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现代生物技术的发展和生物医药

现代生物技术的发展和生物医药. 生物技术医药. 疾病与基因： 预测、 诊断、预防、治疗、用药 疾病的诊断： 基因诊断 ( 产前诊断 ) 、生物芯片 疾病的预防： 疫苗、 DNA 疫苗 疾病的治疗： 基因工程药物 核酸药物 基因治疗 器官移植 生物医学材料 干细胞治疗.

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现代生物技术的发展和生物医药

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  1. 现代生物技术的发展和生物医药

  2. 生物技术医药 • 疾病与基因： 预测、诊断、预防、治疗、用药 • 疾病的诊断： 基因诊断(产前诊断)、生物芯片 • 疾病的预防： 疫苗、DNA疫苗 • 疾病的治疗： 基因工程药物 核酸药物 基因治疗 器官移植 生物医学材料 干细胞治疗

  3. 基因工程和蛋白质工程药物 • 基因工程：将不同生物的基因在体外经人工剪切组合，然后转入到微生物或细胞内，并使转入的基因在细胞内表达，产生所需要的蛋白质 • 蛋白质工程：用基因工程方法生产自然界没有的、经过人工理性设计和改造的、性能更加优良的蛋白质。

  4. 基因工程技术和重组基因工程药物的诞生 • 1972年 基因工程技术诞生 基因工程表达体系： 细菌（大肠杆菌）、酵母、昆虫细胞、哺乳动物细胞、 昆虫、转基因动物（乳腺反应器）、转基因植物 • 1982年 医药生物技术崛起 重组人胰岛素上市 t-PA、EPO, etc.

  5. 基因工程药物的现状 2007年全球医药市场达到6750亿美元左右，增速为5-6%，其中生物 制药市场收入为450亿美元，增速为13-14% 。 生物药占医药产业8.8-10%，其中美国市场占62%，欧洲占25%， 日本占7%。 美国已产业化的基因工程药物200种，占药品总销售额的10%。 我国生物技术药物研究和开发起步较晚，已有20多种基因工程药物和 疫苗上市，正在进行临床试验的品种近100种。 2005年我国医药生物技术产品总销售额达到350亿元。

  6. 生物药物 • 生物药物：蛋白质、抗体、核酸、糖治疗剂、基于细胞或组织的治疗剂 • 已批准的生物药物: 超过250个，包括重组\血产品、单克隆抗体和重组疫苗 • 药物应用最多的为重组蛋白质和抗体

  7. 年销售额40 亿美元的基因工程药物 至2008年底，FDA 共批准99种生物技术药物上市 2007年29/110种生物技术药物的销售额超过10亿美元 2007年销售额超过40亿美元的药物有16种，基因工程药物占据7种： 1. 治疗非霍奇金淋巴瘤的anti-CD20 抗体Rituxan 2. 治疗乳腺癌的anti-EGFR II抗体Herceptin 3. 治疗肿瘤放化疗后出现的白细胞减少的G-CSF 4. 治疗肺癌、乳腺癌和结直肠癌的anti-VEGF 抗体 Avastin 5. 治疗类风湿关节炎的anti-TNFα抗体Enbrel、Remicade

  8. 2008年抗体销售排行榜 C嵌合抗体，hz人源化，h,全人抗体

  9. 生物制药发展迅速 1982-2008年美国FDA批准的新生物产品 http://www.biopharma.com/approvals1.html

  10. 2008年美国处于临床试验的生物技术药物 按产品类型分类 按适应症分类

  11. 全球基因工程药物市场的增长率 2001年后生物药物销售年增长率为20% 整个制药市场药品的销售年增长率仅68%

  12. 基因工程药物的生产 现有的基因工程表达体系： • 细菌(大肠杆菌)； • 酵母； • 昆虫细胞 • 昆虫生物反应器(家蚕)； • 哺乳动物细胞； • 转基因动物(乳腺生物反应器)； • 转基因植物

  13. 大肠杆菌表达体系 优点： • 基因组清楚 • 生长周期短 • 价格低廉: rhinsulin:$400/g, rbGH:$11.6/g • 通用性好,易于放大生产 缺点： • 表达产物易形成不溶性的包涵体,无生物活性 • 不能进行糖基化修饰等

