《生物制药技术基础》课件

生物制药技术基础本课程将全面介绍生物制药的基本概念、原理和技术，为医药和生物工程专业的学生提供系统的知识框架通过理论与实践相结合的方式，帮助学生深入理解生物制药领域的核心技术和应用课程内容既包含扎实的理论基础，也融入了丰富的实际应用案例，旨在培养学生的专业素养和实践能力，为未来在生物制药行业的发展奠定坚实基础课程大纲绪论生物制药概述介绍生物制药的基本概念、特点、历史发展及行业现状第一部分生物学基础讲解细胞学、分子生物学、免疫学等生物制药的理论基础第二部分生物工程技术详细介绍基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等核心技术第三部分生物制药工艺探讨生物活性物质提取、下游加工工艺、制剂工艺和规模化生产第四部分质量控制与法规阐述生物制品质量控制方法、要求和相关法规GMP绪论生物制药概述生物制药的定义与范围生物制药是利用生物技术和生物工程原理制造药物的学科，包括蛋白质药物、抗体药物、疫苗、基因治疗产品等多种类型生物制药与传统制药的区别生物制药利用活细胞生产，分子复杂度高，生产工艺复杂，而传统制药主要通过化学合成，分子结构相对简单生物制药的发展历程从传统发酵技术到基因工程，再到单抗技术和基因治疗，生物制药经历了几代技术革新生物制药的现状与趋势生物药市场快速增长，技术不断突破，个性化医疗和精准治疗成为未来发展方向生物制药的定义与特点定义生物药特点产业特点生物制药是指应用现代生物技术（如结构复杂，分子量大（通常为蛋白研发周期长（年），投入巨大••10-15基因工程、细胞工程、蛋白质工程等）质或多肽）技术密集，知识产权壁垒高•生产的药物这类药物通常利用活的高度特异性，能精确识别靶点•生产工艺复杂，质量控制严格•生物体系（如微生物、动植物细胞）副作用相对较小，生物相容性好•产品附加值高，利润率高作为工厂来生产•稳定性差，易受环境影响变性失活•生物制药的发展历史第一代传统发酵技术世纪年代，青霉素的工业化生产标志着现代生物制药的开端利用微2040生物发酵产生抗生素、维生素等药物弗莱明的偶然发现开创了抗生素时代2第二代基因工程技术世纪年代，重组技术的出现使人源蛋白的大规模生产成为可能2070DNA年，第一个重组人胰岛素上市，开启了生物技术药物的新时代1982第三代单克隆抗体技术世纪年代起，单克隆抗体药物蓬勃发展人源化和全人源抗体技术的2090进步使抗体药物成为生物药的主要类型，应用于肿瘤、自身免疫性疾病等领域第四代基因和细胞治疗世纪初至今，基因治疗、细胞治疗和技术取得突破年首21mRNA2017个细胞治疗产品获批，年疫苗在新冠疫情中展现巨大CAR-T2020mRNA潜力生物制药的现状与趋势亿5000全球市场规模年全球生物药市场预计超过亿美元，复合年增长率约，远高于传统药物市场增速202450009-10%40%抗体药物占比单抗药物已成为生物药的主导品类，占生物药市场的约，广泛应用于肿瘤、自身免疫性疾病等领域40%2500+在研生物药数量目前全球有多个生物药在研项目，其中集中在肿瘤领域，免疫疾病和罕见病研究也快速增长250030%亿350中国市场规模中国生物药市场近年来高速增长，预计年将达到亿美元，本土创新药企快速崛起2025350第一部分生物学基础生物学发展史从达尔文进化论到分子生物学兴起的重要历程细胞学基础细胞结构与功能、细胞代谢与生长的核心知识分子生物学基础3结构、基因表达与调控机制的基本原理DNA人类基因组计划与应用基因组学在生物制药中的重要价值与应用生物学发展史达尔文进化论1年，达尔文乘坐贝格尔号开始环球航行，收集了大量生物标本和地质1831资料年，达尔文发表《物种起源》，提出自然选择学说，奠定了现代1859生物学基础2细胞学说的建立年，施莱登提出植物由细胞组成；年，施旺提出动物也由细胞组18381839成年，魏尔啸提出细胞来源于细胞，完善了细胞学说，为现代细胞1855经典遗传学的发展3生物学奠定基础年，孟德尔通过豌豆杂交实验，发现遗传的基本规律年，德弗18661900里斯等人重新发现孟德尔定律，开创了遗传学研究的新时代摩尔根的果蝇实验确立了基因连锁和交换理论4分子生物学的兴起年，沃森和克里克发现双螺旋结构，标志着分子生物学诞生1953DNA年代，遗传密码被破译年代，基因工程技术出现，开创了生物19601970技术新纪元，为生物制药奠定了理论和技术基础细胞结构与功能真核细胞与原核细胞比较细胞器功能细胞周期与调控真核细胞具有完整的细胞核和膜包被的线粒体细胞的能量工厂，进行有细胞周期包括间期（、、）和分•G1S G2细胞器，如线粒体、内质网、高尔基体氧呼吸裂期（期）各阶段由多种细胞周期M等原核细胞结构简单，无核膜和膜包蛋白和周期蛋白依赖性激酶严格调控内质网蛋白质合成和加工的场所•被的细胞器，仅有核区、核糖体和质膜高尔基体蛋白质修饰和分泌•细胞周期调控失控是肿瘤发生的关键机真核细胞在进化上更为复杂，是构成多制之一，也是抗肿瘤药物开发的重要靶溶酶体细胞内消化系统•细胞生物的基本单位，而原核细胞主要点了解细胞周期对于细胞培养和生物核糖体蛋白质合成的场所•指细菌和古菌，广泛应用于生物制药的药生产具有重要意义发酵生产中分子生物学基础中心法则基因表达调控遗传信息从流向，再流基因表达受多层次调控，包括转录DNA