基因工程藥物的生產(chǎn)原理

前言

摘要：近年來，基因工程藥物在目的基因制備、載體的構(gòu)建、基因轉(zhuǎn)移技術(shù)、宿主表達系統(tǒng)和生物反應(yīng)發(fā)生器等方面取得了令人矚目的成就。本文簡單介紹基因工程藥物的生產(chǎn)原理及其重要應(yīng)用。

生產(chǎn)原理

隨著基因研究的深入，人類已經(jīng)可以生產(chǎn)出許多基因工程產(chǎn)品?；蚬こ趟幬镆脶t(yī)藥產(chǎn)業(yè),由此引起了醫(yī)藥工業(yè)的重大變革,使得醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)成為最活躍、發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，同時大大提高了21世紀人類的整體健康狀況。

基因工程藥物又稱生物技術(shù)藥物是指利用基因工程技術(shù)研制和生產(chǎn)的藥物，是根據(jù)人們的愿望設(shè)計的基因,在體外剪切組合,并和載體DNA 連接,然后將載體導(dǎo)入靶細胞(微生物、哺乳動物細胞或人體組織靶細胞),使目的基因在靶細胞中得到表達,最后將表達的目的蛋白質(zhì)純化及做成制劑,從而成為蛋白類藥或疫苗。主要種類有：胰島素、單克隆抗體、荷爾蒙、干擾素、白細胞介素、組織型纖溶酶原激活因子、紅細胞生成素、集落刺激因子。

基因工程制藥技術(shù)分獲取目標基因的上游技術(shù)和大量培養(yǎng)上游技術(shù)階段。上游技術(shù)實質(zhì)就是基因工程技術(shù)。下游技術(shù)則包括菌體培養(yǎng)，細胞破碎，大量培養(yǎng)以及分離純化幾個步驟。

1.1 基因工程制藥的上游技術(shù)

基因工程是生物工程的一個重要分支，它和細胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和微生物工程共同組成了生物工程。所謂基因工程是在分子水平上對基因進行操作的復(fù)雜技術(shù)，是將外源基因通過體外重組后導(dǎo)入受體細胞內(nèi)，使這個基因能在受體細胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達的操作。它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質(zhì)——DNA大分子提取出來，在離體條件下用適當(dāng)?shù)墓ぞ呙高M行切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然后與載體一起導(dǎo)入某一更易生長、繁殖的受體細胞中，以讓外源物質(zhì)在其中“安家落戶”，進行正常的復(fù)制和表達。

基因工程研究采用的技術(shù)方法很多，常見基本兩種：聚合酶鏈反應(yīng)技和Sanger雙脫氫鏈終止法。(這里就不一一介紹了)

1.2.1 基因工程菌的培養(yǎng)

① 通過搖瓶操作了解工程菌生長的基礎(chǔ)條件;

② 通過培養(yǎng)罐操作確定培養(yǎng)參數(shù)和控制的方案以及順序。

由于細胞生長和異源基因表達之間有著較大的差異，各培養(yǎng)參數(shù)在全過程中必須分段控制。

培養(yǎng)方式主要有：

一、補料分批培養(yǎng)

補料分批培養(yǎng)是將種子接入發(fā)酵反應(yīng)器中進行培養(yǎng)，經(jīng)過一段時間后，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基，使菌體進一步生長的培養(yǎng)方法。

二、連續(xù)培養(yǎng)

連續(xù)培養(yǎng)是將種子接入發(fā)酵反應(yīng)器中，攪拌培養(yǎng)至一定菌體濃度后，開動進料和出料的蠕動泵，以控制一定稀釋率進行不間斷的培養(yǎng)。連續(xù)培養(yǎng)可為微生物提供恒定的生活環(huán)境，控制其比生長速率。

三、透析培養(yǎng)

