1、微生物与生化药学微生物与生化药学刘叔文刘叔文丘玉昌丘玉昌徐学清徐学清邹邹 敏敏药学一级学科分类药学一级学科分类l六个二级学科六个二级学科l药物化学药物化学l药剂学药剂学l药理学药理学l药物分析学药物分析学l生药学生药学l微生物与生化药学（微生物与生物技术药物学）微生物与生化药学（微生物与生物技术药物学）学科方向（增加）：学科方向（增加）：临床药学临床药学社会与管理药学社会与管理药学微生物与生化药学微生物与生化药学l研究微生物药物、生物技术药物和生研究微生物药物、生物技术药物和生化药物的新药发现、研究开发、生产化药物的新药发现、研究开发、生产技术、质量控制及临床应用的理论和技术、质量控制及临床应
2、用的理论和技术的一门学科。技术的一门学科。微生物与生化药学微生物与生化药学l微生物制药微生物制药l新的抗菌素上市较少，研究主要集中在微生物菌种新的抗菌素上市较少，研究主要集中在微生物菌种选育、发酵工艺等提高抗菌素产率的生物技术下游选育、发酵工艺等提高抗菌素产率的生物技术下游领域。领域。l利用微生物进行药物的生物转化和代谢研究。利用微生物进行药物的生物转化和代谢研究。l生化制药生化制药l从动植物中提取分离的一类用于预防、治疗和诊断从动植物中提取分离的一类用于预防、治疗和诊断疾病的制品，主要是蛋白、多肽、核酸、糖、脂等。疾病的制品，主要是蛋白、多肽、核酸、糖、脂等。l生物技术制药生物技术制药 第一
3、章第一章 绪论绪论一、生物技术的概念一、生物技术的概念l生物技术（生物技术（Biotechnology）l又称为又称为生物工程生物工程（Bioengineering）l以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，生产出所需设计改造生物体或加工生物原料，生产出所需产品或达到某种目的的技术。产品或达到某种目的的技术。生物学生物学生物生物化学化学生物生物技术技术化学化学工程工程化化 学学工程学工程学生物生物工程工程生物技术生物技术酶工程酶工程细胞工程细胞工
4、程基因工程基因工程发酵工程发酵工程发酵工程环境工程代谢工程新型能源和清洁能源开拓新型生物传感器酶的分子修饰单克隆抗体技术细胞融合技术细胞培养技术组织培养技术干细胞技术蛋白质工程转基因动植物基因治疗基因芯片基因工程生物技术的应用领域生物技术的应用领域l医药生物技术医药生物技术l药物生物技术药物生物技术l农业生物技术农业生物技术l植物生物技术植物生物技术l动物生物技术动物生物技术l食品生物技术食品生物技术l环境生物技术环境生物技术生物技术与农业生物技术与农业可持续发展农业：转基因农作物可持续发展农业：转基因农作物生物技术与工业生物技术与工业生物技术的发展阶段生物技术的发展阶段传统生物技术传统生物技
5、术 传统酿造技术（食物酿造）传统酿造技术（食物酿造）近代生物技术近代生物技术 近代酿造技术（化工酿造）近代酿造技术（化工酿造）现代生物技术现代生物技术 基因工程、细胞工程等基因工程、细胞工程等传统酿造技术传统酿造技术：技术简单，产品简单：技术简单，产品简单奶酪奶酪厌氧发酵（米酒）厌氧发酵（米酒）传统酿造技术传统酿造技术近代生物技术（化工酿造）近代生物技术（化工酿造）：发酵新技术、新产品（抗生素、酶等）的出现发酵新技术、新产品（抗生素、酶等）的出现现代生物技术现代生物技术DNA双螺旋结构的发现（双螺旋结构的发现（1953年）年）基因的重组和克隆（基因的重组和克隆（1968）单克隆抗体技术（197
6、5）诱导多能干细胞技术（诱导多能干细胞技术（iPS)（2007）二、生物技术药物二、生物技术药物生物技术药物的概念生物技术药物的概念l生物药物（Biological drugs)l运用传统学科的原理和方法，从生物体、组织、细胞和体液等制造的用于预防、治疗和诊断疾病的制品。l生物技术药物（Biotechnological drugs)l采用DNA重组技术或其他生物技术生产的用于预防、治疗和诊断疾病的药物，主要是重组蛋白或核酸类药物。按用途分类：按用途分类：（1）治疗药物）治疗药物 对许多常见病和多发病，生物药物都有对许多常见病和多发病，生物药物都有 较好的疗效。较好的疗效。胰岛素、胰岛素、G-C
