生物反應器
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名稱: 生物反應器
生物反應器：生物反應器是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進行生化反應的裝置系統，是一種生物功能模擬機，如發酵罐、固定化酶或固定化細胞反應器等。
內容
生物反應器聽起來有些陌生，基本原理卻相當簡單。胃就是人體內部加工食物的一個複雜生物反應器。食物在胃裡經過各種酶的消化，變成我們能吸收的營養成分。生物工程上的生物反應器是在體外模擬生物體的功能，設計出來用於生產或檢測各種化學品的反應裝置。或者說，生物反應器是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進行生化反應的裝置系統，是一種生物功能模擬機，如發酵罐、固定化酶或固定化細胞反應器等。
在固定化酶廣泛應用的基礎上，人們發現天然細胞本身就具有多功能的系列化反應系統採用物理或化學方法將細胞固定化，是利用酶或酶系的一條捷徑。一個固定化細胞反應器猶如一台「生命活動功能推動機」。固定化細胞技術開始於70年代，其實際應用程度已超過固定化酶。如美國、歐洲、日本均採用固定化菌體柱床工藝大規模生產高果糖漿。
輸卵管生物反應器
1993年國羅斯林研究所Sang博士研究禽類蛋黃表達系統，在雞蛋的蛋黃里表達了外源蛋白質，由於蛋黃蛋白質是在肝臟細胞表達的蛋白質，而且含量不高；因此，1994年中國科學院微生物研究所、中國轉基因動物學會（籌）副秘書長曾（傑）邦哲提出了禽類轉基因輸卵管生物反應器，在國際上最早開展採用蛋清蛋白質基因側翼序列表達外源藥用蛋白質的研究，1994年11月（Glodegg Plan）和1995年3月及1996年轉基因動物通訊、1995年7月上海首屆國際生物技術與藥物學術研討暨展覽會、1996年11月北京第1屆國際暨第3屆全國轉基因動物學術研討會（秘書長曾邦哲）、1997年生物技術通報發表，以及1999年在德國創建的系統生物科學與工程網站闡述了輸卵管生物反應器（oviduct bioreactor）概念、方法與技術研究。1996年創辦第1屆國際轉基因學術研討會期間，曾邦哲與加拿大、美國、英國、日本有關轉基因禽類實驗室聯繫，但國際上當時沒有人開展這項課題，隨後與美國Avigenics公司和Georgia大學R.Ivarie教授探討了輸卵管生物反應器的合作研究。1998年，美國Avigenics公司獨立開展了規模化投資與研究開發輸卵管生物反應器，因中國科學家曾邦哲已經去了以色列。2002年後，國際國內掀起了輸卵管生物反應器的研究開發熱潮，2003年Science發表了Gloden Egg的評述文章。目前，國際上已有十多家前景看好的公司以輸卵管生物反應器作為拳頭開發產品，約2003年國羅斯林研究所也創建了公司，並由Sang博士主持研究課題，從禽類蛋黃表達系統轉向了輸卵管生物反應器。輸卵管生物反應器將稱為繼哺乳動物乳腺生物反應器後最具發展前景的動物生物反應器。
轉基因動物生物反應器的基因構建與表達
《國外醫學》預防、診斷、治療用生物製品分冊1999年卷第5期
關鍵詞： 轉基因動物生物反應器 藥物 基因構建 表達
