《生物技术制药》课件.ppt

第二章生物药物概论 第二章生物药物概论 第一节生物药物的来源 特性 分类与制备第二节人体来源的药物第三节动物来源的药物第四节植物来源的药物第五节海洋生物药物 第一节生物药物的来源 特性 分类与制备 蛋白质 酶 核酸 激素 抗体 细胞因子等与代谢相关的物质都可能成为药物 一 来源1 生物药物的定义 生物药物是指运用生物学 医学 生物化学等的研究成果 从生物体 生物组织 细胞 体液等 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的一类用于预防 治疗和诊断的制品 一 来源 2 生物药物的原料来源生物药物原料以天然的生物材料为主 包括人体 动物 植物 微生物和各种海洋生物等 随着生物技术的发展 有目的人工制得的生物原料成为当前生物制药原料的重要来源 如用免疫法制得的动物原料 用基因工程技术制得的微生物或其他细胞原料等 二 生物药物的特性 1 药理学特性 1 治疗的针对性强治疗的生理 生化机制合理 疗效可靠 如细胞色素c为呼吸链的一个重要成员 用它治疗因组织缺氧所引起的一系列疾病 效果显著 2 药理活性高生物药物是精制出来的高活性物质 因此具有高效的药理活性 3 毒副作用小 营养价值高 4 生物副作用常有发生 二 生物药物的特性 2 在生产 制备中的特殊性 1 原料中的有效物质含量低 杂质种类 含量高 提取 纯化工艺复杂 2 稳定性差 活性部位与空间构象的理化影响因素 3 易腐败 由于生物药物原料都是营养价值高的物质 因此对活性及无菌操作等要求严格 二 生物药物的特性 4 注射用药有特殊要求 生物药物由于易被胃肠道中的酶所分解 所以给药途径主要是注射用药 因此对药品制剂的均一性 安全性 稳定性 有效性等都有严格要求 同时对其理化性质 检验方法 剂型 剂量 处方 贮存方式等亦有明确的要求 二 生物药物的特性 3 检验上的特殊性由于生物药物具有特殊的生理功能 因此生物药物不仅要有理化检验指标 更要有生物活性检验指标 三 生物药物的分类 生物药物的分类方法有以下三种 1 按药物的化学本质和化学特性来分 2 按原料来源来分类 3 按生理功能和临床用途来分类 1 按药物的化学本质和化学特性来分 生物药物的有效成分多数是比较清楚的 因此有利于比较一类药物的结构和功能的关系 分离制备方法的特点和检测方法的统一等 主要有 1 氨基酸及其衍生物类药物 2 多肽和蛋白质类药物 3 酶和辅酶类药物 酶类按其功能分为消化酶类 消炎酶类 心脑血管疾病治疗酶类 抗肿瘤酶类 氧化还原酶类等 一部分辅酶亦属于核酸类药物 4 核酸及其降解物和衍生物类药物 5 糖类药物 以粘多糖为主 6 脂类药物 主要有脂肪和脂肪酸类 磷脂类 胆酸类 固醇类 卟啉类等 7 细胞生长因子类 8 生物制品类 从微生物 原虫 动物或人体材料直接制备或用现代生物技术 化学方法制成作为预防 治疗 诊断特定传染病或其他疾病的制剂 统称为生物制品 2 按原料的来源分类 按原料来源分类 有利于对不同原料进行综合利用 开发研究 对于生物技术药物来说 不同原料来源的生物药物对生物技术的要求有所不同 分类如下 1 人体组织来源的生物药物 主要有人血液制品类 人胎盘制品类 人尿制品类 2 