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提起制药,大家的第一反应是什么?是实验室里层层筛选、耗时数月的细胞株,还是庞大、精密、造价不菲的反应器?是严格无菌的生产环境,还是一款新药成功上市所需要的漫长周期?这些是大众认知里熟悉的有关制药的图景。然而,在另一幅图景中,药物“隐藏”在温室里的一株烟草、稻田里的一穗水稻,或是水培架上的一片生菜叶里。接下来伯小远就带大家走进以植物为底盘进行生物制药的新篇章。
01植物底盘的技术基础
以植物为底盘进行生物制药,被称为分子农业(Molecular Farming)或分子医药农业(Biopharming),是指利用基因改造后的活体生物作为“生物反应器”,来生产疫苗、治疗性蛋白或者工业用酶的技术。那么,植物究竟如何成为药物的“生产车间”?这主要依赖两种策略:瞬时表达和稳定转化。瞬时表达是将重组基因临时导入植物细胞而不整合至植物基因组中,能够在数天内实现快速生产蛋白;稳定转化则涉及转基因的基因组整合,从而实现重组蛋白的连续、可遗传表达。
那具体是用什么工具把重组基因送进去?如何保证植物能够高效地生产?产品的质量又是如何保证的?2025年6月,韩国庆尚国立大学植物分子生物学与生物技术研究中心Kyun Oh Lee团队,在Plant Biotechnology Reports杂志上发表了一篇题为“Reimagining biomanufacturing: scalable and safe plant-based systems for next-generation biopharmaceuticals”的综述文章对这三个问题进行了系统性的总结和回答。
常见工具:不同类型的载体相当于“运输工具”,负责把目标基因安全地递送到植物细胞中。
magnICON系统: 是一种模块化系统,包含一个5’模块(Act2P 启动子、RdRp RNA依赖性RNA聚合酶、MP 移动蛋白、AttP位点和NosT 终止子)、一个3’模块(AttB位点、GOI 目标基因和NosT 终止子)以及一个重组酶模块(Act2P 启动子、PhiC31整合酶和NosT 终止子)。PhiC31整合酶介导AttP和AttB之间的位点特异性重组,形成一个两侧为AttR位点的表达盒。这一系统的好处是可以快速组装不同目标基因,具有很高的灵活性,但需要三个不同载体同时递送比较复杂(图1A)。
TRBO系统:一种解构的烟草花叶病毒载体,只保留了复制酶和移动蛋白,其他病毒的非必需基因全部进行了删除。该系统具体包含35SP(35S启动子)、RdRp(RNA依赖性RNA聚合酶)、MP(移动蛋白)、GOI(目标基因)和35ST(35S终止子)。它能够直接复制并快速表达目标基因,优点是一个载体就够了,操作简单、表达效率高(可达5mg/g鲜重以上),应用最广(图1B)。
Geminivirus LSL系统:是一种基于双生DNA病毒的载体系统,包含LIR(长基因间隔区)、SIR(短基因间隔区)和Rep/RepA(复制相关蛋白)。该病毒基因组可以在这些组分共同促进下发生环化形成游离型双链DNA,然后在细胞核内大量转录表达目标蛋白。这类病毒载体不整合到植物基因组中,规避了稳定转化中位置效应带来的风险,且可以容纳更大片段的外源基因(图1C)。
INPACT系统:一种诱导型双生病毒衍生系统,目标基因被拆分成两段(GOI-C和GOI-N),只有在加入乙醇后,触发乙醇响应元件继而激活Rep/RepA(复制相关蛋白)将两段拼接起来实现目标基因的表达。这种设计的目的是实现“在需要的时候才开启生产”,避免目标蛋白在植物生长期持续表达对植物造成代谢负担或毒性(图1D)。
图1 四种常用的植物表达载体系统——magnICON、TRBO、Geminivirus LSL和INPACT(Ko et al., 2025)。
效率把控:要让植物高效生产目标蛋白,关键在于表达单元的设计——启动子决定何时何地开始生产,5’UTR增强翻译效率,内含子通过介导增强效应提升转录本的积累与稳定性,终止子确保转录本稳定终止,P19蛋白则负责保护外源指令不被植物自身的基因沉默系统降解。其中启动子的使用尤为关键:组成型启动子提供持续生产的能力,但可能影响植物健康,而诱导型启动子则通过外加诱导剂实现精准启动,在需要时才激活表达,以平衡产量与植物生长的关系。
图2 以植物为底盘的生物制药系统中的基因表达优化策略(Ko et al., 2025)。
质量把控:以植物为底盘的生物制药面临一个最为关键的问题——植物蛋白能够直接应用到人体中吗?绝大多数治疗性蛋白(尤其是抗体和酶)都是糖蛋白,N-聚糖是决定人体内这些蛋白的稳定性、半衰期和免疫原性的最关键结构。要回答这个问题,首先就需要看清一个事实:植物来源的蛋白质与哺乳动物内源的蛋白质,在N-聚糖结构上存在本质差异,而这一结构的差异就决定了糖蛋白在人体内的稳定性和免疫效应。
