CFPS：生物制药和免疫生物制品生产工艺进展
2025-12-05
生物制药产品在许多疾病的治疗或预防中非常重要，并且在全球制药市场中占有越来越大的份额。根据2022 年生物制药基准报告：La Merie 和 Fierce Pharma 的各种财务数据的综合显示2021 年全球总销售额达到 3,430 亿美元。此外，生物仿制药研发投资较小，可以为昂贵的生物制药疗法提供成本更低的替代方案，并扩大了患者的可及性。
生物制药和免疫生物制品是一种重组治疗蛋白，长期以来都是基于活细胞的传统表达系统来生产，然而这种生产方式逐渐暴露出诸多瓶颈，如细胞存活率低、蛋白折叠错误、毒性蛋白抑制细胞生长等。近年来，无细胞蛋白合成系统（CFPS）正在成为解决这些难题的关键路径。
今天，小编和大家分享一篇综述文章——“Cell-Free Protein Synthesis: Advances on Production Process for Biopharmaceuticals and Immunobiological Products”，介绍 CFPS 生物制品生产工艺的最新进展。
一、什么是无细胞蛋白合成？
无细胞蛋白合成，顾名思义，就是在无完整活细胞的环境下进行蛋白质合成。研究人员通过裂解细胞，保留其胞质内含有的转录-翻译机制，并在此基础上加入DNA模板、能量分子、氨基酸等必要组分，从而实现目标蛋白的体外合成。
（详文链接：无细胞蛋白表达：突破传统瓶颈的新兴技术）
该技术并非新生事物，早在1961年，Matthaei和Nirenberg就利用CFPS破译了遗传密码，距今已经使用了几十年，之前主要用于研究生物学功能，直到近十年，随着其在高通量、快速合成、复杂蛋白表达方面的潜力被不断挖掘，逐渐从基础研究走向工业应用。
二、从“高产”到“按需”：CFPS的广阔应用前景
在高产量生产方面，CFPS已展现出巨大潜力：
1.高效生产“难表达”蛋白：CFPS技术因其开放体系避免了细胞内的负反馈抑制，能将所有资源集中于目标蛋白的合成，成功克服了传统细胞表达系统的瓶颈，例如，合成人骨形态发生蛋白时，CFPS在短短 3 小时内实现了比传统方法更高的产量。Thoring 等 人利用开发的无细胞体系的优化方法，合成难以表达的蛋白质（膜蛋白和单链可变片段），并能够获得高达 980 μg/ml 的产量。
2.复杂抗体药物的成功合成：抗体和单克隆抗体是一类重要的生物制药，通常，抗体在基于细胞的表达系统中合成，但这非常耗时且成本高昂。研究证明CFPS可用于高效生产单克隆抗体、双特异性抗体等复杂药物。通过优化反应条件（如建立合适的氧化还原环境、分步添加质粒等），无细胞体系中的抗体产量可超过100 mg/L，并将生产周期缩短至2天。此外，在大肠杆菌提取物中合成曲妥珠单抗 IgG 甚至能实现高达 1 g/L的产量。Cai 等人描述的进一步修饰 CFPS 反应表明，该反应能够保持高通量生产，并将成本降低 95%。
3.病毒样颗粒（VLP）疫苗的快速制备：VLP 是类似于病毒结构的纳米结构，可以触发高体液/细胞免疫反应，VLP疫苗安全性的一个关键因素是缺乏病毒基因组材料，而CFPS系统非常适合合成细胞毒性蛋白，例如，在 CFPS 系统中成功合成的肉毒杆菌毒素蛋白，产量高达 1 g/L。Sheng 等人的研究中，人诺如病毒颗粒蛋白仅需 4 小时就可以在大肠杆菌裂解物中合成（而在基于细胞的系统中需要 50 小时）。
4.天然产物的环保合成：天然产物如聚酮和非核糖体肽，具有许多生物活性（如抗生素、免疫抑制、抗癌），医药市场上超过 50%的新药来自此类产品。与其他难以表达的蛋白质一样，天然产物在基于细胞的系统中合成存在许多问题，如产量低（由抑制宿主细胞生长的代谢负荷引起）、折叠不正确、缺乏 PTM 以及异源宿主中前体不可用。CFPS 系统作为天然产物合成的替代方案为抗生素、镇痛肽等天然产物提供了不依赖动植物提取的合成途径，避免了资源破坏和提取困难，并能实现大规模生产。
“按需生产”的潜力，这将可能重塑制药业的形态：
1.按需生产：一些生物制剂的消费市场并不广阔，需要以较小的规模生产，例如孤儿病的治疗、个性化药物和即时医疗产品，这些按需药物对于制药公司来说效益低在经济上往往不可行，除非有系统能够生产单剂量或满足个人需求的小规模定制产品，而CFPS 系统为小规模生产生物制剂创造了可能性，并为按需生产开辟了新视野。例如，Bundy 的研究小组报告了美国 FDA 批准的 L-天冬酰胺酶（crisantaspase）在按需、自稳定和低成本的大肠杆菌平台装置中生产，这表明 CFPS 系统将用于临床环境中疾病诊断、治疗和监测治疗的未来已经不远了。
2.个体性医疗：CFPS可以使个体化治疗作为一线治疗成为可能，Tran 及其同事凭借 CFPS技术，利用患者的淋巴瘤特异性 Ig V 基因在数小时内合成蛋白质。如果是通过稳定转染的哺乳动物或昆虫细胞系进行的传统生产可能需要数月的时间来制备，而 CFPS 平台可以在几天内生产。另外，CFPS 系统也适用于分层药物，即根据诊断测试结果筛选患者并进行针对性治疗。
即时生产：为了使生物制剂在床旁治疗中变得可行，重要的是不仅要开发一个适合小型快速合成的平台，还要开发一个便携式设备。已有研究开发出“手提箱式”的自动化CFPS设备，研究人员可以在数小时的时间尺度上小规模合成多种蛋白质。该技术应用范围广泛，可以在护理点快速生产生物制剂，范围从患者床边、医生办公室、当地药房、战场、地方病治疗、灾区或非常偏远的地区。只需加入水和DNA模板，就能在数小时内生产出急需的疫苗或治疗性蛋白，彻底摆脱对复杂冷链物流的依赖，为“药房即产”提供了可能。
三、未来展望
CFPS 系统作为坚固可靠的系统，可以克服化学合成和基于细胞的表达系统的局限性。它不仅是解决“难以表达”蛋白的利器，更是未来实现个性化医疗、即时制药、绿色生产的核心技术之一。许多蛋白质已经在各种类型的细胞提取物中合成，无论是在高产量生产中还是在按需规模上。随着下一代 DNA 测序的快速发展，可以合成更多的蛋白质，而不需要从其自然资源中提取。它们的合成生产可以避免动植物的剥削，并变得更加环保、可持续、更具有成本效益。
随着有利于生产复杂蛋白质（包括具有不同 PTM 要求和功能的蛋白质）的不同细胞提取物和技术的发展，CFPS 的可能性正在迅速发展。由于其多种优势，很容易预见这项技术在未来几年成为标准的蛋白质生产平台，推动生物医药进入一个更灵活、更高效、更包容的新时代。
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