生物制药工艺学 第一章 课件

第一篇生物制药工艺基础 生物药物概述生物制药工艺技术基础 第一章生物药物概述 生物药物与生物制药工艺学生物药物的特性 分类和用途生物药物的研究发展前景掌握 生物药物的概念及分类熟悉 生物药物的特性和用途 了解 生物药品的产生 发展过程 生物药物的发展前景 第一节生物药物与生物制药工艺学人类防病 治病的三大药源 化学药物 生物药物与中草药一 概念 1 生物药物 利用生物体 生物组织或其成分 综合应用生物学 生物化学 微生物学 免疫学 物理化学和药学的原理与方法进行加工 制造而成的一大类预防 诊断 治疗制品 例 干扰素 生长素 胰岛素 抗生素 疫苗 白蛋白等广义的生物药物包括各种天然生物活性物质及天然物质类似物 也包括应用生物工程技术制造生产的新生物技术药物 基因工程 细胞工程 酶工程与发酵工程 1957年 英国病毒生物学家和瑞士研究人员在利用鸡胚绒毛尿囊膜研究流感干扰现象时了解到 病毒感染的细胞能产生一种因子 后者作用于其他细胞干扰病毒的复制 故将其命名为干扰素 1980 1982年 科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得干扰素 1升细胞培养物可得到20 40毫升干扰素 1987年开始用基因工程方法生产的干扰素进入了工业化生产 并且大量投放市场 2 生物制品 用微生物 微生物代谢产物 动物毒素 人或动物的血液或组织等加工制成的预防 治疗和诊断特定传染病或其他有关疾病的免疫制剂 菌苗 疫苗 应变原与血液制品 现代生物药物类型 基因重组多肽蛋白类治疗剂基因药物天然生物药物合成及半合成生物药物 二 生物制药工业的历史与现状1 传统生物制药发展阶段最早者为神农孙思邈李时珍11世纪沈括1897年发现了酶 开创了工业微生物的新时代早期的生物药物多数来自动物脏器 有效成分也不明确 曾有脏器制剂之称 二十世纪20年代 对动物脏器的有效成分逐渐有所了解 1773年 意大利科学家斯帕兰扎尼设计了一个巧妙的实验 将肉块放入小巧的金属笼中 然后让鹰吞下去 过一段时间他将小笼取出 发现肉块消失了 于是 他推断胃液中一定含有消化肉块的物质 但是什么 他不清楚 1836年 从胃液中提取出了消化蛋白质的物质 解开胃的消化之谜 药王孙思邈对我国医药学贡献的 二十五个第一 1 医学巨著 千金方 是我国历史上第一部临床医学百科全书 被国外学者推崇为 人类之至宝 2 第一个完整论述医德的人 3 第一个倡导建立妇科 儿科的人 4 第一个麻风病专家 5 第一个发明手指比量取穴法 6 第一个创绘彩色 明堂三人图 7 第一个将美容药推向民间 8 第一个创立 阿是穴 9 第一个扩大奇穴 选编针灸验方 10 第一个提出复方治病 11 第一个提出多样化用药外治牙病 12 第一个提出用草药喂牛 而使用其牛奶治病的人 13 第一个提出 针灸会用 针药兼用 和预防 保健灸法 14 系统 全面论述药物种植 采集 收藏的第一人 15 第一个提出并试验成功野生药物变家种 16 首创地黄炮制和巴豆去毒炮制方法 17 首用胎盘粉治病 18 最早使用动物肝治眼病 动物肝富含维生素A19 第一个治疗脚气病并最早用彀树皮煎汤煮粥食用预防脚气病和脚气病的复发 比欧洲人早一千年20 首创以砷剂 雄黄等 治疗疟疾病 比英国人用砒霜制成的孚勒氏早一千年 21 第一个提出 防重于治 的医疗思想 22 首用羊餍 羊甲状腺 治疗甲状腺肿 23 是我国历史上第一位深入民间 向群众和同行虚心学习 收集校验秘方的医生 24 中西医结合工作第一人 25 第一个发明导尿术 紫河车 指人类的胎盘 中医认为 有补肾益精 益气养血之功 现代医学研究认为 胎盘含蛋白质 糖 钙 维生素 免疫因子 女性激素 助孕酮 类固醇激素 促性腺激素 