动物组织来源的生物药物 动物的脏器 其他小动物制得的药物如蛇毒 蜂毒等 3 植物组织来源的生物药物 中草药 有效成分 4 微生物来源的药物 抗生素 酶 氨基酸 维生素等 5 海洋生物来源的药物 3 按生理功能和用途分类 生物药物广泛用作医疗用品 在医学 预防医学 保健医学等领域都发挥着重要作用 大致分四类 1 治疗药物 对疑难杂症如肿瘤 爱滋病 免疫性疾病 内分泌障碍等具有特殊的作用 2 预防药物 对传染病的预防 3 诊断药物 免疫诊断试剂 单克隆抗体诊断试剂 酶诊断试剂 放射性诊断药物和基因诊断药物等 某些生物活性物质亦是检测疾病的指标 如谷草转氨酶等 4 其它生物医药用品 生物药物在其他方面应用也很广泛 如生化试剂 保健品 化妆品 食品 医用材料等 四 生物药物的制备 生物药物的提取与分离方法因为原材料 药物的种类和性质不同而有很大差异 这里作简要介绍 1 生物药物原料的选择 预处理与保存方法 2 生物药物的提取 3 蛋白质类药物的分离纯化方法 4 核酸类药物的分离纯化 5 糖类药物的分离纯化方法 6 脂类药物的分离纯化方法 7 氨基酸类药物的分离纯化方法 1 生物药物原料的选择 预处理与保存方法 1 原料选择选择原则主要为 有效成分含量高 原料来源丰富 易得 原料中杂质含量少 原料成本低等 另外植物原料采收具有季节性 微生物原料要注意微生物生长的对数期 动物原料有的要注意动物的年龄与性别 2 原料的预处理与保存 动物原料采集后要立即处理 去除结缔组织 脂肪组织等 并迅速冷冻贮存 植物原料确定后 要择时采集并就地去除不用的的部分 有用部分保鲜处理 收集微生物时要及时将菌细胞与培养液分开 进行保鲜处理 1 生物药物原料的选择 预处理与保存方法 原料的保存方法主要有 1 冷冻法 该法适用于所有生物原料 常用 40 速冻 2 有机溶剂脱水法 常用的有机溶剂是丙酮 该法适用于原料少而价值高 有机溶剂对活性物质没有破坏作用的原料 如脑垂体等 3 防腐剂保鲜 常用乙醇 苯酚等 该法适用于液体原料 如发酵液 提取液等 2 生物药物的提取 1 生物组织和细胞的破碎常用的破碎方法一是磨切法 使用的设备有组织捣碎机 胶体磨 匀浆器 匀质机 球磨机 乳钵等 二是压力法 有加压和减压两种 三是反复冻融法 该方法设备简便 活性保持好 用时较长 四是超声波振荡破碎法 该法破碎效果较好 对活性有损失 五是自溶法或酶解法 用得较少 2 生物药物的提取 2 提取生物组织与细胞破碎后要立即进行提取 提取时 首先要根据活性物质的性质 选择提取试剂 提取试剂主要有 水 缓冲溶液 盐溶液 乙醇 其他有机溶剂 如氯仿 丙酮等 其次是考虑提取溶剂的用量及提取次数 提取时间 三是注意提取的温度 pH 变性剂等因素 3 蛋白质类药物的分离纯化方法 所说的蛋白质类药物包括蛋白质 多肽和酶类等药物 分离纯化方法主要有 1 沉淀法蛋白质 酶的初步纯化往往用沉淀法 其原理是使蛋白质胶体颗粒破碎 从而沉淀蛋白质 常用的有盐析法 有机溶剂沉淀法 等电点沉淀法 与靶物质结合沉淀法 如抗原 抗体 等 2 按分子大小分离的方法有超滤法和透析法 即膜分离法 凝胶层析法 超速离心法等 其中膜分离法可用于生物大分子的浓缩 分级和脱盐 3 蛋白质类药物的分离纯化方法 