CN107406816B - 用于从人类血液制造蛋白质的微量生物处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于从人类血液进行蛋白质制造的生物处理系统，所述系统是紧凑、集成的，并适合于按需生产和治疗性蛋白质向患者的递送。所述患者自身的血液可以用作生产所述治疗性蛋白质的细胞提取物的来源。

Description

用于从人类血液制造蛋白质的微量生物处理系统和方法
与相关申请的交叉引用
本申请是2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/823,911的部分连续案，所述美国专利申请是2012年3月8日提交的国际申请No.PCT/US2012/028358的国内阶段，所述国际申请要求2011年3月8日提交的美国临时申请系列No.61/450,191的优先权。本申请还要求2014年7月31日提交的美国临时申请系列No.62/031,484的优先权。上述申请的全部公开内容通过参考并入本文。
技术领域
本申请涉及蛋白质制造，更具体来说，涉及使用人类血液生产或制造治疗性蛋白质的集成和紧凑的生物处理系统。
背景技术
新药达到上市所花费的时间为8-10年，成本接近12亿美元。许多这些新药实体被称为生物制剂(例如用作药物或治疗的蛋白质)。它们是使用细胞培养和发酵技术，在体外通过活细胞生产的分子。由于培养条件的变化可能引起例如糖基化情况的改变，其随后可能急剧改变所述药物的药物动力学、效能和免疫原性，因此需要严格的过程控制。因此，为获得FDA批准而做出的大量尝试致力于开发能够生产品质一致且安全有效的生物制剂的有文件记录且稳健的制造过程。它们被合称为良好生产规范(GMP)。其目的是为了获得明确且可重复的过程，并且所述过程产生满足预定品质、一致性、纯度、安全性和效能特性的产品。
目前，多家公司正在开发靶向超过100种疾病的907种生物制剂。所有这些生物制剂具有一个共同点——它们在一体化制造设施中，利用大规模(>10,000升)活细胞培养并利用必需的大体积分离、纯化、配制、包装和配送基础设施来生产(例如典型的Merck、Pfizer或Genentech的工厂)。在理想条件下，从细胞库到治疗性药物瓶的最终交付的时间长度在6-8周的量级上，并且每批生产大约10Kg散装蛋白质。
如图1A和1B中所示，所述过程本身是复杂的。图1A是典型的生物制剂制造设施所使用的典型制造范例的示意图。例如这样的制造设施通常存在于任何大型制药/生物技术公司中，并且目前是制造治疗性蛋白质的唯一手段。这种制造设施的建造花费几亿美元，并且花费两年时间来调试。
图1B示出了制造蛋白质生物制剂的典型的流程单，其适用于细胞内表达的蛋白质和细胞外表达的蛋白质两者。每一步都需要单独地开发、规模放大、优化并在制造背景下验证。最终产品也具有有效期，并且被冷冻干燥后或通过冷链运输，其必须也有文件记录。可以容易地理解为什么制造治疗性蛋白质是并不平凡的任务并且从实验室达到临床是长期的过程。如果所述疾病是罕见疾病，其药物可以获得但只是无利可图，则情况更加糟糕。这些类型的药物被称为“孤儿药物”并具有激励机制以使私营部门生产它们。
因此，对于可以快速生产用于传染病的中和抗体的技术，存在着关键的需求。目前用于生产这些中和抗体的系统需要几个月，这是不可行的，正如最近H1N1、SARS和埃博拉病毒的爆发所说明的。此外，目前的方法不适合于个性化治疗剂。
发明概述
本发明的目的是至少解决上述问题和/或缺点并至少提供下文中描述的优点。
因此，本发明的目的是提供一种用于生产蛋白质的集成和紧凑的生物处理系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于从人类血液生产蛋白质的集成和紧凑的生物处理系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于生产蛋白质的集成和便携的生物处理系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于从人类血液生产蛋白质的集成和便携的生物处理系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于蛋白质表达和纯化的集成和紧凑的生物处理系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于来自于人类血液的蛋白质的表达和纯化的集成和紧凑的生物处理系统。
本发明的另一个目的是是提供一种按需生产治疗性蛋白质并将其递送到患者的方法。
本发明的另一个目的是提供一种从人类血液按需生产治疗性蛋白质并将所述治疗性蛋白质递送到患者的方法。
本发明的另一个目的是提供一种从患者血液按需生产治疗性蛋白质并将所述治疗性蛋白质递送到所述患者的方法。
为了至少完全或部分实现上述目的，提供了一种生物处理系统，其包含用于从提取自血液的细胞生产蛋白质的生产模块，以及用于从所述生产模块接收所述蛋白质并用于从试剂纯化所述蛋白质的纯化模块。