促肾上腺皮质激素等 能促进乳腺 子宫 阴道 睾丸的发育 对甲状腺也有促进作用 对肺结核 支气管哮喘 贫血等亦有良效 我国第一部药学专著 神农本草经 就记有癫蛤蟆的性味 归经和主治等方面内容 蟾蜍是一种药用价值很高的经济动物 其全身是宝 蟾酥 干蟾皮 蟾衣 蟾头 蟾舌 蟾肝 蟾胆等均为药材 蟾酥 是珍贵的中药材 内含多种生物成分 有解毒 消肿 止痛 强心利尿 抗癌 麻醉 抗辐射等功效 可治疗心力衰歇 口腔炎 咽喉炎 咽喉肿痛 皮肤癌等 目前德国已将蟾酥制剂用于临床治疗冠心病 日本以蟾酥为原料生产 救生丹 我国50余种中成药中都有蟾酥成分 我国生产的蟾酥在国际市场上声望极高 每年出口5000多斤 可换得外汇500万美元 本草纲目 共有52卷 载有药物1892种 收集医方11096个 是我国医药宝库中的一份珍贵遗产 分为16部62类 这种分类法 已经过渡到按自然演化的系统来进行了 从无机到有机 从简单到复杂 从低级到高级 这种分类法在当时是十分先进的 尤其对植物的科学分类 要比瑞典的分类学家林奈早二百年 不仅在药物学方面有巨大成就 在化学 地质 天文等方面 都有突出贡献 它在化学史上 较早地记载了纯金属 金属 金属氯化物 硫化物等一系列的化学反应 同时又记载了蒸馏 结晶 升华 沉淀 干燥等现代化学中应用的一些操作方法 2 近代生物制药发展阶段30年代中期建立了小鼠和鸡胚培养病毒的方法 从而制成黄热病 流感 乙型脑炎 森林脑炎和斑疹伤寒等疫苗 20世纪40年代 第一次世界大战的爆发促使微生物制药工业快速进入了发酵工程技术阶段50年代 在离体细胞培养物中繁殖病毒的技术取得突破 从而研制成功小儿麻痹 麻疹 腮腺炎等新疫苗 20世纪60年代 已有生化药物500多种 还有100多种临床诊断试剂 3 现代生物制药发展阶段自1982年人胰岛素成为用DNA重组技术生产的第一个生物医药产品以来 以基因重组为核心的生物技术所开发研究的新药数目一直居首位 80年代后期 应用基因工程技术己研制成功乙肝疫苗 狂犬病疫苗 口蹄病疫苗和AIDS病疫苗 此外 应用酶工程技术 细胞工程技术和基因工程技术生产抗生素 氨基酸和植物次生代谢产物也已步入产业化阶段 国外生物制药产业发展迅速 目前 全世界约有3000多个从事生物技术研究开发和生产的公司 现在生物技术产业已经成为全球经济新的增长点 以DNA重组技术为核心的现代生物技术首先在医药领域现产业化 生物技术的发展为新药的研制开发开辟了十分广阔的天地 继信息产业之后 生物产业的发展将给世界带来更为翻天覆地的变化 由于动手早 实力强 美国无疑仍然是 老大 世界上多数生物计划公司和多数生物技术专利都在美国 生物制药产业具有高投入 高风险和高收益特点 它具有爆炸性的成长速度和广阔的市场前景 美国研发经费其中10 投入到生物技术药物 一种新药从研究开发到投放市场 耗资约2 5亿美元 开发周期长达12年之久 跨国公司平均投入与销售收入的比例已超过10 创新型重磅产品不断涌现 80年代中期以来 我国生物技术蓬勃发展 基因工程制药产业发展迅猛 1996年 基因工程药物和疫苗销售额为2 2亿元 1998年增长到7 2亿元 2000年达到了22 8亿元 平均每年增长79 42 其中干扰素所占比重最高 其次为乙肝疫苗 白细胞借素 2 1989年 我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物 一种重组人干扰素 标志着我国生产工程药物实现了零的突破 这是世界上第一个采用中国人基因克隆和表达的基因工程药物 也是到目前为止唯一的一个我国自主研制成功的拥有自主知识产权的基因工程一类药物 数据显示 2003 2010年中国生物制药行业销售收入年复合增长率达21 52 2010年行业产销规模突破千亿元 