1、生物制药技术,授课教师： 江成英,绪 论,基因工程制药,细胞工程制药,酶工程制药,微生物发酵制药,生物制药技术,第一章 绪 论,生物制药概述,生物制药的发展历史及发展趋势,第一节 生物制药概述,一、生物制药的概念,生物药物指的是利用生物体、生物组织或其成分，综合应用生物学、生物化学、微生物学、免疫学、物理化学和药学的原理与方法进行加工、制造而成的一大类预防、诊断、治疗制品。,1、生物药物,生物制药是指利用生物体或生物过程生产药物的技术。 生物制药技术是讲述生物药物，尤其是生物工程相关药物的研制原理、生产工艺及分离纯化技术的应用学科。,2、生物制药,二、生物制药的研究内容,发酵工程制药,基因工程
2、制药,细胞工程制药,酶工程制药,发酵工程制药是指利用微生物代谢过程生产药物的技术。,1、发酵工程制药（微生物工程） （fermentation engineering),发酵工程制药主要研究微生物菌种筛选和改良、发酵工艺的研究、产物后处理及分离纯化等问题。,此类药物有抗生素、维生素、氨基酸、核酸有关物质、有机酸、辅酶、酶抑制剂、激素、免疫调节物质以及其他生理活性物质。,2 、基因工程制药 (genetic engineering),基因工程制药指利用重组DNA技术生产蛋白质或多肽类药物。,这些药物常是一些人体内的活性因子，如干扰素，胰岛素，白细胞介素-2， EPO（促红细胞生成素）等。,基因工
3、程制药主要研究相应基因的鉴定、克隆、基因载体的构建与导入、目的产物的表达及分离纯化等问题。,将外来的基因导入细胞，用正常的基因置换病源基因或补充缺失的基因，从而达到治疗的效果。,基因治疗,3 、细胞工程制药（cell engineering）,细胞工程制药是利用动、植物细胞培养生产药物的技术。,利用动物细胞培养可生产人类生理活性因子、疫苗、单克隆抗体等产品；利用植物细胞培养可大量生产植物有效成分。 细胞工程制药主要研究动、植物细胞高产株系的筛选，培养条件的优化以及产物的分离纯化等问题。,4 、酶工程制药（enzyme engineering）,酶工程制药是将酶或活细胞固定化后用于药品生产的技术
4、。,酶工程制药主要研究酶的来源，酶（或细胞）固定化，酶反应器及相应操作条件等。,（一）、生物药物的特点,1、生物药物在医疗上具有药理活性高、针对性强、毒性低、副作用小、疗效可行及营养价值高等特点。,三、生物药物的特点及质量保证,2 、生物药物多数是生物活性分子，分子大，组成、结构复杂，而且具有严格的空间构象，以维持其特定生理功能。因此，生物药物具有化学性质与生物学性质都很不稳定，对环境因素敏感的特点。,（二）、生物新药的质量保证,1、鉴定方法,2、安全性评价,生物药物除了要保证符合无病毒、无菌、无热原、无致敏原等一般安全性要求外，还需要进行某些药代动力学和毒理学研究。有的产品还要求对之进行致突
5、变、致癌和致畸等遗传毒理性质的考察。,四、生物药物的分类,生物药物,生化药物,生物制品,氨基酸类药物,多肽及蛋白类药物,酶与辅酶类药物,核酸及其降解物和衍生物,多糖类药物,脂类药物,细胞生长因子与组织制剂,预防用制品,治疗用制品,诊断用制品,1、氨基酸类药物(amino acid,AA),全世界氨基酸总产量每年达百万吨，应用于医药、食品、饲料工业，还供合成有效无残毒农药及甜味剂。主要生产品种有Glu,Met,Lys,Asp,Arg,Cys,Phe,Thr,Trp。 Glu产量最大，占氨基酸总产量的百分之八十，其次为Lys和Met.,（一）、 生化药物,单一氨基酸制剂,Cys: 用于抗过敏，肝炎