为了至少完全或部分实现上述目的，还提供了一种用于将治疗性蛋白质递送到患者的系统，所述系统包含用于从获自所述患者的血液提取细胞的细胞提取模块，使用从所述患者的血液提取的细胞进行治疗性蛋白质表达的反应器，以及用于从所述生产模块接收所述蛋白质并用于从试剂纯化所述蛋白质的纯化模块。
本发明的其他优点、目的和特点将部分阐述在下面的描述中，并且对于本领域普通技术人员来说在检查了下面的描述后将部分变得明显，或者可以从本发明的实践中学会。正如在权利要求书中指出的，本发明的目的和优点可以实现并获得。
附图说明
本发明将参考下面的附图进行详细描述，所述附图中类似的指称数字指称类似的要素，在所述附图中：
图1A是由典型的生物制剂制造设施使用的典型制造范例的示意图；
图1B示出了制造蛋白质生物制剂的典型流程单，其用于细胞内表达的蛋白质和细胞外表达的蛋白质两者；
图2是说明本发明的一个优选实施方式的操作原理的框图；
图3是符合本发明的另一个优选实施方式的生物处理系统的示意图；
图4是符合本发明的另一个实施方式的微量生物处理系统的示意图；
图5是可以在图3和图4的系统中使用并符合本发明的一个实施方式的膜层析组件的侧面示意图；
图6A是可以在图3和图4的系统中使用并符合本发明的一个实施方式的微流体透滤组件的顶部平面；
图6B是图6A的平衡室沿着图6A的横截面线A-A看时的示意横截面图；
图6C是图6A的平衡室的底部平面图；
图7是可以在图3和图4的系统中使用并符合本发明的一个实施方式的另一种微流体透滤组件的透视示意图；
图8是示出了在符合本发明的一个实施方式的体内蛋白质表达中的主要步骤的图；
图9是符合本发明的一个实施方式的用于从人类血液提取细胞的细胞提取模块的框图；并且
图10是符合本发明的一个实施方式的用于直接从患者自己的血液制造用于患者的治疗性蛋白质的生物处理系统的示意图。
优选实施方式的详细描述
本发明特别适合于按需制造(例如基于细胞的或无细胞的)适合于直接递送到患者的治疗性蛋白质。因此，本发明将主要结合治疗性蛋白质的制造来描述和说明。然而，本发明也可用于制造任何类型的蛋白质。此外，本发明特别适合于使用无细胞表达按需制造蛋白质，因此本发明将主要在无细胞蛋白质表达的背景中描述。然而，本发明也可以与基于细胞的蛋白质表达相结合使用。
图2是说明了本发明的一个优选实施方式的操作规则的框图。生物处理系统100包括通过偶联组件500流体偶联的生产模块200、纯化模块300和流体储存/分发模块400。处理器600可以与一个或多个生产模块200、纯化模块300、偶联组件500和流体储存/分发模块400电连通，用于控制和监测系统100的运行。
流体储存/分发模块400适合于储存蛋白质生产所需的溶液。流体储存/分发模块400还可以包括用于储存在所述蛋白质生产期间产生的任何废产物的容器。如果需要，流体储存/分发模块400可以是温控的，以将所述溶液维持在所需温度。
生产模块200适合于通过偶联组件500从流体储存/分发仓室接收蛋白质、例如治疗性蛋白质的生产所需的溶液。适合情况下，生产模块200可以包括适合于维持活细胞的生物反应器，其合并有用于监测培养参数(例如pH、氧、光密度、荧光、吸收值、氧化还原、温度等)的非侵入性化学感应技术，例如在共同转让且相关的美国专利Nos.6.673,532和7,041,493以及共同待决的共同转让且相关的专利申请No.12/991,947中所说明和描述的生物传感器和光化学感应技术，所述专利和专利申请的公开内容整体通过参考并入本文。这些类型的生物反应器特别适合于治疗性蛋白质的基于细胞的生产。或者，在适合情况下，生产模块200可以包括搅拌式小型反应器例如由Scientific Bioprocessing销售的BioGenie小型生物反应器，其适合于蛋白质的无细胞生产，并且也装备有用于监测反应参数(例如pH、氧、光密度、荧光、吸收值、氧化还原、温度等)的传感器。
在所述反应完成后，将所述原始产物通过偶联组件500转移到纯化模块300。纯化模块300含有用于从试剂纯化所述蛋白质的必需纯化组件。纯化模块300可以包括例如用于纯化所述生物制剂的层析组件和透析组件。所述层析组件可以是本领域中已知的任何类型的层析组件，包括膜层析组件和柱层析组件。
生产模块200和纯化模块300可以各自包括用于监测反应参数和/或产物质量参数的传感器。所述监测的参数包括但不限于电导率、温度、pH、氧和CO2。所述传感器可以是本领域中已知的用于监测这些参数的任何类型的侵入性传感器，其中所述传感器与过程流体相接触。此外，所述传感器可以是非侵入性光化学传感器，例如在美国专利Nos.6.673,532和7,041,493以及美国专利申请No.12/991,947中所描述的传感器。此外，本领域中已知的光谱仪可用于生产模块200和/或纯化模块300中，以监测每个模块的产物料流和/或输入。通过这些光谱仪测量的参数可以包括但不限于吸收值、荧光、拉曼散射、圆二色性和红外光谱特征。
图3是符合本发明的另一个优选实施方式的生物处理系统700的示意图。系统700特别适合于蛋白质的无细胞生产，并且将在这种背景中描述。