  14. 酵母表达系统 优点： • 使用安全；使用历史较长；基因组清楚； • 表达水平高； • 能分泌表达蛋白质； • 蛋白质一般能正确折叠；能翻译后修饰; • 生长快；培养基便宜。 缺点： • 糖基化修饰与哺乳动物不同，可能影响蛋白质的生物活性、 安全性等； • 可能含有免疫物质或抗原。 • 乙肝疫苗、胰岛素、链激酶、人血清蛋白等

  15. 昆虫细胞与昆虫表达系统 优点： • 能翻译后修饰；蛋白质能正确折叠； • 表达水平较好； • 棒状病毒对人无损害； 缺点： • 使用历史较短； • 生长慢； • 培养基昂贵； • 含有免疫宿主蛋白； • 糖基化形式不同； • 哺乳类病毒可以感染此类细胞。 昆虫虫体表达系统： • 表达水平高（2-10倍于细胞培养） • 分离纯化难度大； • 昆虫（家蚕）饲养要求高。

  16. 哺乳动物细胞表达体系 优点： • 蛋白质能够正确折叠和翻译后修饰； • 有长期的、良好的正规使用纪录； • 对大的、复杂的蛋白质的生产是唯一的选择； 缺点： • 培养基昂贵； • 生长缓慢； • 含有免疫物质或抗原； • 需要深入的鉴别； • 精制手续复杂； • 产品昂贵。

  17. 转基因动物生物反应器 优点： • 可表达复杂、巨大的蛋白质； • 表达水平高； • 蛋白质折叠正确，有翻译后修饰； • 易于放大； • 费用低廉： 缺点： • 正规使用的经验很少； • 是否易于被病毒感染尚为未知数； • 表达水平不稳定； • 周转期限长； • 精制方法尚需研究； • 生产周期不能确定； • 有关农场的GMP生长尚存在问题；

  18. 转基因动物 能够制作含有人类免疫系统的转基因动物，用于生产移植用器官

  19. 转基因植物生物反应器 优点： • 开发周期较转基因动物短； • 种子易于保存； • 易于放大； • 表达量高； • 无植物病毒影响人类； • 生产费用低； 缺点： • 存在新的污染问题； • 翻译后修饰与动物不同； • 含有可能出现的免疫物质或抗原。 2000年：6个产品在Ⅱ期临床；转基因烟草：人用溶酶体酶； 转基因玉米：β-葡萄苷酸酶；转基因马铃薯：重组霍乱疫苗。

  20. 生物技术医药 • 疾病与基因： 预测、诊断、预防、治疗、用药 • 疾病的诊断： 基因诊断(产前诊断)、生物芯片 • 疾病的预防： 疫苗、DNA疫苗 • 疾病的治疗： 基因工程药物 核酸药物 基因治疗 器官移植 生物医学材料

  21. 核 酸 药 物 • DNA疫苗： 20世纪90年代新兴的免疫学技术 1995年以来，FDA已经陆续批准艾滋病、流感、乙型肝炎病毒、单纯疱疾病毒、疟疾和肿瘤相关抗原等DNA疫苗十余种， 疟疾DNA疫苗已经进入Ⅲ期临床； • 反义核酸药物：20世纪80年代出现的一种以抑制基因表达为 目的的基因治疗药物； 根据碱基互补原理用人工合成或生物合成的特定互补DNA、 RNA片段，在复制、转录和表达水平上抑制或封闭基因表达。 反义核酸药物对肿瘤、遗传病、传染病的防治具有重要意义； • RNA干扰药物: 21世纪出现的另一种以抑制基因表达为目的的基因治疗药物；

  22. 基 因 治 疗 • 基因治疗是导入外源基因达到治疗效果的治疗方法； • 基因治疗有可能成为治愈癌症、艾滋病、高血压、糖尿病，以及各种遗传病的最佳选择； • 目前美国FDA已经批准600多个基因治疗方案，治疗的疾病涉及各种肿瘤、心血管疾病、代谢病、遗传病和艾滋病等； • 我国早在1991年就开展了B型血友病的基因治疗，至今已有多个方案进入临床研究阶段，P53基因治疗药物是国际上第一个被批准的基因治疗药物。

  23. 生物技术与生物医学材料 蛋白质、 基因、 细胞; • 生物医学材料的修饰和复合: • 更好的生物相容性; • 更好的治疗效果;