同比增速超过40 未来十年 一批基因治疗方案 药物将进入应用阶段 中国生物药研发与产业化能力也将大幅度提高 形成化学药 中药 生物药三足鼎立的药物新格局 我国将针对癌症 心脏病 高血压 糖尿病 神经系统疾病等重大疾病 取得200个生物新药证书 开发近200种生物药 近400个生物药进入临床试验阶段 中国生物制药的高速发展时代已经到来 2013 2017年中国生物制药行业产销需求与投资预测分析报告 国家加大对生物技术创新和生物产业发展的支持力度 使我国生物制药行业保持快速发展势头 2011年我国生物制药的销售额已达1600亿美元 占全球药品市场份额的19 预计到2020年 生物制药在全球药品销售中的比重将超过三分之一 2015年 我国生物仿制药品的年销售额将从2011年的2748亿元增长到4478亿元 年均复合增长率约在15 左右 随着一些重磅生物药物专利即将到期 2010 2017年 价值1500亿美元的药物将失去专利保护 这将推动仿制药市场从2010年1238 5亿美元增长到2017年的2310亿美元 国内生物制药行业发展具有规模小 集中度低 增速快等特点 我国生物制药行业销售额虽然大幅增加但仅和美国生化公司安进一家销售接近 华兰生物 天坛生物 科华生物 双鹭药业 达安基因五个上市企业全年销售额仅占市场份额的百分之四左右 我国从事生物技术产业研究 开发 生产和经营的人数仅相当于美国生物技术产业人数的1 4 我国生物制药企业的生产能力结构存在不均衡 高端药物产能不足 出现低端药物产能过剩的现象 如我国的疫苗生产一半以上产品是用于预防脊髓灰质炎 麻疹等常见病的疫苗 无对尖端的癌肿 AIDS疫苗研制 目前我内生物制药行业企业的产品自主研发能力相对薄弱 以仿制药和原料药为主 竞争能力差 我国已经批准上市的生物药品原创仅百分之五左右 绝大多数为仿制药 国内生物制药行业在研发投入仅少部分生物药厂接近国际水平 绝大多数生物制药厂研发投入较少 造成我国生物制药产业落后的因素 一哄而上 同种产品生产厂家过多 造成恶性竞争基因工程药物临床应用剂量一般都很小 微克级 通常2 3个厂家满负荷生产就能满足全国市场需要 因此 过多厂家生产同一种基因工程药物势必造成市场过度竞争 同时还导致现有生产能力开工不足 成本增加 使企业不能获得合理利润 目前我国对专利侵权的处罚力度比较低 执行不力 导致保护力度较弱 药政 卫生 质检 知识产权等多个部门的监管缺乏沟通 功能重叠 融资渠道单一 产业发展资金不足 目前 我国基因工程制药企业投资大多在2000万元 1亿元人民币 资金来源除股东投入的股本金外 主要是靠银行贷款 融资渠道狭窄 高技术投资的风险使银行对之贷款慎之又慎 生物制药企业研发投入严重不足 目前环绕中国生物制药行业的融资环境 周边产业配套等落后于发达国家 为制约生物制药行业发展的瓶颈 医药市场竞争无序 生产企业纷纷采取高定价 高让利的促销手段 使药品市场竞争恶化 企业迫于市场压力 主要精力都用在市场竞争上 无力顾及技术创新 由于生物药物的单价普遍较高 很少被选入中国医保药品目录 录入的只有少部分价格低廉的生物药如胰岛素 肝素 疫苗等 医保 销售等制药产业周边政策和硬件配套较为落后 对中国生物制药产业未来发展前景产生不利影响 企业管理滞后 人才匮乏 基因工程制药企业是典型的技术密集型高技术企业 企业要在激烈的竞争中求得生存和发展就必须拥有一批高素质的复合型人才 生物制剂储存条件要求都较为苛刻 对下游物流等环节的硬件设施要求较高 缺乏专业化的渠道商 生物制药的上游基础研究仍然薄弱 科技成果产业化率很低 戊肝是世界病毒性肝炎研究的焦点之一 戊肝的死亡率已快速上升到各型病毒性肝炎的首位 是甲肝的10倍科研工作者历时14年投入近五亿元研制成功戊肝疫苗 益可宁 