第三章 生物制药的基本技术

第三章生物制药的基本技术Chapter3

BasicTechniqueForBiopharmacon第三章生物制药基本技术

生物制药是把生物体内的具有生物活性的基本物质，保持原来的结构和功能，又能在含有多种物质的液相或固相中较高纯度的分离出来。它是一项严格、细致、复杂的工艺过程，涉及物理、化学、生物学、工程等方面的知识和操作技术。1.中心的问题：1、标准化方法？2、如何发现或研制新药？

对于一个新研制的生物药物，从查阅文献开始，到探索实验、条件考察（记录客观）、总结制定工艺规程、制定分析鉴定方法，再进行中试放大，全面考察工艺是否成熟，是否稳定等。1、提取法(Extraction)2、发酵法（Zymotechnics）3、化学合成（Chemicalsynthesize）4、组织培养法（Tissueculture）5、现代生物技术(ModernBiotechnics):Geneengineering,Enzymeengineering,Cellengineering,proteinEngineering,Fermentationengineering

第三章生物制药基本技术2.基本制造方法3.生化制药的六个阶段

1.原料的选择和预处理2.原料的粉碎3.提取：从原料中经溶剂分离有效成分，制成粗品的工艺过程。4.纯化：粗制品经盐析、有机溶剂沉淀、吸附、层析、透析、超离心、膜分离、结晶等步骤进行精制的工艺过程。5.浓缩、干燥及保存6.制剂：原料药（精制品）经精细加工制成片剂、针剂、冻干剂、粉剂等供临床应用的各种剂型。第三章生物制药基本技术一.RawMaterialSelectingandPretreatment原料选择和预处理原料选择的基本准则：1、在大量的信息资料和实践经验的基础上，选择目标原料。2、选择有效成分含量高的新鲜材料；3、来源丰富易得；4、制造工艺简单易行；5、成本比较低；6、原料的采集不破坏生态环境,选择对环境友好的原材料资源，防止生物入侵。预处理方法：1、动物组织先要剔除结缔组织、脂肪组织等非活性部分；植物种子去壳除脂；微生物要进行菌体与发酵液分离等基本操作。便于贮存和运输。2、冷冻法预处理：有些材料要冷冻保存或低温保存，以便抑制微生物和酶的作用。3、有机溶剂除去部分水分：用丙酮或乙醇进行脱水和脱脂，有利于贮存。二、原料的粉碎ComminutionofRawMaterial原料的粉碎：在提取前先将大块的原料粉碎或绞碎成适度的粒度，或将细胞破碎，使胞内活性物质充分释放到溶液中，有利于提取或吸附。动物脏器组织：常用绞肉机机械法粉碎；植物肉质组织：常用磨碎法；微生物：常用自溶、冷热交替、加砂研磨、超声、加压等处理方法。

1.机械法：组织捣碎机、匀浆器、研钵、球磨机、万能粉碎机、绞肉机、击碎机、刨片机。动物组织多在冰冻状态绞碎、溶浆。2.物理法

A、反复冻融法：把待破碎的样品冷至-20℃-15℃

，使之凝固，然后缓慢的溶解，如此反复操作，大部分动物性细胞及细胞内的颗粒可以破碎。B、冷热交替法：将材料投入沸水中，在90℃左右维持数分钟，立即置于冰浴中，使之迅速冷却，绝大部分细胞被破坏。此法多用于细菌或病毒中提取蛋白和核酸。

C、超声波处理法：多用于微生物材料，处理的效果与样品浓度、使用频率有关。用大肠杆菌制备各种酶时，常用50~100mg/L菌体浓度，在1~10KC频率下处理10~15min。操作时注意避免溶液中气泡的存在。D、加压破碎法：加气压或水压，达0.59~34.32MPa(210~350kgf/cm2)的压力时，可使90%以上细胞被压碎。多用于微生物酶制剂的工业制备。3.生化及化学法：

A.自溶法：将新鲜的生物材料存放在一定的pH和适当温度下，利用组织细胞中自身的酶系将细胞破坏，使细胞内含物释放出来的方法。自溶的温度，动物材料在0-4℃，微生物在室温下。自溶时，需加少量的防腐剂，甲苯、氯仿，以防止外界细菌的污染。*由于自溶时间较长，不易控制，故制造具有活性的核酸和蛋白质时比较少用。

