现代生物医药课件

现代生物技术的发展和生物医药华子春生物技术医药疾病与基因：预测、诊断、预防、治疗、用药疾病的诊断：基因诊断(产前诊断)、生物芯片疾病的预防：疫苗、DNA疫苗疾病的治疗：基因工程药物核酸药物基因治疗器官移植生物医学材料干细胞治疗基因工程和蛋白质工程药物基因工程：将不同生物的基因在体外经人工剪切组合，然后转入到微生物或细胞内，并使转入的基因在细胞内表达，产生所需要的蛋白质蛋白质工程：用基因工程方法生产自然界没有的、经过人工理性设计和改造的、性能更加优良的蛋白质。基因工程技术和重组基因工程药物的诞生1972年基因工程技术诞生基因工程表达体系：细菌（大肠杆菌）、酵母、昆虫细胞、哺乳动物细胞、昆虫、转基因动物（乳腺反应器）、转基因植物1982年医药生物技术崛起重组人胰岛素上市

t-PA、EPO,etc.

基因工程药物的现状2007年全球医药市场达到6750亿美元左右，增速为5-6%，其中生物制药市场收入为450亿美元，增速为13-14%。生物药占医药产业8.8-10%，其中美国市场占62%，欧洲占25%，日本占7%。美国已产业化的基因工程药物200种，占药品总销售额的10%。我国生物技术药物研究和开发起步较晚，已有20多种基因工程药物和疫苗上市，正在进行临床试验的品种近100种。2005年我国医药生物技术产品总销售额达到350亿元。生物药物生物药物：蛋白质、抗体、核酸、糖治疗剂、基于细胞或组织的治疗剂已批准的生物药物:超过250个，包括重组\血产品、单克隆抗体和重组疫苗药物应用最多的为重组蛋白质和抗体年销售额40亿美元的基因工程药物

至2008年底，FDA共批准99种生物技术药物上市2007年29/110种生物技术药物的销售额超过10亿美元2007年销售额超过40亿美元的药物有16种，基因工程药物占据7种：1.治疗非霍奇金淋巴瘤的anti-CD20抗体Rituxan2.治疗乳腺癌的anti-EGFRII抗体Herceptin3.治疗肿瘤放化疗后出现的白细胞减少的G-CSF4.治疗肺癌、乳腺癌和结直肠癌的anti-VEGF抗体Avastin5.治疗类风湿关节炎的anti-TNFα抗体Enbrel、RemicadeGenericName