RNA向蛋白质的过程包括复制水平调控（启动子、增强子、抑制DNA（保持遗传信息）、转录子）、转录后调控（剪接、RNA双螺旋结构遗传信息传递DNA（）和翻译（稳定性）、翻译水平调控和DNA→RNA RNA→RNA蛋白质）三个基本过程这一法则翻译后修饰（磷酸化、糖基化等）年沃森和克里克提出的垂直传递是指从亲代到子代，通过1953是理解基因表达的基础双螺旋结构模型，揭示了复制和有性生殖实现；水平DNA DNA由两条多核苷酸链通过碱基传递指基因在同一代个体间的转移，DNA配对（，）形成的双螺如细菌通过接合、转导和转化进行A-T G-C旋结构每个核苷酸由磷酸基团、基因交换，这也是细菌获得抗药性脱氧核糖和碱基组成的重要机制1人类基因组计划年13计划历时人类基因组计划于年正式启动，年宣布完成，耗时年，是生物学史上规模最大的国际合作项目1990200313亿30碱基对数量成功测定了人类基因组约亿个碱基对的序列，覆盖了的基因区域，精确度达到3099%

99.99%万2基因数量研究发现人类基因数量约为万个，远低于之前预期的万个，表明基因功能和调控的复杂性2103000+遗传疾病基因已经确定了多种与疾病相关的基因，为疾病诊断、治疗和药物开发提供了重要靶点3000蛋白质结构与功能四级结构多个蛋白质亚基的空间排列组合三级结构多肽链的三维折叠构象二级结构螺旋和折叠等局部有序结构α-β-一级结构氨基酸的线性序列蛋白质的功能与其结构密切相关，特定的三维结构决定了蛋白质的生物活性蛋白质可通过翻译后修饰（如磷酸化、糖基化、羧化等）调节其功能和活性在生物制药中，蛋白质工程技术可通过定向改变蛋白质结构来优化其性能，如提高稳定性、降低免疫原性或增强活性免疫学基础免疫系统组成抗原与抗体中枢免疫器官骨髓和胸腺抗原是能够刺激机体产生免疫应•答的物质，通常为蛋白质、多糖外周免疫器官脾脏、淋巴结、•等大分子抗体是细胞产生的免粘膜相关淋巴组织B疫球蛋白，具有特异性识别抗原免疫细胞细胞、细胞、•T B的能力抗体有五类、、IgG IgM巨噬细胞、树突状细胞、NK、和，各有不同功能IgA IgDIgE细胞等免疫分子抗体、细胞因子、•补体等免疫应答过程初次接触抗原时，抗原呈递细胞将抗原处理并呈递给细胞，活化的细胞T T帮助细胞增殖分化为浆细胞产生抗体，同时形成记忆细胞再次接触同一B抗原时，记忆细胞能迅速产生强烈的二次免疫应答微生物学基础微生物分类与特性微生物生长与代谢微生物与药物生产微生物主要分为细菌、真菌、病毒、放微生物生长曲线包括延滞期、对数期、微生物在药物生产中应用广泛发酵生线菌等类群细菌是原核生物，结构简稳定期和衰亡期不同阶段的代谢特点产抗生素（青霉素、链霉素等）；作为单；真菌是真核生物，包括酵母菌和丝各异，这对于发酵生产优化至关重要细胞工厂生产胰岛素、干扰素等重组蛋状真菌；病毒是非细胞形态，必须在活微生物的初级代谢产物如氨基酸、核苷白；发酵生产维生素、氨基酸等；利用细胞内复制；放线菌形态介于细菌和真酸等是细胞必需物质，次级代谢产物如微生物进行生物转化制备药物基因工菌之间抗生素、生物碱等在工业上具有重要价程改造的微生物菌株具有更高的生产效值率第二部分生物工程技术生物工程技术是生物制药的核心技术支撑，主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大领域这些技术相互配合，形成了现代生物制药的技术体系，极大地推动了生物药物的开发和生产本部分将详细介绍这些关键技术的原理、方法和应用基因工程技术概述基因克隆基因修饰1将目的基因插入载体，在宿主细胞中扩增通过定点突变等技术改造基因序列表达纯化基因转移表达目的蛋白并进行分离纯化将重组导入宿主细胞进行表达DNA基因工程是现代生物技术的核心，它通过体外重组分子并将其导入活细胞中，使细胞按照人类的设计合成特定的蛋白质产物基DNA因工程的出现彻底改变了生物制药行业，使人源蛋白的大规模生产成为可能，极大地促进了生物药物的开发与应用基因操作基本工具限制性内切酶连接酶技术基因测序技术DNA PCR限制酶能在特定的连接酶能催化聚合酶链式反应能在体外从测序法发展到DNA DNA DNA Sanger序列位点切割双链，片段之间形成磷酸二酯键，快速扩增特定片段现在的高通量测序技术，DNA DNA产生平末端或粘性末端将不同来源的片段通过设计特异性引物，利使序列分析变得快DNA DNA不同限制酶识别的序列不连接在一起连用耐热聚合酶如速而准确第三代测序技T4DNA DNA同，如识别接酶是最常用的连接酶，酶，在温度循环条件术能直接测序单分子EcoRI Taq序列并在和它能连接平末端和粘性末下实现的指数级扩，读长更长，应用GAATTC GADNA DNA之间切割限制酶是构建端的片段，是构建增，已成为分子生物学的范围更广测序技术是基DNA重组分子的重要工重组的关键酶基础技术因工程研究的重要支撑DNA DNA具重组技术DNA阳性克隆筛选宿主细胞转化利用抗生素抗性、蓝白斑筛选、载体构建将重组分子导入宿主细胞（大检测、杂交等方法DNA PCRSouthern目的基因获取选择合适的载体（质粒、噬菌体、肠杆菌、酵母菌、哺乳动物细胞筛选出含有目的基因的转化子进获取目的基因的方法包括从基因人工染色体等）并进行改造，添加等）细菌转化可采用氯化钙法、一步通过测序确认克隆的正确性，组或文库中筛选克隆；适当的启动子、终止子、选择标记、电转法；哺乳动物细胞转染可用磷然后进行功能验证和大规模培养，DNA