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Science：利用植物生產(chǎn)的疫苗和治療藥物，開啟分子農(nóng)業(yè)新時代

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月01日 20:57

編譯 | W.N、生物世界來源 | 植物生物技術(shù)Pbj治療性蛋白質(zhì)如疫苗、抗體、激素和細(xì)胞因子通常在細(xì)菌或真核系統(tǒng) 中產(chǎn)生，包括雞卵、哺乳動物或昆蟲細(xì)胞培養(yǎng)物。
1986年，首次提出了利用植物生產(chǎn)治療性蛋白質(zhì)的生物制造替代方法，也就是所謂的“ 分子農(nóng)業(yè) ”。2012年，第一種也是目前唯一一種植物源治療蛋白被批準(zhǔn)用于治療戈謝病 （Gaucher disease）。注： 戈謝病 是一種家族性糖脂代謝疾病，為染色體隱性遺傳的罕見病，是溶酶體沉積病中最常見的一種。2019年，一種植物源性四價病毒樣顆粒流感疫苗完成了3期臨床試驗，并取得了令人鼓舞的結(jié)果。2021年3月，一個針對新冠病毒的輔助植物疫苗（CoVLP）開啟了3期臨床試驗。
這些成功案例重新激起了人們對使用植物制藥的興趣，其中也包括可食用藥物。2021年8月13日，加拿大拉瓦爾大學(xué)醫(yī)學(xué)系的研究人員在 Science 期刊發(fā)表了題為： Plant-made vaccines and therapeutics 的觀點文章。 對植物如何助力于疫苗生產(chǎn)和相應(yīng)療法提出了詳盡的觀點。

