معلومة

كيف يتم إنتاج اللقاحات بكميات كبيرة؟

كيف يتم إنتاج اللقاحات بكميات كبيرة؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لدي خلفية في تصميم المنتجات وأنا على دراية بكيفية ذلك عظم يتم إنتاج الأشياء بكميات كبيرة - الطعام ، والآلات ، وما إلى ذلك ، لكنني تمكنت من العثور على القليل جدًا من المعلومات حول كيفية إنتاج اللقاحات بكميات كبيرة.

يبدو أن هناك 4 أنواع من اللقاحات ، تحتوي جميعها على قطع أو منتجات ثانوية للفيروس الذي تهدف إلى مكافحته.

إذا كنت تنتج مليارات اللقاحات ، أتخيل أنك بحاجة إلى كمية هائلة من الفيروس.

كيف يتم الحصول على هذه الكتلة من الفيروسات؟ هل يملأون الخزانات بعامل زراعة وعينة من الفيروس وينتظرون نموها ، مثل طبق بتري عملاق؟ هل توجد أحواض كبيرة لفيروس كورونا في المصانع في مكان ما؟


حسب ويكيبيديا ، عادة عندما يحتاج المرء إلى الكثير من الفيروسات ، فإنه ينمو في بيئة خلية مضبوطة. اعتاد أن يكون هذا بيضًا ، ولكنه يتجه نحو مزارع الخلايا بدلاً من ذلك. لذا ، في الأساس ، نعم ، المصانع المليئة بالفيروسات (على الرغم من أنها تشبه المفاعلات الحيوية المنفصلة اللطيفة أكثر من الأحواض الكبيرة الصديقة للجوكر).

اللقاحات الاصطناعية ، مثل لقاحات mRNA لـ COVID ، لا تحتاج إلى هذه الخطوة على الإطلاق ، لأنها لا تستخدم الفيروس بالفعل ، ولكن يمكن إجراؤها من خلال التفاعلات الكيميائية الحيوية الخالية من الخلايا التي تكرر mRNA مباشرة.


اللقاحات مهمة - لكن ما هي وكيف تعمل؟

إن القول بأن وباء COVID-19 قد عطل حياتنا سيكون أقل مما ينبغي. منذ شهر مارس ، عندما صدرت أوامر البقاء في المنزل لأول مرة ، قضى الكثير منا وقتنا في منازلنا ، متجنبين الزحام ، وارتداء الأقنعة ، والتباعد الاجتماعي ، والعمل عن بُعد ، غالبًا أثناء رعاية الأطفال أو تعليمهم في المنزل.

على الرغم من كل هذا ، يستمر الفيروس في الانتشار وتبقى حياتنا بعيدة عن طبيعتها. وبينما تتقدم الأبحاث في علاجات وعلاجات COVID-19 ، لا يوجد حتى الآن ما يمكن أن يمنع المرض الشديد.

لقد قيل لنا أن اللقاح الذي يوفر الحماية الكاملة ضد SARS-CoV-2 ، الفيروس المسبب لـ COVID-19 ، يوفر أفضل فرصة للعودة إلى الحياة الطبيعية. سيسمح الحصول على واحدة للناس بممارسة حياتهم اليومية ، دون قلق من الإصابة بالعدوى ، فضلاً عن الحاجة إلى مسافة اجتماعية وارتداء الأقنعة.

من الناحية المثالية ، سيثبت واحد أو أكثر من لقاحات COVID-19 العديدة قيد التطوير فعاليته. ولكن حتى اللقاح الذي يقدم أقل من المناعة الكاملة من شأنه أن يبطئ انتشار الفيروس ويمكن أن يقلل من شدة المرض. على هذا المنوال ، أعلنت إدارة الغذاء والدواء (FDA) في يوليو / تموز أنها ستوافق على أي لقاحات أظهرت فاعلية بنسبة 50٪ على الأقل ضد فيروس كورونا.

قد يكون كل هذا مربكًا - ومحبطًا - لأولئك منا الذين يحاولون ببساطة وضع قدم أمام الأخرى أثناء هذا الوباء. وقد يتفاقم الارتباك المحيط بلقاحات COVID-19 بسبب الزيادة الطفيفة في الإبلاغ عنها - التجارب وفعاليتها وسلامتها.

مع وضع هذا في الاعتبار ، تقدم Yale Medicine هذا الكتاب التمهيدي حول أساسيات اللقاح - كيفية عملها ، ومنصاتها المختلفة ، وعملية الموافقة - وما يعنيه ذلك للقاح COVID-19.


الوعد بثقافة الخلية في تطوير اللقاح

دفعت الآمال في زراعة فيروس شلل الأطفال في المختبر دون استخدام الحيوانات الحية العديد من الباحثين في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين. تتضمن مزارع الخلايا نمو الخلايا في طبق مستنبت ، غالبًا مع وسط نمو داعم مثل الكولاجين. إنها توفر مستوى من التحكم لم يكن متاحًا باستخدام الحيوانات الحية ، ويمكنها أيضًا دعم إنتاج الفيروسات على نطاق واسع. (لمزيد من المعلومات حول مزارع الخلايا وخطوط الخلايا ، بالإضافة إلى خطوط الخلايا المصنوعة باستخدام الخلايا البشرية ، راجع مقالتنا "سلالات الخلايا البشرية في تطوير اللقاح"). ومع ذلك ، انتهت الجهود المبكرة لزراعة فيروس شلل الأطفال في المزرعة بالفشل بشكل متكرر.

في عام 1936 ، نجح ألبرت سابين وبيتر أوليتسكي من معهد روكفلر في زراعة فيروس شلل الأطفال في مزرعة من أنسجة المخ من جنين بشري. نما الفيروس بسرعة ، وهو أمر واعد ، لكن سابين وأوليتسكي كانوا قلقين بشأن استخدام هذا كمادة أولية للقاح ، خوفًا من تلف الجهاز العصبي لمتلقي اللقاح. لقد حاولوا زراعة فيروس شلل الأطفال في الثقافات باستخدام الأنسجة المأخوذة من مصادر أخرى ، لكنهم لم ينجحوا.


أمثلة على إنتاج اللقاح

الفيروس المعطل (الانفلونزا)

لقاح فيروس الأنفلونزا للاستخدام العضلي هو معلق معقم محضر من فيروسات الأنفلونزا المنتشرة في أجنة الدجاج. هذا اللقاح هو الطريقة الأساسية للوقاية من الإنفلونزا ومضاعفاتها الأكثر خطورة. 13

عادةً ما يحتوي لقاح الإنفلونزا على سلالتين من فيروسات الأنفلونزا A (H1N1 و H3N2) وفيروس الأنفلونزا B واحد. تمت إضافة سلالة إضافية من فيروس الأنفلونزا B ، مع ترخيص أول لقاح يحتوي على أربعة مستضدات في عام 2012. 14 يتم التعرف على فيروسات النوع A من خلال الأنواع الفرعية من Hemagglutinin و Neuraminidase. تشتمل البروتينات السكرية للهيماجلوتينين والنورامينيداز لفيروس الأنفلونزا أ على البروتينات السطحية الرئيسية ومستضدات التحصين الرئيسية للفيروس. يتم إدخال هذه البروتينات في المظاريف الفيروسية كإسقاطات على شكل خطوط سبايك بنسبة تقارب 4 & # x02009: & # x020091. 15

لقاح الوحدة الفرعية ثلاثي التكافؤ هو لقاح الإنفلونزا السائد المستخدم اليوم. يتم إنتاج هذا اللقاح من سلالات فيروسية يتم تحديدها في وقت مبكر من كل عام من قبل منظمة الصحة العالمية ومراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) و CBER. بالنسبة للمصنعين المرخص لهم بالولايات المتحدة ، يتم الحصول على السلالات الفيروسية عادةً من CBER أو CDC. يتم توفير السلالات الأوروبية عادةً من قبل المعهد الوطني للمعايير البيولوجية والتحكم ، وسلالات نصف الكرة الجنوبي من قبل إدارة السلع العلاجية في أستراليا. تُستخدم هذه السلالات الفيروسية لإعداد بنوك الخلايا في كل مصنع ، والتي تُستخدم بنوك الخلايا في النهاية كقاحات لإنتاج اللقاح.

