生物技术制药第一章绪论幻灯片

生物技术制药 Biotechnological Pharmaceutics 课程考核 考核方式：考试 ？ 重点 课 件： E-mail: 密 码：swjszy 课程安排 课 时：44h 上课时间：周六下午，补课 另行通知 上课地点：4幢702 本课程参考教材 陈代杰 主编，微生物药物学，上海：医学 工业出版社，2000年 张致平，微生物药物学，北京：化学工业 出版社，2003年 夏焕章 主编，生物技术制药，北京：高等 教育出版社，2006年 课程简介 绪论 基因工程制药 动物细胞工程制药 抗体制药 植物细胞工程制药 酶工程制药 发酵工程技术概论 生物技术制药 基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程 生化工程 生物技术 第一章：绪论 第二章：基因工程制药 第三章：动物细胞工程制药 第四章：抗体制药 第五章：植物细胞工程制药 第六章：酶工程制药 第七章：发酵工程技术概论 第一章：绪论 第二章：基因工程制药 第三章：动物细胞工程制药 第四章：抗体制药 第五章：植物细胞工程制药 第六章：酶工程制药 第七章：发酵工程技术概论 第一章 绪论 1. 生物技术及其发展史 2. 生物技术药物 3. 生物技术制药 生命科学与技术是我国赶超世界发生命科学与技术是我国赶超世界发 达国家生产力水平，实现国力后发达国家生产力水平，实现国力后发 优势和经济跨越式发展最有前景和优势和经济跨越式发展最有前景和 希望的领域希望的领域 生物技术 现代生命科学的革命 l定义：生物技术是应用自然科学及工程学的原 理，依靠微生物、动物、植物体作为反 应器将物料进行加工以提供产品为社会 服务的综合性的技术体系。 l直接相关联的学科：分子生物学、微生物学、 生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学 、医药学、免疫学等。 1.1 生物技术及其发展史 生物技术的主要内容： 基因工程 细胞工程 发酵工程 酶工程 l 此外还有 基因诊断与基因治疗技术、 克隆动物技术、生物芯片技术、 生物材料技术、生物能源技术、 利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术 l 对人类社会影响最大的生物技术领域： 农业生物技术、医药生物技术、 环境生物技术、海洋生物技术 基因工程是指在微观领域 （分子水平）中，根据 分子生物学和遗传学原 理，设计并实施一项把 一个生物体中有用的目 的DNA(遗传信息)转入另 一个生物体中，使后者 获得新的需要的遗传性 状或表达所需要的产物 ，最终实现该技术的商 业价值。 基因工程 基因工程与建筑工程基因工程与建筑工程 “后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信 息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结 构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等 结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成， 最终获得商业化的产品。 它是在基因工程的基础上综合蛋白质化学、蛋白质晶体 学、计算机学辅助设计等知识和技术发展起来的研究新 领域，被称为第二代基因工程。 蛋白质工程 l l 蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括： （1）从生物体中分离纯化目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解 蛋白质的二维重组和三维晶体结构； （4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折 叠与去折叠等对其活性与功能的影响； （5）设计编码该蛋白质的基因改造方案，如点突变； （6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。 蛋白质工程实例蛋白质工程实例 u 细胞工程是指通过细胞水平上的筛选或改造， 获得有商业价值的细胞株或细胞系，再通过规 模培养，获得特殊商品的技术与过程。 u 细胞工程包括动物细胞工程和植物细胞工程， 它们分别以动物细胞和植物细胞为主要生产对 象，以细胞培养为主要过程和内容。 细胞工程 动物细胞培养 单细胞藻类培养 一些单细胞低等植物 如单细胞藻类的大规 模培养成为细胞工程 的重要组成部分 获得蛋白质资源、营 养食品、精细化工产 品等等 高等植物细胞培养 高等植物细胞具有全能性。从高等植物的 幼胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官 的组织中分离的单个细胞，经过特殊培养 形成愈伤组织，并可进一步诱导生成完整 的植株。 细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术 细胞融合是将不同种类的两种细胞经过特殊处理 后放在一起，在某些促融因子作用下发生融合， 形成杂种细胞。 细胞重组是把不同种类的细胞 的部件重新组合装配，包括核 的移植、叶绿体移植、核糖体 重建及线粒体装配等。 杂交瘤技术是通过细胞融合产 生特异杂交瘤细胞。 现代发酵工程现代发酵工程主要指利用微主要指利用微 生物、包括利用生物、包括利用DNADNA重组技术重组技术 改造的微生物在全自动发酵罐改造的微生物在全自动发酵罐 或生物反应器中生产某种商品或生物反应器中生产某种商品 的技术。的技术。 现代发酵工程是生物代谢、微现代发酵工程是生物代谢、微 生物生长动力学、大型发酵罐生物生长动力学、大型发酵罐 或生物反应器研制、化工原理或生物反应器研制、化工原理 等密切结合和应用的结果。等密切结合和应用的结果。 