生物工程制药-中山大学生命科学学院

1生物工程制药学许东晖梅雪婷成绩考核：开创性思维研究报告80%+课堂表现20%2一、生物医药科学新近进展与趋势3（一）成就与尴尬并存的2003年2003年是人类发现DNA双螺旋结构50周年。这一年，包括中国在内的六国科学家宣布合作完成人类基因组序列图谱的绘制工作，是本世纪来的一个标志性成就。4英国从2000年至今没有一家生物技术公司上市，已上市公司中，有近1/3的公司资金不足以维持运作2年，一些小公司更是入不敷出。今年2月，第一只体细胞克隆动物多莉羊以“安乐死”的方式辞世。但美国、意大利等国科学家分别培育出世界上第一匹克隆骡子和克隆马。中国和法国科学家也首次克隆出大鼠。5在基础研究领域，科学家还用胚胎干细胞培育出了功能正常的精子和卵子，使干细胞研究前进了一大步，科学家们除破译决定男性性征的人类Y染色体之外，还破译了最复杂、包含基因数最多、与遗传病关系最密切的第6号染色体的基因序列。今年SARS对人类的突然袭击，显示了人类遭遇新型病毒时束手无策的尴尬，也大大推动了人们对生物疫苗的研发热情。6（二）2003年生物科技进展有“科学界奥斯卡”之称的美国《科学》杂志年度世界科技十大突破评选近日揭晓。在今年的科技十大突破中，包括“精神病产生机理被揭示”在内的生命科学基础研究和以“饿死肿瘤”疗法为代表的医药研究占据了半壁江山。这意味着，以诠释生命、帮助人类战胜疾病为主要目的的生命科学和相关医药研究将继续火爆。7荣登本年度科技突破亚军宝座的研究成果是揭开了精神病的产生机理。科学家们曾识别出一些会增加精神分裂症、抑郁症、躁郁症等遗传性疾病发病风险的基因。新研究进一步表明，这些基因可能会使大脑信息处理过程产生异常，刺激人患精神病。8继发现长度较短的小核糖核酸能调性基因表达之后，科学家今年进一步研究小核糖核酸对细胞习性、行为的影响，并正在探索如何利用小核糖核酸的“本事”来对付艾滋病和肺炎等疾病。发现鼠的胚胎干细胞在培养血中既能发育成精子出能发育成卵子。新发现对研究生殖细胞发育和某些不育症也许会有帮助，但如果该成果被证明能应用于人类，将会引发严重的社会伦理问题。此项研究同时也进入英国《自然》杂志评出的十大科学进展之列。9（三）2004年生物科技热点展望《科学》杂志预测：美国将继续推进大规模的生物防御研究工作。2003年，美国生物防御研究十分火爆，预计2004年势头依旧。生物防御研究工作有望在引起鼠疫、炭疽热及出血热等疾病的病原体基础生物学研究方面取得进展。同时，在开发新型或改进型抗天花、炭疽热和埃博拉病疫苗方面也会获得重要进展。2004年将会出现基因组数据泛滥现象。人们往获得人类基因组序列图谱以后，生物学家发现，为了使基因组序列图谱发挥作用，他们需要更多的数据。若干个大规模计划目前正在执行中：基因芯片正产生有关基因表达的信息；蛋白质组计划将详细揭示蛋白质的功能和相互作用。10（四）“人类基因组单体型图”计划国际“人类基因组单体型图”计划(简称HapMap)，这一计划旨在为人类基因组开发出单体型图，用以描绘出人类脱氧核糖核酸序列变异的一些共同模式，并将有关资料免费公开使用。大部分常见疾病，例如糖尿病、癌症、中风、心脏病、抑郁症及哮喘等都是受到多种基因和环境因素影响而形成的。两个毫无关系的人，他们的DNA序列有99.9%是相同的，但剩下0.1%的区别对两人有着重大影响，其中的基变异可能会关系到他们患上某种疾病的危险程度或对药物的反应。找出导致这些常见病的DNA序列变异，就可以有机会探明人类疾病的复杂病因。HapMap将是科学家的一个重要科研源泉，用以协助探索出哪些基因会对人类健康造成影响，涉及哪些疾病，以及对药物和环境因素的反应。11（五）期待生物标志物的来临1、何为生物标志物在临床研究中，生物标志物（biomarker）是指可以定量测定的，与疾病发生、发展密切相关的各种细胞学、生物学、生物化学或分子指标。