应用生物技术（第六部分）课件

应 用 生 物 技 术 Applied Biotechnology,长江大学生命科学学院,第六部分 医学生物技术及 人类基因组计划,第11章 生物技术制药 第12章 单克隆抗体和抗体工程 第13章 现代分子诊断技术 第14章 预防性及治疗性疫苗 第15章 人类基因的克隆 第16章 人类疾病的基因治疗 第17章 现代生物的规则与专利,第11章 生物技术制药,第一节 生物技术制药概述 第二节 基因工程制药 第三节 微生物发酵制药 第四节 我国生物技术制药的现状,世纪初，在生物技术应用领域中，最具代表性的是生物医药，它的利润率可达17.6，是信息产业的倍。其巨大的经济利益来源于创新。其中包括开发新药品资源、改善医疗手段，从而提高整个医疗水平。,第一节 生物技术制药概述,以现代生物技术的手段会逐渐满足人们对各种生物药品的需求，传统药物的种种弊端希望通过发展生物制药技术得到有效地解决。现在像艾滋病、乙肝、癌症等多种不治或难治的疾病的防治主要依赖于生物药物。生物药物就是通过生物技术制药获得的。下面主要介绍生物药物的来源、特性和类型。,一、生物药物的来源 生物药物的定义 生物药物是指运用生物学、医学、生物化学等的研究成果，在生物体、生物组织、细胞、体液中，综合利用物理学、化学、生物化学、生物技术和药学等学科的原理和方法制造的一类用于预防、治疗和诊断的药品。,生物药物的原料来源 生物药物的原料以天然的生物材料为主，包括人体、动物、植物、微生物和各种海洋生物等。中医很早就有“医食同源，药食同性”的说法。很久以来，许多植物和动物的组织及器官被用作药物。化学合成的许多药物首先是从动、植物体的发现开始的，如水杨酸（阿斯匹林）、维生素、乳酸、维生素。,由于需求量的升高及其化学的合成比较廉价，转而由化学法生产。但有些药物，如多种生物碱，至今仍然要从植物体内分离。随着生物技术的发展，有目的人工制得的生物原料成为当前生物制药原料的重要来源，如用免疫法制得的动物原料、用基因工程技术制得的微生物或其他细胞原料等。,二、生物药物的特性 药理学特性 （）治疗的针对性强：治疗的生理、生化机制合理，疗效可靠。例如，细胞色素为呼吸链的一个重要成员，用它治疗因组织缺氧所引起的一系列疾病，效果显著。 （）药理活性高：生物药物是从大量原料中精制出来的高活性物质，因而具有高效的药理活性。例如，注射纯的可以直接供给机体能量，效果确切、显著。,（）毒副作用小，营养价值高：生物药物主要有蛋白质、核酸、糖类、脂类等。这些物质的基本组成单位为氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等，对人体不仅无害而且还是重要的营养物质。 （）生理副作用常有发生：生物药物是从生物原料制得的。生物进化的结果是不同生物，甚至是相同生物的个体之间的活性物质结构都具有很大差异，其中尤以相对分子质量较大的蛋白质更为突出。这种差异在使用生物药物时表现出副作用，如免疫反应、过敏反应等。,在生产制备中的特殊性 （）原料中的有效物质含量低：杂质种类多且含量高，因而提取、纯化工艺复杂。例如，胰腺中胰岛素含量仅为，还含有多种酶、蛋白质等杂质，提纯工艺就很复杂。 （）稳定性差：生物制药的分子结构中一般具有特定的活性部位，生物大分子药物是以其严格的空间构象来维持其生物活性功能的，一旦遭到破坏，就失去其药理作用。引起活性破坏的因素有：生物性的破坏，如自身酶水解等，理化因素的破坏，如温度、压力、重金属等。,（）易腐败：由于生物药物原料及产品均为营养价值高的物质，因而极易染菌、腐败，从而造成有效物质被破坏，失去活性，并且产生热源或致敏物质等。因此，生产过程中对于低温、无菌操作等要求严格。 （）注射用药有特殊要求：生物药物由于易被胃肠中的酶所分解，所以给药途径主要是注射用药，因而对药品制剂的均一性、安全性、稳定性、有效性等都有严格的要求。同时对其理化性质、检验方法、剂型、剂量、处方、贮存方式等均有明确的要求。