【《生物制药技术在制药工艺中的创新应用研究》7800字】

生物制药技术在制药工艺中的创新应用研究摘要：从“十一五”到“十四五”，我国生物制药技术的应用由刚起步，已趋向世界领先，走过了一条不断克服困难，也取得辉煌业绩的道路。时下，生物制药行业与新兴技术相结合实施了工艺的创新与发展，向更大更成功迈进。未来，随着国家政策支持力度的加大以及市场环境变化，生物制药领域将迎来新的挑战与机遇。文中列举了在生物制药行业中常用的一些应用技术，介绍了我国生物制药产业现状和发展方向，并分析了当前国内制药工业面临的机遇与挑战以及未来的发展趋势，最后提出了促进生物医药行业健康可持续发展的建议，以期本文的研究结果对推动中国生物医药产业发展具有一定的参考价值。关键词：生物制药技术；制药工艺；创新应用目录TOC\o"1-2"\h\z\u235551前言 3119032我国制药技术发展成就和常见类型 321172.1生物制药技术发展成就 3164372.2生物制药技术的常见类型 3240103生物制药技术的创新应用 4136423.1一次性生物反应器的发展历程 4237393.2一次性生物反应器的研究进展 4247133.3一次性生物反应器的创新应用情况 568984生物制药技术创新发展分析 9157924.1生物制药相关企业风险分析 9136234.2生物制药后备高校创新人才分析 9282344.3生物制药企业国际化策略分析 926445结论 1117924参考文献 121前言生物制药工程需要从业人员对药剂学、生物化学等学科进行整合，并精通、医学和其他知识体系与技术，技术门槛比较高。同时，生物制药行业从业人员需精通生物学知识，能够将创新型生物技术运用到生物原材料的加工中，用于生物类药品的生产。这就意味着，具备较强科研能力和创新能力的专业人才是生物制药行业中不可或缺的组成部分。而生物制药行业现在正好缺乏这些创新型的技术人才。生物制药技术在我国起步晚，因最近几年国家经济的不断发展，生物制药技术也迅猛发展，但是与发达国家相比，还存在很大的距离，我国的生物制药行业还处在起步阶段，这一空白，还有待于从业者们的继续努力、企业竞争力稳中有升、国家优惠政策继续支持进行补偿，只有这样，广大人民群众才能够充分地享受技术发展所提供的福利。2我国制药技术发展成就和常见类型2.1生物制药技术发展成就目前，生物药是继化学药、中药后，成为行业的“后起之秀”[1]。但即使在这样的发展背景下，中国生物医药行业的融资渠道依然十分有限、产业结构差、创新型人才的匮乏，造成了整个行业发展的严重障碍。“十二五”时期，随着国家对医药工业的重视程度不断提高以及政府出台一系列支持政策和法规，我国生物医药企业迎来了难得的历史机遇。在生物医药这个大门类，生物制药等分支共同维持着高增长的势头，受益于制度创新驱动下研发创新、行业从粗放式增长向并购融资转变。同时，企业的R&D（ResearchandDevelopment）经费增加，出现了许多创新的成果[2]。“十三五”时期，新冠疫情在全球范围内肆虐，对全行业提出了很多挑战，也留下了经验教训。我国疫情发生后，对应诊断、防治性药物的需求、运输限制、相关产业配合度和设备依赖进口，成了急需解决的产业痛点。在“十四五规划”中，国家从长远利益考虑，对医药、医疗设备进行集中优势攻关。立足现在，放眼未来，21世纪，我国生物制药技术必将有一个大的、标准的进步。表2-1常见的生物制药技术生物制药技术概述酶工程制药酶工程属于酶学理论与化工技术相融合后所形成的新型技术，运用具有特殊催化功能的酶、细胞器、细胞等，借助于相关的技术来对人们所需物品进行生产的技术。基因工程制药通过对基因工程的运用，有效地将动物激素的合成基因进行提取分离，将其合成后注入到微生物的细胞中，由于微生物的繁殖速度非常快，能够大量合成激素发酵工程制药根据微生物的特定功能，将人类所需要的产品进行生产，或者在制药工艺中直接运用微生物。在发酵工程中运用微生物的代谢生产药物，具有代表性的有抗生素、微生物等细胞工程制药细胞工程是由细胞融合工程、细胞质工程以及染色体工程组成。