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中国仓鼠卵巢细胞系(CHO细胞)简史

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发表于 2018-4-22 11:29:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

生物制药离不开细胞表达系统,而最常用的细胞系则是中国仓鼠卵巢细胞(Chinese hamsters Ovary,CHO细胞)表达系统,这一细胞系又是如何从中国仓鼠中分离建立并应用于生物制药的呢?


了解这一细胞系的历史,对细胞学界、生物制药业有很大启示。


1919年,北京协和医学院的E.T. Hsieh博士,在进行肺炎球菌感染研究时,一时找不到实验室小鼠,便到北京郊外抓了一些中国仓鼠(Chinese hamsters)带到实验室做动物模型。1924年,在协和工作的Jocelyn Smyly与同事Charles Young发现中国仓鼠可以非常容易地制备寄生虫感染模型,如黑热病(利什曼病)等。


1928年,协和医学院的Marshall Hertig运送了150只中国仓鼠到哈佛医学院,希望建成一个品系,但驯养失败了。


1943年,Guido Pontecorvo在低倍显微镜下观察中国仓鼠,他只发现了14条染色体(实际为2n=22),比起其它常用的实验动物(小鼠的40条和大鼠的42条)要少,这使得中国仓鼠成为一个很好的研究染色体的对象。


1948年,美国北部最大的实验动物供应商Victor Schwentker了解到中国仓鼠很有价值,却难以在实验室传代(驯养),于是他嘱托正在中国的美国医生Robert Briggs Watson(1903-1978)带几头来。


Watson正在参加洛克菲勒基金会研究亚洲疟疾的医学计划,当时正在南京。于是Watson向协和医学院的Cheng Hsiang-Hu胡正祥教授(1896-1968)求助,后者把20只中国仓鼠(雌雄各半)装在笼中,赶在北京被解放之前运至南京。

1948年12月6号,Watson带着这20只中国仓鼠,赶在南京解放之前来到上海,并从上海把这批中国仓鼠运至美国旧金山,然后再运至纽约,成功交给了Victor Schwentker。后来Watson又到南美等地进行医学研究。而Schwentker于1949年初在纽约收到中国仓鼠后,经过两年的驯养,成功地把它变成一种实验室动物的品系。


哈佛大学的George Yerganian得到有中国仓鼠供给消息,立即应用这一动物研究染色体,他用更好的显微镜发现中国仓鼠有22条染色体,不是Pontecorvo报道的14条。但这也比大鼠和小鼠的染色体少得多。


Yerganian在养中国仓鼠时,创新了一套自己的饲养方法,并把方法公开,但这一动物仍然难以饲养,在相当长的时期内,Yerganian成为了美国中国仓鼠的唯一供应商。1983年,他成立Cytogen Research and Development, Inc.公司,无偿为研究机构提供中国仓鼠。


1943年,Wilton Earle和NCI的同事建立了一个混杂基因小鼠的细胞系(mouse L)可以持续传代,1948年,Earle的实验室又建立了一个同基因的小鼠细胞系mouse L292。1951年,Johns Hopkins 大学医学院的George Gey又建立了人的永生细胞系HeLa细胞。


1955年,Colorado 大学的Theodore Puck分离得到了单克隆的HeLa细胞系。Puck实验室随后开展各种各样的哺乳动物体外培养技术研究。1957年,Puck向Yerganian订购了中国仓鼠,后者派出一位中年妇女,把中国仓鼠放在手提篮里,乘坐2天火车送到了Puck实验室。


Puck和同事Fa-Ten Kao通过分离中国仓鼠卵巢细胞体外培养,得到了CHO-K1细胞系,这是一上皮贴壁生长型细胞,培育方便。他们把CHO细胞免费供给需要的研究机构,使得这一细胞系成为了研究细胞生物学的基本工具之一。


1976年, 斯坦福大学的罗伯特·席姆克(Robert Schimke)和学生弗雷德·阿尔特(Fred Alt)在研究细胞对肿瘤药物耐药时发现了基因扩增现象,他们发现甲氨喋呤抑制细胞的二氢叶酸还原酶(dihydrofolate reductase,DHFR),而耐药细胞则会十倍甚至百倍地表达这一基因。他们分析,这一酶基因表达抑制后可以反向调节细胞基因加速表达DHFR基因。1980年,哥伦比亚大学的劳伦斯·蔡辛(Lawrence Chasin)和盖尔·乌尔劳布(Gail Urlaub)等发现中国仓鼠卵巢细胞-DUKX(Chinese hamster ovary cells-DUKX,CHO-DUKX)中没有DHFR酶基因【1】。


1982年,罗伯特·席姆克的学生兰迪·考夫曼(Randy Kaufman)来到MIT的 菲尔·夏普(Phil Sharp)实验室读博后。考夫曼希望在CHO细胞中表达DHFR酶基因并连接其它基因蛋白,当细胞培养基内含有甲氨喋呤(MTX)时,二氢叶酸还原酶被抑制,通过反馈调节,使得该基因自我扩增,连带其上下游100-1000kb的基因都会扩增。这一设想被随后的实验证实了。不过,夏普并没有申报专利,认为哥伦比亚大学的基因表达系统已经覆盖了这一领域。所以夏普参加的百健公司也没有用哺乳动物细胞表达系统生产干扰素,而是与合作伙伴先灵葆雅公司(Schering-Plough)一起采用了大肠杆菌。


但在基因泰克公司,另一位席姆克实验室人员克里斯·西蒙森(Chris Simonsen)帮助阿瑟·莱文森实现了在CHO细胞中表达生产DHFR基因及蛋白,并于1983年1月申报了专利。而兰迪·考夫曼因为没有申报专利,他于1983年底到一家波士顿基因研究机构工作,在那里他用CHO细胞表达生长激素、EPO(促红细胞生成素)、组织活化遗传因子tPA(组织型纤溶酶原激活剂 )、凝血八因子等人生物蛋白。


当基因泰克公司的tPA进入临床后,生产负责人比尔·杨(Bill Young)开始考虑大规模生产的问题,但当时哺乳动物培养都是实验性的小规模培养,从礼来公司跳槽来到的吉姆·斯沃茨(Jim Swartz)开始把培养大肠杆菌的发酵罐应用到哺乳动物细胞中去。他们又从宝来威康(Burroughs Wellcome)公司挖来三位大规模发酵生产疫苗的工艺专家,共同组建了一支哺乳动物细胞发酵工艺研究团队。经过几年的努力,哺乳动物细胞发酵工艺成熟了。


1987年,基因泰克公司的tPA被FDA批准,这是第一个CHO细胞表达的上市药品【2】。


从这时开始,CHO细胞作为哺乳动物蛋白表达系统全面走入制药行业。CHO细胞大规模培养技术及其生物反应器工程可广泛应用于抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品的研究开发和工业化生产。


通过几十年的发展,CHO细胞已成为生物技术药物最重要的表达或生产系统,成为了基因工程和生物制药的重要工具。而相应的发酵工艺的提高,也类似芯片中的摩尔定律,在短短几十年间,已经从最初的毫克级提高到了今天的十克级。


2013年,在当年20个最畅销的生物药中,有11个是用CHO细胞表达的。据估计,如今用CHO细胞表达的药品份额已经占到数千亿美元。

参考文献:

1、Urlaub G; Chasin LA. Isolation of Chinese hamster cell mutants deficient in dihydrofolate reductase activity[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 1980-07, 77 (7): 4216-4220.

2、彭雷. 极简新药发现史. 北京. 清华大学出版社. 2018.


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