2012年10月实现商品化上市 期临床试验分成 期安全性试验和 期免疫性试验 期为保护性试验 观察疫苗在更大使用人群中对疾病的实际预防效果这也是中国真正意义上第一次研发了 全新的疫苗 二 生物制药工艺学的性质与任务1 生物制药工艺学 是从事各种生物药物的研究 生产和制剂的综合性应用技术科学 研究内容包括生化制药工艺 微生物制药工艺生物技术制药工艺 生物制品制造与相关的生物医药产品的生产工艺 主要讨论各类生物药物的来源 结构 性质 制造原理 工艺过程 生产技术操作和质量控制 所以 生物制药工艺学 是一门理论与实践紧密结合的崭新的综合性制药工艺学 生物制药工艺学是一门新型的现代制药工艺学 具体任务是讨论 生物药物的来源及其原料药物生产的主要途径和工艺过程 生物药物的一般提取 分离 纯化 制造原理与生产方法 各类生物药物的结构 性质 用途及其工艺过程和质量控制 第二节生物药物的性质和分类一 生物药物的特点新陈代谢是生命的基本特征之一 生物体是有组织的统一整体 生物体的组成物质及其在体内进行的一连串代谢过程都是相互联系 相互制约的 1 所谓疾病 主要是机体受到内外环境的改变而使代谢失常 导致起调控作用的酶 激素及核酸 蛋白质等生物活性物质自身或环境发生障碍 2根据其构效关系进行结构的修饰和改造使之更有效 更专一 更合理地为机体所接受 在机体需要时 如生病时 应用这些活性物质作为药物来补充调整 增强 抑制 替换或纠正人体的代谢失调 势必比较地有效和合理 胰岛素是由胰岛 细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖 乳糖 核糖 精氨酸 胰高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素 胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素 也是唯一同时促进糖原 脂肪 蛋白质合成的激素 胰岛素是治疗糖尿病的特效药 长期以来只能依靠从猪 牛等动物的胰腺中提取 100Kg胰腺只能提取4 5g的胰岛素 其产量之低和价格之高可想而知 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 大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题 还使其价格降低了30 50 脑垂体前叶分泌的能促进身体生长的一种激素 生长激素能通过促进肝脏产生生长激素介质间接促进生长期的骨骺软骨形成 促进骨及软骨的生长 从而使躯体增高 人在幼年时 如果生长激素分泌不足 会导致生长发育迟缓 身体长得特别矮小 称 侏儒症 如果生长激素分泌过多 可引起全身各部过度生长 骨胳生长尤为显著 致使身材异常高大 称 巨人症 成年后 骨骺已融合 长骨不再生长 此时如生长激素分泌过多 将刺激肢端骨 面骨 软组织等增生 表现为手 足 鼻 下颌 耳 舌以及肝 肾等内脏显示出不相称的增大 称 肢端肥大症 由于生长激素来源的困难 使生长激素的临床应用致今未能广泛开展 目前科学家已试用基因工程方法将人类生长激素基因从染色体DNA链上分离出来 重组到质粒上 并用大肠杆菌进行转化 以期用发酵的方法生产人类的生长激素 因此临床应用可望推广 此外 部分侏儒症患儿 其垂体分泌生长激素的细胞并不减少 发病环节可能在下丘脑神经分泌细胞呈退行性变化 导致促生长激素释放激素缺乏 目前对这种患儿试用人工合成的人胰腺生长激素释放因子进行治疗 已取得了一定疗效 一 生物药物的特性1 药理学特性 1 药理活性高 2 治疗针对性强 治疗的生理 生化机制合理 疗效可靠 3 毒副作用少 营养价值高 4 生理副作用经常发生2 理化特性 1 生物材料中的有效物质含量低 