基因工程制药-基因工程制药实例

生物制药工艺课程干扰素的基因工程制药1什么是干扰素概念(interferon,IFN)：机体免疫细胞产生的一类细胞因子，是机体受到病毒感染时，免疫细胞通过抗病毒应答反应而产生的一组结构类似、功能接近的生物调节蛋白。根据分子结构和抗原性的差异分为α、β、γ、ω等4个类型。1.1天然干扰素的分类

1.根据来源、基因序列和氨基酸组成分类

◆

I型干扰素：IFNα、IFNβ、IFNτ、IFNω

来源：白细胞、成纤维细胞、病毒感染的组织细胞等功能：抗病毒感染、抗肿瘤生长、免疫调节(较弱）

其中IFN-α为多基因产物，有23种以上的亚型。

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II型干扰素：干扰素γ（IFN)

来源：活化的T细胞和NK细胞产生

功能：免疫调节

提高单核巨噬细胞、树突状细胞的抗原提呈能力

增强Tc细胞和NK细胞的杀伤活性

抑制TH2细胞形成，下调体液免疫应答

趋化作用

抗病毒和抗肿瘤作用（次要）

2.

根据动物来源确定分类

人干扰素（HuIFN），小鼠干扰素（MuIFN）。不同来源的干扰素1.2重组干扰素的临床应用广谱抗病毒活性（rhuIFNα）慢性乙型、丙型、丁型肝炎；疱疹、病毒性角膜炎。直接抗肿瘤活性（rhuIFNα）毛细胞和慢性髓样白血病、Kaposi肉瘤、非霍奇金淋巴瘤。免疫调节活性——治疗慢性肉芽肿瘤（rhuIFNγ）多发性硬化症rhuIFNβ2基因工程大肠杆菌发酵生产工艺干扰素生产工艺路线上市产品：重组人干扰素rhuIFN1986，rhuIFNα-2a，rhuIFNα-2b；

1990，rhuIFNγ-1b；1993，rhuIFNβ-1b；

2001－2002：PEG化IFN，PEG-Intron,Pegasys

表达产物：无糖基化，N-met，无活性包涵体工艺特点：发酵过程，随后变性、复性过程。基因工程大肠杆菌发酵生产工艺:目的基因的分离克隆载体目的基因与克隆载体的体外重组→重组体导入大肠杆菌K12→受体菌的培养及筛选→从受体菌中获取目的基因表达载体重组质粒导入大肠杆菌受体菌的筛选，表达性、稳定性等检测工程菌→基因工程菌的制备一、目的基因的分离与扩增1.破碎细胞，用Trizol法提取总的RNA2.将生产干扰素的人白细胞的mRNA分级分离然后进行凝胶电泳切取目的基因片段3.用逆转录试剂盒逆转录，把总mRNA逆转录成cDNA4.以cDNA为模板、干扰素引物为引物，PCR，得到完全的干扰素基因的PCR产物5.人工加尾形成“粘性末端”二、构建重组质粒1.提取载体（质粒、病毒等），双酶切，再把干扰素基因的PCR产物用相应的酶酶切，用连接酶连接EcoRIBamHIEcoRIBamHI2.连接完成后分离纯化，测序，与原干扰素序列比对。3.鉴定序列无误后，导入受体细胞，筛选三、重组体引入宿主细胞

将cDNA克隆到含有四环素、氨苄青霉素抗性基因的质粒中，转化到大肠杆菌，重组的载体DNA分子在一定条件下转化入大肠杆菌，形成携带质粒的菌株。四、受体菌的筛选

由于质粒重组时有3种基本方式，即：目的基因与克隆载体重组，目的基因片段与目的基因片段重组，克隆载体与克隆载体重组；另外重组过程可能会发生基因突变情况五、分析保存

对基因工程大肠杆菌进行评价分析，并保存菌种。干扰素的发酵工艺过程启开种子制备种子液发酵培养粗提精提半成品制备半成品检定分装冻干成品检定成品包装1．菌种培养

取－70℃下保存的甘油管菌种（工作种子批），于室温下融化。然后，接入摇瓶，培养温度30℃，pH7.0，250r/min活化培养18±2小时后，进行吸光值测定和发酵液杂菌检查。2．种子罐培养