B.溶菌酶处理法：溶菌酶是专一地破坏细菌细胞壁的酶。多用于微生物，如蜗牛酶、纤维酶，植物细胞也适用。如用噬菌体感染大肠杆菌细胞制造DNA时，采用pH8.0的0.1mol/LTris-0.01mol/LEDTA制成2亿/ml的细胞悬液，然后加入100μg~1mg的溶菌酶，在37°C保温10min，细菌胞壁即被破坏。C.表面活性剂处理法：表面活性剂的分子中，兼有亲脂性和亲水性基团，能降低水的界面张力，具有乳化、分散、增溶作用。常用有：SDS、氯化十二烷基吡啶、去氧胆酸钠。三、提取Extraction提取：也称抽提、萃取，就是利用一种溶剂对物质的不同溶解度，从化合物中分离出一种或几种组分的过程。分为固体处理（液—固萃取）和液体处理（液—液萃取）。提取条件的选择：1、溶剂:常用水、稀盐、稀酸、稀碱，有机溶剂如乙醇、丙酮、氯仿、四氯化碳、丁醇等。丁醇提取的pH、温度范围较广（pH3-6,-2-40℃）。适用于动植物和微生物原料。2、pH:与溶解度和稳定性有很大关系，一般选择在pI的两侧。

3、温度：一般在5℃以下，但对温度耐受力较大的药物，可适当的提高温度，使杂蛋白变性分离，有利于提取和纯化。如胃蛋白酶、酵母醇脱氢酶及多肽激素类，选择37-50℃提取，效果较好。影响提取的因素：1、被提取物质溶解度的大小：一般极性对极性；非极性对非极性；酸对碱；碱对酸；高温；远离等电点。2、扩散作用的影响：扩散方程式G=DF*ΔC/ΔX*t3、分配作用的影响：分配定律(C1/C2)恒温、恒压=K四、分离纯化SeparationandPurification1、盐析法利用不同的蛋白质在高浓度盐溶液中，溶解度不同程度的降低来进行分离纯化。在低盐浓度下，溶解度随着盐浓度升高而增加，称盐溶作用；当盐浓度不断升高时，不同蛋白质的溶解度又以不同程度下降并先后析出沉淀，称盐析作用。

优点：设备和条件要求低，安全应用范围广泛。在高盐情况下，蛋白质不易发生变化，一般在室温下操作。

缺点：分级分离能力不高。

常用的中性盐：硫酸铵、硫酸镁、硫酸钠、氯化钠、磷酸钠。

盐析时应注意的几个问题：（1）盐饱和度：由于蛋白质的结构和性质不同，盐析要求的饱和度也不同。要按工艺要求，正确计算饱和度。（2）pH值的选择：蛋白质在pI时的溶解度最小。因此，进行盐析时的pH，要选择在被分离蛋白质的pI附近。（3）蛋白质浓度：在相同条件下，蛋白质浓度越大越易沉淀，使用盐的饱和度极限也愈低。蛋白质浓度愈高，其他蛋白质共沉作用也愈强，这是不希望的。选择适当的蛋白质浓度，可避免共沉的干扰。

（4）温度：一般在室温下进行，浓盐对蛋白质有保护作用。但对温度敏感的，要在低温下进行。

常在0-4℃范围内迅速操作。如尿激酶。（5）盐析沉淀物的脱盐：盐析的沉淀分离后，经脱盐才能获得纯品。最常用的脱盐方法是透析，时间一般较长，应常换透析液，注意防止污染。2、有机溶剂沉淀法利用不同蛋白质在不同浓度的有机溶剂中的溶解度差异而分离目的蛋白质的方法。蛋白质的沉淀与溶解，与溶剂的介电常数有关。降低溶液的介电常数，使其溶解度变小，同时，还破坏蛋白质的水化膜而使蛋白质沉淀析出。

