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shRNA表达克隆

微型实验室变革制药界

Nov 21, 2019 No Comments

Govind Rao希望能尽快制造出小型、便携的复杂药物生产系统

Govind Rao希望能尽快制造出小型、便携的复杂药物生产系统。


工程师正在努力实现药物生产设施的小型化,希望使其便于携带且价格低廉。

Govind Rao在巴尔的摩郊外的实验室里与来访者打招呼时,会做两件事:热情地握手和展示一张图表。介绍还没结束,Rao就把客人领进了他位于巴尔的摩郡马里兰大学(University of Maryland, UMBC)没有窗户的办公室,在破旧的笔记本电脑上打开一张图表。在这张图表上,一条陡峭的曲线展示了美国过去40年的医疗支出。Rao问道,它(医疗支出)只会一直上升。多少人能从中受益?

Rao的解决方案放在办公桌对面一张桌子上的一个光滑的不锈钢公文包里。他砰的一声打开锁,掀开盒盖,里面是一系列互相连接的拳头大小的黑匣子。它们装满了回形针大小的小瓶,由注射器注入原料,由比人的头发还粗不了多少的透明塑料管连接,加上一个电源,一些冷冻干燥的细胞部分和少量的DNA。这个便携式设备允许任何人制造复杂的药物,成本只需要几美元。Rao指出,该系统名为Bio-MOD(medicine on demand,即按需生物药物),它有可能改变医疗支出不断增加的趋势。

Rao并不是唯一一个进行这方面尝试的人。麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)、弗吉尼亚联邦大学(Virginia Commonwealth University, VCU)以及拉丁美洲和欧洲的医院都在试验按需生产药品。他们的原型系统代表了药品生产的彻底变革。

长久以来,制药业一直依赖规模经济,在大型反应室内混合数百升试剂,生产出数百万剂的单一药物。然而,Bio-MOD和相关系统通过一系列拇指大小的腔室来循环少量的化学物质,从而产生数百或数千剂量多种药物,所有这些都在不到24小时内完成。美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)已经为这一设想提供了超过1500万美元的资助,以支持这些自己动手的制药商。

DARPA的前项目经理Geoff Ling表示,这很疯狂,但也很合理。他帮助发起了一些资助,并认为这些系统对于在世界上最具挑战性的环境中工作的医生来说是至关重要的。他将这种设备比作3D打印机,可以组装抗生素、抗体等治疗自身免疫性疾病或糖尿病的药物。它们的可携带性应可提高向受战争或灾害影响的人民运送急需药品的能力。

怀疑论者称Bio-MOD是一个有趣的想法,但需要彻底改革药品监管机构。Rao的团队和麻省理工学院的团队都在努力纯化他们的最终产品,使之与批量生产的药物相匹配。此外,鉴于这些机器本身也要花费数百万美元,让许多需要它们的人无法使用——至少目前如此。问题是,像Rao这样的工程师能否克服这些障碍。

位于波哥大的哥伦比亚国立大学(National University of Colombia)的药理学家Claudia Vaca Gonzalez希望他们能做到这一点。她指出,我们国家最昂贵的十大药物是癌症生物疗法,发展中国家一直买不起这些药物,现在连最富裕的国家也买不起了。

 

独创性和节俭

Rao称自己是一名工程师和发明家,但他也喜欢用第三个词——小气来形容自己。他笑着说,带着一种羞怯的骄傲,就像一个会把老旧的丰田面包车开30万公里的小气鬼。

Rao的家族似乎有聪明才智和节俭的传统。1927年,Rao的祖父省吃俭用,积蓄多年,从当时的印度马德拉斯到伦敦参加英国公务员考试。尽管他通过了考试,但英国已经招满了印度员工,并拒绝了他。随后,Rao的祖父进入伦敦大学学院(University College London)学习工程学。由于经济条件并不宽裕,他把自己的收入和支出记在一个小日记本里,Rao至今仍把日记放在他书桌最上面的抽屉内。Rao小心翼翼地翻开这本书,现在已经没有了黑色的皮封面了,他翻开的是泛黄的书页,上面写着优雅的字迹。日记内容涵盖了从书本费(5英镑)到洗热水澡(2先令)的一切费用。

 

Rao一直留着一本日记,那是他祖父在研究生期间用来记录开销的Rao一直留着一本日记,那是他祖父在研究生期间用来记录开销的。

 


他的祖父最终回到了印度,把他的成本意识和对工程的热爱传递给了Rao。上世纪70年代末,当Rao还是个十几岁的少年时,他从电子产品商店里搜罗零件,制造出了自己的第一台收音机。事实证明,它比商业化生产的收音机更便宜、更可靠。当他入读印度理工学院(Indian Institute of Technology, IIT)时,成为一名工程师似乎已成定局。