7、SF、EPO等等（2）预防药物）预防药物 各种疫苗各种疫苗生物技术药物的分类生物技术药物的分类（3）作为诊断药物）作为诊断药物 绝大部分临床诊断试剂都来自生物技术药物。绝大部分临床诊断试剂都来自生物技术药物。免疫诊断试剂免疫诊断试剂 酶诊断试剂酶诊断试剂 器官功能诊断药物器官功能诊断药物 放射性核素诊断药物放射性核素诊断药物 诊断用单克隆抗体诊断用单克隆抗体（McAb）诊断用DNA芯片 细胞因子类药物细胞因子类药物 激素类药物激素类药物 酶与辅酶类药物酶与辅酶类药物 疫苗疫苗 单克隆抗体药物单克隆抗体药物 反义核酸药物反义核酸药物 RNA干扰干扰(RNAi)药物药物 基因治疗药物基因治疗药物按
8、作用类型分类：按作用类型分类：按生化特性分类：l多肽类药物多肽类药物l蛋白质类药物蛋白质类药物l核酸类药物核酸类药物l聚乙二醇聚乙二醇(PEG)化多肽或蛋白质药物化多肽或蛋白质药物生物技术药物的特性生物技术药物的特性疾病疾病主要是机体受到内外环境的改主要是机体受到内外环境的改变而使代谢失常，导致起调控作用的酶、变而使代谢失常，导致起调控作用的酶、激素及核酸、蛋白质等激素及核酸、蛋白质等生物活性物质生物活性物质自自身或环境发生障碍。身或环境发生障碍。在机体需要时（如生病时），应用这些在机体需要时（如生病时），应用这些生物活性物质生物活性物质作为药物来补充调整、增作为药物来补充调整、增强、抑制、替
9、换或纠正人体的代谢失调，强、抑制、替换或纠正人体的代谢失调，势必比较地有效和合理。势必比较地有效和合理。理化性质特性理化性质特性l相对分子量大相对分子量大l胰岛素胰岛素5.7KD，EPO 34KD，L-天冬氨酸酶天冬氨酸酶135KDl结构复杂结构复杂l一二三四级结构一二三四级结构l糖蛋白的复杂糖链糖蛋白的复杂糖链l稳定性差稳定性差l蛋白质变性失活蛋白质变性失活l蛋白酶蛋白酶/核酸酶降解核酸酶降解药理学作用特性药理学作用特性l活性与作用机制明确活性与作用机制明确l作用针对性强作用针对性强l毒性低毒性低l体内半衰期短体内半衰期短l有种属特异性有种属特异性l猪牛羊的生长激素（猪牛羊的生长激素（GH）
10、对人不呈现促生）对人不呈现促生长效应长效应l可产生免疫原性可产生免疫原性生产制备特性生产制备特性l药物分子在原料中的含量低药物分子在原料中的含量低l原料液中长存在降解目标产物的杂质原料液中长存在降解目标产物的杂质l制备工艺条件温和制备工艺条件温和l分离纯化困难分离纯化困难l产品易受有害物质污染产品易受有害物质污染l受微生物污染而产生热原和免疫原性物质受微生物污染而产生热原和免疫原性物质质量控制特性质量控制特性l质量标准内容的特殊性质量标准内容的特殊性l包含基本要求、制造、检定等内容包含基本要求、制造、检定等内容l制造项下的特殊规定制造项下的特殊规定l工程细胞和工程菌的情况工程细胞和工程菌的情况
11、l原液和成品的制备方法原液和成品的制备方法l检定项下的特殊规定检定项下的特殊规定l原液检定、半成品检定、成品检定原液检定、半成品检定、成品检定l残余抗生素活性、生物学活性、宿主蛋白质残余残余抗生素活性、生物学活性、宿主蛋白质残余量、细菌内毒素检查等量、细菌内毒素检查等三、生物技术制药的研究内容和任务三、生物技术制药的研究内容和任务生物技术制药：生物技术制药：采用生物技术的原理，研究、开发和生产采用生物技术的原理，研究、开发和生产用于预防、治疗和诊断疾病的药物。用于预防、治疗和诊断疾病的药物。主要的研究内容：主要的研究内容：发酵工程发酵工程酶工程酶工程基因工程基因工程细胞工程细胞工程蛋白质工程蛋
