药物生物技术(绪论)课件.ppt

药物生物技术（Pharmaceutical Biotechnology）,内 容,绪论 生物制药技术与单元操作过程 微生物制药 动植物药物 海洋药物 基因工程药物 抗体工程药物 疫苗生物技术,课堂（掌握老师讲授的内容） 期末考试 60% 平时作业 40% 分组演讲法：即5人一组，研读英文论文一篇，结合所学内容进行幻灯演讲。评分标准按：论文内容理解正确-20分；与论文有关的实验讲述清楚-20分；与论文有关的背景知识表述良好-20分；论文的PPT幻灯制作和讲述能力-20分；平时上课出席率-20分。,考核,第一章 绪 论Chapter 1 Introduction,生物技术的研究与开发现状,销售额(十亿美元),全球生物技术药物的市场发展,美国FDA历年批准的生物技术药物数目,Pharmaceutical Industries,美国生物技术药物产业化最早，投资最大，产品数量最多。英国拥有生物技术公司的数量约为欧洲的四分之三，其中有世界知名的生物制药企业，如葛兰素史克(GlaxoSmithKline,GSK)阿斯利康(Astrazeneca)等17家大公司。德国政府鼓励和扶持生物技术药物研发和产业化，它的生物技术专利占世界专利总数的20%，仅次于美国。面对各国的挑战，法国议会于2003年6月通过“2003生物技术计划”，投入了3亿欧元，希望能在2007年居于领先地位。 日本生物技术药物产业的发展居亚洲首位，提出了“生物技术立国”的口号。 现已有近100个生物技术药物上市，并先于美国批准了人心钠素，重组人血白蛋白，抗TNF抗体等创制品投入市场。,生物技术的发展和广泛应用，产业化水平不断提高,1.1 生物技术的发展史Development history of biotechnology,生物技术的发展简史,传统、近代、现代 三个阶段1、传统生物技术阶段20世纪30年代简单酿造技术微生物工业发酵生产过程简单，大多属兼气发酵或表面培养，生产设备要求不高，产品的化学结构简单，属微生物的初级代谢产物。特点:自然发酵、全凭经验,公元前6000年古代巴比伦人酿造啤酒公元前4000年埃及人发酵面包殷朝 制酱周朝 制醋1860年荷兰微生物学家安东.列文虎发明显微镜发现了微生物1865年法国科学家巴斯德证明了发酵原理1928年英国 Fleming 发现青霉素,1680年荷兰微生物学家安东.列文虎发明显微镜发现了自然界存在微生物。,Made by A.van Leeuwenhoek (1632-1723).Magnification ranges at 50-275x.,1857年，著名法国化学家路易巴斯德(LouisPasteur, 1822-1895) 第一次分离出了酵母菌,揭示了酒精发酵的实质。,1897年，eduard Buchner和Hans Buchner两兄弟发现一种离体酵母提取物可以使酒精发酵，即酵母细胞产生一种酶，这种酶引起发酵。,开创了工业微生物的新世纪。产品：乳酸、柠檬酸、丙酮等缺陷：嫌气发酵或表面培养，微生物的初级代谢产物。,2、近代生物技术阶段20世纪40年代1953年微生物发酵技术是近代生物技术的基础技术产品类型多，生物技术要求高，生产设备规模巨大，技术发展速度快1940年英国Florey、Chain 分离出青霉素,1928年英国 Fleming发现青霉素1940年英国弗洛里、钱恩分离出青霉素,1945年诺贝尔奖得主,3、现代生物技术阶段1953年 Watson 和 Crick 提出DNA双螺旋结构模型；现代生物技术的技术特征就是以基因工程为首要标志 。基因重组技术、单克隆技术、动/植物细胞培养技术等；是正在发展中的以DNA重组技术为核心的高技术综合体系，是当今国际优先发展的高技术领域之一。,J. D. Watson F H C. Crick,1953美国的Watson 和英国的Crick共同提出了生命基本物质DNA双螺旋结构型。,1966 破译遗传密码1967 分离得到DNA连接酶1970 发现第一个限制性内切酶1971 第一次完全合成基因,1973 Boyer和Cohen用限制性内切酶和连接酶第一次完成DNA的切割和连接,揭开了基因重组的序幕。,T4DNA连接酶,将质粒转入大肠杆菌,EcoR酶解,EcoR酶解,EcoR,EcoR,EcoR,pSC101,转化细胞,1975 杂交瘤技术创立,揭开了抗体工程的序幕,1975年后，动物细胞培养进入大规模阶段。植物细胞培养从400种植物中取组织和细胞进行培养，得600种代谢产物。酶固定化技术已广泛应用是用固定化异构酶生产果葡糖浆，固定化酰化酶生产6氨基青霉烷酸。,1953年 Watson 、Crick提出DNA双螺旋结构1973年 建立DNA重组技术1975年 建立单克隆抗体技术1978年 大肠杆菌表达出胰岛素1988年 PCR方法1997年 英国克隆多利羊1998年 美国批准艾滋病疫苗进行人体实验2000年 绘制出人类基因组草图,现代生物技术的内容 1、重组DNA技术及其它转基因技术； 2、细胞和原生质体融合技术； 3、酶或细胞的固定化技术； 4、植物脱毒和快速繁殖技术； 5、动、植物细胞的大量培养技术； 6、动物胚胎工程技术； 7、现代微生物发酵技术（高密度、连续和其它新 型发酵技术）； 8、现代生物反应工程和分离工程技术； 9、蛋白质工程技术；10、海洋生物技术，等等。,现代生物技术的发展趋势,1、基因操作技术日新月异，不断完善；2、新技术、新方法产生后被迅速应用；3、基因工程药物和疫苗的研究和开发突飞 猛进；4、新的生物治疗制剂产业化前景十分光明5、转基因植物、动物取得重大突破；,6、新的生物技术将给农业生产带来新的飞 跃；7、生物体基因组及蛋白质结构与功能是研 究的热点与重点；8、基因治疗取得重大进展，可能革新预防 治疗领域；9、蛋白质工程10、生物信息学,一、生物技术（Biotechnology）,（一）定义以生命科学为基础，利用生物体（或生物组织、细胞及其组分）的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程相结合进行加工生产，为社会提供商品和服务的综合性技术体系。