无论是在印度理工学院,还是在德雷塞尔大学(Drexel University)攻读化学工程博士期间,Rao都在一个有资源设计化学反应传感器的环境中不断成长。但这项工作缺少的是解决这些设备成本的尝试。回想起他在印度看到的极度贫困,他知道如果没有人买得起技术,那么技术就没有任何用处。1987年获得博士学位后,Rao受聘于UMBC的高级传感器技术中心(Center for Advanced Sensor Technology, CAST),此后一直在那里工作。

在过去的三十年里,他致力于制造低成本的化学传感器,并利用它们和其它手工制作的东西来解决现实世界的问题。他的发明包括一个为早产儿准备的一次性纸板箱,目前正在印度进行临床试验;还有一个可穿戴式荧光血糖传感器,用于菲律宾的糖尿病患者。

Leah Tolosa指出,Rao有很多疯狂的想法,尽管和他一起工作会碰到很多不可预测的想法,但也很舒服。

甚至他们的实验室空间也反映了该中心注重成本的精神。CAST位于一个居民区,周围都是低矮的战后砖房,它占据了20世纪早期青少年拘留中心的一幢小楼的地下室。Rao的实验室在原来的厨房里,堆满了老化的设备和半成品设计。正是在这个小房间里,Rao设计出了他最引以为傲的小玩意儿,这是他在2012年第一次见到Ling的时候,在与Ling的交谈中得到的灵感。

2003年,作为一名驻阿富汗巴格拉姆的美军医生,Ling经常难以为士兵和平民采购药物。他记得特别清楚,有一名头部受伤的美国士兵的血压和脉搏不稳定。这种病很容易用一种叫溴隐亭的仿制药治疗,但是医院没有。为了救这名病人,Ling要求美国空军从德国的Landstuhl空运药物。Ling表示,虽然这种药很便宜,但在飞机燃油上却花了一大笔钱。

Ling拥有药理学博士学位,他坚信必须有更好的方式将药物送到前线。后来他意识到,有了正确的配方和配料,他或许可以自己制作溴隐亭。当他在2004年加入DARPA时,这个想法一直伴随着他。2012年,当他被任命为DARPA新生物技术部门的负责人时,他决定将其变为现实。Ling开始向实验室下达一项艰巨的任务:创建一个可在24小时内生产1000剂高质量药物的便携式药房。

Ling将挑战分为两类:一类是通过经典有机化学创造的小分子药物,另一类是通常由活细胞制造的生物药物。麻省理工学院的一组工程师立即带头研发了一个小分子系统,这个系统后来交给了弗吉尼亚理工大学的合成有机化学家Thomas Roper的实验室。在制药公司葛兰素史克(GlaxoSmithKline)工作了22年后,Roper来到了DARPA。

Roper指出,这是一个巨大的挑战,我们必须弄清楚这个系统是否适合为人类制造药物。

对Rao来说,这种追求有着个人的原因。他最近看到一位同事因为要为妻子支付一种癌症药物的费用面临破产。这种药物是一种名为粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony-stimulating factor, GCSF)的生物制剂,它有助于补充人体的白细胞。

作为一名化学工程师,Rao认为他可以找到一种更好、更便宜的方法来制造处方药。在知悉了DARPA对按需生物制品的兴趣后,他打电话给Ling以了解更多信息。但Rao也很犹豫。要想让这样一个系统正常工作,每次都需要运行的部件的数量是惊人的。Ling意识到Rao的担忧,于是分享了他对这个项目的第二个梦想:提供一种替代的、价格更低的救命药物。

Rao坐直了身子。这个项目既满足了他的理想主义倾向,也满足了他内心的“守奴才”特质。他记得他停顿了一下,想到他的同事正在努力与制药公司制的定价作斗争,然后缓缓说道:让制药公司破产吧。

 

组装线

按需制药需要从头开始重新思考药品生产的概念。自从大规模生产药物开始,制造商就依赖于批量化学。对于那些在室温下稳定、保质期长的普通药物来说,它曾经是——现在仍然是——最经济的生产药物的方法。

但这种策略也有缺陷。它往往是既耗时又集中的,因为公司合成或购买化学前体,将它们运送到大型工厂,在巨大的容器中进行更多的反应,然后加工、提纯和分析最终产品。只有这样,一种药物才能达到FDA等机构制定的质量和纯度标准。管理洲际间变幻莫测的供应链和监管,意味着一种药物可能需要超过12个月才能上架。提高产量以应对危机并不总是可能的,而且如果供应链的某一环节出了问题,整个系统很容易崩溃。但在过去的十年里,制药化学家一直在投资于另一种选择。

这种方法被称为连续流合成法,它需要将两个或两个以上的试剂泵入一系列由柔性细管连接的微腔中。随着化学物质在系统中流动,就会产生连续不断的反应。各种传感器监控反应的进展和纯度,继而改变试剂的流量和数量以优化条件。麻省理工学院的合成生物学家和工程师Timothy Lu将其比作一个世纪前革命性的工业生产流水线。Lu表示,它试图挑战我们做事速度的极限,随着时间的推移,连续流还具有能够监控质量的优势。

