动物乳腺生物反应器与未来畜牧业发展

刘广华

行业论坛

动物乳腺生物反应器与未来畜牧业发展

刘广华

（山东省菏泽市畜牧工作站 274000）

动物乳腺生物反应器是应用重组DNA技术和转基因技术，获得的在乳腺中特异表达外源基因、高效生产活性功能蛋白的转基因动物个体。动物乳腺生物反应器主要用于生产重大疾病防治的蛋白等创新型药物品种，是国家战略性新兴产业的重点发展内容。转基因动物作为乳腺反应器生产药用蛋白，将拓宽畜牧生产领域，使畜牧业成为现代生物医药的上游产业，国家战略性新兴产业的基础产业，是未来畜牧科技创新的亮点和特点。

1 动物乳腺生物反应器的优点

动物乳腺生物反应器是继原核生物反应器、组织细胞生物反应器之后，药用蛋白生产方式的发展方向，具有其他反应器所不能比拟的优势。（1）乳腺生物反应器生产的蛋白具有与天然蛋白相同或相近的生物活性，解决了药用蛋白其它生产方式生产不了或者生产成本过高的技术问题。高等动物的蛋白质翻译加工过程，不仅包括有分子伴侣参与的正确折叠，而且包括剪接、糖基化、磷酸化等修饰过程，比微生物复杂得多。这就好比微生物是一个手工作坊，而动物细胞是一个现代化的工厂一样，用手工作坊生产现代化工厂的高精尖产品，是难以满足要求的。动物乳腺具有完整的蛋白质翻译后修饰系统，表达产物能充分修饰，具有正确的空间结构和稳定的生物活性，从而保证了产品的高生物活性。（2）乳腺生物反应器生产的蛋白成本较低，易分离提纯。现有的人药物蛋白是微生物或细胞发酵生产的，生产工艺极为复杂，造成生产成本极高。乳腺生物反应器就是一头转基因动物，相当于一个制药车间，只需要简单的圈舍和饲养，无需巨大的投资。产物直接经乳汁分泌出体外，只需用常规方法除去酪蛋白沉淀乳清，再经层析即可得到重组蛋白，分离纯化等生产程序相对简单得多。外源蛋白在动物乳腺中的表达量可以达到每升几克到几十克，小群转基因大家畜的产量即可满足全世界市场的需求。有资料显示，用细胞培养生产1克药物蛋白，平均成本为100~1000美元，乳腺反应器为10~25美元[1]。（3）乳腺生物反应器产品经济利润丰厚。通过乳腺生物反应器，许多原来不能生产的人药物蛋白，可以方便低廉的获得，为治疗某些人类遗传疾病提供有效的药物，产生巨大的社会效益。如荷兰Pharming公司用转基因牛生产乳铁蛋白，预计每年生产的含乳铁蛋白奶粉的价值是50亿美元。据国外经济学家预计，转基因动物生物反应器产业将成为最具高额利润的新型工业，届时世界上动物乳腺生物反应器的年产值将达到500亿美元，将是21世纪生物医药产业一种新的生产模式[2]。

2 动物乳腺生物反应器研究进展

动物乳腺生物反应器研究始于1987年Gordon等成功培育出37只在乳汁中表达tPA 的转基因小鼠，研究结果显示出用动物乳腺作为生物反应器生产高附加值药用蛋白的可能性。此后，将动物乳腺作为药用蛋白全新生产模式成为研究热点，逐步建立起大动物乳腺生物反应器制备的技术平台，并开始了乳腺生物反应器的实用性研究。目前已获得奶牛、羊、兔和猪等作为乳腺反应器的转基因动物，表达水平达到可以进行商业生产的药用蛋白有近30种，其中正在进行临床试验的蛋白有l0余种，另外还有上百种重组蛋白正处在研发阶段。特别值得一提的是，2006年6月份，世界上第1个利用转基因动物乳腺生物反应器生产的基因工程蛋白药物—重组人抗凝血酶Ⅲ(商品名为ATryn)获准上市许可，据估计该药的全球潜在市场每年高达1.5亿美元[3-5]。

20世纪80年代初，我国就已经开始了转基因动物和动物乳腺生物反应器的研究，国家对该领域给予了大力支持。1998年，国家在“863”计划中将“动物乳腺生物反应器研究”列为重大专项，加强了研发力度。目前，我国在动物乳腺生物反应器制药技术研究领域中已先后获得了转基因鼠、转基因绵羊、转基因山羊、转基因猪和转基因牛等，并且还获得了一批高效表达重组蛋白的转基因动物乳腺生物反应器。例如2005年，我国首次在国际上利用体细胞克隆技术获得人乳铁蛋白转基因克隆牛，人乳铁蛋白表达量达到3.4g/L，为世界上重组人乳铁蛋白在奶牛乳腺中最好的表达水平，并且具有与天然蛋白相同的生物活性。