الركيزة الأكثر استخدامًا من قبل منتجي لقاح الإنفلونزا هي بيضة الدجاج الجنينية البالغة من العمر 11 يومًا. يتم تلقي فيروس أحادي التكافؤ (تعليق) من CBER أو CDC. يتم تمرير تعليق الفيروس أحادي التكافؤ في البيض. يتم تحضين البيض الملقح لفترة محددة ونظام درجة الحرارة تحت رطوبة نسبية خاضعة للرقابة ثم يتم حصادها. في الاتحاد الأوروبي ، عدد المقاطع من العينة الأصلية محدود. يتم اختبار سوائل السقاء المحصودة ، والتي تحتوي على الفيروس الحي ، من حيث العدوى ، والعيار ، والنوعية ، والعقم. يتم بعد ذلك تخزين هذه السوائل مجمدة رطبة في درجات حرارة منخفضة للغاية للحفاظ على استقرار فيروس البذور أحادي التكافؤ (MSV). 16 تم اعتماد MSV هذا أيضًا من قبل CBER.

بمجرد إدخال MSV في البويضة عن طريق اللقاحات الآلية ، ينمو الفيروس في درجات حرارة محتضنة ، ثم يتم حصاد السائل السقائي وتنقيته عن طريق الطرد المركزي عالي السرعة على تدرج السكروز أو عن طريق الكروماتوغرافيا. غالبًا ما يتم تقسيم الفيروس المنقى باستخدام منظف قبل الترشيح النهائي. يتم تعطيل الفيروس باستخدام الفورمالديهايد قبل أو بعد خطوة التنقية الأولية ، اعتمادًا على الشركة المصنعة. يتكرر هذا لثلاث أو أربع سلالات من الفيروس ، ويتم دمج المركزات الفيروسية المعطلة التي تم اختبارها وإطلاقها بشكل فردي وتخفيفها إلى قوة اللقاح النهائية. يوضح الشكل 5.2 الخطوط العريضة للعملية الشاملة.

تدفق عملية تصنيع لقاح الأنفلونزا المعتمد على البيض.

CBER ، مركز التقييم والبحوث البيولوجية (التابع لإدارة الغذاء والدواء الأمريكية) QA ، ضمان الجودة ومراقبة الجودة ، ومراقبة الجودة.

يتم استخدام لقاح الفيروس المعطل الموصوف أعلاه لمعظم لقاح الإنفلونزا المنتج والمباع اليوم. في السنوات الأخيرة ، تمت الموافقة على لقاح الأنفلونزا المعطل المنتج على زراعة خلايا الثدييات في عدد من البلدان. تحل العملية محل توسع الفيروس المعتمد على البيض بخط خلية معتمد تتشابه عمليات المصب ، ولكنها تركز على إزالة بروتين الخلية المضيفة والحمض النووي إلى ما دون العتبات المحددة. تمت الموافقة على لقاح الأنفلونزا المأشوب ، الذي يتم إنتاجه في خلايا حشرية مصابة بفيروس بكولوفيروس مؤتلف للتعبير عن بروتين هيماجلوتينين في الولايات المتحدة.

بروتين مؤتلف (التهاب الكبد ب)

في يوليو 1986 ، تم ترخيص لقاح التهاب الكبد B المأشوب في الولايات المتحدة. بُني هذا اللقاح على معرفة أن المصل المعطل بالحرارة المحتوي على فيروس التهاب الكبد B (HBV) ومستضد التهاب الكبد B السطحي (HBsAg) لم يكن معديًا ، ولكنه كان مناعيًا ووقائيًا جزئيًا ضد التعرض اللاحق لفيروس التهاب الكبد B. كان 17 HBsAg هو المكون الذي يمنح الحماية لـ HBV في التمنيع. 18 لإنتاج هذا اللقاح ، تم إدخال الترميز الجيني لـ HBsAg ، أو & # x0201cS & # x0201d الجين ، في ناقل تعبير قادر على توجيه تخليق كميات كبيرة من HBsAg في خميرة الخميرة. تم إثبات أن جزيئات HBsAg التي يتم التعبير عنها بواسطة خلايا الخميرة وتنقيتها منها تعادل HBsAg المشتق من بلازما دم ناقلات التهاب الكبد B المزمنة. 17 ، 19 ، 20

المؤتلف S. cerevisiae تزرع الخلايا التي تعبر عن HBsAg في تخمير خزان مقلوب. الوسيط المستخدم في هذه العملية عبارة عن وسط تخمير معقد يتكون من مستخلص الخميرة وببتون الصويا وسكر العنب والأحماض الأمينية والأملاح المعدنية. يتم إجراء اختبار أثناء العملية على منتج التخمير لتحديد النسبة المئوية للخلايا المضيفة باستخدام بنية التعبير. 7 في نهاية عملية التخمير ، يتم حصاد HBsAg عن طريق تحلل خلايا الخميرة. يتم فصله عن طريق تفاعل مسعور وكروماتوغرافيا استبعاد الحجم. يتم تجميع HBsAg الناتج في جزيئات البروتين الدهني بقطر 22 نانومتر و # x02013. يتم تنقية HBsAg إلى أكثر من 99٪ للبروتين عن طريق سلسلة من الطرق الفيزيائية والكيميائية. تتم معالجة البروتين المنقى في محلول فوسفاتي مع الفورمالديهايد ، ويتم ترشيحها بشكل معقم ، ثم يتم ترشيحها مع الشب (كبريتات ألومنيوم البوتاسيوم) لتكوين لقاح سائب مضاف إليه كبريتات هيدروكسيفوسفات الألومنيوم غير المتبلورة. لا يحتوي اللقاح على دنا خميرة يمكن اكتشافه ولكن قد لا يحتوي على أكثر من 1٪ بروتين خميرة. 7 ، 19 ، 21 في لقاح التهاب الكبد B المؤتلف الثاني ، يتم التعبير عن المستضد السطحي بـ S. cerevisiae يتم تنقية الخلايا من خلال عدة خطوات فيزيوكيميائية ويتم صياغتها كتعليق للمستضد الممتص على هيدروكسيد الألومنيوم. ينتج عن الإجراءات المستخدمة في تصنيعه منتج لا يحتوي على أكثر من 5٪ بروتين خميرة. لا تستخدم أي مواد من أصل بشري في صنعها. 20 اللقاحات ضد التهاب الكبد B المحضرة من مزارع الخميرة المأشوبة غير معدية 20 ولا ترتبط بدم الإنسان ومشتقاته. 19

يتم اختبار كل دفعة من لقاح التهاب الكبد B للتأكد من سلامتها ، على الفئران وخنازير غينيا ، ومن أجل العقم. 19 يتضمن اختبار منتج مراقبة الجودة من أجل النقاء والهوية العديد من الفحوصات الكيميائية والكيميائية الحيوية والفيزيائية على المنتج النهائي لضمان التوصيف الشامل والاتساق بين الكثير من الدُفعة. يمكن استخدام المقايسات المناعية الكمية باستخدام الأجسام المضادة وحيدة النسيلة لقياس وجود مستويات عالية من الحلقات الرئيسية على HBsAg المشتق من الخميرة. يتم استخدام اختبار فاعلية الفأر أيضًا لقياس استمناع لقاحات التهاب الكبد الوبائي ب. الجرعة الفعالة القادرة على تحويل 50٪ من الفئران (ED50) تم حسابه. 21

لقاحات التهاب الكبد الوبائي ب هي معلقات معقمة للحقن العضلي. يتم توفير اللقاح في أربع تركيبات: للأطفال ، والمراهقين / الرضع عالي الخطورة ، والبالغين ، وغسيل الكلى.

تحتوي جميع التركيبات على ما يقرب من 0.5 & # x0202fmg من الألومنيوم (يتم توفيره على شكل كبريتات هيدروكسيفوسفات الألومنيوم غير المتبلورة) لكل مليلتر من اللقاح. 19 يلخص الجدول 5.2 متطلبات اختبار مراقبة الجودة لإطلاق لقاح التهاب الكبد B المؤتلف.

