基因工程药物

1•基因工程制药：指利用重组DNA技术，结合发酵工程、细胞工程、酶工程等现代生物技术研制预防和治疗人类、动物重大疾病的蛋白质药物、核酸药物以及生物制品的一门技术。28.1基因工程药物的发展概况8.1.1基因工程药物的发展简史与现状8.1.2基因工程药物的特点8.1.3基因工程药物的研发过程38.1.1基因工程药物的发展简史与现状•1973年，Cohen等，tetr和strr成功重组，基因工程拉开序幕•1974年，重组质粒转化大肠杆菌，获得相应抗性•1976年，Genentech公司成立•1982年，授权EliLilly公司基因重组动物疫苗－抗眼球病疫苗生产和使用；人胰岛素生产和使用希克劳百忧解4•1984年，凝血因子VIII•1985年，注射用促生长素•1987年，tPA•。。。5国家发展策略投入资金临床试验上市品种产值美国支持基础创新，主导领先水平100亿US$/年350110200亿US$/年日本合作，实用化，信息化2千亿日元/年50种以上50五千亿日元/年德国创新，转让，加大投入10068中国重视，优先、优惠20余种2030亿人民币主要国家基因工程制药产业化概况6基因工程药物现状与前景•2001年，生物技术公司4284家（上市622家），销售总额348亿美元，其中基因药物占70%，250亿美元；•美国，1466家，占55%；销售总额285亿美元，占82；上市公司318家，占55%；•日本•欧洲•表8.17我国国情•“起步晚，发展快；项目不多，仿制为主；重复生产，后劲不足”。•IL-2，干扰素α，粒细胞集落刺激因子（G-CSF），EPO，生长激素。。。•表8.388.1.2基因工程药物的特点1、高技术：人才、技术2、长周期：实验室、中试、临床、规模化生产、市场商品化阶段、监督环节3、高投入4、高风险5、高收益9基因工程药物的优点1、可以得到天然状态难以获得的生理活性物质，改造成新药胰岛素2、使生理活性物质在各种反应器中获得高表达，符合临床和研究需要3、改造生理活性物质，提高其活性：速效、长效4、可以挖掘和开发更多的新药，获得新物质108.1.3基因工程药物的研发过程1、实验室研究阶段（discovery，research）2、基因工程药品的开发阶段（development）3、基因工程药品的临床试验（commercialization）:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期临床试验4、新药申请和上市118.2基因工程制药的下游技术8.2.1基因工程菌的规模化培养8.2.2基因工程菌细胞膜的破碎8.2.3基因重组蛋白的分离与纯化•下游技术：表达、分离纯化和活性测定128.2.1基因工程菌的规模化培养8.2.1.1重组大肠杆菌培养基8.2.1.2基本培养方式8.2.1.3培养工艺条件对外源基因表达的影响8.2.1.4培养条件对产物活性、存在形式及释放的影响8.2.1.5高密度和高表达培养对策138.2.1.1重组大肠杆菌培养基•C源、N源、无机盐、微量元素、维生素、生物素等•LB培养基、M9培养基按组成物质的来源分：合成培养基、天然培养基按存在状态分：固体、液体培养基148.2.1.2基本培养方式1、分批培养（batchculture）：在一个封闭培养系统内含有初始限制量的基质的培养方法。培养过程从接种开始，经过4个时期：迟滞期、对数生长期、减速期和稳定期。2、补料分批培养（fed-batchculture）3、连续培养（continuousculture）4、透析培养（dialysisculture）158.2.1.3培养工艺条件对外源基因表达的影响工程菌大规模培养的优化设计和控制对外源基因的高效表达至关重要。工艺：选择合适的发酵系统或生物反应器。