基因工程药物

基因工程药物基本知识介绍,现代生物制药技术,田芳,基因工程药物概论,基因工程药物含义基因工程药物是指采用基因工程技术研制的，能预防和治疗某种疾病但含量极微而难以用传统方法制取的特殊药物。,一、基因工程药物种类,重组蛋白质类药物,细胞因子药物：干扰素、集落因子、白细胞介素、肿瘤坏死因子、趋化因子、生长因子、凝血因子蛋白质类激素药物：生长激素、胰岛素、胰岛素样生长因子、促卵泡素、甲状旁腺素、降钙素、胰高血糖素、促黄体生成素、甲状腺刺激素和心钠素等。溶血栓药物：组织型纤溶酶激活剂、尿激酶型纤溶原激活物、蝙蝠唾液纤溶酶原激活剂、链激酶和葡激酶等。治疗用酶：超氧化物歧化酶、羧肽酶、尿酸氧化酶、葡糖脑苷脂酶、脱氧核糖核酸酶和胸苷激酶等。可溶性受体和黏附分子：可溶性补体受体型其他：血红蛋白、白蛋白等。,核酸类药物,核酸类药物主要是在核酸水平(DNA和RNA)上发挥作用，它通过纠正突变的基因并使之重新获得适当的功能来治疗或预防疾病。特点是：能将基因表达的产物的作用局限于病变组织周围，从而使治疗更具针对性；只要转化细胞不被清除，转化的式因不被抑制，基因表达的产物就可以持续发挥作用。,基因工程药物的特点,从根本上解决了某些药物的生物原料适应证不断延伸技术含量高加速疑难病症新药物的开发,二、研制基因工程药物的关键技术,确定研制基因工程药物的技术路线基本技术路线1：获得具有预防和治疗作用的蛋白质的基因组入表达载体受体细胞高效表达动物试验临床试验申报新药证书基本技术路线2：基因组未知功能的人类基因全长cDNA群组入表达载体受体细胞瞬间表达功能初筛功能验证重组蛋白表达体内外药效分析临床前研究临床验证申报新药证书,优点：目的明确。缺点：发现新药的机率低，在人体内表达量较高的蛋白质才有较大可能被开发。,建立在庞大人类基因资源基础上的，具有巨大的开发潜力，缩短新药开发的时间，可大规模增加新药的数量。,建立基因高效表达系统,1构建流程2表达载体构建3工程菌构建,基因工程大肠杆菌的构建技术,表达载体设计目标基因的定位克隆酶切反应连接反应转化筛选与鉴定,表达载体构建,动物表达系统优点：一是哺乳动物细胞能够表达人或哺乳动物的蛋白质；二是哺乳动物细胞可对表达的蛋白质进行正确折叠、组装和糖基化等加工,生产有生物活性的产品。缺点：用转基因动物细胞生产药物成本昂贵。,转基因动物是指通过实验方法，人工的把外源基因导入动物的受精卵（或早期胚胎细胞），使外源基因与动物本身的基因组整合在一起，因而外源基因能随细胞的分裂而增殖，并能稳定地遗传给下一代的一类动物。,动物活体表达系统-转基因动物,1982年，R.D.Palmiter等科学家将金属硫蛋白基因的启动子和大白鼠生长激素基因拼接成融合基因，把这种基因导入小白鼠的受精卵，再将这一受精卵移植到一借腹怀孕的母鼠体内，生下来的小鼠比正常小鼠体格大一倍，称为“巨鼠”。,动物活体表达系统-乳腺生物反应器,基本方法是：将药用蛋白质基因连接到乳汁蛋白质基因的调节元件下游，然后将连接产物显微注射到哺乳动物受精卵或胚胎干细胞，当转基因胚胎长成个体后，在泌乳期药用蛋白质基因表达，从动物乳汁可获得基因工程药物。优点：1)采用乳汁蛋白质基因的调节元件调控药物基因的表达,具有组织特异性，基因表达限于乳腺组织；2)表达产物不断随乳汁排出体外,产量高；3)与原核细胞表达系统比较，乳腺细胞具有蛋白质修饰功能，表达产物具有稳定的生物活性；4)蛋白质提取、纯化简单。