  24. 干细胞技术 • 干细胞：尚未分化的细胞---具有自我更新和分化潜能的细胞，它包括胚胎干细胞和成体干细胞；存在于早期胚胎、骨髓、脐带、胎盘和部分成年人细胞中；能够被培育成肌肉、骨骼和神经等人体组织和器官。 • 利用干细胞培育出的组织和器官对治疗癌症和其他多种恶性疾病具有重要意义，将为糖尿病患者、早老性痴呆症患者、 帕金森氏症患者和脊髓受损患者等带来希望。 • 20世纪90年代以来，造血干细胞移植技术飞速进展，更为安全有效，已成为治愈多种良性、恶性血液病与遗传性疾病的 重要手段，治愈的病种还在不断的扩大。

  25. 一、现阶段脐血干细胞可治疗疾病 干细胞技术 恶性病类(Malignancies, Cancers) 急性淋巴细胞性血癌 (Acute Lymphocytic Leukemia, ALL)；急性骨髓性白血癌 (Acute Myelogenous Leukemia, AML)；急性非淋巴细胞性白血癌 (Acute Nonlymphocytic Leukemia, ANL)；慢性淋巴细胞性白血癌 (Chronic Lymphocytic Leukemia, CLL)；慢性骨髓细胞性白血癌 (Chronic Myelocytic Leukemia, CML)；年轻型骨髓单核细胞性白血癌 (Juvenile Myelomonocytic Leukemia, JML)；骨髓发育不良症候群 (Myelodysplastic Syndrome, MDS)；多发性骨髓瘤 (Multiple Myeloma)固体性肿瘤 (Solid Tumor)；脑瘤 (Brain Tumors)；何杰金氏病 (Hodgkin‘s Disease)；非-何杰金氏淋巴瘤 (Non- Hodgkin’s Lymphoma)；Ewing氏肉瘤 (Ewing Sarcoma)；生殖细胞肿瘤 (Germ Cell Tumors)；神经母细胞瘤 (Neuroblastoma)卵巢癌 (Ovarian Cancer)；小细胞性肺癌 (Small-Cell Lung Cancer)；睪丸癌(Testicular Cancer)；先天性代谢性缺陷(Inborn Errors of Metabolism)；脑白质肾上腺营养不良症 (Adrenoleukodystrophy)；淀粉样变性 (Amyloidosis)巴尔—淋巴球症候群 (Bare-Lymphocyte Syndrome)；先天性角化不良 (Dyskeratosis Congenita)家族性噬红血球性淋巴组织细胞增生症 (Familial Erythrophagocytic Lymphohististiocytosis)Gaucher氏疾病 (Gaucher Disease)；Gunter氏疾病 (Gunter Disease)；Hunter氏症候群 (Hunter Syndrome)Hurler氏症候群 (Hurler Syndrome)；遗传性神经元蜡样脂褐质沉着症 (Inherited Neuronal Ceroid Lipofuscinosis)Krabbe氏疾病（婴儿遗传性脑白质萎缩）(Krabbe Disease)；Langerhan氏细胞组织细胞增生症 (Langerhan‘s Cell Histiocytosis)；Lesch-Nyhan氏疾病 (Lesch-Nyhan Disease)；骨硬化病（骨质石化病）(Osteopetrosis)白血球粘着缺乏症 (Leukocyte Adhesion Deficiency)免疫缺乏病变(Immunodeficiencies) 腺嘌呤去氨酵素缺损 (Adenosine Deaminase Deficiency, ADA)；慢性肉芽肿疾病 (Chronic Granulomatous Disease, CGD)严重性联合免疫缺陷疾病 (Severe Combined Immunodeficiency Diseases, SCIDs)X-性联性淋巴组织增生疾病 (X-linked Lymphoproliferative Disease, KLP)；Wiskott-Aldrich症候群 自体免疫疾病(Autoimmune Diseases) 多发性硬化症 (Multiple Sclerosis)；风湿性关节炎 (Rheumatoid Arthritis)；红斑性狼疮 (Systemic Lupus erythematosus) 未来干细胞之临床应用： 糖尿病 (Diabetes)；巴金森氏病 (Parkinson‘s Disease)；阿尔罕默氏病（痴呆病） (Alzheimer’s Disease)脊髓伤害 (Spinal Cord injury)；中风 (Stroke)；心脏病 (Heart Disease)；肝病 (Liver Disease)皮肤移殖 (Skin Transplantation)；肌肉营养不良症 (Muscular Dystrophy)

