《生物医药技术》课件

生物医药技术课程概述课程内容学习目标涵盖生物医药技术基础理论与全面掌握生物医药技术的基本实际应用，包括基因工程、细概念、工艺流程和产业化要求，胞工程、酶工程、发酵工程等培养学生的科学思维和创新能核心技术领域力课程结构第一部分生物医药技术概论生物医药技术概论部分将为学生构建坚实的理论基础，从生物医药的基本定义出发，系统阐述其发展历程、技术特点和分类体系这一部分内容是理解后续专业技术的重要前提，也是培养学生科学思维的关键环节通过本部分学习，学生将深入理解生物医药技术与传统医药技术的本质区别，掌握生物医药产业链的基本构成，为进一步学习专业技术奠定扎实基础我们将从历史发展的角度，展现生物医药技术的演进脉络和未来趋势生物医药的定义与范围基本概念技术特色产业规模生物医药技术是运用现代生物技术手段，与传统化学合成药物相比，生物医药具全球生物医药市场在2024年已达到

3.2研发、生产和应用生物医药产品的综合有分子结构复杂、靶点特异性强、疗效万亿美元，年增长率保持在8-12%，成性技术体系，包括预防、诊断、治疗疾显著等特点，代表了医药技术发展的前为各国重点发展的战略性新兴产业病的各类生物制品沿方向生物医药的发展历程传统生物制药11920-1950年，以青霉素、链霉素等抗生素的发现和生产为标志，奠定了现代生物制药的基础2现代生物技术1970年代至今，DNA重组技术的诞生开启了现代生物技术时代，基因工程药物开始涌现基因工程革命31980年代，重组人胰岛素等基因工程药物成功上市，标志着生物医药进入产业化发展阶段4基因组学时代2000年后，人类基因组计划完成，推动了精准医疗和个体化治疗的快速发展精准医疗时代52010年后，CRISPR基因编辑、CAR-T细胞治疗等革命性技术不断涌现，开创了精准医疗新纪元生物医药的特点分子复杂性种属特异性治疗精准性生物药物分子结生物药物具有显针对特定的分子构复杂，通常为著的种属特异性，靶点发挥作用，大分子蛋白质或需要针对不同物治疗针对性强，核酸，具有精细种进行专门的安疗效显著，副作的三维结构和生全性和有效性评用相对较小物活性价稳定性挑战蛋白质和核酸类药物稳定性相对较差，对储存和运输条件要求严格，需要特殊的保存技术生物医药技术的分类细胞工程技术基因工程技术利用细胞培养、干细胞技术、细胞治疗等手段，通过DNA重组、基因克隆、基因编辑等技术，开发细胞类药物和再生医学产品1生产重组蛋白药物和基因治疗产品酶工程技术通过酶的改造、固定化和应用，生产酶类药物和开发生物催化工艺生物信息学技术发酵工程技术利用计算机技术分析生物大数据，辅助药物设计和个性化医疗方案制定运用微生物发酵工艺，大规模生产抗生素、疫苗、维生素等生物制品第二部分基因工程技术基因工程技术是生物医药技术的核心组成部分，它通过对基因的精确操作和改造，实现了对生物体遗传特性的定向修饰这一技术不仅推动了重组蛋白药物的产业化发展，更为基因治疗、细胞治疗等前沿医疗技术奠定了基础本部分将系统介绍基因工程的基本原理、核心技术和实际应用从DNA的结构与功能出发，深入阐述基因表达调控机制，掌握基因克隆、基因编辑等关键技术，了解基因工程药物的研发与应用现状基因工程基本原理结构与功能DNADNA双螺旋结构携带遗传信息，通过碱基配对原则实现信息的准确传递和复制基因表达调控转录因子、启动子、增强子等调控元件协调控制基因的时空特异性表达中心法则DNA→RNA→蛋白质的信息流动过程，是基因工程操作的理论基础操作策略通过载体构建、转化表达、筛选纯化等步骤实现目标基因的功能表达重组技术DNA限制性内切酶应用限制性内切酶能够识别特定的DNA序列并在特定位点切割，为DNA重组提供了精确的工具不同的限制酶具有不同的识别序列，可以产生平末端或粘性末端，为后续的连接反应创造条件连接酶作用DNADNA连接酶能够催化DNA片段之间形成磷酸二酯键，将外源基因与载