cDNA利用从反转录获得；复制起点等元件使用限制酶消化酸钙法、脂质体法、电穿孔法等；为基因表达做准备RT-PCR mRNA通过从基因组扩增；直接载体和目的基因，然后用连接还可利用病毒载体进行基因导入PCR DNADNA化学合成较短的基因；基因合成服酶将它们连接，形成重组分子DNA务获取人工设计的基因序列基因表达系统表达系统优点缺点适用产品大肠杆菌生长快，产量高，无翻译后修饰，胰岛素，生长激操作简便，成本蛋白易形成包涵素，干扰素低体，内毒素污染酵母生长较快，有简糖基化模式与人疫苗，某些酶类单的翻译后修饰，源不同，产量中无内毒素等昆虫细胞有较复杂的翻译培养条件要求高，复杂蛋白，膜蛋白后修饰，表达量成本较高高哺乳动物细胞翻译后修饰与人培养周期长，成单抗，凝血因子，源一致，产物活本高，操作复杂复杂糖蛋白性高转基因动植物可大规模生产，开发周期长，监某些疫苗，食用成本低管严格药物细胞工程细胞培养技术细胞融合技术体外培养维持细胞生长和增殖的技术，包括原代培养和传代培养培通过物理、化学或生物学方法使两个不同的细胞融合为一个杂交细胞养方式包括贴壁培养和悬浮培养，培养条件需精确控制温度、、溶聚乙二醇诱导融合和电融合是常用方法细胞融合是单克隆抗体pH PEG氧等参数大规模细胞培养采用生物反应器，是生物药物生产的关键技术的基础，也用于细胞杂交育种和细胞遗传学研究技术单克隆抗体技术干细胞技术通过淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合形成杂交瘤，筛选特异性抗体分泌克干细胞具有自我更新和多向分化潜能，包括胚胎干细胞、成体干细胞B隆，大规模培养生产单一特异性抗体单抗具有高度特异性，已广泛和诱导多能干细胞干细胞技术在组织工程、再生医学和细胞iPSC应用于肿瘤、自身免疫性疾病等治疗领域治疗中具有广阔应用前景，是生物医药领域的前沿方向动物细胞培养培养基与添加物培养方式与条件大规模培养技术培养基是支持细胞生长的营养环境，包培养方式分为静态培养（瓶、培养皿）工业化生产采用大型生物反应器，容积T括基础培养基（、和动态培养（转瓶、生物反应器）贴可达数千升类型包括搅拌槽式、气升DMEM RPMI1640等）和各种添加物基础培养基提供氨壁细胞需要生长表面，悬浮细胞可直接式、波动袋式等微载体培养技术可在基酸、维生素、无机盐等基本营养素在液体中培养悬浮系统中培养贴壁细胞，大幅提高产培养条件控制包括温度（通常℃）；37量常用添加物包括血清（提供生长因子、值（）；渗透压（灌注培养技术允许连续收获产物并补充pH

7.2-

7.4280-激素、黏附因子等）；抗生素（防止微）；气相（新鲜培养基，可显著延长培养时间和提320mOsm/kg5%生物污染）；生长因子（促进细胞增₂）；湿度（饱和）这些参数对细高产量，是抗体药物生产的主流技术CO殖）；谷氨酰胺（能量来源）；微量元胞生长和产物质量至关重要精确的过程控制和在线监测确保产品质素等工业化生产逐渐采用无血清或化量一致性学成分明确的培养基单克隆抗体技术免疫与脾细胞制备将抗原注射入小鼠体内进行免疫，激发淋巴细胞产生特异性抗体免疫后取出脾脏，分离出含有抗体分泌细胞的脾细胞这些细胞能产生特异性抗体，但在体B BB外培养中寿命有限细胞融合将脾细胞与骨髓瘤细胞混合，加入聚乙二醇促进细胞融合，形成杂交瘤细胞杂交瘤细胞兼具细胞产生特异性抗体的能力和骨髓瘤细胞的无限增殖能力PEG B杂交瘤筛选在选择培养基中培养融合细胞，只有杂交瘤细胞能存活通过有限稀释法或克隆环法将细胞分离成单细胞克隆，再用等方法筛选出产生目标抗体的阳性克隆HAT ELISA抗体生产与纯化扩大培养选中的杂交瘤细胞株，可采用体外培养或小鼠腹水法从培养上清或腹水中收集抗体，通过蛋白亲和层析等方法纯化抗体，最终获得高纯度的单克隆抗体A抗体人源化鼠源抗体在人体内会引起人抗鼠抗体反应，通过嵌合抗体、人源化抗体和全人源抗体技术降低免疫原性现代抗体药物多采用人源化或全人源抗体，有效HAMA降低不良反应酶工程酶的特性与应用价值酶是具有高效催化能力的生物分子，具有高度特异性、高催化效率和温和反应条件等特点在医药工业中，酶可用于生物转化合成药物中间体，实现高立体选择性反应，也可作为治疗药物直接使用酶制剂的生产酶制剂生产包括发酵（选择高产菌株，优化发酵条件）、提取（细胞破碎，粗酶提取）和纯化（盐析、层析等方法）三个主要步骤现代酶制剂生产多采用基因工程菌株，提高酶的产量和稳定性酶的固定化技术通过物理或化学方法将酶固定在不溶性载体上，使酶分子保持活性的同时获得更好的稳定性和可重复使用性常用固定化方法包括吸附法、包埋法、交联法和共价结合法固定化酶可用于连续生产过程制药应用实例青霉素酰化酶用于半合成青霉素生产；葡萄糖异构酶用于果糖制备；脂肪酶用于手性药物合成；淀粉酶和蛋白酶用于辅助消化药物；溶栓酶用于心血管疾病治疗；天冬酰胺酶用L-于白血病治疗蛋白质工程定向突变结构改造通过改变基因编码序列中的特定核苷酸，基于蛋白质三维结构信息，对蛋白质进1使蛋白质的特定氨基酸发生置换，从而行区域突变、结构域重组或表面改造，改变蛋白质的结构和功能常用的方法以获得更佳的物理化学性质或生物学功包括位点定向突变、