  26. 诱导式多能性干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS cells) • 2006年，日本京都大学山中伸弥（Shinya Yamanaka)发现将四个基因送入已分化完全的小鼠纤维母细胞，即可以把纤维母细胞重新设定变回具全能性的类胚胎干细胞。 • 2007年，山中伸弥研究小组和美国波士顿的 Rudolf Jaenisch的研究团队分别制造了第二代iPS细胞，不但具有和胚胎干细胞几乎一样的基因印痕模式，它们也可顺利地和成鼠形成嵌合体并产生后代。这项结果显示藉由老鼠体细胞 ”返老还童”的第二代 iPS细胞已经跟胚胎干细胞几乎是具有一模一样的特质了! • 2007年11、12月山中伸弥研究团队利用3-4个基因导入人类皮肤细胞病将其成功地转变成 iPS细胞! 同时，美国威斯康新的James Thomson研究团队利用4个基因将人类体细胞重新设定变回干细胞！ • 4 • 2007年底，美国波士顿 George Daley实验室从病人门诊时取得的皮肤细胞量身订作一个私人的干细胞库，让iPS细胞用来治疗人类退化性疾病已经迈入真正的临床新纪元！ • 2008年11月19日《柳叶刀》报道：由英国、意大利、西班牙三国科学家组成的研究小组，利用部分由成人干细胞培养的气管，成功地给一位30岁的西班牙患者进行气管移植。手术后12天女患者出院能过正常生活，并能参加跳舞活动。经过数次血液检查后，未发现体内有免疫排斥信号。

  27. 生物转化与传统制药产业 • 传统制药产业：化学合成 • 缺点：合成条件苛可、合成效率低污染严重 • 生物转化：以酶促反应替代化学催化反应 • 优点：条件温和、效率高有利于环保和可持续发展

  28. PEG化蛋白药物PEG修饰前后体内半衰期比较

  29. 人基因组计划与生物技术制药 • １９９０年１０月国际人类基因组计划(HGP)启动。 • １９９８年塞莱拉遗传公司Celera Genomics成立，竞争HGP； • １９９８年１２月 线虫（第一个多细胞动物）基因组序列完成； • １９９９年９月中国获准加入HGP，负责测定１％； • １９９９年１２月１日 国际人类基因组计划破译出人体第２２号染色 体的遗传密码；首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定； • ２０００年４月底 中国科学家完成了１％人类基因组的工作框架图； • ２０００年５月８日 德、日等国科学家宣布，已基本完成了人体第２１号染色体的测序工作； • ２０００年６月２６日 科学家公布人类基因组工作草图； • ２０００年１２月１４日 美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列； • ２００１年２月１２日 中、美、日、德、法、英等６国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。

  30. 人类基因组计划的启动 • 1985年，美国能源部（Department of Energy, DOE）提出，要将共包含约3×109碱基对的人类基因组全部碱基序列分析清楚； • 1986年，美国宣布启动“人类基因组计划（Human Genome Project, HGP）”。

  31. 人类基因组计划的发展 • 1999年12月1日: 首条人类染色体完成测序， 人类第22号染色体DNA全序列测定宣布完成。 • 2000年4月6日: 美国Celera遗传信息公司宣布， 该公司已破译出一名实验者的完整遗传密码。 • 2000年5月: 科学家聚集美国冷泉港，宣布人类基因组草图的完成。

  32. 6国科学家在人类基因组中主要研究比例 • 美国：WASH＆MIT等7家研究中心，贡献率为54％; • 英国：SANGER一家研究中心，贡献率为33％; • 日本：RIKEN等两家研究中心，贡献率为7％; • 法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8％; • 德国：IMB等3家研究中心，贡献率为2.2％; • 中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中心 等三家，贡献率为1％。

  33. 二000年六月二十六日克林顿总统 宣布人类基因组草图绘制完成

  34. 人类基因组计划首席科学家、美国国家人类 基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯介绍情况

  35. 人类蛋白质 • 61%与果蝇同源 • 43%与线虫同源 • 46%与酵母同源 人类基因组草图基本信息 • 由31.65亿bp组成 • 含33.5万基因 • 与蛋白质合成有关 的基因占2% 人类基因组

