第26章重组药物

第26章

重组药物本章目录第一节重组药物概述第二节重组药物的通用制造方法与技术第三节重组药物的分离纯化技术关键第四节重组药物的质量控制第五节典型重组药物制造技术及工艺

20世纪70年代建立的DNA重组技术带来了生物技术新的变革，促进了以基因工程技术为核心的现代生物技术的诞生和发展，被认为是20世纪人类的一项最伟大的贡献。DNA重组技术，亦称基因重组技术，是指将DNA片段（如基因）按人们的设计方案定向地与载体相连，并转入特定的受体细胞，构建成工程菌（或细胞），实现遗传物质的重新组合，并使目的基因在工程菌内进行复制和表达的技术。应用DNA重组技术表达和生产的多肽或蛋白质类药物，称为重组药物。第一节

重组药物概述应用DNA重组技术可大量生产过去难以获得的生理活性蛋白和多肽，提供足够数量的生理活性物质，以便对其生理生化及结构等进行深入的研究和开发应用，还可以对已有的药物进行改造，克服其不足，创造自然界不存在的全新物质。重组药物制造的通用方法流程为：①获得目的基因；②将目的基因和载体连接，构建DNA重组体；③将DNA重组体转入宿主菌构建工程菌；④工程菌的发酵；⑤外源基因表达产物的分离纯化；⑥产物的检验和制剂制备等。第二节重组药物的通用制造方法与技术在操作过程中需注意：1、操作条件要温和，能保持目的产物的生物活性；2、选择性要好，能从复杂的混合物中有效地将目的产物分离出来，达到较高的纯化倍数；3、收率要高；4、两个技术之间要能直接衔接，不需要对物料加以处理调整，这样可以减少工艺步骤；5、整个分离纯化过程要快，能够满足高生产率的要求。

重组药物分离纯化的一般流程为：固液分离、细胞破碎、提取、浓缩与初步纯化、高度纯化直至得到纯品以及成品加工等。第三节

重组药物的分离纯化技术关键构建好的基因工程菌在适当条件下培养发酵，表达重组药物后，还需选择适当的分离纯化方法将产物提纯，制成特定的制剂，才能被应用于临床。

而且基因工程菌培养发酵产物中含有大量的细胞、代谢物、残留培养基、无机盐等，而目的产物在初始物料中含量较低，同时重组药物一般都需注射给药，对其质量、纯度要求高。为获得合格的目的产物，必须建立与上述特点相适应的分离纯化工艺。分离纯化重组药物须重点考虑下列几个技术因素：1.产物的表达形式2.根据蛋白产物性质选用适宜的层析类型3.分离单元之间的衔接4．分离纯化工艺的要求1.产物的表达形式根据外源基因表达产物在宿主细胞中的定位，可将表达方式分为分泌型表达和胞内表达。外源蛋白的分泌表达是通过将外源基因融合到编码信号肽序列的下游来实现的。将外源基因接在信号肽之后，表达产物在信号肽的引导下跨膜分泌出胞外，同时在宿主细胞膜上存在特异的信号肽酶，它识别并切掉信号肽，从而释放出有生物活性的外源基因表达产物。分泌型表达产物的发酵液的体积很大，但浓度较低，因此必须在纯化前富集或浓缩，可以用吸附、沉淀或超滤的方法来进行富集或浓。如果表达产物前没有信号肽序列，它可以可溶形式或不可溶形式（包涵体）存在于细胞中。对于胞内产物，首先要通过离心或过滤的方式收集细胞，并采用适当的方法破壁。在工业生产中常用大肠杆菌作为宿主菌来生产目的蛋白，在大肠杆菌中当外源蛋白的表达量达到20%以上时，它们一般就会以包涵体（inclusionbody）的形式存在。如果蛋白质以胞内可溶表达形式存在，则收集菌体后破壁，离心取上清液，然后用亲和层析或离子交换法进行纯化。在纯化过程中还常采取适当的保护措施，如低温、加入保护剂、尽量缩短纯化工艺及时间等措施来防止产物的降解和破坏。外源蛋白的复性是利用包涵体获得外源蛋白最关键也是最复杂的一步。重组蛋白的复性操作主要有两种方法：一种是将溶液稀释，导致变性剂的浓度降低，促进蛋白质复性。