生物标志物可以用作疾病诊断或预后评价的参数，也可以用作评价药物干预效果的中间终点。美国食品药品管理局（FDA）开始意识到，生物标志物在临床试验中的应用已经慢慢成为一种趋势。主要问题是，要建立起一套能够评价生物标志物有效性的标准。目前备受人们推崇的个体化给药，或者药物基因组学，都要求根据患者特定的生物学特征来处方药物，而它们所依赖的正是那些能够明确指出患者应该服用何种药物的生物标志物。122、现阶段的生物标志物在现阶段，研究者们所选用的生物标志物都是一些与特定疾病有关的基因、蛋白质或者代谢产物。例如，1998年罗氏公司在上市其单克隆抗体药物曲妥珠单抗（赫塞汀）的同时，也顺带推出了一种分子诊断技术。通过这一技术，临床医生可以找出那些过度表达HER-2蛋白受体的乳腺癌患者。这类患者大约占全部乳腺癌患者的30%，而且，他们用赫塞汀治疗的临床效果比其他患者要更好。133、FDA对生物标志物的分类方法去年底，FDA在其公布的“药物基因组学数据呈报指南”草案中推出了一个生物标志物分类方法。它指出，“有效的生物标志物”是一种得到人们广泛认可的，具有生理学、毒理学、药理学或者临床意义的指标。如果某种生物标志物只在某一家公司在采用，或者其临床意义尚未得到其他研究的重复和验证，那么，这种生物标志物还不能被看作是一种有效的生物标志物，而只能定义为“可能的生物标志物”。FDA生物标志物分类方法的提出，为今后制药公司根据不同的生物标志物来设计临床试验打开了方便之门。假如试验设计者真的能够根据患者体内生物标志物的水平来选择可能对治疗药物产生最佳反应的患者，那么，今后临床试验的成本以及新药审批时间都会大幅减少。144、生物标志物对新药开发的好处到目前为止，大型制药企业收集药物基因组学数据的主要目的还是为了调整药物剂量方案，而并非为特定遗传组成人群开发新药。如果为特定遗传组成人群开发新药，就必然要在给药前对患者进行遗传学检查，而这种做法可能会使药物市场出现进一步的分化。但是，这种做法同样也会带来一些好处，例如，它会比较容易地在那些正在服用其他药物治疗的患者人群中找到一些更适合用新药治疗的患者，这样，新药市场的规模可能会因此而有所扩大。有效的生物标志物可以使制药企业在开发新药时，只需组织受试人数较少、规模较小的临床试验。155、如何确定和验证生物标志物目前最常用的确定生物标志物的方法是“既成事实（After-the-fact）”人口统计学分析法。不过，这种方法比较粗糙，效率低下，而且，在某些时候，即使生物标志物与疾病之间肯定存在相互关系，但用此方法却未能找到支持依据。最理想的状况是在临床前研究阶段对生物标志物的有效性进行验证，但因药物基因组学目前尚处于初级发展阶段，所以这种想法并不现实。学术界已经提出了几种不同的确定生物标志物的方案，而且也得到了美国FDA和美国癌症研究所的支持，不过，有人还是认为只有大型临床试验才是验证生物标志物有效性的唯一方法。例如，在以生物标志物为临床终点的Ⅱ期临床试验中，基因泰克公司开发的新型肿瘤血管生成抑制剂Avastin（bevacizumab）对至少四种癌症都有效，但在随后进行的乳腺癌Ⅲ期临床试验中，Avastin却没有取得预期的临床效果。16判断这些生物标志物可靠性的关键是能够验证肿瘤细胞死亡是否与治疗药物作用机制和分子效应相关的匹配技术（tailoringtechnique）。例如，通过放射治疗或者血管生成抑制剂两种不同治疗手段所诱导的肿瘤细胞凋亡的形式是不同的。Cyclacel公司在酶联免疫吸附测定（ELISA）技术基础上开发的一种匹配技术，能够发现实体瘤中所发生的caspase-3依赖性凋亡。通过这种技术，制药公司就可以轻易获得他们所开发的新药能够诱导肿瘤细胞凋亡的证据了。6、生物标志物对药物剂量确定的意义在新药研究过程中，有许多具有全新作用机制的抗癌药物就是因为在大剂量时会引起严重毒性作用，而最终导致上市失败的。