将已活化的菌种接入装有30L培养基的种子罐中，接种量10%，培养温度30℃，pH7.0，级联调节通气量和搅拌转速，控制溶解氧为30%，培养3～4小时，转入发酵罐中，同时取样发酵液进行显微镜检查和LB培养基划线检查，控制杂菌

3.发酵罐培养

将种子液通入300L培养基的发酵罐中，接种量10%，培养温度30℃，pH7.0。级联调节通气量和搅拌转速，控制溶解氧30%，培养4小时。然后控制培养温度20℃，pH6.0，溶解氧60%，继续培养5～6.5小时。同时进行发酵液杂菌检查，当OD值达9.0±1.0后，用5℃冷却水快速降温至15℃以下，以减缓细胞衰老。或者将发酵液转入收集罐中，加入冰块使温度迅速降至10℃以下。4.菌体收集

将已降温的发酵液转入连续流离心机，16000r/min离心收集。进行干扰素含量、菌体蛋白含量、菌体干燥失重、质粒结构一致性、质粒稳定性等项目的检测。菌体于－20℃冰柜中保存时，不得超过12个月。每保存3个月，检查一次活性。3.干扰素的分离纯化工艺过程

3.1、干扰素分离工艺过程

3.2、干扰素的纯化工艺过程3.1干扰素分离工艺过程菌体裂解预处理初级分离(1)菌体裂解

裂解缓冲液：纯化水配制，2℃～10℃（pH7.5）使用保护剂：EDTA，PMSF。破碎菌体：2厘米以下的碎块搅拌：加裂解缓冲液，2℃～10℃，2hr冻融:细胞完全破裂，释放干扰素。(2)预处理-沉淀加絮凝剂聚乙烯亚胺:2℃～10℃，搅拌45min，对菌体碎片进行絮凝。加凝聚剂醋酸钙溶液:2℃～10℃,搅拌15min，对菌体碎片、DNA等进行沉淀。(3)离心

连续流离心机：2℃～10℃，16000r/min收集上清液：含有重组干扰素蛋白质杂质沉淀：121℃、30min蒸汽灭菌,焚烧处理。（4）初级分离

盐析:硫酸铵，2℃～10℃，搅匀,静置过夜。离心：连续流离心机，16000r/min保存：收集沉淀，粗干扰素，4℃保存。3.2、干扰素纯化工艺过程溶解粗干扰素沉淀与疏水层析阴离子交换层析与浓缩阳离子交换层析与浓缩凝胶过滤层析无菌过滤分装(1)溶解粗干扰素

配制纯化缓冲液：超纯水，pH7.5磷酸缓冲液，0.45μm滤器和10ku超滤系统，百级层流下收集。冷却至2℃～10℃。检查:缓冲液的pH值和电导值。溶解：2℃～10℃，匀浆，完全溶解。(2)沉淀与疏水层析等电点沉淀（1）：磷酸调节至pH5.0，沉淀杂蛋白，离心收集上清液。疏水层析：干扰素吸附在疏水层析柱中

除非疏水性蛋白

洗脱与收集：0.01M磷酸缓冲液（pH8.0）等电点沉淀（2）：磷酸调节pH4.5，调节电导值40ms/cm，2℃～10℃，静置过夜。超滤：1000ku超滤膜过滤，除去大蛋白。透析除盐：调整溶液pH8.0，电导值，10ku超滤膜，0.005M缓冲液。(3)无菌过滤分装0.22μm滤膜过滤干扰素溶液分装－20℃以下的冰箱中保存。(4)检测项目

干扰素鉴别试验干扰素效价测定蛋白质含量，纯度测定，分子量宿主残余蛋白、残余DNA干扰素结构鉴定：紫外光谱，肽谱，N端序列其他：热原，内毒素，残留抗生素半成品检定（1）效价测定