6、及白细胞减少症； Met： 用于防治肝炎，肝坏死，脂肪肝； Arg（Orn） ：用于肝昏迷。 Glu： 用于肝昏迷、神经衰弱和癫痫,复方氨基酸制剂,（1）、水解蛋白注射液：,由天然蛋白经酸解或酶解制成的复方制剂，含小肽物质，有不良反应。,（2）、复方氨基酸注射液：,由多种结晶AA根据需要按比例配制而成，有时还添加高能化合物、维生素、糖类和电解质。,氨基酸,右旋糖酐,乙烯吡咯酮,或,复方氨基酸输注液,血浆代用品,（3）、要素膳：,由多种AA、糖类、脂类、维生素、微量元素等各种成分组成的经口或鼻饲为病人提供营养的代餐制剂。,具有特殊医疗价值的AA衍生物,N-乙酰半胱氨酸，用于咳痰困难；L-二羟苯丙
7、氨酸是治疗帕金森病的最有效药物；S-甲基半胱氨酸能降血脂；S-氨基甲酰半胱氨酸有抗癌作用。,2、多肽及蛋白类药物,活性多肽是由多种AA按一定顺序连接起来的多肽链化合物，分子量一般较小，多数无特定空间构象，在发挥某种生物功能时出现某种构象。多肽在生物体内浓度很低，但活性很强，在调节生理功能时起着非常重要的作用。,已用于临床的多肽药物达20种以上。如谷胱甘肽（3肽）、催产素（9肽）、加压素（9肽）、神经降压肽（13肽）、血管活性肽（28肽）等。,O O H2N-CH-CH2CH2C-N-CHC-N-CH2COOH COOH H CH2 H SH,谷胱甘肽（GSH）化学表达式:,具有整合解毒 和抗氧
8、化两大作用,养颜美容护肤,谷胱甘肽的治疗和预防作用：,解毒,辐射病及辐射防护,保护肝脏,抗过敏,改善某些疾病的病程和症状,抗衰老作用,增加视力及眼科疾病,催产素（牛）： Cys-Tyr-Leu-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly S-S,Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly S-S,加压素（牛）：,蛋白质类药物有单纯蛋白质与结合蛋白质,单纯蛋白：人白蛋白、丙种球蛋白、胰岛 素、生长素、催乳素等结合蛋白： 干扰素、促甲状腺激素等。,3、酶与辅酶类药物,（1）助消化酶类： 胃蛋白酶、凝乳酶、纤维素酶等,（2）消炎酶类： 溶菌酶、各种蛋白酶类,（3）心血
9、管疾病治疗酶：弹性蛋白酶降低血脂，用于防治动脉粥样硬化；激肽释放酶有扩张血管、降低血压的作用；,（4）抗肿瘤酶类：L-门冬酰胺酶用于治疗淋巴肉瘤和白血病；谷氨酰胺酶、蛋氨酸酶、组氨酸酶、酪氨酸氧化酶也有不同程度的抗癌作用。,(5)其它酶类：SOD(super oxidase)，超氧化物歧化酶，去除氧自由基（O2-）, 抗氧化、抗辐射、抗衰老等功效； DNA酶和RNA酶可用于治疗慢性气管炎等。,（6）辅酶类药物：辅酶或辅基在酶促反应中起着递氢，递电子或基团转移作用，对酶促化学反应方式起着关键性决定性作用。 多种酶的辅酶或辅基成分具有医疗价值,如NAD、NADP、FMN、FAD、Q10、CoA等已
10、广泛应用于肝病和冠心病的治疗。,4、核酸及其降解物和衍生物,从猪、牛肝提取的RNA制品对治疗慢性肝炎、肝硬化和改善肝癌症状有一定疗效。从小牛胸腺或鱼精中提取的DNA制剂用于治疗精神迟缓、虚弱和抗辐射。,（1）、核酸类,（2）、多聚核苷酸,多聚胞苷酸，多聚次黄苷酸，双链聚肌胞(poly I:C)，聚肌苷酸及疏基聚胞苷酸是干扰素诱导剂，用于抗病毒，抗肿瘤。,（3）、核苷，核苷酸及其衍生物,较为重要的有混合核苷酸、混合脱氧核苷酸注射液、 ATP、 CTP、CAMP、CDP-胆碱、GMP、IMP、AMP和肌苷等。,经人工化学修饰的核苷酸、核苷或其碱基衍生物是有效的核酸抗代谢物，常用于治疗肿瘤和病毒感染