生物学方面的因素：①与细菌生长密切相关的条件或因素：温度、pH值、溶氧、培养基成分②表达条件诱导物、改变温度③提高外源基因表达产物的总量：表达水平、菌体浓度168.2.1.4培养条件对产物活性、存在形式及释放的影响对产物活性和存在形式的影响：温度和pH值存在形式：包涵体、融合蛋白、分泌型17外源基因在大肠杆菌中的表达形式•表达产物可能存在于：细胞质、细胞周质、胞外培养基中•表达形式：可溶性蛋白、不溶性蛋白•①包涵体蛋白•②融合蛋白•③分泌型外源蛋白181、包涵体蛋白•包涵体：一定条件下，外源基因的表达产物在大肠杆菌中积累并致密的聚集在一起形成无膜的裸露结构。•细胞质中较多，较少细胞周质•由蛋白质组成，氨基酸序列正确，空间构象错误，无生物学活性。•包涵体优点：易于分离纯化对蛋白酶有较好的抗性192、融合蛋白•融合蛋白：外源蛋白基因与受体菌自身蛋白基因重组在一起，但不改变两个基因阅读框。•受体菌蛋白位于N端，外源蛋白位于C端。•融合蛋白优点：稳定性增加：杂合构象，不易被水解具有较高的水溶性和生物学活性能以较高的效率表达：自身蛋白…易于分离纯化：酶水解…203、分泌型外源蛋白•分泌型蛋白：指外源基因的表达产物通过运输或分泌的方式穿过细胞的外膜进入培养基中。•分泌蛋白需在N端加上信号肽序列。•分泌型蛋白优点：简化了纯化工艺使外源蛋白免于被降解有利于形成正确的构象，获得有生物活性的蛋白质。21表达蛋白在细胞中的稳定性－－防止蛋白降解①融合蛋白表达系统：封闭了水解酶作用位点，增加稳定性。②分泌蛋白表达系统：分泌到细胞周质、培养基中③包涵体表达系统：难溶性的沉淀复合物,不易被宿主蛋白水解酶降解。④蛋白水解酶基因缺陷型的受体系统：228.2.1.5高密度和高表达培养对策1、高密度培养：2、高表达培养：•单因素实验•正交实验23基因表达产物的分离纯化•收集细胞•破碎细胞•初步分离•柱层析•经一步分离纯化248.2.2基因工程菌细胞膜的破碎（一）细胞收集•离心法贝克曼beckman离心机25（二）破碎细胞①变性剂裂解法：哺乳动物SDS②超声波破碎法：细菌和酵母缓冲液③机械破碎法适用于细菌、酵母、植物细胞石英砂、细玻璃珠：液氮④酶解裂解法：细菌、酵母、植物cell268.2.3基因重组蛋白的分离与纯化8.2.3.1重组蛋白的分离1、离心：去除未破碎的细胞和细胞碎片等2、沉淀：盐溶和盐析：(NH4)2SO4；有机溶剂沉淀：乙醇、丙酮；等电点沉淀3、膜分离：透析和超滤：透析膜、超滤管透析超滤274、双水相萃取：利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行萃取的方法。原理：水相中加入溶于水的高分子化合物，形成密度不同的两相体系。形成原因：聚合物的不相容性，即聚合物分子的空间阻碍作用，无法形成均一相。双聚合物：聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dx)。该系统上相富含PEG，下相富含Dx；285、反胶团萃取：反胶团：是表面活性剂分散在连续的有机溶剂中，自发形成的纳米尺度的一种聚集体。298.2.3.2基因重组蛋白的纯化方法－－进一步分离纯化•离子交换层析：等电点的差异阳、阴离子•凝胶柱层析（分子筛）：分子量大小•亲和层析：分子间特异相互作用凝胶层析柱离子交换柱亲和层析柱30柱层析基本步骤（1）装柱（2）柱平衡（3）上样（4）洗脱（5）样品收集：鉴定脱盐浓缩自动核酸蛋白分离层析仪31基因表达产物的精细纯化•检测、制备和纯化蛋白质•蛋白浓度、纯度测定•PAGE•SDS-PAGE•HPLC328.2.3.3重组蛋白活性的测定•生物活性的保持•免疫测定法338.3几种重要基因工程药物的研发概况8.3.1基因工程激素类药物8.3.2基因工程细胞因子类药物8.3.3基因工程抗体8.3.4基因工程疫苗8.3.5基因工程受体348.3.1基因工程激素类药物激素（hormone）：由生物体内分泌腺或特异性细胞产生的微量有机化合物，通过体液或细胞外液运送到特定的作用部位，能引起特殊的生理效应。•分类：多肽蛋白类激素、甾醇类激素、脂肪酸类激素•如胰岛素、人生长激素、人促卵泡激素35激素（hormones）：①又称化学信使，是特定细胞合成的，能使生物体发生一定反应的有机分子；②它们的作用力很强，很低的浓度就能引起很强的反应；③它们都是短命的，在细胞中不能积累，很快就会被破坏。