杂质种类多且含量高 2 生物活性物质组成结构复杂 稳定性差 3 生物材料易染菌 腐败 4 生物药物制剂的特殊要求 鉴于生物药物多数是生物活性分子 其化学性质与生物学性质都很不稳定 在生产过程中又易受到微生物污染 从其他生物体制取的生物药物对人体往往是异源物质 故对制品的均一性 有效性 安全性和稳定性等都有严格的要求 其制造工艺设计与质量标准的制定也就与一般化学药物有较多区别 为了保证全部制品的质量 必须有严格的制造管理要求 即优质产品规范 goodmanufacturingpractics 简称GMP质量管理要求 并对制品的有效期 贮存条件和使用方法做出明确规定 尤其对有效成分的检测 除应用一般化学方法外 更应根据制品的特异生理效应或专一生化反应拟定其生物活性检测方法 二 生物药物的分类 生物药物可以按其生理功能和临床用途分类 还可以按其来源和制造方法进行分类 通常是按其化学本质和化学特征进行分类 一 基因工程药物包括细胞因子干扰素类 细胞因子白介素类和肿瘤坏死因子 造血系统生长因子类 生长因子类 重组多肽及蛋白质激素类 心血管病治疗剂与酶制剂 重组疫苗与单抗制品 二 基因药物包括重组目的DNA片段 重组疫苗 反义药物和核酶等 三 天然生物药物从动植物 微生物和海洋生物中发现 研究 生产的药物仍然是生物制药工业的重要领域1 微生物药物 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 以基因物质作为治疗的物质基础 是一类特异的天然有机化合物 包括微生物初级和次级代谢产物 微生物结构物质 微生物转化产生的药物及中间体 1 抗生素类药物 2 维生素类药物 3 氨基酸类药物 4 核苷酸类药物 5 酶与辅酶类药物 6 酶抑制剂 7 免疫调节剂 8 受体拮抗剂2 天然生化药物运用生物化学的理论 方法和研究成果 从生物体分离 纯化得到的一些重要生理活性物质 天然水蛭素是迄今为止世界上新发现的已知物质中最强的天然抗凝血酶物质 具有很强的溶栓作用 是防治人类心脑血管疾病的特效天然药物 能预防血栓形成 促进伤口愈合 具有降血脂 降血压 扩张外周血管 加速血液循环的作用 长期以来国内外在提取天然水蛭素方面存在着很大困难 无法克服提取工艺复杂 时间长 耗试剂量大 提取率低 成本高等缺陷 广西科康对天然水蛭素进行产业化开发 解决了目前国内外天然水蛭素生产中悬而未决的关键性难题 结束了我国无天然水蛭素生产的历史 后者在全球首开先河 将天然水蛭素应用于美容化妆品领域 开创了生物美容的新纪元 水蛭素多肽蛋白片 水蛭素冻干粉 水蛭素爽肤水 水蛭素保健品 1 氨基酸类药物 2 多肽与蛋白质类药物 3 酶与辅酶类药物 4 核酸及其降解物和衍生物类药物 5 多糖类药物 6 脂类药物 7 细胞生长因子与组织制剂3 海洋生物药物 1 多糖类药物 2 聚醚类药物 3 大环内酯类药物 4 萜类药物 5 生物碱类药物 从海洋生物分离纯化或通过海洋生物技术制造的活性物质 6 多肽和蛋白类 7 甾醇类 8 苷类 9 不饱和脂肪酸 四 医学生物制品1 预防用制品包括菌苗 疫苗及类毒素 发展重点是针对目前困扰人类的疾病的预防和治疗2 治疗用制品特异性治疗用品和非特异性治疗用品3 诊断用制品指免疫诊断用品 是生物制品中最活跃的领域 用于多种疾病的诊断 病原体的鉴别及机体中各种代谢物的分析 三 生物药物的用途 作为治疗药物对许多常见病和多发病 生物药物都有较好的疗效 例如 干扰素治疗病毒感染简直是 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 2b 安达芬 是我国第一个全国产化基因工程人干扰素 2b 具有抗病毒 抑制肿瘤细胞增生 调节人体免疫功能的作用 