制药工程导论-生物制药技术与工程

制药工程导论生物制药技术与工程四川大学化工学院制药与生物工程系目录有关概念和内容1生物药物和生物技术药物发展简史2现代生物制药技术体系3现代生物技术制药工艺过程4生物药物的特性5生物药物的分类与作用6生物制药技术的新进展7生物制药技术的未来展望81.有关概念和内容¾生物制药技术采用现代生物技术，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医药品的技术。ƒ天然有效成分的制备技术ƒ微生物发酵制药技术ƒ现代生物工程制药技术ƒ发酵工程制药技术ƒ基因工程制药技术ƒ抗体工程制药技术ƒ细胞工程制药技术ƒ酶工程制药技术现代生物工程制药技术表1.1微生物发酵与发酵工程对比表微生物发酵发酵工程间歇发酵连续或半连续发酵悬浮细胞固定化细胞温度较低温度较高细胞利用1次细胞反复使用多次天然菌种或化学物理方法诱变株基因工程或细胞融合获得的新菌株间接测定反应系统中成分利用传感器直接测定简单控制电子计算机控制胰岛素过去只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素(0.004%)。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！不但解决了产量问题，还使其价格降低了30%-50%!干扰素是治疗病毒感染的“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！基因工程人干扰素α-2b（安达芬），广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。¾生物药物是指以生物体、生物组织、细胞、体液等为原料，通过综合利用物理学、化学、生物化学、生物技术和药学等学科的原理和方法，制造出的一类用于预防、治疗和诊断的制品。生物药物天然生化药物生物制品生物技术药物什么是药物？什么是药品？¾生物技术药物是指以DNA重组技术生产的蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、单克隆抗体和细胞因子类药物，也包括用蛋白质工程技术制造的上述产品及其修饰物。ƒ基因工程药物ƒ基因药物ƒ天然生化药物ƒ合成或半合成的生物药物生物药物生物技术药物™基因工程药物：指应用基因工程和蛋白质工程技术制造的重组活性多肽、蛋白质及其修饰物。™基因药物：是以基因物质(DNA或RNA及其衍生物)作为治疗的物质基础，包括基因治疗用的重组目的DNA片段、重组疫苗、反义药物和核酸酶等。™天然生物药物：包括生化药物、微生物药物、海洋药物等。™合成半合成生物药物：用合成或半合成方法制备的其功能与结构与天然生物药物一致的药物。¾人类疾病产生的主要原因1）致病生物；2）无生命的化学物质的过多或不足；3）遗传；4）精神因素；5）物理因素；6）不良饮食习惯。3）抑制、杀灭致病生物1）调节核酸、蛋白质、糖、脂的生物合成与分解2）调节生物膜的物质运输和信号感受分子生物膜细胞¾生物药物对疾病的作用¾生物医药行业的特性1）高技术性2）高投入性3）长周期性4）高风险性5）高收益性2.生物药物和生物技术药物发展简史2.1世界生物药物发展简史™公元前597年有“麴”的使用。™公元4世纪用海藻酒治疗瘿病。™1796年发明了用牛痘疫苗治疗天花。™1921年发现和纯化了胰岛素。™1941年青霉素开发成功。™20世纪40～50年代发现了多种激素。™20世纪60～70年代，蛋白质、多肽和酶类药物得到广泛开发和应用。2.2世界生物技术药物发展简史™20世纪70～80年代后生物技术药物得到迅速发展。™1977年获得了生长激素抑制因子的克隆。™1978年重组人胰岛素获得成功。™1979年人生长激素研制成功。™1986年人α-干扰素在美国投入市场。™1987年，乙肝疫苗在美国上市。™1995—1999年美国FDA批准了近30种生物技术药物上市。™到2000年2月，美国FDA共批准生物药物76个，欧美国家共有84种生物药物上市。