南农生物技术制药第一章绪论

生物技术制药,科技創造經濟,生技時代,資訊時代,全球化與經濟附加價值,時間與主要技術年代,1769,1947,2000,BC6000,資料來源：The Coming Biotech Age, Richard W. Oliver,生物制药已经成为朝阳产业中的“朝阳”，突出表现在：1.国际上生物技术领域已取得的研究成果中60%以上是医药领域的；2.各国对生物技术的投资80%以上集中在医学生物技术领域；3.生物技术研究开发的60-80%的力量主要集中在医学领域；,4.总销售额超过10亿美元的生物技术产品主要为医药生物制品；5.美国1300多家生物技术公司的60%以上，欧洲800多家生物技术公司中近80%集中在医药领域；6.生物制药市场资本总额达3500亿美元，主要生物技术药品有红细胞生成素、胰岛素、干扰素等，年销售额均在10亿美元左右。,7.美国FDA正式批准上市的已有117种生物技术药物用于治疗各种疑难病和常见病，仅2001年上半年就批准了27种；8.处于临床研究阶段的有1000多种；9.近20年来，生物技术制药占国际药物和生物制品的份额逐年递增，到2002年已达到13%。,46,34,24,13,11,6,5,通訊,職場生活,旅遊,2001-2010 各大產業之預估成長率,Source: Wall Street Journal, May 2002,Source: , Investors fuel biotechs future, 01-18-2005,全球資金持續投入生技醫藥產業,2005年美國股票首次公開發行上市公司(IPO)募款金額與家數比較,To Feb 16, 2005,Nasdaq生技股指數起起伏伏2000年後整體表現優於Nasdaq & Dow 平均指數,12,全球生技藥品市場及成長率,13,生技藥品市場分配份額,14,不同研發階段之生技藥品,第一节 生物制药的概念和内容,生物制药是指利用生物体或生物过程生产药物的技术。生物制药技术是一门讲述生物药物，尤其是生物工程相关药物的研制原理、生产工艺及分离纯化技术的应用学科。,应用：治疗和预防疾病；作为研究工具,Louis Pasteur法国人，开创了药物微生物技术的新时代,Alexander Fleming苏格兰人，发现青霉素及其治疗传染性疾病的功效，1945年获得诺贝尔生理医学奖,Selman Abraham waksman美国人，对土壤微生物产生抗生素物质进行了系统和开创性工作，发现了抑制肺结核的链霉菌素，1952年获得诺贝尔生理医学奖,基因工程技术、原生质体融合技术、突变生物合成技术、微生物转化,一 生物技术药物的分类,一 应用重组DNA技术制造的基因重组制剂二 基因核酸药物三 天然生物药物四 合成与部分合成的生物药物（具体例子后面会讲到）,（1）天然药物：未经加工或仅简单加工的药物：植物药、动物药、矿物药（2）合成药物：以化学合成方法制得的药物（3）生物技术药物：通过细胞工程、基因工程、酶工程和发酵工程等新技术生产的药物：酶制剂、生长激素、疫苗等。,二 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 针对性强，疗效高4 稳定性差5 基因稳定性6 免疫原性7 体内的半衰期短8 受体效应9 多效性和网络性效应10 检验的特异性,一 生物技术制药的特征,生物技术医药产业是产业化、商品化的高新技术产业之一。高技术，高投入，高风险，高收益，长周期-四高一长 的特点,基因工程药物的高回报,碱性成纤维细胞生长因子 231元/ug红细胞生 1072元/ug白细胞介素-2 410元/ug巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元/ug胰岛素 10.2元/mg,Rockfeller 大学将人肥胖基因出售0.2亿美元（1995年3月）Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让达3.29亿美元（1997年）Millennium公司以4.65亿美元向Bayer公司转让225种基因的开发权（1998年9月）,二 生物技术在制药中的应用,基因工程技术，转基因技术细胞工程技术，干细胞培养及定向分化酶工程技术，细胞及酶的固定化技术发酵工程技术，生物反应器, 胚胎克隆技术生物大分子修饰, 生物物理、生物信息及其他相关领域技术,三 生物技术制药现状和前景,20世纪80年代以来仅美、日开发的生物新药200多种。