系统700包括发生蛋白质表达的反应器210、层析组件310、透滤组件320和流体储存/分发模块400。反应器210优选地包括加热和冷却元件220，适合情况下为热电冷却器，用于控制反应器210内溶液230的温度。所述反应器优选地还包括用于监测反应器溶液230中的参数例如pH、氧、氧化还原、电导率或可以使用现有传感器测量的任何其他参数的传感器240和250。传感器240和250可以使用本领域中已知的用于测量所需参数的任何类型的传感器。然而，传感器240和250优选为非侵入性光化学传感器。所述层析组件可以是本领域中已知的任何类型的层析组件，包括膜层析组件和柱层析组件。
系统700还包括与一个或多个反应器210、光电器件270、膜层析组件310、透滤组件320、流体储存/分发模块400以及泵520A和520B连通的处理器600，用于控制和/或监测系统700的运行。
光电器件270被提供用于分别使用激发光242和244来激发化学传感器240和250，并用于接收和检测分别来自于光化学传感器240和250的发射光246和248。正如上面讨论的，共同转让和相关的美国专利Nos.6.673,532和7,041,493以及共同待决的共同转让和相关的美国专利申请No.12/991,947更详细地描述了可以如何使用非侵入性光化学感应技术来监测参数。
在图3中，示出了两个光化学传感器240和250，它们优选地适合于分别测量pH和溶解氧。然而，取决于待测量的参数的数目和类型，可以使用任何数目的光化学传感器(包括仅仅一个)。光电器件270包括用于产生激发光242和244的光激发源(未示出)以及用于检测来自于光化学传感器240和250的发射光246和248的光检测器(未示出)。在光电器件270中使用的一个或多个光激发源的类型与在反应器210中使用的光化学传感器240和250的类型匹配。取决于待测量的参数的数目和类型，可以使用光激发源和光化学传感器的任何组合。包含在光电器件270中的可以使用的光激发源的实例包括但不限于发光二极管和激光二极管。或者，光电器件270可以在不存在任何传感器的情况下仅用于测量反应器内含物整体的光学性质。
此外，对于每个光化学传感器240和250来说，示出了在反应器210上的两种可能的布置。光化学传感器240的两种可能的布置被示出为240A和240B。光化学传感器250的两种可能的布置被示出为250A和250B。
在“A”布置(240A和250A)中，将光化学传感器240A和250A放置在反应器壁260上的反应器210内部。使用这种布置时，光化学传感器240A和250A与溶液230物理接触，并且其上放置有光化学传感器240A和250A的反应器壁260对于激发光242和244来说是光学透明的，使得所述激发光可以到达光化学传感器240A和250A。
在“B”布置(240B和250B)中，将光化学传感器240B和250B放置在反应器壁260上的反应器210外部。使用这种布置时，反应器壁260的厚度足够小，以允许被测量的被分析物扩散通过反应器壁260并接触光化学传感器240B和250B。或者，反应器壁260的其上附连有光化学传感器240B和250B的部分可以用屏障膜249A和249B替换，所述屏障膜适合于允许被测量的被分析物扩散通过，以使它们与光化学传感器240B和250B发生接触。使用屏障膜和薄反应器壁实现目标被分析物通过容器壁向光化学传感器的扩散，更详细地描述在共同转让和相关的美国专利申请No.13/378,033中，所述申请整体通过参考并入本文。
在图3的实施方式中，流体储存/分发模块400优选地包括用于容纳缓冲溶液的缓冲溶液容器410、用于容纳mRNA/DNA溶液的mRNA/DNA溶液容器420、用于容纳反应溶液的反应溶液容器430、用于容纳废溶液的废液储存容器440和用于容纳纯化的蛋白质的产物储存容器450。在操作中，将反应溶液、mRNA/DNA溶液和缓冲溶液通过导管510A、510B、510C和泵520A导向反应器210。
在反应器210中反应后，将原始产物通过导管510E和泵520B导向膜层析组件310，用于从试剂纯化所述蛋白质。适合情况下，膜层析组件310可以包括含有多孔膜层(优选为至少10个多孔膜层)的圆柱形外壳，其中各个膜由适合的聚合物构成，例如聚甲基丙烯酸酯，其已使用配体进行了化学官能化，例如对于离子交换层析的情况使用二乙基氨基乙基(DEAE)、季胺(Q)或羧甲基(CM)配体，或对于疏水相互作用层析的情况使用苯基或丁基配体，或对于混合模式层析的情况使用巯基乙基吡啶(MEP)配体。膜层析组件310的一个优选实施方式将在下面结合图5更详细讨论。将来自于膜层析过程的废液通过导管510F导向废液储存容器440。将纯化的产物通过导管510G和泵520C导向透滤组件320用于透析。
膜层析组件310也可以包括用于监测产物质量参数例如电导率、温度、pH、氧、CO2、吸收值、荧光、拉曼、圆二色性和红外光谱特性的一个或多个传感器312。传感器312可以是本领域中已知的用于测量这些参数的任何类型的侵入性或非侵入性传感器，包括但不限于光谱仪。此外，所述传感器可以是非侵入性光化学传感器，例如在美国专利Nos.6.673,532和7,041,493以及美国专利申请No.12/991,947中所描述的。此外，膜层析组件310优选地包括加热和冷却元件314，适合情况下为热电冷却器，用于控制膜层析组件310内溶液(原始产物)的温度。