体分子连接成重组DNA分子T4DNA连接酶是最常用的连接酶，能够连接粘性末端和平末端的DNA片段重组载体构建选择合适的载体系统是DNA重组技术的关键质粒载体、病毒载体、人工染色体等不同类型的载体具有各自的特点和应用范围，需要根据实验目的和宿主细胞特性进行选择基因克隆技术基因文库构建筛选与鉴定基因组文库和cDNA文库是基因克隆的重要资源基因组文库包含从基因文库中筛选目标基因需要运用多种技术手段杂交筛选、完整的基因序列，而cDNA文库则反映了特定细胞或组织的基因表PCR筛选、功能筛选等方法各有优势，常常需要联合使用以提高筛达谱文库的质量直接影响目标基因的克隆效率选的准确性和效率•基因组DNA片段化•探针杂交技术•载体连接与转化•PCR扩增筛选•文库质量评估•DNA测序验证基因编辑技术锌指核酸酶技术第一代基因编辑工具，通过设计特异性锌指蛋白识别DNA序列，结合核酸酶实现定点切割，但设计复杂度高，应用受限技术TALEN转录激活样效应因子核酸酶，相比锌指核酸酶具有更好的特异性和更简单的设计流程，在基因治疗中显示出良好的应用前景3系统CRISPR-Cas92012年的革命性技术突破，利用向导RNA指导Cas9蛋白进行精确的DNA切割，操作简便、成本低廉，已广泛应用于基础研究和临床治疗伦理考量基因编辑技术的发展引发了深刻的伦理讨论，特别是胚胎基因编辑和遗传性改造，需要建立完善的监管框架和伦理准则基因工程药物亿1982$2180重组人胰岛素单抗药物市场首个上市的基因工程药物，开创了生物医药2023年全球单克隆抗体药物销售额，占生物产业化的先河药市场的重要份额300+已批准药物全球已批准上市的基因工程药物数量，涵盖多个治疗领域基因工程药物代表了现代生物医药技术的重要成就从1982年重组人胰岛素的成功上市开始，基因工程药物经历了快速发展，目前已涵盖激素类、细胞因子类、酶类、抗体类等多个类别这些药物在糖尿病、癌症、自身免疫性疾病等治疗领域发挥着不可替代的作用第三部分细胞工程技术细胞工程技术是生物医药技术的重要分支，通过对细胞的体外培养、改造和应用，为疾病治疗提供了全新的手段随着干细胞技术、细胞治疗和组织工程的快速发展，细胞工程已成为再生医学和精准医疗的核心技术平台本部分将深入探讨细胞培养的基础原理、细胞株的构建与筛选、干细胞技术的应用、细胞治疗的发展现状以及组织工程的前沿进展通过系统学习，学生将全面掌握细胞工程技术的理论基础和实践应用细胞培养基础培养环境控制培养基配方细胞培养需要严格控制温度（通常培养基包含碳源、氮源、无机盐、37°C）、CO2浓度（5%）、湿维生素、生长因子等营养成分，需度（95%）和pH值（

7.2-

7.4），要根据不同细胞类型的代谢特点进创造接近体内生理环境的条件行优化配方设计无血清培养为了减少血清批间差异和潜在污染风险，无血清培养基技术得到快速发展，通过添加特定的生长因子和营养成分替代血清功能细胞株构建与筛选细胞株驯化通过逐步适应培养条件，提高细胞的生长稳定性高产株筛选运用单细胞克隆技术筛选高表达的细胞株稳定性评价评估细胞株的遗传稳定性和生产一致性细胞库建立建立完整的工程细胞库管理体系干细胞技术诱导多能干细胞iPSCs技术的突破性进展成体干细胞造血干细胞、间充质干细胞等的临床应用胚胎干细胞具有全能分化潜力的干细胞研究基础干细胞技术为再生医学提供了强大的工具平台胚胎干细胞具有全能分化潜力，但存在伦理争议；成体干细胞安全性好，但分化能力有限；诱导多能干细胞（iPSCs）技术的出现完美地解决了这一矛盾，为个体化治疗开辟了新途径目前，干细胞治疗已在血液系统疾病、心血管疾病、神经退行性疾病等领域显示出巨大潜力细胞治疗技术细胞治疗树突状细胞疫苗细胞治疗间充质干细胞CAR-T