生物工程技术对现代制药业的影响，本文主要内容关键词为：工程技术论文,生物论文,制药业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 前言
生物工程是70年代产生的一门新的学科，它是通过技术手段，利用生物体或生物过程生产有经济价值产品的学科。生物工程技术的兴起依赖于生物学基础研究方面的二个重大突破：一是本世纪 50 年代出现的Watson和Crick的DNA模版学说；二是本世纪60～70年代出现的Jacob 和Monod的操纵子学说。这两个学说的出现，是历史性突破的标志， 从而诞生了生物学中一门最重要的学科—分子生物学。分子生物学迅速崛起，对生命现象的本质—核酸、蛋白质及其相互关系作了较深入的阐述。人们对生物规律的认识已经从宏观进到微观，认识到生物的复杂现象最终是由生物分子及其特性决定的。在对生物分子本身规律的掌握之后，人们有可能用新的技术手段改造生物和利用生物代谢过程。以分子生物学基础理论为指导，发展完善了基因工程的工具酶和载体，如内切酶、载体质粒、连接酶及其他修饰酶等，使人们能利用重组DNA 分子自如地操作基因，搬动和改造基因。DNA和蛋白质顺序测定方法、 基因体外快速突变、DNA人工合成等方法的出现， 也导致了基因工程在研究技术方面的逐步成熟和发展。因此，生物工程是基础科学和应用科学相结合的产物。生物工程的兴起，不仅反映出生物学飞跃到一个与过去无法比拟的新水平，而且也反映出人类有效控制生物过程为人类造福的时代已经开始。
目前，生物工程已深入到人类生产的各个行业，如工业、农业、矿业、化工、医药、食品、能源和环境保护等。生物工业已作为一种新兴的工业体系发展起来，在各个行业的知识和技术创新中起着越来越重要的作用，在制药业中尤其重要。当前投入市场的生物工程医药产品越来越多，取得了巨大的经济效益，因而引起各国政府的高度重视和科研机构，企业界的积极参与，对制药业产生着越来越大的影响。
2 生物工程技术对药品生产领域的改进与创新
利用生物工程技术进行医药产品的生产与传统的化学工业相比具有反应条件温和，反映产物纯度高，污染少和投资省等优点。更为重要的另一方面是生物工程技术可开创新的药品生产领域。生物工程从学科领域可把之归并为四个分支：基因工程、细胞工程、微生物工程和酶工程。以下对生物工程技术的四个分支作简要的介绍。
2.1 基因工程
基因工程又称遗传工程，即重组DNA技术的实际应用。 它是把在体外重新组合的DNA引入到适当的细胞中进行复制和表达。 其所依托的基础理论为Watson和Crick的DNA模版学说，Jacob和Monod的操纵子学说。此二者相辅相成地从分子水平上揭开了遗传密码的复制、转录、转译、突变、调节与控制的奥秘，使人们对于生命基本现象的实质的认识大大地具体化和深入了一步，揭开了生物遗传变异的奥秘，堪称划时代的成就。这些理论也成为基因工程研究的理论基础，依此创立了基因工程的基本程序。基因工程技术的操作对象是由基因本质及其调控的基础理论所打开的全新的客观世界—基因世界。因此，基因工程技术是一全新的技术，为人们广泛的利用和改造生物，适应人类的需要开辟了新的途径。基固工程技术在医药工业中的应用主要有以下内容：
2.1.1 基因工程药物品种的开发
利用基因工程细菌等表达人类一些重要基因片段，可产生具生理活性的肽类和蛋白质类药物。这一技术可以大量廉价生产以前不敢想象的医药产品。如应用传统的技术方法提取生长激素抑制素（Somatostatin）一毫克需要用十万只羊的下丘脑，所要耗费的资金大约等于经由人造卫星从月球上搬回一公斤石头。而用基因工程方法生产这一激素只需十公升大肠杆菌培养液，其价格大约为每毫克0.3美元。 这就是基因工程这一高技术的诱人之处，有着难以估量的社会效益和经济效益。
1982年，重组人胰岛素经美国FDA 批准作为第一个基因工程药物上市，至1993年末，已有14种基因工程药物获准上市。目前，基因工程药物研究开发正方兴未艾。估计还有时40种基因工程药物可望在2000年底前正式上市。至1994年末，基因工程药物的销售额已达50.89亿美元。 预计到本世纪末可达140亿美元，其中EPO（红细胞生成素）、G—GSF（粒细胞集落刺激因子）等年销售额均将超过10亿美元[1]。 随着人类基因组计划研究的深入及完成，至下世纪初将会出现基因工程药物开发的又一热潮。
