自1923年胰岛素首次作为挽救生命的药物进入临床以来,多肽类药物已走过百余年的发展历程。凭借其高特异性、强生物活性及较低系统毒性,多肽药物在治疗代谢性疾病、癌症及免疫系统疾病领域展现了巨大潜力。尤其在过去十年,GLP-1受体激动剂如司美格鲁肽(Semaglutide)在糖尿病和肥胖症治疗中取得显著成功,使多肽药物的研发与生产成为制药行业焦点。然而,随着多肽分子链长与结构的复杂性增加,如何实现高效、经济且可持续的规模化生产,成为行业面临的核心挑战。
多肽制备看似简单的酰胺键构建,实则蕴含复杂化学物理难题。目前,行业内主流的生产手段包括固相多肽合成(SPPS)和液相多肽合成(LPPS)。SPPS技术凭借其成熟的理论和易自动化的特点,在短链多肽及含非天然氨基酸的序列合成中具有优势。然而,化学合成的局限性也很明显:随着氨基酸序列的增加,每步合成的损耗导致总产率下降,尤其对于超过20-25个氨基酸的长链多肽,其生产成本大幅上升。此外,化学合成过程中大量使用有机溶剂,不仅增加了API成本,更对环境造成负担。
在此背景下,重组脱氧核糖核酸(rDNA)技术——发酵技术,展现出卓越的商业价值与技术优势。不同于化学合成,发酵技术通过工程化改造的细菌或酵母作为“微型工厂”,利用生物合成机制精准编码复杂的长链多肽。发酵生产成本与多肽链长度无关,使得GLP-1等长链多肽在经济上更具竞争力。更重要的是,发酵过程以水为介质,主要消耗糖源等可再生资源,废弃物具良好的生物降解性,大大提升生产的生态友好度。
从重组人胰岛素的诞生到GLP-1药物的全球供应,发酵技术的规模放大不仅解决了复杂分子的制备问题,还通过生命周期评价等工具实现了工艺优化,在能源节约与水资源利用方面表现出色。发酵技术与化学合成并非简单替代,而是在药物生产领域各司其职。随着全球市场对长链、高活性多肽需求的持续增加,深入研究发酵技术的规模化放大及其在环境和经济层面的可持续性,将成为推动生物医药行业发展的关键动力。
重组DNA技术引领的胰岛素生产革命
从早期动物脏器提取,到如今的大规模发酵,人胰岛素的生产工艺经历了从“资源受限”到“精准智造”的历史性转变。1922年后的数十年里,尽管牛源和猪源胰岛素挽救了无数生命,但动物蛋白引起的免疫排斥反应一直困扰患者。1982年,首个重组人胰岛素(Humulin)获美国FDA批准上市,标志着制药工业告别了依赖屠宰场原材料的时代,进入了以重组脱氧核糖核酸(rDNA)技术为核心的生产新纪元。
重组胰岛素的生产主要依赖大肠杆菌和酵母等微生物表达系统。早期工艺采用“分而治之”策略,即在大肠杆菌中分别表达胰岛素A链与B链,再通过化学氧化手段在体外连接形成二硫键。然而,这种方法繁琐且效率较低。随后引入了“胰岛素原(Proinsulin)”路径:通过将编码胰岛素原的cDNA整合入宿主细胞,直接表达出单链前体分子,经过折叠自然形成正确的二硫键。生产过程中,包涵体沉积于细胞内,经过溶解、复性与蛋白水解消化,即可获得与人体天然分泌序列一致的成熟胰岛素。
随着工艺不断改进,真核表达系统逐渐展现独特优势。与大肠杆菌需破碎细胞提取包涵体不同,酵母系统具有强大的分泌能力,能将合成的多肽直接排放至发酵液中,简化了下游纯化流程。特别是毕赤酵母系统,凭借其强效启动子和高细胞培养密度,能高效表达目标蛋白。这种生产模式不仅在可持续性上优于传统动物提取法,而且由于培养基简单且无动物源病毒风险,确保了产品的高纯度和质量一致性。如今,基于rDNA技术的工业化生产已成为全球胰岛素供应的基石,使这种核心激素以可负担的成本跨越地域限制,惠及全球数千万糖尿病患者。
GLP-1 类似物的半重组发酵与绿色制造
如果说人胰岛素的重组生产开启了生物制药的先河,那么以利拉鲁肽(Liraglutide)和司美格鲁肽(Semaglutide)为代表的GLP-1受体激动剂,则将发酵技术在多肽生产中的应用推向了精密制造的新高度。作为调节血糖与减重的现象级药物,GLP-1类似物的分子结构较天然GLP-1更为复杂,且临床需求已达到公吨级。面对化学合成(SPPS)带来的高昂溶剂成本与环境负担,基于重组DNA(rDNA)技术的发酵工艺不仅解决了规模化放大的难题,还通过“生物表达+化学修饰”的杂交路径,达成了经济性与可持续性的双重突破。
利拉鲁肽与天然GLP-1有97%的序列同源性,这为其采用全生物合成路径提供了基础。在商业化生产中,工程化酿酒酵母或大肠杆菌被广泛用作“微型工厂”。以酵母系统为例,研究者通过基因工程将目标多肽序列整合至宿主基因组。为了避免宿主内源性蛋白酶对目标分子的降解,并提升其稳定性,工艺中常使用多组氨酸标签、泛素或硫氧还蛋白作为融合蛋白载体。发酵阶段结束后,酵母通过其优异的分泌能力,将目标肽直接释放到培养液中。接着,通过调节pH值(通常在碱性环境下逆转多肽的聚集倾向),结合离心与反相高效液相色谱纯化,生产商能够以极低的成本获得高质量的多肽前体。相较于固相合成中使用大量有机溶剂的过程,这种以水为介质、糖源为能量的生产模式展现出显著的生态优势。
