生物制品學(Biologics)課件

生物制品學（Biologics

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主講教師：趙凱博士生物制品學主講教師：趙凱博士1

生物制品學目錄(catalogue)第一章緒論（Introduction）第二章生物技術與生物制品學的新進展（Newdevelopmentofbio-techandbiopreparatics）第三章生物制品的制備(Preparationofbiopreparate)第四章免疫學基本原理（Basicprincipleofimmunology）第五章基因工程疫苗(Vaccineofgeneengineering)生物制品學目錄(catalogue2第六章基因工程菌苗的研究現(xiàn)狀與發(fā)展（Statusanddevelopmentofgeneengineeringfungus）第七章基因工程寄生蟲疫苗（Parasitevaccine）第八章治療性疫苗（Theraphyvaccine)）第九章治療性抗體（Theraphyantibody）第十章血液制品（Bloodproduction）第十一章核苷酸與重組細胞因子（Nucleotideandrecombinationcellfactor）第六章基因工程菌苗的研究現(xiàn)狀與發(fā)展（Statusand3第一章緒論

ChapterⅠIntroduction

第一節(jié)生物制品學概述(SectionⅠsummaryofBiologics

)一、概念(conception)（一）概念

生物制品（Biopreparate）：Biologicalproducts泛指采用現(xiàn)代生物技術手段來人為的創(chuàng)造一些條件，借用某些微生物、植物或動物體來生產某些初級或次級代謝產物或利用生物體的某一組成部分，制成作為診斷（diagnosis）或治療（cure）或預防疾?。╬recaution）的醫(yī)藥用品，統(tǒng)稱為生物制品。第一章緒論

ChapterⅠIntroduction4

廣義的生物制品還包括一些保健用品例如微生態(tài)制劑（雙歧桿菌、三株口服液、五株口服液、昂利一號、太太口服液、酪酸梭菌活菌片、整腸生、畜禽益生素、飼料添加劑等）。專門用于動物免疫預防、診斷和治療的生物制劑稱為獸醫(yī)生物制品（veterinarybioproducts）。廣義的生物制品還包括一些保健用品5生物制品學（Biopreparatics）：系指研究各類生物制品的來源、結構特點、應用、生產工藝、原理、現(xiàn)狀、存在問題與發(fā)展前景等諸方面知識的一門科學。（二）現(xiàn)代生物技術的起源與發(fā)展(originanddevelopmentormodernbiotechnology)生物技術的發(fā)展是在數(shù)門基礎學科的發(fā)展和融合的基礎上發(fā)展起來的，它本身又經歷了幾代發(fā)展過程，不斷向深發(fā)展，之后，又形成了若干分支學科。生物制品學（Biopreparatics）：系指研究各類生物6微生物學(Microbiology)生物化學(Biochemistry)遺傳學(Genetics)分子生物學(MolecularBiology)細胞生物學(Cytobiology)分子細胞學(Molecularcytology)化學工程(ChemicalEngineering)生命科學(Lifescience)生化工程學(Biochemicalengineering)物理學(Physics)生物學(Biology)生物物理學(Biophysics)計算機科學（Computerscience)生命科學(Lifescience)基礎學科：生物信息學Bioinformatics現(xiàn)代生物技術現(xiàn)代生物技術（本身）第一代第二代第三代細胞工程(C.E)基因工程(G.E)酶工程(E.E)發(fā)酵工程(F.E)生化工程(B.E)蛋白工程(P.E)抗體工程(Ab.E)糖鏈工程Glycotechnology生物芯片技術BiochiptechnologyHGP(人類基因組計劃）深度DEEP（亞分子水平submolecular）海洋生物技術Marineorganismstechnology代謝工程（途徑工程）MetabolismpathwayEngineering自動生化藥物篩選技術Auto-biochemicaldrugscreeningtechnologyHPP（人類蛋白質組計劃）航天(宇航)生物技術Spacebiotechnology廣度擴展到了浩瀚的海洋、碩大無朋的天體行星微生物學分子生物學細胞生物學分子細胞學化學工程生化工程學物理7現(xiàn)代生物技術農業(yè)生物技術(Agriculturebio-tech)家畜生物技術(Domesticanimalbio-tech)食品生物技術(Foodbio-tech)環(huán)保生物技術(Environmentprotectionbio-tech)能源生物技術(Energybio-tech)海洋生物技術(Oceanbio-tech)醫(yī)藥生物技術(Medicinebio-tech)生物制品技術(Bio-preparationtechnology)（三）現(xiàn)代生物技術分類現(xiàn)代生物技術農業(yè)生物技術(Agriculturebio-t8

