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Science：利用植物生產的疫苗和治療藥物，開啟分子農業(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Pbj治療性蛋白質如疫苗、抗體、激素和細胞因子通常在細菌或真核系統(tǒng) 中產生，包括雞卵、哺乳動物或昆蟲細胞培養(yǎng)物。
1986年，首次提出了利用植物生產治療性蛋白質的生物制造替代方法，也就是所謂的“ 分子農業(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，加拿大拉瓦爾大學醫(yī)學系的研究人員在 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和相應療法提出了詳盡的觀點。

植物生長只需要陽光、水和土壤。溫室的構建比生物反應器組便宜，而生物反應器組是細菌、哺乳動物和昆蟲細胞培養(yǎng)系統(tǒng)所必需的。此外，疫苗的產量可以根據(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業(yè)衍生產品的污染源。密碼子優(yōu)化、細胞器特異性啟動子的克隆、N-聚糖的人性化和瞬時轉染系統(tǒng)等技術的進步，提高了分子農業(yè)的性能，產量能達到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胞培養(yǎng)物中，產量通常達到5~20g/L。瞬時轉染系統(tǒng)也提高了生產速度，在轉染成年植物后幾天內即可收獲，而不需要在幾個月內尋求穩(wěn)定表達。分子農業(yè)的生產速度是一項顯著優(yōu)勢。實際上，植物生產的疫苗可以很容易地針對新的病原體或新出現(xiàn)的菌株進行生產，第一批候選疫苗通常在3周內生產。分子農業(yè)的速度特別適合于個性化醫(yī)學，在這種醫(yī)學中，藥物需要為個體患者定制，例如癌癥治療。在符合藥品生產質量管理規(guī)范的條件下，建設能夠純化植物中治療性蛋白的設施，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，分子農業(yè)的提取、純化和填充過程需要相對更昂貴的GMP設施。產量較低、可用的指南有限以及全球范圍內有限的生產力是抑制人們對分子農業(yè)的熱情的主要原因。就疫苗而言，植物產生的蛋白質與細菌、哺乳動物或昆蟲系統(tǒng)中產生的蛋白質相比有諸多優(yōu)點。與細菌不同，植物能夠進行翻譯后修飾。植物表達不同的聚糖，這使得植物來源的蛋白質比它們的哺乳動物對應物更具免疫原性。在植物制成的疫苗中，產生病毒樣顆粒 （VLP），其包含目標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，可以進一步增強針對植物疫苗的免疫反應，并可以減少疫苗配方中對佐劑的需求。這種增強的免疫刺激可能導致對植物成分的過敏反應。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）制劑產生的免疫并沒有導致不良事件或超敏反應的增加。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藥物，用于治療戈謝病，在胡蘿卜細胞培養(yǎng)物中產生。幾種植物生產的獸用疫苗也已經(jīng)被開發(fā)出來，其中一種被美國農業(yè)部批準用于雞的新城疫。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對疫苗有益，但對治療蛋白有害，有可能降低其體內效力并導致不良事件。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，如過敏性休克。在靜脈注射植物產生的藥物之前給予抗組胺劑和退熱劑能減輕嚴重不良事件的發(fā)生。使用工程化的植物來表達人類聚糖也降低了植物蛋白的免疫原性。值得注意的是，獨立于生產系統(tǒng)，靜脈注射抗體與一些不良事件有關，即使在哺乳動物細胞中產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），有時需要重復給藥。為了達到植物制造抗體所需的規(guī)模，需要大幅擴大目前的生產能力?？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的不良事件。腸道免疫反應對于耐受食物和自身抗原至關重要，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)藥用蛋白質在注射前都經(jīng)過純化?？诜盟?，植物制成的治療劑只需更少的加工，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和儲存成本?？墒秤弥参锶绻阮愖魑铩⒎?、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，如類風濕性關節(jié)炎。在1期臨床試驗中，口服表達腫瘤壞死因子拮抗劑的煙草植物凍干細胞是安全的，并且增加了人類志愿者身上的免疫抑制調節(jié)性T細胞，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耐受性，以抑制自身免疫或過敏反應。迄今為止，通過在可食用植物中使用重組蛋白誘導耐受性僅限于超敏反應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，產生針對期望目標的免疫應答的免疫個體的比低于涉及通過腸胃外途徑給藥的標準疫苗的臨床試驗，這樣的結果令人失望。從那以后，植物中產生的重組蛋白產量大幅增加，這表明新的可食用植物疫苗現(xiàn)在可以產生有意義的免疫反應。然而，在臨床接受這些候選疫苗之前，需要進一步優(yōu)化。確?？墒秤玫闹参镆呙绮粫е聦τ糜谏a的植物過敏至關重要，尤其是廣泛消費的植物，如大米、谷物和玉米中。