透析培養(yǎng)是利用膜的半透性原理使代謝產(chǎn)物和培養(yǎng)基分離，通過去除培養(yǎng)液中的代謝產(chǎn)物來解除其對生產(chǎn)菌的不利影響。采用膜透析裝置是在發(fā)酵過程中用蠕動泵將發(fā)酵液打入罐外的膜透析器的一側(cè)循環(huán)，其另一側(cè)通入透析液循環(huán)。

四、固定化培養(yǎng)

基因工程菌經(jīng)固定化培養(yǎng)后，解決了質(zhì)粒的穩(wěn)定性問題，該培養(yǎng)方式對分泌型菌更為有利

1.2.2基因工程菌細胞的破碎

現(xiàn)今，在基因工程菌的研究中，主要涉及有細菌，酵母和藻類。微生物的細胞壁比較堅韌。

目前已發(fā)展了多種細胞破碎方法，以便適應(yīng)不同用途和不同類型的細胞壁破碎。破碎方法可規(guī)納為機械法和非機械法兩大類。

機械法有很多類型，常見的有：高壓勻漿破碎法(homogenization)，振湯珠擊破碎法(Skaking Bead)，高速攪拌珠研磨破碎法(fine grinding)，超聲波破碎法(ultrasonication)。

非機械法有如下類型：滲透壓沖擊破碎法(osmotic shock)，凍融破碎法(freezing and thawing)，酶溶破碎法(enzyme lysis)，化學(xué)破碎法(chemical treatment)，去垢劑破碎(detergents)。

1.2.3基因工程蛋白的分離和純化

基因重組產(chǎn)物均在其宿主細胞內(nèi)克隆表達，且大多為胞內(nèi)物質(zhì)?；蛑亟M蛋白的分離和純化，由于目標產(chǎn)物的性質(zhì)和對產(chǎn)品純化要求不同，其分離和純化的方法和選擇的純化路徑也不同，但主要分為兩個方面：1.目標產(chǎn)物的粗級分離，主要是在細胞培養(yǎng)后，將細胞從培養(yǎng)液中分離出來，然后再破碎細胞釋放產(chǎn)物，溶解包含體，復(fù)原蛋白質(zhì)以除去大部分雜質(zhì);2.目標產(chǎn)物的純化，這是在分離的基礎(chǔ)上，用各種具體高選擇性的精密儀器，使產(chǎn)物的純度和回收率。

主要分離技術(shù): 1.離心及沉淀 離心分離的原理是在轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力的驅(qū)動下，利用固體及液體間的密度差來進行懸浮液，乳濁液的分離。沉淀原理是利用油和雜質(zhì)的不同密度，借助策略的作用，達到自然分離才者的一種方法。

2.膜分離 膜分離是在20世紀初出現(xiàn)，20世紀60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù)。膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，因此，目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。

3.雙水相萃取 某些親水性高分子聚合物的水溶液超過一定濃度后可以形成兩相，并且在兩相中水分均占很大比例，即形成雙水相系統(tǒng)。利用親水性高分子聚合物的水溶液可形成雙水相的性質(zhì)，Albertsson于20世紀50年代后期開發(fā)了雙水相萃取法，又稱雙水相分配法。20世紀70年代,科學(xué)家又發(fā)展了雙水相萃取在生物分離過程中的應(yīng)用，為蛋白質(zhì)特別是胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分離和純化開辟了新的途徑。

4.反膠團萃取 蛋白質(zhì)溶解于小水池中(正萃，或稱萃取)，其周圍有一層水膜及表面活性劑極性頭的保護，使其避免與有機溶劑接觸而失活。改變pH、鹽濃度等條件蛋白質(zhì)又可回到水相(反萃)，實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的萃取分離、純化目的。反膠團萃取蛋白質(zhì)的機理目前尚不十分清楚。一般認為，萃取過程是靜電力、疏水力、空間力、親和力或幾種力協(xié)同作用的結(jié)果，其中蛋白質(zhì)與表面活性劑極性頭間的靜電相互作用是主要推動力。根據(jù)所用表面活性劑類型，通過控制水相pH高于或低于蛋白質(zhì)的等電點(pI)，達到正萃反萃的目的。