用细胞病变抑制法，以Wish细胞、VSV病毒为基本检测系统，测定中必须用国家或国际参考品校准为国际单位。（2）蛋白质含量测定福林-酚法，以中国药品生物制品检定所提供的标准蛋白为标准。（3）比活性效价的国际单位与蛋白质含量的毫克数之比。（4）纯度电泳纯度用非还原型SDS法，银染显色应为单一区带，经扫描仪测定纯度应在95%以上。（5）相对分子量测定还原型SDS，加样量不地域微克，同时用已知相对分子量的蛋白标准系列做对照，以迁移率为横坐标，相对分子量的对数为纵坐标作图，计算相对分子量。与理论值比较，误差不得高于10%。（6）残余外源性DNA含量测定用放射性核素或生物素探针法测定，每剂量中残余外源性DNA应低于100pg。（7）残余血清IgG含量测定在应用抗体亲和层析法作为纯化方法时必须进行此项检定。（8）残余抗生素活性测定半成品中不应有抗生素活性存在。（9）紫外光谱扫描

检查半成品的光谱吸收值，最大吸收值应在280±2纳米。（10）肽图测定用CNBr裂解法，测定结果应符合干扰素的结构，且批与批之间应一致。（11）等电点测定等电聚焦电泳。（12）除菌半成品应做干扰素效价测定、无菌试验和热源质试验。成品检定（1）物理性状冻干品白色或微黄色疏松体，加入注射水后不得含有肉眼可见不溶物。（2）鉴别试验应用ELISA或中和试验检定。（3）水分测定用卡氏法，应低于3%。（4）无菌试验同半成品。（5）热原质试验

同半成品检定。（6）干扰素效价测定

同半成品检定，效价不应低于标示量。（7）安全试验

取体重为350-400克豚鼠3只，每只腹侧皮下注射量为成人每千克体重临床使用最大量的3倍，观察7天，若豚鼠局部无红肿、坏死、总体重不下降，说明成品合格。

取体重18-20克小鼠5只，每只尾静脉注射剂量按人每千克体重临床使用最大量的3倍，观察7天，若动物全部存活，说明成品合格。4国内基因工程药物产业发展状况

我国的生物技术药物却一直苦于缺乏自主创新的产品，绝大多数上市药物为仿制药，创新药物的开发一直未能打开局面。一种新药从研发到投放市场，投入大约为30亿~60亿美元。存在的问题：

（1）同种产品生产厂家过多，造成市场恶性竞争，严重影响产业的健康发展。

（2）融资渠道单一、产业发展资金不足。

（3）医药市场竞争无序，行业不正之风严重。

（4）企业管理相对滞后，技术兼经营型人才匮乏。生物制药工艺课程人胰岛素的基因工程制药胰岛素概况胰岛素是一种蛋白质类激素,体内胰岛素是由胰岛β细胞分泌的。在人体十二指肠旁边，有一条长形的器官，叫做胰腺。在胰腺中散布着许许多多的细胞群，叫做胰岛。胰岛素是由胰岛β细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素，也是唯一同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成的激素。作用机理属于受体酪氨酸激酶机制人工合成胰岛素的必要性胰岛素这类活性蛋白多肽和细胞因子居有高度生物活性，分子量很大，立体结构异常复杂，体外难以人工合成。所以过去糖尿病患者只能服用从牛、猪体中提取的胰岛素来治疗；但牛、猪胰岛素结构上与人胰岛素有差别，如与猪胰岛素B链第30个基酸残基不同，长期服用会引起肾和眼的疾病，故必需要用基因工程方法获得重组人胰岛素进行治疗。胰岛素结构胰岛素由A、B两个肽链组成。人胰岛素A链有11种21个氨基酸，B链有15种30个氨基酸，共26种51个氨基酸组成。其中A7(Cys)-B7(Cys)、A20(Cys)-B19(Cys)四个半胱氨酸中的巯基形成两个二硫键，使A、B两链连接起来。此外A链中A6(Cys)与A11(Cys)之间也存在一个二硫键

胰岛素立体结构胰岛素的性质

〖化学本质〗蛋白质

〖分子式〗C257H383N65O77S6

〖分子量〗5807.69

〖性状〗白色或类白色的结晶粉末

〖熔点〗233℃（分解）

〖比旋度〗-64°±8°(C=2,0.003mol/LNaOH)