随机突变和饱和突能变等融合蛋白功能优化将两个或多个不同功能的蛋白质通过基通过定向进化、理性设计等方法，提高因重组技术连接成一个分子，赋予新的蛋白质的催化效率、底物特异性、稳定功能或改善性质，如延长半衰期、提高性或降低免疫原性，使其更适合工业和靶向性等医药应用蛋白质工程是现代生物制药的核心技术之一，通过对蛋白质分子的改造和优化，可以获得具有更佳性能的生物药物目前已有多种经过蛋白质工程改造的生物药物上市，如长效胰岛素、人源化抗体和双特异性抗体等发酵工程发酵原理发酵设备发酵参数控制发酵工程是利用微生物发酵罐是发酵工程的核心温度、值、溶氧、搅拌pH（细菌、酵母、真菌等）设备，主要包括罐体、搅速度、通气量等参数直接在特定条件下的代谢活动拌装置、通气系统、控制影响微生物生长和产物合生产目标产物的技术微系统等部分根据工艺需成在线检测和自动控制生物通过初级代谢产生氨求，发酵罐容积从实验室系统能实时监测这些参数基酸、核苷酸等产物，通的数升到工业级的数百立并进行调节，确保最佳发过次级代谢产生抗生素、方米不等无菌操作和过酵效果生物反应动力学生物碱等复杂分子批次程控制是发酵设备设计的模型的建立有助于优化发发酵、补料分批发酵和连关键考虑因素酵过程续发酵是三种基本发酵方式规模放大从实验室到工业生产的规模放大是发酵工程的关键挑战需考虑几何相似性、动力学相似性和传质相似性等因素通常采用分步放大策略，逐步验证工艺参数的适用性，确保大规模生产的质量和效率第三部分生物制药工艺制剂工艺将原料药加工成最终给药形式下游加工工艺分离纯化目标产物，去除杂质生物活性物质提取从生物材料中获取活性成分规模化生产4工艺放大和生产条件优化生物制药工艺是将实验室技术转化为商业化生产的关键环节，涉及从原料到成品的全过程不同于化学药物的合成工艺，生物制药工艺需要处理复杂的生物体系，确保产品的活性、纯度和安全性本部分将详细介绍生物活性物质的提取、下游加工、制剂工艺以及规模化生产的关键技术和方法生物材料与生物活性物质生物材料分类生物活性物质特性生物活性评价方法生物制药的原料来源多样，主要包括生物活性物质是指具有生物学活性的化生物活性评价是确定提取物效力的关键微生物（细菌、真菌、酵母等），用于合物，能与生物体特定靶点相互作用并步骤，包括体外活性测定（酶活性测抗生素、酶制剂、重组蛋白生产；动物产生生物学效应与化学合成药物相比，定、细胞水平活性测定、受体结合试验组织（血浆、胰腺、脑垂体等），用于生物活性物质通常具有更高的特异性和等）；体内活性测定（动物模型实验，提取天然蛋白质药物；植物材料（药用复杂性蛋白质类生物活性物质（如酶、评估药效学和药代动力学特性）；分子植物、种子、叶片等），用于提取生物激素、抗体）结构复杂，易受环境影响水平活性研究（分子对接、结构活性关碱、苷类等活性成分；细胞培养物（工变性失活；非蛋白类生物活性物质（如系研究等）现代生物活性评价强调高程菌、哺乳动物细胞等），用于重组蛋生物碱、多糖、类固醇）结构相对稳定，通量筛选和精准定量，以加速药物开发白和抗体药物生产但提取纯化也具有挑战性进程生物活性物质的提取破碎技术细胞破碎是释放胞内生物活性物质的第一步根据材料特性选择适当的破碎方法，如机械破碎（研磨、匀浆、超声波等）、物理破碎（冻融、高压均质等）、化学破碎（溶剂、表面活性剂等）或酶解破碎分离技术从破碎液中分离目标物质的方法包括离心分离（分离细胞碎片和可溶性组分）、过滤分离（去除固体颗粒）、萃取分离（利用溶解度差异进行分离）和沉淀分离（盐析、等电点沉淀等）纯化技术进一步提高生物活性物质纯度的方法主要有层析技术（凝胶过滤、离子交换、亲和层析等）、膜分离技术（超滤、微滤、反渗透等）、结晶技术和电泳技术等纯化策略需根据目标物质特性和纯度要求设计检测技术用于评价提取物质量的方法包括含量检测（分光光度法、、质谱等）、纯度检测HPLC（电泳、层析等）、活性检测（生物学活性测定）和杂质分析（残留溶剂、内毒素、等检测）DNA细胞破碎技术物理破碎法机械研磨适用于植物和动物组织，使用研钵研杵或球磨机•高压匀浆将细胞悬液在高压下通过窄缝，压力差使细胞破裂•超声波破碎声波能量导致细胞局部高温高压而破裂•冻融法反复冻融使细胞膜结构被冰晶破坏•微珠破碎玻璃珠等磨料在高速搅拌下击碎细胞•化学破碎法表面活性剂法、等使膜蛋白变性溶解•Triton X-100SDS有机溶剂法乙醇、丙酮等使细胞脱水破裂•碱处理法高环境破坏细胞膜结构•pH渗透压法高盐或无盐环境导致渗透压失衡•螯合剂法结合细胞膜中的二价阳离子•EDTA酶法破碎利用特定酶类降解细胞壁或细胞膜组分，实现温和破碎常用酶包括溶菌酶（降解细菌细胞壁）、纤维素酶（降解植物细胞壁）、蛋白酶（降解膜蛋白）、核酸酶（减少核酸黏度）酶法破碎通常对目标产物损伤小，但成本较高破碎效率评价破碎效率评价方法包括显微镜计数法（直接观察完整细胞比例）、蛋白质释放量测定（测定上清液中总蛋白含量）、特定标志物释放测定（如胞内酶活性测定）、浊度测定（悬液透光率变化）破碎方法选择需平衡效率与目标产物稳定性分离纯化技术一过滤与离心技术萃取技术沉淀技术过滤是最基本的固液分离方法，根据分萃取技术利用物质在不同溶剂中溶解度沉淀是使溶解状态的物质转变为固体并离对象选择不同孔径的滤膜微滤的差异进行分离液液萃取使用两种互分离的过程盐析法（硫酸铵、氯化钠（）用于去除细胞和细胞碎不相溶的液体形成两相系统，目标物质等）利用盐析出效应使蛋白质沉淀；有