2.1.2 应用基因工程技术建立新药的筛选模型
在新药研究开发中日益广泛使用的各种酶、受体筛选模型所需的靶酶和受体往往来自动物体内，因而数量有限而不利于采用机器人进行大量筛选。应用基因重组技术将一些靶酶的活性中心或受体的配体、亚基等在微生物中大量表达可以解决这一难题。据报道，最近β- 肾上腺受体，5-HT受体和毒蕈碱M[,1]受体等已在大肠杆菌或酵母菌中表达成功，并已证实这些受体的功能与来自哺乳动物组织的受体完全相同。
2.1.3 应用基因工程技术改良菌种，产生新的微生物药物
应用基因工程技术改造产生新的杂合抗生素，为微生物药物提供了一个新的来源。第一次报道是英国Hopwood等于1985 年应用基因重组技术获得新杂合抗生素mederrhodin A和双氢榴紫红素[2]。
2.1.4 基因工程技术在改进药物生产工艺中的应用
相关的应用有：（1）用带关键酶基因的质粒转化菌种， 增加菌种中的关键酶基因拷贝和转录水平。（2）抑制菌种中多余成分的表达， 提高相应产量同时使提取、精制、半合成等后处理工序变得更方便。（3）将血红蛋白基因克隆进菌种后提高对缺氧环境的耐受力， 减少供氧这一限制因素的影响和节约能量。
2.1.5 利用转基因动、植物生产蛋白质类药物
现代重组DNA技术特别是基因显微注射技术的发展， 奠定了转基因动、植物发展的基础。转基因动、植物将发展成为生物药品的“新一代药厂”，具有光明的前景和广阔的市场。如人体蛋白AAT 的国际市场价格为10万美元1克，而转基因羊的羊奶中的含量就可达20克/升[3]。
2.1.6 基因工程抗体在制药工业中的应用
基因工程抗体是新兴分支学科—抗体工程的研究对象。它通过原核生物细胞或昆虫细胞表达抗体的小分子有效部位进行大规模廉价生产，可用作导向药物的载体。
2.2 细胞工程
细胞工程是在细胞水平上的生物工程。细胞工程是在对细胞结构的深入认识和细胞遗传学的发展起来的。进入50年代以后，随着电子显微镜、超离心、X光衍射新技术的应用， 使人们有可能将亚细胞成分和大分子分离出来进行分析研究，这一研究水平显然是光学显微时代的细胞学所不及的，人们逐渐认识到，细胞中的一切功能和物理化学变化均和发生在分子结构和超分子结构水平上的变化有关。DNA 分子的双螺旋结构弄清了许多遗传学原理，还是从分子水平上揭示结构同机能的关系的一个极好的例证。这奠定了细胞培养和细胞融合技术的理论基础。人们认识到培养的动、植物细胞可以通过无性繁殖扩大群体数量同时保持本身遗传性状一致；融合细胞通过容纳两种亲本细胞的基因载体—染色体而具有亲本双方的优良性状。通过细胞融合技术发展起来的单克隆抗体技术取得了重大成就，该技术被誉为免疫学中的“革命”。细胞培养技术亦取得了丰硕的成果。细胞工程同基因工程结合，前景尤为广阔。现在应用较广泛的有单克隆抗体技术、植物细胞培养生产次生代谢产物、动物细胞培养。另外，细胞培养技术也是基因工程中利用转基因动、植物生产蛋白质类药物的基础技术之一。
2.2.1 单克隆抗体技术
单克隆抗体技术是将能在体外无限繁殖的恶性瘤细胞与能产生单一抗体的B淋巴细胞融合，使融合细胞具有两种亲本细胞特性的技术。 单克隆抗体在医学上的用途十分广泛，抗病毒单克隆抗体已用于临床，例如用于诊断流感病毒类型和狂犬病的治疗。单克隆抗体最受重视的用途是在肿瘤诊断和治疗方面的应用。经抗体与药物结合制成“生物导弹”，能定位杀灭瘤细胞，避免或减少对正常细胞的伤害，从而大大减轻了抗癌药物的副作用。目前，以单克隆抗体为基础的诊断和治疗试剂在全球的销售额已超过40亿美元。
2.2.2 植物细胞培养生产次生代谢产物
利用特殊设计适于植物细胞培养的发酵罐，培养经过细胞系筛选，条件优化的植物细胞，可获得有经济价值的次生代谢产物，它们常常是药物。1983年，日本利用紫草细胞培养工业化生产紫草素，是世界上第一个利用植物细胞培养工业化生产次生代谢产物的例子。到1989年，达到72 立方米的培养罐内大规模培养植物细胞生产药物的植物种类已有8种[ 4]。此外，由于培养中细胞变异以及培养条件的影响，可产生自然界不存在的新的药物。还可利用固定化植物细胞转化价廉的底物成价值高的药物。
2.2.3 动物细胞培养