,（二）生物技术的范畴,基因工程 核心和关键、主导技术 细胞工程 基础 酶工程 条件 发酵工程 产品获得手段 生化工程 分离、纯化、衍生第二代“基因工程”第二/第三代“蛋白质工程”第三代“生物技术”（海洋生物技） ,（三）生物技术相关学科,生物学（微生物、分子生物、遗传）化学（生物化学、蛋白质化学 ）工程学：（化学工程、电子工程）医学药学农学,生物技术的基础学科与分支,分子生物学 医药生物技术 微生物学 生物技术疫苗 生物化学 现代生物技术 生物技术诊断 遗传学 农业生物技术细胞生物学 家畜生物技术 化学工程 海洋生物技术,二、生物技术进展与新药研究,DNA重组技术与创新药物研究基因组学与创新药物研究蛋白质组学与创新药物研究生物信息学与创新药物研究生物芯片技术与创新药物研究,人类基因组计划于1985年提出，1989年多国开始先后参与，计划于1990年正式启动。,多国合作小组,“Celera Genomics”的竞争,遗传生物学家Craig Venter博士,2000年6月，完成了90人类基因草图。2001年初，完成了99人类基因草图。国际人类基因组计划合作组织立即启动了一项十分艰难、但非常必要的“纠错补漏”程序。三年中，草图一点点丰满起来，那些令人头疼的缝隙也从原来的15万个减少到现在的341个。2003年4月14日，序列图绘制成功。2004年10月，人类基因组完成图公布。2005年3月，人类X染色体测序工作基本完成。,蛋白质组学与创新药物研究,定义：蛋白质组学(proteomics),就是从整体的角度,分析细胞内动态变化的蛋白质组成成份、表达水平与修饰状态,了解蛋白质之间的相互作用与联系,揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律的一个新的研究领域,Proteomics includes not only the identification and quantification of proteins, but also the determination of their localization, modifications, interactions, activities, and, ultimately, their function.,二、 蛋白质研究的简要史,1975年 双向凝胶电泳技术 1986年 第一个蛋白质序列数据库-SWISS PROT1997年 出版了第一部蛋白质组学的专著 2000年3月 首次发表了一个生物体的完整蛋白质组 2001年6月和2001年2月 公布了人类基因组框架图和序列图谱,三、蛋白质组学的研究内容,组成蛋白质组 :一个细胞或组织或机体中所有蛋白质的时空表达状况的分析 功能蛋白质组 :蛋白质的细胞定位、蛋白酶的活性、蛋白质与蛋白质相互作用的连锁关系及其由此实现的信号传递与调控作用,3.蛋白质组在药物开发中的应用,疾病特异性蛋白的不断发现为药物设计提供了丰富的靶点 以为靶点,分析其分子结构,定向合成有效药物成为药物设计的理想模式,在病理状态下表达异常或者特异性表达的蛋白质,以及细胞信号传递通路中的关键性蛋白,都可能作为药物设计与发现的靶分子病原微生物蛋白质组研究,也有助于了解其致病的机理和发现对药物敏感的蛋白质,为新的抗生素筛选提供更合理的靶点,药物靶点的发现,靶点的评价、认定与筛选的优化,加快药物靶点的认定, 阐明药物的分子药理,构建更为合理的筛选模型将蛋白质组分析与组合化学的方法相结合,对结构类似物的构效关系作出比较,加速先导化合物的筛选与优化,药物毒理学分析与临床前安全性评价,阐明药物毒副作用的发生机制鉴定和积累特定组织损伤的蛋白质标志物,为临床前安全性评价提供指标,生物信息学与新药开发生物信息学研究需要什么？,需要什么？,数据库（DNA、蛋白质序列）各种算法（Blast, Genscan）这样就行了吗？ 用户（生物学研究人员）如何能更好的使用a和b,Bioinformatics a Definition-Oxford English Dictionary,(Molecular) bio informatics: bioinformatics is conceptualising biology in terms of molecules (in the sense of Physical chemistry) and applying “informatics techniques” (derived from disciplines such as applied maths, computer science and statistics) to understand and organise the information associated with these molecules, on a large scale. In short, bioinformatics is a management information system for molecular biology and has many practical applications.,Bioinformatics: 科技界一颗耀眼的新星,在BIOINFORMATICS 没有诞生之前， 一个新药的问世需要十年时间，数亿美元的R&D，而BIOINFORMATICS已将这个过程减少三分之二，R&D的费用也相应大大减少。许多中小BIOTECH 公司也看到了BIOINFORMATICS 的巨大作用和潜在的商机，纷纷投资BIOINFORMATICS研究项目。,美国电脑执照-高薪阶层,“BIOINFORMATICS CERTIFICATION”，这是目前最新的一门生物化学工程与电脑技术相结合的课程。包括“CBS”证书和“CBM”证书。Visual Basic - $1195Visual C + + - $1295BioInformatics - CBS, CBM $2500MIT: Course: 20.01s Date: June 24 - 28, 2002 Tuition: $2,500,后基因组时代,后基因组时代的挑战:1. 