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 二 作为预防药物以预防为主的方针是我国医疗卫生工作的一项重要战略 许多疾病 尤其是传染病 如细菌性和病毒性传染病 的预防比治疗更为重要 通过预防 许多传染病得以控制 直到根绝 三 作为诊断药物生物药物用作诊断试剂是其最突出又独特的临床用途 绝大部分临床诊断试剂都来自生物药物 诊断用药有体内 注射 和体外 试管 二大使用途径 1 免疫诊断试剂利用高度特异性和敏感性的抗原抗体反应 检测样品中有无相应的抗原或抗体 2 酶诊断试剂利用酶反应的专一性和快速灵敏的特点 定量测定体液内的某一成分变化作为病情诊断的参考 3 器官功能诊断药物利用某些药物对器官功能的刺激作用 排泄速度或味觉等以检查器官的功能损害程度 4 放射性核素诊断药物放射性核素诊断药物有聚集于不同组织或器官的特性 故进入体内后 可检测其在体内的吸收 分布 转运 利用及排泄等情况 从而显出器官功能及其形态 以供疾病的诊断 5 诊断用单克隆抗体 McAb McAb的特点之一是专一性强 一个B细胞所产生的抗体只针对抗原分子上的一个特异抗原决定簇 6 诊断用DNA芯片应用基因芯片进行突变基因检测是对遗传病 肿瘤等进行临床诊断的重要手段 四 用作其它生物医药用品生物药物应用的另一个重要发展趋势就是渗入到生化试制 生物医学材料 营养 食品及日用化工 保健品和化妆品等各个领域 l 生化试剂生化试剂品种繁多 如细胞培养剂 细菌培养剂 电泳与层析配套试剂 DNA重组用的一系列工具酶 植物血凝素 同位素标记试剂和各种抗血清与免疫试剂等 2 生物医学材料主要是用于器官的修复 移植或外科手术矫形及创伤治疗等的一些生物材料 3 营养保健品及美容化妆品这类药物已渗入到广大人民的日常生活中 前景可观 海藻深层平衡乳液 海藻深层平衡营养霜 第三节生物药物的研究发展前景 生物制药产业是制药工业中发展最快活力最强技术含量最高的领域 生物药物的创新成为新药开发的重要发展方向 新的生理活性物质不断发现 原有药物在医疗上的用途又有新的认识和评价 药物新剂型日益增多 生物技术普遍进入实验室 生物工程药物迅速步入产业化 药物进入市场的时间将大大加快 专家预见 许多医学上的疑难杂症将在此突破 将导致产生全新的制药工业技术体系 许多原先无法生产的药物将用生物技术生产 从而促使医药产品更新换代 一 生物技术药物的研究发展前景 一 生物技术药物的发展已进入蛋白质工程药物新时期第一代重组生物技术药物被第二代蛋白质工程药物所取代 蛋白质工程技术日新月异 如点突变技术 DNA改组技术 融合蛋白技术 定向进化技术 基因插入及基因打靶技术等通过蛋白质工程手段可以提高重组蛋白的活性 改善制品的稳定性 提高生物利用度 延长在体内的半衰期 降低制品的免疫原性等 二 研究发展新型生物技术药物与疫苗新型生物技术药物主要用于治疗危及人类健康的疑难病种 正在研究开发的品种中以疫苗为最多 达98种 主要用于防治肿瘤 呼吸道疾病 AIDS HIV疫苗和感染性疾病治疗 三 新的高效表达系统的研究和应用已上市的基因工程药物多数以E coli表达系统生产 其次是酿酒酵母和哺乳动物细胞 正在进一步研究的重组蛋白表达体系有真菌 昆虫细胞和转基因动物和转基因植物表达体系 四 将基因组学和蛋白质组学的研究成果转化为生物技术新药的研究与开发人类基因组计划的研究成果与生物信息学的结合极大地加快生物技术药物的研发速度 药物的作用靶标将由500个增至3000 10000个 五 生物技术药物新剂型研究迅速发展药物新剂型研究的主攻方向是开发方便 安全 合理的给药途径和新剂型 主要有两个方向 1 埋植剂与缓释注射剂2 非注射剂型 二 天然生物药物的研究开发前景 一 深入研究开发人体来源的新型生物药物人体