現(xiàn)代生物技術、信息技術、新材料技術和新能源技術一起并列為21世紀影響國計民生的四大科學技術支柱和國民經濟增長的強勁增長點，各國政府、科技界和企業(yè)家都予以高度重視和大力支持，并紛紛制定了刺激其發(fā)展的優(yōu)惠政策。其中生物制品就屬現(xiàn)代生物技術中的主要研發(fā)內容。（四）現(xiàn)代生物技術在科技與經濟發(fā)展中的地位現(xiàn)代生物技術、信息技術、新材料技術和新能源技術9二、研究內容與分類（一）生物制品學的研究內容分為兩個方面：1、研究各類生物制品的生物學特性，包括結構、功能，依據微生物與免疫學原理研究生物制品本身的特性及其與人體和動物機體之間的關系，在傳染病的預防、診斷和治療中應用的原理與作用；2、醫(yī)生物化學、細胞學、遺傳學、制冷學和生物工程學原理研究生物制品的制造工藝、質量監(jiān)控技術、開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略等內容。二、研究內容與分類10生物制品是一種特殊的藥品，它在人、動植物傳染病的發(fā)生、發(fā)展和控制中起著舉足輕重的作用，是確保生物個體和群體健康所必需的，所以生物制品學是一門比較中重要的的課程。生物制品是一種特殊的藥品，它在人、動植物傳染病的發(fā)生、發(fā)展和11（二）生物制品的應用(application)1、預防預防傳染病是不可忽略的。以降低易感性為重點對策的某些傳染病成了預防接種的主要對象。應用疫苗及類毒素來進行預防接種，以提高機體的免疫水平，降低易感性，對于預防某些傳染病效果極其顯著。（牛瘟疫苗接種，豬瘟兔化弱毒疫苗）。采用預防接種使機體獲得自動免疫以降低易感性，其效果確切而持久；某些傳染病采用高免血清注射，使個體獲得被動免疫，以暫時提高機體的免疫水平，能迅速地對個體起到保護作用，但被動免疫的預防效果不持久，且應用免疫血清，還會招致發(fā)生過敏性反應或血清病的危險。（緊急情況）（二）生物制品的應用(application)122、治療①免疫血清采用特異性免疫血清治療相應感染或傳染病，一般稱其為特異血液療法。生物制品中的免疫血清多指抗毒素、抗菌血清和抗病毒血清。②疫苗目前，應用于治療的疫苗不多。布氏桿菌疫苗用于治療布氏桿菌病；卡介苗和厭氧性棒狀桿菌疫苗常用作免疫佐劑治療某些疾病；生態(tài)疫苗，如促菌生類，用于調整機體腸道的正常菌群起到防止腸道疾病的作用。2、治療13③噬菌體根據噬菌體能裂解相應菌體的溶菌作用，仔豬副傷寒噬菌體、綠膿桿菌噬菌體等可以用于治療仔豬副傷寒和綠膿桿菌感染，但他們的確實效果很難確定。④血液制劑血液球蛋白、轉移因子、干擾素、胸腺素、免疫核糖核酸等。③噬菌體143、診斷用于診斷人或動物傳染病、檢測機體免疫狀態(tài)、以及鑒定病原微生物的生物制品統(tǒng)稱為診斷用品，可分為體內試驗用和體外試驗用兩類。①體內試驗用診斷用品接種皮內，觀察皮膚的反應，以判斷個體對病原的易感性（或免疫狀態(tài)）。如結核菌素、布氏桿菌的水解素的皮內試驗，若個體具有一定的細胞免疫水平，皮膚出現(xiàn)一定程度的變態(tài)反應為陽性，陰性者不出現(xiàn)反應。②體外試驗用診斷用品抗原、抗體及噬菌體。3、診斷15（三）生物制品的分類(classify)