蛋白组学: 序列-结构-功能 2.研究生物的生长代谢的过程和疾病的机制 3.基因组药物生物信息学离不开高性能计算机。并需要信息学家的参与。急需有自主知识产权的生物信息处理软件平台和大量高效的快速的新算法的开发及改进。,Major Application I:Designing Drugs,Understanding How Structures Bind Other Molecules (Function)Designing InhibitorsDocking, Structure Modeling,Major Application II: Finding Homologs,Major Application III:Overall Genome Characterization,Overall Occurrence of a Certain Feature in the Genome e.g. how many kinases in YeastCompare Organisms and TissuesExpression levels in Cancerous vs Normal TissuesDatabases, Statistics,proteomics data,Proteomics tools,Identification and characterization DNA - Protein Similarity searches Pattern and profile searches Post-translational modification prediction Primary structure analysis Secondary structure prediction Tertiary structure Transmembrane regions detection Alignment,生物信息数据库种类,生物信息数据库是种类繁多。近年来，世界各国的生物学家和计算机科学家合作，已经开发了几百个数据库,我国生物信息学现状及问题,1.我国已有强大的DNA测序中心: 华大,北方,南方,. 但我们需要运算速度远比现在计算速度快的机器或方法. 2.生物信息学处理系统处于初级规模.有一些Genbank,EMBL,GCG的镜象. (1).没有自己的完善的系统 (2).没有大量新算法的开发3.后基因组： 科研单位及制药工业并未完全吸收利用生物信息学的工具.,现有各种生物信息学网站（公共免费的，如NCBI, EMBL）,特点：数据多、全，并且具有权威性缺点：1）用户太多（全世界），国内的网慢，比如 有时递交较长的序列做Blast会很长时间得 不到结果 2）数据库太大太多，使用不易 付费的，如：eB, doubletwist,com,虽然使用方便，帮助用户 在网站上保留数据，服务性好，软件也好用 但是需付费，学术力量不强,建立自主知识产权的生物信息学处理软件平台,我们能做什么,Genbank HTG,HTG 是GenBank、DDJB及EMBL为使生物学家更好地进行同源性对比搜寻高通量基因组序列而作的特殊分类。占所有DNA序列的70%以上。HTG部分包括那些通过高通量测序中心测序产生的尚未完成的DNA序列,有或没有注释 。,芯片技术和新药开发,1.2 生物技术药物Biotechnological drugs,一、概念,1、生物药物（biological drugs）指包括生物制品在内的生物体的初级和次级代谢产物或生物体的某一组成部分，甚至整个生物体用作诊断和治疗疾病的医药品。2、生物技术药物（biotechnological drugs）采用DNA重组技术或其它生物新技术研制的蛋白质或核酸类药物。,二、生物技术药物的分类,（一）按常规行业分类1、天然药物2、生化药物3、微生物药物4、生物制品,（二）按功能与用途分类 1、治疗药物 2、预防药物 3、诊断药物（三）按化合物类型分类1、蛋白质多肽类药物2、脂质药物3、多糖类药物4、核酸类药物5、氨基酸类药物,三、生物技术药物的来源,自然来源的生物技术药物：动物、植物、微生物、海洋生物定向合成的生物技术药物：重组药物、手性药物及其经化学修饰的衍生物,四、生物技术药物的特性,1、分子结构复杂 2、具有种属特异性 3、治疗针对性强，疗效高 4、稳定性差 5、基因稳定性 6、免疫原性 7、体内半衰期短 8、受体效应,1.3 生物技术制药Biotechnological pharmaceutics,一、定义生物技术制药 （biotechnological pharmaceutics） 采用现代生物技术人为地创造一些条件，借助某些微生物、植物或动物来生产所需的医药品。,二、生物技术制药的特征,1、高技术2、高投入3、长周期4、高风险5、高效益,医药生物技术是整个生物技术领域中最 为活跃的部分，将成为世界经济的支柱 产业之一。1、基因工程药物；2、基因治疗；3、诊断试剂、酶制剂；4、动、植物医药产品；5、核酸类药物；6、利用现代生物技术改造传统生物药物。