الجدول 5.2

متطلبات الاختبار لإطلاق لقاح التهاب الكبد الوبائي ب

نوع الاختبارمرحلة الإنتاج
احتباس البلازميدإنتاج التخمير
النقاء والهويةمنتج سائب كثف أو منتج سائب غير ممتص
العقمالمنتج بالجملة النهائي
العقمالحاوية النهائية
السلامة العامةالحاوية النهائية
بيروجينالحاوية النهائية
نقاءالحاوية النهائية
الفاعليةالحاوية النهائية

لا تزال معظم اللقاحات تُطلق من قبل CBER على أساس كل قطعة على حدة ، ولكن بالنسبة للعديد من اللقاحات المميزة على نطاق واسع ، مثل لقاحات التهاب الكبد B وفيروس الورم الحليمي البشري (HPV) ، والتي يتم تصنيعها باستخدام عمليات الحمض النووي المؤتلف ، فقد تم إلغاء هذا المطلب .. تتضمن عملية التصنيع تنقية كبيرة ، وتتميز على نطاق واسع بأساليبها التحليلية. بالإضافة إلى ذلك ، كان على لقاح التهاب الكبد B إظهار سجل & # x0201ctrack & # x0201d من السلامة والنقاء والفعالية المستمرة للتأهل لهذا الإعفاء. 7 ، 22

لقاح متقارن (المستدمية النزلية النوع ب)

الانتاج من المستدمية النزلية يشمل النوع b (Hib) المتقارن الإنتاج المنفصل لعديد السكاريد المحفظي من Hib والبروتين الحامل مثل بروتين الكزاز من كلوستريديوم الكزازية (أي ذوفان الكزاز المنقى) ، بروتين CRM من بكتريا الخناق الوتدية، أو مجمع بروتين الغشاء الخارجي النيسرية السحائية.

يتم إنتاج السكاريد المحفظي في مفاعلات حيوية صناعية باستخدام بذور معتمدة من Hib. يتم استرداد المادة الوسيطة الخام من طاف التخمير ، باستخدام منظف كاتيوني. يتم حصاد المادة الناتجة عن طريق الطرد المركزي المستمر التدفق. يتم بعد ذلك تعليق العجينة في المخزن المؤقت ، ويتم فصل السكاريد بشكل انتقائي عن العجينة المتقطعة عن طريق زيادة القوة الأيونية. يتم بعد ذلك تنقية عديد السكاريد عن طريق استخلاص الفينول ، والترشيح الفائق ، وترسيب الإيثانول. يتم ترسيب المادة النهائية بالكحول ، وتجفيفها في فراغ ، وتخزينها عند & # x0221235 & # x000b0C لمزيد من المعالجة.

يتم تحضير بروتين الكزاز في مفاعلات حيوية باستخدام بذور معتمدة من C. tetani. يتم استرداد السم الخام من الثقافة الطافية عن طريق الطرد المركزي بالتدفق المستمر والترشيح. ثم يتم تنقية السم الخام بمزيج من ترسيب كبريتات الأمونيوم الجزئي والترشيح الفائق. يتم إزالة السموم المنقاة الناتجة باستخدام الفورمالديهايد ، وتركيزها عن طريق الترشيح الفائق ، وتخزينها في درجة حرارة بين 2 & # x000b0C و 8 & # x000b0C لمزيد من المعالجة.

تم تطوير عملية الاقتران الصناعي في البداية باستخدام ذوفان الكزاز من قبل فريق برئاسة جيه بي روبينز في المعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية (NIAID) ، بيثيسدا ، ميريلاند. 23

التحضير المتقارن هو عملية من خطوتين تتضمن: (أ) تنشيط عديد السكاريد Hib المحفظي و (ب) اقتران عديد السكاريد المنشط إلى بروتين الكزاز من خلال فاصل. يشمل التنشيط التفتيت الكيميائي لعديد السكاريد الأصلي إلى هدف محدد للوزن الجزيئي والارتباط التساهمي لثنائي هيدرازيد حمض الأديبيك. ثم يتم ربط السكاريد المنشط تساهميًا ببروتين الكزاز المنقى عن طريق التكثيف بوساطة الكربوديميد باستخدام 1-ethyl-3 (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide. يتم إجراء تنقية المواد المترافقة للحصول على جزيئات مترافقة ذات وزن جزيئي مرتفع خالية من المخلفات الكيميائية والبروتينات والسكريات الحرة. يتم بعد ذلك تخفيف الكتلة المترافقة في مخزن مؤقت مناسب ، وتعبئتها في قوارير ذات جرعة واحدة و / أو قوارير متعددة الجرعات ، وتجفيفها بالتجميد.

لقاح حي موهن (الحصبة)

فيروس الحصبة ، الذي تم عزله عام 1954 ، هو جزء من الجنس موربيليفيروس في عائلة Paramyxoviridae. اللقاحات الحالية مشتقة من سلالات إدمونستون أو موراتين أو شوارتز. تم طرح هذه اللقاحات في الأسواق منذ الستينيات وهي مجتمعة (الحصبة والنكاف والحصبة الألمانية (MMR)) منذ السبعينيات. اللقاح النهائي هو لقاح فيروسي حي موهن يحفز المناعة لدى أكثر من 90٪ من المتلقين.

بالنسبة إلى لقاح واحد ضد الحصبة ، يبدأ تصنيع اللقاح ببيض دجاج جنين خالٍ من مسببات الأمراض يتم تحضينه لعدة أيام. يتم جمع الأجنة ومعالجتها بالتريبسين لتحضير الأرومات الليفية لجنين الكتاكيت لزراعة الخلايا. تتم جميع العمليات في ظل ظروف معقمة صارمة ، يتم إجراؤها بواسطة مشغلين مدربين تدريباً جيداً.

تتم زراعة الخلايا المزروعة في زجاجات دوارة باستخدام مصل عجل الجنين ووسائط هانكس M199 من أجل النمو الأمثل للخلايا. تُصاب خلايا الأرومة الليفية لجنين الكتاكيت بعدوى أخرى بواسطة البذور العاملة الفيروسية ويتم تحضينها لعدة أيام للزراعة الفيروسية. في نهاية الثقافة الفيروسية ، تتعطل الخلايا عن طريق التحلل الميكانيكي لإطلاق الفيروس. يتم تنقية الفيروس بالطرد المركزي والترشيح وتخزينه مجمداً. بعد إطلاق جميع اختبارات مراقبة الجودة ، يتم تصنيع اللقاح بمفرده أو مع لقاح النكاف والحصبة الألمانية وتجفيفه بالتجميد للحصول على المنتج المستقر. يتم إعادة تكوين اللقاح قبل الاستخدام مباشرة.

يستخدم المصنعون الآخرون ركائز خلوية مختلفة على سبيل المثال ، يستخدم معهد المصل في الهند الخلايا ثنائية الصبغيات البشرية لتصنيع لقاح الحصبة (انظر http://www.seruminstitute.com/content/products/product_mvac.htm).

الجسيمات الشبيهة بالفيروسات & # x02013 اللقاحات القائمة

تعتمد اللقاحات الفيروسية التقليدية على سلالات الفيروس الموهنة أو تعطيل الفيروس المعدي. كانت لقاحات الوحيدات القائمة على البروتينات الفيروسية المعبر عنها في أنظمة غير متجانسة فعالة بالنسبة لبعض مسببات الأمراض ، ولكنها غالبًا ما كانت ذات قدرة مناعية ضعيفة بسبب الطي أو التعديل غير الصحيح. تم تصميم 24 جسيمًا شبيهًا بالفيروس (VLPs) لتقليد الهيكل العام لجزيئات الفيروس ، وبالتالي الحفاظ على التشكل المستضدي الأصلي للبروتينات المناعية. تم إنتاج VLPs لمجموعة واسعة من الفيروسات المميزة من الناحية التصنيفية والهيكلية ولها خصائص فريدة القدره مزايا من حيث السلامة والاستمناع على النهج السابقة. 1 توهين أو تعطيل VLP ليس مطلوبًا ، وهذا مهم بشكل خاص حيث يتم تعديل الحواتم بشكل شائع عن طريق علاجات التعطيل. 25 ومع ذلك ، إذا تم استخدام ناقل فيروسي (على سبيل المثال ، فيروس باكول) كنظام تعبير ، فقد يكون التعطيل مطلوبًا إذا لم تستطع عملية التنقية القضاء على النشاط الفيروسي المتبقي.