〖溶解性〗在水、乙醇、氯仿或乙醚中几乎不溶；在矿酸（无机酸）或氢氧化碱溶液中易溶

〖酸碱性〗两性，等电点pI5.35-5.45

胰岛素的英文缩写，INS.（insulin）胰岛素的发现

胰岛素于1921年由加拿大人F.G.班廷和C.H.贝斯特首先发现

1955年英国F.桑格小组测定了牛胰岛素的全部氨基酸序列1965年9月17日，中国科学家人工合成了具有全部生物活力的结晶牛胰岛素，它是第一个在实验室中用人工方法合成的蛋白质

胰岛细胞根据其分泌激素的功能分为以下几种：

①B细胞(β细胞)，约占胰岛细胞的60%～80%，分泌胰岛素，胰岛素可以降低血糖。②A细胞(α细胞)，约占胰岛细胞的24%～40%，分泌胰升糖素，胰升糖素作用同胰岛素相反，可增高血糖。③D细胞，约占胰岛细胞总数的6%～15%，分泌生长激素抑制激素。

胰岛素生物合成胰岛素生物合成的控制基因在第11对染色体短臂上。在β细胞的细胞核中，第11对染色体短臂上胰岛素基因区DNA向mRNA转录，mRNA从细胞核移向细胞浆的内质网，转译成由105个氨基酸残基构成的前胰岛素原。前胰岛素原经过蛋白水解作用除其前肽，生成86个氨基酸组成的长肽链——胰岛素原。胰岛素原随细胞浆中的微泡进入高尔基体，经蛋白水解酶的作用，切去31、32、60三个精氨酸连接的链，断链生成没有作用的C肽，同时生成胰岛素，分泌到β细胞外，进入血液循环中。未经过蛋白酶水解的胰岛素原，一小部分随着胰岛素进入血液循环胰岛素的分类

动物胰岛素：从猪和牛的胰腺中提取，两者药效相同，但与人胰岛素相比，猪胰岛素中有1个氨基酸不同，牛胰岛素中有3个氨基酸不同，因而易产生抗体半合成人胰岛素：将猪胰岛素第30位丙氨酸，置换成与人胰岛素相同的苏氨酸，即为半合成人胰岛素生物合成人胰岛素：利用生物工程技术，获得的高纯度的生物合成人胰岛素，其氨基酸排列顺序及生物活性与人体本身的胰岛素完全相同怎样获得人的胰岛素基因？怎样将目的基因导入到受体细胞中？怎样将重组质粒导入到受体细胞中？目的基因是否在受体细胞中表达？4123一、提取目的基因基因的剪刀——限制性内切酶作用与特性：一种酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的内切点切割DNA分子。重播限制性内切酶既从人的DNA中提取胰岛素基因,可使用限制性内切酶将目的基因从原DNA中分离。

二、提取质粒使用细胞工程,培养大肠杆菌，从大肠杆菌的细胞质中提取质粒，质粒为环状。

质粒——基因的运载工具质粒是真核细胞细胞核外或原核生物拟核区外能够进行自主复制的遗传单位，包括真核生物的细胞器（主要指线粒体和叶绿体）中和细菌细胞拟核区以外的环状脱氧核糖核酸(DNA)分子。（部分为RNA）现在习惯上用来专指细菌(大肠杆菌）、酵母菌和放线菌等生物中细胞核或拟核中的DNA以外的DNA分子。在基因工程中质粒常被用做基因的载体。许多细菌除了拟核中的DNA外，还有大量很小的环状DNA分子

三、基因重组取出目的基因与质粒，先利用同种限制性内切酶将质粒切开，再使用DNA连接酶将目的基因与质粒"缝合"，形成一个能表达出胰岛素的DNA质粒。基因的针线──DNA连接酶

DNA被限制酶切断后有两个反向互补的“黏性末端”。被同一种限制切断的几个DNA具有相同的黏性末端，能够通过互补进行配对。

连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。重播四、将质粒送回大肠杆菌

为获得目的基因的表达产物时，通常以大肠杆菌等无害易得的细菌为受体。为使重组的DNA分子更容易进入受体细胞，常还要用一些物质（含有Ca++的物质，如CaCl2

）对受体细胞进行处理，使受体细胞具有更大的通透性。导入扩增将质粒送回大肠杆菌在大肠杆菌的培养液中加入含有Ca++的物质，如CaCl2，这使细胞会吸收外源基因。此时将重组的质粒也放入培养液中，大肠杆菌便会将重组质粒吸收。CaCl2法的作用机理