0.1-10μm片；超滤（）用于分离大分优先分配到一相中溶剂选择需考虑分机溶剂沉淀（乙醇、丙酮等）通过降低1-100nm子和小分子；纳滤（）用于去除配系数、选择性、溶解能力和安全性水的介电常数实现沉淀；等电点沉淀通≤1nm小分子杂质常用设备包括板框过滤器、过调节至蛋白质等电点使其沉淀pH超临界流体萃取使用超临界状态的二氧袋式过滤器和切向流过滤系统离心分离利用密度差分离悬浮粒子，分化碳等作为萃取剂，具有低毒性、高效热沉淀利用蛋白质热稳定性差异进行分为低速离心（分离细胞和大颗粒）、高率的特点水相两相萃取使用两种水溶离；金属离子沉淀利用特定金属离子与速离心（分离细胞器和大分子）和超速性聚合物形成两相系统，适合于蛋白质蛋白质结合形成不溶性复合物沉淀法离心（分离蛋白质和核酸）连续离心等生物大分子的温和分离操作简单，成本低，适合初步分离技术在工业化生产中广泛应用分离纯化技术二层析技术原理凝胶过滤色谱层析技术是基于混合物中各组分在两相间分配系数不同而实现分离凝胶过滤色谱（也称分子筛色谱）基于分子大小差异进行分离使的方法通常包括固定相（吸附剂）和流动相（溶剂），样品中的用多孔凝胶材料作为固定相，大分子不能进入凝胶孔隙而沿柱床外不同组分在两相间交替吸附和解吸，由于吸附能力不同而呈现不同部流动，小分子则进入凝胶孔隙内部，流动路径延长因此，大分的迁移速度，最终实现分离子先洗脱，小分子后洗脱，实现按分子量大小分离离子交换色谱亲和色谱离子交换色谱基于分子带电性质差异进行分离固定相表面带有正亲和色谱利用生物分子间特异性识别和结合，如抗原抗体、酶底--电荷（阳离子交换）或负电荷（阴离子交换），样品中带相反电荷物、受体配体等相互作用固定相上偶联特异性配体，能选择性结-的分子会被吸附通过改变流动相值或离子强度，使吸附分子依合目标分子，未结合组分被洗脱后，改变条件使目标分子解吸具pH次洗脱蛋白质和核酸的分离纯化常用此方法有高选择性，常用于抗体、酶等生物活性物质的纯化分离纯化技术三技术膜分离技术电泳技术HPLC高效液相色谱（）是色谱技术的高膜分离是利用半透膜的选择透过性进行分电泳是利用带电分子在电场中迁移速率差HPLC级形式，使用高压将流动相通过填充精细离的技术微滤（）分离细胞异进行分离的技术聚丙烯酰胺凝胶电泳

0.1-10μm颗粒的色谱柱，提高分离效率和速度反和大颗粒；超滤（）分离蛋白（）和琼脂糖凝胶电泳广泛用于蛋1-100nm PAGE相使用非极性固定相，正相使质和多糖；纳滤（约）分离小分子和白质和核酸分析等电聚焦电泳根据蛋白HPLC HPLC1nm用极性固定相检测方式包括紫外吸收、无机盐；反渗透（）分离水和溶质质等电点进行分离；毛细管电泳具有高分1nm荧光、电化学和质谱等，具有高灵敏度和切向流过滤可减少膜污染，提高效率，适辨率和微量样品分析能力通常作为分析高选择性合大规模生产方法，也可用于制备性分离生物药物制剂液体制剂冻干制剂注射液、滴眼液等，配方设计考虑蛋白稳通过冷冻干燥去除水分，提高稳定性，延定性、等渗性和缓冲长有效期，便于储存运输pH新型给药系统控释制剂4靶向递送、脂质体、微球等先进技术，提利用聚合物材料包裹药物，实现缓慢释放，高生物利用度和靶向性降低给药频率，提高顺应性生物药物制剂是将生物活性物质加工成便于给药和发挥药效的剂型由于生物药物分子量大、结构复杂、稳定性差，其制剂工艺面临特殊挑战制剂开发需考虑药物的理化性质、稳定性、给药途径和生物利用度等因素辅料选择尤为关键，需评估其与活性成分的相容性和对稳定性的影响无菌工艺是生物药物制剂生产的基本要求，通常采用无菌过滤、灌装和密封的方式，而非传统的热灭菌工艺，以避免高温对生物活性的破坏生物药物稳定性影响因素物理因素温度、光照、冻融循环、震动、界面应力•化学因素值、氧化、水解、脱酰胺化、交联•pH生物因素微生物污染、蛋白酶降解•配方因素辅料相容性、浓度、离子强度•稳定性研究方法加速稳定性试验高温条件下预测长期稳定性•长期稳定性试验实际储存条件下的稳定性考察•苛刻条件试验极端条件下确定关键降解途径•冻融循环试验评估冻融对产品稳定性的影响•稳定剂应用氨基酸（如甘氨酸、精氨酸）作为蛋白质稳定剂；糖类（如蔗糖、海藻糖）提供水合保护；表面活性剂（如聚山梨酯）防止界面吸附；抗氧化剂（如甲硫氨酸）防止氧化；螯合剂（如）减少金属催化降解；缓冲剂维80EDTA pH持最佳环境pH储存条件优化根据稳定性研究结果确定最佳储存条件，常见方式包括℃冷藏保存（大多数蛋白质药物）；℃或℃2-8-20-70冷冻保存（对热敏感产品）；冻干技术（去除水分，提高稳定性）；无氧包装（氮气充填，防止氧化）；避光包装（防止光敏感性降解）案例分析重组蛋白药物生产重组人胰岛素生产工艺重组人生长激素生产工艺重组干扰素生产工艺胰岛素是第一个上市的重组蛋白药物，生长激素是单链多肽蛋白，无二硫键，干扰素是一类具有抗病毒、抗肿瘤活性生产工艺已相当成熟基因构建将人结构相对简单表达系统多采用大肠的细胞因子表达系统干扰素多采α-胰岛素基因克隆至表达载体，通常设计杆菌表达，形成包涵体发酵优化控用大肠杆菌表达，干扰素常用哺乳动β-为前胰岛素或融合蛋白形式宿主选择制培养温度可减少包涵体形成，提高可物细胞表达以获得糖基化修饰发酵控主要使用大肠杆菌