生物制品学(Biologics)课件.ppt

,生物制品学（Biologics）,主讲教师：赵凯 博士,生物制品学目录(catalogue)第一章 绪论（Introduction）第二章 生物技术与生物制品学的新进展（New development of bio-tech and biopreparatics）第三章 生物制品的制备(Preparation of biopreparate)第四章 免疫学基本原理（Basic principle of immunology）第五章 基因工程疫苗(Vaccine of gene engineering),第六章 基因工程菌苗的研究现状与发展（Status and development of gene engineering fungus）第七章 基因工程寄生虫疫苗（Parasite vaccine）第八章 治疗性疫苗（Theraphy vaccine)）第九章 治疗性抗体（Theraphy antibody）第十章 血液制品（Blood production）第十一章 核苷酸与重组细胞因子（Nucleotide and recombination cell factor）,第一章 绪 论Chapter Introduction,第一节 生物制品学概述(Section summary of Biologics)一、概念(conception)（一）概念 生物制品（Biopreparate）：Biological products泛指采用现代生物技术手段来人为的创造一些条件，借用某些微生物、植物或动物体来生产某些初级或次级代谢产物或利用生物体的某一组成部分，制成作为诊断（diagnosis）或治疗（cure）或预防疾病（precaution）的医药用品，统称为生物制品。,广义的生物制品还包括一些保健用品例如微生态制剂（双歧杆菌、三株口服液、五株口服液、昂利一号、太太口服液、酪酸梭菌活菌片、整肠生、畜禽益生素、饲料添加剂等）。专门用于动物免疫预防、诊断和治疗的生物制剂称为兽医生物制品（veterinary bioproducts）。,生物制品学（Biopreparatics）：系指研究各类生物制品的来源、结构特点、应用、生产工艺、原理、现状、存在问题与发展前景等诸方面知识的一门科学。（二）现代生物技术的起源与发展(origin and development or modern biotechnology)生物技术的发展是在数门基础学科的发展和融合的基础上发展起来的，它本身又经历了几代发展过程，不断向深发展，之后，又形成了若干分支学科。,现代生物技术,农业生物技术(Agriculture bio-tech)家畜生物技术(Domestic animal bio-tech)食品生物技术(Food bio-tech)环保生物技术(Environment protection bio-tech)能源生物技术(Energy bio-tech)海洋生物技术(Ocean bio-tech)医药生物技术(Medicine bio-tech)生物制品技术(Bio-preparation technology),（三）现代生物技术分类,现代生物技术、信息技术、新材料技术和新能源技术一起并列为21世纪影响国计民生的四大科学技术支柱和国民经济增长的强劲增长点，各国政府、科技界和企业家都予以高度重视和大力支持，并纷纷制定了刺激其发展的优惠政策。其中生物制品就属现代生物技术中的主要研发内容。,（四）现代生物技术在科技与经济发展中的地位,二、研究内容与分类（一）生物制品学的研究内容分为两个方面：1、研究各类生物制品的生物学特性，包括结构、功能，依据微生物与免疫学原理研究生物制品本身的特性及其与人体和动物机体之间的关系，在传染病的预防、诊断和治疗中应用的原理与作用；2、医生物化学、细胞学、遗传学、制冷学和生物工程学原理研究生物制品的制造工艺、质量监控技术、开发现状与发展战略等内容。,生物制品是一种特殊的药品，它在人、动植物传染病的发生、发展和控制中起着举足轻重的作用，是确保生物个体和群体健康所必需的，所以生物制品学是一门比较中重要的的课程。,（二）生物制品的应用(application)1、预 防预防传染病是不可忽略的。以降低易感性为重点对策的某些传染病成了预防接种的主要对象。应用疫苗及类毒素来进行预防接种，以提高机体的免疫水平，降低易感性，对于预防某些传染病效果极其显著。（牛瘟疫苗接种，猪瘟兔化弱毒疫苗）。