在Ⅰ期临床试验中验证生物标志物的有效性，将有助于临床研究者在设计Ⅱ期临床试验时制订适当的给药剂量，这样，剂量合适的药物既能够杀死肿瘤细胞，又不会引起太大的毒性反应。17（六）相约小分子药物1、新一轮小分子药物开发的主角2001年初，J.P.摩根公司(J.P.MorganH&Q)的分析师在一次健康会议上曾预言2002年制药公司的热点是小分子药物开发。新一轮小分子药物开发竞赛的主角，将由传统化学制药公司变成生物技术公司。生物技术要实现产业化，向制药业发展是重要途径。开发小分子药物是传统制药公司获得新产品的一种重要途径。生物技术公司也开始涉足这一领域，以实现快速晋级。与资金雄厚、小分子药物开发经验丰富的传统制药公司一比高下的法宝，包括：特有的新技术、高速度、低成本。18氨基乙酸（Glycine）的分子结构模型192、以蛋白质为靶点的小分子药物重组蛋白质曾经是生物技术研究领域的主角，从基因工程技术使人们成功利用重组基因生产自己设计的蛋白，带动了蛋白质产业的发展。蛋白质除可用作药物，还可作为药物靶点。后者给制药业带来的变化巨大。但是蛋白质类药品目前还存在一些缺点：对消化系统耐受性差、多数须注射给药、具有免疫原性、无法透过血脑屏障、难于制取等。相反，以蛋白质为靶点的小分子药物多易于服用，很少产生免疫原反应，设计和生产简单，是一个空间大进入门槛较低的领域。203、理性化药物设计有1/80到1/10的有机化合物分子量低于600道尔顿——即小分子化合物，制药业已开发的小分子化合物只占其中极少部分。要找到微摩尔数量级的天然小分于化合物（micromolarhits）需要几年时间，发现的化合物也只有一部分可发展成药物，随后将有30～40％的化合物在临床前期和Ⅰ期临床试验中因ADMETox（即吸收、消化、代谢、排泄和毒性）问题败下阵来。如果逐一研究每个化合物，既费时又费资源，成功率不高，“理性化药物设计”成为必然。每个公司都使尽浑身解数，在提出药物筛选效率方面创造自已独特的方法。如以低分子量、低毒性、易合成、易溶于水等特点为选择条件，缩小筛选范围，又如对靶点进行分类，寻找对每类靶点有特异亲和性的化合物，扩大筛选结果。215、对准药效基团选择正确的药物靶点是目前基因组学的难点之一。药效基团筛选法与化学基因组学很相似，但化学基因组学着重化合物与靶点间的微弱结合情况，药效基团筛选法着重寻找精确度更高的结合。通过改动化合物结构来提高亲和力比直接从多个靶点微弱结合的候选化合物中挑选有效药物更容易。226、以具有辅助因子的蛋白质作为研究对象原因：①酶蛋白的辅助因子作用区特异性非常高，如氧化还原酶（O-Rs）在进行氧化反应中的辅助因子只限于NAD或NADH；②具辅助因子的酶有两个结合位点，一个与底物结合，一个与辅助因子结合。两个位点往往靠得很近，辅助因子通过作用于底物结合位点直接参与反应；③如果将两个分别与酶的两个活性位点结合的化合物连接起来（它们对两个位点的结合力必须存在一定差别），就可制得与靶点结合力超强的化合物，这是选择具辅助因子的蛋白质的最主要原因。23步骤：①寻找作用于某类酶的共同辅助因子，建立小分子模型，并称之为“共同标记模型”（commonligandmimics，CLMs）。②一系列核磁共振操作。用核磁共振改造化合物的运作终端（businessend），即参与生化反应的区域；或者先用电磁干涉处理化合物，然后用核磁共振检测各个蛋白质残基受到的影响及相应的变化，然后用特殊的计算机软件测定，了解辅助因子结合位点的位置、CLM如何分别结合到两个位点、怎样连接两个CLM可改变其结合特性、制取一个连接肽需要多长时间等信息。24③建立“双标记”（bi-ligands）文库。文库由CLM、作用于CLM的一系列带有链接肽的化合物组成，这些化合物也称为“多样元素”。一个文库总共有10000个以上的“多样元素”，用几星期制得CLM后，再花三个月合成这些化合物，一般至少都能微弱地结合到特定酶家族所有成员的辅助因子位点上，有时甚至能与某些