生物制药工艺学课件

生物制药工艺学生物制药工艺学主讲教师：吴梧桐教授《生物制药工艺学》主要参考书1．吴梧桐主编《生物制药工艺学》第二版，北京，中国医药科技出版社，2006.2．王志军主编《生物技术药物研究开发和质量控制》，北京，科学出版社，2002.3．吴剑波《微生物制药》，北京，化学出版社，2002.杂志期刊：1.中国抗生素杂志.2.药物生物技术.3.中国生物工程学报.4.中国生化药物杂志.5.中国天然药物.6.中国医药工业.生物制药工艺学Biopharmaceuticalprocess一、学习本课程的目的：1、培养自己掌握扎实的专业知识，具有创新、创业能力的高素质人才，按联合国科教文组织对世界大学生的要求：（1）Learntoknow.(2)Learntodo.(3)Learntobe.(4)Learntotogether.2、培养自己成为药物研究、生产、流通、应用与管理的专门人才。为人民的防病、治病、保健、康复提供疗效好，副作用少，价格便宜，使用方便的生物药物。二、本课程的性质：是生物技术、生物工程、海洋药学、生化制药、微生物制药、、生物技术制药的专业必修课，也是药学专业的重要选修课。三、本课程研究内容是从事各类生物药物的研究，生产和制剂工艺过程的一门综合性应用技术科学。（1）生化与微生物药物制造工艺。（2）生物技术药物与生物制品制造工艺。（3）其它生物医药产品（康复保健品）制造工艺。四、学习任务与要求：（1）掌握制造工艺基本原理及相关基础理论。（2）熟练制造技术过程及制剂技术。（3）熟悉生物药物的来源、结构、性质及临床用途。第一章生物药物概述IntroductionofBiopharmaceutics1．药物Medicine(remedy)药物是用于预防、治疗或诊断疾病与调节机体生理功能、促进康复促健的物质，有4大类：（1）预防药物：如疫苗、卡介苗、艾滋病疫苗、SARS疫苗、肿瘤疫苗。（2）治疗药物：如抗生素、INS、尿激酶。（3）诊断药物：如肝肾功能检查试剂盒、免疫诊断试剂盒。（4）康复保健药物：如维生素、氨基酸、叶酸。2．药品Drug直接用于临床的药物制剂产品，是特殊商品。药品特点：有固定组成，明确规定有适应症、用法与用量，疗程，并说明可能存在的毒副反应。还规定使用有效期。药品有3大类：（1）化学药品，（2）生物药品，（3）中药（药材，饮片，中成药）。生物药物Biopharmaceutics是以生物材料（生物体、生物组织或其成分：组织、细胞、细胞器、细胞成分、代谢物、排泄物）为原料，综合应用生物学、物理化学与现代药学的原理与方法加工制成的药物。通常有5类：（1）生化药物Biochemicalmedicine（2）微生物药物Microbialmedicine（3）海洋药物Marinemedicine（4）生物制品Biologics(biologicals)（5）生物医药产品Biologicalmedicinalproducts随着生物技术药物的快速发展，现代生物药物已形成4大类：（1）重组DNA药物（包括基因工程和蛋白质工程药物）（2）基因药物geneticmedicine（核算类药物，以遗传物质DNA、RNA为治疗物质基础的药物），如核算疫苗、反义药物。（3）天然生物药物（4）合成或半合成药物。第一节生物药物的研究与发展前景一、生物药物研究发展现状生物药物的发展已走过传统生物制药技术和工业化生物制药时代，从1982年10月rhIns上市，正式步入现代生物制药阶段。1、世界现状：已上市200多种生物技术药物，已进入Ⅲ其临床400种；其中200种进入FDA审批，还有700多种进入Ⅰ-Ⅱ期临床，在各个不同临床前研究的有2600多种。二、生物药物的发展与展望1．生物技术药物研究已进入蛋白质工程药物时代第一代重组药物时代：一级结构与功能和天然活性蛋白质完全一样；第二代重组药物时代：对天然产物表达物进行简单修饰，如PEG化或糖基化；第三代重组药物时代：蛋白质工程药物，在DNA水平上，合理设计、改造、创制新型治疗蛋白。