采用预防接种使机体获得自动免疫以降低易感性，其效果确切而持久；某些传染病采用高免血清注射，使个体获得被动免疫，以暂时提高机体的免疫水平，能迅速地对个体起到保护作用，但被动免疫的预防效果不持久，且应用免疫血清，还会招致发生过敏性反应或血清病的危险。（紧急情况）,2、治 疗 免疫血清采用特异性免疫血清治疗相应感染或传染病，一般称其为特异血液疗法。生物制品中的免疫血清多指抗毒素、抗菌血清和抗病毒血清。疫苗 目前，应用于治疗的疫苗不多。布氏杆菌疫苗用于治疗布氏杆菌病；卡介苗和厌氧性棒状杆菌疫苗常用作免疫佐剂治疗某些疾病；生态疫苗，如促菌生类，用于调整机体肠道的正常菌群起到防止肠道疾病的作用。,噬菌体 根据噬菌体能裂解相应菌体的溶菌作用，仔猪副伤寒噬菌体、绿脓杆菌噬菌体等可以用于治疗仔猪副伤寒和绿脓杆菌感染，但他们的确实效果很难确定。血液制剂 血液球蛋白、转移因子、干扰素、胸腺素、免疫核糖核酸等。,3、诊 断用于诊断人或动物传染病、检测机体免疫状态、以及鉴定病原微生物的生物制品统称为诊断用品，可分为体内试验用和体外试验用两类。体内试验用诊断用品接种皮内，观察皮肤的反应，以判断个体对病原的易感性（或免疫状态）。如结核菌素、布氏杆菌的水解素的皮内试验，若个体具有一定的细胞免疫水平，皮肤出现一定程度的变态反应为阳性，阴性者不出现反应。体外试验用诊断用品抗原、抗体及噬菌体。,（三）生物制品的分类(classify)1、按来源分（according to the source)人源生物制品（如各种血液成分等），（Human source）动物源生物制品（干扰素、激素、蛇毒等）；（Animal source）植物源生物制品（植物激素、Taxol、长春碱、喜树碱）；（(Plants source）微生物源生物制品（生长激素、干扰素、胰岛素等）。（Microbe source）,2、按使用对象分（according to the object）用于人的生物制品；（application to human)用于家畜的生物制品；（application to domestic animal)用于家禽的生物制品；（application to poultry)用于作物的生物制品。（application to crops）,3、按结构与功能分(according to the structure and function).疫苗类 1）病毒疫苗(virus Vaccine)灭活疫苗（Dead Vaccine）减毒活疫苗（Attenuated Vaccine）亚单位疫苗或成分苗（Subunit Vaccine）基因工程疫苗（Geneengineering Vaccine）遗传重组疫苗（Genetic Recombinant Vaccine）合成肽疫苗（Synthetic peptide Vaccine）,2）细菌菌苗 灭活菌苗（Dead Bacterial Vaccine）减毒活菌苗（Attenuated Bacterial Vaccine）亚单位苗或成分苗(Subunit Bacterial Vaccine)合成肽苗(Synthetic peptide Bacterial Vaccine)基因工程菌苗(Gene Engineering Bacterial Vaccine)核酸菌苗(Nucleic Acid Bacterial Vaccine)3)寄生虫疫苗（Parasite Vaccine）4)治疗性疫苗（Cure Vaccine）,、抗体类 1)多克隆Ab（Poly clone Antibody）2)单克隆（Monoclone Antibody）3)基因工程Ab（Engineering Antibody）4)Ab诊断试剂（Ab Diagnostic Reagent）或Ab诊断试剂盒（Ab Diagnostic Kit）5)Ab治疗药（Ab Cure Drug）,、人血代用品 1)血浆（Blood Plasma）2)血细胞（Blood Cell）3)血清白蛋白与球蛋白（Serum albumin&-globulin）4)修饰Hb（Modified Hb）Hemoglobin,、重组细胞因子（Recombinant Cell Factor or Cytokine）1)干扰素（Interferon）；2)集落刺激因子（CSF,Colony Stimulating Factor）；3)白细胞介素（interleukin,IL）；4)肿瘤坏死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）；5)趋化因子（Chemokine）；6)转化生长因子（Transforming Growth Factor,TGF）；7)生长因子（Growth Factor,GF）。