另外表达产物还可存在于大肠杆菌细胞周质中，这是介于细胞内可溶性表达和分泌表达之间的一种形式，它可以避开细胞内可溶性蛋白和培养基中蛋白类杂质，在一定程度上有利于分离纯化。大肠杆菌经低浓度溶菌酶处理后，可采用渗透冲击的方法来获得周质蛋白。缺点是渗透冲击的方法破壁不完全，产物的收率较低。2.根据蛋白产物性质选用适宜的层析类型基因工程产物常需采用层析来进行精制以达到药用标准。在选择层析类型和条件时要综合考虑蛋白质的性质。如蛋白质的等电点和表面电荷的分布及目的蛋白质的稳定性。亲和层析是一种高效的分离纯化手段，不同的蛋白质可以选用不同的特异性亲和配基，如酶和底物、抗原与抗体、糖链和凝集素等。由于亲和分离的选择性强，因此在产物纯化中具有较大的潜力；疏水作用层析和反相作用层析是利用蛋白质疏水性的差异来分离纯化蛋白质。一般是目的蛋白与配基结合而杂蛋白不结合，目的蛋白吸附后再利用快速变换洗脱液和加入竞争剂的方法进行洗脱。

二者的不同在于疏水作用层析通常在水溶液中进行，蛋白在分离过程中仍保持其天然构象，而反相作用层析是在有机相中进行，蛋白经过反相流动相与固定相的作用有时会发生部分变性；凝胶排阻层析根据蛋白质的相对分子质量以及蛋白质分子的动力学体积的大小来进行分离的，它可应用于蛋白质脱盐和蛋白质分子的分级分离。3.分离单元之间的衔接考虑到工业生产成本，一般早期尽可能采用高效的分离手段，如通常先用非特异、低分辨的操作单元方法，以尽快缩小样品体积，提高产物浓度，去除最主要的杂质；然后采用高分辨率的操作方法，而将凝胶排阻色谱这类分离规模小、分离速度慢的操作单元放在最后，以提高分离效果。当几种方法连用时，最好以不同的分离机制为基础，而且经前一种方法处理样品应能适合于作为后一种方法的料液。如果经盐析后得到的产品，不适宜于离子交换层析，但可直接应用于疏水层析。离子交换、疏水及亲和色谱通常可起到蛋白质浓缩的效应，而凝胶过滤色谱常常使样品稀释，在离子交换色谱之后进行疏水层析色谱就很合适，不必经过缓冲溶液的更换，因为多数蛋白质在高离子强度下与疏水介质结合较强。亲和层析选择性最强，但不能放在第一步，一方面因为杂质多，易受污染，降低使用寿命；另一方面，体积较大，需要大量的介质，而亲和层析介质一般较贵。因此亲和层析多放在第二步以后。有时为了防止介质中毒，在其前面加一保护柱，通常为不带配基的介质。经过亲和层析后，还可能有脱落的配基存在，而且目的蛋白质在分离和纯化过程中会聚合成二聚体或更高的聚合物，特别是当浓度较高，或含有降解产物时更易形成聚合体，因此最后需经过进一步纯化操作，常使用凝胶过滤色谱，也可用高效液相色谱法，但费用较高。4．分离纯化工艺的要求在重组药物分离纯化过程中，通常需要综合使用多种分离纯化技术。另外，作为药品，其生产必须保证安全、无菌、无热源、无污染。1、分离纯化工艺要求有良好的稳定性和重复性，减小原料及设备对产品的影响。2、工艺的步骤尽可能少，时间要尽可能短，以减少生物活性物质的破坏失活。3、组成工艺的各技术、步骤之间及设备间要能相互适应和协调，且高效，收率高，易操作，对设备条件要求低，能耗低，并尽可能少用试剂，以免增加分离纯化步骤或干扰产品质量。第四节

