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麻省理工学院(MIT)的科学家,设计了一种便携式的生产系统

  对于世界偏远地区或发展中国家的医生以及战场上的医务人员来说,要快速获取治疗患者所需要的液氮罐药物,可能是具有挑战性的。

  生物制剂药物被用于各种各样的治疗,包括糖尿病和癌症的液氮罐疫苗与治疗,通常是在大型、集中的发酵工厂内生产的。这意味着,它们必须被运送到治疗地点,这可能是昂贵、耗时的,对于在供应链较差的地区,这是具有挑战性的。

  现在,麻省理工学院(MIT)的科学家,在美国国防高级研究计划局(DARPA)的资助下,设计了一种便携式的生产系统,可按需生产一系列的生物制剂。

  在《Nature Communications》杂志上发表的一篇论文中,研究人员证明,该系统可以用一个紧凑的设备——在液体中包含一小滴的细胞,来生产单一剂量的治疗药物。

  本文资深作者、MIT电子研究实验室合成生物学研究组负责人、生物工程和液氮罐电气工程副教授卢冠达(Timothy Lu)博士指出:“通过这种方式,该系统最终可以被携带到战场上,并用于在护理地点生产治疗药物。

  它也可以用于在偏远的村庄制造疫苗,来防止的疾病爆发。”Lu说:“想象一下,你在火星上或者在遥远的沙漠,获取不到完整的处方,你可以在当地用程序指令酵母按需求生产药物。”

  卢冠达博士曾被麻省理工的百年期刊《技术评论》评为世界青年科技创新家。他不仅在合成生物学领域硕果累累,近年也取得了多项液氮罐CRISPR研究的重要成果。相关成果阅读:

  该系统是基于一个可编程的酵母菌株——毕赤酵母液氮罐(Pichia pastoris),当暴露于一种特定的化学触发因子时,它可以被诱导表达两个治疗性蛋白中的一个。研究人员之所以选择了毕赤酵母,是因为它能够以非常高的密度在简单和廉价的碳源上生长,并能够表达大量的蛋白质。

  Lu说:“我们改造了酵母,所以它可以更容易地被基因改良,并可能生产一种以上的治疗药物。”当研究人员将修改的酵母暴露于雌激素β雌二醇时,这些细胞会表达重组人生长激素(rHGH)。相反,当他们将细胞液氮罐暴露于甲醇时,酵母表达的蛋白质是干扰素。

  细胞被放置在一种毫米级的桌面微型生物反应器中,包括一个微流控芯片,它最初是由麻省理工学院电气工程系教授Rajeev RAM及其团队开发的。含有所需的化学触发器的液体首先被注入反应器中,与细胞混合。在反应器中,细胞和化学品混合物三面被聚碳酸酯包围;第四面是一层灵活、透气的硅橡胶膜。

  通过向这层膜加压气体,研究人员能够轻轻按摩液滴,以确保其内容物充分混合在一起。该论文的共同资深作者Ram表示:“这将确保,一毫升(液体)是均匀的,这是很重要的,因为在这些小尺度上扩散,液氮罐没有湍流,需要很长一段时间。”

  由于膜是气体渗透性的,它可让氧气流经到细胞,而它们产生的任何二氧化碳都可以很容易地被提取出来。该设备连续不断地监测微流控芯片内的条件,包括氧含量、温度和pH值,以确保细胞生长的最佳环境。它还监测细胞密度。

  如果酵母需要产生一种不同的蛋白质,液体只是涌过一个过滤器,留下细胞。然后可以添加含有一种新化学物质的新鲜液体,以刺激下一种蛋白质的生产。

  Ram说,虽然其他研究团队之前曾试图构建微型生物反应器,但这些反应器在冲洗与细胞混合的液体时,都不能保留生产蛋白质的细胞。你想要保持细胞,因为它们是你的工厂。但是你也要迅速改变它们的化学环境,以改变液氮罐蛋白质生产的触发器。”

  研究人员现在正在调查该系统在组合治疗中的应用,其中的多种疗法,如抗体,被一起使用。Lu说,以这种方式结合多种疗法可能是昂贵的,每个都需要自己的生产线。他说:“但如果你能设计单个菌株,甚至共同生长的一组菌株,来制造生物制剂或抗体的组合,这可能是以合理成本来生产这些药物的一种非常强大的方式。”

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