3 按分子所带电荷进行分离的方法氨基酸 多肽 蛋白质 酶均为两性电解质 根据它们的等电点不同 调节pH值进行交换 电泳 等电聚焦法等 4 亲和层析法大部分生物活性物质都有其作用的靶物质 如酶与底物 或抑制剂 抗原与抗体 激素与受体等 书中提到的疏水相互作用层析方法以及很多其它书中未提到的方法也可以进行蛋白质分离和纯化 4 核酸类药物的分离纯化方法 核酸类药物生产方法主要有提取法和发酵法 提取法生产DNA和RNA的主要技术是 先提取核酸和蛋白质复合物 再解离核酸与蛋白质 然后分离RNA与DNA 发酵法主要用于生产单核苷酸 5 糖类药物的分离纯化方法 1 提取方法非降解法适用于从含一种粘多糖的动物组织中提取粘多糖 提取采用的溶剂是水或盐溶液 降解法适用于从组织中提取结合比较牢固的粘多糖 如从软骨中分离提取硫酸软骨素 就是用碱处理进行降解 又如用酶处理法可提取与蛋白质结合的多糖 5 糖类药物的分离纯化方法 2 分离方法常用的分离方法是沉淀法和离子交换层析法 乙醇沉淀法是从提取液中沉淀多糖最简易方法 也适用于分级分离 4 5倍体积的乙醇可以使任何结缔组织中的粘多糖完全沉淀 用季铵化合物也可沉淀粘多糖 粘多糖的聚阴离子能与某些阳离子表面活性剂结合成不溶于水的盐 如CTAB等离子交换层析法 粘多糖的聚阴离子能够很快地被阴离子交换剂吸附和分离 如DowexI X2离子交换树脂 DEAE 离子交换纤维素等 洗脱可用NaCl溶液进行梯度洗脱 6 脂类药物的分离纯化方法 1 提取方法 脂类自然状态下是以结合形式存在的 非极性脂是与其他脂质分子或蛋白分子的疏水区相结合的 提取脂质药物就是要选择适当的溶剂来破坏这种结合键 将脂质溶解出来 常用的溶剂有组合溶剂 醇是其中的主要成分 此外还有氯仿 甲醇 水等 6 脂类药物的分离纯化方法 2 纯化方法 沉淀法 由于不同脂质在丙酮中溶解度不同 故常用它进行沉淀 吸附层析法 常用吸附剂有硅胶 氧化铝等 它是通过极性和离子力等把各种化合物结合到固体吸附剂上 洗脱一般用极性逐渐增大的洗脱液来进行 非极性的先流出 离子交换层析法 脂质分子的存在有非解离 两性离子和酸式解离三种状态 根据它们在一定pH条件下解离情况 选择适当的离子交换剂可将它们提纯 如TEAE 纤维素对分离脂肪酸和胆汁酸等特别有效 7 氨基酸类药物的分离纯化方法 1 氨基酸的生产方法蛋白质水解法 酸水解 碱水解和酶水解三种 用盐酸水解为常用方法 其优点是水解迅速完全 产物全部是L 型氨基酸 缺点是色氨酸全部被破坏 丝氨酸等部分被破坏 碱水解较容易产生消旋作用 较少应用 酶水解法水解不够完全 发酵法 发酵法主要是选育特异产生某种氨基酸的菌株 经过发酵后 从培养液中提纯氨基酸 1 氨基酸的生产方法 化学合成与酶促合成法 化学合成法一般得到的是DL 型氨基酸 尚需要对异构体拆分 酶促合成法也是酶工程在医药工业上应用的一个内容 优点是技术工艺简单 转化率高 副产物少 容易提纯等 2 氨基酸的分离方法 常用的氨基酸分离提纯方法有沉淀法 吸附法和离子交换法 沉淀法 根据形成沉淀的原理不同分为两种 一种是依据不同氨基酸在水中或其他溶剂中的溶解度差异进行分离 另一是用特殊试剂沉淀某种氨基酸 如用邻二甲苯 4 磺酸与亮氨酸形成不溶性盐沉淀 