目的：（1）提高活性；（2）减少或消除毒副作用；（3）提高体内外稳定性；（4）产生新的功能特性。如：快速Ins，B9-Ser→B9-Asp,B27-Thr→B27-Glu长效Ins,B21-Asn→B21-Gly,B-C末端加入2个ArgPI由pH5.4→pH6.82.中国现状：（1）生产生化药物100多种，抗生素近100种；（2）已批准生物技术药物30多种：如INF-α1b,INF-α2a,INFα2b,INF-γ,IL-2,IL2-ser125,IL-11,G25F,GM-CSF,γ-SK，γGH，EPO，TPO，EGF，EGF衍生物，bFGF，Ins，TNF衍生物，脑钠素，心钠素，抗IL-8单抗乳膏剂，胸苷激酶基因工程细胞制剂，CHO乙肝疫苗，痢疾疫苗，WuT3单抗（抗CD3CMAb，抗肾移植排斥），131I-chTNT人鼠嵌合型单抗（治肺癌），P53腺病毒抗癌注射剂，葡激酶等，已进入临床的有SARS疫苗，禽流感疫苗，艾滋病疫苗。中国生物制药企业近代生物制药企业通过GMP的厂家已近200家，年产值400多亿元，仅占全国医药产值7.5%发展空间可观（美国400多亿美元/年），已开始进入自主创新阶段。如：（1）γ-bFGF(全球首家上市)；（2）思凯通（注射SK，1997年上市）；（3）注射用重组葡激酶（2003年上市）；（4）今又生Gendicine（P53腺病毒注射剂）；（5）TNF衍生物2.哺乳动物细胞表达产物所占比重快速增加2000年已批准创新生物技术药物：酵母表达产品2种，E.coli表达产品4种，分子量均在3.5KDa~6KDa,表示它表达多肽有优势，而通过动物细胞表达系统22种（包括抗体、酶、凝血因子）如：TNKase(t-pA突变体)；（58KDa）；AlsuraZyme（laromidase）(58KDa治疗粘多糖病)Fabrazyme（Algasidasebeta,100KDa,治疗Fabry’s病）3.治疗性抗体发展迅猛FDA已批准17种治疗性抗体，在抗肿瘤、治疗风湿性关节炎，防止感染、抗血小板凝集等方面疗效突出。在369种进入临床试验的生物技术药物中有75种是抗体类产品，预计2008年会有17种上市。如抗TNFα嵌合抗体，TNFα-R-Fc融合蛋白。抗体人源化分为（1）嵌合抗体：用人源抗体恒定区替换鼠源抗体恒定区，保留抗体可变区。(2)人源化抗体:可变区中仅CDR（轻链可变区）为鼠源，其FR及恒定区均来自人源。4、干涉RNA（RNAi）RNAinterference，是细胞内外源性或内源性双链RNA，可引起与其同源的mRNA特异性降低，抑制基因表达，是抗病毒、抗肿瘤治疗剂的重要设计方向。5、基因治疗剂：DNA疫苗与基因药物发展迅速，将功能基因与表达载体重组，导入人体细胞，使其在体内表达活性蛋白，产生免疫或治疗作用。已研究成功乳腺癌DNA疫苗（可能对病毒性肿瘤均可获得成功），还有黑色瘤基因治疗也取得突破（使病人晚期肿瘤消失），将病人的T-cell分离出来，用肿瘤抗原受体基因改造T-cell，再注入人体，可以对黑色素瘤产生有效清除作用。第二节生物药物的性质与类别一、生物药物的特性（CharacterizationofBiopharmaceutics）（一）生物学特性：1、组成、结构与天然活性物质一致，是生物进化与自然选择的结果。2、具有调节、控制生物功能，战胜疾病的物质基础。3、对人体进行补充、调整、增强、抑制，替换或纠正代谢失调更为合理和有效。4、活性强，毒副作用一般较少，针对性强，疗效确切，还有营养作用。5、是创新药物的优良先导物，通过分子设计可以研制新型有效药物，如从抑长素研制环己肽（环6肽）。28肽———环6肽Pro-Phe-D-TrpPe-Thr-Lys(二)、化学特性：（1）含量低、杂质多、工艺复杂、收率低、技术要求高；（2）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，故研究时要执行GLP规范，生产时要求GMP管理。