,、反义寡核苷酸 1)硫代反义寡核苷酸（Sulpur Antisense Oligonucleotide）；2)2甲氧/乙氧基反义寡核苷核（2-methoxy/acetoxy Antisense Oligonucleotide）3)肽核酸（PNA）（Peptide Nucleic Acid）；4)其他。,、重组激素类 1)多肽蛋白类激素（Polypeptide Protein Hormone）；2)类固醇激素（Steroid Hormone）；3)Aa类激素（Amino Acid Hormone）；4)脂肪酸的衍生物类激素（Derivative of Fatty acid Hormone）。,三、生物制品的生产特点（characteristic of production)1、起步晚、发展速度快，前景美好；2、有巨大的科研价值、重大的经济效益和巨大的社会效益：因为生物制点多涉及国民的健康、长寿,社会稳定和经济的快速发展。3、研发的产品面广，具有高速的成长性和广阔的发展空间。,第二节 生物制品学的发展简史(Simple History of Biopreparatics Development)发展简史：生物制品学的发展即生物技术的发展史。一、经典生物技术阶段（8000年前20世纪30年代）（Classics Biotechnology Stage）（一）特点（Speciality）1、人们在自觉不自觉地利用各种生物资源（微生物、动物、植物等），使之为人类生产各种产品为人类服务，通过实践积累经验，掌握了一些古老的生物技术。如酿酒、制醋、发面等。,2、在长期的生产实践活动中，人们对生物的认识逐渐深化，如1676年发明了显微镜（Leeuwenhoek,Antoni Van）才真正看到了微生物的存在；后来渐渐从“感性理性感性”、“从实践理论实践”，认识了许多的生理变化过程，指导了生物技术实践发展。3、在实践探索中形成了一些有代表性的生物制品（如疫苗、酒精、乳酸、丙酮、柠檬酸、淀粉酶等）但尚未形成生物制品学。,（二）代表（Representative)1、80005000年前就出现了酿酒、制醋、泡菜等酿造技术。2、1857年，利用实验方法证明了酒精发酵是活酵母菌的作用。1897年，发现了磨碎的“死”酵母也能发酵糖 酒精。并将其中所含的活性物质称为“酶”，揭示了酵母菌发酵的生理学实质。Pasteur还证实了果酒变酸与食物腐败是有害微生物的繁殖的结果。,3、公元1000年宋真宗时期，进行自体免疫治疗，15世纪，人痘法传至中东，改为皮下；1796年英国医生Jenner，Edward给人接种牛痘病毒疫苗（Cowpox）预防天花（早近800年）；法国学者Pasteur,Louis在1885年发明减毒的狂犬疫苗，接着又发明了减毒的畜炭疽菌苗、禽霍乱菌苗等（早近890年）。,4、免疫机制研究的起动 1883年俄，Mezunukob.发现了白细胞的吞噬并提出细胞免疫学说；1890年德，Bejering创造了用白喉抗毒素治疗白喉，这世界上最早的抗体治疗的记载。1897年德，Ehrlich提出了，以抗体为主的体液免疫学说，引出了两种学说争论不休。1903年英，Wright在研究吞噬C时，发现了调理素，才将两个学说统一起来了。,1905年开始使用马的白喉抗毒素血清法治疗白喉病时，发现了血清病（发烧、皮疹、水肿、关节痛、蛋白尿等）；血型不符引起输血反应等。开始了免疫应答的病理反应与医学免疫学研究。1916年，世界上第一部免疫学杂志（Journal of Immunology）,5、19世纪-20世纪30年代，陆续出现了许多产品的工业发酵，开创了工业M的新世纪。生产出的新产品有：乳酸、酒精、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉E等。这些产品的特点：生产过程比较简单，大多数属于嫌气性发酵或表面培养，生产设备要求也不高。产品的化学结构也较简单，属微生物的初级代谢产物。,二、近代生物技术阶段（20世纪40年代1953年）（Recent Biotechnology Stage）（一）特点（Speciality）1、生物制品的产品类型多了。除初级代谢产物（Protein、有机酸、酶制剂、多糖等）外，还有次级代谢产物（抗生素等）、生物转化产品（甾体化合物等的转化物）、酶反应（如6-氨基青霉烷酸的酰化反应）等产品。,2、生产技术要求高了如在发酵生产过程中，要求在纯化或无杂菌的条件下进行运转；大多数生物体为需氧菌，需要通过无菌空气（空压机）好氧发酵；对产品质量要求严格（医药或诊断用与食用）。