或酵母表达系统溶性表达制严格控制溶氧和值，优化诱导条pH纯化策略包涵体洗涤、变性溶解、复件发酵过程控制温度、、溶氧等参数，性、离子交换和疏水层析纯化制剂开纯化方法多采用蓝色琼脂糖亲和层析pH诱导表达目的蛋白纯化过程破碎细发冻干制剂配以甘氨酸、甘露醇等稳结合离子交换层析制剂特点易形成胞、包涵体洗涤、变性复性、柱层析纯定剂工艺优化重点是提高复性效率和聚集体，常添加人血清白蛋白作稳定剂化等成品制备冻干或液体制剂，添减少聚集体形成，通常采用稀释法或透干扰素生产中需特别注意内毒素去除，加锌离子和蛋白酶抑制剂提高稳定性析法进行复性以及糖基化干扰素的糖链均一性控制案例分析疫苗生产传统疫苗基因工程疫苗疫苗质量控制mRNA灭活疫苗培养病原体后通过热重组蛋白疫苗表达病原体表面体外转录，包裹于脂质安全性测试无菌、内毒素、残mRNA或化学方法灭活，保留抗原性；蛋白；病毒样颗粒表达自组装纳米颗粒中，进入人体细胞后表留试剂检测；效力测试抗原含减毒活疫苗使病原体致病性降的病毒壳蛋白；载体疫苗将抗达抗原蛋白引发免疫反应；生产量和体内体外免疫原性；稳定/低但保留免疫原性；类毒素疫苗原基因整合到无害病毒载体中；流程包括质粒模板制备、体外转性评价加速和实时稳定性研究；处理细菌毒素去除毒性保留免疫疫苗直接注射编码抗原录、纯化和脂质体包裹批间一致性关键参数监测和控DNA mRNA原性的质粒制DNA人体来源药物的制备人血浆白蛋白制剂的制备人血浆白蛋白是从健康人血浆中分离的主要蛋白质成分，广泛用于休克、烧伤等临床治疗制备工艺包括血浆收集和检测（筛查传染病标志物）；分级乙醇沉淀法（分离白蛋白和球蛋白）；离子交换和凝胶过滤纯化；病毒灭活（巴氏灭活、纳滤等）；超滤浓缩和制剂配制（通常为或5%浓度）25%免疫球蛋白制剂生产免疫球蛋白制剂包括静脉注射用丙种球蛋白和特异性免疫球蛋白生产流程血浆采集和筛IVIG查；低温乙醇分级沉淀（法）分离；离子交换和亲和层析进一步纯化；病毒灭活去除处Cohn IgG/理（溶剂去污剂处理、纳滤、低处理等）；制剂配制（稳定剂添加、调节）特异性免疫/pH pH球蛋白需从特异免疫的供者血浆中制备凝血因子制剂生产凝血因子、等是治疗血友病的关键药物传统工艺从人血浆中提取，现多采用重组技术生产VIII IX血浆来源工艺血浆冷冻沉淀制备；层析纯化（离子交换、亲和层析）；病毒灭活处理（加热、溶剂去污剂处理）重组凝血因子生产哺乳动物细胞表达系统（、细胞）；大规模/CHO BHK细胞培养；多步层析纯化；制剂稳定性保护质量控制与安全性人源药物质量控制特别严格供者筛查（排除传染病风险）；原料血浆检测（、、HBV HCVHIV等）；生产过程控制（关键参数监测）；病毒灭活去除验证（至少两种互补方法）；成品检测/（纯度、活性、聚集体、杂质）；批次追溯系统建立；不良反应监测系统抗体药物生产工艺抗体基因获取与细胞系构建杂交瘤技术或噬菌体展示技术获得目标抗体基因序列对抗体进行人源化或全人源化设计，减少免疫原性将抗体基因克隆至表达载体，导入或等哺乳动物细胞，筛选高表CHO NS0达稳定细胞株通过单细胞克隆和多轮筛选，建立高产稳定的生产细胞株大规模细胞培养从摇瓶到生物反应器的逐级放大培养，最终在数千升规模的生物反应器中进行生产培养方式主要有批次培养、补料分批培养和灌注培养，其中灌注培养可获得最高细胞密度和抗体产量培养过程严格控制温度、、溶氧、搅拌速度等参数，并监测葡萄糖、氨pH基酸等营养物质浓度抗体纯化工艺抗体纯化通常采用平台工艺，包括捕获、中间纯化和精细纯化三个阶段捕获阶段使用蛋白亲和层析，特异性结合抗体；中间纯化采用离子交换层析，去除蛋白、A A宿主细胞蛋白等杂质；精细纯化使用疏水相互作用层析或凝胶过滤，去除聚集体和病毒病毒灭活去除通常包括低处理、病毒过滤和或溶剂去污剂处理/pH//制剂开发与质量控制抗体制剂通常为冻干或液体注射剂，配方中添加稳定剂（糖类、氨基酸等）和表面活性剂质量控制关键点包括抗体结构完整性（二硫键、糖基化分析）；纯度（聚集体、片段、宿主细胞蛋白、等）；生物活性（结合活性、效应功DNA能）；内毒素和微生物控制；稳定性（热稳定性、光稳定性、冻融稳定性等）基因治疗产品生产病毒载体生产非病毒载体制备质粒生产工艺DNA病毒载体是基因治疗的主要递送工具，非病毒载体包括脂质体、阳离子聚合物、质粒是基因治疗的基本组成部分，DNA包括逆转录病毒、慢病毒、腺病毒和腺脂质纳米颗粒等，具有安全性好、免疫也可直接用作疫苗生产工艺包括DNA相关病毒等生产流程包括包原性低的优势制备方法包括薄膜水菌种构建（工程菌株优化）；发酵（高AAV装细胞系培养（通常为等细化法（脂质体）；纳米沉淀法（聚合物细胞密度培养，严格控制温度和溶氧）；HEK293胞）；转染辅助质粒（含病毒结构基因）纳米粒）；微流控技术（精确控制粒径碱裂解法提取质粒；去内毒素处理（常和转移质粒（含治疗基因）；病毒颗粒分布）关键质量属性包括粒径大小与用）；层析纯化（离子Triton X-114装配和释放；收获培养上清；多步纯化分布、电位、包封效率、体外转染交换、疏水相互作用层析等）；无菌过Zeta（离心、层析等）；病毒滴度和纯度检效率等非病毒载体成本低，但传递效滤和灌装质粒纯度要求极高，杂DNA测率通常低于病毒载体质如基因组、、内毒素和蛋白DNA