Target

Brand

FDA

ApprovalCompaniesIndicationSales$billion2006

2007

2008Infliximabc

TNFαRemicade

1998

J&JCD,UC,ASRA,Ps,PsA4.2

5.04

6.5

Rituximabc

CD20Rituxan

1997RocheLeukemia,Lymphoma,RA4.7

5.01

5.6

Trastuzumabhz

HER2Herceptin

1998RocheBreastCancer3.14

4.4

4.8Bevacizumab

VEGFhzAvastin

2004RocheColoncancer

Lungcancer2.4

3.93

4.7Adalimumabh

TNFαHumira

2002AbbottRA,JIA,PsA,Ps,AS,CD2.04

3.06

4.4Cetuximabhz

EGFRErbitux

2004

BristolMyersColonCancerHNC1.1

1.35

2.0RanibizumabhzVEGFLucentis

2006Novartis,RocheMacularDegeneration0.38

1.2

1.5Palivizumabhz

RSVSynagis

1998AstraZenecaRSV1.1

0.62

1.2Omalizumabhz

IgEXolair

2003Roche,NovartisAllergicAsthma0.52

0.64

0.85Natalizumab,hzα4IntegrinTysabri2004/2006BiogenIdec,ElanMultipleSclerosisCD

0.06

0.46

0.6

Panitumumabh

EGFRVectibix

2006AmgenColonCancer0.04

0.21

0.3Abciximabc

CD3ReoPro

1994J&J,LillyThrombosisInhibitor0.28

0.29

0.29Efalizumabhz

CD11aRaptiva

2003Genentech,MerckPsoriasis0.16

0.21

0.28CertolizumabTNFαCimzia

2008UCBCD

0.10C嵌合抗体，hz人源化，h,全人抗体2008年抗体销售排行榜生物制药发展迅速1982-2008年美国FDA批准的新生物产品

2008年美国处于临床试验的生物技术药物按产品类型分类按适应症分类全球基因工程药物市场的增长率2001年后生物药物销售年增长率为20%整个制药市场药品的销售年增长率仅68%基因工程药物的生产现有的基因工程表达体系：细菌(大肠杆菌)；酵母；昆虫细胞昆虫生物反应器(家蚕)；哺乳动物细胞；转基因动物(乳腺生物反应器)；转基因植物

大肠杆菌表达体系

优点：基因组清楚生长周期短价格低廉:rhinsulin:$400/g,rbGH:$11.6/g通用性好,易于放大生产缺点：表达产物易形成不溶性的包涵体,无生物活性不能进行糖基化修饰等酵母表达系统

优点：使用安全；使用历史较长；基因组清楚；表达水平高；能分泌表达蛋白质；蛋白质一般能正确折叠；能翻译后修饰;

生长快；培养基便宜

。缺点：糖基化修饰与哺乳动物不同，可能影响蛋白质的生物活性、安全性等；可能含有免疫物质或抗原。乙肝疫苗、胰岛素、链激酶、人血清蛋白等昆虫细胞与昆虫表达系统优点：能翻译后修饰；蛋白质能正确折叠；表达水平较好；棒状病毒对人无损害；缺点：使用历史较短；生长慢；培养基昂贵；含有免疫宿主蛋白；糖基化形式不同；哺乳类病毒可以感染此类细胞。昆虫虫体表达系统：表达水平高（2-10倍于细胞培养）分离纯化难度大；昆虫（家蚕）饲养要求高，GMO的问题等。哺乳动物细胞表达体系优点：蛋白质能够正确折叠和翻译后修饰；有长期的、良好的正规使用纪录；对大的、复杂的蛋白质的生产是唯一的选择；缺点：培养基昂贵；生长缓慢；含有免疫物质或抗原；需要深入的鉴别；精制手续复杂；产品昂贵。转基因动物生物反应器优点：可表达复杂、巨大的蛋白质；表达水平高；蛋白质折叠正确，有翻译后修饰；易于放大；费用低廉：缺点：正规使用的经验很少；是否易于被病毒感染尚为未知数；表达水平不稳定；周转期限长；精制方法尚需研究；生产周期不能确定；有关农场的eGMP生长尚存在问题；

转基因动物能够制作含有人类免疫系统的转基因动物，用于生产移植用器官转基因植物生物反应器优点：开发周期较转基因动物短；种子易于保存；易于放大；表达量高；无植物病毒影响人类；生产费用低；缺点：存在新的污染问题；翻译后修饰与动物不同；含有可能出现的免疫物质或抗原。

2000年：6个产品在Ⅱ期临床；转基因烟草：人用溶酶体酶；转基因玉米：β-葡萄苷酸酶；转基因马铃薯：重组霍乱疫苗。

生物技术医药疾病与基因：预测、诊断、预防、治疗、用药疾病的诊断：基因诊断(产前诊断)、生物芯片疾病的预防：疫苗、DNA疫苗疾病的治疗：基因工程药物

核酸药物基因治疗器官移植生物医学材料核酸药物

DNA疫苗：20世纪90年代新兴的免疫学技术

1995年以来，FDA已经陆续批准艾滋病、流感、乙型肝炎病毒、单纯疱疾病毒、疟疾和肿瘤相关抗原等DNA疫苗十余种，疟疾DNA疫苗已经进入Ⅲ期临床；反义核酸药物：20世纪80年代出现的一种以抑制基因表达为目的的基因治疗药物；根据碱基互补原理用人工合成或生物合成的特定互补DNA、

