CHO细胞在生物制药中的卓越贡献

科技   2025-01-08 22:08   湖北  

摘要:本文深入探讨了中国仓鼠卵巢细胞(CHO细胞)在生物制药领域的关键作用。文章首先介绍了CHO细胞的起源,从中国仓鼠的卵巢组织中分离并建立的历程。接着,详细阐述了CHO细胞在重组蛋白药物、疫苗和基因治疗载体生产中的广泛应用,强调其高效表达和优良翻译后修饰能力。此外,还讨论了通过基因编辑技术对CHO细胞进行改良,以提高其生产效率和产品质量的最新进展。最后,总结了CHO细胞在推动生物制药产业发展和改善人类健康方面的重要贡献,展望了其在未来生物医学研究中的潜力和应用前景。

1. CHO细胞来源概述

1.1 中国仓鼠的发现与研究

中国仓鼠(Cricetulus griseus)是一种小型啮齿动物,原产于中国北部和蒙古地区。1919年,北京协和医学院的E.T. Hsieh博士在研究肺炎球菌感染时,因找不到实验室小鼠,便从北京郊外捕获了一些中国仓鼠用于实验。此后,中国仓鼠因其易于饲养和繁殖,逐渐成为医学研究中的重要实验动物。1924年,Jocelyn Smyly和Charles Young在协和医学院发现中国仓鼠容易感染寄生虫利什曼原虫,从而引发黑热病,这使得中国仓鼠成为研究各种传染性疾病的有力工具。1948年,美国医生Robert Briggs Watson将20只中国仓鼠带到美国,这些仓鼠后来被用于科学研究和细胞系的建立。

1.2 CHO细胞的分离与建立

CHO细胞(Chinese Hamster Ovary cells)最初是由Theodore Puck博士于1957年从一只成年中国仓鼠的卵巢组织中分离并建立的。Puck博士和他的同事Fa-Ten Kao通过组织酶解消化技术成功分离出CHO细胞株,并在次年通过连续传代细胞重新克隆后建立了完整的CHO原始细胞系。CHO细胞因其易于培养、稳定性强、对蛋白质翻译后修饰的能力以及广泛的生物药物生产应用而备受青睐。CHO细胞系的建立为后续的生物医学研究和生物制药产业的发展奠定了基础,成为生产蛋白质药物、疫苗等生物制品的重要工具。

2. CHO细胞的生物学特性

2.1 细胞形态与生长特性

CHO细胞具有独特的上皮细胞特性,能够在适应后进行贴壁或悬浮培养,且其遗传不稳定性带来多样的表达水平,常用于基因工程和蛋白质生产。CHO细胞呈椭圆形状,通常以单层形式生长,具有较大的细胞核和胞浆。它们的生长迅速,对培养条件适应性强,且易于维护。此外,CHO细胞已衍生出多种变异体,包括未改造的CHO-K1、缺乏二氢叶酸还原酶的CHO-DG44和CHO-DXB11等,它们适用于不同的生物制药和蛋白质工程应用。

2.2 遗传特性与基因组

CHO细胞的基因组具有高度的不稳定性,这种不稳定性使得CHO细胞在生物制药中具有独特的优势和挑战。CHO细胞的染色体数目通常为22条,且存在遗传不稳定性。这种不稳定性导致了CHO细胞在长时间培养过程中可能出现基因的重排、目的基因的突变、表观遗传学的基因沉默等问题。此外,CHO细胞的基因组可塑性也使得它们在适应不同的培养条件和生产需求时表现出不同的生物学特性。尽管存在这些不稳定性,CHO细胞仍然是生物制药领域中最重要的宿主细胞之一,其基因组的多样性和适应性为生物药物的生产提供了广阔的应用前景。

3. CHO细胞在生物医学中的应用

3.1 生物制药中的应用

CHO细胞在生物制药领域扮演着至关重要的角色,其应用广泛且具有深远的影响。以下是CHO细胞在生物制药中的具体应用及其重要性:

