生物技术制药

,生物技术制药,化工系,目录,生物技术与化工技术简介国内生物化工行业现状生物技术制药简介 基因工程制药简介 生物技术制药方法步骤 生物制药具体流程举例全球范围的生物技术制药研究开发国内制药技术概况生物制药的发展与展望,生物技术与化学工程技术,生物技术是在生物学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等基础上发展起来的，是由基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大先进技术组成的新技术群。,生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科，它以生物来源的物质为原料，通过生物活性物质为催化剂使其转化，或用其他生物技术进行制备、纯化，从而得到我们预期的产品。,特点：,首先，以生物为对象，常以有生命的活细胞或酶为催化剂，创造必要的生化反应条件，不依靠地球上的有限资源，着眼于再生资源的利用。 其次，由于细菌不耐高温，需在常温常压下连续化生产，工艺简单，并可节约能源，减少环境污染。 再者，定向地按人们的需要创造新物种、新产品和有经济价值的生命类物质，开辟了生产高纯度、优质、安全可靠的生物制品的新途径。 最后，生物化工为生物技术提供了高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术，扩大了生物技术的应用范围。,国内生物化工行业的现状,生物化工产品涉及医药、保健、农药、食品与饲料、有机酸等各个方面。但是与发达国家相比，我国生物化工行业存在着许多问题：一是我国的生物化工产业主要以医药、轻工、食品业为主;二是产品结构不合理，品种单一，低档次产品重复生产，不能适应需求。在我国高档的医药生化产品如激素、生长因子、干扰素、药用多肽等，有的产量很小，有的没有生产，因此每年都需进口。,国内生物化工行业的现状,三是在生产技术上，工艺、设备和上下游技术不配套，产物的收得率低。我国虽然某些产品如柠檬酸、乳酸等发酵水平较高，但大多数产品的收率都低于国外，酶制剂的活力也明显低于国外，生化反应器和分离纯化技术更是。每年都要花费大量资金从国外进口生物反应器、细胞破碎机、分离纯化设备及分离介质、生物传感器和计算机监控设备。四是有些产品投入产出比达15 以上，造成严重的资源浪费和环境污染。五是基础研究薄弱，技术创新能力不强，企业的技术开发、技术吸收能力差，生产发展多数依靠传统的夕蜒型、粗放型扩大投资的增长模式，效益低、市场竞争力低。,生物化工典型应用案例之 生物技术制药,生物技术制药,把生物工程技术应用到药物制造的过程称之为生物制药。 生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为原材料，采用生物学工艺和分离、纯化技术，并以生物学的分析技术控制中间产物和成品质量制成的生物活化制剂，包括菌苗、疫苗、毒素、类毒素、血清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克隆抗体及基因工程产品等。,以基因工程、抗体工程或细胞工程技术生产的，源自生物体内的，用于体内诊断、治疗或预防的生物技术药物，已经成为利用现代生物技术生产的最重要的产品，并成为衡量一个国家现代生物技术发展水平的一个最重要的标志，生物制药已成为制药业中发展最快、活力最强和技术含量最高的领域。,生物技术制药,从 1982 年第一个新生物技术药物基因重组人胰岛素上市至今，生物制药产业只有 20 余年历史，约有 100 余种产品，但这些产品在治疗肾性贫血、白细胞减少、癌症、器官移植排斥、类风湿关节炎、糖尿病、矮小症、心肌梗死、乙肝、丙肝、多发性硬皮病、不孕症、粘多糖病、Gauchers 病、法布莱氏病、囊性纤维化、血友病、银屑病和脓毒症等这些以往难以医治的疾病中发挥了重要甚至不可替代的作用。,生物技术制药,生物技术制药（基因工程制药）的重要性体现在两个方面：一是突出的疗效即社会效益。