11、。 主要有-疏基嘌呤、-硫代、-U、-F-环胞苷等。,5、多糖类药物,多糖类药物的来源有动物、植物、微生物和海洋生物，它们在抗凝、降血脂、抗病毒、抗肿瘤、增强免疫功能和抗衰老等方面具有较强的药理作用。,多糖类药物主要有肝素、硫酸软骨素A、类肝素、胎盘脂多糖、透明质酸、壳聚糖、各种真菌多糖等。,壳聚糖有降血脂的作用。其降解产物-壳寡糖（甲壳低聚糖）-新的益生元。 益生元（Prebiotics）实际上是低聚糖，又称寡聚糖（Oligosachride）,是指能够选择地刺激肠内一种或几种有益菌生长繁殖，而且不被宿主消化的物质。,PatrichCharton教授将益生元更确切地比作生命的浮桥，病原菌粘附
12、在寡聚糖底物上而不与动物肠道上皮细胞相接触，因而病原菌无法在肠道中固定下来，也就失去了对动物的危害。 益生元与益生素异曲同工，二者的目的都是控制消化道的菌群，但益生素是外源增加的有益菌，而益生元则不同，它主要是维持动物体内已建立的而且是健康的消化道菌群。,6、脂类药物,磷脂类,多价不饱和脂肪酸和前列腺素,胆酸类,卟啉类,固醇类,（1）、磷脂类,（2）多价不饱和脂肪酸和前列腺素,亚油酸（18：29，12）、-亚麻酸（18：39，12，15）、-亚麻酸（18：36，9，12）、花生四烯酸（20：45，8，11，14）、DHA、EPA等有降血脂，降血压，抗脂肪肝作用，用于冠心病的防治。,DHA（ 2
13、2：64，7，10，13，16，19 ）：二十二碳六烯酸EPA（ 20：55，8，11，14，17 ）：二十碳五烯酸,天然DHA，EPA是低等水生物和浮游生物中合成的，然后，通过食物链被摄取蓄积于鱼类，甲壳类等水生动物中。,前列腺素是一大类含五元环的不饱和脂肪酸，用于催产和中期引产，抗血栓和防止动脉粥样硬化。,（3）、胆酸类,猪去氧胆酸可治疗高血脂，熊去氧胆酸，有类似胆固醇树脂消胆胺的作用，可降低血脂，并可稳定肝细胞膜和抑制单核细胞产生细胞因子。鹅去氧胆酸可作胆石溶解药，降低胆汁内胆固醇的饱和度，从而使结石中的胆固醇溶解、脱落。,（4）、固醇类,胆固醇是哺乳动物质膜的一个重要成分，是类固醇激素
14、和胆酸盐的前体。 胆固醇是人工牛黄的主要原料之一，还有护发作用。 鸡蛋中胆固醇的含量为：600mg/kg,（5）、卟啉类,卟啉环的化学式,主要有血红素、胆红素等,血红素是食品添加剂的着色剂，胆红素是人工牛黄的重要成分；原卟啉，血卟啉用于治疗肝炎，还用作肿瘤的诊断和治疗。,7、细胞生长因子与组织制剂,细胞生长因子是在体内对动物细胞的生长有调节作用，并在靶细胞上具有特异受体的一类物质。它们不是细胞生长的营养成分。 已发现的细胞生长因子均为多肽或蛋白质。如神经生长因子（NGF）、表皮生长因子（EGF）等。,（二、）生物制品,预防、治疗、诊断特定传染病或其他有关疾病的免疫制剂。,1、预防用制品（广义疫
15、苗）,菌苗：卡介苗，百日咳菌苗等疫苗：乙肝疫苗，狂犬疫苗等类毒素：白喉类毒素、破伤风类毒素,2、治疗用制品,特异性治疗用品：狂犬病免疫球蛋白、抗 蛇毒血清等。非特异治疗用品：白蛋白,3、诊断用制品,单克隆抗体等,前节回顾,生物药物指的是利用生物体、生物组织或其成分，综合应用生物学、生物化学、微生物学、免疫学、物理化学和药学的原理与方法进行加工、制造而成的一大类预防、诊断、治疗制品。,生物制药是指利用生物体或生物过程生产药物的技术。,生物制药的研究内容,发酵工程制药是指利用微生物代谢过程生产药物的技术。,基因工程制药指利用重组DNA技术生产蛋白质或多肽类药物。,细胞工程制药是利用动、植物细胞培养
