生物制药

关于生物制药性质：选修学时：32学分：2考核方式：闭卷参考教材：夏焕章、熊宗贵，生物技术制药（第2版），高等教育出版社，2006；熊宗贵，生物技术制药，高等教育出版社，1999前言当今世界七大高新技术分别是：现代生物技术航天技术信息技术激光技术自动化技术新能源技术新材料技术现代生物技术列在七大高新技术的首位。它在解决人类所面临的诸如食物短缺、人类健康、环境污染和资源匮乏等重大问题上有着不可比拟的优越性。就学科内容来说：生物技术是以基因工程为主导；以发酵工程为基础；包括细胞工程、酶工程、生化工程，随着生物科学的发展，又衍生出第二代、第三代的蛋白质工程、抗体工程、海洋生物技术等。就产业来说：生物技术涉及制药工业、化学工业、食品工业、环境保护、农作物育种与病虫害防治、能源开发等。第一章绪论本章主要内容一、生物技术发展简史二、生物制药的概念和内容三、新型生物药物研制的理论和方法四、生物制药技术新进展一、生物技术发展简史生物技术是人类对生物资源（微生物、动植物）的利用、改造并为人类服务的技术，它的发展已有几千年的历史，将其发展过程按技术特征可分为三个阶段。1、传统生物技术阶段2、近代生物技术阶段3、现代生物技术阶段1、传统生物技术阶段出现在公元前几千年，直到20世纪30年代。主要是酿造技术，当时人们只知道酿造技术，但不知道这些技术的内在原因。1680年出现了显微镜。1857年用实验方法证明了酒精发酵与酵母菌有关。1897年揭开发酵现象的奥秘。酶至20世纪30年代该阶段的产品：乳酸、酒精、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶。该阶段生产的特点：过程简单，大多数属于兼气发酵或表面培养，生产设备要求不高，产品化学结构简单，属于初级代谢产物。2、近代生物技术阶段20世纪40年代。第二次世界大战的爆发，急需疗效好、毒副作用小的抗细菌感染药物，出现了青霉素。产品价格昂贵，随着发酵新技术的出现，又相继发现了链霉素、红霉素、金霉素等药物。该阶段的主要产品：医药：抗生素、维生素、甾体、氨基酸；食品工业：酶制剂、食用氨基酸、酵母、啤酒；化工业：酒精、丙酮、丁醇、沼气；农林业：农药；环境保护业：生物治理污染。（1）产品类型多，初级（氨基酸、酶、有机酸）；次级（抗生素）；生物转化（甾体）。（2）生物技术要求高，纯种、无菌、通气、产品质量要求也高。（3）生产设备规模大，常用500m3，最大2000m3。（4）技术发展速度快，如青霉素菌种，初期200单位/ml，目前8万单位/ml形成了交叉学科——生化工程。该阶段生物技术的特点3、现代生物技术阶段标志，1953年美国Watson和英国的Crick共同提出了DNA的双螺旋结构，揭开了生命科学划时代的一页。此后，又相继出现了一系列新发现和新进展，遗传中心法则，破译遗传密码，基因重组，单克隆抗体，DNA测序，动植物细胞培养技术。DNA的双螺旋结构根据实验研究表明，基因表达即遗传信息的传递路线是：DNA→RNA（mRNA）→蛋白质→生物性状遗传的中心法则二、生物制药的概念和内容生物技术制药采用现代生物技术人为地创造一些条件，借助某些微生物、植物或动物来生产所需的医药品。生物技术药物采用DNA重组技术、单克隆抗体技术或其它生物新技术研制的蛋白质或核酸类药物。化学药物、生物药物与中草药是人类防病治疗的三大药源．生物技术药物与天然生化药物、微生物药物、海洋药物和生物制品统称为生物药物生物药物四类：基因重组多肽、蛋白类治疗剂；基因药物；天然生物药物；合成与部分合成的生物药物。生物制药技术：是一门讲述生物药物，尤其是生物工程相关药物的研制原理、生产工艺及分离纯化技术的应用学科。生物制药的发展历史1796年，发明了用牛痘疫苗治疗天花，从此用生物制品预防传染病得以肯定。1860年，发现了细菌，开创了第一次药学革命，为抗生素的发现奠定了基础。1941年青霉素开发成功，标志着抗生素时代的开创，推动了发酵工业的快速发展。