摘要 近年來，生物學和分子生物學研究領域的成就促進了轉基因動物生物反應器的蓬勃發展。用轉基因動物生物反應器生產藥用蛋白是生物技術領域裡的又一次革命，它以一個全新生產珍貴藥用蛋白的模式區別於傳統藥物的生產。本文著重介紹轉基因動物生物反應器的基因構建以及轉基因動物組織特異性表達的最新進展。
以合理的費用獲取大量在人體內原本稀少的血漿蛋白在不久前還只是幻想。然而，近年來生物學和分子生物學取得的顯著進展終於使這種幻想成為現實。其中，將外源DVA用顯微技術注入生殖細胞的原核，將重組DVA轉入小鼠胚胎細胞和將DVA整合入宿主染色體和種系傳遞等重要發現，使用轉基因（Tg）動物生產藥用蛋白成為可能。此外，生物學技術的發展，如對卵細胞的獲得、操作以及再植入和重組DNA等技術進步都為轉基因動物生物反應器的成功提供了保證。
轉基因動物生物反應器生產藥用蛋白一般有兩種技術路線。第一種是將目的基因在同源組織中表達蛋白質；第二種是將目的基因構建成雜合基因，轉入動物胚胎，通過轉基因動物的分泌器官收集並提純藥用蛋白。轉基因動物分泌的蛋白經過後加工酷如人體天然蛋白的結構，也有完全相似的生物活性。
同源組織中表達蛋白質
目前，在同源組織中表達蛋白質最典型的例子是在動物的紅細胞中表達人的血紅蛋白。在人的血紅蛋白基因編碼序列里啟動子有2個CACCC盒，而對應的豬的啟動子里只有一個，另一個靠近它的是CGCCC盒。Sharma等［1］將豬的β-啟動子與人的β編碼基因融合，並將人的β-基因座調控區（β-LCR）和α、ε基因與融合基因的β基因連接在一起構成載體，轉入豬胚胎細胞，從轉基因豬分泌乳汁中得到的重組人血紅蛋白含量高達32g/L。
在轉基因動物的分泌器官中生產蛋白
轉基因動物表達重組蛋白多以乳腺、唾液腺和膀胱為靶位。在這些表達器官中，通過構建合適的載體，選擇適當的啟動子和調控序列可產生比正常水平高得多的重組蛋白。不過，生產系統應儘可能與循環系統隔離，以減少表達產物對宿主動物的影響。
乳腺生物反應器
將所需目的基因構建入載體，加上適當的調控序列，轉入動物胚胎細胞，使轉基因動物分泌的乳汁中含有所需要藥用蛋白。從融合基因轉入胚胎細胞到收集蛋白質有一個過程，包括胚胎植入、分娩和轉基因動物的生長。轉基因動物從出生到第一次泌乳，豬、羊、牛各需12、14、16個月；並且只有雌性動物泌乳且不連續，一般可持續2、6、10個月。牛、羊等大型家畜能對藥用蛋白進行正確的後加工，使之具有較高的生物活性，同時產奶量大，易於大規模生產，因而成為乳腺生物反應器理想的動物類型。
抗凝血酶Ⅲ 第一個進入臨床試驗的轉基因蛋白產物是抗凝血酶Ⅲ，將半乳糖β-酪蛋白的啟動子和含抗凝血酶Ⅲ基因序列相連，轉入綿羊胚胎細胞，在轉基因綿羊的乳液中得到有生物活性的蛋白產量可達7g/L［2］。目前該蛋白正用於冠狀動脈旁路手術患者的二期臨床驗證。
β-乳球蛋白 在實驗過程中人們發現牛的β-乳球蛋白（BLG）基因非常穩定，並能在乳腺中特異性表達。Hyttinen等［3］將含有5＇端2.8kb和3＇端1.9kb的牛BLG基因片段構建成載體，轉入小鼠胚胎細胞，可在轉基因小鼠的乳腺中特異表達高水平的BLG，此外，還發現CpG位點的甲基化程度與BLG的表達量有關，甲基化少的轉基因小鼠乳液中BLG分泌量較大，可達1～2mg/ml，而其他轉基因小鼠分泌量小於0.1mg/ml。
