生物技术制药基础.ppt

生物技术制药,Biotechnological Pharmaceutics,主讲人：孟雪莲,生物技术在国内分布的领域,国家863项目生物技术领域首席科学家陈章良介绍，生物技术在国内分布于两个领域：制药和农业。在国家863项目中，生物技术也仅指这两块。其中，生物制药占最大比例。,陈章良,曾有专家预言，芯片技术、医药和生物工程这三个领域将是21世纪头30-40年发展最快的领域，是世界经济发展的火车头。,据资料显示，生物医药与IT产业将共同成为主宰世界各国未来经济力量的两大要素。,全球生物医药产业发展迅猛,生物药品的销售呈现较快的增长。上世纪90年代以后，全球生物药品销售额以年均30%的速度增长，这个速度大大高于全医药行业年均不到10%的增长速度。生物药品销售额占整个医药行业销售额的比例不断提高，从1995年的不足4%提高到2000年的9%。如2000年全球生物技术产品总额超过600亿美元，年增长率超过20%，其中EPO和G-CSF的单品种销售额均超过10亿美元。另一方面，生物医药技术的研发投入不断增加。以美国为例，生物医药研究研发领域的人均投入为其他工业领域的10倍。,美国生物制药企业已呈规模效应,到2003年初，美国已有生物技术公司2000家以上，其中有300多家公司上市，市场资本总额达到3308亿美元。医药生物技术已经成为美国高新技术产业发展的核心动力之一。,生物医药发展的决定因素,新技术不断涌现，基础科学研究领域的重大突破为生物医药发展的决定因素。组合化学、高通量药物筛选、基因工程、干细胞工程、基因芯片、基因治疗等等，任何一个新技术的诞生均为生物医药的发展带来一场革命。人类基因组草图绘制完成后，生物医药研究进入了以蛋白质组学和药物基因组学为重点的“后基因组”时代。,人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)-研究的内容,（1）对人的基因组进行分组，例如可根据染色体不同分为24组，而每条染色体又可分为长臂/、短臂/、区、带和亚带等；（2）对人的基因组进行标记，即为每条染色体或更小的区域都找到一些特定的DNA序列作为标志；（3）利用已知的标记序列，将已克隆的基因组DNA进行排序；（4）克隆并测定人的基因组的全部序列；（5）具体研究每个基因的结构、功能、表达调控等性质。,美国国家人类基因组研究院主席Francis Collins（弗兰西斯柯林斯）,生物技术的发展影响医药工业格局,生物技术为主体的新兴制药公司迅速壮大，挑战了传统的大型制药企业。数以千计的以研发为主的公司诞生。传统化学制药公司与中小型生物技术公司建立战略联盟。,1.1 概述 一、生物药物 泛指将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的医药品。,第一节 生物技术的发展史,初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如抗生素、毒素、激素、色素等。,二、生物技术药物 1.生物技术(biotechnology)生物技术是以生命科学为基础，利用生物体（或生物组织、细胞）的特性或功能，设计构建有预期性状的新物种或新品系：并/或与工程技术相结合，以生物体（或生物组织、细胞或酶类）为反应器，进行加工生产，为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系。,2.生物技术制药：采用现代生物技术，人为的创造条件，借助某些微生物、植物或动物来生产所需的医药品叫做生物技术制药，所得到的药品叫生物技术药物。,一.基因工程 基因工程(gene engineering):在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，并使之参入到原先没有这类分子的寄主细胞内，而能持续稳定的繁殖，并通过工程化为人类提供有用的产品及服务的技术。,1.2 生物工程,获得目的基因,组建重组质粒,构建基因工程菌（或细胞）,除菌过滤,产物分离纯化,培养工程菌,包装,成品检定,半成品检定,基因工程药物生成的基本过程,上游阶段（实验室进行）,下游阶段（实验室成果产业化、商品化）,二.抗体工程 通过对抗体分子结构和功能关系的研究，有计划的对抗体基因序列进行改造，改善抗体某些功能的技术。