目前，动物细胞培养主要用于通过大量的细胞培养获得细胞产品。同时可用来进行病毒抗原的制作和疫苗的生产，如制作带状包疹、水痘、传染性肝炎等的疫苗。
2.3 微生物工程
微生物工程也称发酵工程，它在原有发酵技术的基础上又采用了新技术使工艺水平大大提高。所采用的新技术主要应用于三个方面：工艺改进、新药研制和菌种改造。工艺改进主要依赖于计算机理论及技术的发展。新药研制则得益于医学研究中对疾病机理的深入了解。菌种改造主要利用基因工程原理及技术。正是由于采用其它学科的理论和新技术成果，使得微生物工程成为一高新技术。这反应出当今各学科之间相互渗透、相互支持，促进科学技术加速发展的趋势。以下对这三方面作一简述。
在工艺改造方面主要是在发酵过程中实行计算机控制以及各项生理指标应用传感器等加以检测。
新药研制主要是微生物药物的开发。近年来，随着基础生命科学的发展和各种新的生物技术的应用，由微生物产生的具有除抗感染、抗肿瘤作用以外的其它活性物质的报道越来越多，如酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等，其生物活性超过了传统抗生素所包括的范围。这类化合物是在抗生素研究的基础上发展起来的。这类物质和一般抗生素均为微生物的次级代谢产物，其在生物合成机制、筛选研究及生产工艺等多方面具有共同的特点，因此将其统称为微生物药物，即在微生物生命活动过程中产生的具有生理活性（或称药理活性）的次级代谢产物及其衍生物。微生物药物的新时代是以酶抑制剂的研究为开端，目前已拓展到免疫调节剂、受体拮抗剂、抗氧化剂等多种生理活性物质的筛选和开发研究，其研究成果令人瞩目。
利用基因工程技术构建能够产生新物质及改善生产工艺的基因工程菌，是一个八十年代初开始形成的新领域，已经构建许多能够产生新的次级代谢产物和具有优良生产特性的基因工程菌。
2.4 酶工程
利用酶或细胞、细胞器所具有的催化功能用于药品工业化生产、监测的技术称酶工程，酶工程是酶学与化工技术二者结合的产物。酶学研究的是酶结构和生物催化机理。利用蛋白质结晶化学和晶体X 射线衍射方法等新技术，对酶的三维结构与其功能有了较深入地了解。认识到酶与底物作用的专一性、高效性，为酶工程中利用酶转化廉价底物为高价值产物奠定了理论基础，也可以说为人们对酶的认识打开了一扇窗口，为利用酶进行生产提供了可能。化工技术方面则得益于新型酶固定化材料的研制与应用，使酶反应更为有序，使生产工艺更为简单、紧凑、有效。
酶工程可用完整的微生物细胞或从微生物细胞中提取的酶作为生物催化剂，其区域和立体选择性强，反应条件温和，操作简便，成本较低，公害少且能完成一般化学合成难以进行的反应。随着当代生物技术的发展，将固相酶（固定化细胞）、酶膜反应器、溶剂工程、原生质体融合、诱变和基因重组等新技术引入酶催化反应体系，不仅可使微生物转化的效率成倍增长，而且可使整个生产过程连续、自动化，为微生物转化应用于有机合成展现了广阔的前景。微生物转化已广泛用于各类重要药物如抗生素、维生素、甾体激素、氨基酸、芳基丙酸和前列腺素等的合成。近十年来，利用微生物转化进行手性药物的不对称合成和对映体拆分，又成为新的研究热点[5]。
酶工程对促进医药工业传统技术改造具有极大的潜力，尤其是发酵工艺与酶工程技术之间存在着天然的内在联系。传统发酵工艺为无法人为控制的低密度转化，反应器体积大，菌体及产物浓度低，能耗粮耗高，产品收率低，污染严重，效益低下。酶工程是传统发酵工艺在技术上的更新换代，从而导致其技术产生根本变革，甚至取代发酵工艺。
酶工程诞生仅二十余年，正处于日新月异逢勃发展之中。目前医药工业原料相当比例来自化学工业，预计到本世纪末，将有25%化工产品来自酶工程技术，到时设备投资将减少30%，能耗将下降30%，包括医药产品在内，其产值将达数百亿美元，将占有机化工产品产值的43%[6]。
3 生物工程技术对制药企业产生重大影响
3.1 生物技术药品给企业带来高额的利润和诱人的市场