遗传性疾病如粘多糖病、Gauchers 病、法布莱氏病、囊性纤维化等只有使用基因重组的生物技术药物如Aldurazyme、Naglazyme、Cerezyme、Fabrazyme、Pulmozyme 才能得到治疗，而没有其他替代疗法；遗传性疾病血友病的治疗除了使用来源极其有限的血源性凝血因子外，大多依靠已批准上市的凝血因子 VII/VIII/IX 在治疗和控制人类面临的癌症、心脑血管疾病、糖尿病、自身免疫疾病和传染性疾病等 5 大疾病方面，基因工程药物都发挥了巨大作用。,生物技术制药,基因工程制药： 在体外对生物的遗传物质基因进行剪切、拼接、重新组合，与适宜的载体连接，构成完整的基因表达系统，然后导入宿主生物细胞内，与原有遗传物质整合或以质粒形式单独在细胞中繁殖，编码产生人类所需的物质或创造新的物种，也可对疾病进行基因治疗。,生物技术制药,基因工程发展历程,1973年重组DNA技术的建立为标志，是科学技术史上的里程碑。应用于农业、医药、轻工、化工、环境等领域，成为人类解决粮食、能源、环境、制药的主要手段。 1976年世界上第一家基因工程技术开发药物的公司（Genentech公司）建立，开始了现代生物技术产业发展的新纪元。1982年世界上第一个基因工程药物重组人胰岛素获得FDA批准，由Eli Lilly公司正式生产，推向市场。 基因工程技术首先在医药领域实现产业化，到现在仍有6080集中在医药领域，占主要地位的是基因工程药物的研究和商品化。 研究开发的治疗药物是癌症、心脑血管疾病、艾滋病、遗传病等重大病而用常规方法又难以获得的药物。,基因工程主要包括三大类：,基因工程药物,生物疫苗,生物诊断试剂,这些药品在诊断、预防、控制及消灭传染病，保护人类健康，延长寿命中发挥着越来越重要的作用。,基因工程,发酵法（ Zymotechnics）,化学合成（Chemical synthesize）,组织培养法（Tissue culture）,现代生物技术(Modern Biotechnics),4,1,2,3,生物技术制药,基本制造方法,16,原料的选择和预处理,原料的粉碎,提取,纯化,浓缩,制剂,生物技术制药,生化制药的六个阶段,生产基因工程产品G-CSF的过程为例,首先研究人员从中国人的健康血液中分离出白细胞（人的白细胞中含有根据染色体DNA上的信息转录出的信使RNA），破碎后提纯出全部信使RNA。这些信使中包含了白细胞内表达的所有蛋白质的合成信息。 根据这些信使，利用碱基互补配对的原则来合成G-CSF DNA，再利用先进的基因扩增技术（PCR），在短短的30分钟内可以将G-CSF基因扩增一千万倍。,经过一系列方法鉴定扩增的基因准确无误后，将指导合成G-CSF的基因连接到设计好的质粒载体。在这个载体上以预先安装了控制该基因启动的控件和在大肠杆菌中复制的信息，以及选择性的标记。用一种限制性内切酶切开载体上连接外源DNA的位点，将扩增好的DNA两端用同样的酶切除多余部分，只留下G-CSF的534个碱基对，然后用前面提到的DNA连接酶将载体和G-CSF基因连接起来，这就形成了DNA分子。,生产基因工程产品G-CSF的过程为例,将重组后DNA分子引入到大肠杆菌细胞内，然后选择合适的培养条件使细菌繁殖。根据选择性标记，从菌落中筛选出G-CSF基因的重组菌。但这个菌种用于生产还需经过多次严格的筛选和鉴定。一方面需要从菌种中抽提出质粒，用限制性内切酶切开质粒，对G-CSF基因进行碱基顺序测定等鉴定工作。另一方面需要利用诱导物（相当于启动控制键的钥匙）开启质粒载体上的控制件，使菌种质粒中带有的G-CSF基因表达出相应的G-CSF蛋白。只有那些产生G-CSF蛋白比例高，氨基酸顺序正确，而且传代多次后仍很稳定的菌种才可用于生产。,生产基因工程产品G-CSF的过程为例,大肠杆菌在由计算机控制的15立升发酵罐中，大量繁殖。在不断优化的营养条件下，大肠杆菌在8小时内生长的密度可达到1013个/L以上。在大肠杆菌快速繁殖的后半期，加入诱导物，启动G-CSF基因表达，使大肠杆菌在几个小时内大量地生产G-CSF蛋白。累积的蛋白在细胞内聚合在一起形成了包涵体。科学家们推测产生包涵体的原因可能是由于蛋白合成太快，来不及形成正常的立体结构。,生产基因工程产品G-CSF的过程为例,待诱导后的细菌生长进入稳定阶段后，结束发酵，进入分离，纯化阶段。分离，纯化的目的是从大肠杆菌中抽提出G-CSF蛋白，去除杂质，同时使包涵体恢复正常的立体结构，从而具有生物学活性。