重组药物的质量控制重组药物与其它传统方法生产的药品有许多不同之处，它利用活细胞作为表达系统，并具有复杂的分子结构。它的生产涉及到生物材料和生物学过程，如：发酵、细胞培养、分离纯化目的产物，这些过程有其固有的易变性。同时由于重组技术所获得的蛋白质产品往往在极微量下就可产生显著效应，任何药物性质或剂量上的偏差，都可能贻误病情甚至造成严重危害。原材料质量控制往往采用细胞学、表型鉴定、抗生素抗性检测、限制性内切酶图谱测定、序列分析与稳定性监控等方法。1.需明确目的基因的来源、克隆经过，提供表达载体的名称、结构、遗传特性及其各组成部分的来源与功能，构建中所用位点的酶切图谱，抗生素抗性标志物等；一、原材料质量控制

2.应提供宿主细胞的名称、来源、传代历史、检定结果及其生物学特性等；

3.还需阐明载体引入宿主细胞的方法及载体在宿主细胞内的状态，如是否整合到染色体内及在其中的拷贝数，并证明宿主细胞与载体结合后的遗传稳定性；4.提供插入基因与表达载体两侧端控制区内的核苷酸序列，详细叙述在生产过程中，启动与控制克隆基因在宿主细胞中表达的方法及水平等。在培养过程的质量控制上，要求种子克隆纯而且稳定，在培养过程中工程菌不应出现突变或质粒丢失现象。生产重组药物应有种子批系统，并证明种子批不含致癌因子，无细菌、病毒、真菌和支原体等污染，并由原始种子批建立生产用工作细胞库。原始种子批需确证克隆基因DNA序列，详细叙述种子批来源、方式、保存及预计使用期，保存与复苏时宿主载体表达系统的稳定性。对菌种最高允许的传代次数、维持培养时间等也必须做详细说明。二、培养过程的质量控制在纯化工艺过程的质量控制上，要考虑到尽量去除污染病毒、核酸、宿主细胞杂蛋白、糖及其它杂质，并避免在纯化过程带入的有害物质。如用柱层析技术应提供所用填料的质量认证证明，并证实从柱上不会掉下有害物质。上样前应清洗除去热源等。纯化工艺的每一步均应测定纯度，计算提纯倍数、收率等。纯化工艺过程中应尽量不加入对人体有害的物质，若不得不加时，应设法除净，并在最终产品中检测残余量，应远远低于有害剂量，同时还要考虑到多次使用的积蓄作用。三、纯化工艺过程的质量控制

目前有许多方法可用于对重组技术所获得蛋白质药物进行全面鉴定，如用各种电泳技术分析、高效液相色谱分析、肽图分析、氨基酸成分分析、部分氨基酸序列分析及免疫学分析的方法等。四、对最终产品的质量控制主要包括产品的鉴别、纯度、活性、安全性、稳定性和一致性。

对其纯度测定通常采用的方法有还原性及非还原性SDS、等电聚焦、各种HPLC、毛细管电泳等，需有两种以上不同机制的分析方法相互佐证，以便对目的蛋白质的质量进行综合评价；在其杂质控制上要检测内毒素、热原、宿主细胞蛋白、残余DNA等。对其生物活性需采用国际或国家参考品，或经过国家鉴定机构认可的参比品，以体内或细胞法测定制品的生物学活性，并标明其活性单位；在安全性上需按照“中国生物制品规程”进行无菌试验、热原试验、毒性和安全试验。由于蛋白质结构十分复杂，可能同时存在多种降解途径，因此须在实际条件下长期观测稳定性，对产品一致性、纯度、分子特征和生物效价等多方面的变化情况加以综合评价，确定产品的贮藏条件和使用期限等。第五节

典型重组药物制造技术及工艺下面介绍几种临床上极为重要的重组药物如干扰素、生长素、胰岛素等的生产技术及工艺。5.1重组人干扰素生产技术及工艺5.2重组人胰岛素生产技术及工艺5.3重组人生长素生产技术及工艺5.4重组人促红细胞生成素生产技术及工艺5.1重组人干扰素生产技术及工艺5.1.1重组人干扰素概述干扰素（interferon，IFN）是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。根据干扰素来源及其基因序列和氨基酸组成不同，可将干扰素分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型干扰素的表达细胞来源类似，包括干扰素-α、β、ω、τ和λ。用病毒等刺激外周血浆样树突细胞（pDCs）可以产生干扰素-α、β、ω的13种亚型，3种干扰素-τ亚型和干扰素-λ，但是没有Ⅱ型干扰素-γ。