50年代是抗生素发现的黄金时代，各种不同类型的抗生素被相继发现；同期又发现了黑根霉可进一步转化孕酮成11α-羟基孕酮，从而使考的松大量生产。在抗生素新药的研制中开始采用HTS（Highthroughputscreening）技术。生物制药的发展历史60年代以来，从生物体内分离纯化酶制剂的技术日趋成熟，酶类药物得到广泛应用。70年代开始研究应用植物细胞培养生产植物药物。1983年，日本首先实现了紫草细胞培养工业化生产紫草素。80年代，人们开始认识到微生物除了能生产抗生素外，还能产生酶抑制剂、免疫调节物质和作用于神经系统、循环系统、抗组胺、消炎的药物。生物制药的发展历史1982年，第一个基因工程药物人胰岛素上市。10年后，已上市的基因工程活性肽、活性蛋白已有19种。80年代末和90年代初，基因治疗和糖链工程开始进入实用化发展时期。生物制药理论的另一重大认识就是认识到生物多样性对生物制药的决定性影响，如高效抗癌药紫杉醇的发现来自偶然。另外，人类基因库的多样性为寻找疾病基因，从而为以后的新药研制与开发奠定了基础。我国自70年代末80年代初开始进行现代生物技术的研究与开发。我国在基因工程和细胞工程技术方面的研究水平与国外先进水平相比差距已不大，中下游技术有了很大的进展，国内已建立了40多个临床药理试验基地，若干个生物工程中试基地。大中型制药企业已开始投人开发。生物技术药品开始实现产业化。生物制药的发展历史1996统计资料表明：研究开发的生物技术药物品种63%在北美，25%在欧洲，7%在日本，5%在世界其它地方。生物技术药品市场45%在美国，28%在欧洲，37%在世界各地，通过对各国生物技术及其产品的专利申请分析进一步表明欧美在生物技术的研究开发中占有很大比重。表1世界生物技术专利分布（1996年）地区或国家生物技术专利/%药物专利/%人DNA序列专利/%美国(USA)595140欧洲(Europe)193324日本(Japan)171233其它(Other)543总计(Total)100100100生物制药的发展历史卫生部科技司于修成对全国除西藏以外的３０个省份卫生系统中有条件开展生物技术的单位最近５～１０年（截至２００４年）的研究现况进行了问卷调查。调查结果显示，我国各地区生物医药技术的发展不平衡，与各地区经济发展水平呈正相关；研究人才梯队已经初步形成，结构比较合理，学科带头人以国内培养占据绝对优势；项目资金投入相差很大，总体上投入力度不够，政府资金支持仍居主导地位；自主开发项目的专利申请数量很少，反映出专利意识不强；各地区对生命伦理认知有明显差异，半数以上单位未设立医学伦理委员会。从研究文献发表情况看，我国干细胞研究文献数量已经接近美国，基因治疗和组织工程方面研究文献量已经超过美国，但基因诊断文献量远远落后于美国。生物制药的研究内容(1)发酵工程制药(2)基因工程制药(3)细胞工程制药(4)酶工程制药发酵工程制药发酵工程制药是指利用微生物代谢过程生产药物的技术。此类药物有抗生素、维生素、氨基酸、核酸有关物质、有机酸、辅酶、酶抑制剂、激素、免疫调节物质以及其他生理活性物质。主要研究微生物菌种筛选和改良、发酵工艺的研究、产品后处理即分离纯化等问题。当今重组DNA技术在微生物菌种改良中起着越来越重要的作用。基因工程制药基因工程制药是指利用重组DNA技术生产蛋白质或多肽类药物。这些药物常是一些人体内的活性因子，如干扰素、胰岛素、白细胞介素2、EPO等。主要研究相应基因的鉴定、克隆、基因载体的构建与导入、目的产物的表达及分离纯化等问题。现在正兴起的基因治疗是这—技术的一个新领域。1989年，我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物——重组人干扰素αlb，标志着我国生产的基因工程药物实现了零的突破。重组人干扰素αlb是世界上第一个采用中国人基因克隆和表达的基因工程药物，也是我国自主研制成功的拥有自主知识产权的基因工程一类新药。