如：干扰素、白细胞介素、粒细胞集落刺激因子、红细胞生成素、纤溶酶原激活剂、胰岛素、生长激素、乙肝疫苗等。,新试剂新技术不断出现,细胞移植用于:骨髓移植治疗白血病、免疫缺陷、再障性贫血等。基因治疗有:致死性遗传疾病、癌症、爱滋病、心脏病等。生物试剂开发单克隆抗体用于诊断和治疗，荧光抗体法、DNA探针、PCR等检测技术的建立。,2000年是基因组之年，美国就近100家生物科技公司上市上市生物科技公司的总收入比1999年增加了19%，达249亿美元，同时研发经费也增至95亿美元生物科技公司的市值增加38%，即从99年的3110亿增至2000年的4290亿美元传统医药公司都投入巨资以多种不同形式（内部研发、投资、收购、转让技术或合同研究等）进入生物医药产业,表1世界生物技术专利分布,目前 FDA 已经批准了 117 个生物技术药物和疫苗，其中 75% 为最近 6 年批准 有 350 生物技术药物和疫苗针对超过 200 种疾病正在进行 临床试验 有几百种诊断试剂应用于疾病诊断、血液检定等 美国目前有 1273 家生物技术公司，其中 300 家是上市公司 1999 年至 2000 年生物技术市场资产总值增长156%，从1379亿美元增加至 3535 亿美元 1993 年至 2000 年生物技术工业收入成倍增长，从 80 亿美 元增加至 223 亿美元,美国生物制药现状,美国生物制药产品种类及数量（PHRAM）,疾病种类 产品数量 疾病种类 产品数量感染性疾病 39 心脏病 26神经系统疾病 28 呼吸系统疾病 22艾滋病及相关疾病 19 自主免疫系统疾病 19皮肤病 19 移植 13消化系统疾病 11 遗传疾病 11血液疾病 9 糖尿病及并发症 7不育症 5 眼病 3生长发育不良症 3 骨质疏松 2妊娠预防 2 肿瘤疾病 175,当前正在研制的1000多种新药分布,美国已进入临床研究阶段的革新性生物技术药物,种类 作用Anti VEGF(抗内皮细胞生长因子) 治疗结肠直肠癌和非小细胞肺癌(期临床)Dendritic cell vaccine (树突细胞疫苗) 治疗前列腺癌(期临床)Dendritic cell vaccine (树突细胞疫苗) 治疗乳腺癌(期临床)ONYX 015(肿瘤抑制治疗基因) 治疗头颈癌(II期临床)Anti Ig E humanized monoclonal antibody 治疗哮喘(期临床结束)(人源化抗 IgE单克隆抗体)PRO542 (PRO542抗体) 预防HIVPegasya (PEG修饰IFN) 治疗丙型肝炎(期临床)Recombinat human parathyroid hormone 治疗骨质疏松症(期临床)(重组人甲状旁腺激素)Somatokine (免疫系统激发剂) 治疗严重烧伤(期临床结束)ConXn (松弛素蛋白) 治疗硬皮病(/期临床)ABX-ILB (ABX-ILB抗体) 治疗牛皮癣(期临床),16种生物技术药物销售情况,FDA 批准的生物制品,* 时间单位为月,3、我国的医药生物技术,已上市的基因工程药物和疫苗 1992年 乙型肝炎疫苗 1995年 白细胞介素-2 1996年 1b-干扰素2a-干扰素 2b-干扰素 1997年 粒细胞集落因子 红细胞生成素,我国已批准生产的生物技术药物和疫苗 名称 作 用rhu IFN1b (外用) 病毒性角膜炎rhu IFN1b 乙肝、丙肝rhu IFN2a 乙肝、丙肝、疱疹等rhu IFN2a (酵母) 乙肝、丙肝rhu IFN2b 乙肝、丙肝白血病等rhu IFN2a (栓剂) 妇科病rhu IFN2b (凝胶剂) 疱疹等rhu IFN 类风湿rhu EGF(外用) 烧伤、创伤EGF 衍生物 烧伤、创伤rhu IL2 癌症辅助治疗rhu IL2 125Ser 癌症辅助治疗上海华晨rhu GCSF 刺激产生白细胞rhu GMCSF 刺激产生白细胞、骨髓移植rhu EPO 产生红细胞rhu GH 矮小病bFGF(外用) 创伤、烧伤RSK 溶血栓(心梗) 抗IL28 单 抗乳膏剂 银屑病人胰岛素 糖尿病乙肝疫苗 预防乙肝痢疾疫苗 预防痢疾,5、医药生物技术发展展望,21世纪是医药生物技术快速发展的时期, 生物制药、化学药物、中药形成三足鼎立,有效的为人类健康服务。 