獸用疫苗抗原分離純化技術

嚴 石,潘春剛,張 健,許 磊,宋 芳,潘京學,楊小蓉,劉兆環,楊君敬

(1.中牧實業股份有限公司,北京 豐臺 100070；2.農業農村部獸用生物制品與化學藥品重點實驗室,北京 海淀 100095)

近年來,隨著生物技術的快速發展,運用一系列的技術手段,已設計、制造出多種生物制品。其研發、生產過程大致包括上、下游兩個階段,上游是運用生物技術手段研制目標產物,下游是指對目標產物的料液進行前處理、濃縮純化等一系列過程。目前,生物制品上游技術發展較快,而下游分離純化技術發展相對滯后。許多生物制品在實驗室已研制成功,卻無法向工業化規模生產的方向邁進。

獸用生物制品是作為生物技術領域的一類重要產品,就全球范圍而言,其市場一直保持著平穩較快的增長,銷售額每年持續增加,市場需求量巨大。

1 國外獸用疫苗的現狀與優勢

在國外,生物技術的進步推動著動物保健產業的快速發展,同時應用于獸用制品領域,以此不斷推出功能更強、效果更好、副作用更低的生物制品,如：獸用疫苗。國外企業已研制出各類獸用疫苗已相繼投入市場,其產品主要在提高有效抗原含量方面研究的越來越深入,即在蛋白分離純化方面,處于絕對優勢。

2 國內獸用疫苗存在的問題

近年來,國外企業的獸用疫苗產品陸續投放到國內市場,銷量不斷增加,其產品具有性狀穩定、均一、安全、高效特點,使得國內企業面臨巨大的生存壓力。在借鑒國外先進經驗、技術的前提下,雖然我國獸用疫苗產業得到了一定程度的發展,仍普遍存在管理模式落后、基礎設施薄弱、生產條件不高等一系列問題。另外,各企業產品種類雖有所增加,仍存在產品結構不合理、同質化嚴重、科技創新程度不高的問題。部分企業由于對新工藝的開發研究和關注較少,導致部分產品的質量不穩定、雜蛋白含量高、抗原含量低、免疫保護率低等問題,基于上述原因,國內企業亟待調整產品的結構和工藝,以下游生產工藝為切入點,重點提高抗原有效含量、降低產品的雜蛋白含量為目標,開展純化工藝技術的研究。

由于獸用產品近幾年才開展分離純化技術與工藝,本人在借鑒人用產品、并與獸用產品結合,進行了純化技術工藝的綜述,為獸用疫苗抗原分離純化的研究與應用提供支持。

3 獸用抗原純化的方法

獸用疫苗抗原作為蛋白質,在組成成分、物理、化學、生物性狀等方面都存在著諸多差異,其對應的分離純化方法各異。首先要了解目標蛋白性狀諸如溶解度、分子大小、等電點、穩定性、電荷差異等一系列性狀,再制定合理的分離純化步驟、方法,具體步驟、方法視產品而定。

3.1 獸用抗原的前處理 分離純化目標蛋白首先要將其從原組織或細胞中釋放出來,并保持原有的活性。根據目標料液性質不同,采取前處理的方式不同。例如,機械破碎法、滲透破碎法、反復凍融法、超聲波振蕩、研磨、高壓擠壓或酶處理等方法,破碎后,選擇適當緩沖系統將目標蛋白提取出來,細胞碎片等大顆粒不溶物通過離心、過濾或者微濾的方法除去。

3.2 獸用抗原的分離純化

3.2.1 根據分子大小不同進行分離純化 蛋白質作為一類重要的生物大分子,根據不同分子大小,可以利用一些方法使其和其他物質分開,達到分離的目的。主要有透析、超濾、密度梯度離心和凝膠過濾等。

透析過濾是分離常用的方法。透析是將待分離的混合物放入半透膜制成透析袋中,再浸入透析液達到分離的目的。

超濾是一種加壓膜分離技術,即在一定的壓力下,使小分子溶質和溶劑穿過一定孔徑的特制的薄膜,而使大分子溶質不能透過,留在膜的一邊,從而使大分子物質得到了部分的純化。王繼華等[1]在口蹄疫二價滅活疫苗抗原濃縮純化工藝中使用超濾技術可有效降低免疫副反應。劉國英[2]在偽狂犬病抗原純化濃縮工藝研究中使用超濾技術濃縮10倍雜蛋白去除率約90%。

密度梯度離心是用一定的介質在離心管內形成-連續或不連續的密度梯度,將蛋白混懸液或勻漿置于介質的頂部,通過重力或離心力場的作用使細胞分層、分離。這類分離又可分為速度沉降和等密度沉降平衡兩種。密度梯度離心常用的介質為氯化銫、蔗糖和多聚蔗糖。有報道Barteling等[3]建立的定量口蹄疫病毒146S蔗糖密度梯度離心法。另外高順平[4]等通過蔗糖密度梯度離心技術純化山羊痘病毒,病毒得到有效富集,病毒顆粒完整。