3.1.1 重组蛋白药物的生产

  • 生产效率高:CHO细胞能够高效地表达重组蛋白,其生产效率远高于其他细胞系。例如,在大规模培养条件下,CHO细胞的重组蛋白产量可达到每升1-10克。这种高效率使得CHO细胞成为生产重组蛋白药物的理想选择。

  • 产品质量优良:CHO细胞能够进行复杂的翻译后修饰,如糖基化、磷酸化等,这些修饰对于蛋白质的结构、功能和稳定性至关重要。例如,重组人胰岛素、重组人生长激素等药物都是通过CHO细胞生产的,其糖基化模式与人体内天然蛋白质相似,从而保证了药物的安全性和有效性。

  • 广泛应用:目前,70%以上的动物细胞表达的药物产品都是以CHO细胞为表达宿主。例如,单克隆抗体、凝血因子、促红细胞生成素(EPO)、干扰素等重要生物药物都依赖于CHO细胞的生产。这些药物在治疗癌症、血液疾病、免疫系统疾病等方面发挥着关键作用,极大地改善了患者的治疗效果和生活质量。

3.1.2 疫苗的生产

  • 病毒载体疫苗:CHO细胞可以用于生产病毒载体疫苗。例如,在新冠疫情期间,一些疫苗研发企业利用CHO细胞生产了基于腺病毒载体的新冠疫苗。CHO细胞能够高效地表达病毒载体中的目标抗原,同时保持病毒载体的完整性和稳定性,从而确保疫苗的免疫原性和安全性。

  • 重组蛋白疫苗:对于一些难以培养的病原体,可以通过重组技术将病原体的抗原基因转入CHO细胞中,使其表达重组抗原蛋白,进而生产重组蛋白疫苗。例如,乙型肝炎疫苗就是通过CHO细胞生产的重组蛋白疫苗,其主要成分为重组乙肝表面抗原(HBsAg),能够有效诱导人体产生免疫反应,预防乙型肝炎的发生。

3.1.3 基因治疗载体的生产

  • 病毒载体的生产:基因治疗需要将治疗性基因安全、有效地导入患者体内,而病毒载体是常用的基因传递工具。CHO细胞可以用于生产多种病毒载体,如腺病毒载体、慢病毒载体等。这些病毒载体在CHO细胞中经过包装和纯化后,能够携带治疗性基因进入患者细胞,实现基因治疗的目的。

  • 非病毒载体的生产:除了病毒载体,CHO细胞还可以用于生产非病毒基因治疗载体,如纳米颗粒、脂质体等。这些载体可以包裹治疗性基因或药物,通过特定的靶向机制将基因或药物递送到目标细胞,实现精准治疗。

3.1.4 生物制药工艺中的应用

  • 细胞培养工艺的优化:CHO细胞在生物制药工艺中起到了重要的模型作用。研究人员可以通过对CHO细胞的培养条件进行优化,如调整培养基成分、培养温度、pH值、溶解氧等,来提高细胞的生长速度、代谢效率和产物产量。这些优化措施可以为其他生物制药工艺提供参考和借鉴。

  • 生物反应器工程的应用:CHO细胞的大规模培养通常在生物反应器中进行。生物反应器工程涉及到反应器的设计、运行控制、过程监测等方面。CHO细胞在生物反应器中的培养为生物制药工艺的规模化和自动化提供了基础,有助于提高生产效率、降低成本和保证产品质量。

3.2 基因工程与细胞工程

CHO细胞在基因工程和细胞工程领域具有广泛的应用,其独特的生物学特性和遗传不稳定性为基因工程和细胞工程提供了丰富的研究材料和工具。

3.2.1 基因表达研究

  • 基因克隆与表达:CHO细胞可以用于基因克隆和表达的研究。研究人员可以将目标基因克隆到表达载体中,然后将表达载体转染到CHO细胞中,使目标基因在CHO细胞中得到表达。通过检测CHO细胞中目标基因的表达情况,可以研究基因的启动子活性、表达调控机制以及基因产物的功能。

