利用植物细胞生产的疫苗和疗法正在助力新冠疫苗研究

治疗性蛋白质如疫苗、抗体、激素和细胞因子通常在细菌或真核系统中产生，包括鸡卵、哺乳动物或昆虫细胞培养物。1986年，利用植物生产治疗性蛋白质，即“分子农业”，作为生物制造的替代方法被提出。第一种也是唯一一种人类使用的植物源治疗蛋白于2012年被批准用于治疗戈谢病。一种植物生产的流感病毒疫苗在2019年完成了3期临床试验，取得了令人鼓舞的结果。最近，针对严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(新型冠状病毒)(NCT04636697)的辅助植物疫苗(CoVLP)的3期试验于2021年3月开始。这些成功重新激起了人们对人类使用的植物制药的兴趣，其中可能包括食用药物。

近日来自加拿大拉瓦尔大学医学系的研究者在Science上发表了名为“Plant-made vaccines and therapeutics”的观点性文章，对植物如何助力于疫苗生产和相应疗法提出了详尽的观点。

植物生长只需要阳光、水和土壤。温室的构建比生物反应器组便宜，而生物反应器组是细菌、哺乳动物和昆虫细胞培养系统所必需的。此外，疫苗的产量可以根据种植的植物数量按比例增加或减少。与传统生产系统不同，人畜共患病原体不能感染植物，因此不会成为分子农业衍生产品的污染源。

密码子优化、细胞器特异性启动子的克隆、N-聚糖的人性化和瞬时转染系统等技术的进步，提高了分子农业的性能，产量能达到1 mg/g新鲜植物。相比之下，在用于制造单克隆抗体的哺乳动物中国仓鼠卵巢细胞培养物中，产量通常达到5~20g/L。瞬时转染系统也提高了生产速度，在转染成年植物后几天内即可收获，而不需要在几个月内寻求稳定表达。分子农业的生产速度是一项显著优势。实际上，植物生产的疫苗可以很容易地针对新的病原体或新出现的菌株进行生产，第一批候选疫苗通常在3周内生产。分子农业的速度特别适合于个性化医学，在这种医学中，药物需要为个体患者定制，例如癌症治疗。

在符合良好生产规范(GMP)的条件下，建设能够纯化植物中治疗性蛋白的设施，也支持了植物疫苗和治疗药剂的临床评估。此外，与植物生长的简单性和低成本相比，分子农业的提取、纯化和填充过程需要相对更昂贵的GMP设施。产量较低、可用的指南有限以及全球范围内有限的生产力是抑制人们对分子农业的热情的主要原因。

就疫苗而言，植物产生的蛋白质与细菌、哺乳动物或昆虫系统中产生的蛋白质相比有诸多优点。与细菌不同，植物能够进行翻译后修饰。植物表达不同的聚糖，这使得植物来源的蛋白质比它们的哺乳动物对应物更具免疫原性。在植物制成的疫苗中，产生病毒样颗粒(VLPs)，其包含目标病原体的免疫原和颗粒中的植物成分。VLPs的这些植物成分，如凝集素、聚糖、皂苷和热休克蛋白，具有佐剂特性，可以进一步增强针对植物疫苗的免疫反应，并可以减少疫苗配方中对佐剂的需求。这种增强的免疫刺激可能导致对植物成分的过敏反应。然而，针对CoVLP的1期试验 (NCT04450004) 和针对流感病毒的植物疫苗的3期试验 (NCT03301051，NCT03739112)缓解了这种担忧。在涉及两万多名18-94岁成年人的大型3期临床试验中，四种不同VLP的混合物显示出与现有流感疫苗相似的功效，每种VLP都含有来自烟草植物中产生的选定季节性流感病毒株的血凝素蛋白。值得注意的是，与已接受许可的流感病毒疫苗的个体相比，用这种四价VLP制剂产生的免疫并没有导致不良事件或超敏反应的增加。

针对流感病毒和新型冠状病毒的植物疫苗有望成为第一批在全植物中生产的供人类使用的治疗性蛋白。葡萄糖脑苷脂酶是一种可注射的蛋白质药物，用于治疗戈谢病，在胡萝卜细胞培养物中产生。几种植物生产的兽用疫苗也已经被开发出来，其中一种被美国农业部批准用于鸡的新城疫（Newcastle）。