•激素都是有特异性的，只对某种或某几种细胞有效，具有接受相应激素的特异受体。36378.3.1.1胰岛素（insulin）概况：动物胰脏胰岛的β细胞以前胰岛素原形式合成→跨膜运输后成胰岛素原→高尔基体内形成成熟胰岛素。生理功能：治疗糖尿病降低血糖提高组织摄取葡萄糖的能力抑制肝糖原的分解促进肝糖原和肌糖原的合成38胰岛素原的结构39基因工程生产人胰岛素的途径•①用大肠杆菌发酵生产胰岛素原，在体外将胰岛素原转变为胰岛素。（丹麦NovoNordisk公司）•②先分别大肠杆菌发酵胰岛素的A链和B链，纯化后再在体外重组产生完整的人胰岛素。（美国Elililly公司）•③酵母发酵产生前胰岛素原。40已上市的基因工程胰岛素药物1、重组人胰岛素：Humulin、Novoli2、重组人胰岛素类似物：赖脯胰岛素Humalog，作用快3、甘精胰岛素：Lantus4、门冬胰岛素：Novolog：速效HumulinHumalog41曾经的II型糖尿病治疗药物42研制基因工程药物胰岛素的基本路线?438.3.1.2生长激素（growthhormone）•概况：是一类由动物脑垂体前叶分泌的能促进生长的蛋白类激素。•191个氨基酸组成，分子量21.5kDa。•侏儒症；巨人症；肢端肥大症44•生长激素生理功能：治疗垂体性侏儒症刺激骨和软骨的生长促进黏多糖及胶原的合成影响蛋白质、糖、脂类的代谢，最终影响肌体的生长与发育45•第一代～：大肠杆菌生产，N端多一甲硫氨酸•第二代～：分泌蛋白形式，信号肽被自动切去468.3.2基因工程细胞因子类药物•细胞因子（Cytokine）:由细胞分泌的能调节生物有机体生理功能，参与细胞的增殖、分化和凋亡的小分子多肽类物质。•干扰素（IFN）、白细胞介素（IL）、肿瘤坏死因子（TNF）、生长因子（GF）47•细胞因子通过与靶细胞表面的特异性受体结合后会引发信号的转导，导致细胞表面结构和功能的变化。•作用特点：多相性、网络性、高效性•细胞因子生物学功能：调节免疫应答、抗病毒、抗肿瘤、调节肌体造血功能、促进炎症反应。可治疗多种免疫疾病、肿瘤、造血功能障碍等。48498.3.2.1干扰素（interferon,IFN）•1957年英国病毒生物学家AlickIsaacs和瑞士研究人员JeanIndenmann首次发现，利用灭活的流感病毒作用于鸡胚绒毛尿囊膜后，可使细胞产生一种干扰病毒繁殖的可溶性物质，称为干扰素。•普遍存在：脾脏、肝脏、肾脏、骨髓等；可被多种因素诱发分泌，如病毒，双链RNA等。50种类产生细胞用途α-干扰素白细胞I型干扰素antivirus,anti-tumorβ-干扰素成纤维细胞γ-干扰素活化T、NK细胞Ⅱ型干扰素immuneregulation干扰素来源、分类与用途IFN-α1b51干扰素α位置：位于人第9号染色体上无内含子，5‘端非编码区+信号肽+编码区+3‘端非编码区组成。表达产物：188-189个氨基酸前体，分泌时切去N端23个氨基酸，165-166个氨基酸的活性产物。四个半胱氨酸（1，29，98/99，138/139），2对二硫键：1－98/99，29－138/139。52干扰素γ位置：位于人第12号染色体上4个外显子+3个内含子表达产物：143个氨基酸有糖基化53•干扰素生理作用：①抗病毒感染：作用于细胞后能合成多种抗病毒蛋白，抑制病毒的复制。②调控细胞的生长：可抑制或促进细胞的生长。③调节免疫细胞发挥生理效应：在临床上已用于治疗白血病、乙型肝炎、丙型肝炎、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。541976年Greenberg等首先报道用人白细胞干扰素治疗4例慢性活动性乙肝，治疗后有2例HBeAg消失。1980-1982年，基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从每1升细胞培养物中可以得到20-40毫升干扰素。从1987年开始，用基因工程方法生产的干扰