植物生長只需要陽光、水和土壤。溫室的構(gòu)建比生物反應(yīng)器組便宜，而生物反應(yīng)器組是細(xì)菌、哺乳動物和昆蟲細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)所必需的。此外，疫苗的產(chǎn)量可以根據(jù)種植的植物數(shù)量按比例增加或減少。與傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)不同，人畜共患病原體不能感染植物，因此不會成為分子農(nóng)業(yè)衍生產(chǎn)品的污染源。密碼子優(yōu)化、細(xì)胞器特異性啟動子的克隆、N-聚糖的人性化和瞬時轉(zhuǎn)染系統(tǒng)等技術(shù)的進(jìn)步，提高了分子農(nóng)業(yè)的性能，產(chǎn)量能達(dá)到1mg/g新鮮植物。相比之下，在用于制造單克隆抗體的哺乳動物中國倉鼠卵巢細(xì)胞培養(yǎng)物中，產(chǎn)量通常達(dá)到5~20g/L。瞬時轉(zhuǎn)染系統(tǒng)也提高了生產(chǎn)速度，在轉(zhuǎn)染成年植物后幾天內(nèi)即可收獲，而不需要在幾個月內(nèi)尋求穩(wěn)定表達(dá)。分子農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)速度是一項顯著優(yōu)勢。實際上，植物生產(chǎn)的疫苗可以很容易地針對新的病原體或新出現(xiàn)的菌株進(jìn)行生產(chǎn)，第一批候選疫苗通常在3周內(nèi)生產(chǎn)。分子農(nóng)業(yè)的速度特別適合于個性化醫(yī)學(xué)，在這種醫(yī)學(xué)中，藥物需要為個體患者定制，例如癌癥治療。在符合藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的條件下，建設(shè)能夠純化植物中治療性蛋白的設(shè)施，也支持了植物疫苗和治療藥劑的臨床評估。此外，與植物生長的簡單性和低成本相比，分子農(nóng)業(yè)的提取、純化和填充過程需要相對更昂貴的GMP設(shè)施。產(chǎn)量較低、可用的指南有限以及全球范圍內(nèi)有限的生產(chǎn)力是抑制人們對分子農(nóng)業(yè)的熱情的主要原因。就疫苗而言，植物產(chǎn)生的蛋白質(zhì)與細(xì)菌、哺乳動物或昆蟲系統(tǒng)中產(chǎn)生的蛋白質(zhì)相比有諸多優(yōu)點。與細(xì)菌不同，植物能夠進(jìn)行翻譯后修飾。植物表達(dá)不同的聚糖，這使得植物來源的蛋白質(zhì)比它們的哺乳動物對應(yīng)物更具免疫原性。在植物制成的疫苗中，產(chǎn)生病毒樣顆粒 （VLP），其包含目標(biāo)病原體的免疫原和顆粒中的植物成分。病毒樣顆粒（VLP）的這些植物成分，如凝集素、聚糖、皂苷和熱休克蛋白，具有佐劑特性，可以進(jìn)一步增強(qiáng)針對植物疫苗的免疫反應(yīng)，并可以減少疫苗配方中對佐劑的需求。這種增強(qiáng)的免疫刺激可能導(dǎo)致對植物成分的過敏反應(yīng)。然而，針對CoVLP的1期試驗（NCT04450004）和針對流感病毒的植物疫苗的3期試驗（NCT03301051，NCT03739112）緩解了這種擔(dān)憂。在涉及兩萬多名18-94歲成年人的大型3期臨床試驗中，四種不同病毒樣顆粒（VLP）的混合物顯示出與現(xiàn)有流感疫苗相似的功效，每種病毒樣顆粒（VLP）都含有來自煙草植物中產(chǎn)生的選定季節(jié)性流感病毒株的血凝素蛋白。值得注意的是，與已接受許可的流感病毒疫苗的個體相比，用這種四價病毒樣顆粒（VLP）制劑產(chǎn)生的免疫并沒有導(dǎo)致不良事件或超敏反應(yīng)的增加。針對流感病毒和新型冠狀病毒的植物疫苗有望成為第一批在全植物中生產(chǎn)的供人類使用的治療性蛋白。葡萄糖腦苷脂酶是一種可注射的蛋白質(zhì)藥物，用于治療戈謝病，在胡蘿卜細(xì)胞培養(yǎng)物中產(chǎn)生。幾種植物生產(chǎn)的獸用疫苗也已經(jīng)被開發(fā)出來，其中一種被美國農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)用于雞的新城疫。注：新城疫是由新城疫病毒引起禽類的一種急性、熱性、敗血性和高度接觸性傳染病。植物蛋白免疫原性的增強(qiáng)對疫苗有益，但對治療蛋白有害，有可能降低其體內(nèi)效力并導(dǎo)致不良事件。盡管有這些限制，抗艾滋病（NCT01403792）和埃博拉（NCT02363322，NCT02363322）的單克隆抗體已經(jīng)達(dá)到臨床開發(fā)階段。在人體試驗中，靜脈注射（針對埃博拉）或陰道內(nèi)注射（針對艾滋?。?這些抗體通常表現(xiàn)出良好耐受性。靜脈給藥后觀察到輕度不良事件，如低血壓和發(fā)熱。僅在接受抗艾滋病毒或埃博拉病毒抗體治療的238名受試者中報告了危及生命的反應(yīng)，如過敏性休克。在靜脈注射植物產(chǎn)生的藥物之前給予抗組胺劑和退熱劑能減輕嚴(yán)重不良事件的發(fā)生。使用工程化的植物來表達(dá)人類聚糖也降低了植物蛋白的免疫原性。值得注意的是，獨立于生產(chǎn)系統(tǒng)，靜脈注射抗體與一些不良事件有關(guān)，即使在哺乳動物細(xì)胞中產(chǎn)生的抗體也觀察到了這些不良事件。植物制造的單克隆抗體的另一個障礙是制造能力有限。與疫苗不同，單克隆抗體方案通常需要更大的劑量（50~150mg/kg），有時需要重復(fù)給藥。為了達(dá)到植物制造抗體所需的規(guī)模，需要大幅擴(kuò)大目前的生產(chǎn)能力?？诜盟幨庆o脈注射途徑的一種用戶友好的替代方法。此外，口服用藥可以減輕與靜脈用藥相關(guān)的不良事件。腸道免疫反應(yīng)對于耐受食物和自身抗原至關(guān)重要，并在確保免疫系統(tǒng)平衡方面發(fā)揮重要作用。此外，目前正在臨床評估的大多數(shù)藥用蛋白質(zhì)在注射前都經(jīng)過純化?？诜盟帲参镏瞥傻闹委焺┲恍韪俚募庸?，因此可能跳過制造過程中昂貴且耗時的步驟。用于口服給藥的產(chǎn)品也可以以凍干的形式在室溫下長期儲存，因此大大降低了它們的生產(chǎn)和儲存成本。可食用植物如谷類作物、番茄、玉米和大米用于口服植物制造的治療性蛋白。腫瘤壞死因子拮抗劑的胃腸外給藥用于治療自身免疫性疾病，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。在1期臨床試驗中，口服表達(dá)腫瘤壞死因子拮抗劑的煙草植物凍干細(xì)胞是安全的，并且增加了人類志愿者身上的免疫抑制調(diào)節(jié)性T細(xì)胞，證明了這種方法的可行性。除了減少不良事件外，口服途徑有利于誘導(dǎo)耐受性，以抑制自身免疫或過敏反應(yīng)。迄今為止，通過在可食用植物中使用重組蛋白誘導(dǎo)耐受性僅限于超敏反應(yīng)或自身免疫的動物模型。然而，這可以提供低成本和簡單的解決方案來更好地降低對常見物質(zhì)的過敏發(fā)生率。食用疫苗也在開發(fā)中。這種方法的安全性和可行性在概念驗證1期臨床試驗中得到證明，以監(jiān)測 1998-2004 年間發(fā)生的針對大腸桿菌、乙型肝炎病毒、狂犬病病毒和諾如病毒的可食用候選疫苗的安全性和免疫原性。在這些試驗中，產(chǎn)生針對期望目標(biāo)的免疫應(yīng)答的免疫個體的比低于涉及通過腸胃外途徑給藥的標(biāo)準(zhǔn)疫苗的臨床試驗，這樣的結(jié)果令人失望。從那以后，植物中產(chǎn)生的重組蛋白產(chǎn)量大幅增加，這表明新的可食用植物疫苗現(xiàn)在可以產(chǎn)生有意義的免疫反應(yīng)。然而，在臨床接受這些候選疫苗之前，需要進(jìn)一步優(yōu)化。確?？墒秤玫闹参镆呙绮粫?dǎo)致對用于生產(chǎn)的植物過敏至關(guān)重要，尤其是廣泛消費(fèi)的植物，如大米、谷物和玉米中。