لكي يكون VLP مرشحًا واقعيًا للقاح ، يجب إنتاجه في نظام تعبير آمن يسهل توسيع نطاقه إلى الإنتاج على نطاق واسع 1 ومن خلال عملية تنقية وإلغاء تنشيط مصاحبة تحافظ على البنية الأصلية والقدرة المناعية وستلبي متطلبات السلطات التنظيمية العالمية اليوم. يقوم عدد من أنظمة التعبير بتصنيع VLPs متعددة الوحدات ، بما في ذلك نظام التعبير baculovirus (BVES) في خلايا Sf9 و High Five ، الإشريكية القولونية ، الرشاشيات النيجر، خلايا مبيض الهامستر الصيني ، خلايا الكبد البشرية ، خلايا الكلى للهامستر ، النباتات المعدلة وراثيا (البطاطس ، التبغ ، فول الصويا) ، S. cerevisiae, بيتشيا باستوريس، خلايا الكلى الجنينية البشرية 293 (HEK293) ، ومسمار الترمس (نظام إنتاج الخلايا النباتية) مع عوائد تتراوح من 0.3 إلى 10 & # x0202f & # x000b5g / mL أو ما يصل إلى 300 إلى 500 & # x0202f & # x000b5g / mL مع بكتريا قولونية و HEK293 (منقى). 2

لقد أثبت اختبار BVES أنه متعدد الاستخدامات تمامًا ، مما يدل على القدرة على إعداد اللقاحات المرشحة لفيروس الورم الحليمي ، والفيروسات الكلورية السنية ، وفيروس التهاب الكبد E ، وفيروس الخنازير ، وفيروس فقر الدم ، وفيروس الخنازير ، و SV40 (فيروس القرد 40) ، وفيروس شلل الأطفال ، وفيروس اللسان الأزرق ، وفيروس الروتا ، والتهاب الكبد الوبائي سي الفيروس ، فيروس نقص المناعة البشرية ، فيروس نقص المناعة القرد ، فيروس نقص المناعة لدى القطط ، فيروس مرض نيوكاسل ، فيروس كورونا المتلازمة التنفسية الحادة الوخيمة (سارس) ، فيروس هانتاان ، فيروس الأنفلونزا أ ، فيروس مرض الجراب المعدي. 1

العديد من الفيروسات المسببة للأمراض ، مثل الأنفلونزا وفيروس نقص المناعة البشرية والتهاب الكبد سي ، محاطة بغشاء يتكون من طبقة ثنائية الدهون مشتقة من الخلية المضيفة ، يتم إدخالها مع طفرات بروتين سكري للفيروس. هذه البروتينات هي أهداف لتحييد الأجسام المضادة وهي مكونات أساسية للقاح. نظرًا للخصائص المتأصلة في الغلاف الدهني ، فإن تجميع VLPs في خلايا الحشرات لهذه اللقاحات الفيروسية يعد نوعًا مختلفًا من التحدي التقني لتلك الفيروسات المنتجة ذات القفيصات المتعددة. 1 بالنسبة لهذه الأهداف ، يعد إنتاج VLPs مهمة صعبة لأن تخليق وتجميع واحد أو أكثر من البروتينات المؤتلفة قد تكون مطلوبة. هذا هو الحال بالنسبة لـ VLPs لفيروس الروتا ، وهو فيروس RNA مع قفيصة مكونة من 1860 مونومر من أربعة بروتينات مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب إنتاج معظم VLP التعبير والتجميع المتزامن للعديد من البروتينات المؤتلفة ، والتي ، في حالة RLP ، يجب أن تحدث في خلية مضيفة واحدة. 26 تنقية VLPs تشكل أيضًا مهمة صعبة بشكل خاص. VLPs هي هياكل بقطر عدة نانومترات وأوزان جزيئية في نطاق 10 6 & # x0202fDa. أيضًا ، لضمان جودة المنتج ، لا يكفي إثبات عدم وجود بروتينات ملوثة ، بل من الضروري أيضًا إظهار أن البروتينات يتم تجميعها بشكل صحيح في VLPs.

يمثل إنتاج HPV VLPs تحديًا آخر. نوع فيروس الورم الحليمي البشري 16 الرئيسي 55 كيلو دالتون بروتين كابسيدات ، L1 ، عند إنتاجه في أنظمة تعبير مؤتلف معينة مثل S. cerevisiae ، يمكن أن تشكل VLPs غير منتظمة الشكل مع توزيع واسع الحجم. هذه HPV VLPs غير مستقرة بطبيعتها وتميل إلى التجمع في المحلول. كان التحدي الأساسي لتطوير تركيبة لقاح فيروس الورم الحليمي البشري هو إعداد محاليل مائية لفيروس الورم الحليمي البشري تكون مستقرة في ظل مجموعة متنوعة من ظروف التنقية والمعالجة والتخزين. من خلال معالجة HPV VLPs من خلال عملية التفكيك وإعادة التجميع ، يتم تحسين استقرار اللقاح وفاعليته في المختبر بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، تم أيضًا تحسين مناعة اللقاح في الجسم الحي بما يصل إلى 10 أضعاف تقريبًا ، كما هو موضح في دراسات فاعلية الفئران. 27 قد يكون تفكيك الجسيمات وإعادة تجميعها مهمًا أيضًا لإزالة البروتينات المتبقية من نظام التعبير أو الخلايا المضيفة المستخدمة في الإنتاج ، وهي تمثل تحديًا جادًا للمعالجة ، خاصة بالنسبة لـ VLPs المغلفة.


أبحاث جنرال إلكتريك تطوير تقنية لقاح الحمض النووي لتمكين الاستجابة السريعة للأمراض المعدية

نيسكايونا ، نيويورك - حصل فريق من علماء جنرال إلكتريك في GE Research في Upstate New York على برنامج مدته سنتان بقيمة 4.7 مليون دولار من DTRA ، وهي وكالة داخل وزارة الدفاع الأمريكية (DOD) ، لتطوير وإثبات تكنولوجيا لقاح الحمض النووي التي ستمكن الوكالة والمجتمع الطبي من الاستجابة بسرعة أكبر للمخاطر البيولوجية الجديدة أو الناشئة.

قال جون نيلسون ، كبير العلماء الرئيسيين في مجموعة الأحياء والفيزياء التطبيقية في GE Research والباحث الرئيسي في برنامج DTRA. "إن استخدام نوعنا الخاص من الحمض النووي في صنع اللقاحات يحمل الكثير من الأمل ، لكنه لا يزال بحاجة إلى إثبات. لدينا آمال كبيرة في أن نتمكن من معالجة الثغرات التقنية المطلوبة لتمهيد الطريق لاستخدامها في المستقبل ".

من خلال جهود نيلسون وآخرين في مجال تكنولوجيا الحمض النووي ، تم إجراء تحسينات كبيرة على مدى العقد الماضي لتسريع تسلسل جينوم الحمض النووي لجعل التكنولوجيا أكثر قابلية للتطبيق لاستخدامها في تطوير اللقاح. تتطور تقنية تسلسل الحمض النووي بسرعة. "قبل 10 سنوات ، كانت تكلفتها 50000 دولار واستغرقت عدة أسابيع لتسلسل جينوم بشري كامل. اليوم ، مقابل بضعة آلاف من الدولارات ، يمكن القيام بذلك في أقل من أسبوعين ، "قال نيلسون. "حاليًا ، في غضون أيام قليلة فقط يمكننا الحصول على التسلسل الكامل لأي مُمْرِض جديد مقابل بضع مئات من الدولارات". هذا يسمح لنا بتصميم لقاح جديد للحمض النووي وتخليق الحمض النووي.

كيف تصنع اللقاحات اليوم

تعتبر عمليات إنشاء لقاحات فيروسات مثل الأنفلونزا معقدة ويمكن أن تستغرق من عدة أشهر إلى سنة. هذا الإطار الزمني الطويل ، بدوره ، يمكن أن يجعل من الصعب إنشاء لقاح فعال. قال نيلسون ، "الفيروسات مثل الإنفلونزا تتغير أو تتغير في خصائصها حيث يتم نقلها من شخص لآخر. اليوم ، يتم تطوير لقاحات الإنفلونزا قبل عام تقريبًا من موسم الإنفلونزا القادم ". قال نيلسون: "يبذل العلماء قصارى جهدهم للتنبؤ بالشكل الذي ستبدو عليه الأنفلونزا ثم تصميم نسخة من الفيروس المقتول لحقنها في أذرع الناس. تكمن المشكلة في أنه بحلول الوقت الذي يُعطى فيه فيروس الأنفلونزا ، ربما تكون صورة فيروس الأنفلونزا قد تغيرت إلى حد كبير لن يكون اللقاح فعالاً في قمع الفيروس. لهذا السبب تسمع عن الأشخاص الذين تلقوا لقاح الإنفلونزا ، لكنهم ما زالوا مصابين بالأنفلونزا ".