然而,由于GLP-1类似物包含特定的脂肪酸侧链修饰,而天然微生物无法直接合成含有非天然修饰的氨基酸,因此“半重组”工艺成为行业标准。利拉鲁肽制备的核心在于第26位赖氨酸(Lys26)的酰化。在纯化出的生物骨架基础上,工程师通过pH控制技术实现精准的化学修饰。通过在pH 10.5–11.5的碱性环境下反应,可以利用不同氨基残基质子化状态的差异,确保脂肪酸侧链仅偶联在Lys26位点,同时保护N端的组氨酸不受影响。对于结构更复杂的司美格鲁肽,其第8位引入了非天然氨基酸Aib,因此工艺演变为“片段偶联”模式:先由发酵获得缺失末端的小段骨架,再通过化学法补齐含有非天然组分的二肽或四肽片段。这种“生物搭台、化学唱戏”的策略,完美平衡了生物发酵的高通量与化学合成的灵活性。
重组多肽发酵工艺的规模放大与稳健性设计
在生物医药行业,一个多肽候选药物能否成功从研发走向量产,关键在于其工艺的“可放大性”。规模放大并非简单的体积等比例增加,而是一个涉及生物反应动力学、流体力学及传质传热复杂变化的系统工程。无论是大肠杆菌还是酵母体系,放大过程中每个细微偏差都可能导致产率下降、杂质谱变化甚至批次失败。因此,构建稳健的放大模型并准确识别关键工艺参数,是确保多肽原料药质量一致性的基石。
在上游发酵阶段,传质平衡是确保可靠放大的首要因素,其中体积氧气传递系数(kLa)尤为关键。在大规模发酵罐中,氧气往往因气液接触效率下降而成为限制性营养物质。为了保持细胞代谢的稳定性,工艺开发者通常会根据恒定kLa或恒定单位体积功率输入(P/V)标准进行设备匹配。对于大肠杆菌体系,必须通过精准进料策略严格控制生长速率,以防局部养分堆积引发质粒丢失或包涵体过度聚集。对于分泌型的真核酵母系统,放大过程则更具挑战性,需要注意氧气限制引起的代谢副产物(如乙醇)累积,这会直接影响蛋白折叠与分泌。随着规模增大,发酵罐比表面积减小,散热效率降低,因此对于涉及甲醇诱导的工艺,必须配备高性能冷却设施和安全防爆措施,以应对代谢产热。
在下游工艺进入规模化阶段后,效率优化与物理稳定性的维持成为核心。下游工艺的首要目标是实现高效体积缩减以提升经济性。对于胞内表达系统,通常采用高压均质等机械手段进行细胞破裂;而对于酵母分泌工艺,切向流过滤(TFF)技术因其卓越的可放大性成为首选。在TFF操作中,混合物平行于膜表面流动,通过调节跨膜压力实现稳定过滤通量,有效避免传统过滤中常见的滤饼层堆积问题。在随后的纯化环节,捕获层析利用目标肽与功能化吸附剂(如IMAC金属螯合填料)间的特异性结合,能够快速缩减体积并去除内毒素、宿主蛋白等杂质。为了提升纯化效率,工艺中常将多肽表达为带有特定标签的融合蛋白,这虽然增加了标签去除的步骤,但在稳定性提升和纯化便捷性上的收益通常大大超过成本。
在实验室向工厂转化过程中,时间尺度的延长带来了诸多不确定性。工艺开发人员必须意识到,工厂环境下物料的周转时间远超实验室,要求对产品在各个中间阶段的化学和物理稳定性有深入理解。局部pH梯度波动、浓度不均匀或物理剪切力等因素可能引发多肽聚集、沉淀甚至微细纤维化,导致严重产量损失。
为应对这些复杂的放大变量,现代工艺开发高度依赖质量源于设计(QbD)理念与实验设计(DoE)统计工具。通过DoE实验,研究人员不再仅关注某个“最佳点”,而是界定出可行的工艺区域。这一“设计空间”的建立使得在实际工厂操作中,即使面对不同批次原材料的微小差异或设备性能波动,操作者仍能在受控范围内调整参数,确保每批多肽原料药符合严格的质量标准。这一系统性的放大逻辑是确保多肽药物从实验室走向全球市场的核心驱动力。
培养至21天后产量停止增加,最终培养体积达到2.3L,收获上清1.8L,产物浓度21.7g/L。N阶段活细胞密度和活率见
基于发酵的工艺在多肽制造中的可持续性优势
在追求高效生产的同时,制药工业面临着前所未有的环保压力。传统的多肽药物化学合成方法(如SPPS)因消耗大量有毒有机溶剂(如DMF、DCM)而饱受诟病。相比之下,微生物发酵技术凭借其天然的“绿色”属性,正在成为实现生物制药可持续发展的核心路径。根据“绿色化学12条原则”的评估,微生物发酵在溶剂安全性、原子经济性和资源可再生性等方面表现出卓越的优势,被广泛认同为一种环境友好型技术。
发酵工艺的核心优势在于其溶剂和原料的选择。在发酵过程中,唯一使用的溶剂是水,这完全消除了化学合成中常见的毒性和易燃风险。由于多肽骨架的合成依赖于微生物体内的酶催化,这些“自然催化剂”具有极高的选择性,无需额外的化学保护和去保护步骤,从而实现了极高的原子经济性。此外,发酵所需的原料主要为糖类等可再生资源,基本不依赖化石基材料。这意味着,发酵工艺在原料投入到产物生成的整个生命周期中,显著降低了环境负担。尽管发酵工艺耗水量较大,但其废弃物经灭活处理后具有良好的生物降解性,可以直接进入市政污水处理系统,显著优于化学合成过程中产生的难以处理的有害化学废物。
