生物制药工艺学第四节基因药物

1、第四节 基因药物一、基因治疗的概念1、基因治疗的定义:(P632页) 基因治疗是将人的正常基因或有治疗作用的基因导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或发挥治疗作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。而用于基因治疗的核酸等称为基因药物（gene medicines）生物制药工艺学第四节基因药物 在未形成概念前，20世纪70年代就开始临床实验，由于实验未取得成果，而且没有得到NIH的批准，广受抨击。 80年代，在动物身上进行了大量试验，为其临床应用奠定了基础。 1990年9月，临床实验正式开始。患者是一名患严重联合免疫缺陷症的年轻姑娘，她从父母处各继承了一个缺陷的ada基因，造成体内缺乏腺苷酸脱氨酶

2、。 我国复旦大学的薛京伦研究小组，做了世界上首例血友病 基因治疗。生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物 成功地对先天性重症免疫缺陷症进行基因治疗的法国基因治疗组组长艾伦费希尔博士（左）和成员玛丽娜卡巴甘那卡勃博士（右）。 生物制药工艺学第四节基因药物 2002年10月,一名法国男孩在接受试验性基因治疗后罹患白血病，而基因治疗很可能是白血病发病的原因。 Fisher说，他非常希望这种基因治疗方法从总体而言利大于弊。除基因治疗之外，治疗SCID的另一种治疗方法是近亲的骨髓移植。除非骨髓移植非常匹配，否则手术的失败率是25%。他强调说，这一失败率比现在接受基因治疗的11例患者的并

3、发症发生率高2倍以上。 生物制药工艺学第四节基因药物从基因角度：对缺陷的基因进行原位修复用正常有功能的基因置换有缺陷的基因增补缺陷基因（不需要去除异常基因，而是另外转入与缺陷基因同源的有功能的基因来弥补缺陷的基因）生物制药工艺学第四节基因药物从治疗角度导入基因以改变患者细胞的基因表达导入基因：缺陷基因相对应的有功能的同源基因缺陷基因无关的治疗基因生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物基因治疗的两种形式体细胞基因治疗种系基因治疗只限于某一体细胞的基因的改变只限于某个体的当代对缺陷的生殖细胞进行矫正当代及子代生物制药工艺学第四节基因药物2、基因治疗的方

4、式基因矫正或置换基因增补基因封闭其他生物制药工艺学第四节基因药物3、导入的方式体外导入（ex vivo）体外将基因导入细胞内再将这种基因修饰过的细胞回输病人体内使这种带外源基因的细胞在体内表达达到治疗或预防的目的生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物体内导入（in vivo）外源基因直接导入体内有关的组织细胞使其进入相应的细胞并表达生物制药工艺学第四节基因药物基因治疗的基本程序治疗性基因的选择基因载体的选择病毒载体非病毒载体靶细胞的选择体细胞生殖细胞基因转移间接体内疗法直接体内疗法外源基因表达的筛选 利用载体中的标记基因回输体内生物制药工艺学第四节基因药物目前临床试验的治疗基

5、因： 合适的能达到治疗/预防的目的基因的cDNA 目的基因的cDNA的获得cDNA文库中目的基因的克隆人工合成基因片段PCR法筛选扩增目的基因 二、治疗的基因的选择生物制药工艺学第四节基因药物三、载体系统-运送基因的工具病毒载体非病毒载体逆转录病毒载体腺病毒腺相关病毒单纯胞疹病毒哺乳动物人工染色体脂质体裸DNA基因缝合线法 生物制药工艺学第四节基因药物逆转录病毒载体生物制药工艺学第四节基因药物逆转录病毒的生活周期进入宿主细胞 双链RNA 逆转录酶 双链DNA前病毒 整合到宿主细胞基因组DNA中 宿主细胞RNA聚合酶II mRNA 病毒RNA基因组 作为合成相应 病毒蛋白质的模板 包装成新的病毒

6、颗粒，离开宿主生物制药工艺学第四节基因药物逆转录病毒载体的构建长末端重复序列包装信号LTRgagpolenvLTR调节和启动转录产生病毒核心蛋白产生逆转录酶产生病毒外膜蛋白包装信号LTR目的基因标记基因LTR 逆转录病毒基因组的一般结构重组逆转录病毒载体生物制药工艺学第四节基因药物假病毒颗粒的产生病毒复制需要的gag，pol，env基因已经预先整合进包装细胞的基因组生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物腺病毒DNA 载体的特点 基因重排低 外源基因于病毒DNA重组后能稳定复制几个周期 安全性能好 不整合人的染色体DNA，不会导致恶性肿瘤 宿主范围广