鑒于3期臨床試驗的良好結(jié)果，植物制成的四價病毒樣顆粒（VLP）流感疫苗很可能獲得使用許可。正在進(jìn)行的臨床開發(fā)將繼續(xù)為植物制造的治療蛋白的監(jiān)管指南提供信息。然而，由于治療劑的劑量比疫苗高得多，制造基礎(chǔ)設(shè)施的投資必須增加，生產(chǎn)成本需要進(jìn)一步降低，以實現(xiàn)植物治療產(chǎn)品的大規(guī)模制造。在此之前，分子農(nóng)業(yè)的速度將有助于候選治療藥物的臨床前和早期臨床評估?？墒秤玫闹参镏瞥傻闹委熕幬锶灾饕幱谂R床前開發(fā)階段，但是一旦成功，可能會創(chuàng)造新的藥品類別。藥物蛋白的生產(chǎn)可能仍由當(dāng)前的生產(chǎn)系統(tǒng)主導(dǎo)，直到通過簡單的生產(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步（如有效的可食用植物制成的治療劑）產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)吸引力將平衡轉(zhuǎn)向分子農(nóng)業(yè)。延伸閱讀

讓生菜成為制藥工廠，治療乙肝

2019年7月1日，Nature Plants 發(fā)表了一篇題為： Lettuce-manufactured pharmaceuticals 的研究亮點文章，介紹了南京大學(xué) 張辰宇 團(tuán)隊發(fā)表于 BioMaterials 期刊的研究論文。

食物是維持生命和生長的營養(yǎng)物質(zhì)，醫(yī)學(xué)是用于治療疾病的方法。許多人相信傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)和食物的同源性，尤其是東亞人。如今，轉(zhuǎn)基因技術(shù)使植物能夠產(chǎn)生治療分子，這進(jìn)一步模糊了食物和藥物之間的界限。近日，來自南京大學(xué)的張碩等人，在 Biomaterials 雜志發(fā)表研究論文，該研究 開發(fā)了一種轉(zhuǎn)基因生菜，能夠生產(chǎn)治療藥物，可用于治療乙型肝炎病毒 （HBV）感染。他們設(shè)計了兩種針對乙型肝炎病毒（HBV）表面抗原（HBsAg）的人工miRNA （amiR471和amiR519），并在轉(zhuǎn)基因生菜品種中穩(wěn)定表達(dá)。給基因工程小鼠喂食這種生菜，能夠有效降低HBsAg的表達(dá)，抑制HBsAg表達(dá)引起的肝損傷，且沒有不良反應(yīng) 。植物是食品和藥品的天然制造工廠，在這項研究中，表達(dá)小人工RNA的生菜可能成為營養(yǎng)蔬菜，并可能成為將來人類治療乙肝病毒感染的有效方法。然后，下一步是什么？發(fā)展植物制藥的現(xiàn)代工業(yè)？