تقنية لقاح الحمض النووي الجديدة من GE

تم تطوير تقنية لقاح الحمض النووي على مدى العقدين الماضيين وهي حاليًا في التجارب السريرية البشرية. ومع ذلك ، فإن الحمض النووي المستخدم في الإصدار الحالي مصنوع في الخلايا البكتيرية وهو معقد للغاية ومكلف في التنقية. أخذت GE العملية الخلوية المستخدمة في إخراج الحمض النووي من الخلايا ونقلها إلى طريقة خالية من الخلايا لإنشاء إنزيم الحمض النووي.

تبدأ العملية ببساطة بأخذ مسحة من أنف شخص ما لالتقاط عينة تحتوي على الفيروس. الخطوة التالية هي إرسال العينة إلى المختبر لتسلسل الفيروس وتحديد الجينات للبروتينات السطحية للفيروس. بمجرد حصولك على هذه الجينات ، فإنك تقوم بعد ذلك بإنشاء قطعة من الحمض النووي تقدم إرشادات حول كيفية تحويل الجينات إلى بروتينات. يتم بعد ذلك إنتاج هذا الجزء من الحمض النووي بكميات كبيرة باستخدام طريقة GE ، ويتم صياغته في لقاحات. يتم بعد ذلك وضع لقاح الحمض النووي هذا في عدد قليل من الخلايا البشرية (تمامًا مثل اللقاح الطبيعي في الجلد أو العضلات) ويتم التعبير عنه على مدى بضعة أيام لإنتاج البروتينات الغريبة التي تحفز الاستجابة المناعية للجسم ضد الفيروس.

بالاشتراك مع شركائها في البحث ، مركز ألباني الطبي ، وجامعة واشنطن ، و Profectus Biosciences ومعهد البحوث الطبية للجيش الأمريكي للأمراض المعدية (USAMRIID) ، سيختبر الفريق آليات توصيل لقاح مختلفة لإثبات فعالية هذا الشكل الجديد من الحمض النووي. مصل. يتمثل أحد الأساليب الجديدة في توصيل اللقاح عبر الجلد باستخدام تقنية الموجات فوق الصوتية من GE.

وخلص نيلسون إلى أن "القدرة على تطوير اللقاحات في أيام ، وليس شهور ، ستغير قواعد اللعبة في الطريقة التي يستجيب بها المجتمع الطبي للأمراض المعدية الناشئة حديثًا". "يمكن للنهج التركيبي لشركة جنرال إلكتريك لإنتاج الحمض النووي أن يفتح أيضًا فرصًا جديدة في مجالات أخرى ، بما في ذلك علاج السرطان وأمراض المناعة الذاتية."

حول GE Research

تُعد GE Research مركزًا قويًا للابتكار لشركة GE حيث تلتقي الأبحاث بالواقع. نحن فريق عالمي يضم أكثر من 1000 عقل علمي وهندسي وتسويقي (600+ دكتوراه) ، نعمل في تقاطع الفيزياء والأسواق والتقنيات المادية والرقمية وعبر مجموعة واسعة من الصناعات لتقديم التغيير في العالم ابتكارات وقدرات لعملائنا.


10.2 التكنولوجيا الحيوية في الطب والزراعة

من السهل أن نرى كيف يمكن استخدام التكنولوجيا الحيوية للأغراض الطبية. توفر معرفة التركيب الجيني لجنسنا البشري ، والأساس الجيني للأمراض الوراثية ، واختراع التكنولوجيا لمعالجة الجينات الطافرة وإصلاحها ، طرقًا لعلاج الأمراض. يمكن أن تعزز التكنولوجيا الحيوية في الزراعة مقاومة الأمراض والآفات والضغوط البيئية لتحسين كل من غلة المحاصيل وجودتها.

التشخيص الجيني والعلاج الجيني

تسمى عملية اختبار العيوب الجينية المشتبه بها قبل العلاج بالتشخيص الجيني عن طريق الاختبارات الجينية. في بعض الحالات التي يكون فيها المرض الجيني موجودًا في عائلة الفرد ، قد يُنصح أفراد الأسرة بالخضوع للاختبار الجيني. على سبيل المثال ، الطفرات في BRCA قد تزيد الجينات من احتمالية الإصابة بسرطان الثدي والمبيض لدى النساء وبعض أنواع السرطان الأخرى لدى النساء والرجال. يمكن فحص المرأة المصابة بسرطان الثدي بحثًا عن هذه الطفرات. إذا تم العثور على إحدى الطفرات عالية الخطورة ، فقد ترغب قريباتها أيضًا في أن يتم فحصها بحثًا عن تلك الطفرة المعينة ، أو ببساطة أن تكون أكثر يقظة لحدوث السرطانات. يتم أيضًا إجراء الاختبارات الجينية على الأجنة (أو الأجنة ذات الإخصاب في المختبر) لتحديد وجود أو عدم وجود الجينات المسببة للأمراض في العائلات التي تعاني من أمراض موهنة محددة.

المفاهيم في العمل

انظر كيف يتم استخراج الحمض النووي البشري لاستخدامات مثل الاختبارات الجينية.

العلاج الجيني هو تقنية هندسية وراثية قد تستخدم يومًا ما لعلاج بعض الأمراض الوراثية. في أبسط أشكاله ، يتضمن إدخال جين غير متحور في مكان عشوائي في الجينوم لعلاج مرض عن طريق استبدال بروتين قد يكون غائبًا لدى هؤلاء الأفراد بسبب طفرة جينية. عادةً ما يتم إدخال الجين غير المتحور في الخلايا المريضة كجزء من ناقل ينتقل عن طريق فيروس ، مثل الفيروس الغدي ، الذي يمكن أن يصيب الخلية المضيفة وينقل الحمض النووي الغريب إلى جينوم الخلية المستهدفة (الشكل 10.8). حتى الآن ، كانت العلاجات الجينية إجراءات تجريبية في المقام الأول عند البشر. نجح عدد قليل من هذه العلاجات التجريبية ، ولكن قد تكون الطرق مهمة في المستقبل حيث يتم حل العوامل التي تحد من نجاحها.

إنتاج اللقاحات والمضادات الحيوية والهرمونات

تستخدم استراتيجيات التطعيم التقليدية أشكالًا ضعيفة أو خاملة من الكائنات الحية الدقيقة أو الفيروسات لتحفيز جهاز المناعة. تستخدم التقنيات الحديثة جينات محددة من الكائنات الحية الدقيقة المستنسخة في نواقل وتنتج بكميات كبيرة في البكتيريا لإنتاج كميات كبيرة من مواد معينة لتحفيز جهاز المناعة. ثم يتم استخدام المادة كلقاح. في بعض الحالات ، مثل لقاح الأنفلونزا H1N1 ، تم استخدام الجينات المستنسخة من الفيروس لمكافحة سلالات هذا الفيروس المتغيرة باستمرار.

المضادات الحيوية تقتل البكتيريا وتنتج بشكل طبيعي عن طريق الكائنات الحية الدقيقة مثل فطريات البنسلين ربما يكون المثال الأكثر شهرة. يتم إنتاج المضادات الحيوية على نطاق واسع عن طريق زراعة الخلايا الفطرية ومعالجتها. عادةً ما تم تعديل الخلايا الفطرية وراثيًا لتحسين إنتاج مركب المضاد الحيوي.

تم استخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف لإنتاج كميات كبيرة من هرمون الأنسولين البشري بكتريا قولونية في وقت مبكر يعود إلى عام 1978. في السابق ، كان من الممكن علاج مرض السكري بأنسولين الخنازير فقط ، والذي تسبب في ردود فعل تحسسية لدى العديد من البشر بسبب الاختلافات في جزيء الأنسولين. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم هرمون النمو البشري (HGH) لعلاج اضطرابات النمو عند الأطفال. تم استنساخ جين HGH من مكتبة cDNA (DNA التكميلي) وإدخاله في بكتريا قولونية الخلايا عن طريق استنساخها في ناقلات بكتيرية.

