《生物技术制药》课程笔记

《生物技术制药》课程笔记
第一章：绪论
一、生物技术的发展史
1.1 生物技术概述
生物技术是指人们利用微生物、动植物体对物质、能量、信息进行操纵的技术。

它广泛应用于食品、农业、环境保护、能源、医药等领域。

1.2 生物技术的发展简史
生物技术的发展可以分为三个阶段：
（1）传统生物技术阶段：早在公元前22世纪，中国就开始了酿酒、制酱、制醋等传统生物技术应用。

此后，世界各国也逐渐发展了各自的发酵技术。

（2）现代生物技术阶段：20世纪初，科学家们开始研究酶和微生物，发现了遗传物质DNA和RNA，并逐步揭示了生物体的遗传密码。

这一阶段的代表性成果包括抗生素的发现、遗传工程的创立以及生物制品的生产。

（3）生物技术革命阶段：20世纪70年代末，基因工程技术的发展使生物技术进入了一个新的时代。

基因克隆、基因编辑、基因组学等技术的突破，为生物技术在医药、农业、能源等领域的应用开辟了广阔前景。

二、生物技术药物
1.2.1 生物技术药物概述
生物技术药物是指利用生物技术方法生产的药物，主要包括蛋白质药物、抗体、疫苗、寡核苷酸药物等。

1.2.2 生物技术药物的特性
生物技术药物具有以下特点：
（1）高特异性：生物技术药物针对性强，能够精确作用于疾病相关分子。

（2）低毒性：生物技术药物通常来源于自然界中的生物体，毒副作用较低。

（3）复杂性：生物技术药物的结构复杂，生产过程需要严格控制条件。

（4）生产成本高：生物技术药物的生产设备、工艺和原材料成本较高。

三、生物技术制药
1.3.1 生物技术制药概述
生物技术制药是指利用生物技术方法生产药物的过程。

它主要包括基因工
程、细胞培养、蛋白质工程等技术。

1.3.2 生物技术制药特征
生物技术制药具有以下特征：
（1）生产过程高度自动化、精确化。

（2）药物作用机制明确，针对性强。

（3）生产周期较长，生产成本较高。

（4）药物质量和安全性要求严格。

1.3.3 生物技术在制药中的应用
生物技术在制药领域的应用主要包括：
（1）生产生物技术药物，如蛋白质药物、抗体、疫苗等。

（2）开发新药，如基因治疗药物、细胞治疗药物等。

（3）改进药品生产工艺，提高药品质量和产量。

（4）为药物筛选和评价提供高效的生物模型。

1.3.4 我国生物技术制药现状和发展前景
近年来，我国生物技术制药产业取得了显著成果，部分产品和技术已达到国际先进水平。

未来，我国生物技术制药产业将继续保持快速发展态势，有望在全球市场占据重要地位。

第二章：基因工程制药
一、基因工程药物生产的过程
基因工程药物生产是一个复杂的过程，包括目的基因的获得、基因表达、基因工程菌的不稳定性以及对策、基因工程菌中试、基因工程菌的培养、高密度发酵、基因工程药物的分离纯化、基因工程药物的质量控制等环节。

二、目的基因的获得
获得目的基因是基因工程药物生产的第一步，可以通过以下方法：
1. PCR扩增：通过设计引物，从基因文库、基因组DNA或cDNA中扩增出目的基因。