NK嵌合抗原受体T细胞治疗利用树突状细胞强大的自然杀伤细胞具有天然具有多向分化潜能和免在血液肿瘤中显示出惊抗原呈递能力，开发个的抗肿瘤活性，无需配疫调节功能，在组织修人疗效，白血病患者完体化的肿瘤疫苗，激活型即可使用，在实体瘤复、移植物抗宿主病治全缓解率可达90%，代患者自身的抗肿瘤免疫治疗中展现出良好的应疗等方面具有独特优势表了免疫治疗的重大突反应用前景破组织工程生物材料支架种子细胞提供细胞生长的三维结构框架，材料需具干细胞或特定功能细胞作为组织再生的细备良好的生物相容性、可降解性和力学性胞来源，需要具备良好的增殖和分化能力能生物打印生物反应器3D精确控制细胞和生物材料的空间分布，构提供动态培养环境，模拟体内的力学刺激建具有复杂结构的功能性组织和营养供应，促进组织的功能性成熟第四部分酶工程技术酶工程技术是生物医药技术中的重要组成部分，通过对酶分子的结构改造和功能优化，为医药工业提供了高效的生物催化剂酶具有催化效率高、反应条件温和、选择性强等优点，在药物合成、疾病诊断和治疗等方面发挥着越来越重要的作用本部分将系统介绍酶的基本特性、酶工程改造技术、固定化酶技术以及酶在医药领域的广泛应用通过学习，学生将掌握酶工程的核心理论和实践技能，为未来从事相关研发工作奠定基础酶的特性与应用催化特性动力学基础医药应用酶作为生物催化剂具有高效性、特异性和米氏方程描述了酶催化反应的动力学规律，酶在医药领域应用广泛，包括疾病诊断、可调控性酶能够显著降低反应活化能，Km值反映酶与底物的亲和力，Vmax体现药物治疗、药物合成等血清酶检测是临将反应速率提高106-1012倍，同时在温和酶的催化能力pH、温度等因素显著影响床诊断的重要手段，酶替代治疗为遗传性条件下实现高选择性催化酶活性酶缺陷提供了有效方案•高催化效率•米氏常数Km•临床诊断试剂•底物特异性•最大反应速率Vmax•治疗用酶制剂•反应条件温和•环境因素影响•药物合成催化酶工程改造技术定向进化技术通过随机突变和高通量筛选模拟自然进化过程，获得具有改良性能的酶变体该方法无需详细了解酶的结构功能关系，适用于各种酶的改造理性设计方法基于酶的三维结构和催化机理，通过计算机辅助设计对关键氨基酸位点进行定点突变，实现酶性能的精确调控半理性设计策略结合理性设计和定向进化的优势，先通过结构分析确定关键区域，再在这些区域进行随机突变和筛选，提高改造效率计算机辅助设计利用分子动力学模拟、量子化学计算等方法预测突变对酶性能的影响，指导实验设计，减少盲目性固定化酶技术固定化方法包括物理吸附、离子结合、共价结合、包埋法等多种方法，各有优缺点，需根据酶的性质和应用要求选择•载体结合法•交联法•包埋法载体材料选择理想的载体应具备良好的生物相容性、化学稳定性、适宜的孔径结构和表面活性基团•天然高分子材料•合成聚合物•无机材料性能评价评估固定化酶的活性保留率、稳定性、重复使用性和操作稳定性等关键指标•酶活性保留•稳定性改善•重复使用性酶在医药中的应用诊断用酶治疗用酶制剂临床检验中广泛使用的酶试剂直接用于疾病治疗的酶类药物•葡萄糖氧化酶检测血糖•溶栓酶治疗血栓•胆固醇氧化酶检测血脂•透明质酸酶促进药物吸收•转氨酶评估肝功能•胰酶替代治疗生物传感器药物合成用酶基于酶的检测技术在药物生产中作为催化剂•血糖仪•手性药物合成•快速检测试纸•抗生素生产•环境监测传感器•维生素合成第五部分发酵工程技术发酵工程技术是生物医药工业化生产的核心技术，通过微生物或细胞的大规模培养，实现生物活性物质的高效生产发酵工程不仅是传统抗生素生产的基础，也是现代生物制药的重要平台技术本部分将全面介绍发酵工程的基本原理、设备工艺、上游开发和下游处理技术从发酵动力学基础出发，深入探讨生物反应器设计、发酵过程控制、分离纯化技术等关键环节，为学生提供完整的发酵工程知识体系发酵工程基础发酵类型分类发酵动力学根据氧气需求分为好氧发酵和厌氧描述微生物生长、基质消耗和产物发酵；按操作方式分为分批发酵、形成的定量关系Monod方程、补料分批发酵和连续发酵，各种方Logistic方程等数学模型为发酵过式适用于不同的产品和工艺要求程优化提供理论基础工艺参数控制温度、pH、溶氧、搅拌速度等关键参数的精确控制直接影响发酵效果现代发酵采用先进的过程控制系统实现参数的自动调节发酵设备与工艺搅拌式反应器气升式反应器鼓泡塔反应器最常用的生物反应器类利用气体循环提供混合结构简单，操作方便，型，通过机械搅拌实现动力，剪切力小，适合传质效率高，主要用于混合和传质，适用于大培养剪切敏感的细胞，好氧发酵过程，在抗生多数微生物和细胞培养在细胞培养中应用广泛素生产中应用较多过程监控系统集成温度、pH、溶氧、压力等在线检测技术，实现发酵过程的实时监控和自动化控制上游工艺开发菌种选育与保藏高产菌株的获得是发酵工艺成功的关键通过自然筛选、诱变育种、基因工程改造等方法获得高产稳定的生产菌株，并建立完善的菌种保藏体系确保菌株的遗传稳定性培养基优化培养基组成直接影响微生物的生长和产物合成通过单因子试验、正交试验、响应面法等统计学方法优化碳源、氮源、无机盐等组分的浓度，提高产品得率和质量发酵条件优化温度、pH、溶氧、搅拌速度等操作参数的优化对发酵效果至关重要采用实验设计方法系统研究各参数的影响及其交互作用，确定最优的发酵条件高密度培养策略通过补料策略、代谢工程改造等手段提高细胞密度，从而提高产品的时空产率高密度培养技术在重组蛋白生产中应用广泛，可显著降低生产成本下游分离纯化细胞破碎高压均质、超声波破碎、酶解等方法释放胞内产物，选择合适的破碎方法保护产品活性膜分离技术微滤、超滤、纳滤等膜技术实现不同分子量物质的分离，具有操作简便、能耗低的优点色谱纯化离子交换、分子筛、疏水作用等色谱技术实现高纯度分离，是生物制品纯化的核心技术结晶与冻干最终产品的成型和稳定化处理，确保产品质量和长期储存稳定性第六部分生物制药工艺生物制药工艺是将实验室研究成果转化为商业化产品的关键环节，涉及从原材料到最终产品的全过程技术体系与传统化学制药相比，生物制药工艺具有工艺复杂、质量要求高、监管严格等特点本部分将系统介绍生物药物的制造流程、不同生产平台的工艺特点、制药设备与设施要求以及制剂技术通过学习，学生将全面了解生物制药的产业化要求和技术挑战，为未来参与生物制药工艺开发奠定基础生物药物制造工艺流程原材料准备包括培养基配制、缓冲液准备、细胞系复苏等前期准备工作，所有原材料必须符合GMP标准上游生产在生物反应器中进行细胞培养或微生物发酵，产生目标蛋白或其他生物活性物质下游纯化通过多步色谱和膜分离技术去除杂质，获得高纯度的目标产物制剂开发将纯化的原料药制备成适合临床使用的药物制剂，如注射液、冻干粉针等质量控制全过程质量监控，确保最终产品符合注册标准和法规要求微生物发酵制药抗生素生产工艺疫苗生产流程酶制剂生产青霉素、链霉素等抗生素的发酵生产是最病毒疫苗、细菌疫苗的生产需要严格的生工业酶和医用酶的发酵生产技术日趋成熟早的生物制药工艺通过优化产生菌株、物安全控制从种子批制备、发酵培养到通过基因工程技术提高酶的表达水平，优培养基配方和发酵条件，实现抗生素的高病毒灭活、抗原纯化，每个步骤都有严格化发酵工艺降低生产成本酶制剂生产还效生产现代抗生素生产采用高产工程菌的质量标准疫苗生产还需要进行安全性需要考虑酶活性的稳定性和制剂化技术株，产量比野生菌株提高数百倍和免疫原性验证•产生菌选育改造•种子批管理•基因工程菌构建•发酵工艺优化•生物安全控制•酶活性优化•产物分离纯化•抗原纯化检测•稳定性改善动物细胞培养制药单抗生产工艺单克隆抗体是目前最重要的生物药物之一CHO细胞是最常用的生产细胞系，通过无血清培养和高密度培养技术，可实现每升培养液产生数克抗体的高产量重组蛋白生产2人源化的治疗性蛋白如生长激素、干扰素等主要通过动物细胞表达相比微生物系统，动物细胞能进行正确的蛋白质折叠和翻译后修饰病毒疫苗生产流感疫苗、脊髓灰质炎疫苗等需要在动物细胞中培养细胞培养疫苗