生物化学制药技术的认知探究

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：（三）具有代表性的生物化学药物目前应用于临床的生物化学药物很多，主要集中在氨基酸、肽、蛋白质、酶及辅酶、多糖、脂质、核酸及其降解产物等。目前已生产应用的人体来源生物化学药物主要有血液制品类、人胎盘制品类和人尿制品类。

一、基本知识

（一）生物化学药物的概念

广义的生物化学药物是指从生物体分离、纯化所得，用于预防、治疗和诊断疾病的生化基本物质，以及用化学合成或现代生物技术制得的这类物质。传统生物化学药物定义的基本依据，一是来自生物体，二是生物体中的基本生化成分。

（二）生物化学药物的发展历程

迄今为止，生物化学药物按照其产品纯度、工艺特点和临床应用大体经历了以下三个发展阶段。

第一阶段　20世纪50—70年代，一些利用生物材料加工制成的含有某些天然活性物质与其他共存成分的粗制剂相继问世，如利用牛、羊胆酸与胆红素等制成的人工牛黄等。

第二阶段　随着近现代生化分离、纯化技术的发展，利用生物化学和免疫学原理从生物体中提取的具有针对性治疗作用的生化成分已被作为生物化学药物应用于临床，如从猪胰脏中获得的猪胰岛素、胰激肽原酶，从男性尿中获得的尿激酶等。

第三阶段　这一阶段生物化学药物是指利用基因重组等生物工程技术生产的天然生物活性物质，如人胰岛素、α-干扰素、白细胞介素-2等数百个品种。此阶段缓解了临床需求与来源紧缺的矛盾，同时开创了获取生物化学药物的新途径，通过蛋白质工程原理设计制造具有比天然物质更高活性的类似物或者与天然物质结构不同的全新药理活性成分，使相关技术成为今后生物化学药物开发与生产的主流方向。

（三）具有代表性的生物化学药物

目前应用于临床的生物化学药物很多，主要集中在氨基酸、肽、蛋白质、酶及辅酶、多糖、脂质、核酸及其降解产物等。可分为氨基酸及其衍生物类药物、多肽及其衍生物类药物、酶及其衍生物类药物、核酸及其衍生物类药物、多糖及其衍生物类药物、脂类及其衍生物类药物、胺及其衍生物类药物。

二、生物化学药物的来源及生产

目前的生物化学药物多以人体组织、动物、植物、微生物和海洋生物为原料进行制备，其中人体组织来源的生物化学药物具有疗效好、几乎无副作用等突出优点，为理想的生物化学药物的来源，但由于人体组织提供的原料不足以满足目前的临床需求，动物组织来源的替代品也能够起到相当的作用，且原料来源丰富、价格低廉，因此，许多动物组织来源的生物化学药物广泛应用于临床。

目前已生产应用的人体来源生物化学药物主要有血液制品类、人胎盘制品类和人尿制品类。动物来源的生物化学药物是天然生物化学药物的主要品种，但由于提供原料的动物种类差异较大，所以对原料的品质和制品的质量控制要比一般药物更为严格。以蛇毒、蜂毒和蝎毒等昆虫组织或产物为原料制造的天然生物化学药物近些年被发现具有特殊医疗价值，开辟了生物化学药物的新途径。植物来源的生物化学药物品种正逐年增加，主要为来自植物组织的天然生化活性物质，如酶、蛋白质、多糖和核酸等。

（一）来源于生物体的生物化学药物

早期的生物化学药物主要由动物或者人体的器官及组织获得，如胰岛素取自胰腺、生长素取自脑垂体等。随着现代制药技术的发展，动物、植物、微生物、海洋生物都已成为生物药物的来源，这些药物种类繁多，有的已经广泛用于临床，有的还处于研究阶段，典型的生物化学药物列于表1-1-7、表1-1-8、表1-1-9、表1-1-10中。

