无细胞蛋白表达技术:医学研究与药物开发的未来之路!

2024-02-18

前言

基于细胞的表达体系在药物研发和医学研究中具有广泛的应用。为理解疾病机制、发现新药物、进行药效评估和进行基因治疗等方面提供了重要的工具和平台。然而,基于细胞的表达体系仍然存在许多无法解决的问题,比如:蛋白质表达产量低、细胞毒性和负担、蛋白质折叠、翻译后修饰以及细胞培养带来的大量人力、时间和资源成本的投入。

为了解决这些问题,无细胞蛋白表达(CFPS)技术应运而生,与基于细胞的表达体系相比,无细胞(或体外)生物平台的开放性在设计上带来了前所未有的控制和自由度。已被用于调试生物网络、构建人工细胞、筛选蛋白质库、原型遗传回路、开发生物传感器、生产代谢物以及合成复杂蛋白质,包括抗体、有毒蛋白质、膜蛋白和含有非标准(非天然)氨基酸的新型蛋白质。

 

 

图片

 

图1:无细胞蛋白质合成及其功能

 

一、医学研究领域

 

CFPS技术为医学研究领域带来了革命性的变革。首先,CFPS技术能够快速高效地产生多种蛋白,包括药物靶点、疫苗抗原和医学诊断相关的蛋白等,极大地促进了相关研究的进展。其次,CFPS技术克服了传统细胞表达的复杂性,避免了细胞培养和维持的繁琐步骤,节省了时间和资源,并提高了实验的可重复性和可扩展性。此外,CFPS技术还为蛋白质结构研究、蛋白相互作用研究以及药物筛选等领域提供了更多的实验工具和平台。

 

CFPS技术在医学研究中的应用前景十分广阔。例如:

 

1.药物靶点研究:酶和膜蛋白受体几乎占当前所有药物靶点的四分之三。已有研究开发了一种用于CFPS的小型化流体阵列设备用于生产可溶性和膜蛋白。

2.疫苗研究:目前的疫苗生产战略受到生产时间长、病毒材料风险、免疫原性弱和稳定性差的问题,最终限制了疫苗的安全或快速生产以供广泛使用。CFPS可以在不受活细胞限制的情况下快速生产蛋白质,具有高度优化的开放系统,并可用于按需生物制造。为疫苗的研发和生产提供了新的途径。

3.疾病诊断领域:通过CFPS技术可以生产大量优质的蛋白抗原,用于开发特异性和灵敏性更高的诊断试剂;在药物研发中,CFPS技术可以快速高效地产生药物靶点,加速新药发现和开发过程。

 

二、药物开发领域

 

CFPS技术在药物开发领域具有巨大的潜力和价值。传统的细胞蛋白表达技术在药物开发中常常面临着产量低、质量不稳定等问题,而无细胞蛋白表达技术通过去除细胞的副产物、代谢产物和代谢毒素等因素,可以实现高产量和高纯度的蛋白表达,为药物研发提供了更加可靠的平台。

 

现有的临床前模型是预测临床结果的低效药物筛选方法,已有研究将CFPS系统与微流控技术相结合,提供更快速和更具成本效益的替代方案。与二维细胞培养系统和体内动物模型相比,微流控3D平台以简单、廉价的方式模拟体内细胞系统,允许在细胞、器官和全身水平上进行高吞吐量和多路复用药物筛选。结合CFPS系统,研究人员可在模仿生物系统的条件下研究药物的影响。

 

此外,CFPS技术在高通量药物筛选方面具有重要意义。通过CFPS技术,可以快速合成多个药物靶点蛋白,为药物筛选提供丰富的选择集。同时,结合高通量技术,可以对蛋白进行大规模的结构和功能研究,有助于加速药物研发的进程。

 

无细胞蛋白表达技术简介及其在药物筛选中的应用实践

 

高通量筛选案例:基于突变体文库的无细胞表达筛选——phi29 DNA聚合酶

 

图片

 

图2:微流体设备中无细胞蛋白质合成的示意图

 

三、展望和发展趋势

 

当前,CFPS技术在医学研究和药物开发领域仍然处于不断发展的阶段。未来的发展方向可能包括以下几个方面:

 

1. 优化表达系统:通过进一步改进CFPS系统,优化表达系统,提高表达效率和产量的稳定性,实现更高水平的蛋白表达。

 

2. 多样性蛋白表达:针对传统细胞表达困难的蛋白,如膜蛋白和毒蛋白等,研发适用于CFPS的新技术和新方法,拓宽其适用范围。

 

3. 结合其他技术:将CFPS技术与其他前沿技术相结合,如人工智能、高通量筛选等,实现更加智能化、高效化的蛋白表达和药物开发。

 

4. 产业化应用:通过技术优化和推广,将CFPS技术应用于大规模生产,为药物生产和生物医药产业提供可行的解决方案。

 

CFPS技术以其独特的技术优势和广泛的应用前景,为医学研究和药物开发领域带来了许多机遇和挑战。随着技术的不断发展和完善,相信CFPS技术将成为医学和药物领域的重要工具,在加速药物研发、推动医学进步方面发挥着重要作用。

 

结语

 

无细胞蛋白表达技术在医学研究和药物开发领域具有巨大的潜力和应用前景。通过提高蛋白表达效率和产量稳定性,无细胞蛋白表达技术为高通量生产领域带来了新的可能性。同时,结合其他前沿技术,如微流控技术、机器学习、深度学习等,将进一步推动无细胞蛋白表达技术的发展,并为药物研发及相关产业的发展带来更多的机遇和挑战。期待无细胞蛋白表达技术在未来持续发展,为医学进步和人类健康做出重要贡献。

 

珀罗汀生物作为一家专业的无细胞蛋白表达生物技术公司,拥有国家高层次领军人才、海归博士等人才组成的专业技术团队,以自主研发、独具特色的无细胞蛋白表达技术平台为依托,专业从事多肽、重组蛋白、基因工程抗体、重组疫苗以及大分子蛋白药物的研究和开发,同时为广大生物医药企业和研究机构提供无细胞蛋白表达产品、蛋白原料试剂及定制化服务。

 

参考文献:

 

Hong SH. "Cell-Free Synthetic Biology": Synthetic Biology Meets Cell-Free Protein Synthesis. Methods Protoc. 2019;2(4):80. Published 2019 Oct 8. doi:10.3390/mps2040080.

Rosenblum G, Cooperman BS. Engine out of the chassis: cell-free protein synthesis and its uses. FEBS Lett. 2014;588(2):261-268. doi:10.1016/j.febslet.2013.10.016.

Dondapati SK, Stech M, Zemella A, Kubick S. Cell-Free Protein Synthesis: A Promising Option for Future Drug Development. BioDrugs. 2020;34(3):327-348. doi:10.1007/s40259-020-00417-y.

Khnouf R, Olivero D, Jin S, Coleman MA, Fan ZH. Cell-free expression of soluble and membrane proteins in an array device for drug screening. Anal Chem. 2010;82(16):7021-7026. doi:10.1021/ac1015479.

Hu VT, Kamat NP. Cell-free protein synthesis systems for vaccine design and production. Curr Opin Biotechnol. 2023;79:102888. doi:10.1016/j.copbio.2022.102888.

Damiati S, Kompella UB, Damiati SA, Kodzius R. Microfluidic Devices for Drug Delivery Systems and Drug Screening. Genes (Basel). 2018;9(2):103. Published 2018 Feb 16. doi:10.3390/genes9020103.