7、 对受体细胞是否处于分裂期要求不严格 使用效果好 外源基因在载体上容易高效表达 生物制药工艺学第四节基因药物3、腺相关病毒（adeno associated virus，AAV） 属于细小病毒科，其成熟病毒颗粒中有的含正链DNA，有的含负链DNA。不能独立繁殖，其繁殖依赖于辅助病毒（腺病毒或疱疹病毒）。基因组仅5kb，有两个ORF，5和3端各有一个由145个氨基酸组成的反向重复序列（ITR），对病毒的复制、整合、包装等有重要调控作用。生物制药工艺学第四节基因药物优点：1)、反向末端重复序列中没有转录调控元件，减少激活原癌基因的可能性2）、宿主广，只能形成慢性感染3）、可发生位点特异性整合，有利

8、于表达4）、热稳定性好，而作为辅助病毒的腺病毒在60即被灭活5）、安全性较好，本身不致病生物制药工艺学第四节基因药物4、单纯疱疹病毒（herpes simple virus，HSV） 双链DNA病毒，基因组大小152kb，可缺失多个基因仍保持复制能力。特点：1）、序列清楚 2）、可容纳至少30kb外源基因3）、宿主广，可侵染脊椎动物各种细胞4）、重组病毒培养过程中易得到较高滴度5）、从外周进入神经系统，不影响神经元功能 但表达产物对多种类型宿主有毒性，且可引起严重免疫反应，要进入临床仍需改进生物制药工艺学第四节基因药物5、 痘病毒载体 痘苗病毒为线形双链的有包膜病毒, 其核心颗粒不依赖宿主细胞

9、而独立引进转录和复制,宿主范围广泛，易于培养；痘苗病毒基因组中大量非必需基因的缺乏并不影响其在宿主细胞的复制能力,可允许在同一或不同非必需区插入多个基因 痘苗病毒缺点是载体对细胞的毒性,同时病毒能被人体的补体系统灭活并降解生物制药工艺学第四节基因药物表 常用病毒载体得特征和适用范围病毒载体生物学特性适用范围反转录病毒载体可感染分裂细胞；整合到染色体中表达时间长有致癌的危险Ex vivo基因治疗肿瘤基因治疗 腺病毒载体可感染分裂和非分裂细胞不整合到染色体中外源基因表达水平高表达时间较短免疫原性强In vivo基因治疗肿瘤基因治疗疫苗 AAV病毒载体可感染分裂和非分裂细胞整合到染色体中无致病性；免

10、疫原性弱；可长期表达外源基因在骨骼肌、心肌、肝脏、视网膜等组织中表达水平较高In vivo 基因治疗Ex vivo基因治疗遗传疾病的治疗获得性慢性疾病的基因治疗 HSV病毒载体具嗜神经性，可逆轴突传递可潜伏感染，容量大可感染分裂和非分裂细胞神经系统疾病的基因治疗肿瘤的基因治疗生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物四、靶细胞1、造血细胞 常用反转录病毒，体外基因转移，弥散的组织多，分散广。对转入外源基因的细胞可检验，考虑安全性及有效性。2、肌肉细胞 常用。肌肉细胞分布广，含量丰富，为“永久性”细胞，基因不会因分裂而丢失；细胞长而大，且为多核细胞，基因易转移和表达。为“非生命”器

11、官，安全；溶酶体少，外源DNA不易被降解，基因存活时间长；血流丰富，产物可释放入血生物制药工艺学第四节基因药物3、皮肤 表皮涂抹或肤内注射裸露DNA活脂质体包裹DNA。安全、简便，易行，但皮肤不断更替。4、其他 如肝细胞、静脉注射等。生物制药工艺学第四节基因药物五、转移方法1、化学法DNA介导：用磷酸钙微量沉淀外源DNA，然后与靶细胞混合。染色体介导：用秋水仙素处理使染色体固缩，破碎，差速离心，分离出染色体，与受体细胞混合。脂质体介导：临床已用受体介导：外源DNA与某些细胞特异性受体的多肽配基形成复合物，与受体结合进入细胞生物制药工艺学第四节基因药物2、物理法直接注射法，显微注射法，电穿透法等