具体来说，细胞融合工程是运用人工的方法，将两个及以上细胞经过一系列的操作后最终融合为一个细胞，此时该细胞便会拥有两个及以上细胞的优点；细胞质工程则是指将改造的质粒放入细胞质中形成改造；染色体工程的重点是对染色体进行改造。2.2生物制药技术的常见类型2.2.1微生物工程制药微生物工程是发酵工程的一种，其普遍存在于以微生物群进行抗生素的大量配制。在科技不断革新的今天，人都是有目的的筛选并培养可产生目标药物分子微生物以执行干扰素、胰岛素和其他多肽分子的生产[3]。2.2.2基因工程制药基因工程是将外源基因和特定载体结合到受体外部，然后导入受体细胞，经遗传稳定地表达目标产物或获得新性状。基因工程制药有8个基本工序是：步骤一，得到目的基因；步骤二，重组质粒的形成；步骤三，基因工程菌群的筛选与构建；步骤四，工程菌群培养；步骤五，产物的分离纯化；步骤六，对产物进行除菌、过滤；步骤七，对所得半成品进行检测；步骤八，对得到的最终成品进行检测。传统基因工程制药技术多是配制人体代谢必需激素，活性因子和灭活疫苗。近几年，新冠疫情肆虐全球，生物技术革新导致了新型疫苗产品层出不穷，例如，根据mRNA技术研制SARS-CoV-2人体疫苗和艾滋病疫苗等。3生物制药技术的创新应用3.1一次性生物反应器的发展历程1963年，Falch等使用由聚丙烯或聚四氟乙烯制成的既简单又便宜的一次性四面体塑料袋在摇床上培养枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）、大肠杆菌（Escherichiacoli）和粘质沙雷氏菌（Serratiamarcescens），研究发现这种培养容器的曝气效率是锥形瓶的三倍。1972年，Knazek等开发的第一套中空纤维膜生物反应器实现了动物细胞的体外高浓度培养。1975年，Nunc公司开发了更易于放大的CellFactory反应器。在20世纪90年代，CellFactory反应器不仅替代了滚瓶，而且研究表明其很适合符合GMP要求的疫苗和治疗性蛋白生产。1995年，利用miniPERM和CeLLine一次性生物反应器在体外生产抗体等技术开始进入人们的视线，并且CeLLine因适合细胞的长期培养、筛选实验及实验室规模临床前样品的制备而广受欢迎。目前一次性生物反应器已广泛应用于种子扩大培养，小到中试规模的哺乳动物细胞、植物细胞和昆虫细胞的培养，单克隆抗体（monoclonalan-tibodies，MAbs)、疫苗和重组蛋白等的生产，并逐渐拓展到微生物发酵、藻类培养等领域。其最大的商业用途是用于种子扩大培养以及培养哺乳动物细胞生产抗体、疫苗等。另外，一次性生物反应器在大规模的菌株筛选及培养条件优化中也逐渐得到广泛应用。近年来，近77%的制药公司及合同研究组织（ContractResearchOrganizations，CROs）已利用一次性生物反应器进行相关产品的开发。可见，一次性生物反应器已成为生物制药领域发展的一个重要方向。3.2一次性生物反应器的研究进展生物反应器培养细胞用生物反应器的主要型式是：通气搅拌式、透析式和气升式[4]。其中材料采用不锈钢，通气搅拌式设备是在相应小型设备基础上研制出来的，使培养的细胞剪切力减小，但是，搅拌式装置在灭菌工艺流程中存在的固有弊端并没有得到彻底克服，主要表现在：第一，在实施在线清洗（SIP）、在线消毒（CIP）等工艺流程时，会产生很高的能耗；第二，在必要细胞培养离线检测，装置受污染风险大。随着一次性生物反应器技术的发展，它所表现出来的优良特性、更加有利于企业降低生产成本，获取市场竞争优势等特点，受到广大生物医药企业追捧[5]。在生物制药行业中，许多公司以一次性技术为基础，致力于开发各式美国食品药品管理局（FDA）批准高分子材料生产的一次性生物反应器。一次性生物反应器普遍存在于发酵领域或者细胞培养领域中，主要分为波浪式、轨道振摇式、搅拌式，常用规格为10mL至2000L。目前，一次性生物反应器的最大特点在于其内置预先灭菌功能、一次生物反应袋，不能反复使用。