16、生产药物的技术。,酶工程制药是将酶或活细胞固定化后用于药品生产的技术。,生物药物的特点,1、生物药物在医疗上具有药理活性高、针对性强、毒性低、副作用小、疗效可行及营养价值高等特点。,2、生物药物具有化学性质与生物学性质都很不稳定，对环境因素敏感的特点。,生物药物的分类,生物新药的质量保证,1、鉴定方法,2、安全性评价,1、生化药物,2、生物制品,第二节 生物制药的发展历史及发展趋势,一、生物制药的发展历史,1、传统生物制药阶段,其发展过程按技术特征可分为三个阶段：,2、近代生物制药阶段,3、现代生物制药阶段,人们利用生物药物治病有着悠久的历史，曾宣公12年就有“麹”的使用。到公元4世纪，葛洪著
17、肘后良方中有用海藻酒治疗瘿病的记载，孙思邈首先用含维生素A较丰富的羊肝治疗“雀目”。,1、传统生物制药,用羊靥治疗甲状腺肿，用赡酥治创伤，用羚羊角治中风，用鸡内金止遗尿及消食健胃。,神农,我国应用生物材料 作为治疗药物的最早者,木草纲目所载药物1892种，除植物药外，还有动物药444种，书中还详述了入药的人体代谢物、分泌物及排泄物等。,李时珍,生物药物的使用达到了一个历史的高峰,早期的生物药物多数来自动物脏器，有效成分也不明确，曾有脏器制剂之称。到上世纪20年代对动物脏器的有效成分逐渐有所了解：纯化胰岛素、甲状腺素、各种必需氨基酸、必需脂肪酸、以及多种维生素开始用于临床或保健。,A、材料来源困
18、难或制造技术问题而无法付诸应用； B、从动物脏器中提取出来，也因造价太高，或因来源困难而供不应求； C、由于免疫抗原等缘故，使它们在使用上受到限制。,传统制药存在的问题：,1928年英国弗来明（Fleming）发明青霉素至1941年在美国开发成功，标志着抗生素时代的开创。,2、近代生物制药阶段,40年代-50年代相继发现和提纯了肾上腺皮质激素和脑垂体激素。,60年代以来，从生物体分离、纯化酶制剂的技术日趋成熟。,3、现代生物制药阶段,1953 DNA双螺旋结构的发现及70年代发展的重组DNA技术、单克隆抗体技术使生物制药进入一崭新的时代现代生物制药。,现代生物制药,主要指基因重组的蛋白质分子类
19、药物的制造过程，即利用基因工程、抗体工程或细胞工程技术生产的源自生物体内的天然物质,用于体内诊断、治疗或预防药物的生产过程。,1953发现DNA双螺旋结构,1966破译遗传密码,1970 发现限制性内切酶,1971第一次完成DNA的切割和连接,1973建立了DNA重组技术,1975 杂交瘤技术创立,1977 第一次在细菌中表达人类基因,1978在大肠杆菌中成功表达基因重组人胰岛素,1982胰岛素上市,二、生物制药的发展趋势,1、基础研究不断深入,重组DNA，新基因的克隆和基因表达调控的研究全面展开，分子生物学理论和技术两大体系已基本完成，一些重要的遗传病基因已被分离并测序。,2、新产品不断出现