,从自然界分离的菌种,发酵罐发酵条件控制,发酵工程生产产品流程简图,三、发酵工程,1、概念发酵工程：是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。,2、内容：,菌种的选育,培养基的配制,灭菌,扩大培养和接种,发酵过程,分离提纯,四.细胞工程 细胞工程(cell engineering)：即应用细胞生物学和分子生物学方法，以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为的使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新的品种，加速繁育动、植物个体，或获得某种有用的物质过程。,五.酶工程 1.定义：酶工程(enzyme engineering)：利用酶或含酶的微生物、动植物细胞或细胞器的特异催化功能，对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。,2、现代酶工程的主要内容：,a、酶的分离纯化、大批量生产及应用开发；b、酶和细胞的固定化及酶反应器的研究（包括酶传感器、反应检测等）；c、酶生产中基因工程技术的应用及遗传修饰酶的研究；d、酶的分子改造和化学修饰，结构与功能的研究；e、有机相中酶反应的研究；f、酶的抑制剂、激活剂的开发与应用研究；g、抗体酶、核酸酶的研究；h、模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成研究。,六.生物转化 1.定义：将天然或合成的有机化合物加入到生长状态的生物体系或酶制剂中，在适宜的条件下进行一段时间的共培养之后，外加的化合物与生物体系的酶发生相互作用，从而产生结构改变，这一过程就是生物转化。,2、生物转化的特点：,3）安全，保护环境，常温常压，可改善工人劳动条件，避免减少使用强酸、强碱或有毒物质；,2）催化高效性，一个酶促反应可代替几个化学反应，收率高；,1）选择性强，底物及产物空间结构专一；,4）某些酶或微生物来源方便，价格低廉。,5）应用范围广。,1.3 生物技术发展简史,一、传统生物技术阶段：主要以酿酒和制醋为主早在公元前5000年，就出现了酿酒和制醋的生产技术；1680年发明了显微镜，才知道自然界有微生物存在；1857年，用实验方法证明酒精发酵是活酵母所引起的结果；1897年，发现磨碎的死酵母仍能使糖发酵成酒精，并将其中的活性物质称为“酶”。,传统生物技术阶段,近代生物技术阶段,现代生物技术阶段,三个阶段,二、近代生物技术阶段：主要以微生物发酵为基础,以后，链霉素、金霉素和红霉素等相继问世，氨基酸发酵和酶制剂工业也得到发展；这个时期医药业主要生产抗生素、维生素、甾体激素和氨基酸。,Alexander Fleming(亚历山大弗莱明),1928年，英国的Fleming发现青霉素；,1940年，Florey和Chain等提取获得青霉素并临床证明了其疗效好和毒性低的特定；,1941年，美国和英国合作开发出生产效率高、产品质量好、通入无菌空气进行搅拌发酵的培养方法生产技术，大大提高了青霉素的生产效率，并为生物技术的发酵工业带来革命性的变化；,三、生物技术发展简史现代生物技术阶段,1982,1988,1997,2001,1953,1974,1975,19611966,1977,ACG TTA,DNA双螺旋结构发现,全部遗传密码的破译,DNA重组技术的建立,单克隆抗体技术的建立,第一个人的基因获得克隆,第一个重组动物疫苗在欧洲获批准,第一个单克隆抗体诊断试剂盒在美国批准使用,1981,1982,Genentech公司获得重组人胰岛素生产许可,PCR技术问世,1988,人类基因组计划开始实施,1990,第一个体细胞基因治疗方案在美国获批准,克隆羊多莉诞生,人类基因组草图完成,人类基因组30亿碱基对测序完成,2003,第二节 医药生物技术的新近展,基础研究不断深入新产品不断出现新试剂、新技术不断出现新型生物反应器和新分离技术不断出现,一、生物技术应用领域 应用领域可分为：现代医药学生物技术（工程）；现代农业生物工程；生物制造、轻化工及食品生物工程；环境治理生物工程；能源生物工程。,1、现代医药学生物技术（工程）,预防性及治疗性疫苗单克隆抗体及抗体生物工程抗生素、Vc等生产转基因动植物疾病的分子水平诊断 人类基因组计划,2.1 现代农业生物工程,2、医药以外其它领域：,鱼类等水生生物：核移植、单倍体诱导、性别控制、基因工程。