质，这些蛋白质能与基因的控制区键合，从而随时开启或关闭基因。
   
    科学家们通过将几种适合的锌指蛋白质串联在一起，能够创造出一种蛋白质，这种蛋白质可识别和结合任何期望的DNA片段。这并不是什么小花招，在人类DNA中，利用这种方法就可以从含30亿个化学键的梯状DNA中找到一段特殊的18个化学键片段。Sangamo的主席艾德华•兰费尔将其公司的技术比喻成高精确度导弹的制导系统，一旦某家制药公司能够准确获得某个基因的控制区，该公司就已经找到了产量按钮并能将产量提高到以前的两倍。
   
    Sangamo正在和许多期望提高产量的生物制药公司合作。普林斯顿的Medarex公司有几种治疗癌症的单克隆抗体药物在进行临床试验。Medarex用转基因老鼠细胞生产相应的药物，该公司开发部的副主席认为，“我们一开始就和Sangamo展开了合作，而且我们已经取得了可以看见的成功。我们希望，这能帮助我们更快地获得有利可图的表达水平。”
   
    对生物制药公司来说，保持较高的恒定产量往往很困难。而且更令人费解的是，那些利用真菌培养法生产抗生素类药物的公司，其产量相对较高。位于剑桥的Microbia公司也在利用其对所培养的真菌细胞内部的复杂控制和化合途径的娴熟掌握，改进它们的药物产量。该公司的生物制造产业部的高级主任里查德•贝利表示，在帮助受委托的生物制药公司改善其生产效率时，总是首先问客户们对生物反应器中的小生物所产生的活性成分产量波动性的观察结果，“当一家公司来寻求帮助时，我们首先问他们，他们观察到哪些临时条件会影响产量，他们往往不懂。比如，一家制药公司可能注意到，生物反应器中的温度或营养平衡的改变会导致产量的短暂增加，随后会很快下降。这说明，他们偶然碰到了某些控制区。”贝利说。
   
    我们必须更多的了解控制区的基本特点，通常，一个细胞含有大约150种内在代谢途径，这150种代谢途径能转移原始物质，并完成细胞复制所需的复杂反应。通常用来增加真菌细胞产量的方法是基因变异，这种方法是，将细胞暴露在能引起基因改变的化合物或紫外线中，从而加速变异的进程。结果某些突变体可能具有比原始状态更好的特性，并成为新的候选产品。几十年来科学家们利用这种方法使青霉素的产量以每年大约15％的速率增长。
   
    Microbia公司的创新之处在于，利用一种机械装置改变基因变异的任意性，公司将这种方法称为精确操作。这种机械装置就是含有可吸引DNA的稠密分子格的基因芯片，利用基因芯片，该公司可绘制出细胞的基因结构以及所产生的基因变异，从而可以决定开启或关闭哪些基因。
   
    控制合成一种药物所需的化合物产量的基因数可能只有12种左右，但是首先需要从细菌细胞的4000种基因或真菌的10000种基因中找到这12种基因。Microbia公司的科学家们从细胞的多种代谢途径中识别出了重组蛋白质的最好路线，从而可通过基因开关优化生产率。
   
    MIT公司的库利认为，生物技术正在迎接一个崭新的时代，科学家们将能够通过越来越深入的方式操纵基因。“现在我们只是看见了早期的雏形，这样的例子将会越来越多。”对生物制药业的人们来说，最受欢迎的理念是：不需添置太多的设备，却能提高生物药物的产量。（原文载美国《财富》，聂翠蓉编译）
   
    来源：科技日报