20、,自20世纪80年代以来，仅美国、日本开发的生物新技术新药物便达200多种，大都是重组蛋白质药物和重组DNA药物。,生产方法从利用重组DNA的微生物生产转向利用动植物来生产蛋白质类药物，构建新型多价活疫苗。,3、新试剂、新技术不断出现,细胞工程及基因工程的应用产生了新的医疗技术细胞移植和基因治疗。,生物试剂的开发，单克隆抗体，专一性强，由鼠源性转向人源性。,4、新型生物反应器和新分离技术不断出现,塑料袋、填充床、气升式、流化床、固定床、袋式、膜式、中空纤维、固定化培养。,新型生物反应器：,新分离技术：,固相化金属亲和层析,超扩散层析,灌注层析,其他快速分离纯化系统,AKTA explorer快
21、速纯化工艺开拓系统,Streamline扩张床吸附技术,快速蛋白液相色谱（FPLC）,The biological system,三、我国的医药生物技术,我国起步晚，20世纪80年代初，把生物技术定为科技和产业发展的重要新领域之一，1985年制定了生物技术发展政策，1989年制定了902000年和2020年发展纲要。 20世纪70年代，起步时是固定化酶的研究，固定化细胞，80年代初期，开发研究乙型肝炎基因工程疫苗，基因工程干扰素，国内投入大量资金建立30个生物技术领域国家重点实验室，可生产活性多肽类药物、干扰素、白介素、心钠素等多种生物药物。,近日，有关专家结合国内生物技术的医药产品开发情况，
22、指出今后我国生物医药发展将有以下6个重点： （1）中草药及其有效生物活性成分的发酵生产。发展具有中国特色的生物技术医药工业。,我国今后生物医药发展6个重点：,（2）改造抗生素工艺技术，研究采用基因工程与细胞工程技术和传统生产相结合的方法，选育优良菌种，研究并使用大规模生产技术，加快应用现代生产技术生产高效低毒的广谱抗生素。 （3）开发疫苗与酶诊断试剂。开发重点是乙肝基因疫苗与单克隆重抗体诊断试剂。,（4）开发活性蛋白与多肽类药物。开发重点是干扰素、生长激素等。（5）开发靶向药物，以开发肿瘤药物为重点。（6）发展氨基酸工业，开发甾体激素。应用微生物转化法为酶固定化技术发展氨基酸工业和开发甾体激素
23、，并对现传统生产工艺进行改造。,20世纪生物技术是科研阶段，产业初期。21世纪将进入大规模产业化，研究成果转变成产品。 三大类药物：生物、化学、中药。 发展比较迅速的医药生物技术有四个领域：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 4、其他,五、医药生物技术发展展望,完成人类基因组计划会发现许多新基因，而且很多与疾病有关或直接参与疾病的形成，找到了目的基因也就是需要修复的基因可以帮助我们利用基因工程来寻找新药或基因治疗的方法，21世纪50%-70%的新药来自基因工程的研究。,1、利用新发现的人类基因，开发新型药剂,疫苗在许多疾病的预防、治疗中起着其他药物无
24、法代替的作用，现在正在进行爱滋病及20多种基因型癌症疫苗的研制，用于防治癌症、爱滋病、关节炎、贫血、骨质疏松、百日咳、乙肝等疾病。,2、新型疫苗的研制,由两条以上肽链组成，很强的生物活性，常以微量存在于人体（基因工程方法生产）。 淋巴因子，生长因子，激素，酶，都属于活性多肽。,3、基因工程活性肽,应用： （1）在体外和离体研究中作为细胞培养补充剂 （2）基础研究对象 （3）作为研究其他现象（免疫）的一种辅助剂 （4）诊断试剂 （5）生物治疗的研究开发 脑啡肽、胃肠肽。,疾病早期诊断，PCR，单克隆抗体 转基因材料 外源基因在植物中表达，脑啡肽，干扰素，生长激素，转血红蛋白基因的烟草植物生产人造血浆。,4、其他,21世纪，现代生物技术定将会得到蓬勃发展，推动全球许多问题的解决。与人类生存密切相关的医药生物技术的发展，必将为保障人类健康作出更大的贡献。,