细胞工程制药细胞工程制药是利用动、植物细胞培养生产药物的技术。利用动物细胞培养可生产人类生理活性因子、疫苗、单克隆抗体等产品；利用植物细胞培养可大量生产经济价值较高的植物有效成分，也可生产人活性因子、疫苗等重组DNA产品。现今重组DNA技术已用来构建能高效生产药物的动、植物细胞株系或构建能产生原植物中没有的新结构化合物的植物细胞系。它主要研究动、植物细胞高产株系的筛选、培养条件的优化以及产物的分离纯化等问题。酶工程制药酶工程制药是将酶或活细胞固定化后用于药品生产的技术。它除了能全程合成药物分子外，还能用于药物的转化，如我国成功地利用微生物两步转化法生产维生素C。它主要研究酶的来源、酶(或细胞)固定化、酶反应器及相应操作条件等。酶工程生产药物具有生产工艺结构紧凑、目的产物产量高，产物回收容易，可重复生产等优点。酶工程作为发酵工程的替代者，其应用具有广阔的前景。生物技术制药的特性高技术高投入长周期高风险高收益三、新型生物药物研制的理论和方法（一）概述（二）新药研究和开发的主要过程（三）先导化合物的寻找（一）概述新型生物药物是指利用生物体或生物过程产生的结构新颖的药物。结构新颖是指与以前药物有着不同的化学结构，是一种新的化学实体(Newchemicalentity，简称NCE)。这类新型生物药物国家认定为一类新药。国际上所说的新药开发就是指开发NCE药物。生物药物分类根据NCE来源分一类是利用重组DNA技术，向大肠杆菌、酵母、动物、植物细胞中导入目的基因，构建重组细胞，生产目的基因编码的蛋白质类、多肽类药物或疫苗，或将一些特殊基因及基因片段导入宿主细胞后使宿主细胞产生原来不能产生的蛋白质，获得新功能，或阻遏宿主细胞基因的复制、转录、翻译等，抑制其功能，甚至杀死宿主细胞，这就是常说的基因治疗。另一类是利用微生物、动植物或酶生产的非上述药品，通过筛选可获得这类新药的NCE的先异物(Leadcompound)。这类药物种类繁多，包括传统的利用发酵工程生产的药物和直接从动植物中提取的天然药品等。（二）新药研究和开发的主要过程(1)确定研究计划要综合考虑医疗、市场、化学的评估，文献状况，专利的检索，结构的选择，合成的前景等因素。(2)准备化合物文献研究，合成或分离，结构鉴定，标准化，专利申请，对研究目标的复核等。以上两个环节需占用l～2年的时间，需准备6000～8000个化合物供筛选。(3)药理筛选。(4)化学试验活性成分的分析。(5)临床前Ⅰ期(PreclinicalI)进一步药理研究包括毒性(2种动物)及活性成分的稳定性。(6)临床前Ⅱ期(PreclinicalⅡ)进一步药理研究包括亚急性毒性(2种动物)、畸胎学研究、药物动力学、动物体内的吸收和排泄、剂型的研究与开发、包装与保存期的研究。以上几个环节占用2～3年的时间，化合物分别剩下大约20个、18个和12个。(10)注册申请上市经政府药政部门批准后提供治疗应用。这一过程需2～3年。(11)售后监测(Post－marketingsurveillance)根据情况进行药理试验、毒性试验、特殊试验和药物动力学试验；对副作用的报告进行收集、评价和鉴别；对药品生产进行质量控制，制剂的生产和包装。可见，一个新药的问世要提供6000～8000个化学物质．经历9～13年的时间，耗资约2.3亿美元。系统性从纵的方面看主要是若干个环节紧密的衔接和重叠，横的方向主要表现为多种学科相互之间的渗透性和协同性。（三）先导化合物的寻找在整个新药的研究和开发中，先导化合物的发现是决定以后研究与开发的首要因素，要找到一个好的先导化合物，需要建立好的筛选模型和寻找尽可能多的化合物来源。先导化合物的筛选是一项复杂的系统工程，常需要对几个学科同时进行研究。先导化合物是指具有某种生物活性的化学结构,由于其活性不强,选择性低,吸收性差,或毒性较大等缺点,不能直接药用。但作为新的结构类型和线索物质,对其进行结构变换和修饰,可得到具有优良药理作用的药