  36. 人基因组计划与药物靶点 • 已完成：人第２０、２１、２２、７、１４和Y，6号染色体； • 2003年10月23日《自然》 ：英国科学家完成６号染色体，是迄今为止科学家破译的最大、包含基因最多的染色体； • ６号染色体上包括了导致遗传性血色素沉着病、帕金森氏症、癫痫等疾病的基因；这一染色体上基因的异常也是造成精神分裂症、癌症和心脏病等多种遗传性疾病的原因； • ６号染色体中包含了一些与免疫反应相关的基因，它们被统称为“主要组织相容性复合体（ＭＨＣ）”；这些基因不仅在机体对外界细菌和病毒入侵作出防御反应方面有重要作用，在器官移植配型方面也有十分重要的意义，还与自体免疫疾病相关。

  37. 后基因组与生物技术制药 • 功能基因组：研究新的药物靶点； • 药物基因组：个体医药 • SNP(单核酸多态性)：能用于研究个体, 系谱和人 • 种特征以及遗传疾病治疗的线索，可以用来鉴别 • 一个个体是否患有某种疾病或者同种疾病患者应 • 如何治疗 • 蛋白质组： 研究新的诊断靶标和药物靶点

  38. 人类基因组、蛋白组和药物基因组: 生命科学研究的三个阶段 • 基因组: 人类细胞中的全部基因 • 蛋白组: 由全套基因组编码控制的蛋白质 • 药物基因组: 即为一个病人的基因组对单 个药物反应的相互关系

  39. 基因组计划和生物技术制药 基因组计划： • 人基因组计划 • 病原微生物基因组计划 • 模式生物体基因组计划

  40. 生 物 芯 片 用于生物学研究成果分析和疾病诊断 • 基因芯片： 1998年：Affymetrix 上市用于筛查HIV-1突变 DNA芯片和筛查p53基因突变的DNA芯片 基因身份证 • 蛋白质芯片： • 组织芯片：

  41. 基 因 芯 片 • DNA chip(芯片)：DNA高密度点阵的芯片 DNA 芯片是指利用大规模集成电路的手段控制固相合成成千上万个寡核苷酸探针，并把它们有规律地排列在指甲大小的硅片上，然后用将要研究的材料如DNA、RNA或cDNA用荧光标记后在芯片上与探针杂交，再通过激光共聚焦显微镜对芯片进行扫描，并配合计算机系统对每一个探针上的荧光信号作出比较和检测，从而迅速得出所需要的信息。

  42. 表达差异 Sequence Variability 功能基因组 药物和诊断 表型差异 人基因组序列

  43. AAAA L cDNA L L L L L L L L L L L L 基因芯片的操作流程 以真核生物为例 Control Oligo B2 反转录 Test3 or GeneChip 总RNA的制备 Eukaryotic Hyb.Control 标记的cRNA片断 杂交混合液的制备 起始用量5-10ug 杂交 （16hour） 体外 转录 （IVT） 0.5-2 ug/ul 洗脱 染色 扫 描 35-200 bases 数据分析 生物素标记的cRNA 片段化处理 带标记的cRNA片断

  44. 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 Normal Cell Line 500 400 300 Intensity 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 200 100 0 Genes Unique repressed Down Reg. Unique induced Up regulated Malignant Cell Line 500 400 300 Intensity 200 100 0 Genes 正常和恶性乳腺上皮表达谱

  45. 基 因 芯 片 汇万千信息于基因之内 展苍生奥秘于方寸之间

  46. 生物信息学 • 生物信息学(Bioinformatics)：对DNA和蛋白质序列资料(海量数据)中各种信息进行识别、储存、分析、模拟和传输的学科 • 生命科学与信息科学、数学、物理学等学科交叉而成 Data mining

  47. 生物技术与医药 • 基因组学, 功能基因组学, 蛋白质组学, 系统生物学 疾病的诊断和预防； 药物新靶点的发现； 新药物分子的设计和筛选； 新药物的生产和新的治疗方法； 药物生产过程的变革； 个体化医药

  48. 生物技术的发展依赖于技术的进步和学科交叉 • 生物信息学：生命科学、信息科学、数学、物理 • 生物芯片：生命科学、微电子技术、生物信息学 • 基因组学：新的高通量DNA测序仪，生物信息学 • 蛋白质工程：NMR、X-光晶体衍射，生物信息学 • 蛋白质组学：质谱、分离纯化设备、生物信息学 • 生物学技术和科学仪器的进步： PCR技术、RNAi技术、基因剔除技术等

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