2. 克隆：将目的基因插入到适当的载体中，如质粒、噬菌体、酵母菌等，形成重组DNA。

3. 合成：通过化学合成方法直接合成目的基因。

三、基因表达
将获得的目的基因插入到表达载体中，转入宿主细胞中进行表达。

基因表达系统包括原核表达系统和真核表达系统。

1. 原核表达系统：如大肠杆菌、枯草杆菌等，表达速度快，操作简便，但蛋白质折叠和修饰功能有限。

2. 真核表达系统：如酵母、昆虫细胞、哺乳动物细胞等，表达产物接近人体内环境，但表达周期长，操作复杂。

四、基因工程菌的不稳定性以及对策
基因工程菌在传代过程中容易出现不稳定现象，如基因丢失、突变等。

对策包括：
1. 优化培养条件：如温度、pH、溶氧等，提高菌体生长速度和表达能力。

2. 选择稳定的宿主菌株：筛选具有良好稳定性的菌株作为宿主。

3. 增强载体稳定性：使用高拷贝数载体、增强载体在菌体内的稳定性等。

五、基因工程菌中试
在实验室小规模表达成功后，需要进行中试放大实验，以验证生产工艺的可行性和稳定性。

中试实验的规模一般为10-1000L。

六、基因工程菌的培养
基因工程菌的培养包括种子培养和发酵培养两个阶段。

种子培养是为了获得大量的菌种，发酵培养是为了获得大量的目的蛋白。

七、高密度发酵
高密度发酵是通过优化发酵条件，使菌体密度达到较高水平，从而提高目的蛋白的产量。

发酵条件包括温度、pH、溶氧、搅拌速度等。

八、基因工程药物的分离纯化
基因工程药物的分离纯化一般包括以下几个步骤：
1. 发酵液的预处理：如离心、过滤等，去除菌体和杂质。

2. 初步分离：如盐析、离子交换层析等，将目的蛋白从发酵液中分离出来。

3. 精纯化：如凝胶过滤层析、反相色谱等，进一步提高目的蛋白的纯度。

4. 灭菌：如过滤灭菌、γ射线照射等，保证产品的无菌状态。

九、基因工程药物的质量控制
基因工程药物的质量控制包括以下几个方面：
1. 结构确证：通过光谱、色谱等方法，确认目的蛋白的结构。

2. 生物活性检测：通过细胞实验、动物实验等，检测目的蛋白的生物活性。

3. 杂质检测：检测产品中的杂质，如DNA、内毒素、蛋白质杂质等。

4. 安全性评价：通过毒理学、药理学等实验，评价产品的安全性。

第三章：动物细胞制药
一、动物细胞特点与动物细胞制药概述
1.1 动物细胞特点
动物细胞具有以下特点：
（1）结构和功能复杂：动物细胞具有多种细胞器，能进行复杂的生物合成和代谢反应。