干扰素的生物学活性相当广泛，主要包括广谱抗病毒活性、直接抗肿瘤活性和免疫调节活性。1.干扰素抗病毒作用的特点是：①不能杀死病毒，只能抑制；②对病毒没有直接的作用，通过细胞核内的基因产生蛋白质因子发挥作用，因此不同细胞对干扰素的敏感不同；③病毒大量复制时引发细胞炎症应答，此时易产生作用；④当病毒DNA已整合到宿主细胞的染色质中时，干扰素不能发挥其抗病毒活性。2.干扰素抗肿瘤作用：①直接抑制肿瘤细胞；②调节宿主抗肿瘤免疫反应；③改变宿主与肿瘤细胞的关系。3．干扰素的免疫调节活性①对免疫监视系统②对免疫防卫系统③对免疫自稳系统的调节干扰素的临床应用广泛。干扰素在机体的免疫系统中起着非常重要的作用，在同种细胞上具有广谱抗病毒、抗细胞分裂和免疫调节等多种生理活性。（1）抗病毒干扰素-α/β能诱导机体对多种肝炎病毒、鼻病毒、人乳头瘤病毒、艾滋病病毒和多种RNA病毒产生抵抗力。（2）治疗肿瘤干扰素是一种较理想的肿瘤抑制蛋白，它能调节正常的和恶性化的细胞生长和分化。 （3）其它应用有报道用干扰素治疗精子缺乏症、多发性硬化症、黄斑变性症等。5.1.2重组人干扰素生产技术和工艺重组人干扰素的生产主要包括工程菌的构建、发酵、发酵产物的分离纯化及制剂加工等单元操作技术和工艺。一、工程菌的构建（1）干扰素基因的克隆（2）干扰素表达载体的构建（3）基因工程菌应具备的特性：①革兰阴性，杆状，长度3～5μm。30℃培养24h，其菌落为2.5～3.0mm，灰绿色半透明状，具有粘稠性。②不能将明胶、淀粉液化为可溶性单糖，不能利用进行厌氧呼吸，能够合成荧光色素。菌株为苏氨酸营养缺陷型，可以利用L-缬氨酸作为碳源。③遗传特性DNA中G+C含量为63%。细胞中携带pVG3质粒，具有硫酸链霉素、盐酸四环素和氨苄青霉素的抗性。④放射性免疫学效价不能低于2.0×109IU/L。（4）菌种库的建立及保存（5）工作菌种库的建立及保存二、重组人干扰素-α2b的发酵工艺及过程控制生产菌种接种菌种活化种子罐培养发酵罐培养发酵液降温菌体搜集离心菌体冷冻保存蒸汽灭菌蒸汽灭菌配制培养基原料蒸汽灭菌1.发酵工艺过程2.发酵过程控制(1)假单胞杆菌的生长和干扰素的生产基本处于不相关状态。(2)一般的，种子培养基的营养成分宜丰富些，尤其是氮源的含量应较高（即C/N低）。(3)发酵要求培养液中有足够的溶解氧，为了提高发酵罐的供养能力，往往需要增大搅拌转速，增加空气流量，或通入纯氧。(4)假单胞杆菌你的生长最适温度与产物形成的最适温度是不同的。稳定而适中的温度既能保证菌体细胞膜的完整和细胞中酶的催化活性，又有利于提高干扰素的产量。(5)pH值发酵过程中，pH的变化由工程菌的代谢、培养基的组成和发酵条件所决定。(6)随着菌体繁殖，使整个发酵过程形成过多和稳定持久的泡沫。可采用机械搅拌和加入少量表面活性剂来消除泡沫。1.重组人干扰素-α2b的分离工艺过程：a.菌体裂解b.沉淀c.离心d.盐析e.离心与储存2.重组人干扰素-α2b纯化工艺过程：