12、白质工程（一）生物制药技术的研究、开发和应用（一）生物制药技术的研究、开发和应用抗体工程抗体工程糖链工程大规模培养生物反应器l应用基因工程技术大量生产天然存在量极微或应用基因工程技术大量生产天然存在量极微或难以获得的药物难以获得的药物l应用蛋白质工程技术设计新的药物应用蛋白质工程技术设计新的药物l应用酶工程技术改变药用酶的性质应用酶工程技术改变药用酶的性质l应用生物技术改造传统制药工艺应用生物技术改造传统制药工艺l生物转化技术生物转化技术（二）利用生物技术研究、开发和生产药物（二）利用生物技术研究、开发和生产药物发酵工程发酵工程运用微生物学、生物化学和化学工程学的运用微生物学、生物化学和化学工
13、程学的原理，利用微生物的特定性状，通过现代原理，利用微生物的特定性状，通过现代工程技术在生物反应器中生产药用物质的工程技术在生物反应器中生产药用物质的一种技术。一种技术。是生物技术的是生物技术的支柱支柱：从传统的发酵产品，到现代基因工程技从传统的发酵产品，到现代基因工程技术产品，大都需要通过发酵技术获得。术产品，大都需要通过发酵技术获得。传统发酵：传统发酵：白糖、普通酵母菌粉、泡达粉，一起混合放入，制作玉米面发糕白糖、普通酵母菌粉、泡达粉，一起混合放入，制作玉米面发糕 近代发酵：抗生素的深层发酵近代发酵：抗生素的深层发酵现代发酵，主要表现为生物反应器和现代发酵，主要表现为生物反应器和传感器的改
14、进和自动控制技术的发展传感器的改进和自动控制技术的发展 发酵工程的主要研究内容：发酵工程的主要研究内容：微生物菌种的选育微生物菌种的选育发酵条件的优化和控制发酵条件的优化和控制反应器的设计反应器的设计产物的分离、提取和精制产物的分离、提取和精制将外源目的将外源目的DNA片段插入到各种载体片段插入到各种载体（质粒、噬菌体、病毒）中，形成新（质粒、噬菌体、病毒）中，形成新的遗传物质（重组的遗传物质（重组DNA），然后将重），然后将重组组DNA宿主细胞中进行扩增和表达。宿主细胞中进行扩增和表达。基因工程基因工程是生物技术的是生物技术的核心技术核心技术。基因工程的操作过程 基因工程在生物医药中的应用基
15、因工程在生物医药中的应用1982年，年，rh-Insulin投放市场，标志基因投放市场，标志基因工程药物产业化的开端工程药物产业化的开端重磅炸弹：重磅炸弹：rhEPO,rhG-CSF,rhuGH,rhGM-CSF,rhInsulin,rhIFN等年销售额等年销售额数亿甚至数十亿的药物数亿甚至数十亿的药物细胞工程细胞工程在细胞水平研究细胞融合、基因导入、在细胞水平研究细胞融合、基因导入、染色体导入、细胞核移植、细胞大规模染色体导入、细胞核移植、细胞大规模培养等技术，从而获得具有优良性状的培养等技术，从而获得具有优良性状的工程细胞，进行药物的生产。工程细胞，进行药物的生产。植物细胞工程、动物细胞工
16、程植物细胞工程、动物细胞工程显微镜下看到的离体培养细胞显微镜下看到的离体培养细胞细胞融合技术细胞融合技术细胞核移植技术细胞核移植技术酶工程酶工程 酶工程的主要内容酶工程的主要内容酶、细胞的固定化酶、细胞的固定化酶的修饰改造酶的修饰改造酶生物反应器的设计酶生物反应器的设计 酶与细胞固定化酶与细胞固定化通过物理或化学方法处理，使酶限制或通过物理或化学方法处理，使酶限制或固定于特定的空间，不易随着水流失，固定于特定的空间，不易随着水流失，同时又能发挥催化作用。同时又能发挥催化作用。EEEEEEEEEEEEEEEEEEE吸附法共价结合法交联法包埋法 酶分子的改造酶分子的改造分子修饰的方法改变已分离的天