对比哺乳动物和植物的N-聚糖结构可以发现,哺乳动物N-聚糖含有末端唾液酸、半乳糖和核心α1,6-岩藻糖残基,一方面可通过末端唾液酸和半乳糖延长血清半衰期并赋予抗炎特性,另一方面核心α1,6-岩藻糖能显著增强抗体依赖性细胞毒性(ADCC)和补体依赖性细胞毒性(CDC),使免疫系统更高效地杀伤靶细胞;而植物N-聚糖则带有β1,2-木糖、核心α1,3-岩藻糖及少甘露糖型结构,这些非人源糖基易被体内甘露糖受体识别并加速清除,过敏反应风险升高。
基于以上背景,糖工程应运而生——它通过三种策略对植物蛋白的糖修饰进行改造,使其在结构上接近人体内源蛋白。第一种策略是敲除植物特异性糖基转移酶基因,通过T-DNA插入、RNA干扰或CRISPR-Cas9基因编辑技术,关闭植物自身添加β1,2-木糖和α1,3-岩藻糖的酶基因,使糖蛋白停留在M3或G0等核心糖结构状态,从源头上消除植物特有的免疫原性表位。第二种策略是引入哺乳动物糖基转移酶,在敲除植物特异性酶的基础上,引入人源的α1,6-岩藻糖基转移酶(FucT)和β1,4-半乳糖基转移酶(GalT),使植物能够合成M3F、G0F、G2F、G2等人源化糖型,进一步接近哺乳动物细胞的糖基化特征。第三种策略是内质网滞留,在目标蛋白上添加HDEL或KDEL滞留信号,使蛋白保留在内质网中,避免进入高尔基体进行复杂的糖链加工,最终以高甘露糖型(如M8)形式存在;这种糖型不具有植物特异性免疫原性表位,且其高甘露糖结构有利于通过甘露糖受体介导的溶酶体靶向递送,适用于需要进入溶酶体的酶类药物。
图3 以植物为底盘的生物制药系统中实现人源兼容的N-聚糖的糖工程策略(Ko et al., 2025)。(A) 哺乳动物和植物N-聚糖的结构比较;(B)在植物中生产类哺乳动物N-聚糖谱的糖工程策略。
02已获批上市的植物源生物制药
目前以植物为底盘的生物制药产品,根据研发进程大致可以分为三大类:已经获批上市、进入临床试验以及处于临床前/实验阶段。已获批上市的产品是植物分子农业领域最具说服力的成果。它们证明了植物底盘并非是停留在论文中的概念,而是能够真正通过监管机构审评、进入市场的现实选择。目前,全球已有数款产品走完了从实验室到药房的全程,下面跟着小远一起去看看吧~
2.1胡萝卜细胞悬浮培养-ELELYSO
戈谢病是最常见的溶酶体贮积症之一,患者由于GBA1基因突变导致葡萄糖脑苷脂酶缺乏,脂质在巨噬细胞中异常堆积,引起肝脾肿大、贫血、骨痛甚至骨坏死。美国Genzyme Corporation公司利用CHO细胞生产的Cerezyme可以有效缓解病症,但是价格高昂,年治疗费用高达20万美元以上,且全球产能长期紧张。2011年9月,以色列耶路撒冷沙雷·泽德克医疗中心戈谢病诊所的Ari Zimran团队联合Protalix Biotherapeutics公司,在Blood杂志上发表了一篇题为“Pivotal trial with plant cell–expressed recombinant glucocerebrosidase, taliglucerase alfa, a novel enzyme replacement therapy for Gaucher disease”的研究论文,该研究证明利用胡萝卜细胞悬浮培养生产的他利苷酶α(ELELYSO)在既往未接受过治疗的戈谢病成人患者中具有良好的安全性和显著的疗效(30U/kg和60U/kg剂量组病患在用药9个月后脾脏体积分别平均缩小26.9%和38.0%)(图4),验证了植物细胞表达系统(ProCellEx®)(图5)是生产重组治疗性蛋白的安全、高效且具成本效益的开创性平台。
图4 脾脏体积变化的疗效参数结果(Zimranv et al., 2011)。
图5 ELELYSO的生产流程概述(From Protalix公司官网)。该药物采用Protalix公司的ProCellEx®表达系统,通过基因工程改造的胡萝卜细胞合成ELELYSO,并在一次性生物反应器中进行规模化培养。
2012年5月1日,FDA(美国食品药品监督管理局)批准了ELELYSO上市,使其成为全球首个获批上市的植物细胞表达重组蛋白药物,也由此证明了一个事实:植物细胞平台的产品能够通过FDA的审评,其纯度、活性和一致性可以达到与哺乳动物细胞系统同等的标准。
Protalix公司利用它的ProCellEx®植物细胞(胡萝卜细胞悬浮培养)表达平台也生产了另一种药物:ELFABRIO,用于法布里病的治疗,并且在2023年获得了FDA的批准,感兴趣的小伙伴可以自行去了解一下。
2.2本氏烟草瞬时表达-Covifenz