,在经济效益方面，应用转基因动物乳腺生物反应器技术来制造基因药物也是一种可以获取巨额经济利润的新型产业。英国罗斯林研究所研制成功的转基因羊，其乳汁中含有抗胰蛋白酶，可治疗肺气肿病。这种病在北美比较常见，病人以前只能依赖于注射人的抗胰蛋白酶做替代疗法，价格昂贵，而现在用转基因羊来生产，每升这种羊奶可售6000美元。,如荷兰的GenPharm公司用转基因牛生产乳铁蛋白，预计每年从牛奶生产出来营养奶粉的销售额是50亿美元。,存在问题,1)由于药物基因随机整合的位置效应会引起的表达不稳定性；2)对乳汁中蛋白质基因表达的调控机制有待深入了解，尤其是时空特异性表达及激素诱导性表达等问题须进一步探索。,动物活体表达系统-动物血液生物反应器,外源基因在血液中表达的转基因动物叫血液生物反应器。大家畜的血液容量较大，利用动物血液生产某些蛋白质或多肽等药物己取得了一定进展。外源基因编码产物可直接从血清中分离出来，血细胞组分可通过裂解细胞获得。,植物表达系统,以植物作为基因工程药物表达的受体系统，目前主要用于研制转基因植物疫苗。利用转基因植物生产基因工程疫苗，是将抗原基因导入植物，让其在植物中表达，人或动物摄入该植物或其中的抗原蛋白，以产生对某抗原的免疫应答。转基因植物生产疫苗的研究主要集中在烟草、马铃薯、蕃茄、香蕉等植物。利用植物受体系统表达一般蛋白质药物的研究也已开始，目前我们所认识到的中药有效成分如生物碱、皂苷、糖苷、黄酮等大部分中药是次生代谢产物，可在人工培养过程中有目的地加入已知的有效代谢中间产物、促进剂或抑制剂，增加有效成分的产量。,1、转基因植物抗虫,我国的转基因抗虫棉就是转入了Bt毒蛋白基因培育出来的。因为用化学农药防治害虫最大的危害是环境污染，因此可将具有杀虫活性的基因导入到农作物中。,1、转基因植物抗病毒,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,抗病毒的转基因小麦,1、转基因植物其他抗逆,抗盐碱抗干旱抗涝害抗寒抗除草剂,转鱼抗寒基因的番茄,抗除草剂基因,抗冻蛋白基因,转基因植物：提高作物能力，改良农作物的。,抗逆,品质,不会引起过敏的转基因大豆,1、转基因植物改良品质,转基因高赖氨酸玉米,转基因抗乙肝西红柿(中国)，虽然不能治愈乙肝，但一年只吃几个抗乙肝西红柿，就完全能代替注射乙肝疫苗。抗乙肝西红柿属于转基因食品，就是将乙肝疫苗植入西红柿内，经过多代繁殖，使转入的基因稳定化。,用转基因的植物生产药物,基因工程药物的安全性及质量检控,目前对基因工程操作的后果还存在一定程度的不可预测性和不可控制性，转基因生物有可能隐藏某些危害性。基因工程药物与一般药品不同，它来源于活的生物体，在发酵、细胞培养、产品分离纯化等生产过程有其固有的易变性，导致基因工程药物质量的不稳定性。在制备的基因工程药物中残留的抗生素有可能使病人产生对抗生素的抗药性。用于基因治疗的基因工程药物除了能杀死不正常细胞外可能同时伤害正常的细胞。当用于生产基因工程药物的重组体发生突变或对目的产品进行修饰、纯化时，都有可能产生或带入一些与目的产品相关联的、结构相差甚微而生物活性迥异的变异体。,采取的措施：构建基因工程药物表达载体时给目的基因组装诱导型启动子，使其在诱导条件下才能有效表达。构建基因工程药物表达载体时慎用选择标记基因或报告基因，避免生产的基因工程药物中残留对病人有害的物资。