卢冠达博士开发按需生产药物的便携设备

麻省理工学院（MIT）的科学家，设计了一种便携式的生产系统，可按需生产一系列的生物制剂。在《Nature Communications》杂志上发表的一篇论文中，研究人员证明，该系统可以用一个紧凑的设备——在液体中包含一小滴的细胞，来生产单一剂量的治疗药物。

　　

生物通报道：对于世界偏远地区或发展中国家的医生以及战场上的医务人员来说，要快速获取治疗患者所需要的药物，可能是具有挑战性的。

生物制剂药物被用于各种各样的治疗，包括糖尿病和癌症的疫苗与治疗，通常是在大型、集中的发酵工厂内生产的。这意味着，它们必须被运送到治疗地点，这可能是昂贵、耗时的，对于在供应链较差的地区，这是具有挑战性的。

现在，麻省理工学院（MIT）的科学家，在美国国防高级研究计划局（DARPA）的资助下，设计了一种便携式的生产系统，可按需生产一系列的生物制剂。在《Nature Communications》杂志上发表的一篇论文中，研究人员证明，该系统可以用一个紧凑的设备——在液体中包含一小滴的细胞，来生产单一剂量的治疗药物。

本文资深作者、MIT电子研究实验室合成生物学研究组负责人、生物工程和电气工程副教授卢冠达（Timothy Lu）博士指出：“通过这种方式，该系统最终可以被携带到战场上，并用于在护理地点生产治疗药物。它也可以用于在偏远的村庄制造疫苗，来防止的疾病爆发。”Lu说：“想象一下，你在火星上或者在遥远的沙漠，获取不到完整的处方，你可以在当地用程序指令酵母按需求生产药物。”

卢冠达博士曾被麻省理工的百年期刊《技术评论》评为世界青年科技创新家。他不仅在合成生物学领域硕果累累，近年也取得了多项CRISPR研究的重要成果。相关成果阅读：卢冠达博士Science玩转细胞编程；卢冠达博士Cell子刊发表CRISPR新综述；卢冠达博士：用CRISPR揭示非编码RNA的秘密。

该系统是基于一个可编程的酵母菌株——毕赤酵母（Pichia pastoris），当暴露于一种特定的化学触发因子时，它可以被诱导表达两个治疗性蛋白中的一个。研究人员之所以选择了毕赤酵母，是因为它能够以非常高的密度在简单和廉价的碳源上生长，并能够表达大量的蛋白质。

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Lu说：“我们改造了酵母，所以它可以更容易地被基因改良，并可能生产一种以上的治疗药物。”当研究人员将修改的酵母暴露于雌激素β雌二醇时，这些细胞会表达重组人生长激素（rHGH）。相反，当他们将细胞暴露于甲醇时，酵母表达的蛋白质是干扰素。

细胞被放置在一种毫米级的桌面微型生物反应器中，包括一个微流控芯片，它最初是由麻省理工学院电气工程系教授Rajeev RAM及其团队开发的。含有所需的化学触发器的液体首先被注入反应器中，与细胞混合。在反应器中，细胞和化学品混合物三面被聚碳酸酯包围；第四面是一层灵活、透气的硅橡胶膜。

通过向这层膜加压气体，研究人员能够轻轻按摩液滴，以确保其内容物充分混合在一起。该论文的共同资深作者Ram表示：“这将确保，一毫升（液体）是均匀的，这是很重要的，因为在这些小尺度上扩散，没有湍流，需要很长一段时间。”

由于膜是气体渗透性的，它可让氧气流经到细胞，而它们产生的任何二氧化碳都可以很容易地被提取出来。该设备连续不断地监测微流控芯片内的条件，包括氧含量、温度和pH值，以确保细胞生长的最佳环境。它还监测细胞密度。

如果酵母需要产生一种不同的蛋白质，液体只是涌过一个过滤器，留下细胞。然后可以添加含有一种新化学物质的新鲜液体，以刺激下一种蛋白质的生产。

Ram说，虽然其他研究团队之前曾试图构建微型生物反应器，但这些反应器在冲洗与细胞混合的液体时，都不能保留生产蛋白质的细胞。你想要保持细胞，因为它们是你的工厂。但是你也要迅速改变它们的化学环境，以改变蛋白质生产的触发器。”

研究人员现在正在调查该系统在组合治疗中的应用，其中的多种疗法，如抗体，被一起使用。Lu说，以这种方式结合多种疗法可能是昂贵的，每个都需要自己的生产线。他说：“但如果你能设计单个菌株，甚至共同生长的一组菌株，来制造生物制剂或抗体的组合，这可能是以合理成本来生产这些药物的一种非常强大的方式。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文：

Pablo Perez-Pinera, Ningren Han, Sara Cleto, Jicong Cao, Oliver Purcell, Kartik A. Shah, Kevin Lee, Rajeev Ram, Timothy K. Lu. Synthetic biology and microbioreactor platforms for programmable production of biologics at the point-of-care. Nature Communications, 2016; 7: 12211 DOI: 10.1038/ncomms12211