药学导论第八章生物制药

第八章生物制药 第一节生物制药的发展过程及其在医药 工农业生产中的地位和重要性 生物制药采用生物技术 生物工程 的原理生产药物的过程 生物工程的基本含义 以现代生命科学为基础 结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理 按照领先的设计改造生物体或加工生物原料 生产产品或达到某种目的 生命科学 工程科学 生物工程 酶工程 细胞工程 基因工程 微生物工程 分离工程 人类健康 农业 资源 能源 环境 研究领域 服务领域 生物工程的发展阶段 传统生物技术传统酿造技术近代生物技术近代酿造技术现代生物技术基因工程 细胞工程等 目前 生物技术药品在全球1500亿美元的药品市场中仅占8 但由于其具有成本低 成功率高 安全可靠等优点 能弥补化学药品的根本缺陷 使之具有极强的生命力和成长性 生物制药产品主要包括三大类 基因工程药物 生物疫苗和生物诊断试剂用于诊断 预防 控制乃至消灭疾病 在保护人类健康延长寿命中发挥着越来越重要的作用 生物技术与工农业 可持续发展农业 转基因农作物工业生物催化 生物酶 第二节生物制药的内容 生物工程 酶工程 细胞工程 基因工程 微生物工程 分离工程 一 基因工程 1 诞生 分子生物学的基本理论和关键试验技术的结合 基本理论 大肠杆菌及其质粒的分子生物学本质的阐明 关键技术 DNA重组技术 PCR技术等 基因工程 遗传工程 基因重组技术 将不同生物的基因在体外剪切组合 并和载体 质粒 噬菌体 病毒 DNA连接 然后转入微生物或细胞内 进行克隆 并使转入的基因在细胞 微生物内表达产生所需要的蛋白质 2 基因工程的定义 功能核酸分子 载体 病毒 质粒或噬菌体 细胞 机体 表达蛋白 体外连接 导入 3 基因工程的研究内容 1 目的基因的分离 2 目的基因和载体的连接 3 将重组的DNA分子导入受体细胞 4 筛选阳性受体细胞 5 提取目的基因做进一步分析 6 目的基因和表达载体连接 导入受体细胞 大量表达 3 基因工程在生物医药中的应用 生物技术中最成熟的应用领域 1980年代初 rhInsulin投放市场 标志基因工程药物产业化的开端 美国FDA批准的基因重组蛋白质药物为64种 重磅炸弹 rhEPO rhG CSF rhuGH rhGM CSF rhInsulin rhIFN等年销售额数亿甚至数十亿的药物 另外有300多个品种进入临床实验或待批阶段 抗肝炎的可食马铃薯疫苗HIV疫苗等 二 发酵工程 1 概况 利用微生物的生长代谢活动来产生各种有用物质的过程 微生物工程 传统发酵工程近代发酵工程现代发酵工程 2 发酵工程的内容 微生物菌种的选育发酵条件的优化和控制反应器的设计产物的分离 提取和精制 发酵类型 微生物菌体发酵微生物酶发酵微生物代谢产物发酵微生物的转化发酵生物工程细胞发酵 3 发酵过程的特点 简单 易控 经济 4 发酵过程的应用抗生素的生产重组蛋白的生产生物化工原料其他 三 细胞工程 按照人们的意愿 改变细胞的生物学特性 达到改良生物品种或创造新品种 或获得某个有用物质的过程 体外培养技术 组织培养技术 细胞融合技术 细胞移植技术 胚胎移植技术 基因转移技术 植物细胞工程 动物细胞工程 单克隆抗体的制备 B淋巴细胞 产特异性抗体 小鼠骨髓瘤细胞 无限增值特性 融合 杂交瘤细胞 既能产生特异性抗体 又可以无限传代 四 酶工程 1 历史 4000多年前 利用酶的催化作用生产酒精和醋 1897年 酶 的提出酵母碎片仍能使糖发酵成酒精 1926年 从刀豆提取液中发现脲酶结晶 确定酶的蛋白质本质 1969年 日本应用固定化酶技术生产L 型氨基酸酶工程 2 酶的作用特点 1 生物酶主要是蛋白质 2 专一性强1 底物专一性 