Covifenz(CoVLP)是一款在本氏烟草中瞬时表达的病毒样颗粒疫苗(图6)。2020年1月,SARS-CoV-2基因序列公布,全球的疫苗公司就开始了研发的脚步。2022年5月,加拿大Medicago公司的Brian J. Ward团队在The New England Journal of Medicine杂志上发表了一篇题为“Efficacy and Safety of a Recombinant Plant-Based Adjuvanted Covid-19 Vaccine”的研究论文,该研究公布了Covifenz全球III期临床试验的结果,包含来自北美、南美、欧洲等地的超过24000名受试者。
结果显示,植物源重组新冠疫苗(CoVLP+AS03佐剂)采用两剂(间隔21天)肌肉注射方案在成人中具有明确的保护效力。在主要疗效分析中,疫苗对症状性COVID-19的总体保护效力为69.5%(95% 置信区间,56.7~78.8);对中重度疾病的保护效力为78.8%(95% 置信区间,55.8~90.8);基线血清阴性人群中的保护效力为74.0%(95% 置信区间,62.1~82.5)(图7A)。针对不同流行变异株,疫苗对Gamma和Delta变异株的效力分别为87.8%和74.0%(其余变异株因病例数有限,置信区间较宽,仅作参考)(图7B)。疫苗总体安全性良好,大多数不良事件多为轻中度、短暂发生。综上,该疫苗在预防多种变异株感染和减轻疾病严重程度方面均表现出明确且显著的有效性。
图6 在本氏烟中瞬时生产病毒抗原的方法示意图(Ruocco and Strasser. 2022)。
图7 按亚组和变异株分类的疫苗效力情况(Hager et al., 2022)。在意向治疗人群中,按参与者亚组(A)和按变异株(B)分类的CoVLP+AS03疫苗预防COVID-19的效力分析结果。
2022年2月获加拿大卫生部临时授权用于COVID-19预防,虽然因市场变化已退出,但其快速生产的特性验证了植物平台在应对突发疫情中的独特价值。
2.3水稻胚乳-OsrHSA
人血清白蛋白是临床上的“黄金救命药”,但在我们国内却长期面临严峻的供应安全问题。一方面,我国年需求量高达约1000吨,但国内市场供应高度依赖进口,超过60%的份额来自欧美国家,供应命脉受制于人;另一方面,国内血浆采集量远无法满足临床需求,且血浆供应极易受国际形势波动影响,进一步加剧了供需矛盾。禾元生物利用水稻胚乳细胞作为“生物反应器”生产白蛋白,终结了人血清白蛋白只能从血浆中提取的历史。
2025年6月,武汉大学杨代常团队在Gut杂志上发表了一篇题为“Rice-derived recombinant human serum albumin as an alternative to human plasma for patients with decompensated liver cirrhosis: a randomised, double-blind, positive-controlled and non-inferiority trial”的研究论文。该研究公布了利用水稻胚乳细胞生产的人血清白蛋白——OsrHSA在中国22个临床试验研究中心开展的II期临床试验结果,共纳入224例低白蛋白血症的失代偿期肝硬化腹水患者。研究结果显示,OsrHSA在主要疗效终点上非劣效于pHSA(即其疗效差异在预设的允许范围之内,不比对照药差)。 主要疗效终点指标为给药14天内血清白蛋白恢复至≥35g/L的患者比例,其97.5%置信区间下限(-0.119)高于预设的非劣效界值(-0.20),且这一结论在10g与20g两个剂量组中均得到验证(图8A)。在次要疗效指标方面,OsrHSA亦与pHSA表现相当。 白蛋白恢复至正常水平的中位时间均为9天;在胶体渗透压、腹围缩减及体重控制等反映腹水消退的指标上,两组间未见显著差异。此外,OsrHSA停药后14天内,患者的血清白蛋白浓度仍能保持稳定(图8B)。该研究首次从大规模随机对照临床试验层面证明,水稻胚乳细胞生产的重组蛋白在人体内具有与血浆来源产品同等的临床疗效和安全性。
图8 主要疗效终点指标(Niu et al., 2025)。(A)展示了OsrHSA与pHSA在各剂量组主要疗效终点(白蛋白达标率)的非劣效性分析,同时给出了将10g和20g两个剂量组数据汇总后的整体分析结果(图中标注为“All doses”),以及10g和20g各自的分析结果。所有组的97.5%置信区间下限均高于预设的非劣效界值-0.20,表明非劣效性成立;(B)Kaplan-Meier曲线显示OsrHSA与pHSA组患者白蛋白达标的时间分布高度重合,直观体现疗效相当。
2025年7月18日,国家药监局公布批准禾元生物研发的重组人白蛋白注射液(水稻)(商品名:奥福民®)上市。这是国内首个获批上市的重组人血清白蛋白产品。
小远叨叨