紅細胞生成素（EPO） 目前國內外均採用CHO細胞表達生產人EPO，成本比較昂貴，而用轉基因動物生產的EPO，可能是一條理想的途徑。將EPO dNA分別以HindⅢ和BamHI酶切，1%瓊脂糖凝膠電泳回收5.4kb的HinⅢ/BamHI片段，插入pGEM-7zf(+)載體，再將867bp的BLG啟動子插入EPO基因之前EcoR、ClaI位點，構建表達載體pGEM-3zf(+)β-LG-EPO。通過顯微注射方法得到轉基因小鼠乳汗中的EPO含量可達0.5μg/ml［4］。
α1-抗胰蛋白酶 這也是一個利用BLG基因構建的重組蛋白。將BLG5＇末端4.0kb序列與人的α1-抗胰蛋白酶（α1AT）基因的6.5kb片段（去掉第一個內含子）融合，再連接羊的BLG啟動子，以pPOLYⅢ-Ⅰ為載體，轉入羊的胚胎細胞，可在轉基因羊分泌的乳液中得到含量高達60.0mg/ml的重組蛋白α1AT［5］。轉基因在兩年前進入了臨床驗證。
因子Ⅸ Schnieke等［6］將羊的BLG基因5＇末端和人的因子Ⅸ cDNA 與含有BLG複製單元和3＇末端的片段融合，將構建的雜合基因轉入羊的胚胎細胞，從分泌的乳汁中得到125μg/ml的重組蛋白。黃淑幀教授等［7］構建了一個含有小鼠MAR元件、牛β-酪蛋白基因調控序列和hFⅨ微基因的hFⅨ乳腺組織特異性表達載體pMCⅨm，其中hF Ⅸ微基因包括全長hF Ⅸ cDNA ，800bp經過改造的內含子1序列和hFⅨ蛋白的信號肽序列。將線形化的表達載體pMC Ⅸm導入羊的受精卵。轉基因羊分泌的乳汁中hFⅨ蛋白的含量約為95ng/ml。在另一實驗中，Yull等［8］將BLG5＇末端序列，fⅨ編碼序列和缺失隱性3＇端連接點的f Ⅸ3＇末端不翻譯區域的一個小片段融合，構成雜合基因，去掉SphI和SmaI位點，克隆入移去了pBJ41的SphI/EcoRV。轉入小鼠胚胎細胞，得到的重組蛋白產量達0.06mg/ml。經過進一步研究，發現是轉基因動物乳腺中對DNA的錯誤剪切使分泌量降低，從而增高重組蛋白產率。在乳腺組織中表達有完全活性的因子Ⅸ是比較成功的，尤其是乳腺組織對因子Ⅸ N端附近的一段含12個葡萄糖殘基的序列進行γ-羧化以保持其活性，而在以前的天然蛋白中沒有發現γ-羧化作用。
因子Ⅷ 人FⅧcDNA長約7.2kb，是目前為止表達的最長cDNA。將它插入小鼠的乳清酸性蛋白（WAP）基因中啟動子（2.5kb）的下游，使之在乳腺中靶向分泌FⅧ重組蛋白。在WAP/FⅧcDNA構建的轉基因小鼠中rFⅧ表達最低，而在轉基因豬中可達1.0～2.7μg/ml［9］。
單克降抗體 Castilla等［10］將編碼了重組單克降抗體（rMab）6A.C3的免疫球蛋白基因cDNA插入小鼠WAP dNA基因組的第一個外顯子，使rMab 6A.C3的表達可以由WAP基因調控序列來控制，將構建的雜合基因注入小鼠胚胎細胞原核，使小鼠乳腺分泌有活性的單克降抗體，這種轉基因表達產物將廣泛應用於預防新生兒腸道感染。
C蛋白 同樣在WAP基因的第一個外顯子位點，Drews等［11］將人C蛋白cDNA插入，轉入小鼠胚胎細胞，可得到產量達1.6mg/ml的重組蛋白。而將上述雜合基因轉入豬的胚胎細胞，可使豬分泌出380μg/mlμg/ml.hr的外源蛋白，活性與人血漿中C蛋白的活性相同。由於C蛋白的抗凝活性依賴於輕鏈膜結合區域正確的γ-羧化，因此，轉基因豬能分泌有活性的C蛋白表明豬的乳腺細胞可對C蛋白前體高速率地進行γ-羧化，以使成熟C蛋白有完整的活性。