  • 基因功能研究:利用CHO细胞,研究人员可以进行基因功能的研究。例如,通过基因敲除或基因沉默技术,敲除或抑制CHO细胞中的某个基因,观察细胞表型的变化,从而推断该基因的功能。此外,还可以通过基因过表达技术,使CHO细胞中某个基因的表达量增加,研究该基因在细胞生长、分化、代谢等方面的作用。

3.2.2 细胞工程改造

  • 细胞系的改良:通过对CHO细胞进行基因工程改造,可以获得具有更优良特性的细胞系。例如,可以敲除CHO细胞中与细胞凋亡相关的基因,使细胞对培养条件的耐受性增强,从而提高细胞的存活率和生产效率。还可以通过过表达与蛋白质分泌相关的基因,提高CHO细胞的蛋白质分泌能力,增加重组蛋白的产量。

  • 细胞工厂的构建:CHO细胞可以被改造成为细胞工厂,用于生产各种生物制品。例如,通过将外源基因整合到CHO细胞的基因组中,并利用基因工程技术优化基因的表达和蛋白质的分泌,CHO细胞可以成为生产重组蛋白药物、疫苗、抗体等生物制品的高效细胞工厂。

3.2.3 基因组学研究

  • 基因组测序与分析:CHO细胞的基因组测序对于理解其生物学特性和遗传不稳定性具有重要意义。通过对CHO细胞基因组的测序和分析,可以揭示其基因组结构、基因组成、基因表达调控网络等信息,为基因工程和细胞工程提供基础数据和理论支持。

  • 基因组编辑技术的应用:随着基因组编辑技术的发展,如CRISPR/Cas9、TALENs、ZFNs等,研究人员可以在CHO细胞中进行精确的基因组编辑。这些技术可以用于敲除或插入特定的基因序列,研究基因的功能,或者修复基因突变,为基因治疗和细胞治疗提供新的策略。

3.2.4 细胞治疗研究

  • 细胞治疗载体的开发:CHO细胞可以作为细胞治疗的载体,携带治疗性基因或药物进入患者体内。例如,通过基因工程改造CHO细胞,使其表达特定的靶向分子,可以将治疗性基因或药物精确地递送到目标细胞或组织,实现精准治疗。

  • 细胞治疗模型的建立:利用CHO细胞,研究人员可以建立细胞治疗的模型,研究细胞治疗的机制和效果。例如,在肿瘤细胞治疗的研究中,可以通过将CHO细胞与肿瘤细胞共培养,研究CHO细胞对肿瘤细胞的杀伤作用和治疗效果。

4. CHO细胞系的改良与发展

4.1 亚克隆与突变株的开发

亚克隆与突变株的开发是CHO细胞系改良的重要途径之一。通过筛选和培养,可以获得具有更优良特性的CHO细胞亚克隆和突变株,以满足不同生物制药和研究的需求。

  • 亚克隆的开发:亚克隆是通过将原始CHO细胞系进行单细胞分离和培养得到的。例如,CHO-K1细胞系就是通过将原始CHO细胞系的一个亚克隆分离并培养得到的。亚克隆的开发可以保留原始细胞系的优良特性,同时去除一些不利的特性,如提高细胞的生长速度、稳定性和蛋白质表达水平。此外,亚克隆还可以用于研究细胞的异质性和基因表达调控。

  • 突变株的开发:突变株是通过诱导CHO细胞发生基因突变而获得的。常用的诱导方法包括化学诱变、辐射诱变和基因工程技术。例如,CHO-DXB11和CHO-DG44细胞系就是通过化学诱变和辐射诱变获得的,它们缺乏二氢叶酸还原酶(DHFR)基因,从而使得外源基因的表达更加稳定和高效。突变株的开发可以用于研究基因功能、蛋白质合成和分泌机制,以及提高细胞的生产效率。