الحيوانات المعدلة وراثيا

على الرغم من أن العديد من البروتينات المؤتلفة المستخدمة في الطب يتم إنتاجها بنجاح في البكتيريا ، إلا أن بعض البروتينات تحتاج إلى مضيف حيواني حقيقي النواة للمعالجة المناسبة. لهذا السبب ، تم استنساخ الجينات والتعبير عنها في حيوانات مثل الأغنام والماعز والدجاج والفئران. تسمى الحيوانات التي تم تعديلها للتعبير عن الحمض النووي المؤتلف حيوانات معدلة وراثيًا (الشكل 10.9).

يتم التعبير عن العديد من البروتينات البشرية في حليب الأغنام والماعز المعدلة وراثيا. في أحد الأمثلة التجارية ، وافقت إدارة الغذاء والدواء على بروتين مضاد للتخثر في الدم يتم إنتاجه في حليب الماعز المعدّل وراثيًا لاستخدامه في البشر. تم استخدام الفئران على نطاق واسع للتعبير عن ودراسة آثار الجينات والطفرات المؤتلفة.

النباتات المعدلة وراثيا

ساعد التلاعب بالحمض النووي للنباتات (تكوين كائنات معدلة وراثيًا أو كائنات معدلة وراثيًا) في خلق سمات مرغوبة مثل مقاومة الأمراض ومبيدات الأعشاب ومقاومة الآفات وقيمة غذائية أفضل ومدة صلاحية أفضل (الشكل 10.10). النباتات هي أهم مصدر للغذاء لسكان البشر. طور المزارعون طرقًا لاختيار أنواع نباتية ذات سمات مرغوبة قبل وقت طويل من تأسيس ممارسات التكنولوجيا الحيوية الحديثة.

تلقت النباتات المعدلة وراثيا DNA من أنواع أخرى. نظرًا لاحتوائها على مجموعات فريدة من الجينات ولا تقتصر على المختبر ، يتم مراقبة النباتات المعدلة وراثيًا والكائنات المعدلة وراثيًا الأخرى عن كثب من قبل الوكالات الحكومية للتأكد من أنها صالحة للاستهلاك البشري ولا تعرض الحياة النباتية والحيوانية الأخرى للخطر. نظرًا لأن الجينات الأجنبية يمكن أن تنتشر إلى أنواع أخرى في البيئة ، خاصة في حبوب اللقاح وبذور النباتات ، يلزم إجراء اختبارات مكثفة لضمان الاستقرار البيئي. كانت المواد الغذائية الأساسية مثل الذرة والبطاطس والطماطم أول نباتات المحاصيل التي تمت هندستها وراثيًا.

تحويل النباتات باستخدام أغروباكتريوم توميفاسيانز

في النباتات ، الأورام التي تسببها البكتيريا أغروباكتريوم توميفاسيانز تحدث عن طريق نقل الحمض النووي من البكتيريا إلى النبات. يعتبر الإدخال الاصطناعي للحمض النووي في الخلايا النباتية أكثر صعوبة منه في الخلايا الحيوانية بسبب جدار الخلية النباتية السميك. استخدم الباحثون النقل الطبيعي للحمض النووي من أجروباكتريوم إلى مضيف نبات لإدخال أجزاء من الحمض النووي من اختيارهم إلى مضيفات النبات. في الطبيعة ، المسببة للأمراض A. الورم لديها مجموعة من البلازميدات التي تحتوي على الجينات التي تندمج في جينوم الخلية النباتية المصابة. يتلاعب الباحثون بالبلازميدات لحمل جزء الحمض النووي المطلوب وإدخاله في جينوم النبات.

المبيد الحشري العضوي Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis (Bt) is a bacterium that produces protein crystals that are toxic to many insect species that feed on plants. Insects that have eaten Bt toxin stop feeding on the plants within a few hours. After the toxin is activated in the intestines of the insects, death occurs within a couple of days. The crystal toxin genes have been cloned from the bacterium and introduced into plants, therefore allowing plants to produce their own crystal Bt toxin that acts against insects. Bt toxin is safe for the environment and non-toxic to mammals (including humans). As a result, it has been approved for use by organic farmers as a natural insecticide. There is some concern, however, that insects may evolve resistance to the Bt toxin in the same way that bacteria evolve resistance to antibiotics.

FlavrSavr Tomato

The first GM crop to be introduced into the market was the FlavrSavr Tomato produced in 1994. Molecular genetic technology was used to slow down the process of softening and rotting caused by fungal infections, which led to increased shelf life of the GM tomatoes. Additional genetic modification improved the flavor of this tomato. The FlavrSavr tomato did not successfully stay in the market because of problems maintaining and shipping the crop.


Rapid-response technology could produce billions of vaccine doses fast enough to stop the next pandemic

James Swartz operating a bioreactor that his lab uses to grow cells from which cell extracts used for CFPS are prepared. Credit: Andrew Brodhead

Ever since the COVID-19 pandemic began more than a year ago, public health officials, scientists and policy leaders have struggled to contain the viral contagion that has claimed more than 2.4 million lives worldwide and caused global economic upheaval.

This should never happen again, says Stanford bioengineer James Swartz, who has spent more than a dozen years laying the groundwork for a novel vaccine technology designed to stop viral outbreaks by inoculating millions, indeed billions, of people within weeks.

Swartz praised the current COVID-19 vaccines as unprecedented scientific and medical achievements, developed as they were with unparalleled haste and global collaboration, but what he's proposing now is even more ambitious: a radically new vaccine design and ultrafast biomanufacturing process so effective that global herd immunity could be established before a pandemic could even start.

To make good on this promise, Swartz envisions a two-stage program. Stage one would involve making bioparticles designed to carry the active ingredient for the new vaccine, testing these delivery agents for safety and then stockpiling the bioparticles without a medical payload until a pandemic threatened. The beginning of stage two would resemble the process used to create current COVID-19 vaccines, with scientists racing to identify unique molecular fingerprints, or antigens, that can be used to target the dangerous virus. Only this time, there will be a rapid-response biomanufacturing system poised to load the antigens onto the bioparticles. That could make all the difference, Swartz said, and allow a rapid-response vaccine to potentially be tested for efficacy and transformed into billions of injection-ready doses within weeks.

But two big obstacles stand in the way. First, Swartz has based his approach on an only partially-proven technology called cell-free protein synthesis that represents a complete break with the bio-processing techniques that have been used to make protein medicines for the last 40 years. Second, his radical idea faces the harsh, economic realities of pharmaceutical development: though the rewards for success could prove extraordinary, the costs of taking the risky project from conception to injection have so far proven insurmountable. Swartz figures he needs $10 million now to fund more extensive animal experiments, that build on the preliminary work he has already done, in order to establish the likelihood of eventual success. Should those animal experiments provide a tentative green light, at least another $30 million would be required to carry out human clinical trials to test the safety and efficacy of trial vaccines. And should all of this go well over the next four or five years, Swartz would then have to convince pharmaceutical manufacturers to invest $250 million or more to build sufficient bio-processing capability to make good his plan to inoculate the world in a hurry when threats emerge.

"I've kept this project alive with my own personal money at times, but I've taken it about as far as I can alone," said Swartz. "I know my proposal is expensive and faces many unknowns, but the question we should ask is what will happen if we don't do this, or something like it, and the next pandemic catches us unprepared?"

Swartz's approach hearkens back to the 1960s when molecular biologists started conducting early DNA experiments to figure out how genes made proteins, the complex biomolecules that perform multiple functions inside cells. The experimental technique they used was a process called cell-free protein synthesis, or CFPS. Scientists identified the basic bio-machinery that cells use to make proteins, extracted these bare-bones components from cells and put them into test tubes. A CFPS system includes three components: a gene to direct the protein-making process bio-machines called ribosomes and chaperone molecules that have the dual purpose of assembling amino acids, like chains, to form proteins and then folding these protein chains into whatever shape the gene dictated and, finally, the CFPS process requires the bio-fuels ATP and GTP to provide power. By the 1970s and 1980s, as CFPS revealed more about how proteins are made, scientists learned how to splice genes into living cells to give their biomachinery the blueprints for making medicinal proteins. CFPS continued as a research tool, and biotech startups focused on turning live cells into medicine-making biofactories.