a.配制纯化缓冲液b.溶解粗干扰素c.沉淀除杂质d.离心e.疏水色谱f.沉淀g.超滤h.透析i.阴离子交换色谱j.浓缩和透析k.阴离子交换色谱l.浓缩m.凝胶过滤色谱n.无菌过滤分装o.质量控制3.重组人干扰素-α2b分离工艺控制：a.使用保护剂b.使用絮凝剂c.使用凝聚剂4.重组人干扰素-α2b的纯化工艺控制：a.等电点沉淀b.膜分离c.疏水色谱d.离子交换色谱e.凝胶过滤色谱f.无菌灌装三、分离纯化工艺及过程控制干扰素的分离与纯化分为两个阶段，初级分离阶段和纯化精制阶段。整个分离纯化过程的主要问题是保证干扰素的活性。蛋白质失活的机理概括起来有两点。①一级结构被破坏，导致三维结构的变化，造成失活。②如果一级结构没被破坏，三级和四级结构的变化也可能导致失活。蛋白质活性损失的原因有很多，一般有以下的因素：温度、流体状态、摩擦、剪切力、吸附、截流、pH和介质条件、溶解中气体、微生物、活性抑制剂等。四、重组人干扰素的制剂类型干扰素的剂型也在早期的注射剂的基础上增加了鼻腔内给药系统、软膏剂、栓剂、口含制剂、外用凝胶制剂、长效制剂及缓释制剂等。1.干扰素注射剂：干扰素的主要剂型为注射剂，主要用于病毒感染性疾病和肿瘤的治疗。2.长效干扰素制剂：将聚乙二醇（PEG）分子结合到干扰素上，使其半衰期延长，显著增加了药物在体内保持活性状态的时间，因而患者每周只需要注射一次即可。3.鼻腔内给药系统干扰素-α鼻腔内给药能抑制由鼻病毒引起的实验性感染，因此，可用于鼻病毒引起的呼吸系统感染。4.其它上市制剂：①栓剂②外用凝胶制剂③眼用制剂5.研发中的干扰素制剂①缓释制剂②靶向制剂③口含制剂5.2重组人胰岛素生产技术及工艺.5.2.1重组人胰岛素概述胰岛素（insulin）是多肽激素，由胰脏β细胞合成。成熟的胰岛素由AB双链组成，A链具有21个氨基酸残基，B链具有30个氨基酸残基，3对二硫键，2对链间二硫键，一对链内二硫键，胰岛素的生理功能广泛，能促进糖原合成和糖酵解，产生ATP，降低血糖含量，保持能量供应。缺乏胰岛素时，导致人消瘦，高血糖和丙酮酸中毒，Ⅰ型糖尿病（diabetes）就是缺乏胰岛素引起的。胰岛素主要应用于治疗糖尿病，但长期使用会引起肾和眼病。一系列的研究表明，重组人胰岛素在结构与功能上与天然胰岛素均相同。在获得临床许可之前，人的临床追踪也发现重组胰岛素在控制血糖水平方面与以前的胰岛素产品一样有效。5.2.2重组人胰岛素生产技术及工艺重组人胰岛素的生产主要采用两种宿主表达系统，即大肠杆菌和酵母表达系统。一、大肠杆菌表达系统生产重组人胰岛素大肠杆菌系统表达胰岛素有两个优点，一是表达量高，一般表达产物可以达到大肠杆菌总蛋白量的20%-30%；二是表达产物为不溶解的包含体，所以经过水洗后表达产物的纯度就可以达90%左右，因而易于下游纯化。其缺点是表达出的胰岛素尚没有生物活性，需要变性和复性过程。二、酵母表达系统生产重组人胰岛素 用酵母表达人胰岛素的工艺优点是，表达产物二硫键的结构与位置正确，不需要复性加工处理。其缺点是表达量低，发酵时间长。三、重组人胰岛素的质量控制测定产品的生物活性和含量，控制产品中杂质或潜在有害物质，保证产品的安全性和有效性，胰岛素在临床上长期重复使用，且剂量为毫克级，故必须考虑在生产过程中未除尽异种蛋白质和自身降解产物潜在的危害性，鉴于胰岛素产品上述特点，应特别关注其有关杂质。1.