迄今：9已有160多种生物技术药物投放市场；9有360多种进入Ⅲ期临床；9有760多种进入Ⅰ—Ⅱ期临床；9有2600多种处于临床前研究。2.3我国现代生物技术制药发展简况™1987年开始大力实施。™目前已有15个基因工程药物获得新药证书。™有50多种药物处于不同开发阶段。™某些蛋白质工程的研究已达到世界昀好水平。™目前我国有300多家生物工程研究单位，200多家现代生物医药企业，50多家生物工程技术开发公司。™我国生物医药产值年增长率不低于12%，高于国家8%的经济增长速度。2.4目前我国生物制药业面临的主要问题™成熟品种少，开发公司多，重复建设现象严重。™资金投入不足，融资结构不合理，产业化、规模化较小。™上下游技术开发不协调™——我国在基因工程产品开发领域中的“上游技术”比国际技术仅落后3-5年，但“下游技术”却至少相差15年。™加入WTO后知识产权的重大影响。™国外产品的竞争。3.现代生物制药技术体系¾基因工程制药技术，利用重组DNA技术生产蛋白质或多肽类药物。¾酶工程制药技术，主要包括药用酶的生产和酶法制药两方面技术。¾细胞工程制药技术，利用动、植物细胞培养生产药物技术。¾发酵工程制药技术，利用微生物代谢过程生产药物技术。现代生物制药技术体系是以重组DNA技术为核心的一个高技术综合体系，包括：①重组DNA技术及其他转基因技术；②细胞和原生质体融合技术；③酶或细胞的固定化技术；④植物脱毒和快速繁殖技术；⑤动物和植物细胞的大量培养技术；⑥动物胚胎工程技术；⑦现代微生物发酵技术(高密度发酵、连续发酵及其他新型发酵技术)；⑧现代生物反应工程和分离工程技术；⑨蛋白质工程技术；⑩海洋生物技术。4.现代生物技术制药工艺过程基因工程菌(细胞)的构建生物技术药物的发酵生产生物技术药物的分离纯化生物技术药物的检验包装4.1基因工程菌(细胞)的构建⑴外源目的基因的获得⑵基因运载体的分离提纯⑶重组DNA分子的形成⑷重组DNA引入到受体细胞⑸重组菌的筛选、鉴定和分析⑹工程菌(细胞)的获得常见的宿主细胞－大肠杆菌细胞4.2生物技术药物的发酵生产基因工程菌的主要培养方式：①补料分批培养②连续培养③透析培养基因工程菌透析培养设备示意图180M3发酵罐车间大型空气压缩机动物细胞反应器4.3生物技术药物的分离纯化基本过程4.4生物技术药物的检验包装质量控制的主要要点：1）产品的鉴别2）纯度3）活性4）安全性5）稳定性和一致性5.生物药物的特性¾治疗的针对性强：基于生理生化机制。¾药理活性高：体内存在的天然活性物质。¾毒副作用一般较少，营养价值高。¾常有生理副作用：可能具免疫原性或产生过敏反应。5.1药理学特性5.2理化特性¾有效物质含量低、工艺复杂、收率低、技术要求高。¾组成结构复杂，具严格空间结构才有生物活性。对多种物理、化学、生物学因素不稳定。¾活性高、有效剂量小，对制品的安全性、有效性要严格要求。5.3检验上的特殊性须有理化检验指标生物活性检验指标6.生物药物的分类与作用（按药物的化学本质和化学特性来分）1）氨基酸及其衍生物类药物是一类结构简单、相对分子质量小、易制备的药物；主要品种有谷氨酸、蛋氨酸、赖氨酸、天冬氨酸、精氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸和色氨酸。作用：肝炎、肝坏死和脂肪肝；防治肝昏迷、神经衰弱和癫痫；用于黏痰、脓性痰、呼吸道黏液的溶解药等；复方氨基酸作血浆代用品和向病人提供营养等……。2）多肽和蛋白质类药物主要是人体内的生理活性因子主要有：人胰岛素(用于糖尿病的治疗)、人生长激素(用于儿童生长激素缺乏症的治疗)、生长因子(用于儿童生长激素缺乏症的治疗)、组织血纤维蛋白酶(用于急性心肌梗塞的治疗)、α-2b干扰素(用于毛细胞性白血病，生殖器疣的治疗)、红细胞生成素(EPO)(用于透析性贫血，慢性肾衰竭的治疗)、白细胞介素-2(IL-2)(用于治疗肾细胞癌)等……。3）酶与辅酶类药物①助消化酶类②消炎酶类③心血管疾病治疗酶④抗肿瘤酶类⑤其他酶类⑥辅酶类4）核酸及其降解物和衍生物类药物包括核酸(DNA，RNA)、多聚核苷酸、单核苷酸、核苷、碱基等。