目錄 |
動物乳腺生物反應器的優點
1.產品質量穩定；
2.產品成本低；
3.研製開發周期短；
4.無污染；
5.經濟效益顯著。
動物乳腺生物反應器的應用
1.改良乳汁品質；
2.生產藥用蛋白。
動物乳腺生物反應器存在的問題
1.外源基因在動物體內的位點整合問題；
2.乳蛋白基因表達組織特異性問題；
3.目的蛋白的翻譯後修飾問題；
4.轉基因表達產物的分離和純化問題；
5.轉基因的技術與方法問題；
6.倫理道德問題。
膀胱生物反應器
膀胱反應器有著和乳腺反應器一樣的優點：收集產物蛋白比較容易，不必對動物造成傷害。此外，該系統可從動物一出生就收集產物，不論動物的性別和是否正處於生殖期。膀胱生物反應器最顯著的優勢在於從尿中提取蛋白質比在乳汁中提取簡便、高效。
膀胱生物反應器多用Uroplakin啟動子啟動人生長激素（hGH）的表達，產生 hGH特異性的高丰度RNA，這些RNA與蛋白分泌量高度相關。Uroplakin基因在多種哺乳動物體內有很高的保守性，如鼠、兔、牛、羊和人等。
生長激素 Kerr等［12］將pUPII-LacI用質體的Kpn i進行消化，用T4DNA多聚酶切去3＇端，然後用BamHI消化，分離出3.6kb的5＇端小鼠UPII基因片段，此片段含有膀胱反應器特異性表達所需的大部分序列。將此片段與位於無啟動子的pOGH質體純化SaI和BamHI位點間的hGH結構基因的5＇端連接，得到pUPII-hGH質體，能表達該質體的組織分布有限。將得到的pUPII- hGH質體用HindIII和EcoRI消化，得出一段5.7kb的UPII-hGH融合基因可用於顯微注射，在膀胱上皮細胞中合成hGH，收集轉基因動物尿液，從中提取重組蛋白。但在這一途徑中轉基因動物會因hGH的作用逐漸肥胖，並導致雌性動物不育症。乳腺生物反應器也能表達hGH。用同源重組方法將hGH基因導入210kb的人α-乳球蛋白位置依賴性YAC載體，將重組的YAC dNA顯微注入大鼠胚胎，轉基因大鼠的乳汁中含有高水平的hGH，含量可達0.25～8.9mg/ml［13］。
翻譯與修飾
轉基因動物分泌的蛋白，特別是糖鏈成分的結構與人體蛋白有差異。因此研究分泌蛋白的修飾就顯得很重要。在乳腺生物反應器中，蛋白質翻譯前修飾的主要方式是在多個位點對乳腺中的蛋白前體進行信號肽剪切和對糖鏈進行修飾。例如，從山羊乳液中得到的長效組織型纖溶酶原激活劑與人體內和相比較，含有少量的異種（外源）低聚糖，同時，唾液酸、N-乙醯葡萄糖胺和半乳糖含量明顯減少，關且出現缺少蛋白質C127的N-乙醯半乳糖胺。此外，從豬乳液中得到的C蛋白中是沒有的；從羊乳液中得到的重組α1-抗胰蛋白酶多聚肽也反映了唾液酸酸化程度的差異；在山羊乳腺中觀察到了重組抗凝血酶Ⅲ上低聚甘露糖與特異天冬醯胺的位點特異性聚合等等。研究小鼠乳液中的重組γ-干擾素可對翻譯前修飾有更好的理解，γ-干擾素有大量的位點特異性變化，在N端連接位點進行複雜的唾液酸酸化和連接核心岩藻多聚糖，其次是低聚甘露糖。與從小鼠細胞中取得的蛋白質相比，分泌的重組蛋白沒有GalNAc、NeuGC和Gal∞l 、3Gal-βl、 4GlcNAc殘基。這些蛋白特異性的糖基化類型可與細胞上的受體結合併清除病人體內的重組蛋白，因此可能會影響療效，最終的結果尚有待驗證。
