生物技术制药第一章 绪论

第一章绪论生物技术（Biotechnology）也叫做生物工程（Bioengineering）是当代新技术革命主要领域之一，其兴起是由于70年代中期基因工程的出现，到目前已在各国迅猛发展，不仅提供了不少新的产业，并对人类社会所面临的许多问题起着重要作用。就产业来说，它涉及制药工业、化学工业、食品工业、环境保护、农作物育种与病虫害防治、能源开发等生物技术既是新兴领域(19世纪以来发展迅速)；又有着悠久的历史(公元前几千年，人们就开始酿酒和制醋)本门课程主要讲述生物技术在制药工业中的应用，重点是基因工程、抗体工程、酶工程以及细胞工程在制药工业中的应用一、概述（一）名词术语1.生物药物泛指包括生物制品在内的生物体的初级和次极代谢产物或生物体的某一组成部分，甚至整个生物体用作诊断和治疗疾病的医药品生物制品用基因工程、细胞工程、发酵工程等生物学技术制成的免疫制剂或有生物活性的制剂。可用于疾病的预防、诊断和治疗2.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3.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（包括治疗性抗体等）或核酸类药物4.生物技术以生命科学为基础，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（品系）进行加工生产，为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系（二）生物技术的内容基因、细胞、酶、发酵、生化、蛋白质、抗体、糖链工程和海洋生物技术（三）与生物技术相关的学科生物学（微生物学、分子生物学、遗传学）化学（生物化学、无机、有机、分析、物理化学）工程学（化学工程、电子工程）医学、药学、农学（四）生物技术的应用（1）医药1977年出现第一个重组的生长激素抑制因子后，美国成立了第一家遗传工程公司—Genetech，进行小牛和小猪的生长激素的开发研究，与其他公司合作开发了干扰素，从此以后出现许多生物技术公司，1981年第一个诊断用单克隆抗体首先在美国上市利用基因治疗人类疾病的技术取得了突破性进展，原来用于治疗单基因缺陷的遗传病的治疗技术，现在已快速扩展到癌症、爱滋病、乙型肝炎、心血管病，此外，诊断试剂、酶试剂、动植物医药产品、核酸类药物也取得了很大进展（2）农业转基因动植物的新品种，大幅度提高产量和质量（3）食品氨基酸（天冬氨酸、半胱氨酸），有机酸（苹果酸、酒石酸），食品添加剂，香料，葡萄糖，果糖，淀粉酶（4）工业农药、香料、饲料、工业酶、有机酶、皮革工业脱毛软化、丝绸脱胶、加酶洗衣粉（5）环境净化利用微生物或酶处理废物和废水。（6）能源微生物发酵产甲烷——沼气二、生物技术发展简史（一）传统生物技术阶段公元前几千年，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，人们才知道有微生物的存在，1857年用实验方法证明了酒精发酵与酵母菌有关，并最终确证为酶，到此才揭开了发酵现象的奥秘主要产品：乳酸、酒精、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶技术特点：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（二）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，产量低，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、金霉素等药物主要产品：抗生素、维生素、甾体、氨基酸；食品工业的工业酶制剂、食用氨基酸、酵母、啤酒；化工业的酒精、丙酮、丁醇、沼气；农林业的农药；环境保护业的生物治理污染技术特点：（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，500立方米，2000立方米（4）技术发展速度快，青霉素，200单位每毫升，8万单位每毫升，形成了交叉学科生化工程（三）现代生物技术1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，标志着现代生物技术阶段的开始，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测序等（见表1-1）该阶段产品种类很多，胰岛素、干扰素、生长激素等（表1-2）该阶段生物技术的内容包括：（1）重组DNA技术及其它转基因技术；（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）动物细胞大量培养技术；（6）动物胚胎工程技术；（7）现代发酵技术（高密度发酵、连续发酵、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）海洋生物技术三、医药生物技术新进展1.