几种溶剂的介电常数溶剂名称20℃时的介电常数溶剂名称20℃时的介电常数乙醚4.33甲醇33丙酮21.4水80乙醇242.5mol/L甘氨酸水溶液137介电常数与静电力的关系：F=Q1Q2/Kr2式中：K—介电常数。指带相反电荷的微粒之间的静电引力。F—相距为r的2个带电量分别为Q1、Q2点电荷相互作用的静电引力。经验：如30-40%乙醇沉淀的物质，改用丙酮时，其体积分数可减少10%左右。即可用20—30%的丙酮；而70-80%乙醇沉淀的物质，可用50—60%的丙酮即可。注：水有较高的介电常数，具有很好的溶剂性能，是一种广谱溶剂。有机溶剂法比盐析法分辨力强，沉淀也好过滤，易干燥，但对有些生物活性物质能引起失活和变性。应用时还要注意挥发和火灾等。有机沉淀法应注意的问题：

（1）控制工艺过程的温度：整个操作过程应在低温下进行，而且最好是同一温度。（2）防止溶剂局部浓度过高：加入有机溶剂时搅拌要均匀，速度要适当，避免局部浓度过高，引起沉淀物的破坏、变性或失活。（3）及时处理沉淀物：沉淀物经过滤或离心后，要立即用水或缓冲液溶解，降低有机溶剂的浓度。（4）pH的选择：在待沉淀蛋白质的pI附近。（5）有机溶剂是酶和蛋白质的变性因素，尤其是对敏感酶类。3、等电点沉淀法利用蛋白质在等电点时的溶解度最低，而各种蛋白质又具有不同的等电点的特性进行分离的工艺过程。由于各种蛋白质在等电点时，仍有一定的溶解度而沉淀不完全，多数蛋白质的等电点又都十分接近，所以单独使用效果不理想，分辨力差，多用于提取后除杂蛋白。实际生产中常与有机溶剂沉淀法、盐析法联合使用。4、膜分离法膜分离技术包括超滤、反渗透析、电渗析、微孔过滤、气体渗析和超精密过滤。（1）超滤：根据溶质分子和悬浮粒子是否通过多孔膜来进行筛分。在液压的驱动下，能通过超滤膜的分离粒子的范围，一般在0.001—0.01μm。即利用一种特制的膜对溶液中的各种溶质分子进行选择性过滤。优点：成本低、操作方便、条件温和、能较好地保持药物活性、回收率高。适用于酶和蛋白质药物的分离、浓缩、脱盐、提纯、除菌、除病毒和热原。

（2）反渗透：以高分子透过性薄膜为分离介质，在超过溶液渗透压力的情况下，使溶液中的溶剂透过薄膜，同时使溶质和不溶物阻截在膜前。这一过程类似于渗透,但方向相反，即溶剂从高浓度一侧传递到浓度低的一侧，故称反渗透。特点：能耗少，体积小，适应大规模生产。（3）微孔滤膜：由高分子材料制成的薄膜过滤介质，可以过滤一般介质不能截留的细菌和微粒。膜的孔径在0.2-10μm。（4）超精密过滤：以聚乙烯醇为主体的中空多孔滤膜，分级性能在超滤膜与微孔滤膜之间。为0.01~0.2μm。用于水的精制、循环水的净化、除悬浮固体粒子以及糖液、酶液的精制。

5、离子交换层析采用不溶性高分子化合物作为离子交换剂，分离纯化各种生化物质。基本原理：离子交换树脂在水中能溶胀，溶胀后，其分子中的极性基团（活性基团），具有可扩散的离子，能与溶液中的离子起交换作用；非极性基团作为树脂的骨架，使树脂不溶于水并具有网状结构，为离子交换的进行及溶液和树脂的分离创造了条件。离子交换层析包括吸附、吸收、穿透、扩散、离子交换、离子亲和力等物理化学过程。

树脂种类和理化性能：

（1）强酸性阳离子交换树脂：功能团为磺酸基，pH一般没有限制。（2）弱酸性阳离子交换树脂：功能团为羧基、酚基。在酸性溶液中不发生交换，pH愈大交换能力愈强。（3）强碱性阴离子交换树脂：功能团为三甲基季胺基团。pH没有限制。（4）弱酸性阴离子交换树脂：功能团为伯胺基、仲胺基、叔胺基。pH愈低交换能力愈大。

