生物制藥技術原理及應用領域分析研究

＊常華 伊慧敏 劉霞

（國藥集團威奇達藥業有限公司 山西 037300）

引言

現代制藥工藝借助計算機輔助設計（CAD）和高通量篩選技術，使藥物研發過程更加迅速和高效，生物信息學工具在藥物設計和分析中的應用日益廣泛，幫助科學家更好地理解分子相互作用和藥效學。生物制藥技術的飛速發展，尤其是單克隆抗體生產和基因治療等方面的創新，推動了生物類藥物的研發和生產，這些技術不僅提高了藥物的生物活性，還降低了副作用的發生率。制藥工藝中的數字化技術，如工業物聯網（IIoT）、人工智能和大數據分析，被廣泛應用于制造過程的監控和優化，這有助于提高生產效率、減少生產過程中的變異性，并確保產品質量的一致性。制藥工藝越來越面向個體化醫療的方向發展，基于患者的基因型和表型數據，定制化藥物治療方案正在成為現實，這對制藥工藝提出了更高的要求，需要更靈活、快速的生產方式。為了應對全球化市場的需求，制藥工藝越來越傾向于國際的合作與標準化，這包括國際質量管理標準、生產規范及信息共享，以保證全球范圍內的藥品質量和安全性。

1.生物制藥技術內涵及發展現狀

（1）生物制藥技術內涵。生物制藥技術是一門綜合應用生物學、生物化學、分子生物學等多學科知識的領域，以生物體或其組成部分作為生產藥物的生產工具。其內涵主要包括以下幾個方面：①基因工程技術：利用重組DNA 技術，通過改變或插入基因，使微生物、植物或動物表達目標蛋白，從而實現藥物的生產。②細胞培養技術：利用細胞培養技術，培養和擴增動植物細胞，以獲得高產、高質的生物制藥產品。③蛋白質純化技術：利用各種分離和純化技術，從復雜的生物體系中提取和純化目標蛋白質，確保產品的純度和穩定性。④生物反應器技術：設計和操作合適的生物反應器，為細胞提供合適的環境條件，以提高藥物產量和降低制造成本。⑤基因組學和蛋白質組學：運用基因組學和蛋白質組學的技術手段，研究生物體系中的基因表達和蛋白質組成，優化生產工藝。⑥生物信息學：利用計算機技術處理和分析大量的生物數據，預測和設計新的生物制藥產品，加速藥物研發過程。

（2）生物制藥技術原理。生物制藥技術在當前制藥領域中屬于全新技術，科研人員利用先進的制藥設備及理論知識對微生物進行催化加工，形成具有治療疾病作用的酶成分，然后對各類酶進行分類加工形成藥品；由于受環境、飲食等影響產生各類疾病，若采用傳統中藥治療效果差、周期長，而西藥具有針對性強、治療效果好等優點，同時傳統中藥材合成西藥成本高、制藥單一、合成藥治療效果差，而生物制藥技術投入使用后解決了傳統制藥存在的弊端。由于受我國國情影響，我國生物制藥技術發展相對較慢，在制藥領域中生物制藥技術還需進一步優化改進，當前我國政府對生物制藥扶持力度越來越大，并將生物制藥列入我國經濟發展重要項目。

生物制藥在一個復雜的過程中，首先需要對各種菌類活化培養，如光合細菌、乳酸菌、放線菌、酵母菌等，活化后進行一二級培養，如圖1 所示。二級培養時應根據各類菌的特性進行培養處理，如光合細菌應采用二級間歇式通氣培養，乳酸菌應采用二級靜置培養，然后對各類二級培養菌進行合成作用，產生一級復合菌，通過多種一級復合菌合成作用產生各類藥物主要成分的酶。

圖1 生物制藥原理圖

（3）生物制藥技術發展現狀。生物制藥技術在過去幾十年里取得了顯著的進展，主要體現在以下幾個方面：①單克隆抗體療法：單克隆抗體作為一種重要的生物制藥產品，已成為治療癌癥、自身免疫性疾病等領域的重要手段，多個單克隆抗體藥物已經上市，取得了顯著的臨床效果。②基因治療：基因治療作為生物制藥技術的前沿領域，通過修復或替代患者缺陷的基因，為一些罕見病和遺傳性疾病提供了新的治療途徑，相關技術正在不斷完善，為更多疾病的治療提供可能性。③細胞治療：利用修飾的細胞，如CAR-T細胞，作為治療手段，已在血液系統腫瘤治療中取得顯著成功，這一領域的研究也在不斷擴展，探索更廣泛的應用。④生物仿制藥：生物仿制藥作為生物制藥技術的一項重要成果，利用細胞培養技術生產與原研藥相似的生物制品，降低藥物研發和生產成本，為患者提供更經濟的治療選擇。⑤合成生物學的應用：合成生物學技術的發展使得設計和構建生物系統更為可行，有望加速新型生物制藥產品的研發。⑥疫苗技術創新：生物制藥技術在疫苗領域也取得了顯著進展，如mRNA 疫苗技術的應用，使疫苗的研發速度大幅提升，為傳染病防控提供了更靈活的手段。