一次性生物反应器与常规不锈钢生物反应器相比较，具有以下优点：第一，在线消毒或者在线清洗设施在一次性生物反应器中重要性较低；第二，一次性生物反应器具有高度可持续设计性、设备占地面积较小，降低了运行维护的费用；第三，一次性生物反应器检定时间、交付时间缩短；第四，一次性生物反应器中液体废物更是少之又少，污染风险较小。一次性生物反应器存在的最大短板是：更多依赖于供应商，且材料存储条件较严苛；固体废物的产生量较大，要求有具体资格的企业收集固体废物后，采用灭活等措施进行管理[6]。在世界范围内广泛采用一次性生物反应器代替不锈钢反应器这一大潮流中，中国生物医药行业亦处于改革创新契机，逐渐从追求生产规模向生产专精化方向发展、逐步赶超具有国际先进水平的工艺技术。3.3一次性生物反应器的创新应用情况3.3.1波浪混合式一次性生物反应器1996年，Singh发明了新型波浪混合式一次性生物反应器，带来了细胞培养行业的革命。1998年，WaveBiotech公司推出了第一台用于商业化生产的波浪混合式一次性生物反应器WAVEBioreactor20，从此，一次性生物反应器开始大规模应用。继WAVEBioreactor20在哺乳动物细胞种子扩大培养中获得成功后，WaveBiotech公司于1999年推出了培养体积更大的WAVEBiore-actor500。早期的波浪混合式一次性生物反应器主要用于种子扩大培养，后来逐渐扩大到生产规模。目前波浪混合式一次性生物反应器的最大培养规模可达到500L。当前主要的商业化的波浪混合式一次性生物反应器[7]。如表3-1所示。表3-1主要的商业化波浪混合式一次性生物反应器反应器最大工作体积应用领域供应商WAVEBioreactor500L昆虫细胞培养、单克隆抗体生产、种子扩大培养、蛋白表达、病毒生产、原代细胞扩大培养等GEHealthcareAppliFlex25L昆虫细胞、中国仓鼠卵巢（ChineseHamsterOvary，CHO）细胞、杂交瘤细胞培养，种子扩大培养等ApplikonBIOSTATRM300L低剪切力细胞培养、微生物、哺乳动物、昆虫和植物细胞培养、种子扩大培养等SartoriusStedimBiotechCELL-tainer200L哺乳动物细胞、微生物培养CelltainerBiotechReadyToProcessWAVE2525L哺乳动物细胞、昆虫细胞和植物细胞培养GEHealthcareXuri细胞扩增系统W2525L临床级T淋巴细胞的快速生产、T淋巴细胞的灌注培养、人自然杀伤细胞的灌注培养GEHealthcareXRS2020L哺乳动物细胞培养PallLifeSciences波浪混合式一次性生物反应器的主要部件为一个已灭菌的一次性塑料细胞培养袋，以GEHealthcare公司生产的WAVEBioreactor波浪混合式一次性生物反应器为例，使用时，该细胞培养袋中一半体积装填培养基，另一半体积则充入由二氧化碳和氧气组成的混合气体，细胞培养袋上配备有除菌空气过滤器、无菌取样口等各种预留接口（如图3-1）。其细胞袋安置在摇动平台上，平台的摇动使培养基产生波浪，这些波浪给培养物提供充分的混合与氧气传递，适合细胞的高密度培养。不同供应商生产的波浪混合式一次性生物反应器的平台摇动方式及培养袋的设计有所不同。因为波浪混合式一次性生物反应器借助产生的波浪使细胞和颗粒物质离开底部并处于均匀悬浮状态，所以不会对细胞造成剪切伤害，不仅克服了传统搅拌式生物反应器搅拌桨桨叶端剪切力高的弊端，而且因为无须鼓泡，避免了消泡剂的使用[8]。因此，波浪混合式一次性反应器较适合培养对剪切力敏感或在培养过程中容易产生泡沫的细胞。影响波浪混合式一次性生物反应器传质的因素包括摇动速度、摇动角度、细胞袋的几何特征、填充量、通气速率、发酵液的粘度等。作为发展历史最悠久的一次性生物反应器，波浪混合式一次性生物反应器拥有最大的市场占有率。