卢冠达博士开发按需生产药物的便携设备

　　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CRISPR研究的重要成果。

　　该系统是基于一个可编程的酵母菌株——毕赤酵母（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，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。”