要满足DARPA对可移植性和24小时周转的要求,唯一的方法就是使用连续流处理。

到2016年,麻省理工学院的小分子团队已经创造了一个冰箱大小、包含两个模块的装置。第一种含有的组件可以像咖啡豆荚一样被吸进吸出,合成四种不同药物:苯海拉明(一种抗组胺药)、麻醉剂利多卡因、安定(一种镇静剂),以及抗抑郁药氟西汀。第二个模块纯化化合物,并将其加工成可以提供给人们的解决方案。2018年,Roper加入了VCU——为了进一步改进,这个项目转移到了VCU。一到维吉尼亚,这个小组就把重点转移到生产抗生素环丙沙星片上。

Roper表示,DARPA的要求使得这项任务在技术上具有挑战性。他们不能有超过0.1%的杂质,这是一个难度非常大的挑战。


文件包里的生物制药厂

 

在这个按需生物工程项目中,DARPA资助了麻省理工学院的一个团队(由Lu和化学工程师Christopher Love领导)和Rao的UMBC实验室。Lu和Love决定在他们的系统中使用毕赤酵母(Pichia pastoris)。通过基因工程,毕赤酵母可以分泌大量药物,而且,由于它与人类有着许多相同的、复杂的细胞机制,可以直接从盒子里创造出一种类似人类的蛋白质。经过几个月的修修补补,这个系统非常成功,以至于Lu开始同时合作生产几种生物制剂,以简化用于治疗艾滋病或癌症的药物混合物的生产。

Rao决定放弃活细胞,转而选择冷冻干燥的细胞提取物:RNA、DNA、酶和内质网的碎片。他把自己的系统比作使用商店里买来的蛋糕粉烘焙(图:文件包里的生物制药厂)。西北大学(Northwestern University)的合成生物学家Michael Jewett指出,这种无细胞系统可以稳定储存长达两年,这比生长最快的细胞更好。另一个主要的好处是,经过冷冻干燥的细胞成分可以产生更稳定的产品。与生物学相比,无细胞系统更像化学。

然而,这个项目并非一帆风顺。无细胞的方法需要额外的净化步骤来清除碎片,Rao的早期样品中的细管受到了气泡的干扰。增加系统中的压力是有用的。他的第一次成功的关键是使用了GCSF,这是一种以蛋白质为基础的药物,并且几乎让他的同事破产;Rao的系统使得GCSF和市面上的产品一样纯净(https://www.nature.com/articles/s41551-018-0259-1)。随后在动物身上进行的试验表明,这种方法同样有效,但尚未发表。

Lu、Rao和Roper表示,这些里程碑式的事件对推进联邦监管机构的工作非常重要。这三个组织一直在与FDA官员对话,FDA对连续流和按需生产表示了兴趣和热情。然而,目前还不清楚FDA将使用什么标准来评估这些设备,以及如何确保药物质量的一致性。尽管总部位于加州南旧金山的Sutro Biopharma公司已经开始了无细胞制造药物的审批程序,但目前市场上还没有以这种方式生产的药物。

据麻省理工学院的生物工程师、10多年前帮助建立无细胞技术的James Collins表示,Rao的胞外平台的一个主要缺点是,它无法像复杂细胞一样,给蛋白和其它生物大分子添加糖分子和其它化学基团。Collins指出,在这些系统能更好地完成这些任务之前,它们所能生产的药物种类将十分有限。

尽管DARPA资助了这些用于战场医学的随需应变系统,Ling和Rao对其潜在的人道主义用途最为兴奋。一个按需生产药物的系统可以减少在向受危机影响的偏远地区提供疫苗和胰岛素等药物时,对冷藏运输和储存链的需求。如果有像Rao这样的公文包系统,医院和药剂师就能根据需求量合成他们需要的东西。

但一个大问题是,这样一个系统能否合成足够数量的药物来应对灾难。对此,Collins表示,它们在实验室的前景令人振奋,但仍需要更多的工作。

Rao坦率地承认Bio-MOD和其它类似的系统需要改进。他已经开始试验附加组件的设计,这些组件将执行许多生物制药所需的一些化学修饰。他还试图找出如何将几个Bio-MOD单元连接在一起以增加产量,尽管这需要几个月的工作才能准备好进行测试。

随着他继续修补,他的想法始终不变:构建在任何时间、任何地点生产便宜的各种药物的系统。他设想这样的设备使药品生产大众化,并将药品交到人们手中。他指出,他想要给予人们“控制生产资料的权力”,Rao停顿了一下,然后笑着说:“我听起来就像Karl Marx,是不是?”

 

原文检索:
Carrie Arnold. (2019) Who shrank the drug factory? Briefcase-sized labs could transform medicine. Nature, 575:274-277.
张洁/编译

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