A cross-sectional illustration of stockpiled bioparticle without a medical payload (left) and a bioparticle that has been “activated” (right) by attaching antigens that mirror parts of a dangerous virus that the vaccine will protect against. Credit: Farrin Abbott

It was at this critical juncture, in 1981, that Swartz joined a fledgling firm called Genentech and learned how to make protein medicines in cells. His first project was helping the then-startup company produce human growth hormone (HGH), a protein secreted by the pituitary gland to stimulate the growth of bone and cartilage. Over the next 17 years, Swartz became adept at cell-based biotechnology, which involved splicing bits of human DNA into fast-growing bacterial or, sometimes, mammalian cells that were grown in large vats. As the gene-spliced cells multiplied, they made copies of medicinal proteins that could be harvested and purified for use. But Swartz also came to learn what could go wrong, particularly with the crucial step of folding proteins, origami style, into the precise shape needed to achieve their therapeutic purpose. "We had to control a chemical assembly process inside cells that weren't built to accommodate what we wanted to make," Swartz said. "If something went wrong in our process, we would end up with a vat of proteins that weren't folded properly and were useless."

He left Genentech to join the Stanford faculty in 1998 to reinvent biomanufacturing by, paradoxically, taking it back to the CFPS style of protein making, by putting the bare-bones protein-making machinery into vats rather than petri dishes. In 2003, Swartz's lab showed how industrial-scale CFPS systems could make and fold proteins more reliably and cost-effectively than prevailing cell-based technologies. He then co-founded a biotech startup that has licensed the CFPS process from Stanford and has used it to make four protein-based, cancer-fighting therapies that are in early-stage human clinical trials. The trials are a partial vindication for CFPS, but still shy of the full validation that would occur if or when the U.S. Food and Drug Administration approves bio-medicines made using his new approach.

Meanwhile, another event in 2003—the first SARS outbreak in China—got Swartz wondering whether CFPS might be useful for mass-producing vaccines. In 2008, he and former Stanford graduate student Brad Bundy co-authored a paper postulating that CFPS was "well suited for producing versatile protein-based nanoparticles"—VLPs (virus-like particles) for short—providing the intellectual framework for the two-stage, rapid response vaccine technology for which he now hopes to garner support. In a 2015 paper, his lab showed how to remodel and repurpose the inner shell of a common virus making a VLP that resembles a tiny soccer ball with spikes. The spikes are convenient attachment points for antigens and other molecular bells and whistles, making the VLP so obnoxious that the immune system regards any virus resembling it as an enemy, and creates antibodies to render the infectious invader incapable of attacking our cells.

Swartz has already conducted small-scale animal tests on the rapid response technology and had produced promising results when the new coronavirus caused the COVID-19 pandemic. Now his hope is to get the funding in place to test his approach in more animals, and then in humans, loading the VLPs with antigens to known viral infections for which no vaccine currently exists. One such candidate would be chikungunya, a mosquito-borne viral infection prevalent in Africa, Asia and India that causes fever and joint pain. These human trials would be designed to prove the safety of VLP delivered vaccines for people in general and demonstrate that this approach would be efficacious. Pending a successful outcome, Swartz would still have to persuade pharmaceutical companies to build CFPS production plants to stockpile billions of doses of VLPs ready for activation when it became necessary.

Swartz estimates all of that will take about six years. But with luck, that could still be enough time for his rapid-response technology to be ready before the next pandemic-grade virus hits. Things could proceed swiftly after that: Immunologists could identify an effective antigen within a couple of weeks. Biotech engineers could retrieve the stockpiled VLPs and hook the newly produced antigens onto the spikes. Since the prior clinical trials would have already proven the safety of VLP vaccines produced by CFPS, the new, pandemic-stopping vaccine could be given on a trial basis to high-risk individuals at the epicenter of the contagion, to further confirm safety and begin testing the efficacy of the antigen. In a best-case scenario, Swartz estimates that billions of doses could be produced within six weeks. Even if the response took twice as long as projected, he says it would still be at least five times faster than current COVID-19 vaccine development and production processes.

Swartz knows it's premature for biotech firms to undertake a project facing so many hurdles, and a stretch even for funding agencies to underwrite the considerable upfront costs of validating or negating his approach. But as he sees it, the current pandemic has proven the need for this new approach. Now is the time for bioengineers to retool the 40-year-old technology for making protein-based therapies. He is eager to complete the mission that brought him to Stanford more than two decades ago.

"If we have the will, this could be how we make sure that the world never has to suffer a pandemic like COVID-19 again," he said.


How are vaccines mass-produced? - مادة الاحياء

Houston, TX 77204-5017 Fax: 713.743.8199

للنشر الفوري
December 22, 2004

Contact : Lisa Merkl
713.743.8192 (office)
713.605.1757 (pager)

INEXPENSIVE, MASS-PRODUCED GENES CORE OF SYNTHETIC BIOLOGY ADVANCES AT UH
Professor Xiaolian Gao’s Research Unlocks Potential for New Medications, Vaccines and Diagnostics

HOUSTON, Dec. 22, 2004 – Devices the size of a pager now have greater capabilities than computers that once occupied an entire room. Similar advances are being made in the emerging field of synthetic biology at the University of Houston, now allowing researchers to inexpensively program the chemical synthesis of entire genes on a single microchip.

Xiaolian Gao, a professor in the department of biology and biochemistry at UH, works at the leading edge of this field. Her recent findings on how to mass produce multiple genes on a single chip are described in a paper titled “Accurate multiplex gene synthesis from programmable DNA microchips,” appearing in the current issue of Nature, the weekly scientific journal for biological and physical sciences research.

“Synthetic genes are like a box of Lego building blocks,” Gao said. “Their organization is very complex, even in simple organisms. By making programmed synthesis of genes economical, we can provide more efficient tools to aid the efforts of researchers to understand the molecular mechanisms that regulate biological systems. There are many potential biochemical and biomedical applications.”

Most immediately, examples include understanding the regulation of gene function. Down the road, these efforts will improve health care, medicine and the environment at a fundamental level.

Using current methods, programmed synthesis of a typical gene costs thousands of dollars. Thus, the prospect of creating the most primitive of living organisms, which requires synthesis of several thousand genes, would be prohibitive, costing millions of dollars and years of time. The system developed by Gao and her partners employs digital technology similar to that used in making computer chips and thereby reduces cost and time factors drastically. Gao’s group estimates that the new technology will be about one hundred times more cost- and time-efficient than current technologies.

With this discovery, Gao and her colleagues have developed a technology with the potential to make complete functioning organisms that can produce energy, neutralize toxins and make drugs and artificial genes that could eventually be used in gene therapy procedures. Gene therapy is a promising approach to the treatment of genetic disorders, debilitating neurological diseases such as Parkinson’s and endocrine disorders such as diabetes. This technology may therefore yield profound benefits for human health and quality of life.

“The technology developed by Dr. Gao and her collaborators has the potential to make research that many of us could only dream about both plausible and cost effective,” said Stuart Dryer, chair of the department of biology and biochemistry at UH. “In my own research on neurological diseases, we’ve often wished we could rapidly synthesize many variations of large naturally occurring genes. The costs of current technology have prevented us from doing this, but Dr. Gao’s research will break down that barrier.”

This technology offers tremendous potential benefits, as synthetic genes could allow for development and production of safer, less toxic proteins that are currently used in disease treatment. It also could allow for production of large molecules that do not occur naturally, but that are needed for new generations of vaccines and therapeutic agents, including vaccines for HIV and other viral diseases. This technology also will facilitate development of new medications through the creation of humanized yet synthetic antibodies that could be especially useful in detection and treatment of infectious organisms that could be used by terrorists.

Gao’s co-authors include Erdogan Gulari and Xiaochuan Zhou from the University of Michigan and George Church of Harvard University. Gao, Gulari and Zhou are partners in Atactic Technologies, a company that produces and markets products for life sciences research. Atactic Technologies currently holds the license to this breakthrough technology, called picoarray gene synthesis. UH and the University of Michigan are co-holders of the patents to these DNA microchip technologies.