1、按來源分（accordingtothesource)①人源生物制品（如各種血液成分等），（Humansource）②動物源生物制品（干擾素、激素、蛇毒等）；（Animalsource）③植物源生物制品（植物激素、Taxol、長春堿、喜樹堿）；（(Plantssource）④微生物源生物制品（生長激素、干擾素、胰島素等）。（Microbesource）（三）生物制品的分類(classify)16

2、按使用對象分（accordingtotheobject）①用于人的生物制品；（applicationtohuman)②用于家畜的生物制品；（applicationtodomesticanimal)③用于家禽的生物制品；（applicationtopoultry)④用于作物的生物制品。（applicationtocrops）生物制品學(Biologics)課件17

3、按結構與功能分(accordingtothestructureandfunction)Ⅰ.疫苗類

1）病毒疫苗(virusVaccine)

①滅活疫苗（DeadVaccine）②減毒活疫苗（AttenuatedVaccine）③亞單位疫苗或成分苗（SubunitVaccine）④基因工程疫苗（GeneengineeringVaccine）⑤遺傳重組疫苗（GeneticRecombinantVaccine）

⑥合成肽疫苗（SyntheticpeptideVaccine）

3、按結構與功能分(accordingtothest18

2）細菌菌苗

①滅活菌苗（DeadBacterialVaccine）②減毒活菌苗（AttenuatedBacterialVaccine）③亞單位苗或成分苗(SubunitBacterialVaccine)④合成肽苗(SyntheticpeptideBacterialVaccine)⑤基因工程菌苗(GeneEngineeringBacterialVaccine)

⑥核酸菌苗(NucleicAcidBacterialVaccine)3)寄生蟲疫苗（ParasiteVaccine）

4)治療性疫苗（CureVaccine）2）細菌菌苗19Ⅱ、抗體類

1)多克隆Ab（PolycloneAntibody）2)單克?。∕onocloneAntibody）3)基因工程Ab（EngineeringAntibody）4)Ab診斷試劑（AbDiagnosticReagent）或Ab診斷試劑盒（AbDiagnosticKit）5)Ab治療藥（AbCureDrug）Ⅱ、抗體類20Ⅲ、人血代用品

1)血漿（BloodPlasma）2)血細胞（BloodCell）3)血清白蛋白與γ－球蛋白（Serumalbumin&γ-globulin）4)修飾Hb（ModifiedHb）Hemoglobin

Ⅲ、人血代用品21Ⅳ、重組細胞因子（RecombinantCellFactororCytokine）1)干擾素（Interferon）；2)集落刺激因子（CSF,ColonyStimulatingFactor）；3)白細胞介素（interleukin,IL）；4)腫瘤壞死因子（TumorNecrosisFactor，TNF）；5)趨化因子（Chemokine）；6)轉化生長因子β（TransformingGrowthFactorβ,TGFβ）；7)生長因子（GrowthFactor,GF）。Ⅳ、重組細胞因子（RecombinantCellFact22Ⅴ、反義寡核苷酸

1)硫代反義寡核苷酸（SulpurAntisenseOligonucleotide）；2)2‘－甲氧/乙氧基反義寡核苷核（2'-methoxy/acetoxyAntisenseOligonucleotide）3)肽核酸（PNA）（PeptideNucleicAcid）；4)其他。Ⅴ、反義寡核苷酸23Ⅵ、重組激素類

1)多肽蛋白類激素（PolypeptideProteinHormone）；2)類固醇激素（SteroidHormone）；3)Aa類激素（AminoAcidHormone）；4)脂肪酸的衍生物類激素（DerivativeofFattyacidHormone）。Ⅵ、重組激素類24三、生物制品的生產特點（characteristicofproduction)1、起步晚、發(fā)展速度快，前景美好；2、有巨大的科研價值、重大的經濟效益和巨大的社會效益：因為生物制點多涉及國民的健康、長壽,社會穩(wěn)定和經濟的快速發(fā)展。3、研發(fā)的產品面廣，具有高速的成長性和廣闊的發(fā)展空間。三、生物制品的生產特點（characteristicof25