RNA质含量严格控制第四部分质量控制与法规生物制品质量特性理解生物制品的独特质量特征和挑战质量控制方法2掌握理化、生物学和免疫学检测技术要求GMP3学习生物制药特殊的规范GMP注册法规了解生物药注册申报的要求和流程生物制药的质量控制与法规遵循是保障生物药安全、有效和质量可控的关键环节由于生物药的复杂性，其质量控制与传统化学药物有显著差异，需要更全面的分析方法和更严格的生产管理同时，各国对生物药的注册审批有特殊要求，需要深入了解相关法规，确保合规生物制品质量特性生物制品特殊性批间一致性挑战生物制品与化学药品最本质的区别在于其复杂性和异质性生物制品通常是生物制品使用活细胞生产，生产过程复杂多变，难以实现完全相同的批次复高分子量的蛋白质，结构复杂，包含一级结构（氨基酸序列）、二级结构制细微的生产条件变化可能导致产品特性变化，包括糖基化模式、电荷变（螺旋、折叠等）、三级结构（整体折叠构象）和四级结构（多亚基体、氧化和聚集状态等工艺即产品原则强调生产工艺的稳定性对产品质α-β-组装）翻译后修饰（如糖基化、磷酸化、酰胺化等）进一步增加了复杂性量至关重要，工艺变更需谨慎评估其对产品质量的影响杂质控制难点稳定性问题生物制品杂质种类繁多，包括工艺相关杂质（宿主细胞蛋白、、培养基生物制品稳定性较差，易受温度、、光照、氧化、界面应力等因素影响发DNA pH成分、柱介质泄漏物等）和产品相关杂质（聚集体、片段、电荷变体、糖基生变性、聚集、降解蛋白质药物在溶液状态下可能发生多种物理和化学变化变体等）部分杂质可能具有免疫原性，引发不良反应杂质检测方法的化，如聚集、氧化、脱酰胺化、裂解等稳定性研究和储存条件优化对生物灵敏度和特异性是关键挑战，常需要多种互补方法结合使用制品至关重要，通常需要冷链运输和储存生物制品质量控制方法理化分析方法生物学检测方法免疫学检测方法理化分析是生物制品质量控制的基生物学检测评估产品的生物活性和免疫学检测利用抗原抗体特异性-础，包括高效液相色谱法功能，包括细胞增殖抑制实验反应，包括酶联免疫吸附测定/（）分析纯度和含量；质谱评估生长因子和细胞因子活性；酶（）定量分析目标蛋白；HPLC ELISA法（）鉴定分子量和结构；毛活性测定评估酶类药物功能；受体检测特定蛋白质；MS Westernblot细管电泳（）分析电荷异质性；结合实验测定配体受体相互作用；免疫沉淀分离特定蛋白质；免疫亲CE-圆二色谱（）分析二级结构；体内效力测定（如小鼠保护试验）；和层析纯化目标蛋白；表面等离子CD差示扫描量热法（）评估热稳无菌试验和支原体检测；内毒素检体共振（）测定结合动力学；DSC SPR定性；动态光散射（）测定分测（鲎试验或重组因子法）流式细胞术分析细胞表面标志物和DLS C子大小和聚集状态细胞功能分子生物学检测方法分子生物学检测针对核酸水平分析，包括聚合酶链反应（）检测PCR残留宿主和病毒污染；基因DNA测序验证表达载体序列正确性；分析基因整合状态；Southern blot分析表达；Northern blotmRNA数字进行精确定量；新一代测PCR序技术（）全面分析基因组和NGS转录组变异生物制药要求GMP生物制药特殊要求GMP生物制药在传统药品基础上增加了特殊要求强调全过程控制，而非仅依赖最终产品检GMP GMP验要求建立细胞库系统（主细胞库和工作细胞库）并进行全面表征病毒安全性评估MCB WCB和病毒清除验证是必须的环节需建立全面的环境监测计划，控制微生物和颗粒污染生产设施与设备设施设计需遵循单向流动原则，防止交叉污染采用适当的分区和压差控制，区分不同洁净度区域生物安全柜和密闭系统用于处理活生物体或潜在致病物质设备材质需考虑生物相容性，最小化蛋白吸附和提取物设备清洁验证尤为关键，需证明残留物（特别是蛋白质）已被有效去除生产过程控制过程分析技术在生物制药中应用日益广泛，实现实时监测和控制关键工艺参数和关PAT CPP键质量属性的识别和控制至关重要中间产品的保存条件和时限需严格控制应建立过程CQA控制策略，包括工艺参数监测、中间品检测和最终产品检验无菌工艺和无菌验证是生物制药生产的基本要求人员要求生物制药对人员培训有更高要求，包括基础微生物学、无菌操作技术、生物安全等专业知识建立全面的培训计划和定期评估机制，确保人员胜任工作严格的人员健康监测，防止微生物污染清洁区域的着装和行为规范更为严格，需定期培训和监督管理层需具备生物制药专业背景，理解生物工艺的特殊性和风险无菌生产与控制洁净区分级无菌操作技术灭菌与消毒验证生物制药生产设施按照空气洁净度分为无菌操作是防止微生物污染的关键技术，生物制药中常用的灭菌方法包括蒸汽不同等级，通常采用分级系统包括无菌材料传递、无菌连接和无菌加灭菌（℃，分钟）；干热灭A/B/C/D12115-30或分级标准级（）关键料等无菌操作应在层流条件下进行，菌（℃）；环氧乙烷灭菌；ISO AISO5160-180操作区域，如灌装点、敞口容器；级最小化人员干预隔离器和闭合系统技辐照灭菌（射线或电子束）；无菌过滤Bγ（）级周围的背景环境；级术可降低污染风险，提高无菌保证水平（滤膜）每种灭菌方法都需进ISO6A C