同源組織表達蛋白質的優點是可對表達產物進行調控並校正珠蛋白鏈的翻譯過程，避免無效的翻譯前修飾，使產物蛋白儘可能與人體天然蛋白相似，降低人體內的排斥反應，提高藥物蛋白療效。目前，蛋白分離技術飛速發展，大大提高了蛋白質分離的可行性和分離效率。第二種技術路線中目前以乳腺生物反應器較為多見，因為乳汁易得到，且乳汁中的特異蛋白含量較大，對蛋白水解酶的降解作用也比較穩定。乳汁是一種混合物，含3%～6%的總蛋白，3%～5%的脂類，對蛋白提純技術要求比較高。另一方面，藥用蛋白是在動物乳腺中產生。因此只有含轉基因型人雌性動物在泌乳期才能生產藥用蛋白，可用的動物數目有限，且生產期較短。膀胱生物反應器的優點在於含有轉基因型的兩性動物都可用，產後收集時間長，提取產物蛋白濃度雙乳液中的含量低得多，儘管收集的尿液多且時間長，生產單位數量的藥用蛋白在乳腺和膀胱生物反應器中的成本是差不多的
問題與展望
在轉基因動物生物反應器的應用中，有些問題尚待解決。比如，由於轉基因動物的基因是鑲嵌整合型的，因此它的下一代並不都轉基因型。但是在綿羊，豬和山羊中觀察到只要轉基因型從起始個體傳給了下一代，這種轉基因型就可以穩定地遺傳好幾代。而其他一些因素，如外源基因的整合率低，胚胎移植的受孕率低等都使有效的轉基因動物大大減少。同時，由於對調控表達水平的程序，指導進行精確的組織特異性和發育調控表達的程序，以及調控和編碼內含子序列間可能的相互作用的認識尚不充分［14］，容易引起異位點表達；由於現在的技術還不能控制整合的位點，因此存在對內源基因進行插入誘變的可能性，轉基因型的表達會受整合的不同位點的影響。這些因素使得在家畜長成前，要用小鼠對新基因構型進行常規試驗。
轉基因動物生產的藥用蛋白可用於預防和治療疾病，其轉運系統及口服用藥引起的耐受性等問題都在作進一步研究。以轉基因家畜生產珍貴的藥用蛋白具有重大的經濟價值和社會效益，這項生物技術最終將會得到廣泛應用。
發展階段
生物反應器（bioreactor）經歷了三個發展階段：細菌基因工程、細胞基因工程、轉基因動物生物反應器。轉基因動物生物反應器的出現之所以受到人們極大的關注，是因為它克服了前兩者的缺陷，即細胞基因工程產物往往不具備生物活性，必須經過糖基化、羥基化等一系列修飾加工後才能成為有效的藥物，而細胞基因工程又因為哺乳動物細胞的培養條件要求相當苛刻、成本太高而限制了規模生產。另外，轉基因動物生物反應器還具有產品質量高、容易提純的特點。 一般把目的片段在器官或組織中表達的轉基因動物叫做動物生物反應器。幾乎任何有生命的器官、組織或其中一部分都可以經過人為馴化為生物反應器。從生產的角度考慮，生物反應器選擇的組織或器官要方便產物的獲得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此發展了動物乳腺生物反應器、動物血液生物反應器和動物膀胱生物反應器等。其中，轉基因動物乳腺生物反應器的研究最為引人注目。
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