生物制药工艺.docx

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生物制药工艺

生物制药工艺

第一章　绪论

 第二章　微生物发酵制药工艺

 第三章基因工程制药工艺

 第四章动物细胞培养制药工艺

生物制药工艺

第一章　绪论

制药工艺学1.1.1制药工艺学的研究对象     制药工艺学是研究药物的工业生产过程共性规律及其应用，包括制备原理、工艺路线、质量控制。

现代制药的特点是技术含量高、智力密集，发展方向是全封闭自动化、全程质量控制，大规模反应器生产和新型分离技术综合利用。

      制药工艺学的工程性和实用性较强，加之药品种类繁多，生产工艺流程多样，过程复杂。

即使进行仿制药物的生产，也必须要有自主知识产权的工艺。

制药工艺作为把药物产品化的一种技术过程，贯穿于药物研发的整个过程，是现代医药行业的关键技术领域。

制药工艺是药物产业化的桥梁与瓶颈，对工艺的研究是加速产业化的一个重要方面。

因此，学习掌握制药工艺学具有重要意义。

1.1.2制药工艺学的内容       制药工艺学是综合应用化学系列、生物系列、机械设备与工程单元操作等课程的专门知识，深化理解并掌握工艺原理，充分考虑药品的特殊性，针对生产条件、所需环境等的具体要求，研究药物制造原理、工艺路线与过程优化、中试放大、生产技术与质量控制，从而分析和解决生产过程的实际问题。

从工业生产角度，改造、设计和开发药物的生产工艺，制定相应的操作规程。

      制药工艺学与其他基础课、专业课联系密切，而且与生产实践紧密相关。

通过设计、研究药物大规模生产的工艺条件与设备选型，从中选出最安全、最经济、最可行的工艺路线。

1.1.3制药工艺的类别      可根据典型的药物生产过程，把制药工艺过程分为4类，生物技术制药工艺学、化学制药工艺学、中药制药工艺学和制剂工艺学。

1.1.3.1生物技术制药工艺       以生物体和生物反应过程为基础，依赖于生物机体或细胞的生长繁殖及其代谢过程，利用工程学原理和方法对实验室所取得的药物研究成果进行开发放大，在反应器内进行生物反应合成，进而生产制造出商品化药物。