长期以来，困扰着医学界的一个重大课题是，一些在疾病诊断、预防和治疗中有着重要价值的药品如激素、淋巴因子、神经多肽、调节蛋白、酶类、凝血因子等人体活性多肽以及某些疫苗或由于材料来源困难或由于技术方法问题而无法研制成功；即使勉强沿用传统技术予以研制，亦因药源有限而供不应求，而且这类制品往往因为副作用大而疗效不佳。而用基因工程技术可以大量廉价地生产这些药品，可以满足患者治疗的需要，具有巨大的社会经济效益。如红细胞生成素（EPO ）的开发，Amgen公司花了3.15亿美元，而公司至1996年6月，在对肾透析市场的垄断失效前把EPO给美国医疗保健部门（Medicare）可获得18亿美元。 医疗保健部门为1000单位EPO付出11美元，而生产成本仅0.40美元， 相差达2750%[7]。
生物技术医药产品具有十分诱人的市场前景。其销售额增长迅速。据估计，到2000 年全世界现代生物技术产品的销售额将占所有药品的8%，即达660亿美元，从1985年到2000年，年均增长24%。 生物技术医药产品将是下世纪初医药产品的“领头羊”。据估计，到2000年，销售额大于20亿美元的4个产品中有2个为生物技术产品，而EPO 将获得第一，达30亿美元；在大于10亿美元的17种药品中，生物技术产品将占5个[8]。
3.2 促使大型制药企业与生物技术公司广泛联合、兼并
由于生物技术医药产品具有高额的利润和诱人的市场前景，同时开发合成新药日趋艰难，各大制药公司纷纷加紧开发生物药物，有的公司甚至将其作为拳头产品来开发，如美国Schering—Plough公司1995年研究和开发（ R&D）预算中约25%将继续花在生物技术项目上， 金额达2.15亿美元[ 9] 。 当前各国公司生物技术产品的开发竞争相当激烈， 1989年美国专利局就收到7800件生物技术专利申请[8]。 面对高额的利润和激烈的竞争，目前几乎所有的制药企业都与生物技术公司结成联盟。通过生物技术公司与主要制药公司进行合作开发，一方面可使制药公司获得生物产品的生产技术；另一方面也为小型和时常缺乏现金的生物技术公司提供了资金来源。另外，通过兼并和收购生物技术公司也可为制药企业获得生物技术领域的经验和知识，从而使产品尽快达到规模经济工业生产。估计今后会在生物技术领域有更多的收购活动出现。美国、日本、德国、瑞士等发达国家企业正在积极推行这一策略[10][ 11][12]。
4 生物工程技术对世界制药业格局的影响
4.1 将使发达国家与发展中国家制药业的差距进一步拉大
生物技术医药产品的开发需要坚实的基础研究，雄厚的资金投入以及政府对专利的保护。在西方发达国家，其研究条件优越，研究人员待遇优厚，从而积聚和正吸引着大批优秀人才。而第三世界国家有世界70%的人口，但只有24%科学家，5%的研究经费，只有3%的研究文章发表[13]。西方发达国家对研究开发经费的投入以企业界为主，而发达国家医药企业实力雄厚并重视新药的研究和开发（R&D）。1991年， 世界前十家最大制药公司（均为西方发达国家制药公司）的R&D 经费投入从3亿到8亿美元不等，占其销售额的12～18%。美国、日本、和德国占全世界R&D支出的60%多[14][15]。
生物制药工业产权是属于“专利依赖型”的知识产权。发达国家十分重视对专利的保护。最近，美国、日本和欧洲纷纷将专利保护期延长至20年。而发展中国家在此作得不够。这将限制新药的应用、抑制技术转让，降低国内工业的进一步发展。另外还打击了发达国家在这些国家振兴制药工业研究和开发的投资。如在南美洲国家，美国制药企业投入的资金不到其对外总投资的3%[16]，因此， 发展中国家与发达国家在制药业上的差距将进一步拉大。
4.2 给新兴工业国家和地区医药业的发展提供了机遇
新兴工业国家和地区经过七十和八十年代的发展，其经济实力增强，但在世纪之交遇到产业调整的问题，需要发展技术、知识密集型产业，而生物制药为其提供了一最佳选择。在亚洲，韩国、香港、台湾和新加坡均将其列为重点发展技术。 韩国为大力发展生物技术制订了一个14年的长远计划，计划筹资约20亿美元，其中国家投资约占35 %， 至2007年后，使生物技术成为韩国出口创汇的重要资源[17]。台湾也计划发展生物技术药品，使之在2000年销售额达100亿台币。 香港则计划联合吸引中国大陆的人才发展生物技术的基础研究与开发，将生物技术工业作为其经济转型的优先考虑项目之一。
总之，生物工程技术在医药业中的应用将越来越广泛和深入，必将在医药业中引起一场深远的变革。
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