图3-1WAVEBioreactor波浪混合式一次性生物反应器的Cellbag细胞培养袋示意图3.3.2搅拌式一次性生物反应器2004年，Hyclone公司推出了第一台搅拌式一次性生物反应器，最大工作体积为250L。2006年，搅拌式一次性生物反应器的最大工作体积已达到1000L。2007年，GE发布了门用于微生物发酵的搅拌式一次性生物反应器XcellerexXDR-50MO。2009年，搅拌式一次性生物反应器的最大工作体积达到了2000L。如今，搅拌式一次性生物器已成为应用最广泛的一次性生物反应器。当今市场上主要的商业化的搅拌式一次性生物反应器如表3-2所示[9]。表3-2主要的商业化搅拌式一次性生物反应器反应器最大工作体积应用领域供应商ThermoScientific（HyPerforma）Single-UseBioreactor（S.U.B）2000L动物细胞、昆虫细胞培养ThermoFisherScientificHyPerformaSingle-UseFermentor（S.U.F.）300L微生物培养ThermoFisherScientificXcellerexXDR2000CHO细胞、非洲绿猴肾细胞（Vero细胞）、犬肾细胞（MDCK细胞）、E.coli、酵母等培养GEHealthcareBIOSTATSTR2000L哺乳动物细胞、昆虫细胞、种子扩大培养等SartoriusStedimBiotechXcellerexXDR-50MO50LE.coli、假单胞菌、酵母、CHO细胞、Vero细胞、MDCK细胞等培养GEHealthcareSuperSpinnerD1000800mL种子扩大培养、重组蛋白和单克隆抗体的生产SartoriusStedimBiotech搅拌式一次性生物反应器的设计基于传统不锈钢材质搅拌生物反应器，不同的是其培养容器使用的是塑料材料。用于中试和生产规模的搅拌式一次性生物反应器，以SartoriusStedimBiotech公司生产的BIOSTATSTR搅拌式一次性生物反应器为例，其培养容器一般是塑料材质的经预灭菌的生物反应袋，且有外部支撑容器来放置该生物反应袋，而用于实验室规模的搅拌式一次性生物反应器，以Eppendorf公司生产的NewBrunswickCelliGENBLU搅拌式一次性生物反应器为例，其培养容器则是经预灭菌的硬质塑料材质罐体，其外形接近于传统的不锈钢搅拌反应器。由于配备叶轮，容易引起局部剪切力较高，因此搅拌式一次性生物反应器一般用于培养强健且稳定的细胞[10]。3.3.3轨道振摇式一次性生物反应器轨道振摇式一次性生物反应器的发展速度相对较慢。2001年，Liu等首次使用轨道振摇式一次性生物反应器培养动物细胞、杂交瘤细胞和昆虫细胞。2004年，Jesus等首次使用商业化的TubeSpin生物反应器培养CHO细胞。由于TubeSpin生物反应器简易的操作和取样方法，避免了大量操作上的失误，有利于精确分析，还可以快速获得最优工艺条件，因而沿用至今。2009年，Zhang等开发了2000L轨道振摇式一次性生物反应器，成功将CHO细胞培养体积放大至1000L。目前商业化的轨道振摇式一次性生物反应器最大工作体积可以达到2500L，同时也是目前为止一次性生物反应器所能达到的最大工作体积。十多年来，轨道振摇式一次性生物反应器经历了从第一次概念验证到工艺系统的建立，成为一次性生物反应器的第三大群体[11]。当今市场上主要的商业化的轨道振摇式一次性生物反应器如表3-3所示。表3-3主要的商业化轨道振摇式一次性生物反应器反应器最大工作体积应用领域供应商BIOSTATORB2500L哺乳动物细胞、昆虫细胞、植物细胞、干细胞和微载体贴壁细胞培养、微生物培养、重组蛋白、疫苗和单抗的生产，种子扩大培养SartoriusStedimBiotechTubeSpin400mL大规模悬浮细胞的筛选及工艺优化TechnoPlasticProductsAGSB200-X200L人体细胞、哺乳动物细胞及植物细胞培养AdolfKühnerAGBioLector2.4mL培养条件优化、高通量蛋白表达、好氧及微需氧细菌发酵、细胞及菌株筛选、酶和细胞活力检测mp2-labsMicro-247mL克隆筛选、培养条件的筛选、蛋白表达的诱导条件优化、培养基成分优化、工艺验证、工艺开发PallLifeSciences轨道振摇式一次性生物反应器依靠一次性塑料材质的培养容器围着中央轴心旋转，在液体中心形成漩涡，振荡液体在反应器壁形成薄膜。