然而,要实现极致的可持续性,仍需对工艺进行深度优化。提升生产效率并降低环境影响的关键在于改造生产宿主,创造“超级菌株”。通过减少代谢负荷(例如将重组基因整合到染色体中而非维持质粒),微生物可以将更多能量用于目标多肽的合成。同时,优化培养基至关重要。例如,利用农业副产物如甘油替代昂贵的葡萄糖作为碳源,不仅能降低成本,还能实现资源循环利用。在水资源管理方面,随着生产规模的扩大,提高水的循环利用率和热能回收效率已成为工业放大的关键。
能源消耗也是影响发酵工艺生命周期评价的重要因素。尽管高密度培养需要通过高速搅拌来满足氧气需求,从而增加了峰值功耗,但通过缩短发酵周期(如利用生长速率较快的大肠杆菌)或使用创新的高效搅拌桨(如低能耗混合设备替代传统搅拌器),可以显著降低总能耗。目前,领先企业已成功开发出连续发酵工艺,用于胰岛素和GLP-1的生产,通过维持稳定的生产状态,进一步降低了单位产品的资源消耗。
因此,微生物发酵技术不仅为复杂多肽药物的规模化生产提供了可能,也通过其低毒、高效和可再生的特性,完美契合了绿色化学的发展趋势。随着菌株工程和发酵罐技术的不断进步,发酵工艺将继续引领生物医药产业向更加清洁、低碳和可持续的未来转型。
总结
从胰岛素的历史突破到 GLP-1 类似物的规模化奇迹,发酵技术已证明其在多肽制造中不可替代的地位。展望未来,非天然氨基酸的定点引入正逐步打破生物技术与化学合成的边界,而生物信息学与化学信息学的融合,则为工艺开发提供了“理性设计”的蓝图。这些前沿技术的成熟,不仅将显著缩短研发周期、减少物料浪费,更将引领多肽药物生产进入更高效、更绿色、更具确定性的新阶段。
作为生物工艺解决方案的专家,多宁生物致力于为基于发酵技术的多肽生产提供从实验室研发到商业化量产的全流程支持。在上游发酵阶段,我们提供极具灵活性且易于放大的实验室台式发酵罐,以及符合 cGMP 标准的大规模不锈钢发酵系统,确保关键参数在规模放大过程中的高度一致。针对大肠杆菌等胞内表达体系,多宁先进的高压均质机技术可实现高效的细胞破碎与目标产物释放。在下游纯化环节,多宁凭借自主研发的中空纤维切向流过滤(TFF)技术,助力客户在澄清与浓缩过程中实现卓越的通量与回收率。同时,我们丰富的层析填料产品线,专为多肽药物的高分辨率纯化而设计,能够精准去除复杂杂质,确保原料药达到严苛的纯度标准。多宁生物以一站式的集成方案,助力生物制药企业在多肽赛道上实现更简单、更快速的规模化跨越。
DuoBioX® Elite系列平行发酵罐系统
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参考文献:
D.Zalai, J.Kopp, B.Kozma, et al., Microbial technologies for biotherapeutics production: Key tools for advanced biopharmaceutical process development and control. Drug Discovery Today: Technologies, 2020.
M.Chen, J.Xia, Optimization parameters for efficient scale-up of fermentation process. Scale-up and Chemical Process for Microbial Production of Plant-Derived Bioactive Compounds, 2024.
P.P.Rao, Revolutionizing obesity treatment: The emerging role of GLP-1 receptor agonists and next-generation pharmacotherapies. Obesity Medicine, 2026.
S.R.Kumar, E.Shukla, G.Pandey, High Cell Density Fermentation Strategy for High-Level Soluble Expression of Glucagon-like Peptide-1 Analogue in Escherichia coli. Fermentation, 2026.
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