表1-1-7　典型动物来源的生物化学药物

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续表

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表1-1-8　典型海洋生物来源的生物化学药物

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表1-1-9　典型植物来源的生物化学药物

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表1-1-10　典型微生物来源的生物化学药物

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（二）生物化学药物的生产过程

1.生物化学制药的生物材料来源

供生产生物化学药物的生物资源主要有动物、植物、微生物和海洋生物的器官、组织、细胞和代谢产物。从药学和经济学等角度出发，选择生物化学药物生产原料时不仅要考虑所选材料的同源性，还应遵循以下原则：原料来源丰富、新鲜、无污染；有效成分含量高；价格低廉；原料中杂质含量少，便于分离纯化等生产操作。

2.生物材料的采集和处理

采集生物材料时必须保证环境卫生符合要求，并尽力保持原材料的新鲜，防止腐败、变质与微生物污染。选取材料时，要求目标组织、器官完整，并进行初步整理，尽量不带入无用组织，所选用材料要防止污染微生物及其他有害物质。必要时，应进行致病微生物与外源病毒的污染检查。生物材料采摘选取后，必须及时速冻，低温保存，防止生物活性成分的变性、失活；酶原提取要及时进行，防止酶原激活转变为酶等。植物原料采集后可就地去除不用的部分，将有用部分保鲜处理。收集微生物原料时，要及时将菌体细胞与培养液分开，根据有效成分存在部位及时进行保鲜处理。生物材料的保存方法主要有冷冻法、有机溶剂脱水法、防腐剂保鲜法等。

3.生物化学药物常用的提取方法

生物化学药物的提取、分离、纯化方法种类繁多，比较复杂，具体的原理和操作过程也有各自的特点，并受许多因素的影响，这些内容将在具体的项目中学习。这里简要介绍几种典型的分离、纯化方法及其适用范围。

（1）酸、碱、盐水溶液提取法　用酸、碱、盐水溶液可以提取各种水溶性、盐溶性的生化物质。这类溶剂提供了一定的离子强度、pH及相当的缓冲能力。例如，胰蛋白酶用稀硫酸提取，肝素用pH为9的3%氯化钠溶液提取。

（2）表面活性剂提取法与反胶束提取法　表面活性剂分子兼有亲水与疏水基团，分布于水-油界面时有分散、乳化和增溶作用。表面活性剂可分为阳离子型、阴离子型、中性与非离子型，根据目标物选用合适的类型，进行蛋白质等产物的提取。反胶束是表面活性剂分散于连续的有机相中自发形成的纳米尺度的一种聚集体，可用于某些蛋白质和氨基酸的提取。

（3）有机溶剂提取法　有机溶剂提取法为目前应用比较广泛的提取方法，可分为固-液萃取和液-液萃取。这些方法根据“相似相溶”的原理，对目标物进行提取。例如，用丙酮从动物脑中提取胆固醇，用醇醚混合物提取辅酶Q10。有机溶剂既能抑制微生物的生长和某些酶的作用，防止目标物降解失活，又能阻止大量无关蛋白质的溶出，有利于进一步纯化。例如用酸-醇法提取胰岛素，既可抑制胰蛋白酶对胰岛素的降解作用，又能减少共存的其他杂蛋白，使后处理较为简便。

（4）双水相萃取法　在水相和有机相之间的传质过程中，有些物质（如蛋白质和酶等生物大分子）对有机溶剂较为敏感，容易变性，因此利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质，以双水相系统代替传统有机试剂进行萃取，获得生物活性物质。例如，以聚乙二醇-磷酸钾系统从大肠杆菌匀浆中提取β-半乳糖苷酶。

（5）超临界萃取技术　超临界流体的物理特性、传质特性通常介于液体和气体之间，适于作为萃取溶剂。例如，超临界萃取法可用于中草药有效成分的提取、热敏性生物化学药物的精制及脂质类混合物的分离等。