,检验上的特殊性 由于生物药物具有特殊的生理功能，因而生物药物不仅要有理化检验指标，更要有生物活性检验指标，这也是生物药物生产的关键。,三、生物药物的类型简介 根据现代的生物制药技术，药物的有效成分及其化学本质是比较容易弄清楚的。以下对几种类型的药物在化学本质或来源上作以简单的介绍。 调节因子 调节因子大多为相对分子质量较小的蛋白质、小肽及其衍生物。例如，物质、内啡肽、脑啡肽、阿片肽、胸腺肽、干扰素、白细胞介素、肿瘤坏死因子、集落细胞刺激素、红细胞生成素（）等。,蛋白聚糖类 蛋白聚糖类大多为粘多糖类，多糖类药物的特点是具有多糖结构，由糖苷键将单糖连接而成。但由于单糖结构糖苷键的位置不同，因而多糖种类繁多，药理功能各异。这类药物存在于各种生物中。 。,酶 酶类药物多属治疗用药。尿激酶治疗血栓，蛋白酶帮助消化，溶菌酶杀灭细菌，这些都是熟知的例子，目前，临床应用的酶有余种。以酶为药治病已有很长的历史，中药采用的大麦芽、鸡内金、动物肝等有效治病的主要成分是酶。由于自然界酶的分布数量很有限，分离纯化成本很高，保存困难和使用期短，至今临床使用的医药用酶不多。,哺乳动物激素 本质为蛋白质和多肽的激素很多，如胰岛素能隆低血糖，生长激素促进生长。激素虽为生物制药，但使用不当导致疾病也司空见惯，如性激素、生长素、肾上腺皮质激素在使用过程中出现的性早熟、第二性征兆头。动物和人体的激素不但有专一的内分泌腺，而且有专一的靶细胞，通过血液进行扩散。人体常见的激素见表 。,抗体 通过对抗体的基因、抗体的化学结构的研究证实，所有的抗体可以划分为、五类，每一类的肽链数均为，条链又分为轻、重两条链。各自独立的抗体基因彼此之间可以进行随机组合，所以可以指导合成多变的抗体，自然界空间能有多少抗体可能永远是个未知数。由于生物体内的抗体含量少，而且各种抗体混合在一起，分离单一的用于临床的抗体很难。,类毒素 有些病菌进入人体后以释放毒素方式使有机体患病。如果将这些毒素进行处理，如用.甲醛，可以使其毒性丧失，但仍保留抗原性，这样的毒素叫作类毒素。破伤风毒素、白喉毒素因此而来。类毒素可以在短时间内治疗疾病，如被犬、毒蛇咬伤后要立即注射类毒素进行治疗。 疫苗 动植物来源的生物药品 核苷、核苷酸 维生素、抗生素,四、生物技术制药特点 生物技术制药具有自身的特点。 专一性 药物防治疾病必须有专一性。专一性越强，副作用越少。所谓的广谱抗菌药实际上杀灭细菌时是好坏不分一起杀灭。化疗（化学疗法）使用的药物更是不仅对病毒、而且对人也有伤害。例如，病毒灵是以和核酸合成所需的碱基或核苷酸结构相似的物质来冒充正常所需的碱基或苷酸起到抑制病毒或癌基因复制，所以化疗的后果将人的眉毛、头发、胡须的生长都抑制了。 无残留性 进入植物体内的抗生素可以通过食用这些植物横向传给动物或人，也可以纵向传给下一二代。使用的教训足以说明。生物制药化学成分是蛋白质、核酸、多糖等生物大分子，来自生物体又用于生物体，生物体本身有降解这些物质的酶。例如，胰岛素，糖尿病人每天注射次，坚持几十年也无副作用发现。,有预防性 疫苗、抗体可以提前使用起到预防疾病的作用，从防治疾病比较，人们早已懂得预防的重要性远远大于治疗。锻炼身体就是要增强人对疾病免疫、抵抗的能力，使人的免疫能力有时间性、个体差异性、先天获得性的局限，如果使每个人对某种疾病的免疫能力同时获得或提高，无疑会对整个人群有益，至今只有疫苗和抗体才具有这样的优势。以复杂多变的流感病毒为例，全世界的人每年花费在治疗流感疾病上的药费超过其他任何疾病，只有有一天研制出杀灭流感病毒的药物，才能谈得上真正的治疗。少依赖性 人们已经知道有些药使用过后会成瘾，迫使人不断吸食，如同毒品一般。早期的毒品来自植物体内，现在模仿化学合成的毒品增多。如何避免成瘾已经是制药工业备加关注的问题，及时删除容易成瘾的药物需要进行大量的基础研究。生物膜受体结构的研究结果和生物制药的生物学半衰期，可以有效地降低出现成瘾药物的几率。