适合情况下，透滤组件320包括亲水性聚合物膜例如聚醚砜、纤维素或聚偏氟乙烯(PVDF)膜，其具有明确的孔眼结构，产生适合于给定应用的10k Da至200k Da范围内的所需分子量截留(MWCO)值。离开透滤组件320的最终蛋白质通过导管510H导向产物储存容器450。在透滤组件320中从透析过程产生的废产物通过导管510I导向废液储存容器440。
透滤组件320也可以包括用于监测产物质量参数例如电导率、温度、pH、氧、CO2、吸收值、荧光、拉曼、圆二色性和红外光谱特性的一个或多个传感器322。传感器322可以是本领域中已知的用于测量这些参数的任何类型的侵入性或非侵入性传感器，包括但不限于光谱仪。此外，所述传感器可以是非侵入性光化学传感器，例如在美国专利Nos.6.673,532和7,041,493以及美国专利申请No.12/991,947中所描述的。
此外，膜层析组件320优选地包括加热和冷却元件316，适合情况下为热电冷却器，用于控制膜层析组件320内溶液(原始产物)的温度。
除了泵520A、520B和520C之外，可以在整个系统700中使用任何数量的阀或其他液压组件例如另外的泵，以帮助控制溶液/产物在系统700的各个组件之间的流动。
本发明特别适合于使用微量泵和微流体技术进行小型化。图4是符合本发明的另一个实施方式的微量生物处理系统800的示意图。系统800包括图3的系统700的许多相同组件，并且共同的元件用共同的元件号标记。
系统800含有流体储存/分发模块400，其包括用于容纳缓冲溶液的缓冲溶液容器410、用于容纳mRNA/DNA溶液的mRNA/DNA溶液容器420、用于容纳反应溶液的反应溶液容器430、用于容纳废溶液的废液储存容器440和用于容纳纯化的蛋白质的产物储存容器450。系统800还包括反应器210、膜层析组件310、透滤组件820、处理器600、被选择并放置以监测最终产物质量参数例如电导率、氧化还原、pH、UV光谱和蛋白质浓度的光化学传感器840，以及用于提供激发光并检测来自于光化学传感器840的发射光的光电器件830。光电器件830也可以在不存在任何传感器的情况下仅用于测量最终产物的光学性质。
反应器210可以具有任何尺寸，但在图4的微量实施方式中，它优选地具有小于约50毫升，更优选地约20毫升或更小的体积容量，以便保持系统800相对紧凑。反应器210可以使用例如由Scientific Bioprocessing,Inc.制造的BioGenie小型生物反应器系统。
微量泵850A和850B和导管510A-510I以与图3的系统700中的泵520A、520B和导管510A-510I相似的方式将溶液导向各个不同组件。尽管没有在图4中示出，但反应器210含有光化学传感器和光电器件，用于以与图3的系统700相似的方式监测反应器溶液230中的参数。微量泵850A和850B可以使用本领域中已知的任何类型的微量泵，例如由BartelsMikrotechnik制造的mp5微量泵或mp6微量泵。
外壳盖850可以含有显示器例如LCD显示器860，其连接到处理器600并且可以提供关于系统800的信息，例如诊断信息、反应参数和/或最终产物质量参数，例如电导率、氧化还原、pH、UV光谱和蛋白质浓度。
图2、3和4中的处理器600可以使用通用的台式计算机或通用的膝上型计算机。此外，处理器可以使用平板电脑或智能手机，例如基于iOS或Android的平板和智能手机。然而，处理器600也可以使用特殊目的的计算机、编程的微处理器或微控制器和外周集成电路元件、ASIC或其他集成电路、固线式电子线路或逻辑电路例如分立元件电路、可编程的逻辑器件例如FPGA、PLD、PLA或PAL等。总的来说，有限态机器可以在其上执行实现本文中描述的功能的编码的任何装置，都可用于实现处理器600。
图5示出了符合本发明的一个优选实施方式的可用于系统700和800的膜层析组件310。膜层析组件310包括外壳2000和多孔膜层2010(优选为至少10个多孔膜层)。正如上面讨论的，各个多孔膜层2010优选由适合的聚合物构成，例如聚甲基丙烯酸酯，其已使用配体进行了化学官能化，例如对于离子交换层析的情况使用二乙基氨基乙基(DEAE)、季胺(Q)或羧甲基(CM)配体，或对于疏水相互作用层析的情况使用苯基或丁基配体，或对于混合模式层析的情况使用巯基乙基吡啶(MEP)配体。
膜层析组件310可以具有任何尺寸，但在图4的微量实施方式中，它优选地具有小于约100毫升，更优选地约5毫升的体积容量，以便保持系统800相对紧凑。膜层析组件310可以使用例如由Sartorius Stedim Biotech制造的
Figure BDA0001220104060000121
Q SingelSep Nano，其具有1ml的床体积和36cm2的膜面积。
通过三向阀2015将来自于反应器210的原始产物与洗脱缓冲溶液混合，并且所述混合物通过入口2020进入膜层析组件310。纯化的产物和废液通过出口2030离开。三向阀2040将所述纯化的产物导向透滤组件320/900/1100并将所述废液导向废液储存440。