（2）生长周期长：动物细胞的生长周期相对较长，一般为几天至几十天。

（3）对环境敏感：动物细胞对培养条件、营养物质、温度、pH等有较高的要求。

1.2 动物细胞制药概述
动物细胞制药是利用动物细胞培养技术生产药物的过程。

它主要包括生产用动物细胞的要求和获得、动物细胞培养条件和培养基、动物细胞大量培养的方法和操作方式、动物细胞培养工艺、动物细胞培养条件检测与优化等环节。

二、生产用动物细胞的要求和获得
2.1 生产用动物细胞的要求
生产用动物细胞应满足以下要求：
（1）高表达量：目的蛋白在细胞内的表达量要高，以提高生产效率。

（2）高稳定性：细胞在传代过程中要具有较好的遗传稳定性。

（3）低毒性：细胞自身不产生有毒物质，以保证产品的安全性。

（4）易培养：细胞对培养条件的要求较低，易于放大培养。

2.2 生产用动物细胞的获得
生产用动物细胞的获得方法有：
（1）原代培养：从动物组织中分离出细胞，进行初次培养。

（2）传代培养：将原代培养的细胞进行传代，筛选出适合生产的细胞株。

（3）细胞株和细胞系：通过筛选和遗传改造，获得具有特定生产能力的细胞株和细胞系。

三、动物细胞培养条件和培养基
3.1 动物细胞培养条件
动物细胞培养条件包括：
（1）温度：一般为37℃，根据细胞类型和培养阶段可能有所调整。

（2）pH：一般为7.2-7.4，需维持稳定。

（3）氧气和二氧化碳：细胞培养需要一定的氧气浓度，一般为5% CO2 和95%空气。

3.2 动物细胞培养基
动物细胞培养基一般为合成培养基，包括以下成分：
（1）氨基酸：提供细胞生长所需的氮源。

（2）维生素：细胞生长所必需的辅助因子。

（3）糖类：提供能量和碳源。

（4）无机盐：维持细胞内外渗透压和电位平衡。

（5）生长因子和激素：促进细胞生长和分化。

四、动物细胞大量培养的方法和操作方式
4.1 动物细胞大量培养方法
动物细胞大量培养方法包括：
（1）悬浮培养：细胞在液体培养基中悬浮生长，适用于工业化生产。

（2）贴壁培养：细胞贴附在培养容器表面生长，适用于实验室研究和小规模生产。

4.2 动物细胞大量培养操作方式
动物细胞大量培养操作方式包括：
（1）批次培养：将细胞接种于培养基中，培养至一定程度后收获。

（2）连续培养：将细胞接种于培养基中，定期取出部分培养液，补充新鲜培养基。

（3）灌流培养：将细胞接种于培养容器中，不断流动培养基，以提供养分和去除代谢废物。

五、动物细胞培养工艺
动物细胞培养工艺包括：
（1）种子细胞准备：从细胞库中取出细胞，进行扩增培养，获得足够的种子细胞。

（2）接种：将种子细胞接种于培养容器中，开始培养过程。

（3）培养：根据细胞类型和培养方法，进行悬浮培养或贴壁培养。

（4）收获：当细胞生长至一定程度，收获细胞或培养液，进行后续的分离纯化工作。

六、动物细胞培养条件检测与优化
6.1 动物细胞培养条件检测
动物细胞培养条件检测包括：
（1）细胞密度：通过细胞计数，检测细胞密度，评估细胞生长情况。

（2）代谢活性：通过检测代谢产物的含量，评估细胞代谢活性。

（3）目的蛋白表达量：通过免疫检测等方法，检测目的蛋白的表达量。

6.2 动物细胞培养条件优化
根据检测结果，对培养条件进行优化，包括调整培养基成分、温度、pH、氧气和二氧化碳浓度等，以提高细胞生长和目的蛋白的表达量。

第四章：抗体工程制药
一、抗体概述
1.1 抗体的定义和结构
抗体是一种免疫蛋白，由B淋巴细胞分泌，用于识别和中和入侵生物体的外来物质，如细菌、病毒等。

抗体分子由两个重链和两个轻链组成，通过二硫键连接，形成Y字形结构。

1.2 抗体的分类
根据抗原结合部位的不同，抗体可分为IgG、IgA、IgM、IgD和IgE五类。

其中，IgG是最常见的抗体类别，约占血清中免疫球蛋白的75%。

二、基因工程抗体
2.1 基因工程抗体的概念
基因工程抗体是指利用重组DNA技术，对免疫球蛋白基因进行改造，制备出的具有特定性能的抗体。

2.2 基因工程抗体的制备方法
基因工程抗体的制备方法包括：
（1）嵌合抗体：将小鼠抗体的可变区和人抗体的常变区进行基因重组，制备出的抗体具有小鼠的抗原识别能力和人的免疫效应功能。

（2）人源化抗体：对小鼠抗体进行基因改造，将小鼠抗体的大部分氨基酸序列替换为人类抗体序列，降低小鼠抗体的人源异源性。

（3）全人源抗体：利用人类抗体基因，通过基因工程技术，制备出的完全人源抗体。

三、人源化抗体
3.1 人源化抗体的概念
人源化抗体是指将小鼠抗体的可变区氨基酸序列替换为人类抗体的氨基酸序列，降低小鼠抗体的人源异源性，提高其在人体内的安全性和有效性。

3.2 人源化抗体的制备方法
人源化抗体的制备方法包括：
（1）CDR移植：将小鼠抗体可变区的互补决定区（CDR）移植到人抗体的框架区，构建出的抗体具有小鼠的抗原识别能力和人的免疫效应功能。

（2）veneering：在CDR移植的基础上，进一步将小鼠抗体可变区的部分氨基酸序列替换为人类抗体的氨基酸序列，降低小鼠抗体的人源异源性。

四、全人源抗体
4.1 全人源抗体的概念
全人源抗体是指完全利用人类抗体基因，通过基因工程技术，制备出的抗体。

4.2 全人源抗体的制备方法
全人源抗体的制备方法包括：
（1）噬菌体展示技术：利用噬菌体展示技术，从人类抗体库中筛选出特定抗原的抗体。

（2）转基因小鼠：将人类抗体基因导入小鼠，制备出的抗体具有人类的抗原识别能力和免疫效应功能。

五、抗体制药从生产到临床
5.1 抗体制药的生产
抗体制药的生产包括：
（1）细胞培养：利用哺乳动物细胞培养技术，大规模生产抗体。

（2）分离纯化：通过层析、离心等方法，从培养液中分离纯化抗体。

（3）制剂：将纯化后的抗体进行制剂，如冻干、液体等。

5.2 抗体制药的临床应用
抗体制药在临床上的应用包括：
（1）肿瘤治疗：利用抗体的靶向性，将抗体与化疗药物、放射性同位素等结合，实现肿瘤的精准治疗。

（2）自身免疫性疾病：利用抗体调节免疫系统的功能，治疗自身免疫性疾病，如类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮等。