0.2μm（）和级（）洁净操作行验证，确认其有效性和一致性ISO7D ISO8人员培训是无菌操作的基础，需通过模的准备区域洁净区控制指标包括悬浮粒子数、沉降拟培训和介质灌装试验验证操作者的无灭菌过程验证包括物理验证（温度、压菌、浮游菌、表面微生物和操作人员监菌技能建立详细的无菌操作规程力、时间等参数）和生物验证（生物指测需建立环境监测计划，确定监测点，包括关键步骤、注意事项和异示剂）灭菌保证水平通常要求达SOP SAL位、频率和方法，以及警戒线和行动线常情况处理流程到⁻或更高清洗验证需证明设备表10⁶面残留物（特别是蛋白质、内毒素等）已被有效清除生物制品注册法规法规方面中国要求国际比较申报分类创新型生物制品、改良型生申请；FDA BLAEMA物制品、已上市生物制品申请，集中审批程序MAA技术要求《生物制品注册技术要求》，系列指南作为技术ICH Q5强调全面表征、工艺验证和参考标准可比性临床前研究全面的药效学、药代动力学、要求更全面的毒理学评FDA毒理学研究，强调生物类似价；强调可比性评估EMA药与参照药的比较临床试验期临床试验，通常需中接受全球数据；要I-III FDA EMA国本土数据，药物临床试验求欧洲人群数据批件管理申报资料格式，五个模块行政国际普遍采用格式，但CTD CTD文件、质量、非临床、临床、各地区有具体差异风险管理计划审评审批技术审评、现场核查、抽样审评更长；采用集FDAEMA检验三合一；优先审评通中审批和分散审批并行道生物制药前沿技术基因编辑技术以为代表的基因编辑技术实现了对基因组的精确修改与传统基因工程相比，具有更高的精确性、效率和灵活性在生物制药中的应用包括工程细胞株开发CRISPR-Cas9（敲除或引入特定基因）；疾病模型构建（创建更接近人类疾病的动物模型）；基因治疗（直接修复致病基因）；抗体工程（优化抗体序列）合成生物学合成生物学将工程学原理应用于生物系统，构建新的生物功能和系统合成技术可从头合成大片段，甚至整个基因组标准化生物元件（如启动子、终止子、基因DNADNA回路）实现模块化设计代谢工程可创建新的生物合成路径，生产药物前体或直接合成药物分子人工微生物底盘的开发为生物制药提供了全新的表达系统生物打印3D生物打印技术结合打印与细胞生物学，构建三维组织结构生物墨水（含细胞、生长因子和支持材料）是关键组分应用包括组织工程（构建功能性组织和器官替代3D3D物）；药物筛选（创建更接近体内环境的测试平台）；个体化医疗（根据患者自身细胞构建组织）；疾病模型（构建病理组织模型研究疾病机制）生物制药产业化进程实验室研究工艺开发基础研究发现潜在靶点，早期候选分子筛1细胞株开发，上下游工艺开发，分析方法选和优化，概念验证实验建立，小规模生产2市场准入规模化生产药品注册，定价策略，市场推广，医保谈工艺放大，技术转移，生产设施建设，商3判，销售网络建设业化生产，质量管理生物制药产业链涵盖从基础研究到商业化的全过程，包括靶点发现、药物设计、临床前研究、临床试验、规模化生产和市场销售等环节与传统化学药相比，生物药研发周期更长（年），投入更大（亿美元），但成功后回报也更高10-1510-20产学研合作模式成为生物制药创新的重要推动力，通过整合高校的基础研究能力、研究所的转化研究能力和企业的产业化能力，加速创新成果转化开放式创新、技术许可和战略联盟等多种合作形式促进了资源共享和风险分担生物医药产业全球化全球生物医药产业呈现区域集群发展特点美国是全球生物技术创新中心，拥有波士顿剑桥、旧金山湾区和圣地亚哥三大生物医药集/群，汇集顶尖高校、研究机构和生物技术企业欧洲传统制药强国如英国、德国、瑞士拥有完整的生物医药产业链和强大的创新能力亚太地区发展迅速，日本在生物药创新领域保持领先；中国依靠庞大市场和政策支持快速崛起；印度凭借成本优势在生物仿制药领域占据重要位置国际合作与竞争并存，跨国并购、技术许可和研发外包促进了全球资源整合，但知识产权保护和市场准入问题仍是国际合作的挑战生物制药未来发展智能制造人工智能辅助设计与生产，全面数字化转型新型靶点2靶向、蛋白质降解、表观遗传调控等新机制RNA组合疗法多靶点协同作用，提高治疗效果，降低耐药性精准医疗基于基因组学的个性化治疗方案，提高疗效精准医疗和个性化治疗是生物制药未来的重要方向基因组测序、蛋白质组学和代谢组学等多组学技术的应用，使我们能够根据患者的分子特征定制治疗方案伴随诊断的发展帮助识别最可能从特定治疗中获益的患者群体，提高治疗精准度新型生物靶点的不断发现拓展了生物药的应用范围靶向药物、蛋白质降解技术（）、基因编辑疗法等新技术正在挑战传统的不可成药靶点RNA PROTAC智能制造与数字化转型正在改变生物制药生产模式，连续生产工艺、智能工厂、实时监控和预测性维护技术将提高生产效率和产品质量总结与展望420+主要内容模块关键技术方法课程覆盖生物学基础、生物工程技术、生物制药系统介绍基因工程、细胞工程、分离纯化等生物工艺和质量控制与法规四大核心领域制药核心技术和方法10+典型案例分析通过重组蛋白、抗体、疫苗等实际案例深化对工艺流程的理解本课程系统介绍了生物制药技术的基本原理和方法，从生物学基础知识到具体生产工艺，再到质量控制和法规要求，建立了完整的知识框架生物制药技术正处于快速发展阶段，新技术不断涌现，临床应用领域不断拓展建议学生在掌握基础知识的同时，关注学科前沿发展，阅读最新文献和行业报告可通过参与实验室研究项目、企业实习和学术交流活动拓展实践经验生物制药领域就业前景广阔，涵盖研发、生产、质量控制、注册申报等多个方向，为有志于此的学生提供了广阔的职业发展空间。