（3）活性高，有效剂量小，对制品的有效性，安全性要严格要求（包括标准品的制订）。二、生物药物的类别：共分4大类（一）天然生物药物1．微生物药物microbilmedicine由微生物产生的生理活性物质：包括初级及次级代谢产物和转化产物。（1）抗生素：抗菌、抗肿瘤抗生素，如青霉素，链霉素，红霉素，四环素，多粘菌素，两性霉素B，氯霉素，利福霉素，磷霉素等。（2）酶抑制剂：如克拉维酸，β-内酰胺酶抑制剂(青霉素增效剂)（3）免疫抑制剂:如环孢霉素A2．生化药物（含海洋药物）：Biochemicalmedicine用生物化学的原理与技术从动植物、海洋生物和微生物制取的生化活性物质。（1）氨基酸类药物aminoAcid如胱AA、色氨酸、精氨酸等。（2）多肽类药物Polypeptide如缩宫素、加压素等。（3）蛋白质类药物如人血白蛋白，r-球蛋白（4）酶类药物如胃蛋白酶，尿激酶（5）辅酶类药物如CoQ10,CoASH（6）核苷酸与核酸类药物如RNA注射液：PolyI:C（7）多糖类药物（polysaccharide）:如肝素、玻璃酸。（8）脂类药物：如去氢胆酸，胆红素、PGE1、PGE2。（二）生物技术药物（新生物制品）Biotech-drugs1.DNA重组药物（DNArecombinantmedicine）－基因工程与蛋白质工程药物（1）细胞因子干扰素类药物:IFNα,IFN-β,IFNγ（2）细胞因子白介素类和肿瘤坏死因子:IL-2,IL-6,IL-11;TNF-,TNF-R（3）造血系统生长因子类：G-CSF,GM-CSF,EPO,TPO,SCF（4）重组蛋白和多肽类激素药物：Ins，rHGH,FSH,LH,HCG（5）生长因子类药物:EGF，PDGE，TGFα，NGF（6）心血管病治疗剂与酶制剂:水蛭素，t-PA，尿激酶，门冬酰胺酶（7）重组蛋白疫苗与基因工程治疗性抗体：乙肝疫苗、丙肝疫苗、对淋巴瘤CD3单抗（OKT3）抗排斥。HER-2（表皮生长因子受体抗体），抗乳腺癌转移（人源化抗体）2.基因药物（核酸类药物）(1)核酸疫苗：将目的基因与表达载体构建成重组体导入人体，使其表达免疫蛋白，呈递免疫应答，如乳腺癌疫苗。(2)反义药物ISIS2900，用于治疗巨细胞病毒性视网膜炎。（三）合成或半合成生物药物：如催产素，降钙素，PEG-腺苷脱氨酶，PEG-门冬酰胺酶第二章生物制药工艺技术基础Basisofbiopharmaceuticaltechnology第一节微生物制药工艺技术基础一、菌种的选育与保芷1．自然选育是一种纯种选育方法，依据自发突变原理，通过不断分离筛选，除去衰变型菌落，选择高产菌，达到强化、复壮、稳定生产目的。操作：单孢子悬浮液→分离及单菌落培养→筛选纯培养：从一个单细胞微生物取得的后代培养称纯培养方法：（1）平板划线法（2）稀释平板法2．诱变育种（1）诱变处理：①化学诱变；②物理诱变（2）代谢调节选育（3）基因重组技术改变代谢途径（4）原生质体融合突变株筛选一般进程如图所示第三第四轮同第二轮3．菌种保存（1）保存目的：防止退化（2）菌种退化检查方法（3）菌种退化防止方法（4）菌种保芷方法：①斜面低温保存4℃，湿度70%，细菌可保存1月，放线菌2月，酵母4～6月；②液体石蜡封芷法121℃×30mm灭菌，干燥，封管；③甘油冷冻法；④冷冻干燥法；⑤液氮保藏法二、发酵工程技术基础发酵工程：单细胞纯培养工业化过程，以产生大量目的物。1．液体培养——深层发酵2．固体培养——浅盘培养发酵设备：空压机、种子罐、发酵罐，蒸汽发生器、空气过滤器、离心机及多种参数控制与检测设备，以L-Lys生产设备为例，见图1所示。图1L-Lys生产过程工艺设备图第二节生物药物提取、分布、纯化技术基础一、生物材料的选择：1．生物活性物质存在部位：胞内、胞外、胞浆、质膜、器膜、周质2．生物材料的采集与质控（1）品种鉴定；（2）防止污染与感染；（3）选择富集目的物