12、3、病毒介导目前最常用和最成熟的方法生物制药工艺学第四节基因药物六、基因治疗的临床试验当前基因治疗试验：治疗性试验基因标记非治疗性试验生物制药工艺学第四节基因药物治疗性试验1、遗传性疾病2、恶性肿瘤（1）抑癌基因或细胞因子基因治疗（2）自杀基因系统（3）抑制血管生成（4）反义药物（5）导入MHCI类抗原基因（6）导入MDR1(Multidrug Resistance)基因3、病毒性感染4、其他生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物遗传疾病缺失的基因产物细胞类型严重联合免疫缺陷腺苷酸脱氢酶T/B

13、淋巴细胞慢性肉牙肿瘤细胞色素b中性粒细胞戈谢病糖脑苷酶巨噬细胞镰刀状细胞贫血珠蛋白红细胞和地中海贫血和珠蛋白红细胞Lesch-Nyhan症群次黄嘌呤磷酸核糖转移酶基底神经节Ducheme肌委缩萎缩素肌肉细胞帕金森病多巴胺脑黑质肺气肿1抗胰蛋白酶肺上皮细胞囊性纤维化CF跨膜传导调控剂肺/胰上皮细胞苯丙酮尿症苯丙氨酸羟化酶肝细胞家族性高胆固醇血症低密度脂蛋白受体肝细胞血友病A和B凝血因子和血小板、肝细胞生物制药工艺学第四节基因药物 遗传性单基因疾病腺苷脱氨酶(ADA)缺乏的严重联合免疫缺陷(SCID)生物制药工艺学第四节基因药物腺苷脱氨酶(ADA)缺乏的严重联合免疫缺陷(SCID)第一个基因临床治

14、疗的方案(1990.9.14,NIH)病因:淋巴细胞缺乏ADA酶 腺苷、dATP堆积 破坏免疫功能 患儿很少活到成年治疗策略：淋巴细胞ADA酶 恢复至正常水平的 5%-10% 维持免疫系统功能 改善病人症状生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物治疗基本步骤: ADA基因+逆转录病毒载体 导入患者淋巴细胞 体外扩增 回输病人体内淋巴细胞ADA酶恢复至正常水平的5%-10% 维持免疫系统功能,改善病人症状生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物恶性肿瘤的细胞因子基因治疗基因工程“瘤苗”策略a：将刺激免疫反应的细胞因子基因(IL-2/IL-12/IFN-)转导肿瘤细

15、胞，提高肿瘤细胞的免疫原性转导细胞因子基因的肿瘤细胞在体内持续分泌细胞因子增强抗肿瘤的免疫反应，形成局部的抗肿瘤免疫微环境引发全身的抗肿瘤免疫机能生物制药工艺学第四节基因药物策略b： 引入抑瘤基因，如p53基因 今又生（Gendicine）是世界上第一个获得批准临床使用的抗肿瘤基因药，由正常人肿瘤抑制基因p53和改构的5型腺病毒基因重组而成。 通常判断一个抗癌基因必须同时具备以下条件：1、在该肿瘤中该基因发生了变化，包括突变、缺失、甲基化等。 2、将该基因的野生型导入肿瘤细胞能够部分或全部抑制其表型。 3、该基因在该肿瘤相应的正常组织中存在正常表达。生物制药工艺学第四节基因药物P53结构示意图

16、P53基因产物是一种核磷酸化蛋白，能够与8种以上细胞蛋白结合，生物学活性是引起细胞周期阻滞，诱导凋亡和细胞分化。大约50%的人类肿瘤中存在p53基因的变化生物制药工艺学第四节基因药物The H2 alpha helix, shown in gold and comprised of residues 278-286, is thought to be a key component of of the DNA binding domain with its numerous charged residues, helping to bind to the major groove of the DNA molecule. 生物制药工艺学第四节基因药物生物制药工艺学第四节基因药物自杀基因 将一基因转入细胞，它编码的蛋白可将无毒的前药转变为有毒的物质 如胸苷激酶基因（tk），利用tk治疗脑瘤的实验于1992年经FDA批准应用