3 动物乳腺生物反应器研发与畜牧业

转基因动物作为乳腺反应器生产人类必须的药物蛋白是新兴产业，属于高附加值的高科技产业，畜牧业是古老而又焕发活力的传统产业，为人们提供日常所需的肉蛋奶等食品，两者有着密切联系。（1）作为乳腺反应器的转基因动物，除了作为模式动物的小鼠外，绝大部分是畜牧品种，如奶牛、羊、兔和猪等。这些动物，在传统畜牧业里，是提供肉蛋奶的动物；作为乳腺反应器，其分泌的奶经过提纯，生产药物蛋白。转基因动物为畜牧业开辟了新的应用领域；（2）从目前的转基因水平看，转基因成功率还是相当低，如奶牛的转基因成功率仅为0.7%。获得足够多的用于转基因的胚胎是成功获得转基因动物的重要前提。畜牧养殖企业完全有能力完成这一要求。（3）转基因动物的扩大繁殖问题，需要耗费较长的时间，这在奶牛上尤其突出。现在，一般通过克隆技术来扩大转基因动物的数量，这更需要养殖企业提供奶牛作为受体[6]。（4）转基因动物的饲养和生产，既是生产生物制药原料的过程，也是畜牧养殖和饲养的过程。因此，动物乳腺反应器的研发和产业化，离不开畜牧业的全方位参与；畜牧业的结构调整和发展转型，离不开生物技术的支持。（5）促进畜牧业与动物乳腺反应器研发和产业化相结合

转基因动物作为乳腺反应器生产药用蛋白，将拓宽畜牧生产领域，使畜牧业成为现代生物医药的上游产业，国家战略性新兴产业的基础产业，是未来畜牧科技创新的亮点和特点。促进畜牧业生产与动物乳腺反应器研发和产业化相结合，提高畜牧业附加值，是未来畜牧业业发展的重点内容。因此，必须做好产学研紧密结合这篇大文章，使畜牧业生产企业广泛而深入的参与到动物乳腺生物反应器的研发中去，从而为承接技术产业化打下良好的基础，为转变畜牧发展方式、促进畜牧企业发展转型提供后发优势。养殖企业要克服无所作为、无从下手的思想，积极和科研院所、大中院校合作，提供胚胎、母畜等研究机构难以大量解决的实验材料和实验场所等，力争成为科技研发基地。地方畜牧管理部门要充分认识生命科学研究对畜牧业发展的革命性推动作用，充分认识生物技术的应用为畜牧生产带来的重大机遇，增强生命科学研究与畜牧生产结合的紧迫感、责任感，抢占畜牧发展的制高点；要结合本地实际情况，加强规划和指导，围绕提升产学研结合力度，加强财税支持，完善财政激励机制，加大各方资金投入，努力促进奶业生产转型，促进生物医药发展。

尽管动物乳腺生物反应器的研发还存在一定的技术难题，但它已经展现出诱人的发展前景，巨大的市场商机，也为未来畜牧业发展提供了良好的机遇。我们应抓住目前动物乳腺生物反应器研发不断深入、产业化刚刚起步的关键时期，推动畜牧业全方位的参与到这一巨大前程中去，促进生物医药产业作为国家战略性新兴产业的蓬勃发展。

[1] 王庆忠,李国荣,尹昆.等.乳腺生物反应器的研究现状和产业化前景[J]. 生命科学,2005(1): 76-81.

[2] 李志勇.2009.细胞工程[M]. 北京:科学出版社．272-280.

[3] 黄淑帧，陈美珏，黄英，等．乳汁中分泌有活性的人凝血因子Ⅸ的转基因羊的研制[J]. 科学通报,1998(7):112-113.

[4] 吴应积,张学明,杨东山.等.药用蛋白质乳腺生物反应器的制作技术及新方法进展[J].生物技术通报,2009(Z1):54-59.

[5] YANG P,WANG J,GONG G,et al. Cattle mammary bioreactor generated by a novel procedure of transgenic cloning for large-scale production of functional human lactoferrin[J].PLoS ONE, 2008 (3):3453.

[6] 苟克勉, 安晓荣, 田见辉等. 动物乳腺生物反应器的现状和趋势[J]. 生物工程学报, 2002 (2):144-148.

（2014–03–03）

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1007-1733(2014)05-0078-02