2.生物制藥技術的主要類型

（1）固定化酶。固定化酶技術是一種將酶固定在載體上并保持其活性的生物制藥技術，這種技術主要包括以下方面：①載體選擇：選擇合適的載體是固定化酶技術的關鍵，常用的載體包括天然多孔材料、凝膠、聚合物等，其選擇取決于酶的性質和應用需求。②固定化方法：固定化酶可通過吸附、共價結合、包埋等方式與載體結合，各種固定化方法影響酶的穩定性和活性，需要根據具體應用進行優化。③反應條件控制：固定化酶技術可以通過調控反應條件，如溫度、pH 等，實現對酶的活性和特異性的調控，提高反應效率。④連續生產：固定化酶系統可用于連續生產，提高生產效率，降低生產成本，這種連續生產方式在食品工業、生物燃料生產等領域得到廣泛應用。

（2）細胞工程。細胞工程是一種利用細胞作為生產工具的生物制藥技術，包括植物、動物和微生物等各種類型的細胞，主要特點如下：①細胞選擇：根據生產需求選擇合適的細胞，如大腸桿菌、釀酒酵母、哺乳動物細胞等，不同細胞類型在生產藥物方面具有獨特的優勢。②基因轉移：細胞工程通過基因轉移技術，將攜帶目標基因的質粒導入宿主細胞，使其表達和產生所需的蛋白質或藥物。③培養條件優化：為提高產物的產量和質量，需要對培養條件進行優化，包括培養基組成、溫度、pH 等因素。④代謝工程：利用代謝工程手段，調控宿主細胞的代謝途徑，增強對底物的利用效率，提高產物的產量。

（3）基因工程。基因工程是一種通過改變生物體的基因結構，以達到人為設計和優化生物特性的技術，在生物制藥領域，基因工程主要有以下特點：①基因克隆：利用分子克隆技術，將目標基因從一個生物體轉移到另一個生物體，以實現目標蛋白質的高效表達。②表達載體構建：構建表達載體是基因工程中的關鍵步驟，通過選擇適當的表達載體，將目標基因與調控元件組裝在一起，實現對目標基因的精準調控。③蛋白質表達和純化：基因工程使得大量目標蛋白質可以在宿主細胞中高效表達，然后通過蛋白質純化技術獲得純度較高的生物制品。④改良藥物特性：基因工程可用于改良藥物特性，如提高藥物的穩定性、延長血漿半衰期等，以提高治療效果和便利性。

3.化工合成制藥工藝中生物制藥技術的具體應用

(1)冠心病藥物生產應用

利用生物工程技術，生產抗凝血酶類藥物，如抗凝血酶和抗血栓蛋白，用于預防和治療冠心病患者的血栓形成。通過生物制藥技術，生產降低膽固醇的藥物，如抑制膽固醇合成的抑制劑，以幫助控制患者的血脂水平，降低冠心病風險。

(2)抗腫瘤藥物生產

利用細胞工程和基因工程技術，生產抗腫瘤的單克隆抗體，用于靶向癌細胞，促進免疫系統對腫瘤的攻擊。生產具有抗腫瘤活性的細胞因子，如干擾素、白細胞介素等，以增強機體免疫反應，對抗腫瘤細胞。利用細胞工程技術，改造患者自身的T 細胞，使其具有對腫瘤細胞的識別和攻擊能力，從而實現個體化的抗腫瘤治療。

(3)免疫藥物生產

利用基因工程技術，生產重組疫苗，如流感疫苗、HPV 疫苗等，用于預防和控制傳染病。生產通過基因工程手段獲得的免疫抑制劑，用于器官移植、自身免疫性疾病等治療，幫助控制免疫系統的過度活性。

(4)神經類藥物生產

通過基因工程技術，生產神經生長因子，用于治療神經系統疾病，促進神經細胞的生長和修復。生產通過基因工程得到的神經遞質調節劑，如抗抑郁藥物、抗精神病藥物等，用于調節神經信號傳導。

(5)多肽藥物研制生產

利用基因工程技術，生產胰島素和類胰島素藥物，用于糖尿病患者的血糖控制。生產通過基因工程得到的生長激素，用于兒童生長障礙和其他相關疾病的治療。利用基因工程技術生產多肽類抗體藥物，如生物仿制藥和創新性的治療藥物，用于癌癥、自身免疫性疾病等領域。

(6)應用人源化小鼠

在生物制藥技術中人源化小鼠應用能夠對藥物有效性、安全性、治療效果等具有很好的提升作用，在基因缺陷疾病或腫瘤疾病中被廣泛應用；在進行腫瘤疾病治療時利用人源化小鼠進行臨床試驗，從而使科研人員準確掌握腫瘤發展過程及疾病傳導因素等。

(7)細胞工程

在生物制藥技術中細胞工程是一項重要的學科內容，隨著我國生產技術水平的不斷提升，細胞工程技術得到了快速發展，細胞工程技術主要利用先進的科學技術及設備對細胞進行改造，培養不同類型的細胞進行制藥，如紅細胞培養、抗生素合成等。

(8)生物酶催化

生物酶催化技術利用催化劑及酶自身存在的活性參與化學反應，生物酶催化技術是生物制藥技術常用技術手段，具有反應速度快、生產能力好、成本低等優點，生物酶催化技術在制藥領域微生物發酵工藝中被廣泛應用，對制藥產物實現元素分離、活化、合成等。

4.結語

總體而言，生物制藥技術作為一門綜合性的科技領域，通過基因工程、細胞工程和固定化酶技術等手段，為藥物研發和生產提供了強大的工具和方法。未來，隨著科技不斷發展和突破，生物制藥技術有望在更多領域展現其潛力，為人類健康提供更多前所未有的治療選擇。通過不斷的研究和創新，生物制藥技術將繼續推動醫學領域的發展，為疾病防治和患者健康帶來更多福音。