RNA片段，在复制、转录和表达水平上抑制或封闭基因表达。反义核酸药物对肿瘤、遗传病、传染病的防治具有重要意义；

RNA干扰药物:21世纪出现的另一种以抑制基因表达为目的的基因治疗药物；基因治疗基因治疗是导入外源基因达到治疗效果的治疗方法；基因治疗有可能成为治愈癌症、艾滋病、高血压、糖尿病，以及各种遗传病的最佳选择；目前美国FDA已经批准600多个基因治疗方案，治疗的疾病涉及各种肿瘤、心血管疾病、代谢病、遗传病和艾滋病等；我国早在1991年就开展了B型血友病的基因治疗，至今已有多个方案进入临床研究阶段，P53基因治疗药物是国际上第一个被批准的基因治疗药物。生物技术与生物医学材料生物医学材料的修饰和复合:

蛋白质、

基因、

细胞;

更好的生物相容性;

更好的治疗效果;干细胞技术干细胞：尚未分化的细胞---具有自我更新和分化潜能的细胞，它包括胚胎干细胞和成体干细胞；存在于早期胚胎、骨髓、脐带、胎盘和部分成年人细胞中；能够被培育成肌肉、骨骼和神经等人体组织和器官。利用干细胞培育出的组织和器官对治疗癌症和其他多种恶性疾病具有重要意义，将为糖尿病患者、早老性痴呆症患者、帕金森氏症患者和脊髓受损患者等带来希望。

20世纪90年代以来，造血干细胞移植技术飞速进展，更为安全有效，已成为治愈多种良性、恶性血液病与遗传性疾病的重要手段，治愈的病种还在不断的扩大。全能干细胞：具有形成完整个体的分化潜能，如胚胎干细胞(ES细胞)，受精卵就是最高层次的胚胎干细胞。多能干细胞：具有分化出多种细胞组织的潜能，如造血干细胞、神经细胞。一种或几种组织的起源细胞，它能分化出多种类型细胞，但不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞。单能干细胞：只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化，如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞。干细胞技术一、现阶段脐血干细胞可治疗疾病恶性病类

(Malignancies,Cancers)急性淋巴细胞性血癌(AcuteLymphocyticLeukemia,ALL)；急性骨髓性白血癌(AcuteMyelogenousLeukemia,AML)；

急性非淋巴细胞性白血癌(AcuteNonlymphocyticLeukemia,ANL)；慢性淋巴细胞性白血癌(ChronicLymphocyticLeukemia,CLL)；慢性骨髓细胞性白血癌(ChronicMyelocyticLeukemia,CML)；年轻型骨髓单核细胞性白血癌(JuvenileMyelomonocyticLeukemia,JML)；骨髓发育不良症候群(MyelodysplasticSyndrome,MDS)；多发性骨髓瘤(MultipleMyeloma)

固体性肿瘤(SolidTumor)；脑瘤(BrainTumors)；何杰金氏病(Hodgkin‘sDisease)；非-何杰金氏淋巴瘤(Non-Hodgkin’sLymphoma)；Ewing氏肉瘤(EwingSarcoma)；生殖细胞肿瘤(GermCellTumors)；神经母细胞瘤(Neuroblastoma)

卵巢癌(OvarianCancer)；小细胞性肺癌(Small-CellLungCancer)；睪丸癌(TesticularCancer)；先天性代谢性缺陷

(InbornErrorsofMetabolism)；脑白质肾上腺营养不良症(Adrenoleukodystrophy)；淀粉样变性(Amyloidosis)

巴尔—淋巴球症候群(Bare-LymphocyteSyndrome)；先天性角化不良(DyskeratosisCongenita)

家族性噬红血球性淋巴组织细胞增生症(FamilialErythrophagocyticLymphohististiocytosis)

Gaucher氏疾病(GaucherDisease)；Gunter氏疾病(GunterDisease)；Hunter氏症候群(HunterSyndrome)