核移植是将外源的一个细胞核与一个去核卵母细胞结合，产生遗传上同质的动物的技术。它在动物育种、制备转基因动物、基因治疗及器官移植等方面具有重大的作用。畜禽类：性别控制、胚胎移植、核移植（动物克隆：不通有性过程有性过程而繁殖生物的过程）、胚胎分割、细胞培养、基因工程农作物：组织培养与脱毒技术、细胞融合、染色体工程、生物农药、生物微肥、基因工程。,2.2 生物制造、轻化工及食品生物工程,利用可再生的物质原料生产乙烯、乳酸等大众原料化工品和高分子材料，缓解我国材料工业对石油的依赖；,2.3 环境治理生物工程,2.4 能源生物工程,生物净化技术、对污染土壤的生物修复、污水的微生物处理、生物废料再利用,提高燃料酒精规模生产能力。加快高产、高含油且环境适应性强的生物汽油、柴油专用新品种培育和产业化。,二、生物技术制药的优点与传统制药相比,利用生物技术可使活性蛋白或多肽在各种生物反应器中高效表达，可获得天然来源难以得到的生理活性物质，使之成为新药，如人生长激素，胰岛素等；通过生物技术可获得足够数量的生物活性物质以对其结构、功能和性质进行深入研究，从而改造天然生理活性物质，提高生理活性，开发更多的新型生理活性物质。如对白介素2和组织纤溶酶原激活物（tPA）的改造。通过对微生物的改造，可获得新型化合物，扩大药物来源，如红霉素衍生物的研究。,三、生物技术药物的特点,分子结构复杂。生物技术药物是经遗传改造过的生物体产生的活性多肽或蛋白质，或是依据靶基因序列合成的互补的一定长度的寡核苷酸，因而分子量大，分子结构复杂；存在种属特异性：许多生物技术药物的药理学活性与动物种属和组织特异性相关，因此来自一种物种的蛋白或多肽药物对另一物种可能无药理学活性；治疗针对性强、疗效高。用量小，活性强，相对其他药物副作用小、毒性低、安全性较高；稳定性差。不稳定，易变性，易失活，也易被微生物污染和酶解破坏；,5.基因稳定性。生产过程中，基因、生产菌株或细胞系以及生产条件的稳定性要求高，如发生变化将造成生物活性的变化；6.免疫原性。来源于动物的药物可在人中产生免疫和过敏反应；7.在人体内半衰期短。降解快，降解部位广泛；8.受体效应。通过与特异性受体结合，信号转导发挥药理作用。9.多效性和网络性效应。作用于多种组织或细胞，形成网络性效应，因而可发挥多种药理学作用。10.检验的特殊性。生物技术药物的批次间一致性和安全性的变化大于化学药品。,1.生物医药规模迅速,四、当代生物技术的发展趋势及各国比较,（一）总体发展趋势,2.转基因农作物种植面积达规模增长、生物农业快速发展,3.生物技术应用领域不断扩大,生物技术产业发展现状,万亿美元,每隔三年全球销售额翻一番,65%,25%,7%,5%,45%,28%,27%,59%,19%,17%,5%,51%,40%,1300家,700家,33%,24%,12%,4%,33%,3%,美国,日本,其他,欧洲,正在研究开发的生物技术药品品种,生物技术药品市场,生物技术专利,药品专利,人DNA专利,生物技术制药公司数量,生物技术产业发展现状美国位居世界榜首,生物技术产业发展现状生物技术公司发展迅速,$14.6,$4.7,$2.2,$12.7,1997,1991,1986,1996,$16.1,1998,$18.6,1999,美国生物技术公司上缴税收（10亿）,$25.7,2000,2001,$28.5,生物技术产业发展现状生物制品量逐年增加,正在研究开发的生物制品,FDA批准的生物制品,80,12,132,16,143,22,234,31,284,40,1989,1991,1993,1995,1996,350,65,1998,369,75,2000,2002,85,371,美国力争全面保持世界领先地位,(二)世界各国生物技术发展的比较,美国生物产业发展遥遥领先与其它国家。2002年美国现代生物产业销售额、生物技术公司分别为303亿美元和1466家，占全球的52%和73%。已批准生物药物和疫苗141个，拥有500多个基因实验室和全球一半的生物技术专利。,(1)投资大幅度增加：美国科研经费2800 亿美圆，NIH（美国国立卫生研究院）270亿美圆。中国总科研经费125亿美圆。先导化合物的发现是研究之热点。来源：天然产物和合成化合物。如从心房中分离到的活性肽-心钠素，降血压。重视新的药理模型和实验方法的建立。