植物蛋白免疫原性的增强对疫苗有益，但对治疗蛋白有害，有可能降低其体内效力并导致不良事件。尽管有这些限制，抗艾滋病毒 (NCT01403792) 和埃博拉病毒 (NCT02363322，NCT02363322) 的单克隆抗体已经达到临床开发阶段。在人体试验中，静脉注射(埃博拉病毒)或阴道内注射(艾滋病毒)这些抗体通常表现出良好耐受性。静脉给药后观察到轻度不良事件，如低血压和发热。仅在接受抗艾滋病毒或埃博拉病毒抗体治疗的238名受试者中报告了危及生命的反应，如过敏性休克。在静脉注射植物产生的药物之前给予抗组胺剂和退热剂能减轻严重不良事件的发生。

使用工程化的植物来表达人类聚糖也降低了植物蛋白的免疫原性。值得注意的是，独立于生产系统，静脉注射抗体与一些不良事件有关，即使在哺乳动物细胞中产生的抗体也观察到了这些不良事件。植物制造的单克隆抗体的另一个障碍是制造能力有限。与疫苗不同，单克隆抗体方案通常需要更大的剂量(50~150 mg/kg)，有时需要重复给药。为了达到植物制造抗体所需的规模，需要大幅扩大目前的生产能力，目前全球范围内的生产能力限制在15个GMP以下。

口服用药是静脉注射途径的一种用户友好的替代方法。此外，口服用药可以减轻与静脉用药相关的不良事件。肠道免疫反应对于耐受食物和自身抗原至关重要，并在确保免疫系统平衡方面发挥重要作用。此外，目前正在临床评估的大多数药用蛋白质在注射前都经过纯化。口服用药，植物制成的治疗剂只需更少的加工，因此可能跳过制造过程中昂贵且耗时的步骤。用于口服给药的产品也可以以冻干的形式在室温下长期储存，因此大大降低了它们的生产和储存成本。

可食用植物如谷类作物、番茄、玉米和大米用于口服植物制造的治疗性蛋白。肿瘤坏死因子拮抗剂的胃肠外给药用于治疗自身免疫性疾病，如类风湿性关节炎。在1期临床试验中，口服表达肿瘤坏死因子拮抗剂的烟草植物冻干细胞是安全的，并且增加了人类志愿者身上的免疫抑制调节性T细胞，证明了这种方法的可行性。除了减少不良事件外，口服途径有利于诱导耐受性，以抑制自身免疫或过敏反应。迄今为止，通过在可食用植物中使用重组蛋白诱导耐受性仅限于超敏反应或自身免疫的动物模型。然而，这可以提供低成本和简单的解决方案来更好地降低对常见物质的过敏发生率。

食用疫苗也在开发中。这种方法的安全性和可行性在概念验证1期临床试验中得到证明，以监测 1998-2004 年间发生的针对大肠杆菌、乙型肝炎病毒、狂犬病病毒和诺如病毒的可食用候选疫苗的安全性和免疫原性。在这些试验中，产生针对期望目标的免疫应答的免疫个体的比低于涉及通过肠胃外途径给药的标准疫苗的临床试验，这样的结果令人失望。从那以后，植物中产生的重组蛋白产量大幅增加，这表明新的可食用植物疫苗现在可以产生有意义的免疫反应。然而，在临床接受这些候选疫苗之前，需要进一步优化。确保可食用的植物疫苗不会导致对用于生产的植物过敏至关重要，尤其是广泛消费的植物，如大米、谷物和玉米中(见图)。

鉴于3期临床试验的良好结果，植物制成的四价VLP流感疫苗很可能获得使用许可。正在进行的临床开发将继续为植物制造的治疗蛋白的监管指南提供信息。然而，由于治疗剂的剂量比疫苗高得多，制造基础设施的投资必须增加，生产成本需要进一步降低，以实现植物治疗产品的大规模制造。在此之前，分子农业的速度将有助于候选治疗药物的临床前和早期临床评估。可食用的植物制成的治疗药物仍主要处于临床前开发阶段，但是一旦成功，可能会创造新的药品类别。药物蛋白的生产可能仍由当前的生产系统主导，直到通过简单的生产和技术进步(如有效的可食用植物制成的治疗剂)产生的经济吸引力将平衡转向分子农业。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6556/740