影响交换速度的因素：（1）树脂颗粒的大小：颗粒小，表面积大，能促进内部和外部扩散。（2）搅拌和流速：加快搅拌速度或加大液体流速，都能减少树脂外液膜的厚度，从而使液相扩散速度增加。（3）离子浓度：交换速度随离子浓度的上升而增加，达到一定浓度后交换速度不在升高。（4）离子的水化半径：水化半径小的易被吸附。（5）树脂酸碱性的强弱和溶液的pH：

（6）交联度大小：交联度愈小，树脂愈易膨胀，交换速度愈快。但交联度小的树脂选择性较差。（7）有机溶剂的影响：当有有机溶剂存在时，会降低树脂对有机离子的选择性，而容易吸附无机离子。6、凝胶层析指化合物随流动相流经装有凝胶的固定相的层析柱时，因其各种物质分子大小不同而被分离的技术。又称凝胶过滤、凝胶渗透过滤、分子筛过滤、阻滞扩散层析、排阻层析。优点：设备简单，操作方便，分离效果好，回收率高，分离条件缓和，不使活性物质失活变性，凝胶可重复使用，无需再生处理。

缺点：分离速度慢。广泛用于分离氨基酸、多肽、蛋白质、酶及多糖等药物。几种常用的凝胶：（1）葡聚糖凝胶：基本骨架是1—6糖苷键。由葡聚糖和甘油以醚桥形式交联而成的网状结构。最著名的商品为Sephadex葡聚糖凝胶，珠状颗粒物，化学性质稳定，不溶于水、弱酸、碱和盐溶液。低温时，在0.1mol/L盐酸中保持1-2h不改变性质；室温时，在0.01mol/L盐酸中放置半年也不改变；在0.25mol/L的氢氧化钠中，60℃

两个月没有发改变。可在120℃

加热30min灭菌而不破坏，但高于120℃

即变黄。湿状贮存易发霉，若长期不用，需加防腐剂。

（2）聚丙烯酰胺凝胶：由碳—碳骨架构成。完全为惰性。稳定性比葡聚糖凝胶好，洗脱时不会有凝胶物质下来。缺点：不耐酸。遇酸时酰胺键会水解为羧基，使凝胶带有一定的离子交换基团。（3）琼脂糖凝胶：天然凝胶，不是共价交联，是以氢键交联。空隙度以琼脂糖的浓度来改变，化学稳定性不如葡聚糖凝胶。没有干凝胶，必须在溶胀状态保存，遇脱水剂、冷冻和一些有机溶剂即破坏，丙酮和乙醇对它无影响。在pH4.5-9,温度0-40℃稳定。对硼酸有吸附，不能用硼酸缓冲液。他能分离几万到几千万相对分子质量的物质，弥补了葡聚糖和聚丙烯酰胺凝胶的不足。瑞典商品名Sepharose，美国称生物凝胶—A（Bio-Gel-A）,英国称Sagavac.

(4)疏水性凝胶：常用的为聚甲基丙烯酸酯（Polymethacrylate）凝胶、聚苯乙烯凝胶（如Styrogel,Bio-Beads-S）7、亲和层析生物活性物质都有亲和作用，如酶与底物、激素与受体、核酸的互补链间，多糖与蛋白质复合体。亲和层析是利用生物大分子的特异亲和力而设计的层析技术。可逆结合的特异性物质称为配基，与配基结合的层析介质称为载体。亲和层析能从粗提液中，通过一次简便处理，便可得到高纯度的活性物质，既可分离一些生物材料中含量极微的物质，又能分离一些性质十分相似的物质。

优点：设备要求不高，操作简便，适用范围广，特异性强，分离速度快，效果好，条件温和。缺点：通用性较差，洗脱条件要求苛刻。几种常用的载体：（1）纤维素：自然界中数量最大的大分子生物材料，取材十分方便。但由于其结构紧密、均一性差，不利于大分子的渗入。活化后常带有电荷，非特异性吸附较强，加上空间位阻等原因，其应用不如凝胶载体广泛。目前主要用于分离与核酸有关的物质。如用寡聚脱氧胸腺核苷酸纤维素作固定相分离细胞提取液中的mRNA.市售商品有：无定型微纤维、微晶纤维素、珠状纤维素。（2）琼脂糖凝胶：用于亲和层析的主要为交联珠状凝胶。其琼脂糖的质量浓度为2