图6A-6C示出可符合本发明的一个优选实施方式的可以在系统700和800中使用的透滤组件900。透滤组件900包括分别为蛇形的产物和缓冲液区段910和920。图6A-6C的透滤组件900包括产物区段910，其是在第一基片1000上形成的蛇形通道。同样地，缓冲液区段920是形成在第二基片1010上的通道，其具有与产物区段910相同的蛇形形状。透滤膜930被夹心在第一与第二基片1000和1010之间，使得形成产物和缓冲液区段910和910的蛇形通道基本上彼此重叠。使用本领域中已知的任何胶粘剂将基片1000和1010彼此附连，并将透滤膜930夹心在它们之间。
在图6A-6C的透滤组件900中，透滤缓冲溶液流过蛇形的产物区段920，并且来自于膜层析组件310的纯化的产物流过蛇形的产物区段910。通过透滤膜930从产物区段910向对应的类似形状的缓冲液区段920发生扩散。
来自于膜层析组件310的纯化的产物通过入口缓冲液储液器1020和入口1030进入产物区段910。透滤的产物通过出口1040和出口缓冲液储液器1050离开产物区段910。透滤缓冲液通过入口1060进入缓冲液区段920并通过出口1070离开缓冲液区段。所述透滤缓冲液被选择成促进组分通过透滤膜930的转移，并且可以是例如用氢氧化钠滴定到pH 7的25毫摩尔磷酸，或用氢氧化钠滴定到pH 5的25毫摩尔柠檬酸。
如果需要，任选地使用入口和出口缓冲液储液器1020和1050以便压制前后振荡的流动。优选地通过出口缓冲液储液器1050向透滤的产物添加补充缓冲溶液，以便将通过透滤膜930的流体用等体积的不同类型的缓冲液替换，由此将目标蛋白质转移到补充缓冲液。或者，通过出口缓冲液储液器1050添加的补充缓冲液的体积可以小于已通过透滤膜930的流体的体积，在这种情况下透滤组件900实现了缓冲液交换和蛋白质浓缩两者。
正如上面讨论的，在适合情况下，透滤膜930可以是亲水性聚合物膜例如聚醚砜、纤维素或聚偏氟乙烯(PVDF)膜，其具有明确的孔眼结构，产生适合于给定应用的10k Da至200k Da范围内的所需分子量截留(MWCO)值。
图7示出了符合本发明的另一个实施方式的透滤组件1100。透滤组件1100可分别用于图3和4的系统700或系统800中。透滤组件1100包括缓冲液区段1120和产物区段1110，后者包含通过缓冲液区段1120的管路1112。构成产物区段1110的管路1112可以是本领域中已知的可以充当产物区段1110中的产物1115与缓冲液区段1120中的缓冲液1130之间的透析膜1040的任何类型的管路。
管路1112优选为柔性的，使得可以在溶剂区段1120内放置更大量的管路。缓冲液区段1120中存在的管路1112越多，由于与缓冲液1130接触的管路表面积越大，因此在管路1112与缓冲液1130之间可以发生的扩散就越多。透滤组件1100的末端部分1140和1150含有开口1160，用于管路1112进入和离开透滤组件1100。末端部分1140和1150还含有用于接收透滤缓冲溶液的入口1170和用于排出使用过的透滤缓冲溶液(废液)的出口1180。尽管透滤组件1100被示出为矩形形状，但它可以是任何其他形状，例如圆柱形状。此外，在适合情况下，透滤组件1100可以是流动池，其已被改良以使管路1112通过缓冲液区段1120。
葡萄糖结合蛋白的无细胞表达
本发明的系统和方法可用于例如葡萄糖结合蛋白(GBP)的无细胞表达和纯化。葡萄糖是动物体的细胞代谢和生物过程工业中的主要碳源和能源。葡萄糖在生物过程中不总是有益的，它在细菌培养中也可能是有害的，通过在克氏循环中形成乙酸并降低培养物的pH而引起细胞自溶。因此，需要快速高效地检测葡萄糖浓度。
葡萄糖结合蛋白是一种能够结合葡萄糖的蛋白质，并通过充当生物传感器用于此目的。GBP是一种单体细胞周质蛋白，分子量为34kD(千道尔顿)，并在大肠杆菌(E.coli)的细胞质中合成。GBP以高亲和性结合葡萄糖并且可用作葡萄糖生物传感器。GBP的体内表达也是一种蛋白质的常规生产方法，但繁琐、昂贵且耗时。本发明可以提供一种小规模的无细胞表达和纯化系统，其可以在几小时内产生毫克级的量。
生物传感器是一种将生物组分与物理化学检测器组分相结合，用于检测被分析物的分析装置。GBP是一种这样的生物传感器，其中GBP与葡萄糖结合，所述结合使用荧光强度来分析，并将相应的信号与标准葡萄糖信号进行比较以估算未知样品的浓度。使用常规的体内方法在大肠杆菌(L255C)中表达GBP，然后进行渗透压冲击，通过DEAE Sephadex A-50柱和使用10kD膜的透析进行纯化。可替选的方法是无细胞表达，其中将细胞机制用于蛋白质表达，并且为了快速生产所需蛋白，需要的下游纯化操作的数目相对更少。
近年中，在大肠杆菌和麦胚的无细胞系统中表达了大量蛋白质(12至135kD)，其中在连续流无细胞表达模式下表达水平在每毫升几微克至几毫克的范围内。在小规模下，分批和连续交换方法的组合在大肠杆菌S30提取物中产生了高达6mg/ml的蛋白质。对于所有这些蛋白质表达来说，研究了在不同模式下运行的反应器，使用膜作为系统的有机组成部分将反应混合物与进料溶液分隔开。就蛋白质的更高纯度、更高生产率、有毒蛋白的表达、计算机化和由于不存在细胞壁屏障造成的反应控制的容易性而言，连续流反应器是有利的。另一方面，这些反应器也造成了更高的复杂性和反应器成本以及蛋白质产物的溶解性管理的挑战。