整体动物、细胞或亚细胞、分子水平。基础研究不断加强。NIH的药理科学规划-药理及与生命有关化学规划。经费占1/3。分子生物学和生物工程技术带动药学科学的发展。新药设计、筛选、作用机制、药品生产等。,2.欧洲力求保持生物产业发展的领先地位,3.日本决心在生物经济时代再创辉煌,2002年欧洲现代生物产业销售收入82亿美元。2003年欧盟指出：“生物技术是下一个技术革命”并已在欧盟科技发展第六个框架计划中将45%的科研经费用于生物技术，提出用10年的时间在生物技术领域赶超美国。,战后日本的崛起是靠了在电子和晶体管经济中形成的主导地位。日本决心在此次生物技术革命中再创辉煌。为此提出要实施“生物产业立国战略”，将生物产业建成为仅次于汽车产业和信息产业的支柱产业。,4.1 我国发展生物产业尤其是生物技术制药产业的诸多优势。（1）我国农业、中医和中草药发展源远流长，发展生物产业具有深厚文化底蕴。（2）我国生物资源丰富（3）我国已初步形成了一支生物技术人才队伍。,4.我国的医药生物技术,4.2 中国生物技术制药产业发展现状,（1）起步晚，但由于“863”计划、攻关计划和国家自然科学基金都将生物技术作为优先发展领域予以重点支持，我国生物技术整体研究水平迅速提高，发展较迅速，逐步缩短与先进国家的差距；（2）近15年来，我国有617家从事生物技术的公司，其中有81家从事生物技术药物的生产；至1998年已有14个基因工程药物，3个基因工程疫苗和数十个基因重组诊断试剂投放市场；另有26种基因工程药物处于临床试验。（3）2004年，我国生物制药产业实现工业总产值271.55亿元，同比增长24%，完成销售收入248.95亿元，同比增长22.08%，创造利润25.19亿元，生物制药产业工业总产值及销售收入均高于医药制造业总体增长，同时从增长速度来看也超过2003年的水平。,（4）为有利于合作和规范化管理并提高研究和生产效率，中国开始生物技术制药产业“群落化”发展，如建立生物谷、生物岛和生物城等；（5）但我国生物技术药物研究开发整体上尚处于跟踪仿制阶段，1996年后，由于知识产权和知识经济全球化等因素的影响，我国生物技术制药由仿制向创新阶段转变，由于知识创新不足，我国基因工程药物的研究和开发处于低谷；（6）我国的生物技术发展战略目标是：立足创新、集成应用、需求向导和重点突破。,（一）存在的主要问题(1)、开发水平低，缺少创新产品(2)、生物制药产业下游技术薄弱(3)、重复生产严重、资源浪费过大(4)、产业化规模小、市场竞争无序,4.3 我国生物制药产业存在的主要问题及对策,（二）建议采取的对策1、以仿制促进创新，最终以创新实现产业飞跃2、多渠道建立融资网络投资3、改革科研体制，建立新的产学研一体化的机制4、加强国际交流与合作，积极应对国际竞争5、加强宏观调控，强化和规范财税优惠政策,已批准上市的生物技术药物,五、生物技术药物热点生物技术将创造更多的有效药物用于当代重大疾病的治疗,肿瘤：在全世界肿瘤死亡率居首位，美国每年诊断为肿瘤的患者为100万，死于肿瘤者达54.7万。用于肿瘤的治疗费用1020亿美元。肿瘤是多机制的复杂疾病，目前仍用早期诊断、放疗、化疗等综合手段治疗。抗肿瘤生物药物将会急剧增加。应用基因工程抗体抑制肿瘤，如将基因工程抗体与紫杉醇联合来抗肿瘤。应用基因治疗法治疗肿瘤，如应用-干扰素基因治疗骨髓瘤。,2.神经退化性疾病：美国每年有中风患者60万，死于中风的人数达15万。可治疗老年痴呆症、帕金森氏病、脑中风及脊椎外伤的生物技术药物的胰岛素生长因子(rhIGF-1)已进入期临床。现还在加紧研究促进神经生长因子分泌的小分子作为这类疾病的有效治疗剂。,3.自身免疫性疾病：许多炎症由自身免疫缺陷引起，如哮喘、风湿性关节炎、多发性硬化症、红斑狼疮等。风湿性关节炎患者多于4000万，每年医疗费达上千亿美元。用于治疗哮喘的一种人源化单克隆抗体免疫球蛋白E，已进入期临床;用于治疗风湿性关节炎的一种TNF-抗体，有效率达80%。-干扰素用于治疗多发性硬化病（MS）。用于治疗红斑狼疮的LJP394临床实验即将结束。,4.冠心病：美国有100万人死于冠心病，每年治疗费用高于1 170亿美元。防治冠心病的药物将是未来制药工业的重要增长点。,生物技术药物热点,癌症相关26%,血液相关18%,抗病毒相关16%,内分泌相关16%,5%,4%,12%,3%,其他,神经相关,炎症相关,心血管相关,美国2000年各类药品的销售额比例,六、生物技术药物未来发展趋势,（一）研发将在人类基因组计划和后基因组研究成果的基础上进行,3.人类基因组计划为探寻具有治疗作用的新基因提供了更多的可能性，可直接从基因组序列中发现新的基因工程药物,1.对现有的市场上的约5000种药物来说，制药业的药物靶标只有500个左右；,2.人类基因组图谱表明人体23对染色体有约30亿对碱基对组成，仅有5%的序列编码约3万个基因，有可能成为药物靶标的约30001万种左右，通过同源性比较、DNA芯片和蛋白芯片等技术可找到药物靶标。,（二）生物技术药物未来发展趋势蛋白质工程研发快速发展1、蛋白质工程的基本内容:（1）按实际要求，周密审慎的实际新型蛋白质的氨基酸序列；（2）通过基因克隆等程序，表达经修饰改造的具有优良特性的工程蛋白；（3）分离纯化获得符合商业标准的新型蛋白。2、成功实例：（1）美国Cetus公司，将干扰素中的两个半胱氨酸突变为丝 氨酸，提高了药物的稳定性，可使这种干扰素在低温下保存半 年而不降低活力；（2）将胰岛素B链第10位的His突变为Asp，获得高活力的胰岛素B10 Asp；,（三）生物技术药物未来发展趋势 利用转基因动物生产药物发展迅速1982年首先提出人们首先将目的基因重组在乳汁蛋白基因的下游，培养出可在乳腺中高效表达外源蛋白的转基因小鼠；90年代初，成功培育出乳腺能分泌1抗胰蛋白酶的转基因绵羊；随后获得能在乳腺中分泌组织型纤溶酶原激活剂(tPA)的转基因山羊；1995年，以色列科学家获得转基因山羊“杰迪”，在其分泌的乳汁中含有人血清蛋白；英国科学家获得转基因母鸡，以使其收产的蛋含有转基因药物；1998年，能在乳腺中分泌治疗血友病的人凝血第九因子的转基因山羊在中国上海诞生。,转基因动物生产药物的主要优点：产量高、成本低以及产品的质量基本与天然的一样,（四）生物技术药物未来发展趋势 基因治疗取得重大进展,1990年，美国国立卫生研究院Blas等人，用腺苷酸脱氨酶基因治愈了一位严重免疫缺陷的4岁小姑娘，自此拉开基因治疗的序幕；1991年，中国开展了B型血友病的基因治疗，获得很好的效果；2000年法国巴黎的内克尔儿童医院利用基因治疗使数名有免疫缺陷的婴儿恢复了正常的免疫功能，这是基因治疗开展近10年来取的最大成功；目前，每年用于基因治疗的总投资约10亿美元，主要集中在美国，其次在欧洲。到2001年9月，全世界已批准的基因治疗方案达596个，癌症居基因治疗的首位，共376个方案，占总数的63，其次是单基因疾病、心血管疾病、传染性疾病（主要是HIV）和其他疾病。,（五）生物技术药物未来发展趋势 糖基化工程和新药研究,基因工程药物中最重要的一类药是糖蛋白，如EPO和tPA在全球的销售额达3050亿美元；还有约60个治疗用的糖蛋白处于研发阶段；随着基因工程产品的开发,科学家发现蛋白质上的糖链的结构（糖型）对蛋白的性质和功能起重要作用，如活性、稳定性、溶解性、折叠、分泌、药代动力学性、靶向性和免疫原性等；从1992年，Stanley提出“糖基化工程”后，糖生物学成为生物学研究的热点，而蛋白质的糖基化工程也在现代生物技术制药业中越来越受到重视；糖基化工程是通过对蛋白质上的寡糖链操作，提高糖蛋白的合成和分泌效率，增加其溶解度、稳定性和生物学活性，降低其免疫原性以及使其易于结晶和纯化等；例如：在体内非糖基化的EPO的活性只有完全糖基化的EPO的1/10，非糖基化或糖基化不完全的EPO在体内很快被肾细胞、肝细胞和巨噬细胞清除。,（六）生物技术药物未来发展趋势 给药途径和新剂型,脂质体：是由一个和多个脂质双分子层环绕而成的水相隔室组成的，能作为药物载体的微粒，可通过与人体细胞发生吸附、融合、内吞和脂质交换来给药。作用：保护药物的活性、提高药物稳定性、延长半衰期和延缓释放。例：胰岛素、白介素2和各种疫苗；,4.纳米粒：指粒径为101000 nm的聚合物胶体给药体系。特点：因为人体最小毛细管为4m，因而直径小于1m的纳米粒很容易通过毛细管，从而通过非胃肠途径给药可缓释并可在特定组织或靶位释放。,3.微球：指药物溶解或分散于高分子材料中形成的直径为1250 m的微小球状实体。高分子材料主要是生物可降解材料，如淀粉、明胶、葡聚糖、聚乳酸、聚内脂等。例：干扰素微球注射剂。,2.微乳：微乳指乳滴直径小于140m的乳剂。特点：具有液体乳膜的结构，可控制药物释放的速度并提高药物的稳定性；例：口服胰岛素微乳。,