生物制药技术原理及应用领域分析研究

＊常华 伊慧敏 刘霞

（国药集团威奇达药业有限公司 山西 037300）

引言

现代制药工艺借助计算机辅助设计（CAD）和高通量筛选技术，使药物研发过程更加迅速和高效，生物信息学工具在药物设计和分析中的应用日益广泛，帮助科学家更好地理解分子相互作用和药效学。生物制药技术的飞速发展，尤其是单克隆抗体生产和基因治疗等方面的创新，推动了生物类药物的研发和生产，这些技术不仅提高了药物的生物活性，还降低了副作用的发生率。制药工艺中的数字化技术，如工业物联网（IIoT）、人工智能和大数据分析，被广泛应用于制造过程的监控和优化，这有助于提高生产效率、减少生产过程中的变异性，并确保产品质量的一致性。制药工艺越来越面向个体化医疗的方向发展，基于患者的基因型和表型数据，定制化药物治疗方案正在成为现实，这对制药工艺提出了更高的要求，需要更灵活、快速的生产方式。为了应对全球化市场的需求，制药工艺越来越倾向于国际的合作与标准化，这包括国际质量管理标准、生产规范及信息共享，以保证全球范围内的药品质量和安全性。

1.生物制药技术内涵及发展现状

（1）生物制药技术内涵。生物制药技术是一门综合应用生物学、生物化学、分子生物学等多学科知识的领域，以生物体或其组成部分作为生产药物的生产工具。其内涵主要包括以下几个方面：①基因工程技术：利用重组DNA 技术，通过改变或插入基因，使微生物、植物或动物表达目标蛋白，从而实现药物的生产。②细胞培养技术：利用细胞培养技术，培养和扩增动植物细胞，以获得高产、高质的生物制药产品。③蛋白质纯化技术：利用各种分离和纯化技术，从复杂的生物体系中提取和纯化目标蛋白质，确保产品的纯度和稳定性。④生物反应器技术：设计和操作合适的生物反应器，为细胞提供合适的环境条件，以提高药物产量和降低制造成本。⑤基因组学和蛋白质组学：运用基因组学和蛋白质组学的技术手段，研究生物体系中的基因表达和蛋白质组成，优化生产工艺。⑥生物信息学：利用计算机技术处理和分析大量的生物数据，预测和设计新的生物制药产品，加速药物研发过程。

（2）生物制药技术原理。生物制药技术在当前制药领域中属于全新技术，科研人员利用先进的制药设备及理论知识对微生物进行催化加工，形成具有治疗疾病作用的酶成分，然后对各类酶进行分类加工形成药品；由于受环境、饮食等影响产生各类疾病，若采用传统中药治疗效果差、周期长，而西药具有针对性强、治疗效果好等优点，同时传统中药材合成西药成本高、制药单一、合成药治疗效果差，而生物制药技术投入使用后解决了传统制药存在的弊端。由于受我国国情影响，我国生物制药技术发展相对较慢，在制药领域中生物制药技术还需进一步优化改进，当前我国政府对生物制药扶持力度越来越大，并将生物制药列入我国经济发展重要项目。

生物制药在一个复杂的过程中，首先需要对各种菌类活化培养，如光合细菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌等，活化后进行一二级培养，如图1 所示。二级培养时应根据各类菌的特性进行培养处理，如光合细菌应采用二级间歇式通气培养，乳酸菌应采用二级静置培养，然后对各类二级培养菌进行合成作用，产生一级复合菌，通过多种一级复合菌合成作用产生各类药物主要成分的酶。

图1 生物制药原理图

（3）生物制药技术发展现状。生物制药技术在过去几十年里取得了显著的进展，主要体现在以下几个方面：①单克隆抗体疗法：单克隆抗体作为一种重要的生物制药产品，已成为治疗癌症、自身免疫性疾病等领域的重要手段，多个单克隆抗体药物已经上市，取得了显著的临床效果。②基因治疗：基因治疗作为生物制药技术的前沿领域，通过修复或替代患者缺陷的基因，为一些罕见病和遗传性疾病提供了新的治疗途径，相关技术正在不断完善，为更多疾病的治疗提供可能性。③细胞治疗：利用修饰的细胞，如CAR-T细胞，作为治疗手段，已在血液系统肿瘤治疗中取得显著成功，这一领域的研究也在不断扩展，探索更广泛的应用。④生物仿制药：生物仿制药作为生物制药技术的一项重要成果，利用细胞培养技术生产与原研药相似的生物制品，降低药物研发和生产成本，为患者提供更经济的治疗选择。⑤合成生物学的应用：合成生物学技术的发展使得设计和构建生物系统更为可行，有望加速新型生物制药产品的研发。⑥疫苗技术创新：生物制药技术在疫苗领域也取得了显著进展，如mRNA 疫苗技术的应用，使疫苗的研发速度大幅提升，为传染病防控提供了更灵活的手段。