当我们提起药的时候,其实很自然的会把药品分为两大类,西药和中药。西药因为见效快而被备受青睐,中药的价值则是在近些年来被大家重新审视,公众的认知天平不再一味的倾斜。小远觉得,以植物为底盘去生产生物制剂,像是一种巧妙的融合,这其中既有传统西药精准制造的逻辑,又延续了植物本源的天然理念。尽管很多植物源生物制剂并不是取自传统中药材,但是这种思路在概念上,已经实现了某种交汇。
小远在这篇文章里,首先给大家介绍了以植物为底盘去生产生物制剂的技术基础。一是常常使用的四大载体系统的工具,二是提升效率的常见表达元件,三是为了避免植物源生物制剂可能带来的人体免疫反应所想到的应对措施。希望通过这三点的介绍能让大家对以植物为底盘来生产生物制剂有一个整体的认识。
胡萝卜细胞培养的他利苷酶α(ELELYSO),本氏烟草瞬时表达的新冠疫苗(Covifenz)还有咱们国产的水稻胚乳来源重组人白蛋白(奥福民®)这些实际获批的产品,都在向人们证明着这一路径的可行性。
除了这些已获批的,还有很多产品在紧急使用或临床试验中也留下了痕迹:抗埃博拉的ZMapp、无需冷链的口服霍乱疫苗MucoRice-CTB、预防龋齿的植物源抗体CaroRx、浮萍生产的干扰素Locteron、苔藓平台产出的补体因子H……虽然有的因为企业战略调整终止了,但它们积累的安全性和疗效数据,都是这个领域继续前行的基石。
如果把目光投向更远的临床前研究,就会发现这一阶段的探索想象力更为丰富:红花种子里的重组人胰岛素、玉米胚乳里的口服疫苗、本氏烟草瞬时表达的抗新冠病毒和猴痘中和抗体、拟南芥里的抗毒素IgA和皮肤修复融合蛋白……这些东西离上市虽然还有距离,但小远觉得,正是这些探索才是不竭的创新力量,这种创新融合,或许就是未来制药天平上新的平衡点。
References:
Ko K S, Choi H N, Yoo J Y, et al. Reimagining biomanufacturing: scalable and safe plant-based systems for next-generation biopharmaceuticals[J]. Plant Biotechnology Reports, 2025, 19(5): 437-452.
Adedeji O S, Adelodun B, Odey G, et al. Integrating molecular farming into sustainable plant biotechnology: a review of transgenic plants as biofactories for protein-based pharmaceutical production[J]. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 2025, 163(2): 45.
Zimran A, Brill-Almon E, Chertkoff R, et al. Pivotal trial with plant cellexpressed recombinant glucocerebrosidase, taliglucerase alfa, a novel enzyme replacement therapy for Gaucher disease[J]. Blood, 2011, 118(22): 5767-5773.
Ruocco V, Strasser R. Transient expression of glycosylated SARS-CoV-2 antigens in Nicotiana benthamiana[J]. Plants (Basel, Switzerland), 2022, 11(8): 1093.
Hager K J, Pérez Marc G, Gobeil P, et al. Efficacy and safety of a recombinant plantbased adjuvanted Covid19 vaccine[J]. New England Journal of Medicine, 2022, 386(22): 2084-2096.
Niu J, Gao Y, Wang G, et al. Rice-derived recombinant human serum albumin as an alternative to human plasma for patients with decompensated liver cirrhosis: a randomised, double-blind, positive-controlled and non-inferiority trial[J]. Gut, 2025, 74(9): 1476-1485.