相比鸡胚疫苗具有生产周期短、质量稳定的优势细胞治疗产品CAR-T细胞、干细胞等细胞治疗产品的制备需要严格的无菌操作和质量控制，确保细胞的活性和安全性制药设备与设施生物安全防护最高级别的安全要求洁净区管理A、B、C、D级洁净区分级控制厂房设计GMP符合药品生产质量管理规范的基础设施GMP（药品生产质量管理规范）是生物制药设施建设的基本要求厂房设计需要考虑人流物流分离、洁净区压差控制、HVAC系统设计等要素洁净区按照空气洁净度分为A、B、C、D四个级别，不同级别适用于不同的生产工序关键设备如生物反应器、色谱柱等需要经过安装确认、运行确认和性能确认生物药物制剂技术蛋白质稳定性辅料选择影响因素包括温度、pH、离子强度、氧化、缓冲剂、稳定剂、等渗调节剂的合理配伍聚集等•缓冲系统选择•化学稳定性•保护性辅料1•物理稳定性•等渗调节•生物活性保持靶向递送冻干制剂脂质体、纳米粒等载体系统4提高蛋白质药物的稳定性和保存期•控释制剂•冻干保护剂•靶向修饰•工艺优化•生物利用度•复溶性评价第七部分生物医药质量控制生物医药质量控制是确保产品安全性和有效性的关键环节由于生物药物的复杂性和特殊性，其质量控制比传统化学药物更加严格和复杂质量控制涉及从原材料到最终产品的全过程监管，需要建立完善的质量管理体系本部分将详细介绍生物医药质量管理的法规要求、质量控制技术、生产过程控制和生物安全性评价通过系统学习，学生将掌握生物医药质量控制的核心理念和实施方法，为未来从事质量管理工作奠定基础质量管理体系法规要求质量风险管理工艺分析技术GMP药品生产质量管理规范是ICH Q9指导原则要求建立PAT技术通过在线监测和生物制药的基本法规要求，科学的风险评估和控制体控制提高工艺理解水平，涵盖人员、厂房设施、设系，识别、评估和控制产实现实时质量控制和工艺备、物料、生产、质量控品质量风险优化制等各个方面质量源于设计QbD理念要求从设计阶段就考虑质量要求，通过科学的方法建立稳健的工艺和控制策略生物药物质量控制理化特性检测生物活性测定包括分子量测定、氨基酸序列分析、通过细胞实验、动物实验或生化分翻译后修饰检测、高级结构分析等析评价产品的生物学活性生物活质谱、色谱、电泳等分析技术是主性是生物药物最重要的质量属性，要检测手段，确保产品的结构正确直接关系到临床疗效性和一致性杂质分析控制工艺相关杂质如宿主细胞蛋白、DNA、病毒等的检测和控制建立高灵敏度的检测方法，确保杂质水平符合安全限度要求生产过程控制关键工艺参数识别通过工艺开发和风险评估识别对产品质量有重要影响的工艺参数这些参数需要严格控制在预定范围内，建立相应的监控和报警系统关键工艺参数的偏离可能导致产品质量问题实时监测技术采用在线传感器、光谱技术、色谱技术等实现关键参数的实时监测PAT技术的应用使得生产过程更加透明化，能够及时发现和纠正偏离，提高产品质量的一致性工艺确认验证通过前瞻性验证、同步验证或回顾性验证证明工艺的稳健性和重现性验证研究需要证明在规定的参数范围内能够持续生产出符合质量标准的产品生物安全性评价细菌内毒素检测采用鲎试剂法或重组试剂法检测革兰氏阴性细菌产生的内毒素，确保注射用制剂的安全性病毒安全性策略通过病毒清除验证、病毒灭活验证等手段确保产品不含有害病毒，保障患者用药安全免疫原性评估评价生物药物引起免疫反应的风险，包括中和抗体和结合抗体的检测分析4生物靶向毒性评价药物与靶点结合产生的特异性毒性反应，指导临床安全性监测第八部分生物医药产业化生物医药产业化是将科学研究成果转化为商业化产品的复杂过程，涉及技术、市场、法规、资本等多个层面的整合产业化不仅需要先进的技术平台，更需要完善的产业链配套和有效的商业模式本部分将全面分析生物医药产业链构成、研发模式创新、生物仿制药发展、知识产权保护和监管法规体系通过学习，学生将深入理解生物医药产业的发展规律和商业运作模式，为未来参与产业化工作提供理论指导。