2.生物制药技术的主要类型

（1）固定化酶。固定化酶技术是一种将酶固定在载体上并保持其活性的生物制药技术，这种技术主要包括以下方面：①载体选择：选择合适的载体是固定化酶技术的关键，常用的载体包括天然多孔材料、凝胶、聚合物等，其选择取决于酶的性质和应用需求。②固定化方法：固定化酶可通过吸附、共价结合、包埋等方式与载体结合，各种固定化方法影响酶的稳定性和活性，需要根据具体应用进行优化。③反应条件控制：固定化酶技术可以通过调控反应条件，如温度、pH 等，实现对酶的活性和特异性的调控，提高反应效率。④连续生产：固定化酶系统可用于连续生产，提高生产效率，降低生产成本，这种连续生产方式在食品工业、生物燃料生产等领域得到广泛应用。

（2）细胞工程。细胞工程是一种利用细胞作为生产工具的生物制药技术，包括植物、动物和微生物等各种类型的细胞，主要特点如下：①细胞选择：根据生产需求选择合适的细胞，如大肠杆菌、酿酒酵母、哺乳动物细胞等，不同细胞类型在生产药物方面具有独特的优势。②基因转移：细胞工程通过基因转移技术，将携带目标基因的质粒导入宿主细胞，使其表达和产生所需的蛋白质或药物。③培养条件优化：为提高产物的产量和质量，需要对培养条件进行优化，包括培养基组成、温度、pH 等因素。④代谢工程：利用代谢工程手段，调控宿主细胞的代谢途径，增强对底物的利用效率，提高产物的产量。

（3）基因工程。基因工程是一种通过改变生物体的基因结构，以达到人为设计和优化生物特性的技术，在生物制药领域，基因工程主要有以下特点：①基因克隆：利用分子克隆技术，将目标基因从一个生物体转移到另一个生物体，以实现目标蛋白质的高效表达。②表达载体构建：构建表达载体是基因工程中的关键步骤，通过选择适当的表达载体，将目标基因与调控元件组装在一起，实现对目标基因的精准调控。③蛋白质表达和纯化：基因工程使得大量目标蛋白质可以在宿主细胞中高效表达，然后通过蛋白质纯化技术获得纯度较高的生物制品。④改良药物特性：基因工程可用于改良药物特性，如提高药物的稳定性、延长血浆半衰期等，以提高治疗效果和便利性。

3.化工合成制药工艺中生物制药技术的具体应用

(1)冠心病药物生产应用

利用生物工程技术，生产抗凝血酶类药物，如抗凝血酶和抗血栓蛋白，用于预防和治疗冠心病患者的血栓形成。通过生物制药技术，生产降低胆固醇的药物，如抑制胆固醇合成的抑制剂，以帮助控制患者的血脂水平，降低冠心病风险。

(2)抗肿瘤药物生产

利用细胞工程和基因工程技术，生产抗肿瘤的单克隆抗体，用于靶向癌细胞，促进免疫系统对肿瘤的攻击。生产具有抗肿瘤活性的细胞因子，如干扰素、白细胞介素等，以增强机体免疫反应，对抗肿瘤细胞。利用细胞工程技术，改造患者自身的T 细胞，使其具有对肿瘤细胞的识别和攻击能力，从而实现个体化的抗肿瘤治疗。

(3)免疫药物生产

利用基因工程技术，生产重组疫苗，如流感疫苗、HPV 疫苗等，用于预防和控制传染病。生产通过基因工程手段获得的免疫抑制剂，用于器官移植、自身免疫性疾病等治疗，帮助控制免疫系统的过度活性。

(4)神经类药物生产

通过基因工程技术，生产神经生长因子，用于治疗神经系统疾病，促进神经细胞的生长和修复。生产通过基因工程得到的神经递质调节剂，如抗抑郁药物、抗精神病药物等，用于调节神经信号传导。

(5)多肽药物研制生产

利用基因工程技术，生产胰岛素和类胰岛素药物，用于糖尿病患者的血糖控制。生产通过基因工程得到的生长激素，用于儿童生长障碍和其他相关疾病的治疗。利用基因工程技术生产多肽类抗体药物，如生物仿制药和创新性的治疗药物，用于癌症、自身免疫性疾病等领域。

(6)应用人源化小鼠

在生物制药技术中人源化小鼠应用能够对药物有效性、安全性、治疗效果等具有很好的提升作用，在基因缺陷疾病或肿瘤疾病中被广泛应用；在进行肿瘤疾病治疗时利用人源化小鼠进行临床试验，从而使科研人员准确掌握肿瘤发展过程及疾病传导因素等。

(7)细胞工程

在生物制药技术中细胞工程是一项重要的学科内容，随着我国生产技术水平的不断提升，细胞工程技术得到了快速发展，细胞工程技术主要利用先进的科学技术及设备对细胞进行改造，培养不同类型的细胞进行制药，如红细胞培养、抗生素合成等。

(8)生物酶催化

生物酶催化技术利用催化剂及酶自身存在的活性参与化学反应，生物酶催化技术是生物制药技术常用技术手段，具有反应速度快、生产能力好、成本低等优点，生物酶催化技术在制药领域微生物发酵工艺中被广泛应用，对制药产物实现元素分离、活化、合成等。

4.结语

总体而言，生物制药技术作为一门综合性的科技领域，通过基因工程、细胞工程和固定化酶技术等手段，为药物研发和生产提供了强大的工具和方法。未来，随着科技不断发展和突破，生物制药技术有望在更多领域展现其潜力，为人类健康提供更多前所未有的治疗选择。通过不断的研究和创新，生物制药技术将继续推动医学领域的发展，为疾病防治和患者健康带来更多福音。