用于慢性肝炎、肝硬化和肝癌的辅助治疗；治疗精神迟缓、虚弱和抗辐射；作为干扰素的诱导剂，用于抗病毒、抗肿瘤；用于治疗肿瘤和病毒感染等……。5）糖类药物以粘多糖为主，种类繁多，药理功能各异。有抗凝、降血脂、抗病毒、抗肿瘤、增强免疫功能和抗衰老等多方面的生理活性。主要有：肝素、硫酸软骨素A、透明质酸、壳聚糖、刺参多糖、银耳多糖、灵芝多糖、茯苓多糖、香菇多糖等……。6）脂类药物包括许多非水溶性的但能溶于有机溶剂的小分子生理活性物质。主要有：(1)磷脂类用于治疗肝病、冠心病和神经衰弱症。(2)多价不饱和脂肪酸有降血脂、降血压、抗脂肪肝的作用，可用于冠心病的治疗；用于催产和中期引产。(3)胆酸类可治疗胆囊炎、高血脂、可作胆石溶解药。(4)固醇类可作人工牛黄的主要原料；有降低血胆固醇的作用。(5)卟啉类用于治疗肝炎，还用作肿瘤的诊断和治疗。7）生物制品类如疫苗、类毒素和抗体等8）动物器官或组织制剂是一类对其化学结构、有效成分不完全清楚，但在临床上确有一定疗效的药物。9）小动物制剂7.生物制药技术的新进展7.1基础研究7.2新产品开发7.4新型生物反应器和新分离技术开发全面展开了新基因的克隆和基因表达调控的研究7.3新技术开发生物技术药物的品种不断增多7.3.1基因治疗1）基因治疗的概念凡是采用分子生物学的方法和原理，在核酸水平上开展的疾病治疗方法都可称为基因治疗。对于因基因异常造成的疾病，目前所采用的常规方法只能够减缓病人的病情，而不能根治。因此，早在DNA重组技术之前就有人提出了将正常基因顺序导入到病人体内进行基因水平治疗的设想。基因治疗的由来2）基因治疗的种类(1)基因置换指用正常的基因原位替换病变细胞内的致病基因，使细胞内的DNA完全恢复正常状态。(2)基因修复指将致病基因的突变碱基序列纠正，而正常部分予以保留。(3)基因修饰指将目的基因导入病变细胞或其他细胞，目的基因的表达产物能修饰缺陷细胞的功能或使原有的某些功能得以加强。(4)基因失活指利用反义技术特异地封闭基因表达特性，抑制一些有害基因的表达，以达到治疗疾病的目的。(5)免疫调节指将抗体、抗原或细胞因子的基因导入病人体内，改变病人免疫状态，达到预防和治疗疾病的目的。3）基因治疗的策略基因治疗的受体生殖细胞体细胞基因治疗通常是指对体细胞的基因治疗策略将外源性基因直接导入接受者体内有关的组织器官或细胞以达到治疗目的，是一种简便易行的方法。体内法离体法即先分离和培养受体细胞(一般来源于病人自身)，在体外将治疗性基因导人受体细胞，经安全性鉴定后，将转染后的细胞再回输给病人，使携有外源基因的载体细胞在体内表达治疗产物以达到治疗目的。4）临床项目的现状已有超过25个国家进行基因治疗临床试验临床试验患者数已超过3000人试用于临床的基因治疗项目已超过300项治疗效果与人们的期望相差甚远5）问题与展望问题一是安全性方面问题二是治疗效果多数不佳展望在不远的将来，基因治疗会成为一种很常规的技术，有更多的人会从中受益。7.3.2转基因动物制药1）转基因动物制药——利用转基因动物作为生物反应器生产药用蛋白将某种目的基因导入到哺乳动物的受精卵或胚胎里，使导入的基因与受精卵的染色体DNA整合在一起，当细胞分裂时，随着染色体的倍增，该目的基因也随之倍增，这样每个细胞里就都带有导入的基因，而且能稳定地遗传到下一代，这样一种新的个体，称之为转基因动物。2）转基因动物及制药过程¾例：从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA(组织型纤溶酶原激活剂)牛奶中有抗凝血酶、纤维蛋白原、人白血清蛋白、胶原蛋白、生育激素、乳缺蛋白、糖基转移酶、蛋白C等；山羊奶中有抗凝血酶原、α—抗胰蛋白酶(α-AT)、生育激素、血清白蛋白、组织型纤溶酶原激活剂(tPA)、单克隆抗体；绵羊奶中有抗胰蛋白酶、凝血因子Ⅸ、纤维蛋白原、蛋白质C；猪奶中亦有蛋白质C，凝血因子Ⅸ、纤维蛋白原、血红蛋白。3）已在动物的奶汁中生产出的人类蛋白质药物4）转基因动物制药未商业化生产的原因就转基因动物本身而言有时转录效率低；不能表达或表达混乱；遗传表型不能遗传给后代；转基因动物成活率低；产品的安全性等问题。1）转基因植物制药