细胞生长和药物生产与培养条件之间的相互关系是过程优化的理论基础。

       可把生物技术制药工艺分为上下游过程。

上游过程是以生物材料为核心，目的在于获得药物，包括药物研发、细胞培养工艺、放大及大规模细胞培养研究等。

属于生物加工过程，如酶工程、基因工程技术、细胞培养工程、发酵工程等。

下游过程是以目标药物后处理为核心，属于生物分离过程，包括药物的提取、分离、精制工艺，药物产品的检测及质量保证等。

       生物技术制药工艺过程包括菌种或细胞的选育，培养基的特性与制备，无菌化操作，培养工艺的控制等。

生物制药技术的学科基础包括生物化学、分子生物学、免疫学、酶学、细胞生物学、微生物学等多门学科，为药物表达和分离纯化提供方法和原理。

合理设计生产工艺路线需要考虑，高效表达的载体及宿主系统，洁净室、水系统、空气等公用设施，在线实时检测的设备与生物反应器，才能有效地实现过程的控制与优化。

1.1.3.2化学制药工艺      化学合成药物的生产工艺原理、工艺路线的设计、选择和改造。

因为有易燃易爆、有毒的原料与中间体，要求最安全。

成本最低，要求最经济。

工艺路线最短，最简，易于组织生产，要求最便捷。

三废，废水、气、渣必须处理并减少到最低，需要无污染、绿色环保工艺。

化学制药涉及课程有有机化学、分析化学、物理化学、药物化学、药物合成反应，有机合成，制药设备与设计等。

      化学药物合成可以分为全合成和半合成两种。

全合成药物由简单的化工原料经过一系列的化学合成和物理处理过程制得；半合成药物是由已知的具有一定基本结构的天然产物经过化学结构改造和物理处理过程制得。

天然提取制药是指直接从天然材料中使用分离纯化等技术制备药物。

现代药物最初来源于植物、动物和微生物，而且以提取分离为先导。

15～17世纪，欧洲有了金鸡纳、愈创木、药喇叭根、古柯果和可可等。

     19世纪，掀起了天然提取分离药物的热潮，从植物中分离出纯的有效化学物质。

从鸦片中提取出吗啡结晶；从吐根中分离得活性成份吐根碱。

从金鸡纳树皮分离得到了奎宁，成为最早用于治疗疟疾的药物。

从莨菪中提取了阿托品，从古柯叶取得了可卡因；从洋地黄叶子获得洋地黄甙晶体。

      在20世纪50年代后，随着对动物脏器的有效成分和生理活性物质的全面了解，生产工艺技术提高，改变了原来的混合制剂，生产制备高纯度单一特异性组分的生化药物制剂，如猪牛胰岛素、前列腺酶及辅酶、激素、脂类、蛋白质和核酸及其降解产物等。

生化药物品种迅速增加，已成为一类重要的药物。

       由于合成工艺、技术等因素的限制，仍然有些氨基酸、维生素、核苷酸、酶、多糖、脂类等仍然不能合成生产，必须直接从天然材料中提取。

还有一些手性药物和半合成药物的中间原料也必须从天然材料中直接提取。

1.3.1生物技术药物       生物技术是整合自然科学和工程科学，生产细胞产品和分子产品，生物技术制药就是采用生物技术生产制造药物。

生物技术药物（biotechnologymedicine）是利用生物机体、组织、细胞，生产制造或从中分离得到的具有预防、治疗和诊断功能的药品，包括多肽、蛋白质、酶和核酸以及具有生物活性的初级代谢和次级代谢产物、天然活性化合物及其类似物。

       20世纪80年代，生物药物（biopharmaceutical）是指用现代生物技术生产的治疗性药物，它基于重组DNA技术和杂交瘤技术生产的药物，不包括直接从天然组织、器官、血液等中提取的生化药物。

随着生物技术的发展，以核酸为基础的治疗性药物也属于生物药物。

       在制药领域，生物技术药物（biotechnologymedicine）、生物技术产品（biotechnologyproduct）、生物技术制品（productofpharmaceuticalbiotechnology）有时候也互换使用。

在相关法规中，经常出现的术语是生物制品（biologics，biologicproduct,中国、美国使用）、生物医药产品（biologicalmedicinalproduct，欧盟使用）。

      中国生物制品规程对生物制品的定义：

以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为起始材料，采用生物学工艺或分离纯化技术制备，并以生物学技术和分析技术控制中间产物和成品质量制成的生物活性制剂，包括菌苗、疫苗、毒素、类毒素、免疫血清、血液制品、免疫球蛋白、抗原、抗体、变态反应原、细胞因子、激素、酶、发酵产品、单克隆抗体、DNA重组产品和体外免疫诊断制品等。

在此基础上，分为预防用生物制品、治疗用生物制品和诊断用品三类。

预防用生物制品包括疫苗、菌苗和类毒素；治疗用生物制品包括抗血清与抗毒素、血液制品、细胞因子与抗体；诊断用品包括细菌学试剂、免疫试剂、临床化学试剂。

1.3.2微生物发酵制药       对微生物进行培养，生产有用化学物质的过程就是发酵过程。

采用微生物发酵生产药物就是微生物发酵制药。

       发酵技术大规模应用于制药是第二次世界大战期间，诞生了以抗生素为代表的次级代谢产物的工业发酵。

搅拌发酵沉没法生产成功，提高了供氧和通气量，同时在菌株选育、培养和深层发酵、提取技术和设备的研究取得了突破性进展，给抗生素生产带来了革命性的变化。

以后链霉素、金霉素、红霉素等抗生素出现，抗生素工业发展迅速。

       抗生素生产的经验也很快应用到其他药物的发酵生产，如氨基酸、维生素、甾体激素等。

工业化生产的微生物药物主要为抗生素（antibiotic）、氨基酸（aminoacid）、维生素（vitamin）、核苷酸和核苷（nucleotide,nucleoside）、酶（enzyme）、酶抑制剂（enzymeinhibitor）、免疫调节剂（immunomodulator）和受体拮抗剂（receptorantagonist）等。