第二節(jié)生物制品學的發(fā)展簡史

(SimpleHistoryofBiopreparaticsDevelopment)發(fā)展簡史：生物制品學的發(fā)展即生物技術的發(fā)展史。一、經典生物技術階段（8000年前——20世紀30年代）（ClassicsBiotechnologyStage）（一）特點（Speciality）1、人們在自覺不自覺地利用各種生物資源（微生物、動物、植物等），使之為人類生產各種產品為人類服務，通過實踐積累經驗，掌握了一些古老的生物技術。如釀酒、制醋、發(fā)面等。第二節(jié)生物制品學的發(fā)展簡史262、在長期的生產實踐活動中，人們對生物的認識逐漸深化，如1676年發(fā)明了顯微鏡（Leeuwenhoek,AntoniVan）才真正看到了微生物的存在；后來漸漸從“感性—理性—感性”、“從實踐—理論—實踐”，認識了許多的生理變化過程，指導了生物技術實踐發(fā)展。3、在實踐探索中形成了一些有代表性的生物制品（如疫苗、酒精、乳酸、丙酮、檸檬酸、淀粉酶等）但尚未形成生物制品學。2、在長期的生產實踐活動中，人們對生物的認識逐漸深化，如1627（二）代表（Representative)1、8000～5000年前就出現(xiàn)了釀酒、制醋、泡菜等釀造技術。2、1857年，利用實驗方法證明了酒精發(fā)酵是活酵母菌的作用。1897年，發(fā)現(xiàn)了磨碎的“死”酵母也能發(fā)酵糖酒精。并將其中所含的活性物質稱為“酶”，揭示了酵母菌發(fā)酵的生理學實質。Pasteur還證實了果酒變酸與食物腐敗是有害微生物的繁殖的結果。

（二）代表（Representative)283、公元1000年宋真宗時期，進行自體免疫治療，15世紀，人痘法傳至中東，改為皮下；1796年英國醫(yī)生Jenner，Edward給人接種牛痘病毒疫苗（Cowpox）預防天花（早近800年）；法國學者Pasteur,Louis在1885年發(fā)明減毒的狂犬疫苗，接著又發(fā)明了減毒的畜炭疽菌苗、禽霍亂菌苗等（早近890年）。3、公元1000年宋真宗時期，進行自體免疫治療，15世紀，人29

4、免疫機制研究的起動1883年俄，Mezunukob.發(fā)現(xiàn)了白細胞的吞噬并提出細胞免疫學說；1890年德，Bejering創(chuàng)造了用白喉抗毒素治療白喉，這世界上最早的抗體治療的記載。1897年德，Ehrlich提出了，以抗體為主的體液免疫學說，引出了兩種學說爭論不休。1903年英，Wright在研究吞噬C時，發(fā)現(xiàn)了調理素，才將兩個學說統(tǒng)一起來了。