Hurler氏症候群(HurlerSyndrome)；遗传性神经元蜡样脂褐质沉着症(InheritedNeuronalCeroidLipofuscinosis)

Krabbe氏疾病（婴儿遗传性脑白质萎缩）(KrabbeDisease)；Langerhan氏细胞组织细胞增生症(Langerhan‘sCellHistiocytosis)；Lesch-Nyhan氏疾病(Lesch-NyhanDisease)；骨硬化病（骨质石化病）(Osteopetrosis)

白血球粘着缺乏症(LeukocyteAdhesionDeficiency)

免疫缺乏病变

(Immunodeficiencies)腺嘌呤去氨酵素缺损(AdenosineDeaminaseDeficiency,ADA)；慢性肉芽肿疾病(ChronicGranulomatousDisease,CGD)

严重性联合免疫缺陷疾病(SevereCombinedImmunodeficiencyDiseases,SCIDs)

X-性联性淋巴组织增生疾病(X-linkedLymphoproliferativeDisease,KLP)；Wiskott-Aldrich症候群自体免疫疾病

(AutoimmuneDiseases)多发性硬化症(MultipleSclerosis)；风湿性关节炎(RheumatoidArthritis)；红斑性狼疮(SystemicLupuserythematosus)未来干细胞之临床应用：

糖尿病(Diabetes)；巴金森氏病(Parkinson‘sDisease)；阿尔罕默氏病（痴呆病）(Alzheimer’sDisease)

脊髓伤害(SpinalCordinjury)；中风(Stroke)；心脏病(HeartDisease)；肝病(LiverDisease)

皮肤移殖(SkinTransplantation)；肌肉营养不良症(MuscularDystrophy)诱导式多能性干细胞

(inducedpluripotentstemcells,iPScells)2006年，日本京都大学山中伸弥（ShinyaYamanaka)发现将四个基因送入已分化完全的小鼠纤维母细胞，即可以把纤维母细胞重新设定变回具全能性的类胚胎干细胞。2007年，山中伸弥研究小组和美国波士顿的RudolfJaenisch的研究团队分别制造了第二代iPS细胞，不但具有和胚胎干细胞几乎一样的基因印痕模式，它们也可顺利地和成鼠形成嵌合体并产生后代。这项结果显示藉由老鼠体细胞”返老还童”的第二代iPS细胞已经跟胚胎干细胞几乎是具有一模一样的特质了!

2007年11、12月山中伸弥研究团队利用3-4个基因导入人类皮肤细胞病将其成功地转变成iPS细胞!同时，美国威斯康新的JamesThomson研究团队利用4个基因将人类体细胞重新设定变回干细胞！42007年底，美国波士顿GeorgeDaley实验室从病人门诊时取得的皮肤细胞量身订作一个私人的干细胞库，让iPS细胞用来治疗人类退化性疾病已经迈入真正的临床新纪元！2008年11月19日《柳叶刀》报道：由英国、意大利、西班牙三国科学家组成的研究小组，利用部分由成人干细胞培养的气管，成功地给一位30岁的西班牙患者进行气管移植。手术后12天女患者出院能过正常生活，并能参加跳舞活动。经过数次血液检查后，未发现体内有免疫排斥信号。