1.3.3酶工程技术制药      酶工程（enzymeengineering）是酶学和工程学相互结合渗透发展形成的，以应用为目的，研发新酶并生产、分离和纯化，包括酶的固定化及酶反应器及酶的分子设计等。

酶工程制药的工艺结构紧凑、简单，高产、成本低，产品收率高、纯度好，可重复生产，对环境污染小。

       酶工程技术在制药工业上的主要应用是

（1）生物酶用于制备手性药物。

目前已有50多种有机反应可通过微生物实现，广泛应用甾体激素、氨基酸、维生素和抗生素的制药中。

（2）生物转化，给已有药物添加基团，增加药效和功能。

黑根霉一步生物转化孕酮为11a-羟基孕酮，实现了甾体类激素的工业化生产。

（3）固定化酶技术用于制药。

用固定化大肠杆菌细胞（产生青霉素酰化酶）转化青霉素G、V，除去侧链生产无侧链青霉素，即6-氨基青霉烷酸。

固定化5-磷酸二酯酶水解转化酵母RNA，生产5-复合单核苷酸。

固定化氨基酰化酶拆分化学合成的DL-氨基酸，产生有活性的L-氨基酸。

1.3.4细胞培养技术制药      动植物细胞培养（cellculture）是在离体条件下人工培养基上培养动植物细胞，使之生长繁殖并发育。

细胞培养是建立在细胞学说基础之上，细胞具有全能性，即含物种所有遗传物质的细胞具有发育成为个体的潜在能力。

      最早只有从正常组织中分离的原代细胞才能用于药物生产，如鸡胚细胞和兔肾细胞。

以后，二倍体的传代细胞也可以用于生产，如WI-38和2BS细胞系。

在消除了人们对非二倍体细胞的疑虑和担忧后，异倍体细胞广泛应用于制药。

       动物细胞培养主要应用于生产人畜病毒疫苗、单克隆抗体、重组基因工程产品等。

到目前，FDA批准了约60种动物细胞表达系统生产的生物技术药物，包括激素类、7种酶类、10种细胞因子、7种凝血因子、19种治疗性抗体、5种体内诊断用抗体。

其他还有组织工程产品有4种，3种为组织工程皮肤，1种为组织工程软骨。

大规模生产的疫苗有口蹄疫苗、狂犬病疫苗、牛白血病和脊髓灰质炎、乙肝疫苗。

目前约有70%批准的蛋白质药物由哺乳动物细胞系统表达制造，而且数目还在不断增加。

动物细胞培养制药是药物生产的一个新领域。

1.3.5基因工程技术制药       基因工程（geneengineering）制药是在体外通过重组DNA技术，对生物的遗传物质基因进行剪切、拼接、重新组合，与适宜的载体连接，构成完整的基因表达系统，然后导入宿主生物细胞内，与原有遗传物质整合或以质粒形式单独在细胞中繁殖，并表达活性蛋白质、多肽或核酸等药物。

通过基因工程改造微生物细胞的代谢过程，还可提高抗生素、维生素、氨基酸、核酸、辅酶、甾体激素等药物的生产能力。

     1982年世界上第一个基因工程药物重组人胰岛素获得FDA批准，由EliLilly公司正式生产，推向市场。

重组微生物、转基因动植物为药物的生产提供了强大生物反应器。

人类基因组计划的完成，以及随后蛋白质组、代谢组、糖组等后基因组时代的系统生物学技术的出现与发展，为制药设计提供了更多的功能性数据，对人类战胜疾病、提高生命质量具有重大意义。

      基因工程技术首先在医药领域实现产业化，现在有60％～80％集中在医药领域，占主要地位的是基因工程药物的研究和商品化。

到2004年2月，美国FDA批准的重组蛋白、核酸和疫苗类生物技术药物共79种。

到2003年底，欧盟EMEA批准了49种基因重组蛋白质药物、11种基因重组治疗性抗体和5种基因重组疫苗。

      世界生物技术药物的销售额将以年均10％～15％速度增加，基因工程药物在药物市场中将占15％。

1.4.1全合成制药      现代制药工业始于19世纪，染料化学工业的发展和化学治疗学说的创立，人们对大量的化工中间体和副产物进行了药理活性研究，药物合成突破了仿制和改造天然药物的范围，转向合成与天然产物完全无关的人工合成药物，如扑热息痛、磺胺类药物，开创了化学合成制药。