基因治療的綠色革命

在20世紀(jì)50年代初的“綠色革命”，通過矮桿水稻的廣泛種植解決了發(fā)展中國家的糧食問題。目前，慢性乙型肝炎病毒（HBV）感染已成為一個重大的公共衛(wèi)生問題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的公告，大約有2.57億人感染了乙型肝炎。最近的研究表明，在乙肝患者和轉(zhuǎn)基因小鼠中，乙型肝炎病毒表面抗原基因（HBsAg）的表達(dá)水平與肝細(xì)胞癌或纖維化的發(fā)生有關(guān)。因此，HBsAg逐漸成為乙型肝炎治療的一個新靶點。2012年，南京大學(xué)院張辰宇教授在 Cell Research 雜志發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)植物miRNA可以通過食用進(jìn)入體內(nèi)，并調(diào)控哺乳動物的基因表達(dá)。后續(xù)的多項研究表明，植物miRNA可以通過食用靶向流感病毒，預(yù)防流感；甚至可以抑制乳腺癌進(jìn)展。詳情點擊： miRNA的跨界調(diào)控：植物miRNA能調(diào)控人類基因，甚至能抗癌2019年6月21日，張辰宇團(tuán)隊更進(jìn)一步，在生菜中產(chǎn)生針對HBsAg基因的干擾RNA序列，再通過食用生菜，就可以特異地結(jié)合并抑制基因工程小鼠中HBsAg基因的表達(dá)。與人工合成siRNA相比，這種植物來源的干擾RNA用量更低。該研究成果以 Plant-derived RNAi therapeutics: A strategic inhibitor of HBsAg 為題，發(fā)表于 Biomaterials 期刊。

更重要的是，連續(xù)服用這種植物湯劑15個月，有效減輕了轉(zhuǎn)基因小鼠的肝損傷且沒有產(chǎn)生可觀察到的不良反應(yīng)。在此項研究中，研究人員設(shè)計了兩條針對HBsAg的干擾RNA序列siR471和siR519，并驗證了序列對轉(zhuǎn)基因小鼠原代肝臟細(xì)胞中HBsAg的表達(dá)具有抑制作用。隨后利用植物中保守且高表達(dá)的微小核糖核酸骨架基因，在可食用生菜中高效表達(dá)出目的干擾RNA序列（amiR471和amiR519）。在藥物代謝動力學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)，amiRNAs可以通過胃腸屏障進(jìn)入血液和肝臟并且比合成的序列具有更好的穩(wěn)定性，在較少的積累量下可以有效抑制HBsAg的表達(dá)。添加miRNA抑制劑，可以有效阻止amiRNA的抑制作用并通過5’-RACE實驗確定了amiRNA在HBsAg基因上的結(jié)合位點。持續(xù)喂食轉(zhuǎn)基因小鼠含有amiRNAs的湯汁可以顯著改善小鼠血清學(xué)和免疫學(xué)指標(biāo)，緩解了轉(zhuǎn)基因小鼠的肝損傷且沒有誘導(dǎo)任何可觀察到的不良反應(yīng) （下圖）。

圖1. 持續(xù)喂食轉(zhuǎn)基因小鼠amiRNA湯汁緩解了HBsAg基因表達(dá)引起的肝臟損傷這項研究巧妙利用植物內(nèi)源性微小核糖核酸(microRNA)生物合成機(jī)制產(chǎn)生末端甲基化的干擾RNA序列，提高了目標(biāo)干擾RNA的穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)成本。因此，這項工作不僅為發(fā)展中國家的慢性乙型肝炎患者提供了一種經(jīng)濟(jì)適用的治療策略，同時也降低了所需RNAi藥物的服用劑量，最大限度地減少了RNAi治療中潛在的脫靶副作用并允許患者在較長的時間內(nèi)甚至與其他抗病毒藥物共同用藥。對于處于免疫耐受期或?qū)ΤＲ?guī)抗病毒治療有抗性的患者，這種基于RNAi的治療也可能通過每日食用這種含有HBsAg干擾RNA的植物湯汁降低肝損傷風(fēng)險。從長遠(yuǎn)來看，由于工程植物生產(chǎn)干擾序列的有效性、無毒性且經(jīng)濟(jì)可行的優(yōu)勢，這種方法也可以拓展到丙型肝炎或其他傳染疾病的治療?？梢灶A(yù)測，植物來源的干擾RNA將在RNAi基因治療中帶來一場新的“綠色革命”?；仡欉^去，第一場綠色革命給我們帶來了更豐富的食物供給。與此同時，我們也應(yīng)該了解，日常飲食也在改變我們?nèi)祟愖陨恚梭w從食物中獲取的小RNA可能正在發(fā)揮著重要作用。參考文獻(xiàn)： https://science.sciencemag.org/content/373/6556/740 https://www.thelancet.com/pdfs/journals/lancet/PIIS0140-6736(20)32014-6.pdf https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2019.04.033 https://www.nature.com/articles/s41477-019-0484-y

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