1.利用新发现的人类基因开发新型药物2.新型疫苗的研制：滋病疫苗和基因型癌疫苗等。 3.基因工程活性肽的生产及基因药物:淋巴因子、生长因子、激素和酶 4.其它医药业将得到不断改造和发展,早期诊断技术，转基因药材,重组蛋白质药物的鉴定方法,电泳方法：SDSPAGE、等电聚焦、免疫电泳免疫学分析方法：放射性免疫方法、放射性免疫扩散法、酶联免疫吸附法、免疫印迹受体结合方法HPLC肽图分析Edman N-末端序列分析法圆二色谱法核磁共振法,医药业的现实问题和研究进展,挑战与应对,20强的股东回报,(98年前5年）,0,10,20,30,40,50,60,辉瑞Pfizer,利来Eli Lilly,先灵宝雅Schering-Plough,墨克Merck & Co.,施贵宝BMS,强生J&J,AHP,史克SB,诺华Novartis,Abbott,Zeneca,GW,HMR,Takeda,罗氏Roche,拜尔Bayer,Rhone Poulenc,Astra,Pharmacia Upjohn*,行业平均 22%,20强平均 29%,股东回报率%TSR,医药行业曾经是一个很舒适的地方,至今为止医药行业的新药研发模式还算成功,研发500 个验证的目标一个待筛选库有1-2百万个化合物 专利对研发的鼓励作用主要病症的治疗覆盖分阶段新药发展，财务与人力风险控制大量临床试验,营销创新药价格高多国家或全球推出大量推销与对病人的直接宣传(DTC) 周期管理以取得最大回报购买专利来保证治疗药经营特权的延续,这一成功服务医药业务人员50年的运作模式正在失去效益。,医药行业的发展回顾,90年代是医药行业的黄金年代，1993年到2000年中期:FT医药指数:+350%2001-2002年FT指数跌-50%投资团体对医药行业产生怀疑能量失衡 研发生产力的降低 专利到期 治疗药竞争加剧,研发效率在下降,在过去10年，研发成本飙升，但每年上市新药数目下降,在今后几年只有14种潜在重磅炸弹药,Crestor,Exanta,substance p,pitavastatin(US, EU),pregabalin,cethromycin,预期每年销售达$10亿美元的畅销药,2003 2004 2005 2006,Adalimubab(D2E7),Source: Datamonitor, The Next Generation of Blockbusters, 2002,oral insulin,Iressa,PKC-beta inhibitor,Zetia,Arcoxia,COX-198,avasimibe,跨国药企对重磅炸弹药品种更为依重,少数药品的价值贡献越来越举足轻重，几乎超过了80%。市场上只有不到4%的药品的年均销售额在5亿美元以上。可以说，一个畅销新药的成功几乎能完全提升一个企业。,治疗药竞争加剧,Source: Scrip Magazine (Sept 97), PwC,10 years,2 months!,6 years,到2005年，前一百位的处方药中有53%将专利到期，它们在1998年的销售收入达到530亿美元几乎都是畅销药。专利到期对公司价值的影响是巨大的，曾有药企的某专利到期药品在两个月内失去了80%的市场份额。,2000年以来，将有大量专利药品面临到期,重磅炸弹药缓慢推出与专利到期对研发的巨大压力,两者都将焦点对准了研发，但研发产出效益始终低迷，无法弥补专利到期的损失。,20强的年均研发新药不到一个，却要为一个新药的研发花费7亿美元，而单品销售收入为近2亿美元如果持续这一水平，意味着投资回报很快会降到零点。,跨国药企股东回报滑波,尤其是2000年之后，剧烈下滑几乎波及所有跨国药企，特别是制药巨头们,新产品上市 缩短时间 购买专利药品 协同开发/联盟 全球同时推出,提高收入 现有产品 市场更深的渗透 / DTC 产品周期管理 / OTC 产品线延伸 协同推销 加价,降低成本 提高运营有效性 资产使用,许多医药公司使出浑身解数来化解危机,合并也不是长久之计-通过对行业的193个合并了解到，89%公司在第三季度面临销售滑坡,Source: * Matthias M. Bekier, Anna J. Bogardus, and Tim Oldham, Why Mergers Fail, Conducted Southern Methodist University,传统药物发现模式受到威胁,差异 传统的化合物库的限制(1-2 百万)规模即使是产业化的筛选流程也是耗费时间的 用现在的筛选系统（ uHTS ）对500,000 靶点进行筛选需要10,000 年。 