在另一项研究中，研究了由鼠类GM-CSF(粒细胞巨噬细胞集落刺激因子)和scFv抗体构成的融合蛋白在反应器系统例如薄膜、泡罩塔和无膜Eppendorf管系统中的表达，生产了最高>500μg/ml蛋白质并具有显著量的沉淀蛋白质(≈50％)。最近，在100L搅拌釜式反应器中表达了rhGM-CF，表达的蛋白质高达700mg/L，随后将其用DEAE树脂、切向流过滤膜(3kD截留值)和Sephacryl S-100孔径排阻层析进行纯化，得到99％的纯度和65％的回收率。无细胞表达不仅在细菌蛋白质的表达中是成功的，而且成功地生产了糖蛋白例如人绒膜促性腺激素(hCG)并在杂交瘤细胞提取物(HF10B4)中生产了1型人免疫缺陷病毒(HIV-1)的包膜糖蛋白(gp 120)。
对于蛋白质纯化来说，人们在传统上依靠柱层析，但是近年中出现了膜层析作为这一领域中的附加助力，在特定步骤例如捕获和最终步骤中蛋白质的精制中消除了柱层析，使总成本降低多达65％。柱层析对于蛋白质的梯度纯化仍然是有用的，但是由于可以在不同的缓冲液条件下进行蛋白质的步级洗脱和杂质去除这一事实，也可以研究膜层析。
下面的表对无细胞和体内蛋白质表达系统进行了比较。
Figure BDA0001220104060000161
用于蛋白质表达的生物分子
下列生物分子优选被用于蛋白质表达。为了进行蛋白质表达反应，能量组分和氨基酸从外部供应：
遗传模板(mRNA或DNA)，用于目标蛋白质表达。
T7 RNA聚合酶。用于mRNA转录。
9种翻译因子(起始、延伸和终止)。
20种氨酰基-tRNA合成酶(ARSes)，用于特定氨基酸的酯化以形成氨酰基-tRNA。
甲硫氨酰基-tRNA转甲酰酶，转移羟甲基、甲酰基。
肌酸激酶，将ATP转变成ADP。
肌激酶，催化腺嘌呤核苷酸的相互转化。
焦磷酸酶，是作用于二磷酸酯键的酸酐水解酶。
4种核苷酸三磷酸(ATP、GTP、CTP、TTP)，用于DNA形成。
磷酸肌酸，用作高能磷酸酯的可快速动员的储备。
10-甲酰基-5,6,7,8-四氢叶酸，在起始甲硫氨酰基tRNA(fMet-tRNA)的甲酰化中是重要的。
20种氨基酸，用于蛋白质合成。
核糖体，用于多肽翻译。
蛋白质合成中的46种tRNAs。
协助蛋白质正确折叠的细胞组分。
体内和无细胞系统中蛋白质表达的机制
如图8中所示，蛋白质在包括复制、转录和翻译的三个主要步骤中表达。对于复制步骤来说，蛋白质的蓝图储存在细胞的DNA中。DNA通过被称为复制的过程繁殖以制造多个拷贝。DNA聚合酶是与复制叉相关和协助和延续DNA合成的其他蛋白一起通过添加新的核苷酸来合成新DNA的酶。
在原核和真核生物两者中，转录分三步进行：起始，延伸和终止。当双链DNA解开以允许RNA聚合酶结合时，发生转录的起始。一旦转录起始后，RNA聚合酶从DNA上释放。转录由激活子和阻遏蛋白并且在真核生物中也由染色质结构在各种不同水平上调控。
在原核生物中，不需要特殊的mRNA转录后修饰。然而，在真核生物中，mRNA被进一步加工以除去内含子(拼接)、在5’末端添加“帽子”(M7甲基-鸟苷)并在mRNA的3’末端处添加多个腺苷核苷酸以产生poly(A)尾。所述修饰的mRNA然后被翻译。
翻译或蛋白质合成也是具有起始、延长和终止步骤的多步过程，并且在原核和真核生物两者中是相似的。所述过程需要细胞组分例如核糖体、转运RNA(tRNA)、mRNA和蛋白质因子以及小分子如氨基酸、ATP、GTP和其他辅助因子。
从工程师视角来看的无细胞蛋白质表达
细胞提取物在细胞裂解并除去细胞壁后制备。蛋白质可以通过将DNA或mRNA模板添加到细胞提取物中来合成。当DNA用作模板(即连环反应)时，它首先在翻译混合物存在下转录成mRNA，然后表达蛋白质。或者，也可将mRNA用于此目的。蛋白质表达的另一种方式是偶联反应，其中转录和翻译反应在具有两种反应所必需的所有组分的同一试管中进行。在任一情况下，mRNA最终在细胞提取物中翻译，不需信使RNA的纯化。
常规和非常规的GBP生产方法
在常规方法中，GBP在多个步骤中生产，如大肠杆菌突变株(L225C)在LuriaBertani(LB)营养培养基中的预先接种、培养、收获、细胞清洗、渗透压冲击、标记、液相色谱和透析。所有这些步骤都是耗时(4天左右)和繁琐的。本发明能够进行GBP的非常规无细胞表达，其中表达更快并且得到的蛋白质相对纯净。这种蛋白质优选地使用被称为acrylodan(6-丙烯酰基-2二甲基氨基萘)的荧光团标记，并通过D15(DEAE)层析膜进行纯化。所述蛋白质优选地被进一步浓缩并针对pH 7.5的5mM tris-HCl进行透析。
人类血液作为细胞提取物的来源
在本发明的一个实施方式中，使用人类血液作为细胞提取物的来源，使用上面描述并在图2-7中说明的系统制造治疗性蛋白质。血液收集/储存/输血是完善、安全的技术规章。据估计每年有五百万美国人接受输血，存在大量用于抽血、处理、储存和配送血液的基础设施。这种基础设施是可以利用的，并用作制造治疗性蛋白质的细胞提取物的来源。
