生物技术制药

前言1999年熊宗贵教授主编的《生物技术制药》是国内第一本阐述生物技术制药基本原理的教材。本教材是修订版，以医药生物技术为基础，系统介绍生物技术药物的研究、开发和制造方法，反映生物技术制药领域的新进展。内容包括绪论、基因工程制药、动物细胞制药、植物细胞制药、抗体制药、酶工程制药和发酵工程制药等7章。第一章绪论第一节生物技术的发展史第二节生物技术药物第三节生物技术制药第一节生物技术的发展史生物技术微电子技术新材料新能源二十一世纪科学技术的核心影响国计民生的四大科学技术支柱生物技术(biotechnology)以生命科学为基础,利用生物体(或生物组织、细胞及其组分)的特性和功能,设计构建具有预期性状的新物种或新品系,并与工程相结合,利用这样的新物种(或品系)进行加工生产,为社会提供商品和服务的一个综合性的技术体系.生物技术主要技术范畴基因工程细胞工程酶工程发酵工程生化工程第一代生物技术蛋白质工程(proteinengineering)在基因工程基础上综合蛋白质化学、蛋白质晶体学、计算机学辅助设计等知识和技术发展起来的研究新领域,开创了按人类意愿设计和研制人类需要的蛋白质的新时期,被称为第二代基因工程,第二代生物技术.糖链工程将糖生物学的各种知识具体应用到生物技术领域后形成的一个新领域.在细胞表层存在的糖蛋白和糖脂等糖链化合物对生命信息的传递有着重要作用,是各种生物生存所不可缺少的.海洋生物技术第三代生物技术微生物动植物陆地生物海洋和空间生物生物技术主要相关学科生物学工程学医学药学化学分子生物学微生物学遗传学化学工程电子工程生物技术是一门多学科的综合技术体系生物信息学计算机科学＋生命科学生命现象和疾病的发生过程发现更好的新药生物学家药物学家生物技术的发展简史近代生物技术传统生物技术现代生物技术传统生物技术酿造技术微生物活酵母乙醇发酵死酵母糖发酵成乙醇酶揭示发酵现象的奥秘近代生物技术微生物发酵技术青霉素医用氨基酸酶制剂链霉素食用氨基酸金霉素红霉素抗生素工业氨基酸发酵工业酶制剂工业近代生物技术产业产品抗生素维生素甾体激素氨基酸医药业轻工食品业工业酶制剂食用氨基酸酵母啤酒化工业乙醇丙酮丁醇沼气农林业农用抗生素环保业生物治理污染近代生物技术时期特点产品类型多初级代谢产物次级代谢产物生物转化酶反应氨基酸有机酸酶制剂抗生素多糖甾体化合物的转化6-氨基青霉烷酸的酰化反应生产技术要求高纯种无杂菌无菌空气产品质量要求高发酵过程生产设备规模大5m3500m32000m3发酵罐搅拌通气罐气升式发酵罐单细胞蛋白工厂技术发展速度快青霉菌发酵效价200U/ml80000U/ml菌种活力和性能生化工程=生物学科+化工学科现代生物技术DNA互补双螺旋结构DNA重组技术单克隆抗体技术在大肠杆菌中表达出胰岛素PCR方法问世培养出第一只克隆羊多莉人类基因组草图完成中国研制的重组腺病毒-p53注射液获新药证书1953年1974年1975年1978年1988年1997年2001年2003年主要发现和进展现代生物技术主要发展趋势基因操作技术日新月异,不断完善新技术,新方法迅速进入市场加以应用基因工程药物和疫苗的研究、开发突飞猛进主要发展趋势新的生物治疗制剂产业化前景光明转基因植物和动物取得重大突破现代生物技术在农业上的应用带来新的飞跃阐明生物体基因组及其蛋白质的编码与功能是生命科学发展的主流方向基因治疗取得重大进展,将革新疾病的预防和治疗蛋白质工程是基因工程的发展,将和分子生物学、结构生物学、计算机技术形成高度综合的学科.信息技术的飞跃发展渗透到生命科学领域中,形成生物信息学.主要发展趋势第二节生物技术药物一、生物技术药物的分类生物技术制药生物技术药物采用现代生物技术，可以人为地创造一些条件，借助某些微生物、植物或动物生产所需的医药品，称为生物技术制药。一般来说，采用DNA重组技术或其他生物新技术研制的蛋白质或核酸类药物，称为生物技术药物。现代生物药物分类应用重组DNA技术制造的基因重组多肽、蛋白质类治疗剂。