薄膜被顶部空间的氧气所饱和，然后此薄膜迅速与液相主体相结合，进而通过表面通气和快速的混合提供较强的氧气输送能力。轨道振摇式一次性生物反应器由于表面通气避免了泡沫的生成，并且与搅拌式一次性反应器相比，轨道振摇式一次性生物反应器的培养容器里由于不含有价格昂贵的搅拌和曝气装置，因此其不仅对细胞剪切伤害小，同时具有操作简单和成本效益高等优点，这一特点和波浪混合式一次性生物反应器类似[12]。4生物制药技术创新发展分析4.1地方生物制药相关企业风险分析生物制药技术产业是一种知识密集型产业、资本密集型行业，急需资金良性循环。目前，生物药开发和生产的公司很容易深陷发展困境[13]。有关企业一方面要不断地保证其R&D的投入；另一方面政府需要强化融资监管与调整、加大生物制药行业知识产权保护，才可以确保有关企业走上规范化道路。4.2生物制药后备高校创新人才分析大学生物类专业学生，特别在生物工程专业中，多年入选《中国大学生就业报告》红牌专业，学生在毕业时难以进入专业所学领域。其原因在于国内生物相关产业发展不足、规范化发展。伴随着国家提出的五年规划，持续科学引领引导产业发展，生物制药行业的就业环境有所改善。国内大学数目还很大的生物类专业的在读学生，也为本行业后备人才的培养提供了足够的保证。特别是近年来，政府大力开展高校创新创业类比赛，一大批以生物制药为基础，有关新技术产品的研发层出不穷，以新模式为依托，制药企业管理优化优胜项目，企业可开始和好学生组成创业小组，并进行长期的校企合作，这样能够对研发方法起到一定的优化作用、分担研发风险、节约研发经费，不断给自身创新发展带来生机和动力。近年来，本专业应届毕业生在制药领域的就业率从10年前的51%上升到目前的７０％（见图4-１）；考研比例直线上升，从2011届的23.4%上升到2021届的73.1%。图4-1上海海洋大学生物制药专业毕业生就业情况本专业学生获得各类奖学金人数从2012年的24人次上升到2021年的200多人次（见图4-2），涌现出一大批优秀学生、优秀学生干部和社会工作积极分子。同样，经过教学改革，学生的创新能力明显提升，约90%学生参与科研与创新活动。近三年来，学生获批创新项目31项，市级以上项目14项，获得市级奖励9项，获得国家级奖项5项；发表学术论文17篇，其中外文高水平论文10篇。95%以上的用人单位表示本校毕业生符合产业用人需求。图4-2上海海洋大学生物制药专业学生获得奖学金情况4.3生物制药企业国际化策略分析在新冠疫情肆虐全球的背景以及不可抗力因素的严重冲击下，国际价值体系不得不走向重建，这种大环境给中国生物制药企业带来了进一步走向国际市场，加深其国际影响力的契机。如前所述，生物制药产业对高技术产业人员提出了更高的要求，主要表现为资本运转体系的高投入，同时该行业还具有风险较高、高回报等特征。此外，依靠国内对疫情的严格控制，国内生物制药企业具有更加独特的优势，吸引了国际热钱前来筹资，基于此，我国生物制药企业可采取并购的方式、并购和其他途径来整合国外生物制药企业，从而取得了一批先进的技术、提高我国企业在国际产业链中所占比重、拓宽海外营销渠道。在此背景下，选购方法，积极与国际巨头展开合作，同样不容忽视，需要在取得合作经验的基础上，逐渐加深与全球市场接轨的进程，同时这也将得到更多的借鉴途径。结论近年来我国制药行业整体上呈现出高速增长态势，但与发达国家相比仍然有一定差距。随着国家政策的支持以及人民生活质量的改善，人们对医疗保健需求日益增长。总之，顺应市场需求的技术创新才是推动生物制药行业向前发展的主要动力，生物制药行业在我国的发展历史并不悠久，还需继续研究国际先进技术，以高端设备国产化，量产