这是一个极其复杂、精细的过程。首先，采用高速离心机把大肠杆菌和培养液分离开，然后设法使菌体细胞完全破碎，使细胞内G-CSF包涵体释放出来，再次用高速离心机使包涵体和同时释放出来的胞内物质初步分离。这个过程还是相当粗略的，因为收集到的包涵体内还有大量杂质如细胞的碎片和细胞的内部结构物。 这时需要进一步寻找G-CSF包涵体和杂质在性质上的差异去分离。从溶解度、分子的大小到蛋白质的各种生物学性质都成为研究对象。当G-CSF包涵体的纯度达到80%以上时，可以考虑将其完全溶解，然后精细控制各个条件，使G-CSF蛋白恢复正常的立体结构。这个关键的步骤称为复性。,生产基因工程产品G-CSF的过程为例,复性后的G-CSF蛋白具有了生物学活性，但是其纯度还是达不到制药的要求，需要进一步提纯。以后的操作是极其费心的，一方面要创造合适的条件使蛋白保持其生物学活性，另一方面要将杂质去除。选择合适的分离条件十分重要，否则将使G-CSF蛋白轻易地失去活性。整个过程需要多次尝试，然后再对选择的条件作精微调控。这就是柱层析工艺。柱层析后G-CSF的纯度可以达到95%以上，同时其它性质也达到药用要求。随后研究人员在纯化后的G-CSF蛋白溶液中加入有利于稳定的保护剂，灌封机又使它变成了成千上万支注射液！,生产基因工程产品G-CSF的过程为例,生物技术制药的研究开发,1 肿瘤治疗药物是生物制药研究开发的重点 从在研的生物技术药物的应用领域来看，有254 种在研的药物用于肿瘤治疗，占所有处于临床试验药物的半壁江山，其次是用于预防和治疗感染性疾病的药物（162 种），另外有 59 种在研药物针对自身免疫疾病，用于艾滋病和心血管疾病治疗的各有 34 种和 25 种（图 1），开发用于这些疾病治疗的药物是生物制药的主要研发方向（注：治疗艾滋病的在研药物单独列出，未包含在用于预防和治疗感染性疾病的药物中）。,图 1 2008 年美国处于临床试验的生物技术药物的分布图（按适应症分）,生物技术制药的研究开发,2. 治疗性抗体是生物制药研究开发的热点 2008 年美国处于临床试验阶段的在研治疗性抗体有 192 种（图 2），尤其是治疗肿瘤和自身免疫疾病的在研生物技术药物中各有一半左右是抗体类药物。并且，有约 30 种治疗性抗体类产品，如 motavizumab、ustekinumab、golimumab、tocilizumab、ofatumumab、denosumab 等已经完成或正在进行 III 期临床试验，预计在 2010 年前，至少有 6 种新的治疗性抗体能通过 FDA 的审评。,生物技术制药的研究开发,生物技术制药的研究开发,图2 2008 年美国处于临床试验的生物技术药物的分布图（按产品类型分）,我国正在研制的创新性基因工程药物,神经营养因子,重组毒素及蛇毒成分,重组基因融合蛋白,肿瘤坏死因子(TNF),激素,酶,基因重组蛋白质、多肽,单克隆抗体及受体,Description of the contents,治疗功能基因药物,诊断与检测试剂,转基因动植物反应器,新型基因工程疫苗,基因工程活性肽和蛋白质,生物制药发展方向,生物制药发展的几大重点领域：,生物制药展望,生物制药产业是二十一世纪发展前景最诱人的产业之一，尽管我国在生物制药领域起步不晚，但不可否认，我国生物制药产业与美国等发达国家相比，差距越来越大。纵观全球生物制药产业，经历了两次跨越式发展阶段，第一发展阶段从 1982年重组胰岛素问世至 1997 年 G-CSF 成为第一个年销售额超过 10 亿美元的生物技术药物，这个阶段主要是 EPO、G-CSF、INF- 等细胞因子类产品，这些产品在 1994 1997 年生物制药产业第一发展阶段的后期已从快速增长期进入平稳发展期，全球生物制药产业都面临发展后劲不足的局面，年销售额一直徘徊在 100 亿 美元左右。,1997 年后，随着 Rituxan、Remicade、Herceptin和 Enbrel 等治疗性抗体相继批准上市，生物制药产业进入了第二个快速发展阶段，增长速度已连续10 年保持在 15% 33%，成为发展最快的高技术产业之一。2007 年基因工程药物的销售额已达到 840 亿美元，2008 年尽管有“全球金融危机”影响，生物