4.生物化学药物常用的分离纯化方法

生物材料经过以上合适的提取方法进行提取后，目标物已经最大限度地与所选材料进行分离并富集，但是生物材料的组分非常复杂，与目标物相伴的杂质很多，常常不能通过药典中规定的各项检验，不能直接用于临床。因此，进一步将目标物分离纯化出来，使之具有较高的纯度，并且符合药典杂质限量要求，是保证生物化学药物顺利用于临床的必要步骤。

5.分离纯化方法的选择

化合物的提取及分离纯化手段经过长时间的发展，已经逐渐发展成专门的研究方向，各种新方法、新技术、新设备不断涌现，并逐渐应用于各个领域，为生物化学药物的快速发展提供了有力工具。但是，究竟用何种方法进行操作，还要从目标物的性质出发，适当选择，并可参考以下步骤。

（1）确定研究目的和分析鉴定方法　研究目的是目标，分离方法是手段，分析方法是“眼睛”。分离纯化目标化合物一定要根据其性质，确定适合的分析鉴定方法，包括定性和定量等分析方法，以考察在操作过程中目标物的富集程度和杂质的去除效果。

（2）明确目标物的理化性质和稳定性　一般要通过各种预备试验进行摸索，在前人的研究基础上不断积累，丰富对目标物的认识程度，根据其理化性质与生物学性质，选择合适的提取和分离纯化手段。

（3）材料处理及提取方法的选择　材料的处理既要考虑所选材料中目标物的含量，又要兼顾杂质情况，并在材料取得之后及时进行处理，防止目标物变化、流失。提取所选用的溶剂应对目标物具有较大溶解度，并尽量避免杂质进入提取液中，为此可调整溶剂的pH、离子强度、溶剂成分配比和温度范围等。由于在后续的操作中目标物会不断损失，因此，提取的时候要保证处理足够的量，以免不能达到最终的生产目的。

（4）分离纯化方法的选择　分离纯化方法较多，要根据目标物选择合适的分离纯化方法，或者几种方法联用，以保证目标物产量和纯度等参数符合要求。生产工艺中的操作方法和操作条件，要经过多次试验后确定，并进行优化。

（5）目标物的保存　在目标物的整个生产过程中，都会涉及目标物的保存，保存条件不当往往是生产失败的原因之一。根据目标物的状态和性质，确定合适的手段进行浓缩和干燥，并在操作过程中注意温度、空气、pH等因素的影响。

三、生物化学药物的发展趋势

目前，生物化学药物的发展主要集中在扩大新的生物资源、寻找新的活性物质、开展新的临床应用、建立新的研究平台等方面。对从海洋、湖沼生物，昆虫和藻类等低等生物获取的组织进行研究，已经发现了具有抗肿瘤、抗血栓、镇痛、抗病毒、调节血脂、降血压等药理作用的药物，随着分离纯化和鉴定手段的不断更新，通过高通量筛选，陆续发现了一些活性高、结构新、作用独特的新型生物活性物质。在新的研究平台方面，应用噬菌体展示技术建立活性多肽化合物库，筛选开发活性小肽，利用蛋白质组学研究细胞全部蛋白质的表达状态和功能状态，通过建立天然代谢产物样品信息库，利用生物分离与活性评价相结合的策略，以药理活性为导向的生物有效成分的研究，均已成为当前发现新药的有效技术。研究表明，天然生物化学药物仍为现代生物化学药物研究与开发的重点领域，从海洋中开发生物化学药物是未来研究开发的重点，具有广阔的临床应用前景。

利用基因重组技术和细胞工程技术建立工程菌或工程细胞，使所需要的基因在宿主细胞内表达，制造各种生物活性物质，适合于含量低、活性高的一些微量物质的生产，是生物制药工业的重要发展领域，已经分别形成了技术分支，对生物化学药物的发展具有重要作用。

生物化学制药技术的认知探究

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