（3）感染性疾病：利用抗体的中和作用，治疗感染性疾病，如呼吸道合胞病毒感染、乙型肝炎等。

六、抗体在诊断中的应用
6.1 抗体在免疫诊断中的应用
抗体在免疫诊断中的应用包括：
（1）酶联免疫吸附试验（ELISA）：利用抗体与抗原的特异性结合，检测抗原或抗体。

（2）免疫荧光法（IFA）：利用荧光标记的抗体，检测细胞或组织中的抗原。

（3）放射免疫测定（RIA）：利用放射性同位素标记的抗体，检测抗原或抗体。

6.2 抗体在分子诊断中的应用
抗体在分子诊断中的应用包括：
（1）原位杂交（ISH）：利用抗体与核酸探针的特异性结合，检测组织中的基因表达。

（2）免疫组化（IHC）：利用抗体与抗原的特异性结合，检测组织中的蛋白质表达。

第五章：疫苗
一、疫苗概述
1.1 疫苗的定义和作用
疫苗是一种生物制品，用于预防传染病。

它通过引入弱化或死亡的病原体、其部分成分或基因，刺激人体免疫系统产生抗体和记忆细胞，从而达到预防疾病的目的。

1.2 疫苗的历史和发展
疫苗的历史可以追溯到公元10世纪的中国，当时使用天花痂粉进行预防。

18世纪，英国医生爱德华·詹纳发明了牛痘疫苗，标志着现代疫苗学的开始。

此后，疫苗研究和开发取得了巨大进展，如脊髓灰质炎疫苗、麻疹疫苗等。

二、疫苗的组成
2.1 病原体成分
疫苗中的病原体成分可以是弱化或死亡的病原体，如流感疫苗中的流感病毒；也可以是病原体的部分成分，如破伤风疫苗中的毒素。

2.2 辅助成分
辅助成分包括佐剂、稳定剂、防腐剂等，用于提高疫苗的效果和稳定性。

三、疫苗分类和特点
3.1 疫苗分类
根据疫苗的制备方法和成分，可分为以下几类：
（1）活疫苗：使用弱化或改变的活病原体制备，如麻疹疫苗、腮腺炎疫苗等。

（2）死疫苗：使用灭活或死亡的病原体制备，如流感疫苗、乙型肝炎疫苗等。

（3）亚单位疫苗：仅包含病原体的部分成分，如破伤风疫苗、乙型肝炎疫苗等。

（4）基因工程疫苗：使用重组DNA技术制备，如HPV疫苗、重组乙型肝炎疫苗等。

3.2 疫苗特点
不同类型的疫苗具有不同的特点，如活疫苗免疫力强、持续时间长，但可能
有安全隐患；死疫苗安全性高，但免疫力相对较弱、需要多次接种。

四、疫苗研发技术
4.1 病原体培养和扩增
疫苗研发的第一步是病原体的培养和扩增，包括细菌、病毒等。

4.2 病原体弱化或灭活
对于活疫苗，需要对病原体进行弱化处理；对于死疫苗，需要对病原体进行灭活处理。

4.3 疫苗成分的提取和纯化
从病原体中提取有效的抗原成分，如蛋白质、多糖等，并进行纯化。

4.4 疫苗的配方和制剂
根据疫苗的类型和用途，选择适当的配方和制剂方法，如冻干、液体等。

五、疫苗的生产技术
5.1 疫苗的大规模生产
疫苗的大规模生产包括细胞培养、微生物发酵、蛋白质表达等。

5.2 疫苗的质控和检验
疫苗生产过程中需要进行严格的质控和检验，确保疫苗的安全性和有效性。

六、疫苗的质量控制
6.1 疫苗的质量标准
疫苗的质量标准包括抗原含量、纯度、安全性等方面。

6.2 疫苗的质量检验
疫苗的质量检验包括抗原含量检测、无菌检测、热稳定性检测等。

6.3 疫苗的批签发和监管
疫苗的批签发和监管由药品监督管理部门负责，确保疫苗的质量和安全性。

第六章：酶工程制药
一、酶工程概述
1.1 酶的定义和特点
酶是一种生物催化剂，能够加速化学反应的速度。

酶具有高度的特异性、高效性和可调节性。

1.2 酶工程的定义和应用
酶工程是应用生物学、化学、工程学等领域的知识，对酶进行改造和设计，以满足工业、医疗、环保等领域需求的一门学科。