     20世纪初期，化学药品大多是在德国。

金黄色物质、吖啶类和偶氮染料（Azodyes）抗菌活性的研究，磺胺染料的合成，理化性质和构效关系的研究，总结出了磺胺类药物的结构与抑菌活性的关系，并由此开发出了数十个临床应用的磺胺药。

磺胺类药物的问世在化学合成药及其临床治疗上具有里程碑的意义，极大地推进了现代医药工业的发展。

20世纪30年代以后，全合成得到大发展，激素类药物、维生素C等相继合成，实现了工业化生产。

1.4.2半合成制药     20世纪60年代新型半合成抗生素工业崛起，获得了青霉素的母核6-氨基青霉烷酸并研究了半合成青霉素和头孢菌素C，得到了耐酸、耐酶、对耐药菌株有效的广谱青霉素，进入了用化学方法对已有的抗生素进行化学结构改造的新时期，开辟了抗生素研制的新途径。

     20世纪70年代，随着新的有机合成试剂、新的合成技术、新的化学反应的不断得到应用，促进了药物合成的发展，使合成药物的品种和产量迅速增长，生产规模日益扩大。

出现的一系列钙拮抗剂、血管紧张素转化酶（ACE）抑制剂和3-羟基-3-甲戊二酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂。

     20世纪80年代，诺氟沙星（氟哌酸）正式用于临床后，引发了对喹诺酮类抗菌药的研究热潮，开发出了环丙沙星、洛美沙星、氧氟沙星等一系列抗菌药物。

这些抗菌药和一些抗生素的成功应用，成为合成抗菌药发展史上的重要里程碑。

1.4.3手性制药     20世纪90年代，在世界上兴起了手性药物。

由于数理科学、化学科学、生物科学、计算机科学及技术的飞速发展和相互交叉及渗透，使人们能够采用更多、更先进的手段来设计和合成新的药物，合成的新药向疗效高、毒副作用小、剂量小的方向发展。

因此，采用单一对映体（即手性药物）供药成为现代医药工业的一项紧迫任务。

手性药物工业是国际制药工业新兴的一个领域，它将是本世纪制药工业的一个挑战。

制药工业（pharmaceuticalindustry）的历史大约70多年，但一开始就发展很快，目前全世界制药企业超过10000家，生产制造5000多种药物，其中约100家为跨国公司。