  • 改良后的应用:改良后的CHO细胞亚克隆和突变株在生物制药和研究中具有广泛的应用。例如,CHO-K1细胞系被广泛用于重组蛋白的生产,其改良后的亚克隆CHO-K1SV和CHOZN CHO K1细胞系进一步提高了细胞的生长速度和蛋白质表达水平。此外,CHO-DXB11和CHO-DG44细胞系也被广泛应用于单克隆抗体和其他重组蛋白药物的生产

4.2 基因编辑技术的应用

基因编辑技术,如CRISPR/Cas9、TALENs和ZFNs等,为CHO细胞系的改良提供了强大的工具。通过精确地修改CHO细胞的基因组,可以实现对细胞特性的精确调控。

  • 基因敲除与敲入:基因编辑技术可以用于敲除CHO细胞中的特定基因,从而研究基因的功能或消除不利的基因表达。例如,敲除与细胞凋亡相关的基因可以提高细胞的存活率和生产效率。同时,也可以将外源基因敲入CHO细胞的基因组中,使其在细胞中稳定表达。例如,将重组蛋白基因敲入CHO细胞的基因组中,可以实现重组蛋白的高效表达。

  • 基因修饰与调控:基因编辑技术还可以用于修饰和调控CHO细胞中的基因表达。例如,通过编辑基因的启动子区域,可以增强或抑制基因的表达。此外,还可以通过基因编辑技术对基因进行点突变,研究基因突变对细胞功能和蛋白质功能的影响。

  • 基因组稳定性与安全性:基因编辑技术的应用可以提高CHO细胞基因组的稳定性和安全性。例如,通过敲除或修复基因组中的不稳定区域,可以减少基因组重排和突变的发生。此外,基因编辑技术还可以用于修复基因突变,提高细胞的生产稳定性和产品质量。

  • 实际应用案例:基因编辑技术在CHO细胞系改良中的应用已经取得了显著的成果。例如,利用CRISPR/Cas9技术,研究人员成功地在CHO细胞中敲除了与细胞凋亡相关的基因Bcl-2,并敲入了抗凋亡基因Bcl-2,从而显著提高了细胞的抗凋亡能力和生产效率。此外,基因编辑技术还被用于改良CHO细胞的糖基化修饰途径,使其能够生产具有特定糖基化模式的重组蛋白。

5. 总结

CHO细胞自20世纪50年代被分离建立以来,凭借其独特的生物学特性和在生物医学研究及制药领域的广泛应用,已经成为细胞生物学和生物技术领域不可或缺的重要工具。其来源清晰,从中国仓鼠的发现到CHO细胞系的建立,再到如今在生物制药、基因工程等领域的广泛应用,CHO细胞的发展历程充分展示了基础研究与应用研究的紧密结合和相互促进。在生物制药领域,CHO细胞以其高效的重组蛋白表达能力、优良的产品质量和广泛的应用范围,成为生产重组蛋白药物、疫苗等生物制品的首选宿主细胞,极大地推动了生物制药产业的发展,为人类健康事业做出了重要贡献。同时,CHO细胞在基因工程与细胞工程中的应用也不断拓展,为基因功能研究、细胞工程改造、基因组学研究以及细胞治疗研究提供了丰富的研究材料和工具,促进了生命科学领域的进步。随着科学技术的不断发展,CHO细胞系的改良与创新也在持续推进,亚克隆与突变株的开发、基因编辑技术的应用等,使得CHO细胞的性能不断提升,应用领域进一步拓宽,为未来的生物医学研究和生物制药产业的发展提供了更加广阔的空间和更加有力的支持。

识别微信二维码,添加生物制品圈小编,符合条件者即可加入
生物制品微信群!
请注明:姓名+研究方向!





本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源和作者,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com),我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点,不代表本站立场。

生物制品圈
资源分享,行业交流!
 最新文章