尽可能采用外源DNA定位整合载体，避免外源DNA随机整合导致靶细胞基因突变。根据基因工程药物生产和使用的具体情况，逐步完善对此类产品的严格质量控制。,基因工程药物的质量检控,产品质量鉴定产品生物活性(效价)测定安全性评价稳定性考察产品一致性的保证,产品质量鉴定氨基酸成分分析：氨基酸序列分析、末端部分氨基酸序列分析（N端15个氨基酸）可作为基因重组蛋白质和多肽的重要鉴别指标。肽图分析：用酶法或化学法降解目的蛋白质，对生成的肽段进行分离分析。它是检测蛋白质一级结构中细微变化的最有效方法，该技术有灵敏高效的特点，是对基因工程药物的分子结构和遗传稳定性进行评价和验证的首选方法。重组蛋白质的相对分子质量测定纯度分析,杂质和污染物检测方法单克隆抗体免疫分析氨基酸取代氨基酸分析、肽谱、质谱等微生物微生物学检查支原体微生物学检查病毒微生物学检查,基因工程蛋白质类药物,细胞因子是指机体细胞合成和分泌的小分子多肽类因子，它们具有调节机体的生理功能和免疫功能，因而有可能利用基因工程技术进行生产，用于治疗肿瘤、感染、免疫低下、造血功能障碍等疾病。目前已研制成功或正在研制的基因工程细胞因子类药物主要有促红细胞生成素(EPO)、集落刺激因子(CF)、干扰素（IFN）、白细胞介素(IL)、肿瘤坏死因子(TNF)、趋化因子、生长因子（GF）和凝血因子（F）等。,一、基因工程细胞因子类药物,基因重组人促红细胞生成素（erythropoietin,EPO）,EPO是一种主要由肾脏和中枢神经系统等部位合成分泌的多功能糖蛋白激素,是作用于红系祖细胞的造血生长因子，对神经元的许多功能也具有重要的调控作用。EPO是最早发现并首先运用于临床的造血生长因子，1985年成功表达了重组人促红细胞生成素(rhEPO)。rhEPO成为当前研究开发最成功的基因工程药物。在胚胎早期，EPO由肝生成，然后逐渐向肾转移，出生后主要由肾小管间质细胞分泌。EPO的产生与机体供氧状况有关，低氧可刺激EPO的产生。,EPO的分子结构和功能,天然存在的EPO分为两种类型,型含35%的糖基,型含26%的糖基。两种类型在生物学特性、抗原性及临床应用效果上均相同。人类EPO含有166个氨基酸,相对分子质量为34400,hEPO上有4个半胱氨酸(7,29,33,161),在7161，2933之间以二硫键相连,这对维持hEPO的生物学活性有重要作用。糖基化对稳定EPO的体内活性具有重要作用,若缺乏糖链,则EPO在体内迅速被水解而失活。,促细胞生成素的生物学作用,EPO主要通过促进骨髓中红系祖细胞的存活、增殖和分化以调控红细胞的生成。促进系祖细胞的增殖、分化和成熟调控神经元部分功能对细胞内钙浓度也有明显的调节作用,人促红细胞生成素基因重组,天然的hEPO制品一般是从贫血病患者尿中提取的，所以药源极为匮乏，不能满足需要。因此，在20世纪80年代就开始rhEPO的研究，从胎儿肝中克隆出hEPO基因,并研制成功rhEPO。1985年美国FDA批准rhEPO作为治疗肾性贫血的药物。研制rhEPO的主要环节包括:获得人促红细胞生成素基因和建立重组人促红细胞生成素的有效表达系统等。,hEPO基因由5个外显子（共582bp）和4个内含子（共1562bp）组成。外显子共编码193个氨基酸，包括组成信号肽的27个氨基酸。