质量“不能成为药物” 的靶点长时间的优化周期 有些化合物有副作用有些化合物进入I 期临床试验没有再进行下去 效率低下,传统,挑战,花费时间确认 和获得先导化合物,选择确定作为开发对象的目标化合物,工业化探讨（大量制备）,临床试验用样品,上市销售（GSP),现代创新药物研究开发的大致过程,合成,情报,提取、结 构测定,活性筛选,药理 生化,特殊毒性 毒 性,药效药理,一般药理,药物动态,吸收排泄,代谢,作用机理,急性毒性,亚急性毒性,慢性毒性,致畸,致癌,致瘾,生殖毒性,理化学性质、 制定质量标准,稳定性,配伍变化,试验方法,试验规格,工业制备方法探讨 合成提取精制 发酵,制剂化探讨,III期：毒性、药效（多数病人， 多点观察） II期：毒性、药效（少数病人） I期：毒性（健康人群）申请临床试验(GCP）,申请生产许可(GMP),创新药物源头研究阶段,(GLP),杂志公开发表 接受公众检验,申请专利,在众多生物活性中力求找出最本质的作用,天然药物或中药在临床治疗上可能作用于多个靶点，因而具有多种疗效，即表现出多方面的活性。研究者应当力求找出其中最本质的作用，选择建立反映临床治疗作用特点、且效果与之平行的活性测试体系，才有可能追踪分离出目的活性成分或甚至有效成分。,以疾病为导向的发现药物方法将加快发现靶点的速度,差异 生物分子库是巨大的 潜在的靶点超过100亿不同的分子 *规模针对靶点识别（ID）疾病导向的方法 生物学筛选是动态的 通过分子活性寻找靶点 质量设计相应的分子识别正确的靶点 生物制剂一般有较少的毒性 临床为导向识别靶点有可能加快发现新药 因此，临床治疗失败将会大大减少,500,000 潜在靶点,疾病模型筛选靶点,未来,基于生物学的筛选,快速的临床前检测,100 亿分子,在临床上可以快速识别靶点和治疗效果,优势,以疾病为导向的生物学方法使靶点识别更加快速 针对未来的方法,严密地以确认的疾病模型和基因组为导向的方法是发现新的和疾病相关靶点 使用生物分子来确认可以戏剧性地减少发现靶点的周期 生物学分子被日益用来在临床PoC上使用。生物学分子用于靶点识别的临床周期 PoC 2000例,新药研发是一项系统工程，涉及多个学科,分子生物学 分子药理学 生物信息学 药物化学 计算机科学,药物分析化学 药理学 毒理学 药剂学 制药工艺学,新药研发特点,投资高 周期长 风险高 利润高 竞争激烈,Molecular drug design,药物分子设计由多学科相互穿插，交替进行,药物设计学,分子生物学结构生物学,基因组生物信息学,数学统计学,药物化学有机药物化学,计算机科学计算化学,分子药理学一般药理学,先导化合物 Lead compound,又称原型物（Prototype），简称先导物（Lead），是通过各种途径或方法得到的具有某种生物活性的化学结构。,天然生物活性物质作为先导物,天然生物活性物质来源广泛 植物 动物 微生物 海洋生物 矿物,天然生物活性物质作为先导物,青蒿素,青蒿素Artemisinin,黄花蒿Artemisia annula,蒿甲醚Artemether,生物利用度较低复发率高,天然生物活性物质作为先导物,喜树碱,羟基喜树碱Hydroxycamptothecin,喜树Camptotheca acuminata,拓扑替康Topotecan,水溶性较差，毒性大,天然生物活性物质作为先导物,紫杉醇,紫杉醇Taxol,红豆杉Taxus,紫杉特尔Taxotere,天然生物活性物质作为先导物,局麻药,可卡因Cocaine,南美洲古柯Erythroxylum coca Lam,普鲁卡因Procaine,天然生物活性物质作为先导物,抗生素类,天然抗生素,微生物培养液,半合成抗生素,天然生物活性物质作为先导物,他汀类降脂药,美伐他汀Mevastatin洛伐他汀 Lovastatin辛伐他汀Simvastatin普伐他汀Pravastatin,桔青霉菌等Penicillium