,第二节 基因工程制药 基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程代表了近年来全球现代生物技术的应用与发展，基因工程是现代生物技术的核心，基因工程技术最成功的成就是用于生物治疗的新型药物的研制。可见生物技术成果集中应用于医药工业，用以开发特色新药或对传统医药进行改良，由此引起了医药工业的重大变革。,一、基因工程制药的特点 基因工程药物是指利用基因工程技术研制和生产的药物，主要包括重组蛋白多肽药物、核酸药物、药物和基因工程抗体等。利用基因工程技术生产药品的优点在于： 利用基因工程技术可大量生产过去难以获得的生理活性蛋白和多肽（如胰岛素、干扰素、细胞因子等），为临床试用提供有效的保障； 可以提供足够量的生理活性物质，以便对其生理、生化和结构进行深入地研究，从而扩大这些物质的应用范围； 利用基因工程技术可以发现、挖掘更多的内源性生理活性物质； 内源生理活性物质在作为药物使用时存在的不足之处，可以通过基因工程和蛋白质工程进行去除和改造； 利用基因工程技术可获得新型化合物，扩大药物筛选来源。,二、基因工程药物生产的基本过程 获得的目的的基因 组建重组质粒 构建基因工程菌（细胞） 培养工程菌 ,产物分离纯化 除菌过滤 半成品检定 成品检定 包装,三、目的基因的获得 1. 逆转录法 2. 化学合成法 3. 基因组获得,四、基因表达 基因表达是指结构基因在生物体中的转录、翻译以及所有加工过程。 宿主细胞分为两大类： 第一类为原核细胞，常用的有大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、链霉菌等； 第二类为真核细胞，常用的有酵母、丝状真菌、哺乳动物细胞等,在进行基因表达设计时，必须综合考虑各种影响因素，建立最佳的基因表达体系。宿主细胞应满足以下要求： 容易获得较高浓度的细胞； 能够利用易得的廉价原料； 不致病，不产生内毒素，发热量低，需氧量低，适当的发酵温度和细胞形态； 容易进行代谢调控； 容易进行重组技术操作； 产物的产量、产率高，产物容易提取纯化。,五、基因工程菌的稳定性 基因工程菌（简称工程菌）在传代过程中经常出现质粒不稳定的现象，质粒不稳定分为分裂不稳定和结构不稳定。 质粒的分裂不稳定是指工程菌分裂时出现一定比例的不含质粒子代菌的现象。 质粒的结构不稳定是指外源基因从质粒上丢失或碱基重排、缺失所导致工程菌性能的改变。 工程菌的质粒不稳定常见的是分裂不稳定，它主要与两个因素有关：一是含质粒菌产生不含质粒子代菌的频率；二是这两种菌的比生长速率差异的大小。,为了提高工程菌培养中质粒的稳定性，工程菌的培养一般采用二段培养法， 第一阶段先使菌体生长至一定密度。 第二阶段诱导外源基因的表达。 由于第一阶段外源基因未表达，从而减少了重组菌与质粒丢失菌的比生长速率的差别，增加了质粒的稳定性。在培养基中加入选择性物质如抗生素等，来抑制质粒丢失菌的生长，也是工程菌培养中提高质粒稳定性的常用方法。,六、基因工程药物的质量控制 基因工程药物与传统的一般药品的生产有着许多不同之处，从原料到产品以及制备全过程的每一步都必须严格控制条件和鉴定质量，确保产品符合质量标准、安全有效。 基因工程药物的质量控制主要包括： 原材料质量控制； 培养过程的质量控制； 纯化工艺过程的质量控制； 产品的质量控制； 产品的保存。,七、基因工程药物制造实例 （一）基因工程菌的组建 干扰素（）是人体细胞分泌的一种活性蛋白质，具有广泛的抗病毒、抗肿瘤和免疫调节活性，是人体防御系统的组成部分。根据其分子结构和抗原性的差异分为、等个类型。早期的干扰素是用病毒诱导人体白血球或白细胞产生的，其产量低、价格昂贵、不能满足需要。现在可以利用基因工程技术并在大肠杆菌中发酵、表达来进行生产。,在干扰素重组成功以前，人们对于干扰素的结构一无所知，因而不可能人工合成基因。在人染色体上的干扰素基因拷贝数极少（大约只有1