17、然酶分子修饰的方法改变已分离的天然酶的结构；的结构；应用分子修饰与基因工程相结合的方应用分子修饰与基因工程相结合的方式改造酶分子式改造酶分子 酶反应器酶反应器利用酶所具有的催化功能，利用酶所具有的催化功能，在体外模拟酶的催化反应在体外模拟酶的催化反应而设计的装置。而设计的装置。酶工程在医药工业中的广泛应用酶工程在医药工业中的广泛应用利用固定化的青霉素酰化酶生产利用固定化的青霉素酰化酶生产6-氨基青霉烷酸氨基青霉烷酸生产医药中间体和前体生产医药中间体和前体大肠杆菌大肠杆菌细胞细胞固定化细胞固定化细胞青霉素青霉素G转化液转化液抽提抽提6APA转化转化培养培养固定固定抗体工程抗体工程 抗体的用途抗体
18、的用途 诊断诊断 治疗治疗利妥昔单抗曲妥珠单抗帕丽珠单抗 抗体工程的研究内容抗体工程的研究内容单克隆抗体的生产单克隆抗体的生产鼠源抗体的人源化鼠源抗体的人源化抗体库的建立抗体库的建立转基因产生人源化抗体转基因产生人源化抗体抗体与药物、毒素的结合抗体与药物、毒素的结合生物转化生物转化利用微生物细胞的一种或多种酶，把利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的、更有一种化合物转变成结构相关的、更有经济价值的产物的生化反应。经济价值的产物的生化反应。特异性强：特异性强：反应特异性反应特异性 结构位置特异性结构位置特异性 立体特异性立体特异性传统生产传统生产维生素维生素C的方法：的方法：
19、1933年德国人发明的的年德国人发明的的“莱氏化学莱氏化学法法”，它需要经过五道工序（一步发酵、酮化、氧化、转化和，它需要经过五道工序（一步发酵、酮化、氧化、转化和精制。精制。二步发酵法生产维生素二步发酵法生产维生素C：以第一步发酵所得的以第一步发酵所得的L山梨糖为原山梨糖为原料，一株氧化葡萄糖酸杆菌（料，一株氧化葡萄糖酸杆菌（“小菌小菌”）和一株假单胞杆菌）和一株假单胞杆菌（“大菌大菌”），大小两种菌自然组合的），大小两种菌自然组合的混合菌株混合菌株再进行第二步再进行第二步发酵生成（发酵生成（-）2-酮基酮基-L-古龙酸，再进行转化精制得到维生素古龙酸，再进行转化精制得到维生素C。优势：优势
20、：1）以生物氧化代替化学氧化，省掉了酮化反应；）以生物氧化代替化学氧化，省掉了酮化反应；2）节约了大量易燃、易爆、有毒的化工原料，大大减少）节约了大量易燃、易爆、有毒的化工原料，大大减少“三废三废”处理，改善了劳动条件，利于安全生产；处理，改善了劳动条件，利于安全生产；3）减少生产工序和生产设备，缩短了生产周期，降低了）减少生产工序和生产设备，缩短了生产周期，降低了原料成本。原料成本。举例举例四、生物技术制药的发展历程和趋势四、生物技术制药的发展历程和趋势飞速发展的飞速发展的40年年l生物时代（生物时代（70年代中期年代中期-80年代中期）年代中期）l1982年重组胰岛素上市年重组胰岛素上市l
21、技术平台时代（技术平台时代（80年代中期年代中期-90年代中期）年代中期）l很多生物技术平台用于药物的探索性研究很多生物技术平台用于药物的探索性研究l基因组时代（基因组时代（90年代中期年代中期-2006年）年）l后基因组时代（后基因组时代（2006年年-）各国生物技术制药的概况各国生物技术制药的概况美国：美国：起步早，资金投入大，居领先地位起步早，资金投入大，居领先地位欧盟、日本：欧盟、日本：紧跟其后紧跟其后其他（包括中国）：其他（包括中国）：有待发展有待发展生物技术药物的发展趋势生物技术药物的发展趋势 PEG化蛋白质药物化蛋白质药物 治疗性抗体药物发展迅猛治疗性抗体药物发展迅猛 新型疫苗不断出现，防、治兼具，且不新型疫苗不断出现，防、治兼具，且不止用于传染病止用于传染病 核酸药物将发挥重大作用核酸药物将发挥重大作用 干细胞治疗与组织工程、药物新靶点、干细胞治疗与组织工程、药物新靶点、诊断用生物芯片开发逐渐成为生物技术诊断用生物芯片开发逐渐成为生物技术药物研究的重点药物研究的重点