鉴别可用反相HPLC方法分析胰岛素供试品和对照品，二者保留时间一致（相对保留时间为±2%）。2.效价测定现采用国际通用方法RP-HPLC测定效价，此法具有高专属性，其结果与生物活性测定法一致。3.人胰岛素原当表达产物为胰岛素原融合蛋白，则需检查原料中人胰岛素原，常采用非放射性标记方法，用生物素单抗和亲和素酶标记物方法，控制人胰岛素原不得超过0.001%。常规胰岛素注射液应增加高分子蛋白检查，其含量不超过相应标准。5.3重组人生长素生产技术及工艺.5.3.1重组人生长素概述生长素（growthhormone,GH,或somatotropin/Somatotrophin）是动物脑垂体前叶外侧的特异分泌细胞分泌的一种促进生长的蛋白质激素。生长激素具有种属特异性，人生长激素（humangrowthhormone,hGH）为一链状多肽的球形蛋白质。目前重组人生长激素已经在许多国家广泛使用，适应症主要有：①治疗侏儒症及儿童生长素缺乏症，在骨骼未闭合之前使用生长激素，可以刺激骨骼端软骨细胞分化，增殖，刺激软骨基质生长，从而使身体长高；②调节心肾功能，治疗因慢性肾功能不全导致的生长迟缓；③治疗成人生长素缺乏症；④有助于术后的伤口愈合，临床上用于治疗烧伤，溃疡及大手术后的伤口的治疗；⑤用于延缓衰老，改善运动能力，可提高机体的免疫力。5.3.2重组人生长素生产技术及工艺第一代重组人生长激素是采用包含体技术生产的，含有甲硫氨酸，由192个氨基酸残基组成。1.重组人生长激素生产工艺流程与传统的包含体技术相同，分泌型表达技术使生长素以天然构象直接分泌于菌体之外的培养液中，避免了重折叠，收率高，受菌体蛋白污染少，纯度高，更安全。2.基因工程大肠杆菌发酵工艺种子培养过夜，然后进行发酵，发酵时间一般为16-18h,培养温度为37℃，期间发酵液的pH值维持在7.0-7.5，溶解氧不能低于20%。另外在培养过程中需要添加葡萄糖及微量元素。3.重组人生长激素分离工艺 4.重组人生长激素纯化工艺5.重组人生长激素制剂质量控制重组人生长激素冻干制剂，含重组人生长激素应为标示量的90.0%-110.0%。大肠杆菌表达重组人生长激素生产的工艺流程5.4重组人促红细胞生成素生产技术及工艺5.4.1促红细胞生成素概述1.促红细胞生成素（erythropoietin，EPO），又称红细胞生成素或红细胞生成刺激因子（erythropoietinstimulatingfactor，ESF），是调节红系祖细胞，对红细胞生成有特异性刺激作用的细胞因子。促红细胞生成素是一种糖蛋白，在胎儿体内由肾脏及肝脏产生，而在成人体内主要由肾脏产生，占90%。肾功能受到损害，如慢性肾衰竭的患者，促红细胞生成素的产生受阻，可导致贫血。2、促红细胞生成素的种类(1)天然促红细胞生成素：天然促红细胞生成素是以人或动物的尿、血等为材料，经生化技术分离纯化制备。(2)重组人促红细胞生成素：重组人促红细胞生成素是以基因工程技术生产的人促红细胞生成素。3、促促红细胞生成素的临床应用重组促红细胞生成素是目前临床上治疗慢性肾衰性贫血疗效最显著的生物技术药物。

5.4.2重组人促红细胞生成素生产技术及工艺（一）重组人促红细胞生成素表达细胞系的构建：1、重组人促红细胞生成素表达载体的构建有两种方式获得编码人促红细胞生成素基因。一种是提取胎肝染色体DNA，然后以特异性寡核苷酸为引物，经PCR扩增出人促红细胞生成素的基因片段，体外拼接，然后与克隆载体连接。或是筛选