现代制药工业的发展可追溯到19和20世纪之交，那时只有4种药物：

洋地黄用于治疗各种心血管疾病，奎宁用于治疗疟疾，吐根属植物提取物（活性成分为生物碱）用于治疗痢疾，水银用于治疗梅毒，但当时缺乏安全性和有效性。

随着生物学和有机化学的发展，能人工合成某些药物，如阿司匹林，从而诞生了化学制药公司，19世纪末成立了Bayer和Hoechst公司。

尽管如此，直到20世纪30年代，制药工业才开始大发展，发现并能化学合成磺胺类药物，用于治疗细菌性感染。

20世纪40年代大规模生产青霉素，建立了很多现代领头制药企业，如EliLilly、Wellcome、Glaxo、Roche等。

20世纪70年代以后，出现现代生物技术制药公司。

     世界制药行业具有以下特征。

（1）并购风云不断，重组形成更大集团，强强联合优势互补，战略性驱动，企业经营的专业化，企业间的合作。

并购数量增加，药品生产的集中度不断提高。

（2）研发费用持续上升，投入继续增大，国际10大制药公司的年均投入占销售额的16％左右。

1个新药的研发费用约8－10亿美元，但新药批准上市的数目在下降。

研发的难度越来越大，新产品是行业的希望。

     （3）重磅炸弹药物数目持续增加，从1995年到2004年，增长了近4倍。

跨国公司更多依赖于重磅炸弹药物，是企业的主要利润来源。

    （4）生物技术药物异军突起。

20世纪80年代以前是治疗性药物，20世纪90年代是改善生命质量的药物，而进入21世纪，将是靶向的蛋白质、多肽和核酸类治疗性药物。

      目前，全世界生物技术公司4400多家，主要集中在欧美，美国1444家，欧洲1815家，加拿大472家，亚太地区685家。

年产值超过10亿美元的生物技术公司有20余家。

      美国是应用现代生物技术研制新型药物的第一个国家，美国70％的生物技术产品集中在生物药品。

美国生物技术制药形成规模化的公司有Amgen、Biogen、Chiron、Schering-Plough、EliLilly、Merker、Genentech、Hoffman-LaRoche、SmithKlineBeecham、Genzyme、OrthoBiotech等20余家公司，其中Genentech、Amgen、Biogen、Chiron和Genzyme的销售额在名列前茅。

1.5.2中国制药工业发展       中国制药工业的发展经历了从药店到厂房，再到现代化企业和集团的过程，由于制药行业的特点，决定了将永远是不断重组和兼并的发展过程。

     1840年鸦片战争后，西药的引入中国，制药工业逐渐发展起来。

    19世纪50年代开始建立的早期西药房，经营进口药，但未形成制药工厂或企业。

清末洋务运动期间，也未见有制药厂的兴建。

    20世纪20～30年代，上海、广州是我国近代制药工业的发祥地，虽得到一定的发展，受到连年的战争和帝国主义的控制，人才匮乏、化学工业与机械工业薄弱等因素，制药工业十分落后。

只有少数中小型制药厂，生产品种少。

而且以制剂生产为主，原料药的制造很少。

生产厂规模不大，设备简陋，资金很少，产品单一。

     1949年新中国成立初期，重视医药工业的发展，确定了“以发展原料药为主”的方针。

同时，积极发展药物制剂生产。

1951年试制出第一批结晶青霉素，1958年，以生产抗生素为主的华北制药厂建成投产，抗疟药物氯喹、伯喹和乙胺嘧啶相继合成并投产。

1960年建成太原制药厂投产磺胺药。

合霉素、氯霉素、磺胺药等原料药生产车间相继建成投产，摆脱进口局面。

生化原料药胰岛素、胃蛋白酶、人造牛黄、胆固醇等相继生产。

至1959年，中国建立起化学制药工业，改造、扩建和新建了一批车间和厂房。

开启了中国制药的新篇章。

       20世纪60－70年代，半合成抗生素尤其是β-内酰胺类抗生素的研究发展十分迅速，半合成的青霉素类品种增加到十几种。

合成了很多抗疟疾药物。

甾体工业已发展到相当规模，改进工艺，增加品种，提高产量。

在地方病用药、抗肿瘤药物、维生素类、心血管类、神经系统药的合成研究或结构改造上都得到了很大发展。

       20世纪80年代后，走上了按正规制药工业管理和发展的道路。

1984年原料药产量万吨，1986年在原料药产量万吨，1987年原料药万吨。

1988年主要原料药产量万吨，生产青霉素1700吨，1990年产量万吨。

1.5.3中国制药工业的现状医药产业规模       医药行业包括化学制药工业、中成药工业、中药饮片工业、生物制药工业、医疗器械工业、制药机械工业、医用材料及医疗用品制造工业、其他工业。

从1996年以来，医药工业的增长速度高于GDP的增长速度。

1991－1995年发展速度最快，年平均增长率为22％，1996－2000年年平均增长率17％，2001－2003年年均增长%。

在2004年医药行业工业总产值中，化学制药在医药工业中保持主导地位。

化学制药占%，中药制药占%，生物制药占%，医疗器械占%，其他占%。

    20世纪90年代以后，中国制药行业快速发展，根据国家GMP标准对厂房进行设计和建设产品生产的专业化和先进的药物生产线。

由于GMP的强行行业认证，我国制药企业数量从2001年以来呈下降趋势，2004年，化学制药企业2000家左右，其中化学原料药864家，化学制剂1057家，中药企业1000多家。