基础研究不断深入重组DNA技术，新基因的克隆和基因表达调控的研究全面展开，分子生物学理论和技术两大体系已基本完成，生物学中的中心法则所体现的遗传信息的转移规律奠定了遗传工程的理论基础，有关基因表达的各种研究结果又丰富和发展了中心法则，DNA测序，为对付不治之症提供了可能性人类基因组计划的研究目标就是要定位所有的基因和测定它们的核苷酸序列，人类基因组大约有10万个基因，30亿个核苷酸对，完成这项研究是一项空前浩大的工程，它的实施对人类了解自身和医学发展有划时代的意义。与疾病相关的基因有约5000个，一些重要的遗传病基因已被分离并测序“基因转移”是人们能按自己的意愿设计新生命体的前提2.新产品不断出现自20世纪80年代以来，仅美国、日本开发的生物新技术新药物便达200多种，大都是重组蛋白质药物和重组DNA药物世界范围内，销路最好的生物技术药物，临床应用时间比较长，疗效比较好，毒副作用比较小，干扰素，抗病毒、抗癌，有种属特异性，动物干扰素对人无效，最初收集大量血液，提取白血球再与诱导物作用来生产，现在用基因重组技术把干扰素基因插入大肠杆菌来生产。白介素与机体免疫功能有关，白介素-2促进淋巴细胞分化增殖。乙型肝炎疫苗，预防乙肝。集落刺激因子，可减轻化疗时副作用，可用于爱滋病、白血病。肿瘤坏死因子，可损伤癌细胞。研制更新一代的药物和更新的应用方法，集落刺激因子和白介素的基因构建到酵母细胞中，使之产生融合蛋白质，药效增强。生产方法从利用重组DNA的微生物生产转向利用动植物来生产蛋白质类药物，构建新型多价活疫苗细胞工程及基因工程的应用产生了新的医疗技术—细胞移植和基因治疗。细胞移植用于骨髓移植，治疗白血病、淋巴病，免疫缺陷，再生障碍性贫血及放疗、化疗后的肿瘤病人，基因治疗目前仍在实验阶段，可用于遗传病、癌症、爱滋病的治疗，心脏内直接注入外来基因，两三周长出新血管，关键点是如何将有用基因引入靶组织中，并使之在合适的地方、合适的时间表达合适量的活性多肽或蛋白质生物试剂（McAb试剂）的开发，单克隆抗体，专一性强，由鼠源性转向人源性，应用：基础研究，诊断，体内显像定位，食品和环境检测，体内治疗和导向治疗。工业上利用单抗进行亲和层析高效纯化天然基因工程基因，单抗可与放射性核素、酶、荧光素标记技术相结合，用于检测和治疗。病毒、细菌、寄生虫和某些肿瘤的诊断，免疫学，激素、酶和环境污染因子的检测，显像定位，单抗与抗癌药物偶合后，减少副作用，加大药量3.新试剂、新技术不断出现4.新型生物反应器和新分离技术不断出现传统：搅拌式生物反应器改进：塑料袋、填充床、气升式、流化床、固定床、袋式、膜式、中空纤维、固定化培养搅拌形状改进：浆式、棒式、船帆式、笼式通气发展比较迅速的医药生物技术有四个领域1.利用新发现的人类基因，开发新型药剂2.新型疫苗的研制3.基因工程活性肽4.其他四、我国医药生物技术现状我国生物技术研究工作起步较晚，开始于20C70Y初。但是国家给予了大量支持，并寄予重望。如1985年制定《生物技术发展策略》；1989年制定《生物技术中长期发展纲要》等；并且每年派出大批科技人员去国外学习与交流；在国内投入大量资金建立起30个生物技术（含生命科学）的国家级重点实验室，吸收一批高水平的科技人才从事广泛研究在医药生物技术的课题研究中取得了丰硕的成果1.新型疫苗研制进展突出如基因工程乙肝疫苗、细菌性痢疾疫苗、儿童免疫疫苗等已投入生产使用2.基因工程活性多肽药物研制进展较快如干扰素（IFN）、白细胞介素（IL）、新钠素、人组织纤维蛋白酶原激活因子（t-PA）、肿瘤坏死因子(TNF)等多种多肽药物正在研究或已经投入使用（表1-3）；其中α1b型干扰素为我国科学家首创新药3.抗体工程也取得多项成果如单抗诊断试剂盒在临床检测方面的应用在抗肿瘤新药研究方面，利用单抗与毒素、放射性核素或抗肿瘤药物等偶联制成的导向药物，可大大减轻放化疗的毒副作用4.利用基因工程技术制备新型抗生素利用基因工程技术对医用抗生素的生物合成和结构进行修饰，获得新抗菌药物如：将碳霉素产生菌的4”-羟基-O-异戊酰基转移酶基因克隆到螺旋霉素产生菌中，可得到抗菌活性更强的4”-异戊螺旋霉素5.利用酶工程技术研制出一批诊断试剂如：乙肝病毒表面抗原凝集诊断试剂、血糖酶试剂盒、尿酸试剂盒、谷丙转氨酶试剂盒、谷草转氨酶试剂盒、甘油三酯酶试剂盒等6.基因治疗方面进行了大量基础研究主要针对遗传病、突变性疾病7.蛋白质工程研究方面在蛋白质工程研究方面，对蛋白质分子设计计算方法上有我国自己的独创性，能合理设计药物如：对胰岛素、人尿激酶原、葡萄糖异构酶、凝乳酶的蛋白质工程研究已经达到了世界最高水平8.在发酵工程技术方面的研究利用发酵工程技术，已研制出大批氨基酸、微生物多糖等系列产品；特别是在发酵工艺优化、发酵过程控制技术和发酵产物后处理技术的研究，使发酵工程获得了新的活力9.海洋生物技术方面目前在海洋生物技术方面，重点是对海洋生物活性物质的利用研究，即如何有效地从海洋生物（动物、植物、微生物）中提取具有药用或保健作用的生理活性物质；如藻胶糖、海藻多糖等10.生化工程方面包括生化反应工程技术、生化分离工程技术、反应工程自动控制技术和生化工程关键设备更新等11.动、植物细胞培养方面，取得了较好的成绩如：人参、紫草等贵重药用植物的细胞培养的成功利用转基因技术在转基因山羊乳汁中生产药用蛋白凝血因子X总之，近20年来，我国医药生物技术得到了快速发展，基础研究和应用研究都取得了明显进展和丰硕成果，但和先进国家相比，还存在较大差距，主要表现在：创新不够多、缺少自主开发的新产品；上、下游衔接不协调，产业化进展较慢