只催化一种底物 如脲酶2 反应专一性 能催化相同化学键或基团的底物 如消化酶3 立体化学专一性 对底物的立体化学构象有特殊要求 如L 乳酸脱氢酶 3 催化效率极高 4 反应条件温和 是有机或无机催化剂的106 1013倍 常温 长压 接近中性pH 5 辅酶和辅助因子 很多酶和非蛋白质成分存在时 才有催化作用 非蛋白因子即为辅酶或辅助因子 如ATP Ca2 6 在细胞内 酶的活性受到多种因素调控 基因水平的调节酶水平的调节 2 酶工程的定义 利用酶 细胞器或细胞所具有的特异的催化功能 或者通过对酶的修饰改造 并借助生物反应器和工艺过程来生产产品 酶 细胞的固定化 酶的修饰改造 酶生物反应器的设计 3 酶的来源和生产 化学合成法提取法发酵法 发酵法 1 微生物种类繁多 几乎所有的酶都可以从发酵得到 2 简单 经济 易操作 3 可以通过诱变或基因改造产生新的高产品种 化学合成法 氨基酸数目在100以下的酶 提取法 木瓜蛋白酶 菠萝蛋白酶等生产周期长 原料有限 易受技术经济条件影响 4 酶的分离纯化 纯化程度与用途有关 科学研究医疗用途食品工业 高 低 5 酶分子的改造 分子修饰的方法改变已分离的天然酶的结构应用分子修饰与基因工程相结合的方式 6 酶与细胞固定化 通过物理或化学方法处理 使酶限制或固定于特定的空间 不易随着水流失 同时又能发挥催化作用 优点 可反复使用便于酶和产物分离反应条件易控反应效率高更适合于多酶催化 缺点 一部分酶失活消耗固定化载体 增加成本增加酶和底物的结合阻力 7 酶反应器 利用酶所具有的催化功能 在体外模拟酶的催化反应而设计的装置 是决定酶的工业化应用的关键因素之一 8 酶工程在医药工业中的广泛应用 利用固定化的青霉素酰化酶生产6 氨基青霉烷酸 利用各种酶生产医药中间体和前体 利用立体异构酶生产手性化合物 二 生物药品现状和发展前景 各国生物医药产业的概况 美国 起步早 资金投入大 居领先地位 欧盟 日本 紧跟其后 其他 包括中国 有待发展 美国作为生物制药的发源地 无论是在经费投入 产品开发和研制 还是在产品生产和市场上都居于国际领先地位 自1971年第一家生物制药公司Cetus公司在美国成立开始试生产生物药品至今 已有生物制药公司约1400家 其中形成规模生产的有Amgen Schering Plough EliLilly Merke Genentech等20多家公司 现代生物技术的发源地 又是应用现代生物技术研制新型药物的第一个国家 多数基因工程药物都首创于美国 生物技术市场资本总额超过400亿美元 年研究经费达50亿美元以上 正式投放市场的生物工程药物近 种 已成功地创造出35个重要的治疗药物 并广泛应用于治疗癌症 多发性硬化症 贫血 发育不良 糖尿病 肝炎 心力衰竭 血友病 囊性纤维变性及一些罕见的遗传性疾病 生物技术市场资本总额超过400亿美元 年研究经费达50亿美元以上 正式投放市场的生物工程药物近 种 已成功地创造出35个重要的治疗药物 并广泛应用于治疗癌症 多发性硬化症 贫血 发育不良 糖尿病 肝炎 心力衰竭 血友病 囊性纤维变性及一些罕见的遗传性疾病 我国生物技术药品现状 已上市近20个品种 自主创新性低 绝大部分为仿制产品绝大多数产品为在大肠杆菌表达已批准上市的生物技术药物中只有EPO CHO表达的乙肝疫苗 p53重组腺病毒注射液等为哺乳动物细胞表达的产品同一产品生产厂家多 生产规模小 低水平重复建设 浪费了大量宝贵资源 2 生物药物的发展趋势 1 资源利用与扩大开发 2 利用现代生物技术开发新的生物药物 3 寻找天然生理活性药物 4 利用化学合成和蛋白质工程技术进行创新 5 利用中西医结合技术研制新的生物药物 第三节生物技术在新药筛选中的应用 新药高通量筛选的三个必要条件 高通量筛选技