酶工程的应用包括制药、食品加工、生物燃料生产等。

二、酶和细胞的固定化
2.1 固定化的概念和意义
固定化是将酶或细胞固定在一定的载体上，以提高其稳定性、重复使用性和分离纯度。

2.2 酶的固定化方法
酶的固定化方法包括：
（1）物理吸附法：利用物理吸附作用，将酶吸附在载体表面。

（2）化学偶联法：通过化学键合作用，将酶与载体偶联。

（3）包埋法：将酶包埋在载体内部，形成固定化酶。

2.3 细胞的固定化方法
细胞的固定化方法包括：
（1）包埋法：将细胞包埋在载体内部，形成固定化细胞。

（2）化学偶联法：通过化学键合作用，将细胞与载体偶联。

三、固定化酶和固定化细胞的反应器
3.1 固定化酶反应器
固定化酶反应器包括搅拌式反应器、流化床反应器、固定床反应器等。

它们能够提供适宜的反应条件，如温度、pH、底物浓度等。

3.2 固定化细胞反应器
固定化细胞反应器包括搅拌式反应器、气升式反应器、固定床反应器等。

它们能够提供适宜的细胞生长和代谢条件。

四、酶的人工模拟
4.1 酶的人工模拟的概念
酶的人工模拟是利用非生物材料，如有机催化剂、金属有机框架等，模拟酶的催化功能。

4.2 酶的人工模拟的应用
酶的人工模拟在制药、环保、生物分析等领域具有广泛的应用前景。

五、酶的化学修饰
5.1 酶的化学修饰的概念和方法
酶的化学修饰是通过化学手段对酶进行改造，以提高其稳定性、活性、选择性等。

酶的化学修饰方法包括糖基化、磷酸化、脂质化等。

5.2 酶的化学修饰的应用
酶的化学修饰在制药、食品加工、生物分析等领域具有广泛的应用。

六、酶工程研究进展
6.1 酶的定向进化
酶的定向进化是通过基因突变和选择，对酶进行改造，以提高其性能。

6.2 酶的计算设计
酶的计算设计是利用计算机模拟和计算方法，设计新的酶或改进现有酶的性能。

6.3 酶的纳米技术
酶的纳米技术是将酶固定在纳米材料上，以提高其稳定性和催化效率。

第七章：发酵工程制药
一、发酵工程制药概述
1.1 发酵工程的定义
发酵工程是利用微生物的代谢功能，通过控制发酵过程，生产药物、食品添加剂、生物燃料等的一门学科。

1.2 发酵工程在制药中的应用
发酵工程在制药领域的应用包括抗生素、激素、疫苗、酶制剂等的生产。

二、发酵的基本过程
2.1 前期准备
前期准备包括菌种选育、培养基配制、设备清洗灭菌等。

2.2 接种
将菌种接种到培养基中，开始发酵过程。

2.3 发酵
在适宜的温度、pH、氧气等条件下，微生物进行生长和代谢，产生目标产物。

2.4 收获
当发酵达到一定阶段，通过离心、过滤等方法，收获目标产物。

2.5 后处理
对收获的目标产物进行分离纯化、制剂等后处理，得到最终产品。

三、基因工程在抗生素生产中的应用
3.1 基因工程抗生素的生产
利用基因工程技术，将抗生素合成相关的基因导入微生物，提高抗生素的产量。

3.2 基因工程抗生素的改良
通过基因工程技术，对抗生素进行结构改造，提高其疗效和降低副作用。

四、优良菌种的选育
4.1 菌种选育的方法
菌种选育的方法包括自然选育、诱变育种、基因工程育种等。

4.2 菌种选育的目标
菌种选育的目标是获得高产、稳定、安全的菌种，以满足工业化生产的需求。

五、发酵工艺控制
5.1 发酵工艺参数的控制
发酵工艺参数的控制包括温度、pH、氧气、搅拌速度等，以满足微生物的生长和代谢需求。

5.2 发酵过程监测
通过在线监测和离线检测，如pH计、溶氧电极、生物传感器等，监测发酵过程，确保发酵的稳定性和可控性。

5.3 发酵工艺优化
根据监测结果和实验数据，对发酵工艺进行优化，提高目标产物的产量和质量。