发酵工程 一般发酵工程包括以下基本步骤：一般发酵工程包括以下基本步骤： （1）菌种选育； （2）细胞大规模培养即发酵过程； （3）菌体及产物的收获 发酵工程 发酵工程的产品范围非常广泛发酵工程的产品范围非常广泛: : 从食品、药品、精细化工产品到许多工业用原 料 酶工程 酶工程酶工程：酶学和工程学相互渗透结合发展而形成一酶学和工程学相互渗透结合发展而形成一 门新的技术学科。它是从应用的目的出发门新的技术学科。它是从应用的目的出发 研究酶、应用酶的特异性催化功能，并通研究酶、应用酶的特异性催化功能，并通 过工程化将相应原料转化成有用物质的技过工程化将相应原料转化成有用物质的技 术。术。 研究内容：酶工程制药是生物制药的主要技术之一，研究内容：酶工程制药是生物制药的主要技术之一， 主要包括药用酶的生产和酶法制药两方面主要包括药用酶的生产和酶法制药两方面 的内容。的内容。 现代酶工程的主要内容：现代酶工程的主要内容： a a、酶的分离纯化、大批量生产及新酶和酶的、酶的分离纯化、大批量生产及新酶和酶的 应用开发；应用开发； b b、酶和细胞的固定化及酶反应器的研究，包、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；括酶传感器、反应检测； c c、酶生产中基因工程技术的应用及遗传修饰、酶生产中基因工程技术的应用及遗传修饰 酶的研究；酶的研究； d d、酶的分子改造和化学修饰，结构与功能的研、酶的分子改造和化学修饰，结构与功能的研 究；究； e e、有机相中酶反应的研究；、有机相中酶反应的研究； f f、酶的抑制剂、激活剂的开发与应用研究；、酶的抑制剂、激活剂的开发与应用研究； g g、抗体酶、核酸酶的研究；、抗体酶、核酸酶的研究； h h、模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成、模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成 研究。研究。 生物技术的发展简史 传统生物技术（远古-20世纪30年代） 近代生物技术（1943-1978）：以青霉素产 业化为标志，至DNA体外重组技术诞生。 现代生物技术：DNA互补双螺旋结构模型， 发现mRNA，遗传密码的破译，限制性内切 酶，DNA测序，DNA重组技术，PCR方法， 人类基因组草图 现代生物技术的发展趋势： 基因操作技术的发展 新方法、新技术的商业化 基因工程药物和疫苗的研究开发突飞猛进 新的生物医疗制剂的产业化 转基因动植物 生物技术在农牧业上的应用 生物体基因组及其蛋白的结构与功能研究 基因治疗 蛋白质工程 生物信息学 1.2 生物技术药物 生物药物和生物技术药物 具有药用作用的生物体及其代谢产物称为生 物药物。 采用DNA体外重组和其他生物新技术研制的 蛋白质或者核酸类药物称为生物技术药物。 生物药物分类 按照来源分为4大类： a.基因重组多肽、蛋白质类治疗剂 b.基因药物 c.天然生物药物 d.合成与部分合成的药物 按照功能分为3大类： a.治疗药物 b.预防药物 c.诊断药物 生物技术药物的特征 分子结构复杂 具有种属特异性 治疗针对性强、疗效高 稳定性差 基因稳定性 免疫原性 体内的半衰期短 受体效应 多效性和网络性效应 检验的特殊性 1.3 生物技术制药 生物技术制药的特性 生物技术在制药中应用 我国生物技术制药的现状和前景 1.3.1 生物技术制药的特征 高技术 (精细和密集的复杂技术) 高投入 (尤其是前期科研投入高) 长周期 (参考我国药物研发和注册程序) 高风险 高收益 1.3.2 生物技术在制药中的应用 基因工程制药：疫苗、抗体等 细胞工程制药：动物细胞工程和植物细胞工程 发酵工程制药：微生物药物 酶工程制药：酶的催化和微生物转化 举例：分子诊断和基因治疗 n 分子诊断 l 利用PCR技术或 PCR与分子杂交 标记相结合，可 以快速准确地检 测出病原性物质 。 l l 遗传性疾病的诊断遗传性疾病的诊断 羊水和胎盘绒毛膜检测 镰状红细胞贫血症的检测镰状红细胞贫血症的检测 一种常染色体退化遗传病 引起原因：基因的点突变， 丢失了可被MstII或Cvnl切开 的一个限制性内切酶位点。 正常：三条带正常：三条带 患病：一条带患病：一条带 子女子女1 1：正常：正常 子女子女2 2：患病：患病 子女子女3 3：携带者：携带者 错义突变的例子 镰状细胞贫血症 编码血红蛋白b肽链上一个决 定谷氨酸的密码子GAA变成 了GUA，使得b肽链上的谷 氨酸变成了缬氨酸，引起了 血红蛋白的结构和功能发生 了根本的改变 l l 例：特异性互补寡核苷酸法检测镰状红细胞贫血症例：特异性互补寡核苷酸法检测镰状红细胞贫血症 （1）提取DNA，热处理成为单链DNA； （2）以单链DNA为模板，仅对可能发生突变的核苷酸区域设计引物进行PCR扩增后 转移到滤膜上，热变性成单链； （3）分别用两种特异性互补寡核苷酸分子探针（ASO）杂交。 n 基因治疗 基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病 。 正常的人类基因可以克隆并引入遗传病患者的体细 胞，以替代、修复或纠正有缺陷的基因。 通常使用一种反转录病毒作为基因治疗的转移系统 ，重组载体可以感染人的组织和细胞，但不自我复 制。 l l 例：重症综合性免疫缺乏症（例：重症综合性免疫缺乏症（SCIDSCID） SCID：腺苷脱氨酶ADA缺陷 ，致细胞及体液免疫缺陷，患 者表现为易感染。 1990年，转基因T淋巴细胞注 射到人体骨髓组织中治疗SCID 克隆羊技术 1997年2月23日，苏格兰Roslin研究所Wilmut和 Campbell在Nature杂志： 世界首例来源于哺乳动物体细胞的克隆羊“多 莉”问世 核移植，就是利用一个动物的体细胞的细胞核 （供体核）来取代受精或未受精卵中的细胞核 ，形成一个重建的“合子”。 克隆原意是无性繁殖系。克隆动物就是不经过 生殖细胞的受精过程而直接由体细胞获得新的 动物个体，这个新个体是原核供体动物的拷贝 。 2