,3、生产设备规模巨大如发酵罐：常用搅拌通气罐可大至500m3;SCP用的气升式发酵罐最大的可达2000m3;英帝国化工公司有3500m3罐；污水处理最大达5500m3,4、技术发展速度快，以发酵工业中提高产品的产量与质量所需的关键物质菌种为例，其活力与性能均得到了惊人的提高。如Penicillin的发酵菌种，初期效价仅20U/m多，后来至200U/ml，现已高达10万U/m，可见发酵控制技术与菌种选育水平均已获得了前所未有的提高。5、由于生命科学与化工学科的相互渗透与交叉，生物学家和化工学者的联合开发研究发酵过程，一个新兴学科-生化工程诞生了，并得到了迅速发展。,（二）代表（Representative）1、1928年英国伦敦圣玛丽学院细菌学博士、讲师Fleming发现了青霉菌可产生青霉素，1940年澳Florey、英国剑桥大学Chain等分别提纯了青霉素，又经临床证明了其卓越的抗感染且低毒的疗效。2、链霉素（1944，美Waksman streptomycin）、四环素（tetracycline）、土霉素（terramycin or oxytetracycline）、红霉素(erythromycin)、金霉素（aureomycin）等抗生素相继问世，兴起了抗生素工业。,3、20世纪50年代出现了多种氨基酸发酵工业（Glu、Gly、Arg等）。4、20世纪60年代出现了多种酶制剂与V、甾体激素（steroid hormone）等工业制品。5、许多固体发酵法改为深层发酵培养法，即表面培养法生产产品改为沉没培养法。6、出现了更多品种的人、畜疫苗，多克隆Ab与抗血清的广泛应用。,三、现代生物技术阶段（1953年-今）（Modern Biotechnology Stage）又可分：代谢控制发酵技术阶段（53-60年）开拓发酵原料时期（60-70年代）基因工程阶段（70年代以来）,（一）特点（Speciality）1、由于微生物学、遗传学、生物化学的融合使得生命科学进入了分子生物学时代，DNA分子结构的揭秘，功能的研究，带动了基因工程技术的诞生。2、由于产生了基因工程技术，许多新的生物制品就不断出现。如：利用E.coli生产人的基因重组激素（Somatostatin）、人胰岛素（insulin）等。,3、许多新技术不断涌现，带动了一批新一代的生物制品。如：1）细胞或原生质体融合技术出现，1975年英国的Milstein&Kohler等发明了杂交瘤技术，即用脾脏的B-Lc（可产Ab）与高速繁殖的人骨髓瘤Cell进行融合-杂交瘤C-cAb用于人疾病的诊断与治疗第二代Ab；2）后来的基因工程Ab，则为第三代Ab。如嵌合Ab、改形Ab、小分子Ab，以及完全人源化的Ab（由于开始兴起的鼠源化McAb易引起人的过敏反应，所以，最终应追寻的目标为人源化的McAb）等。统称为基因工程Ab或第三代Ab。,3）细胞工程中的细胞培养技术利用M的大量培养技术来生产各种酶、抗生素、蛋白质等；利用动物C培养技术，可生产大量的疫苗（包括转基因的动C基因工程疫苗）；还可用以转基因的动物细胞生产人的生长激素、人胰岛素、干扰素等，动C的产物与转基因的M.C相比，不仅蛋白质的氨基酸序列一级结构准确，而且立体空间结构也无错误，可保持其生理活性，而且又不像M.C的转录和修饰所存在的缺乏糖基化的缺陷。,4）酶的固定化技术（虽是1953年Grubhofer&Schleith提出的，但仅近30年来才广泛应用。如目前广泛用固定化异构E于果萄糖浆的生产，用固定化酰化E生产6-氨基青霉烷酸。5）在发酵工程中出现了一些发酵新技术、新型发酵设备、控制装置等，如高密度发酵、连续发酵、动植物细胞培养的新型发酵罐和自动控制装置等等。,6）现代生物反应工程和分离工程技术7）蛋白工程技术、代谢途径工程技术8）海洋生物技术、宇航生物技术等。,图1-2 Boyer和Cohen的DNA重组实验,（二）代表（Representative）,Korenberg Meselson Stahel,分离得到DNA多聚酶I，用它在试管内合成得到DNA,1958年,论证了DNA的复制过程包括双螺旋互补链的分离,1957年,Watson,Crick,提出了DNA互补双螺旋结构模型,1953年,Korenberg,Crick,发现信使RNA（mRNA），并证明mRNA传递信息指挥蛋白质的合成,1960年,提出了遗传信息是通过DNA的碱基对顺序来传递的理论,1956年,主要发现和进展,年代,表1-1 1953年以来现代生物技术的主要发现和进展,表1-2 美国已批准上市的基因工程生物制品,