再用氨水分解 使亮氨酸游离出来 吸附法 这是利用吸附剂根据氨基酸吸附力的差异进行氨基酸分离的方法 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸的分离就是利用活性碳对其吸附的原理 2 氨基酸的分离方法 离子交换法 氨基酸是两性电解质 在一定pH条件下 不同氨基酸带电性质及解离状态是不同的 因此在离子交换剂上被吸附的强度不同 常用的离子交换剂为强酸型阳离子交换树脂 洗脱主要用pH梯度洗脱 第二节人体来源的药物 一 人体来源药物的特点与研究意义二 人体来源药物的种类与用途三 人体来源药物的制备实例四 人体药物的研究前景 一 人体来源药物的特点与研究意义 1 人体来源的生物药物特点 1 安全性好 需要保证来源于健康人 2 效价高 疗效可靠 因为纯度高 3 稳定性好 可以加工成冻干试剂 10 以下可保存2年以上 利于运输 贮存和使用2 研究意义 1 资源的有限性 人体来源是有限的 2 意义 从药学角度研究清楚人体来源的结构和功能 对于使用现代生物技术生产药物具有重大意义 如胰岛素的生产 二 人体来源药物的种类与用途 1 人血液制品 全血制品 血液成分制品 血浆成分制品和体液细胞内成分制品等 血液成分制品包括红细胞 白细胞 血小板和血浆 这类成分主要通过离心 过滤技术获得 1 红细胞制剂 凡在需要提高血液携氧能力和补充血红蛋白 而又不需要补充维持血容量的场合 均可输用 压积红细胞 等红细胞制剂 压积红细胞 少含白细胞的压积红细胞 冰冻贮藏红细胞 1 人血液制品 2 白细胞浓缩液 输注白细胞疗法 一般在肿瘤病人经细胞药物治疗后 处于骨髓细胞抑制期间遭受感染且各种抗菌素治疗无效情况下采用 疗效显著 白细胞 粒细胞 成分需用单采粒细胞技术自供血者血循环中采集 用过滤法或离心法得到的细胞存活率均较低 改进的连续离心法可将粒细胞得率提高一倍 注意输注HLA组织抗原相溶的白细胞 离体白细胞的保存问题 白细胞是IFN 的重要原料 一般是将抗凝后的全血离心 然后取出白细胞层 1 人血液制品 3 血小板制剂 血小板的分离和使用在国外已经比较普遍 中国尚未推广使用 血小板制剂的适应病症为白血病 淋巴瘤及其他肿瘤因治疗而导致的骨髓抑制症状 需要注意的是人体输注血小板往往会产生抗体 还会引起短期的粒细胞减少 采用单人的血小板 最好应用HLA相容的单人血小板输注 可延缓 减少这种破坏作用 1 人血液制品 4 新鲜冰冻血浆 FFP 新鲜冰冻血浆可有效地保存血浆中各种生物活性成分的功能 FFP产品规定自采血到血浆冰冻的时间不超过8小时 在 30 以下保存 FFP可在许多临床疾病中使用 包括先天性或获得性凝血因子缺乏症 免疫球蛋白缺乏症等 2 血浆的综合利用 血浆情况表2 1 项目 含量 血浆占人体体重的量 血浆占全血的量 血浆中水分占血浆的量 血浆中蛋白质占血浆的量 白蛋白 IgG占血浆总蛋白的量 其它百余种微量蛋白成分占血浆总蛋白的量 IgA IgM Fg Tr 1AT Hpx 1AG占血浆总蛋白的量 8 50 92 65 6 7 25 10 由表2 1可见 血浆蛋白成分中主要是Alb和IgG 含量中等 指含量在100 1000mg dl 的成分有IgA IgM 纤维蛋白原 