基因药物，如基因治疗剂、基因疫苗、反义药物和核酶等。来自动物、植物和微生物的天然生物药物。合成与部分合成的生物药物第一类第二类第三类第四类现代生物药物治疗药物预防药物诊断药物生物药物以其独特的生理调节作用，对糖尿病、免疫缺陷病、心脑血管病、内分泌障碍及肿瘤等的治疗效果是其他药物无法替代的。预防是控制感染性疾病传播的有效手段，常见的预防药物有各种疫苗、类毒素等。在疾病的预防方面只有生物药物可担此任。有免疫诊断试剂、酶诊断试剂、单克隆抗体诊断试剂、放射性诊断药物和基因诊断药物。生物诊断药物具有速度快、灵敏度高、特异性强的特点。二、生物技术药物的特性分子结构复杂生物药物是应用基因修饰活的生物体产生的蛋白质或多肽类产物，或依据目的基因化学合成互补的寡核苷酸，所获产品往往相对分子量较大，并具有复杂的分子结构。特性一有种属特异性特性二生物药物的药理活性与动物种属及组织特异性有关。来自人源基因编码的蛋白质或多肽类药物，与动物相应蛋白或多肽的同源性有很大差别，对一些动物无药理活性或不敏感。特性三治疗针对性强，疗效高生物药物是天然存在的蛋白质或多肽，量微而活性强，用量极少就会产生显著的效应，相对来说它的不良反应较少，毒性较低，安全性较高。稳定性差特性四蛋白质和多肽药物较不稳定，易变性，易失活，也易为微生物污染或酶解破坏。基因稳定性特性五生产菌种及细胞系的稳定性和生产条件的稳定性非常重要。如果发生变异，将导致药物生物活性的变化或产生意外的或不希望的一些生物活性。免疫原性特性六许多来源于人的生物药物，在动物中有免疫原性，所以在动物中重复给予这类药品将产生抗体。有些人源性蛋白在人体中也能产生血清抗体，可能是重组药物蛋白质在结构及构型上与人体天然蛋白质有所不同所致。体内半衰期短特性七.生物药物降解迅速,在体内的降解部位广泛。受体效应特性八生物技术药物是通过与特异性受体结合,信号传导机制而发挥药理作用,且受体分布具有动物种属特异性和组织特异性,所以药物在体内分布有组织特异性和药效反应快的特点.多效性和网络性效应特性九许多生物药物可以作用于多种组织和细胞,且在人体内相互诱生,相互调节,彼此协同或拮抗,形成网络性效应,因而可具有多种功能,发挥多种药理作用.检验的特殊性特性十生产系统的复杂性,使生物药物的同源性,批次间一致性及安全性的变化要大于化学产品,所以对生产过程的检测,GMP步骤的要求和质控的要求更为重要和严格.第三节生物技术制药一、生物技术制药的特征高技术高知识层次人才高新的技术手段知识密集,技术含量高,多学科高度综合互相渗透的新兴产业上游技术:目的基因合成、纯化、测序,基因的克隆、导入,工程菌的培养和筛选.下游技术:目的蛋白的纯化及工艺放大,产品质量的检测及保证基因工程药物高投入新产品的研究开发及医药厂房的建造和设备仪器的配置国外研究开发一个新的生物药物的平均费用为1亿～3亿美元.并随着新药开发难度的增加而增加(有的高达6亿美元).一些大型生物制药公司的研究开发费用占销售额的比率超过40%.雄厚的资金是生物药品开发成功的必要保障.长周期8～10年试验室研究阶段中试生产阶段临床试验阶段(I、II、III期)规模化生产阶段市场商品化阶段药政审批程序高风险多步骤、多环节耗资巨大的系统工程某些药物的“两重性”会在使用过程中出现不良反应而需重新评价成功率仅有5%～10%研制时间8～10年投资1亿～3亿高收益利润回报率高社会需求量大可以大量廉价生产形成技术垄断优势在疾病治疗,预防,诊断中有重要价值的药品,如激素、淋巴因子、神经多肽、调节蛋白、酶类和凝血因子等人体活性多肽及某些疫苗由于材料来源困难或技术问题无法研制成功,或因药源有限供不应求,或不良反应多,疗效不佳.