经人促红细胞生成素cDNA的克隆及其核苷酸序列的测定，hEPO基因天然的核苷酸顺序和相应的氨基酸顺序如图：,ATGGGAGTGCACGAATGTCCTGCCTGGCTGTGGCTTCTCCTGTCCCTGCTGMetGlyValHisGluCysProAlaTrpLeuTrpLeuLeuLeuSerLeuLeu-26-20TCGCTCCCTCTGGGCCTCCCAGTCCTGGGCGCCCCACCACGCCTCATCTGTGACAGCCGASerLeuProLeuGlyLeuProValLeuGlyAlaProProArgLeuIleCysAspSerArg-10信号肽-1+110GTCCTGGAGAGGTACCTCTTGGAGGCCAAGGAGGCCGAGAATATCACGACGGGCTGTGCTValLeuGluArgTyrLeuLeuGluAlaLysGluAlaGluAsnIleThrThrGlyCysAle2030GAACACTGCAGCTTGAATGAGAATATCACTGTCCCAGACACCAAAGTTAATTTCTATGCCGluHisCysSerLeuAsnGluAsnIleThrValProAspThrLysValAsnPheTyrAla4050TGGAAGAGGATGGAGGTCGGGCAGCAGGCCGTAGAAGTCTGGCAGGGCCTGGCCCTGCTGTrpLysArgMetGluValGlyGlnGlnAlaValGluValTrpGlnGlyLeuAlaLeuLeu6070TCGGAAGCTGTCCTGCGGGGCCAGGCCCTGTTGGTCAACTCTTCCCAGCCGTGGGAGCCCSerGluAlaValLeuArgGlyGlnAlaLeuLeuValAsnSerSerGlnProTrpGluPro8090CTGCAGCTGCATGTGGATAAAGCCGTCAGTGGCCTTCGCAGCCTCACCACTCTGCTTCGGLeuGlnLeuHisValAspLysAlaValSerGlyLeuArgSerLeuThrThrLeuLeuArg100110GCTCTGGGAGCCCAGAAGGAAGCCATCTCCCCTCCAGATGCGGCCTCAGCTGCTCCACTCAlaLeuGlyAlaGlnLysGluAlaIleSerProProAspAlaAlaSerAlaAlaProLeu120130CGAACAATCACTGCTGACACTTTCCGCAAACTCTTCCGAGTCTACTCCAATTTCCTCCGGArgThrIleThrAlaAspThrPheArgLysLeuPheArgValTrpSerAsnPheLeuArg140150GGAAAGCTGAAGCTGTACACAGGGGAGGCCTGCAGGACAGGGGACAGATGA（582）GlyLysLeuLysLeuTyrThrGlyGluAlaVysArgThrGlyAspArg166（193）,获得EPO基因,构建基因组噬菌体文库克隆EPO基因血细胞中提取基因组DNABamH酶切回收酶切片段插入噬菌体EMBL3载体中构建基因组噬菌体文库PCR方法从基因组模板中扩增EPO基因片段为探针筛选完整EPO基因的插入片段克隆人工化学合成的方法获得EPO基因：对部份氨基酸序列进行修改利用PCR技术扩增EPO基因：人胎肝中提取总mRNART-PCR技术克隆hEPO基因,重组人促红细胞生成素的表达系统,为了获得分子结构和生物学活性与天然EPO相似的rhEPO，选用哺乳动物细胞表达系统，如中国仓鼠卵巢(CHO)细胞表达系统，目前国内外首选CHO细胞表达系统用来表达生产rhEPO。