Fg 补体C3 转铁蛋白 Tr 巨球蛋白 2M 触珠蛋白 Hp 1抗胰蛋白酶 1AT 血色素结合蛋白 HpX 和 1 AGP等十种 此外还有百余种小量和微量的蛋白质和多肽成分 下面分别论述具有不同生理功能的几个主要成分 2 血浆的综合利用 2 血浆的综合利用 1 转输蛋白类 这是一类对能在血液循环中对机体的营养物质 代谢产物 激素 药物等进行转输的血浆蛋白 白蛋白 前白蛋白 类脂蛋白 触珠蛋白 血红蛋白 转铁蛋白 铜蓝蛋白 转钴胺蛋白 GC蛋白 2 免疫球蛋白 3 凝血系统蛋白 包括与凝血有关的蛋白质 酶或因子等 第二类是与溶纤有关的酶 如纤溶酶原 被尿激酶活化后成为具有酶活性的纤溶酶 具有溶栓作用 蛋白C为新近发现的抗凝系统中的一种主要蛋白 它可被凝血酶激活 活化后的蛋白C能作用于活化的因子V和VIII 起到抗凝作用 该类蛋白大部分为微量或超微量 2 血浆的综合利用 4 补体系统蛋白 补体系统是机体主要防御体系之一 在许多生物学反应中 如吞噬 调理 趋化和细胞溶解等 均起重要作用 另一方面补体在自身免疫性疾病及循环免疫复合物性疾病中 起着损伤机体的作用 5 蛋白酶抑制物类 主要有 1 抗胰蛋白酶 1抗糜蛋白酶 1X 间胰酶抑制物 抗凝血酶III等 3 人体液细胞中的活性物质 人体液细胞包括红细胞 白细胞 淋巴细胞 血小板 成纤维细胞等 细胞内的生物活性物质具有极重要的生理功能 用人体液细胞生产的活性物质主要有干扰素 白细胞介素 2 超氧化物歧化酶等少数几个品种 对于体液细胞中生长因子等的研究的主要意义在于搞清楚结构和功能 以便用于生物技术进行生产 体液细胞的直接使用是其主要用途 4 人类来源的其它原料的利用 1 人胎盘的应用 可得到人胎盘丙种球蛋白 人胎盘白蛋白 人胎盘RNA酶抑制剂等 也可从胎盘中提取绒膜促性激素 HCG 和绒膜促乳激素 HCS 等 2 人尿的综合利用 从健康男性尿液中可以制备尿激酶 激肽释放酶 尿抑胃素 蛋白酶抑制剂 睡眠因子 集落刺激因子 CSF 和表皮生长因子 EGF 等 从妊娠妇女与绝经期妇女的尿中 可制备HCG等 5 细胞因子 1 特点和生理作用 细胞因子系在体内或体外对效应细胞的生长 增殖和分化起调控作用的一类物质 许多生长因子在靶细胞上有特异性受体 这类因子包括细胞生长因子和细胞生长抑制因子 在临床上 细胞因子可促进受损组织的恢复 但对正常组织无作用 2 主要种类 已经发现的细胞因子在100种以上 大部分是从动物原料中制得 书中给出了一部分细胞因子 6 人体激素 激素主要有蛋白激素 多肽激素 氨基酸衍生物激素和脂类激素 激素分子很少是大分子蛋白质 因子很少有免疫反应 如今激素的生产是以动物原料提取为主 近年来 用半合成法和基因工程法来生产激素发展很快 用这些方法生产人胰岛素已取得成功 三 人体来源药物的制备实例 1 人血浆白蛋白制备工艺要点 络合 利凡诺沉淀 血浆在搅拌下用NaHCO3调节pH至8 6 加入等体积的2 利凡诺溶液 充分搅拌后静置2 4h 分离上清与络合物沉淀 解离 在沉淀中加灭菌蒸馏水 用0 5mol LHCl调节pH至弱酸性 加NaCl至0 15 0 2 搅拌下解离 2 ethoxy 6 9 diaminoacidinelactate 加热去杂蛋白 