凝膠過濾又稱分子排阻層析,利用某些凝膠對不同組分因分子大小不同而阻滯作用不同的差異而進行分離的一門層析技術。原理是把不同目標蛋白流經凝膠層析柱時,比凝膠珠孔徑大的分子不能進入珠內結構,被排阻珠外,隨著溶劑在凝膠珠之間的空隙向下運動并最先流出柱外,比凝膠珠孔徑小的蛋白隨著溶劑在珠孔內部的流動后流出柱外。目前常用的凝膠有交聯葡聚糖凝膠、聚丙烯酰胺凝膠和瓊脂糖凝膠等。凝膠過濾在獸用疫苗產品應用得不多,主要集中在人用領域。

3.2.2 根據溶解度不同進行分離純化 影響目的蛋白溶解度的因素有很多,如溶液的pH值、離子強度、介電常數和溫度等。但在同一條件下,不同蛋白抗原結構的不同溶解度各異,根據具體分子結構的特點,適當的改變外部條件,選擇性地控制目標蛋白溶解度,達到分離的目的。常用的方法有等電點沉淀、調節pH值、蛋白質的鹽溶和鹽析、有機溶劑沉淀。

等電點沉淀和pH值調節是最常用的方法。每種蛋白抗原都有自己的等電點,在等電點時溶解度最低；另外有些蛋白抗原在一定pH值時很容易溶解,可以通過適時的調節溶液pH值來達到分離純化效果。

鹽溶和鹽析是中性鹽顯著影響球狀蛋白溶解度的現象,其中,增加蛋白溶解度的現象稱鹽溶,反之為鹽析。鹽溶有增加蛋白質溶解度的作用,用適量鹽離子的緩沖液能從生物樣本中提取更多蛋白質。鹽析是根據蛋白質分子表面疏水基團含量不同,溶解度不同,被沉淀下來所需的中性鹽濃度不同。利用鹽溶和鹽析對蛋白進行提純后,通常要使用透析或者凝膠過濾的方法除去中性鹽。

有機溶劑沉淀指與水互溶的有機溶劑如甲醇、乙醇、丙酮,在高濃度下使蛋白質產生沉淀。在加入大量比水介電常數低的有機溶劑,蛋白質表面水化層被破壞,蛋白質沉淀析出。例如在冰浴中磁力棒攪拌下,在4℃預冷的培養液中緩慢加入乙醇(-25℃),可以使冰核蛋白析出,從而純化冰核蛋白[5]。冷乙醇法是目前WHO規程和中國生物制品規程推薦的方法,不僅分辨率高、提純效果好、可同時分離多種血漿成分,而且有抑菌、清除和滅病毒的作用[6]。值得注意的是,在室溫下,有機溶劑引起蛋白的沉淀同時,容易變性。因此,通常要將有機溶劑冷卻,不斷攪拌加入,防止其變性。

3.2.3 根據電荷不同進行分離純化 根據目標蛋白的電荷性質不同,分離方法有電泳和離子交換層析兩類。

在外電場的作用下,帶電顆粒將向著與其電性相反的電極方向移動,這種現象稱為電泳。包括如下幾種常用的電泳技術：聚丙烯酰胺電泳是一種以聚丙烯酰胺凝膠為介質的區帶電泳,常用于分離蛋白質。它的優點是設備簡單、操作方便、樣品用量少。等電聚焦電泳是根據蛋白質等電點不同而分離、鑒定蛋白質的一種電泳技術,既可分離蛋白質,也可以用于蛋自質的等電點測定。孫臣忠等[7]研究了聚丙烯酰胺電泳、等電聚焦電泳在分離純化蛋白質中應用。雙向電泳是一種在二維方向上對同一蛋白樣品先后進行不同性質的電泳,目的是分離高分辨率的蛋白質。

離子交換層析是以離子交換劑為固定相,依據流動相中的組分離子與交換劑上的平衡離子進行可逆交換時結合力大小的差別而進行分離的一種層析方法。離子交換層析中,基質由帶有電荷的樹脂或纖維素組成。帶有正電荷的為陰離子交換樹脂；反之為陽離子交換樹脂。離子交換層析同樣可以用于目標蛋白的分離純化。

3.2.4 根據生物分子的特異親和力進行分離純化 親和層析是利用生物大分子與某些相對應的專一分子特異識別和可逆結合的特性而建立起來的一種分離生物大分子的層析方法。只需一步處理即可得到純度較高的某種蛋白質。它是根據不同蛋白質對特定配體的特異而非共價結合的能力不同進行蛋白質分離的。近年來,親和層析技術被廣泛應用于靶標蛋白,特別是在融合蛋白的分離純化上,因為融合蛋白具有特異性結合能力[8]。親和層析在基因工程亞單位疫苗的分離純化中應用也相當廣泛[9]。范繼業等[10]利用殼聚糖親和層析提取的抑肽酶的回收率達到62.5%。

3.2.5 根據蛋白質吸附特性分離蛋白質 疏水層析利用固定相載體上偶聯的疏水性配基與流動相中的一些疏水分子發生可逆性結合而進行分離。該方法基于的是蛋白質的疏水差異,在高鹽溶液中,蛋白質與疏水配基相結合,而其他的雜蛋白則沒有此種性質,利用此種性質,可以將蛋白質初步的分離,用于鹽析之后的蛋白質進一步提純。

4 結語

在實際工作中,很難用單一的方法來實現目標蛋白的分離純化,往往要綜合幾種方法才能分離出一種目標蛋白。理想的分離提純方法,要求產品純度和回收率越高越好,但實際上兩者難以兼顧,因此,考慮分離提純的條件和方法時,在兩者之間作適當的選擇。