生物转化与传统制药产业传统制药产业：化学合成缺点：合成条件苛可、合成效率低污染严重生物转化：以酶促反应替代化学催化反应优点：条件温和、效率高有利于环保和可持续发展PEG化蛋白药物PEG修饰前后体内半衰期比较人基因组计划与生物技术制药１９９０年１０月国际人类基因组计划(HGP)启动。１９９８年塞莱拉遗传公司CeleraGenomics成立，竞争HGP；１９９８年１２月线虫（第一个多细胞动物）基因组序列完成；１９９９年９月中国获准加入HGP，负责测定１％；１９９９年１２月１日国际人类基因组计划破译出人体第２２号染色体的遗传密码；首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定；２０００年４月底中国科学家完成了１％人类基因组的工作框架图；２０００年５月８日德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第２１号染色体的测序工作；２０００年６月２６日科学家公布人类基因组工作草图；２０００年１２月１４日美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列；２００１年２月１２日中、美、日、德、法、英等６国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。人类基因组计划的启动1985年，美国能源部（DepartmentofEnergy,DOE）提出，要将共包含约3×109碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚；1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP）”。人类基因组计划的发展1999年12月1日:首条人类染色体完成测序，人类第22号染色体DNA全序列测定宣布完成。2000年4月6日:美国Celera遗传信息公司宣布，该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。2000年5月:科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。6国科学家在人类基因组中主要研究比例美国：WASH＆MIT等7家研究中心，贡献率为54％;英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33％;日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7％;法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8％;德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2％;中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中心等三家，贡献率为1％。

二000年六月二十六日克林顿总统宣布人类基因组草图绘制完成人类基因组计划首席科学家、美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯介绍情况人类基因组草图基本信息由31.65亿bp组成含33.5万基因与蛋白质合成有关

的基因占2%人类基因组人类蛋白质61%与果蝇同源43%与线虫同源46%与酵母同源已完成：人第２０、２１、２２、７、１４和Y，6号染色体；2003年10月23日《自然》：英国科学家完成６号染色体，是迄今为止科学家破译的最大、包含基因最多的染色体；６号染色体上包括了导致遗传性血色素沉着病、帕金森氏症、癫痫等疾病的基因；这一染色体上基因的异常也是造成精神分裂症、癌症和心脏病等多种遗传性疾病的原因；６号染色体中包含了一些与免疫反应相关的基因，它们被统称为“主要组织相容性复合体（ＭＨＣ）”；这些基因不仅在机体对外界细菌和病毒入侵作出防御反应方面有重要作用，在器官移植配型方面也有十分重要的意义，还与自体免疫疾病相关。人基因组计划与药物靶点

后基因组与生物技术制药功能基因组：研究新的药物靶点；药物基因组：个体医药

SNP(单核酸多态性)：能用于研究个体,系谱和人种特征以及遗传疾病治疗的线索，可以用来鉴别一个个体是否患有某种疾病或者同种疾病患者应如何治疗

蛋白质组：研究新的诊断靶标和药物靶点

基因组:人类细胞中的全部基因

蛋白组:由全套基因组编码控制的蛋白质

药物基因组:即为一个病人的基因组对单个药物反应的相互关系

人类基因组、蛋白组和药物基因组:生命科学研究的三个阶段基因组计划和生物技术制药基因组计划：人基因组计划病原微生物基因组计划模式生物体基因组计划生物芯片用于生物学研究成果分析和疾病诊断基因芯片：

1998年：Affymetrix

上市用于筛查HIV-1突变

DNA芯片和筛查p53基因突变的DNA芯片基因身份证蛋白质芯片：组织芯片：基因芯片

DNAchip(芯片)：DNA高密度点阵的芯片

DNA芯片是指利用大规模集成电路的手段控制固相合成成千上万个寡核苷酸探针，并把它们有规律地排列在指甲大小的硅片上，然后用将要研究的材料如DNA、RNA或cDNA用荧光标记后在芯片上与探针杂交，再通过激光共聚焦显微镜对芯片进行扫描，并配合计算机系统对每一个探针上的荧光信号作出比较和检测，从而迅速得出所需要的信息。SequenceVariability功能基因组人基因组序列药物和诊断表达差异表型差异基因芯片的操作流程以真核生物为例LLLLLLLLcDNAAAAA总RNA的制备反转录体外转录生物素标记的cRNA片段化处理带标记的cRNA片断35-200bases0.5-2ug/ul起始用量5-10ug（IVT）LLLLL标记的cRNA片断杂交混合液的制备Test3orGeneChipEukaryoticHyb.ControlControlOligoB2

杂交（16hour）数据分析扫描洗脱染色正常和恶性乳腺上皮表达谱0100200300400500