CHO细胞表达系统：CHO细胞表达系统能准确进行转录后重组蛋白的加工修饰，表达的糖基化蛋白在分子结构和生物学活性方面与天然蛋白十分接近。CHO细胞属于成纤维细胞，很少分泌自身的内源蛋白，而表达的外源产物是胞外分泌的，这样便于产物的下游分离纯化；在CHO细胞内重组基因能高效扩增和表达；CHO细胞贴壁生长，且具有较高的耐受剪切和渗透压能力，可以进行悬浮培养。昆虫细胞表达系统、乳腺表达系统,促红细胞生成素临床应用,肾功能衰竭所致的贫血：这种病只有靠连续输血维持生命，但输血又使病人面临病毒感染和血过量的危险。EPO右刺激红细胞生成，免去慢性肾衰竭病人的输血。癌性贫血：肿瘤引起的贫血或接受化疗、放疗所引起的贫血。结缔组织病贫血：类风湿性关节炎和红斑狼疮所致的贫血。骨髓增生异常综合征贫血：促进骨髓造血状况改善。,重组人促红细胞生成素治疗的不良反应,rhEPO在治疗各种因素所引起的贫血中疗效是肯定的，并且长期应用无毒性、无器官功能障碍、无过敏反应或抗体形成。但是也存在一些副作用，最常见的是血压升高，有的疾病治疗过程中还出现静脉血栓形成、出现高钾血症、头痛、水潴留等。应该特别强调，虽然使用促红细胞生成素能提高红细胞的含量，可增强人体的机能，但长时间或大剂量使用会产生上述严重的副作用，千万不要将此药作为兴奋剂。国际奥委会早在20世纪80年代就已宣布运动员禁用EPO来提高运动成绩。但是近年来仍有一些运动员滥用rhEPO，成为运动员中最为常用的兴奋剂之一。,其他基因工程细胞因子类药物,干扰素药物集落刺激因子类药物白细胞介素类药物肿瘤坏死因子类药物生长因子类药物趋化因子类药物凝血因子类药物,二、基因工程肽类激素药物,肽类激素是由内分泌腺或内分泌细胞产生和分泌的生物活性物质，经血液循环，局部弥散到相应的组织和细胞与受体特异结合发挥其调节作用，参与机体的生长、发育、生殖等多种生命活动过程。但是在特殊情况下，有些非内分泌细胞可变为内分泌细胞产生激素。其实人体的所有细胞内都存在编码这些激素的基因，都有产生激素的能力，只是有的细胞内这些基因处于沉默状态而已。,三、重组溶血栓药物,急性心肌梗塞、脑梗塞等血栓性疾病的致残率和致死率都很高,严重威胁人类生命和健康。而治疗血栓性疾病的安全有效的手段是溶血栓。临床使用的溶血栓药物有纤溶酶原激活剂、链激酶、尿激酶、葡萄球菌激酶以及水蛭素等，大部分已有基因重组药物产品。,心血管疾病中常用的抗栓及溶栓药物,抗栓药物抗栓治疗主要针对凝血酶和血小板两个环节，动脉血栓的防止应以抗血小板为主。静脉血栓的防治主要针对凝血酶。一抗凝药物分类间接凝血酶抑制剂普通肝素、低分子肝素，激活抗凝血酶直接凝血酶抑制剂重组水蛭素及其衍生物凝血酶生成抑制剂因子a、a、抑制剂等重组内源性抗凝剂活化的蛋白C、抗凝血酶等凝血酶受体拮抗剂凝血酶受体拮抗肽维生素K依赖性抗凝剂华法林去纤维蛋白原制剂去纤酶,二、抗血小板药物分类环氧化酶抑制剂阿斯匹林联合的TXA2合成酶抑制剂和前列腺素内过氧化物受体拮抗剂血小板GPb受体拮抗剂血小板ADP受体拮抗剂噻氯吡啶、氯吡格雷血小板Gpb/a受体拮抗剂阿昔单抗其它,四、基因工程酶类药物,重组超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD）重组端粒酶(telomerase)、重组胸苷激