充分解离后 65 恒温1h 离心分离出上清液 热处理 60 10h 灭活病毒检验方法 冻干品为白色疏松物体 白蛋白含量占95 以上 水分 1 水溶后pH为6 6 7 2 硫酸铵残留量 0 01 细菌学和热源质检测合格 三 人体来源药物的制备实例 2 尿激酶的制备工艺要点 男性尿 8h内处理 调尿液pH6 5以下 电导20 30M 细菌数1000个 ml以下 硅藻土吸附 1 硅藻土 5 下吸附1h洗脱 以5 冷水洗涤后 以0 02 氨水内含0 1mol lNaCl的溶液洗脱 洗脱液由清转浑时开始收集 除热源 色素 上述收集液用饱和NaH2PO4调pH8 0 加NaCl调电导至22M 通过DEAE SephadexA50层析柱 收集流出活性部分 CM C浓缩 上述收集液用1mol LHAc调pH至4 2 用蒸馏水调电导至16 17M 通过CM C柱 然后用10倍体积的pH4 2的HAc NaAc缓冲液洗涤 然后以0 1 氨水0 1mol LNaCl溶液洗脱尿激酶 收集活性组分 杂质被吸附 产品质量 无色澄清液或白色冻干粉末 酶活力 15000IU mg蛋白质 四 人体来源药物的研究前景 1 可进一步开发新产品 血液 胎盘等2 用现代生物技术生产人类活性物质 第三节动物来源的药物 一 动物来源药物的特点二 动物来源药物的种类与用途三 动物来源药物的制备实例四 前景 一 动物来源药物的特点 具有生物药物的共同特点 来源丰富种属间差异的考虑 二 动物来源药物的种类与用途 1 动物多肽与蛋白质类药物多肽类主要有 多肽激素如垂体激素 促肾上腺皮质激素ACTH 促黑激素MSH 催产素OT 加压素AVP等 下丘脑激素 甲状腺激素 胰岛素 胃肠道激素胸腺激素等 多肽类细胞因子蛋白类药物有 蛋白质激素 血浆蛋白质 蛋白质类细胞因子 粘蛋白 胶原蛋白以及其他如硫酸鱼精蛋白 胰蛋白酶抑制剂等 二 动物来源药物的种类与用途 2 动物酶与辅酶类药物有促消化酶类 消炎酶类 治疗心脑血管疾病的相关酶 纤溶酶 尿激酶 蚓激酶 链激酶 凝血酶等 抗肿瘤的酶 L 门冬酰胺酶等 与氧化还原电子传递有关的治疗酶 细胞色素C 超氧化物歧化酶等 除辅酶Q10 辅酶A外 大部分辅酶由发酵法得到 二 动物来源药物的种类与用途 3 动物核酸类药物 1 组成与作用核酸由核苷酸组成 核苷酸由碱基 戊糖和磷酸三部分组成 戊糖与碱基组成的单元叫核苷 核酸类药物主要有 核酸 核苷酸 核苷 碱基及其衍生物 在癌症 肝炎 抗放射性 心脏病方面有重要作用 2 种类与用途见书中表2 11 二 动物来源药物的种类与用途 4 动物糖类药物以粘多糖类为主 广义的粘多糖包括粘多糖 粘蛋白 糖蛋白 糖脂等 粘多糖有中性和酸性粘多糖 主要分布于在动物的骨 软骨 皮 角 血管 肠 滑膜液 脑 角膜 肺 肝 心 尿等原料中 书中给出几种重要的粘多糖 甲壳质 硫酸软骨素 肝素及透明质酸 动物粘多糖主要分离步骤大致是 原料处理 提取 降解和非降解法 去除粘多糖 脱色 脱蛋白等 纯化 用乙醇沉淀 季铵盐络合沉淀 离子交换 分子筛 亲和层析等 二 动物来源药物的种类与用途 5 动物脂类药物 1 种类及分布主要包括脂肪酸及其衍生物 磷脂类 胆酸类 卟啉及其衍生物等 2 制备方法提取法 水解法