血液中的细胞大部分是红细胞，方便的是，红细胞没有细胞核。所有细胞中0.5-2％左右是网织红细胞，它们是富含核糖体RNA的不成熟的血细胞。其他细胞(即淋巴细胞)也可用于生产细胞提取物。血液来源可以是常规用于输血的筛选过的供体血液。然而，细胞提取物优选地从将要接受所述生产的治疗性蛋白质的患者的血液获得。优选地将从所述患者抽取的血液与从所述抽取的血液生产的治疗性蛋白质合并，然后将其注射回到所述患者中，具有很少或没有免疫应答。
由于用于制造所述治疗性蛋白质的细胞提取物来自于所述患者，因此对于将治疗性蛋白质注射回到所述患者中的监管批准的获得远远更加简单。此外，由于血液组分的筛查的处理的成功，输血目前被视为是极为安全的技术规程。血液在体内持续地重新循环和分解，因此将分离的血液组分重新导回到体内应该是安全的。
这种方法从方程式中完全消除了经济考虑，因为不论终端产品是例如胰岛素、凝结因子还是孤儿药物，都可以以相同的成本生产患者特异性药物。所需的仅仅是目标治疗性蛋白质的cDNA。整个人类基因组cDNA可以容易地获得。
可以以非常小的安全风险容易地尝试激动人心的可能性。例如，最近的论文表明幼小鼠血液具有当注射到老年小鼠中时减轻衰老和阿兹海默氏病的症状的蛋白质。单一蛋白GDF11似乎提高耐力。使用本发明的系统和方法，人们现在可以简单地使用老年患者的血液提取物，生产其中的“青春不老泉”蛋白并评估它们的效能。这仅仅是可以尝试的各种临床试验的一个实例，并且与干细胞和其他再生医学和基因治疗方法形成鲜明的对比，在后者中人们在控制移植的细胞的命运中具有限制。
在自然或人为灾害的情况下，依靠集中药物/疫苗制造的范例是公共健康的严重弱点。本发明允许医院、诊所和最终患者自身制造它们自己的药物。
图9是用于从人类血液提取细胞的细胞提取模块3000的框图。所述提取的细胞然后被系统100(图2)、系统700和/或系统800用于使用从人类血液提取的细胞制造治疗性蛋白质。所述提取的细胞可以被适合地装入到系统100/700/800任一者中的流体储存/分发模块400中。
细胞提取模块3000包括全血分离器3100和血细胞裂解模块3200。适合情况下，所述全血分离器可以使用简单的收集管(当留置在管中时，血液将通过重力分离)或使用加速这一过程的离心机来执行。总的来说，通过用全血分离器3100执行，可以使用任何已知的用于血液分级的技术。在适合情况下，全血细胞裂解模块可以通过使用向细胞施加机械、渗透压或高压冲击的装置，电穿孔或使用裂解缓冲液或用于破坏细胞壁而不影响细胞内部的蛋白质的其他方法来执行。总的来说，通过全血细胞裂解模块3200，可以执行任何已知的用于裂解血细胞的技术。
在操作中，所述全血分离器接收全血3150并将所述血液分级。一种或多种将被用于制造治疗性蛋白质3300的血细胞级分(例如红细胞、网织红细胞和/或淋巴细胞)被收集并送往血细胞裂解模块3200。重要的是收集具有高度代谢活性的细胞，因为这将提高细胞裂解物的生产率。分离的血浆和未使用的级分3400(即红细胞)优选被储存，以在由系统100/700/800制造的治疗性蛋白质被注射到患者中之前与它合并。血浆和红细胞的返回将消除对输血的需要，在需要收获大量具有代谢活性的细胞的情况下所述输血可能是需要的，以补充被抽取的血液。
血细胞裂解模块3200利用裂解试剂3500、适合情况下为EDTA裂解试剂来裂解所述被系统100/700/800用于制造治疗性蛋白质的一种或多种血液级分。由血细胞裂解模块3200生产的裂解物3600经历细胞核去除和无细胞裂解物生产中所需的所有其他步骤，然后被送往系统100/700/800，用于使用上面描述的方法制造治疗性蛋白质。用于提取治疗性蛋白质制造所需的细胞的血液，优选地从将要使用所述制造的蛋白质的患者获得。通过这种方式，裂解物中所有留下的DNA和细胞蛋白质都来自于所述患者，这消除了免疫应答的可能性并极大简化了纯化程序。
图10是用于直接从患者自身的血液为所述患者制造治疗性蛋白质的生物处理系统4000的示意图。治疗性蛋白质生产以与上述系统100、700和800相似的方式通过蛋白质生产模块4500来实现，区别在于用于蛋白质生产的细胞提取物的来源，来自于使用在上面结合图9描述的全血分离器3100和血细胞裂解模块3200获得的患者自身的血液。
系统4000还包括用于血液的收集袋/储液器4400，其充当进来的全血的盛放容器，以及用于盛放全血分离器3100所使用的清洗溶液的清洗溶液容器4310、用于盛放全血分离器3100输出的血浆和未使用的血液级分3400的血浆容器4320、用于盛放血细胞裂解模块3200所使用的裂解试剂的裂解试剂容器4330、用于盛放蛋白质生产模块4500所使用的反应溶液的反应溶液容器4340和用于盛放蛋白质生产模块4500所使用的缓冲溶液的缓冲液容器4350。蛋白质生产模块4500还包括DNA端口4600，用于导入编码将要生产的治疗性蛋白质的DNA序列。
如图10中所示，使用多个泵4100A-4100G和导管4200流体连接系统4000的各个组件。在操作中，将来自于患者的全血运输到全血分离器3100，其对血液进行分级。将要用于蛋白质生产的一个或多个血液级分被送往血细胞裂解模块3200，以裂解所述将被蛋白质生产模块4500用于制造治疗性蛋白质的一个或多个血液级分。适合情况下，血细胞裂解模块3200所使用的裂解试剂是从裂解试剂容器4330抽取的EDTA裂解试剂。血浆和未使用的血液级分被储存在血浆容器4320中。
