生物制藥產品在許多疾病的治療或預防中非常重要，并且在全球制藥市場中占有越來越大的份額。根據2022 年生物制藥基準報告：La Merie 和 Fierce Pharma 的各種財務數據的綜合顯示2021 年全球總銷售額達到 3,430 億美元。此外，生物仿制藥研發投資較小，可以為昂貴的生物制藥療法提供成本更低的替代方案，并擴大了患者的可及性。

生物制藥和免疫生物制品是一種重組治療蛋白，長期以來都是基于活細胞的傳統表達系統來生產，然而這種生產方式逐漸暴露出諸多瓶頸，如細胞存活率低、蛋白折疊錯誤、毒性蛋白抑制細胞生長等。近年來，無細胞蛋白合成系統（CFPS）正在成為解決這些難題的關鍵路徑。

今天，小編和大家分享一篇綜述文章——“Cell-Free Protein Synthesis: Advances on Production Process for Biopharmaceuticals and Immunobiological Products”，介紹 CFPS 生物制品生產工藝的新進展。

無細胞蛋白合成，顧名思義，就是在無完整活細胞的環境下進行蛋白質合成。研究人員通過裂解細胞，保留其胞質內含有的轉錄-翻譯機制，并在此基礎上加入DNA模板、能量分子、氨基酸等必要組分，從而實現目標蛋白的體外合成。

（詳文鏈接：無細胞蛋白表達：突破傳統瓶頸的新興技術）

該技術并非新生事物，早在1961年，Matthaei和Nirenberg就利用CFPS破譯了遺傳密碼，距今已經使用了幾十年，之前主要用于研究生物學功能，直到近十年，隨著其在高通量、快速合成、復雜蛋白表達方面的潛力被不斷挖掘，逐漸從基礎研究走向工業應用。

• 在高產量生產方面，CFPS已展現出巨大潛力：

1.高效生產“難表達”蛋白：CFPS技術因其開放體系避免了細胞內的負反饋抑制，能將所有資源集中于目標蛋白的合成，成功克服了傳統細胞表達系統的瓶頸，例如，合成人骨形態發生蛋白時，CFPS在短短 3 小時內實現了比傳統方法更高的產量。Thoring 等 人利用開發的無細胞體系的優化方法，合成難以表達的蛋白質（膜蛋白和單鏈可變片段），并能夠獲得高達 980 μg/ml 的產量。

2.復雜抗體藥物的成功合成：抗體和單克隆抗體是一類重要的生物制藥，通常，抗體在基于細胞的表達系統中合成，但這非常耗時且成本高昂。研究證明CFPS可用于高效生產單克隆抗體、雙特異性抗體等復雜藥物。通過優化反應條件（如建立合適的氧化還原環境、分步添加質粒等），無細胞體系中的抗體產量可超過100 mg/L，并將生產周期縮短至2天。此外，在大腸桿菌提取物中合成曲妥珠單抗 IgG 甚至能實現高達 1 g/L的產量。Cai 等人描述的進一步修飾 CFPS 反應表明，該反應能夠保持高通量生產，并將成本降低 95%。

3.病毒樣顆粒（VLP）疫苗的快速制備：VLP 是類似于病毒結構的納米結構，可以觸發高體液/細胞免疫反應，VLP疫苗安全性的一個關鍵因素是缺乏病毒基因組材料，而CFPS系統非常適合合成細胞毒性蛋白，例如，在 CFPS 系統中成功合成的肉毒桿菌毒素蛋白，產量高達 1 g/L。Sheng 等人的研究中，人諾如病毒顆粒蛋白僅需 4 小時就可以在大腸桿菌裂解物中合成（而在基于細胞的系統中需要 50 小時）。

4.天然產物的環保合成：天然產物如聚酮和非核糖體肽，具有許多生物活性（如抗生素、免疫抑制、抗癌），醫藥市場上超過 50%的新藥來自此類產品。與其他難以表達的蛋白質一樣，天然產物在基于細胞的系統中合成存在許多問題，如產量低（由抑制宿主細胞生長的代謝負荷引起）、折疊不正確、缺乏 PTM 以及異源宿主中前體不可用。CFPS 系統作為天然產物合成的替代方案為抗生素、鎮痛肽等天然產物提供了不依賴動植物提取的合成途徑，避免了資源破壞和提取困難，并能實現大規模生產。

1.按需生產：一些生物制劑的消費市場并不廣闊，需要以較小的規模生產，例如孤兒病的治療、個性化藥物和即時醫療產品，這些按需藥物對于制藥公司來說效益低在經濟上往往不可行，除非有系統能夠生產單劑量或滿足個人需求的小規模定制產品，而CFPS 系統為小規模生產生物制劑創造了可能性，并為按需生產開辟了新視野。例如，Bundy 的研究小組報告了美國 FDA 批準的 L-天冬酰胺酶（crisantaspase）在按需、自穩定和低成本的大腸桿菌平臺裝置中生產，這表明 CFPS 系統將用于臨床環境中疾病診斷、治療和監測治療的未來已經不遠了。

2.個體性醫療：CFPS可以使個體化治療作為一線治療成為可能，Tran 及其同事憑借 CFPS技術，利用患者的淋巴瘤特異性 Ig V 基因在數小時內合成蛋白質。如果是通過穩定轉染的哺乳動物或昆蟲細胞系進行的傳統生產可能需要數月的時間來制備，而 CFPS 平臺可以在幾天內生產。另外，CFPS 系統也適用于分層藥物，即根據診斷測試結果篩選患者并進行針對性治療。

即時生產：為了使生物制劑在床旁治療中變得可行，重要的是不僅要開發一個適合小型快速合成的平臺，還要開發一個便攜式設備。已有研究開發出“手提箱式”的自動化CFPS設備，研究人員可以在數小時的時間尺度上小規模合成多種蛋白質。該技術應用范圍廣泛，可以在護理點快速生產生物制劑，范圍從患者床邊、醫生辦公室、當地藥房、戰場、地方病治療、災區或非常偏遠的地區。只需加入水和DNA模板，就能在數小時內生產出急需的疫苗或治療性蛋白，擺脫對復雜冷鏈物流的依賴，為“藥房即產”提供了可能。

CFPS 系統作為堅固可靠的系統，可以克服化學合成和基于細胞的表達系統的局限性。它不僅是解決“難以表達”蛋白的利器，更是未來實現個性化醫療、即時制藥、綠色生產的核心技術之一。許多蛋白質已經在各種類型的細胞提取物中合成，無論是在高產量生產中還是在按需規模上。隨著下一代 DNA 測序的快速發展，可以合成更多的蛋白質，而不需要從其自然資源中提取。它們的合成生產可以避免動植物的剝削，并變得更加環保、可持續、更具有成本效益。

隨著有利于生產復雜蛋白質（包括具有不同 PTM 要求和功能的蛋白質）的不同細胞提取物和技術的發展，CFPS 的可能性正在迅速發展。由于其多種優勢，很容易預見這項技術在未來幾年成為標準的蛋白質生產平臺，推動生物醫藥進入一個更靈活、更高效、更包容的新時代。