鑒于3期臨床試驗的良好結果，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，制造基礎設施的投資必須增加，生產成本需要進一步降低，以實現(xiàn)植物治療產品的大規(guī)模制造。在此之前，分子農業(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。藥物蛋白的生產可能仍由當前的生產系統(tǒng)主導，直到通過簡單的生產和技術進步（如有效的可食用植物制成的治療劑）產生的經(jīng)濟吸引力將平衡轉向分子農業(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 張辰宇 團隊發(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，醫(yī)學是用于治療疾病的方法。許多人相信傳統(tǒng)醫(yī)學和食物的同源性，尤其是東亞人。如今，轉基因技術使植物能夠產生治療分子，這進一步模糊了食物和藥物之間的界限。近日，來自南京大學的張碩等人，在 Biomaterials 雜志發(fā)表研究論文，該研究 開發(fā)了一種轉基因生菜，能夠生產治療藥物，可用于治療乙型肝炎病毒 （HBV）感染。他們設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），并在轉基因生菜品種中穩(wěn)定表達。給基因工程小鼠喂食這種生菜，能夠有效降低HBsAg的表達，抑制HBsAg表達引起的肝損傷，且沒有不良反應 。植物是食品和藥品的天然制造工廠，在這項研究中，表達小人工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，在乙肝患者和轉基因小鼠中，乙型肝炎病毒表面抗原基因（HBsAg）的表達水平與肝細胞癌或纖維化的發(fā)生有關。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可以通過食用進入體內，并調控哺乳動物的基因表達。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，預防流感；甚至可以抑制乳腺癌進展。詳情點擊： miRNA的跨界調控：植物miRNA能調控人類基因，甚至能抗癌2019年6月21日，張辰宇團隊更進一步，在生菜中產生針對HBsAg基因的干擾RNA序列，再通過食用生菜，就可以特異地結合并抑制基因工程小鼠中HBsAg基因的表達。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，有效減輕了轉基因小鼠的肝損傷且沒有產生可觀察到的不良反應。在此項研究中，研究人員設計了兩條針對HBsAg的干擾RNA序列siR471和siR519，并驗證了序列對轉基因小鼠原代肝臟細胞中HBsAg的表達具有抑制作用。隨后利用植物中保守且高表達的微小核糖核酸骨架基因，在可食用生菜中高效表達出目的干擾RNA序列（amiR471和amiR519）。在藥物代謝動力學分析中發(fā)現(xiàn)，amiRNAs可以通過胃腸屏障進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。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基因上的結合位點。持續(xù)喂食轉基因小鼠含有amiRNAs的湯汁可以顯著改善小鼠血清學和免疫學指標，緩解了轉基因小鼠的肝損傷且沒有誘導任何可觀察到的不良反應（下圖）。

圖1. 持續(xù)喂食轉基因小鼠amiRNA湯汁緩解了HBsAg基因表達引起的肝臟損傷這項研究巧妙利用植物內源性微小核糖核酸(microRNA)生物合成機制產生末端甲基化的干擾RNA序列，提高了目標干擾RNA的穩(wěn)定性，降低了生產成本。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甚至與其他抗病毒藥物共同用藥。對于處于免疫耐受期或對常規(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險。從長遠來看，由于工程植物生產干擾序列的有效性、無毒性且經(jīng)濟可行的優(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，我們也應該了解，日常飲食也在改變我們人類自身，人體從食物中獲取的小RNA可能正在發(fā)揮著重要作用。參考文獻： 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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