,三、生物技术在制药中的应用,基因工程制药 细胞工程制药 酶工程制药 发酵工程制药,途 径1、用克隆的基因表达生产有用的肽类和 蛋白质类药物或疫苗；2、利用基因工程技术改造传统的制药工业,基因工程制药,内 容1、基因工程药物品种的开发2、基因工程疫苗3、基因工程抗体4、基因诊断与基因治疗5、应用基因工程技术建立新药筛选模型6、应用基因工程技术改良菌种产生新的微 生物药物7、应用基因工程技术改进药物生产工艺8、利用转基因动、植物生产蛋白质类药物,基因工程制药,单克隆抗体技术 动物细胞培养 植物细胞培养生产次生代谢产物,细胞工程制药,1、利用酶或细胞、细胞器具有的催化功能2、酶的固定化技术、流化床反应器3、完成一般化学合成难以进行的反应4、微生物转化,酶工程制药,工艺改进新药研制菌种改造,发酵工程制药,怎样发现新药,疾病的产生机制合成和纯化药物动物实验临床1期实验临床11期实验临床111期实验,Phase 1 Clinical Studies,Phase 1 includes the initial introduction of an investigational new drug into human.Phase 1 studies usually conducted in healthy volunteer.Phase 1 studies are designed to determine the metabolic and pharmacologic actions of the drug in humans, the side effects associated with increasing doses, and if possible to gain early evidence on effectiveness.,Phase 1 studies also evaluate drug metabolism, structure-activity relationships, and the mechanism of action in humans.The total number of subjects included in Phase I studies varies with the drug, but is generally in the range of 20 to 80,Phase 2 Clinical Studies,Phase 2 includes the early controlled clinical studies conducted to obtain some preliminary data on the effectiveness of the drug for a particular indication or indications in patients with the disease or condition.This phase of testing also helps determine the common short-term side effects and risks associated with the drug.Phase 2 studies are typically well-controlled, closely monitored, and conducted in a relatively small number of patients usually involving several hundred people.,Sponsor/FDA Meeting (End of Phase 2),One month prior to the “end of the Phase 2”, the sponsor should submit the background information and protocols for phase 3 studies.This information should include data supporting the claim of the new drug product, chemistry data, animal data and proposed additional animal data, results of Phase 1 and 2 studies, statistical methods being used, specific protocols for phase 3 studies, as well as a copy of the proposed labeling for a drug, if available.This summary provides the review team with information needed to prepare for a productive meeting.,Phase 3 Clinical Studies,Phase 3 studies are expanded controlled and uncontrolled trials.They are performed after preliminary evidence suggesting effectiveness of the drug has been obtained in Phase 2 and are intended to gather the additional information about effectiveness and safety that is needed to evaluate the overall benefit-risk relationship of the drug.,Phase 3 studies also provide an adequate basis for extrapolating the results to the general population and transmitting that information in the physician labeling.Phase 3 studies usually include several hundred to several thousand people.Great care is taken to ensure that this determination is not made in isolation, but reflects current scientific knowledge, agency experience with the design of clinical trials, and experience with the class of drugs under investigation,