Prior to coming to UH in 1992, Gao was a senior investigator at Glaxo Research Laboratory and received her postdoctoral training at Columbia University, her doctorate from Rutgers University and bachelor of science from the Beijing Institute of Chemical Technology. She is an expert in nucleic acid chemistry, biomolecular nuclear magnetic resonance technology, structural biological chemistry and combinatorial chemistry. Research in her lab involves the interface of chemistry and biological sciences. Holding patents in biochip technologies, Gao is currently focusing on understanding the relationships of function and structure of complex genomes of humans and other species. Gao’s research has been funded by the National Institutes of Health, the Welch Foundation, the Texas Higher Education Coordinating Board, the National Foundation for Cancer Research, the Merck Genomic Research Institute and the Defense Advanced Research Projects Agency.

About the University of Houston
The University of Houston, Texas’ premier metropolitan research and teaching institution, is home to more than 40 research centers and institutes and sponsors more than 300 partnerships with corporate, civic and governmental entities. UH, the most diverse research university in the country, stands at the forefront of education, research and service with more than 35,000 students.


Inexpensive, Mass-produced Genes At Core Of Synthetic Biology Advances At UH

HOUSTON, Dec. 22, 2004 &ndash Devices the size of a pager now have greater capabilities than computers that once occupied an entire room. Similar advances are being made in the emerging field of synthetic biology at the University of Houston, now allowing researchers to inexpensively program the chemical synthesis of entire genes on a single microchip.

Xiaolian Gao, a professor in the department of biology and biochemistry at UH, works at the leading edge of this field. Her recent findings on how to mass produce multiple genes on a single chip are described in a paper titled "Accurate multiplex gene synthesis from programmable DNA microchips," appearing in the current issue of Nature, the weekly scientific journal for biological and physical sciences research.

"Synthetic genes are like a box of Lego building blocks," Gao said. "Their organization is very complex, even in simple organisms. By making programmed synthesis of genes economical, we can provide more efficient tools to aid the efforts of researchers to understand the molecular mechanisms that regulate biological systems. There are many potential biochemical and biomedical applications."

Most immediately, examples include understanding the regulation of gene function. Down the road, these efforts will improve health care, medicine and the environment at a fundamental level.

Using current methods, programmed synthesis of a typical gene costs thousands of dollars. Thus, the prospect of creating the most primitive of living organisms, which requires synthesis of several thousand genes, would be prohibitive, costing millions of dollars and years of time. The system developed by Gao and her partners employs digital technology similar to that used in making computer chips and thereby reduces cost and time factors drastically. Gao's group estimates that the new technology will be about one hundred times more cost- and time-efficient than current technologies.

With this discovery, Gao and her colleagues have developed a technology with the potential to make complete functioning organisms that can produce energy, neutralize toxins and make drugs and artificial genes that could eventually be used in gene therapy procedures. Gene therapy is a promising approach to the treatment of genetic disorders, debilitating neurological diseases such as Parkinson's and endocrine disorders such as diabetes. This technology may therefore yield profound benefits for human health and quality of life.

"The technology developed by Dr. Gao and her collaborators has the potential to make research that many of us could only dream about both plausible and cost effective," said Stuart Dryer, chair of the department of biology and biochemistry at UH. "In my own research on neurological diseases, we've often wished we could rapidly synthesize many variations of large naturally occurring genes. The costs of current technology have prevented us from doing this, but Dr. Gao's research will break down that barrier."

This technology offers tremendous potential benefits, as synthetic genes could allow for development and production of safer, less toxic proteins that are currently used in disease treatment. It also could allow for production of large molecules that do not occur naturally, but that are needed for new generations of vaccines and therapeutic agents, including vaccines for HIV and other viral diseases. This technology also will facilitate development of new medications through the creation of humanized yet synthetic antibodies that could be especially useful in detection and treatment of infectious organisms that could be used by terrorists.

Gao's co-authors include Erdogan Gulari and Xiaochuan Zhou from the University of Michigan and George Church of Harvard University. Gao, Gulari and Zhou are partners in Atactic Technologies, a company that produces and markets products for life sciences research. Atactic Technologies currently holds the license to this breakthrough technology, called picoarray gene synthesis. UH and the University of Michigan are co-holders of the patents to these DNA microchip technologies.

Prior to coming to UH in 1992, Gao was a senior investigator at Glaxo Research Laboratory and received her postdoctoral training at Columbia University, her doctorate from Rutgers University and bachelor of science from the Beijing Institute of Chemical Technology. She is an expert in nucleic acid chemistry, biomolecular nuclear magnetic resonance technology, structural biological chemistry and combinatorial chemistry. Research in her lab involves the interface of chemistry and biological sciences. Holding patents in biochip technologies, her current focus is to understand the relationships of function and structure of complex genomes of humans and other species. Gao's research has been funded by the National Institutes of Health, the Welsh Foundation, the Texas Higher Education Coordinating Board, the National Foundation for Cancer Research, the Merck Genomic Research Institute and the Defense Advanced Research Projects Agency.

About the University of Houston

The University of Houston, Texas' premier metropolitan research and teaching institution, is home to more than 40 research centers and institutes and sponsors more than 300 partnerships with corporate, civic and governmental entities. UH, the most diverse research university in the country, stands at the forefront of education, research and service with more than 35,000 students.

مصدر القصة:

المواد المقدمة من University Of Houston. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.


Lyme Disease Vaccine Proteins Patented

Scientists at the U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory and collaborators at Stony Brook University have received U.S. Patent Number 7,179,448 for developing chimeric, or "combination," proteins that may advance the development of vaccines and diagnostic tests for Lyme disease.

The genetically engineered proteins combine pieces of two proteins that are normally present on the surface of the bacterium that causes Lyme disease, but at different parts of the organism&rsquos life cycle. "Combining pieces of these two proteins into one chimeric protein should trigger a 'one-two-punch' immune response more capable of fending off the bacterium than either protein alone," says Brookhaven biologist John Dunn, a researcher on the BNL Lyme disease team. "These chimeric proteins could also be used as diagnostic reagents that distinguish disease-causing strains of bacteria from relatively harmless ones, and help assess the severity of an infection," Dunn said.

Lyme disease is the most common vector-borne disease in the U.S., causing approximately 25,000 new cases each year &mdash a rate that is expected to increase by at least a third from 2002 to 2012, according to a new study. Early symptoms of the disease, which is spread by the bite of an infected deer tick, include a bull's-eye rash at the site of the bite and flu-like symptoms. If not promptly treated with antibiotics, it can lead to more serious symptoms, including joint and neurological complications.

Scientists have been working on vaccines based on the structures of proteins found on the outer surface of Borrelia burgdoferi, the bacterium that causes Lyme disease. Dunn and colleagues deciphered the atomic level structures of these proteins, known as outer surface proteins A and C (OspA and OspC), at the National Synchrotron Light Source (NSLS) at Brookhaven Lab. The OspA protein, which was used to make the original vaccine against Lyme disease, is only present in the bacteria while they are in the cold-blooded deer tick&rsquos stomach, and not in the host. After the tick bites a warm-blooded mammalian host, the injected bacteria produce OspC on their surface.

With the aim of developing a vaccine that would trigger an immune response against both these life cycle stages, Dunn's team used methods of recombinant DNA to create new proteins that combine the most immunogenic portions of OspA and OspC &mdash that is, the regions of the two proteins that are most likely to trigger an immune response.

The researchers have demonstrated that the new combination proteins retain the ability to trigger an immune response to at least one or both of the antigens, and can trigger the production of antibodies that inhibit growth of and/or kill Borrelia bacteria in laboratory cultures. They've also shown that the chimeric proteins can be mass-produced in E. coli bacteria, a common laboratory technique for making proteins, and easily purified for possible use in vaccines or diagnostic assays.

"This could lead to a vaccine that is effective at different stages of the organism&rsquos life cycle," said Dunn. Moreover, by incorporating unique protein fragments from various pathogenic families of Borrelia, these chimeric proteins could be used to distinguish clinically important exposure to disease-causing Borrelia from exposures to other non-pathogenic families of Borrelia.

The patent covers the development of the chimeric proteins themselves, the nucleic acids (genetic material) used to generate the proteins, the methods used to make the proteins, the methods used to deliver either the proteins or nucleic acids, the use of the proteins in diagnostic assays or kits, and their use in animals and humans as vaccines against Lyme disease.