       化学原料药是中国医药行业的优势品种，中国现已成为世界原料药第二大生产国，青霉素及内酰胺类药物和维生素的最大生产国和出口国。

2004年化学原料药工业总体规模世界领先，化学制药行业共实现工业总产值亿元，实现利润亿元。

2004年化学原料药实现工业总产值亿元，同比增长12%，利润亿元。

2004年生物制药产业实现工业总产值亿元，同比增长24%，完成销售收入亿元，同比增长%，创造利润亿元，工业总产值及销售收入均高于医药制造业总体增长。

预测在未来3至5年内，中国生物医药产业会保持25％左右速度快速增长。

1.5.3.2医药产品结构        国际制药业销售以专利药为主体，中国正处于从仿制向创新为主体转换的关键阶段。

从中国医药产业的产品结构看，以占制药工业55%的化学药为例，中国具有自主知识产权的创新药仅占约3%。

生产化学原料药近1500种，总产量80万吨，位居世界第2；生产化学药品制剂34个剂型、4000余个品种；现代中药剂型40多种，总产量已达37万吨，品种8000余种。

生产疫苗、类毒素、抗血清、血液制品、体内外诊断试剂等各类生物制品300余种，其中现代生物工程药品20余种；能生产预防制品约9亿人/份。

生产包括X射线断层扫描成像装置、磁共振装置等在内的医疗器械11000多个品种、规格；可以生产8大类1200多个规格的制药机械产品。

       2002年全国医药总产值占GDP的%。

中药总产值784亿元，化学药2102亿元，生物药物184亿元。

化学药占行业的61％，年增长30％；中药占23％，年增长7％；生物药物占6％，年增长31％。

抗生素生产企业140多家，原料药产量5万吨，制剂企业420家，产量亿支/瓶/片。

维生素原料药产量万吨，企业50多家，制剂产量281亿支/瓶/片。

氨基酸原料药万吨，企业20多家，制剂产量1亿支/瓶/片。

味精生产企业180多家，产量121万吨。

柠檬酸生产企业100多家，产量42万吨。

酶制剂生产企业200多家，产量35万吨。

2002年高于医药产业平均水准的是制药机械（28％）、化学制剂（21％）；低于平均的是中药（16％）、生物制药（16％）、卫生材料（15％）、及医疗器械（12％）。

       1989年rhuIFN-α1b申报新药，1993年获得批准试生产。

rhuIFN-α1b采用中国人基因克隆和表达，是我国第一个拥有自主知识产权的上市基因工程药物。

p53基因药物、结合型灭活甲乙肝疫苗、流感疫苗、重组人血管内皮抑制素注射液等被SFDA相继批准。

目前SFDA批准上市30种生物药物，正在中检所完成或正在进行的生物技术药物约80余种，生物技术制药的规模正在形成。

制药行业是一个集约化、国际化程度极高的产业。

国外公司在中国设立研发机构，并把生产制造中心向中国转移。

“十一五”时期乃至更长时间我国医药市场需求将继续保持旺盛势头。

中国医药市场今后5年内将以15％～20％的速度发展，到2010年将达到240亿美元，成为继美国、日本、德国和法国之后的世界第5大医药市场，2020年将达到1200亿美元，超过美国成为全球第一大市场。

从制药业各子行业看，未来5～10年期间，我国医药市场将继续保持以化学药为主，生物技术制药已经成为制药行业的新领域，天然提取制药有很大发展空间。

1.6.1创新药物研究      加大制药的科研开发投入，研究并拥有自主知识产权的药物和技术。

我国现有常用西药4000多种，其中97％属于仿制国外产品或进口药。

化学制药须从仿制变为创新，摆脱简单仿制国外产品的局面，建立新药创制和相关技术创新的机制。

现代生物技术产业是全球重点发展的产业，现在是我国生物制药发展的关键时期。

采用组合生物化学、生物分子芯片、细胞组织和动物模型等高通量的方法筛选天然药物，发现新型治疗药物。

利用人类基因组和蛋白质组以及病原生物体的基因组的最新成果，计算机技术，把生物信息学、分子生物学、基