生物技术发展史课件

第一节生物技术发展史,一、生物技术概念及范畴二、生物技术发展史三、医药生物技术的新进展四、我国的医药生物技术五、医药生物技术发展展望,一、生物技术概念及范畴,生物技术：生命科学为基础，利用生物体（或生物组织、细胞及其组分）的特性和功能，设计具有预期性状的新物种或新品系，并与工程相结合,利用新物种进行生产。主要技术范畴有：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生化工程以及后来衍生出来的第二代、第三代的蛋白质工程、抗体工程、糖链工程和海洋生物技术。,基因工程,又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。,细胞工程,应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。,酶工程,将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。,发酵工程,发酵工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。,生化工程,将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化工程。生物工程的重要组成部分，包括底物或营养液的准备、预处理、转化以及产品的分离、精制等工程和工艺问题。一般把发酵工程、动植物细胞的大规模培养、酶工程、生化反应工程、生物分离工程（下游工程）、生物功能元件（如酶电极）以及生物过程中的控制和优化都包括在生化工程之内。,蛋白质工程,通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究，获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息，在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造，通过基因工程技术获得可以表达蛋白质的转基因生物系统，这个生物系统可以是转基因微生物、转基因植物、转基因动物，甚至可以是细胞系统。,抗体工程,利用重组DNA和蛋白质工程技术，对抗体基因进行加工改造和重新装配，经转染适当的受体细胞后，表达抗体分子，或用细胞融合、化学修饰等方法改造抗体分子的工程。这些经抗体工程手段改造的抗体分子是按人类设计所重新组装的新型抗体分子，可保留（或增加）天然抗体的特异性和主要生物学活性，去除（或减少或替代）无关结构，因此比天然抗体更具有潜在的应用前景。,糖链工程,最近的研究结果表明，糖链结构的改变和很多疾病的发生是相伴随的。各国的医学研究人员糖是如何影响某些慢性疾病的发展。科学家认为，在核酸和蛋白质基础之上的生命现象只有在生物糖的参与下才能进行更多的生命活动，如受精、分化、免疫、发育、癌变、衰老等。糖类的研究像一个人见人爱的甜苹果一样，获得更多科学家的青睐，成为生命科学研究中的新热点,海洋生物技术,海洋生物技术的基础是分子生物学。它给海洋生物学家提供了通过改变遗传分子，人工设计海洋生物性状提供了可能。,二、生物技术发展简史,传统的生物技术阶段近代生物技术阶段现代生物技术,1、传统的生物技术,公元前几千年：以酿酒和制醋为特征的酿造技术；微生物到酶的认识；19世纪30年代，陆续出现了许多产品的工业发酵，开创了微生物的新世纪，生产的产品有：乳酸、酒精、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶等。这些产品基本上属于微生物的初级代谢产物。,埃及古代绘画,传统的生物技术,2、近代生物技术阶段,1928年，英国Fleming发现青霉菌的效能1940年，Florey及Chain等提取青霉素1941年，美英合作开发得到青霉素微生物发酵技术的发展与抗生素的发展息息相关，其促进了抗生素工业的发展，可以说其为近代生物技术的基础技术。,近代生物技术青霉素,弗莱明,霍华德弗罗里,近代生物技术时期特点,产品类型多，不但有生物体的初级代谢产物，还有次级代谢产物、生物转化、酶反应等产品。生产技术要求高。主要表现在发酵过程中，要求在纯种或无杂菌条件下进行运转；生产设备规模巨大。技术最高、规模最大的单细胞蛋白工厂的气升式发酵罐的容积已超过2000m3。技术发展速度快。最突出的例子是青霉素发酵菌种的发酵。