4、免疫機制研究的起動301905年開始使用馬的白喉抗毒素血清法治療白喉病時，發(fā)現(xiàn)了血清病（發(fā)燒、皮疹、水腫、關節(jié)痛、蛋白尿等）；血型不符引起輸血反應等。開始了免疫應答的病理反應與醫(yī)學免疫學研究。1916年，世界上第一部免疫學雜志（JournalofImmunology）1905年開始使用馬的白喉抗毒素血清法治療白喉病時，發(fā)現(xiàn)了血315、19世紀-20世紀30年代，陸續(xù)出現(xiàn)了許多產品的工業(yè)發(fā)酵，開創(chuàng)了工業(yè)M的新世紀。生產出的新產品有：乳酸、酒精、丙酮、丁醇、檸檬酸、淀粉E等。這些產品的特點：①生產過程比較簡單，大多數(shù)屬于嫌氣性發(fā)酵或表面培養(yǎng)，生產設備要求也不高。②產品的化學結構也較簡單，屬微生物的初級代謝產物。5、19世紀-20世紀30年代，陸續(xù)出現(xiàn)了許多產品的工業(yè)發(fā)酵32二、近代生物技術階段（20世紀40年代～1953年）（RecentBiotechnologyStage）（一）特點（Speciality）1、生物制品的產品類型多了。除初級代謝產物（Protein、有機酸、酶制劑、多糖等）外，還有次級代謝產物（抗生素等）、生物轉化產品（甾體化合物等的轉化物）、酶反應（如6-氨基青霉烷酸的酰化反應）等產品。二、近代生物技術階段（20世紀40年代～1953年）（Rec332、生產技術要求高了如在發(fā)酵生產過程中，要求在純化或無雜菌的條件下進行運轉；大多數(shù)生物體為需氧菌，需要通過無菌空氣（空壓機）——好氧發(fā)酵；對產品質量要求嚴格（醫(yī)藥或診斷用與食用）。2、生產技術要求高了343、生產設備規(guī)模巨大如發(fā)酵罐：常用攪拌通氣罐可大至500m3;SCP用的氣升式發(fā)酵罐最大的可達2000m3;英帝國化工公司有3500m3罐；污水處理最大達5500m33、生產設備規(guī)模巨大354、技術發(fā)展速度快，以發(fā)酵工業(yè)中提高產品的產量與質量所需的關鍵物質——菌種為例，其活力與性能均得到了驚人的提高。如Penicillin的發(fā)酵菌種，初期效價僅20U/mＬ多，后來至200U/ml，現(xiàn)已高達10萬U/mＬ，可見發(fā)酵控制技術與菌種選育水平均已獲得了前所未有的提高。5、由于生命科學與化工學科的相互滲透與交叉，生物學家和化工學者的聯(lián)合開發(fā)研究發(fā)酵過程，一個新興學科-生化工程誕生了，并得到了迅速發(fā)展。4、技術發(fā)展速度快，以發(fā)酵工業(yè)中提高產品的產量與質量所需的關36（二）代表（Representative）1、1928年英國倫敦圣瑪麗學院細菌學博士、講師Fleming發(fā)現(xiàn)了青霉菌可產生青霉素，1940年澳Florey、英國劍橋大學Chain等分別提純了青霉素，又經臨床證明了其卓越的抗感染且低毒的療效。2、鏈霉素（1944，美Waksman

streptomycin）、四環(huán)素（tetracycline）、土霉素（terramycinoroxytetracycline）、紅霉素(erythromycin)、金霉素（aureomycin）等抗生素相繼問世，興起了抗生素工業(yè)。（二）代表（Representative）373、20世紀50年代出現(xiàn)了多種氨基酸發(fā)酵工業(yè)（Glu、Gly、Arg等）。4、20世紀60年代出現(xiàn)了多種酶制劑與V、甾體激素（steroidhormone）等工業(yè)制品。5、許多固體發(fā)酵法改為深層發(fā)酵培養(yǎng)法，即表面培養(yǎng)法生產產品改為沉沒培養(yǎng)法。6、出現(xiàn)了更多品種的人、畜疫苗，多克隆Ab與抗血清的廣泛應用。3、20世紀50年代出現(xiàn)了多種氨基酸發(fā)酵工業(yè)（Glu、Gly38三、現(xiàn)代生物技術階段（1953年-今）（ModernBiotechnologyStage）又可分：①代謝控制發(fā)酵技術階段（53-60年）②開拓發(fā)酵原料時期（60-70年代）③基因工程階段（70年代以來）

三、現(xiàn)代生物技術階段（1953年-今）39（一）特點（Speciality）1、由于微生物學、遺傳學、生物化學的融合使得生命科學進入了分子生物學時代，DNA分子結構的揭秘，功能的研究，帶動了基因工程技術的誕生。2、由于產生了基因工程技術，許多新的生物制品就不斷出現(xiàn)。如：利用E.coli生產人的基因重組激素（Somatostatin）、人胰島素（insulin）等。