通过偶联器4700将由蛋白质生产模块4500生产的治疗性蛋白质与储存在血浆容器4320中的血浆和未使用的血液级分混合，然后重新注射到所述患者中。尽管系统4000被图示并描述成连接到患者以便直接从所述患者抽取全血并将通过蛋白质生产模块4500生产的治疗性蛋白质(与来自于血浆容器4320的血浆和未使用的级分混合)注入所述患者，但应该认识到，系统4000不必定连接到所述患者。可以从患者获得全血并置于容器中，然后将其送往全血分离器3100以开始所述过程。同样地，可以将由蛋白质生产模块4500生产的治疗性蛋白质储存在容器中，随后将其用于提供所述全血的患者或另一位患者。
除了泵4100A-4100G之外，可以在整个系统4000中使用任何数量的其他液压组件，例如另外的泵、阀、偶联器等，以协助控制溶液/产物在系统4000的各个组件之间的流动。在适合情况下，各个泵4100A-4100G可以使用MP-6泵(压电泵，可以从德国的BartelsMikrotechnik获得)、N-1000泵(注射器泵，可以从New Era Pump Systems,NY,USA获得)，但是也可以使用本领域中已知的任何类型的适合的泵。在适合情况下，导管4200使用由Tygon或其他适合的塑料材料制成的管路。
上述实施方式和优点仅仅是示例性的，并且不应被解释为限制本发明。本文的教示内容可以容易地应用于其他类型的装置。本发明的描述旨在说明而不是限制权利要求书的范围。对于本领域技术人员来说，许多替选方案、改良和修改将是显而易见的。可以做出各种不同改变而不背离在权利要求书中所定义的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种从血液生产蛋白质的系统，其包含：
全血分离器，其用于接收全血并输出至少一种血液级分，其中所述至少一种血液级分包括红细胞、网织红细胞和淋巴细胞中的至少一种；
血细胞裂解模块，其用于接收和裂解来自所述全血分离器的所述至少一种血液级分并输出裂解物；
用于利用无细胞蛋白质表达来生产蛋白质的生物反应器，其用于接收所述裂解物以及通过利用所需蛋白质的cDNA或mRNA的蛋白质表达从所述裂解物生产所需蛋白质；以及
层析组件，其用于接收来自于所述反应器的蛋白质并用于输出纯化的蛋白质。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应器具有20ml或更小的容量。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含：
透滤组件，其用于接收来自于所述层析组件的纯化的蛋白质并用于输出进一步纯化的蛋白质。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述层析组件包含膜层析组件。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述层析组件包含柱层析组件。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述透滤组件包含：
第一基片；
形成在所述第一基片上的第一蛇形通道；
第二基片；
形成在所述第二基片上的第二蛇形通道；以及
位于所述第一基片和第二基片之间的透滤膜，其中所述第一基片和第二基片排列成使得所述第一蛇形通道和第二蛇形通道基本上彼此重叠。
7.根据权利要求3所述的系统，其中所述透滤组件包含：
流动池；以及
位于所述流动池内的管路，其中管路材料起到透滤膜的作用。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述蛋白质包含治疗性蛋白质并且其中所述全血来自将使用所述治疗性蛋白质的患者。
9.一种从患者血液生产治疗性蛋白质的方法，所述方法包括：
从患者提取全血；
对全血进行分级，得到分级的血液；
将所述分级的血液的至少一种级分裂解以产生裂解物，其中所述至少一种级分包括红细胞、网织红细胞和淋巴细胞中的至少一种；
在生物反应器中使用所述裂解物和所述治疗性蛋白质的cDNA表达治疗性蛋白质；以及
将治疗性蛋白质纯化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述治疗性蛋白质使用层析组件和透滤组件纯化。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述治疗性蛋白质使用具有20ml或更小的容量的反应器来表达。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述透滤组件包含：
第一基片；
形成在所述第一基片上的第一蛇形通道；
第二基片；
形成在所述第二基片上的第二蛇形通道；以及
位于所述第一基片和第二基片之间的透滤膜，其中所述第一基片和第二基片排列成使得所述第一蛇形通道和第二蛇形通道基本上彼此重叠。
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