,近代生物技术产品类型,医药抗生素、维生素、甾体激素轻工业食品酶制剂、食用氨基酸化工业酒精、丙酮、丁醇、沼气农林业农业抗生素、环境保护,维生素缺乏病,维生素A夜盲症、干眼病维生素D佝偻病维生素E贫血维生素K出血维生素C坏血病维生素B1脚气维生素B2口腔炎维生素B6舌炎、皮炎等维生素B12贫血、神经系统损害,3、现代生物技术,现代生物技术的标志性工作是1953年Watson和英国的Crick共同提出的生命基本物质DNA的双螺旋结构模型，书中表1-1给出了1953年以来现代生物技术的主要发现和进展。以下是现代生物技术所涉及的一些重要工作的简要介绍。,现代生物技术的主要内容,重组DNA技术及其它转基因技术；细胞和原生质体融合技术；酶或细胞的固定化技术；植物脱毒和快速繁殖技术；动植物细胞的大量培养技术；动物胚胎工程技术；现代微生物发酵技术（高密度发酵、连续发酵及其他新型发酵技术）；现代生物反应工程和分离技术；蛋白质工程技术；海洋生物技术，等等。,三、医药生物技术的新进展,1、基础研究不断深入2、新产品不断出现3、新试剂、新技术不断出现；细胞工程和基因工程的应用产生了两种医疗技术细胞移植和基因治疗4、新型生物反应器和新分离技术不断出现：塑料袋、填充床等增殖器、气升式生物反应器、流化床式生物反应器、固定床式生物反应器、袋式或膜式生物反应器、中空纤维生物反应器，以及可同时制备巨载体和微囊等固定化培养的生物反应器等。,四、我国的医药生物技术,我国的生物技术研究工作开始于20世纪70年代初，先是进行固定化酶的研究，以后固定化酶和固定化细胞的研究与应用得到发展。70年代后期，开始跟踪国外基因工程技术的某些基础性工作。80年代初期，开始乙型肝炎基因工程疫苗、基因工程干扰素的研究，生物技术方面的项目得到了国家的支持。基因工程活性多肽药物研究进展也较快，其中-1b型干扰素为我国首创。书中表1-3是我国已批准上市的基因工程药物和疫苗。,四、我国的医药生物技术,20世纪70年代末，我国就开始研究单克隆抗体和导向药物杂交瘤单克隆抗体，并已经取得了大量杂交瘤细胞系和大批单克隆抗体诊断试剂盒。其中包括病原微生物、人体免疫系统、抗肿瘤相关抗原和人口控制方面的单克隆抗体和试剂盒。我国利用基因工程技术对医用抗生素的生物合成和结构修饰进行了研究，一方面，从基因结构和组成出发，深入了解其生物合成机制，另一方面进行基因遗传操作。基因治疗方面、蛋白质工程方面都有自己的创举,四、我国的医药生物技术,我国还在应用基础研究方面，也取得一些突破性进展，现在已经构建了15种新型基因工程载体，并在实践中使用。表1-4是我国首次发现的新型基因。应用发酵工程技术，研究了大批氨基酸、微生物多糖等系列产品，还对已有的某些抗生素及一些次级代谢产物发酵生产技术进行改进。海洋生物的综合利用也有进展生化工程包括生化反应工程技术、生化分离工程技术、过程自动控制技术以及生化过程关键设备等我国也有较大的进步，见书中表1-5所给的例子。,五、医药生物技术发展展望,1、利用新发现的人类基因，开发新型药剂。2、新型疫苗的研制。3、基因工程活性肽的生产：淋巴因子、生长因子、激素和酶等基因工程药物中绝大多数是基因工程活性肽。4、其他医药业将得到不断改造和发展：早期诊断技术的发展、改变现存传统药材的有效成分，使现存植物成为“转基因药材”。5、转基因动物及基因敲除动物都为医药业具有重要的影响。,10大热门生物技术,第二节生物技术药物概述,主要就生物技术药物的研究和评价进行介绍。一、生物技术药物的分类二、生物技术药物的特点及其新药评价程序三、生物技术来源药物的发现和筛选四、生物技术药物的生产五、生物技术药物的药学评价六、生物技术药物的临床前评价,生物信息网,一、生物技术药物的分类,生物技术药物是指采用DNA重组技术、单克隆抗体技术或其它生物新技术研制的蛋白质、抗体或核酸类药物。生物技术药物可以是在药理上有高度活性的，也可以是在免疫或其它生理系统上有活性的。生物技术药物可粗分为三大类：重组蛋白质药物、治疗性抗体药物、核酸药物。,1、重组蛋白质药物,其是由重组DNA技术生产的蛋白。顾名思义，就可以知道此过程主要分为：发现具有药物作用特性和活性的目的蛋白，分离或合成相关基因，将该基因插入合适的载体中（质粒、病毒等），转入宿主细胞，构建能表达产生目的蛋白的菌种库或细胞库，然后扩大规模应用生物反应器或发酵罐或细胞培养制造目的蛋白。真核细胞和原核细胞是不同的。转基因动物和植物作为生物反应器的应用。,1、重组蛋白质药物,重组蛋白质药物的每一大类又可分为以下几类：（1）细胞因子类：IFN、IL、GM-CSF、EGF、趋化因子类MCP、TNF类。