二、生物技术在制药中的应用基因工程制药细胞工程制药酶工程制药发酵工程制药生物技术用于制药工业基因工程制药途径用克隆的基因表达生产有用的肽类和蛋白质药物或疫苗利用基因工程技术改造传统的制药工业基因工程技术在医药工业中的应用基因工程药物品种的开发1mg生长激素抑制素10万只羊的下丘脑10L大肠杆菌培养液传统技术基因工程技术1基因工程疫苗乙肝疫苗从患者血液分离乙肝病毒的表面抗原传统生物技术克隆得到病毒编码的HbsAg的基因,使其表达获得大量HbsAg用作乙肝疫苗基因工程技术甲型肝炎巨细胞病毒流行性出血热轮状病毒细菌性腹泻2基因工程抗体抗体工程通过原核生物细胞或昆虫细胞表达抗体的小分子有效部位进行大规模廉价生产,可用作导向药物的载体.传统细胞融合杂交瘤技术基因工程技术计算机辅助设计抗体多为鼠源性,用于人体会产生排斥反应.制备人源抗体十分困难.不经过杂交瘤技术直接获得特定的人抗体基因克隆用DNA重组技术将鼠源性抗体基因人源化,放入表达载体,表达产生人源化抗体.3基因诊断与基因治疗基因诊断基因治疗利用基因克隆和基因分析的手段得到与人类疾病有关的基因异常变化以及致病微生物基因结构方面的知识,就有可能用检测和分析基因的方法去诊断疾病.对与疾病相关的基因及其调控了解,就有可能导入外源目的基因去纠正基因缺陷或改变基因表达调控以期达到治疗疾病的目的.4基因治疗范围肿瘤细胞有多种基因的改变,基因治疗如P53抑癌基因、ras癌基因等肿瘤性疾病遗传物质缺陷所致疾病,通过基因治疗可以修正、补充或取消致病基因遗传性疾病如糖尿病、高血压、动脉硬化多基因遗传性疾病导入一些病原体基因,刺激机体产生特异的免疫力,抵抗这些病菌的侵袭.基因疫苗建立新药筛选模型5酶筛选模型受体筛选模型靶酶活性中心受体的配体或亚基靶酶β-肾上腺受体,5-HT受体改良菌种6应用基因工程技术改造产生新的杂合抗生素,为微生物药物提供新的来源.构建新的工程菌创造新的抗菌化合物改进药物生产工艺用带关键酶基因的质粒转化菌种,增加菌种中关键酶基因拷贝和转录水平.抑制菌种中多余成分的表达,提高主要产物的产量,同时使提取精制半合成等后处理工序变得更方便.将血红蛋白基因克隆进菌种后可提高菌种对缺氧环境的耐受力,减少缺氧限制因素的影响和节约能量.相关应用7利用转基因动植物生产蛋白质类药物8将人的基因转入植物以获得治疗用途的药物在其基因组内稳定地整合有外源基因,并能遗传给后代的动物.转基因植物将克隆的生长激素基因用显微注射方法直接导入小鼠受精卵细胞核内,转基因小鼠的肝、肌、心组织都能产生生长激素。将人抗体基因转入烟草,从烟草中能提取得到人的抗体蛋白。表皮生长因子、促红细胞生成素、生长激素及干扰素都在转基因植物得到表达。转基因动物生物药物的新一代药厂新的基因工程药物虽然不断涌现，但已应用的还是少数，即使已批准投入市场的基因工程药物，有的疗效还不很理想。由于基因导入后在基因组上的定位整合等知识和技术尚不成熟，目前转基因的工作还很盲目，成功率还很低。有待于进行更多扎实的基础研究，了解更多分子遗传学方面的知识，并改进和创建新的技术，逐步实现按人们的意志去获得新品种和新物种。细胞工程制药基本认识动植物细胞可以通过无性繁殖扩大群体数量同时保持本身遗传性状一致细胞培养通过容纳两种亲本细胞的基因载体-染色体而具有亲本双方的优良性状细胞融合单克隆抗体技术免疫学中的“革命”细胞水平上的生物工程单克隆抗体技术将能在体外无限繁殖的恶性肿瘤细胞与能产生单一抗体的淋巴细胞融合，使融合细胞具有两种亲本细胞特性的技术诊断流感病毒类型和狂犬病治疗抗体与药物结合，能定位杀灭肿瘤细胞，避免和减少对正常细胞的伤害，大大减少抗癌药物的不良反应。生物导弹动物细胞培养通过大量的细胞培养获得细胞产品鹿茸细胞病毒抗原的制备和疫苗的生产带状疱疹水痘传染性肝炎疫苗植物细胞培养生产次生代谢产物日本利用紫草细胞培养工业化生产紫草素，是世界上第一个利用植物细胞培养工业化生产次生代谢产物的例子。培养中由于细胞变异以及培养条件的影响，可能产生自然界不存在的新的药物。特殊设计适于植物细胞培养的发酵罐酶工程制药酶工程利用酶或细胞、细胞器所具有的催化功能用于药品工业化生产、监测的技术称为酶工程。微生物转化固相酶酶膜反应器溶剂工程原生质体融合诱变基因重组抗生素维生素甾体激素氨基酸芳基丙酸