（一）特點（Speciality）403、許多新技術不斷涌現(xiàn)，帶動了一批新一代的生物制品。如：1）細胞或原生質體融合技術出現(xiàn)，1975年英國的Milstein&Kohler等發(fā)明了雜交瘤技術，即用脾臟的B-Lc（可產Ab）與高速繁殖的人骨髓瘤Cell進行融合-雜交瘤C-cAb用于人疾病的診斷與治療——第二代Ab；2）后來的基因工程Ab，則為第三代Ab。如嵌合Ab、改形Ab、小分子Ab，以及完全人源化的Ab（由于開始興起的鼠源化McAb易引起人的過敏反應，所以，最終應追尋的目標為人源化的McAb）等。統(tǒng)稱為基因工程Ab或第三代Ab。3、許多新技術不斷涌現(xiàn)，帶動了一批新一代的生物制品。如：413）細胞工程中的細胞培養(yǎng)技術利用M的大量培養(yǎng)技術來生產各種酶、抗生素、蛋白質等；利用動物C培養(yǎng)技術，可生產大量的疫苗（包括轉基因的動C—基因工程疫苗）；還可用以轉基因的動物細胞生產人的生長激素、人胰島素、干擾素等，動C的產物與轉基因的M.C相比，不僅蛋白質的氨基酸序列一級結構準確，而且立體空間結構也無錯誤，可保持其生理活性，而且又不像M.C的轉錄和修飾所存在的缺乏糖基化的缺陷。3）細胞工程中的細胞培養(yǎng)技術424）酶的固定化技術（雖是1953年Grubhofer&Schleith提出的，但僅近30年來才廣泛應用。如目前廣泛用固定化異構E于果萄糖漿的生產，用固定化?；疎生產6-氨基青霉烷酸。5）在發(fā)酵工程中出現(xiàn)了一些發(fā)酵新技術、新型發(fā)酵設備、控制裝置等，如高密度發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵、動植物細胞培養(yǎng)的新型發(fā)酵罐和自動控制裝置等等。4）酶的固定化技術（雖是1953年Grubhofer&S436）現(xiàn)代生物反應工程和分離工程技術7）蛋白工程技術、代謝途徑工程技術8）海洋生物技術、宇航生物技術等。

6）現(xiàn)代生物反應工程和分離工程技術44圖1-2Boyer和Cohen的DNA重組實驗pSC101EcoRIDNAEcoRIEcoRIT4DNA連接酶轉化細胞將質粒轉入大腸桿菌EcoRI酶解EcoRI酶解圖1-2Boyer和Cohen的DNA重組實驗pSC1045（二）代表（Representative）

KorenbergMeselsonStahel

分離得到DNA多聚酶I，用它在試管內合成得到DNA1958年

論證了DNA的復制過程包括雙螺旋互補鏈的分離1957年Watson,Crick

提出了DNA互補雙螺旋結構模型1953年KorenbergCrick發(fā)現(xiàn)信使RNA（mRNA），并證明mRNA傳遞信息指揮蛋白質的合成

1960年

提出了遺傳信息是通過DNA的堿基對順序來傳遞的理論

1956年

主要發(fā)現(xiàn)和進展年代表1-11953年以來現(xiàn)代生物技術的主要發(fā)現(xiàn)和進展

（二）代表（Representative）Korenber461966年破譯了全部遺傳密碼Gamov、Crick,Nirenberg1967年分離得到DNA連接酶（Ligase）1970年發(fā)現(xiàn)第一個限制性內切酶，發(fā)現(xiàn)逆轉錄現(xiàn)象Temin,Baltimor1971年用限制性內切酶酶切產生DNA片段，用DNA連接酶得到第一個重組DNA分子1972年合成了完整的tRNA基因1973年建立了DNA重組技術Cohen，Boyer1975年建立了單克隆抗體技術Kohler，Milstein1966年破譯了全部遺傳密碼Gamov、Crick,19471975年Kohler和Milstein建立了單克隆抗體技術1976年DNA測序技術誕生Sanger,Gilbert1978年Genentech公司在大腸桿菌中表達出胰島素1981年第一個單克隆抗體診斷試劑盒在美國被批準使用1982年用DNA重組技術生產的第一個動物疫在歐洲被批準使用1983年基因工程Ti質粒用于植物轉化1986年發(fā)現(xiàn)核酶（Ribozyme）Altman，Cech1975年Kohler和Milstein建立了單克隆抗體技481988年PCR方法問世（美Mullis,93年獲獎）1990年美國批準第一個體細胞基因治療案