citrinum,氟伐他汀Fluvastatin,天然生物活性物质作为先导物,动物毒素蛇毒Bungarotoxin，N2受体拮抗剂肌松药蛇毒Batroxobin，溶血栓酶抗栓药鱼毒Tetrodotoxin，钠通道阻断剂心血管药物蜂毒Apamin，钙通道阻断剂和钾通道开放剂心血管药物,以生物化学为基础发现先导物-1,以生物大分子或复合物为靶点酶：酶抑制剂受体：激动剂、拮抗剂离子通道：阻断剂、开放剂核酸：反义药物从内源性活性物质；酶反应过程（底物、过渡态、产物）；与受体作用过程（配体、激动剂、拮抗剂）；生化级联反应过程等出发基于生物大分子结构或作用机理 Structure-based or mechanism-based drug design,从内源性活性物质发现先导物5羟色胺受体激动剂,脑内5-HT水平降低会引起偏头痛,变换结构以提高对5-HT1受体选择性激动活性,5-HT1激动剂舒马普坦（Sumatriptan）用于治疗偏头痛,COX抑制剂,吲哚美辛类非甾体抗炎药,COX抑制剂,吲哚美辛类非甾体抗炎药,从酶作用发现先导物ACE抑制剂,ACE的功能将Angiotensin I 从羧基端水解掉二肽，活化成Angiotensin II将Bradykinin 从羧基端水解掉二肽失活 天然ACE底物及一些肽类天然 ACE抑制剂每克分子ACE含有一克原子Zn+,Hypothetical active site of carboxypeptidase A,Hypothetical binding of inhibitors to ACE,ACE抑制剂,ACE的功能,羧肽酶A的作用模式,肽类抑制剂的结合模式,羧烷基脯氨酸,卡托普利,依那普利等,由受体结构特点设计活性化合物,作用于同一受体的药物活性构象分析,伸展型构象,平面伸展型构象,以受体的天然配体为起点IIb/IIIa糖蛋白受体拮抗剂,血栓形成的关键步骤是纤维蛋白原与血小板IIb/IIIa受体结合。被IIb/IIIa受体识别和相互作用的主要区段是纤维蛋白原的三肽片断Arg-Gly-Asp（RGD）。蛇毒或水蛭素中含有RGD的线形或环状肽，是阻断IIb/IIIa受体活化从而抑制血小板聚集的药效团。含有或模拟RGD结构的肽或拟肽可作为纤维蛋白原的拮抗剂，是创制抗血栓药物的一个新途径。,IIb/IIIa糖蛋白受体拮抗剂,RGD,Sibrofiban,Lamifiban,H2受体拮抗剂类抗溃疡药,选定靶点组胺H2受体 确立研发目标抑制胃酸分泌药物 建立动物筛选模型麻醉兔灌胃从H2受体天然激动剂组胺入手，以其为先导结构，保留咪唑环，改变侧链，开始优化,H2受体拮抗剂类抗溃疡药,H2受体拮抗剂类抗溃疡药,H2受体拮抗剂类抗溃疡药,基于生物大分子结构和作用机理设计先导物,合理药物设计 Rational drug design合理药物设计即以药物作用靶点的三维结构和生物化学功能为基础进行药物设计的方法Structure-based drug designMechanism-based drug design,Structure-based drug design,了解生物大分子（受体）的三维结构，特别是与配体分子形成的复合物的三维结构，是前提大分子与小分子的结合模式是基础多种方法并用数据库搜寻分子碎片连接从头构建,Interactions between enzyme and substrate peptide,Complex of HIV protease and its inhibitor,Peptidomimetic HIV protease inhibitors,P1,P1,H-bonddonor/acceptor,8.5-12.0 ,3.5-6.5 ,3.5-6.5 ,HIV protease inhibitors,HIV protease inhibitors,Interactions between enzyme and inhibitors,HIV protease inhibitors,C,H,H,4.1-6.1 ,4.4-6.4 ,1.8-3.8 ,HIV protease inhibitors,IC50=0.32 mol/L,Mechanism-based drug design,GABA转氨酶抑制剂氨己烯酸蛋白酶的过渡态类似物抑制剂,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,肾素的过渡态类似物抑制剂,基于临床副作用观察产生的先导物,