（2）激素类：生长激素、胰岛素等（3）治疗心血管及血液病的活性蛋白类：如溶解血栓类、血凝因子类、生长因子类、血液代用品（4）治疗和营养神经的活性蛋白类：如NGF等（5）可溶性细胞因子受体类（6）导向毒素类：如IL-2、IL4、EGF导向毒素、单克隆抗体导向毒素,1、重组蛋白质药物,目前经批准的重组蛋白类药物，按照结构可分为三类：（1）与人完全相同的多肽和蛋白质（2）与人密切相关但不同的多肽和蛋白质，在氨基酸序列上或翻译后修饰上的差异。（3）与人相关较远或无关的多肽和蛋白质，如具有调节活性，但和已知的人多肽和蛋白质没有同源性的多肽和蛋白质、双功能的融合蛋白、经蛋白质工程改造和模拟的活性蛋白。,2、治疗性抗体药物,B淋巴细胞抗原表位单克隆抗体鼠的脾细胞与鼠的骨髓瘤细胞融合。人源或人源化单克隆抗体可以解决鼠源性单克隆抗体的免疫原性。即利用抗体工程对抗体进行改进从而得到具有一定用途，而对人体产生剧烈反应的抗体。采用PCR技术、噬菌体表面展示技术和大肠杆菌表达技术构建人抗体库，从中筛选人源性抗体。,3、核酸药物,寡核苷酸药物是具有专一顺序的寡核苷酸，用于阻断有害基因的表达。其特点是有高的特异性，其降解产物对人体无害。核酸药物可分为反义核酸、核酶、脱氧核酶、抗基因寡核苷酸和裸DNA疫苗与基因药物。,3、核酸药物,反义核酸为与mRNA的一段顺序互补的序列，能阻断mRNA的翻译；它通过与mRNA配对形成杂交双链，经RnaseH水解DNA/RNA杂交双链中的RNA链，从而阻断基因的表达。核酶是一种具有催化作用的RNA，通过碱基配对与靶RNA相互识别、结合并水解催化靶RNA从而阻断基因的表达。,3、核酸药物,脱氧核酶是具有酶活性的DNA分子，它的酶活性可特异切割RNA，从而抑制基因的表达。抗基因寡核苷酸是将它嵌入双链DNA的大沟中形成DNA三股螺旋，抑制DNA结合蛋白（如转录活化因子）和RNA聚合酶的结合，从而抑制基因的转录。核酸药物中另一类为裸DNA基因疫苗与基因药物，它们是将具有预防和治疗疾病的功能基因与真核表达载体重组，将此重组DNA导入人体细胞，使其表达活性的多肽或蛋白质，产生免疫或治疗作用。,未来的生物技术药物,主要涉及下列医疗领域肿瘤神经退化性疾病：老年痴呆症、帕金森氏病、脑中风及脊椎外伤自身免疫性疾病：哮喘、风湿性关节炎、多发性硬化症、红斑狼疮冠心病,正在研究开发的生物技术药物类型,二、生物技术药物的特点,生物技术药物与其它药物之间的区别，主要由生物技术药物的以下特点所决定的：（1）生物技术来源药物的生产方式，是应用基因修饰的生物体产生的蛋白或多肽类的产物，或是依据靶基因化学合成互补的寡核苷酸，所获产品往往分子质量较大，并具有复杂的分子结构。（2）生物技术药物存在着种属特异性。许多生物技术药物的药理学活性与动物种属及组织特异性有关，主要是药物自身，以及药物作用受体和代谢酶的基因序列存在着动物种属的差异。,二、生物技术药物的特点,（3）生物技术药物由于是人类天然存在的蛋白质或多肽，量微而活性强，用量极少就会产生显著的效应，相对来说它的副作用较小，毒性较低，安全性高。（4）生物技术活性蛋白质或多肽药物较不稳定，易变性，易失活，也易为微生物污染、酶解破坏。（5）生物技术来源药物的基因稳定性，生产菌种及细胞系的稳定性和生产条件的稳定性非常重要，它们的变异将导致生物活性的变化或产生意外的或不希望的一些生物活性。,生物信息网,二、生物技术药物的特点,（6）生物技术药物的免疫原性。许多来源于人的生物技术药物，在动物中有免疫原性，所以在动物中重复给予这类药品将产生抗体，有些人源性蛋白在人中也能产生血清抗体，主要可能是重组药物蛋白质在结构及构型上与人体天然蛋白质有所不同所致。（7）生物技术来源药物，很多在体内的半衰期短，迅速降解，并在体内降解的部位广泛。,二、生物技术药物的特点,（8）生物技术来源药物的受体效应。许多生物技术药物是通过与特异性受体结合，信号传导机制而发挥药理作用，且受体分布具有动物种属特异性和组织特异性，因此药物在体内分布有组织特异性和药效反应快的特点。（9）生物技术来源药物的多效性和网络性效应。许多生物技术药物可以用于多种组织或细胞，且在人体内相互诱生、相互调节，彼此协同或拮抗，形成网络性效应，因而可具有多种功能，发挥多种药理作用。,二、生物技术药物的特点,（10）生物技术来源药物的生产系统复杂性，致使它们的同源性，批次间一致性及安全性的变化大于化学产品。所以对生产过程的检测、GMP步骤的要求和质控的要求就更为重要和严格。,第三节生物制药现状,一、生物制药的特征二、生物技术制药工业发展动态三、国内生物技术药物发展状况,一、生物技术制药的特征,高技术高投入长周期高风险高收益,二、生物