生物制药技术教学课件

生物制药技术教学课件第一章生物制药行业概述与基础知识行业定位技术基础学习目标生物制药作为制药产业中技术含量最高的领域，其发展对解决重大疾病具有决定性意义现代生物技术与传统药学的跨学科融合，形成独特的知识体系与技术平台生物制药产业的崛起生物制药被誉为世纪的钻石产业，代表着制药领域中技术含量最高、科技创新最活跃的方

2118.6%向它已成为解决肿瘤、艾滋病、自身免疫性疾病等疑难病症的关键路径作为生命科学与医药产业深度融合的产物，生物制药技术正在改变传统医疗模式，开创精准治年均增长率疗的新时代全球生物药市场本课程由中国药科大学国家级教学团队精心打造，结合最新行业发展动态与前沿技术进展，为学生提供系统、专业的知识体系亿5200市场规模年中国生物医药产业（人民币）202340%研发投入生物药物的定义与分类生物药物是指由生物体（微生物、植物或动物）产生的，或通过生物技术手段合成的用于疾病诊断、治疗、预防的药物天然生化药物微生物药物从动植物组织中提取的活性物质微生物及其代谢产物制成的药物例胰岛素、肝素、凝血因子例抗生素、酶制剂生物制品生物技术药物免疫系统相关的生物活性物质通过现代生物技术手段研发的药物例疫苗、血清、免疫球蛋白例重组蛋白、单抗、基因药物典型产品举例治疗性抗体阿达木单抗、特瑞普利单抗细胞疗法、CAR-T KymriahYescarta基因药物脊髓性肌萎缩症基因疗法Zolgensma生物制药产业链全景从基因工程到药物上市的完整流程研发与发现靶点发现、分子设计、基因工程、药效学评价临床前研究工艺开发、毒理学研究、药代动力学研究临床试验期（安全性）、期（有效性）、期（扩大研究）I IIIII规模化生产生产、质量控制、产品包装GMP上市与监管生物技术的快速发展推动制药革新现代生物技术为生物制药提供了强大的技术支撑，使得许多过去无法治疗的疾病找到了解决方案基因重组技术细胞培养技术通过重组技术，将目标基因导入宿主细胞，实现特定蛋白质从悬浮培养到固定化细胞培养，从小规模到大规模生物反应器，DNA的表达与生产这一技术是生物药物研发的基础，使得人源蛋白细胞培养技术的进步使得生物药物的产量与质量得到显著提升大规模生产成为可能蛋白质工程酶工程通过对蛋白质结构的定向改造，优化其稳定性、亲和力、半衰期利用分子生物学和蛋白质化学方法，改造酶的结构和功能，开发等特性，创造出更高效、更安全的治疗性蛋白质药物出具有特定催化活性的新型酶，应用于药物合成与生产过程生物制药的预备知识要求掌握生物制药技术需要多学科知识的融合与贯通以下是学习本课程所需的关键预备知识生物化学理解蛋白质结构与功能、代谢途径、酶动力学微生物学掌握微生物培养、发酵原理、菌种改造技术分析化学熟悉各类分析方法，如、质谱、光谱分析HPLC有机化学了解有机合成原理、药物分子结构与性质数学基础应用统计学、建模与仿真、实验设计第二章生物药物的研发与生产工艺本章将详细介绍生物药物从设计、筛选到规模化生产的全流程，帮助学生系统掌握生物药物开发的关键环节与工艺要点创新生物药物的筛选与设计细胞株建立与细胞库管理生物反应器与细胞培养蛋白质表达与生产下游纯化与分析检测创新生物药物的筛选与设计基于重组DNA技术的药物设计流程人类DNA序列识别与基因克隆确定目标蛋白编码序列，设计引物，从人源组织或文库中克隆出目标基因PCR cDNA表达载体构建将目标基因整合到适当的表达载体中，包含强启动子、终止子、选择标记等元件基因克隆是生物药物研发的起点，通过精确识别和操作序DNA宿主细胞转染/转化列，构建表达载体选择合适的宿主系统（大肠杆菌、酵母、细胞等），将重组载体导入宿主细胞CHO表达验证与初步筛选验证目标蛋白表达量、活性和稳定性，筛选高表达克隆现代生物药物设计越来越依赖计算机辅助分析，通过结构预测、分子模拟等技术优化蛋白质药物的理化特性和药效学特征细胞株建立与细胞库管理稳定高效的细胞株是生物药物生产的基础，其建立与管理直接关系到产品质量与生产效率细胞株筛选标准主细胞库（MCB）工作细胞库（WCB）•高表达量与稳定性•从单克隆细胞系建立•从MCB扩增获得•生长特性与培养适应性•严格质量控制与检测•直接用于生产过程•产物质量特性•通常保存数百支，-196°C长期保存•定期更新，保证供应•基因整合情况•作为所有生产的起源•与MCB保持相同特性细胞培养过程中的生物反应器系统小型生物反应器中试生物反应器工业生物反应器实验室级别（）中试规模（）生产规模（）1-10L50-500L1000-20000L用于工艺开发与优化工艺放大与验证大规模商业化生产参数范围广，灵活性高模拟生产条件，收集数据严格参数控制，自动化程度高生物反应器是生物制药生产的核心设备，通过精确控制温度、、溶氧、搅拌等参数，为细胞生长和产物表达创造最佳环境，确保产品质量与产量pH蛋白质表达与生产培养温度pH值控制对细胞生长速率、蛋白折叠和翻译后修饰有重要影响影响细胞代谢和蛋白质稳定性细胞通常在°培养，降温策略可提高某些蛋白的产量哺乳动物细胞通常维持在，需精确控制CHO37C pH

7.0-

7.2溶氧水平培养基配方氧气传质是细胞培养关键因素提供细胞生长和蛋白表达所需全部营养溶氧过低导致产量下降，过高产生有害自由基无血清培养基成为主流，降低污染风险大规模发酵工艺设计关键因素接种策略与扩增流程设计•补料策略（批次、流加、灌流）•关键过程参数（）识别与控制•CPP放大效应与规模化问题解决•下游纯化技术概述下游纯化工艺是确保生物药物安全性与有效性的关键环节，通常占据总生产成本的纯化工艺设计直接决定产品的质量特性，需要根据不同产品特点量身定制60-80%捕获纯化收获与澄清亲和层析（Protein A、金属螯合等）细胞分离、深层过滤、切向流过滤精制纯化离子交换、疏水相互作用层析浓缩与缓冲液置换超滤/透析、终端过滤病毒灭活/去除低处理、病毒过滤、热处理pH常用纯化技术层析技术亲和层析、离子交换层析、疏水相互作用层析、凝胶过滤膜分离技术微滤、超滤、纳滤、切向流过滤沉淀技术盐析、等电点沉淀、有机溶剂沉淀结晶技术用于小分子和某些多肽药物质量分析与检测生物药物的复杂性决定了其质量分析需要多种分析技术的组合应用，确保产品的质量、安全性和有效性关键质量属性（CQAs）监测12一级结构分析高级结构分析氨基酸序列、二硫键位置、翻译后修饰二级结构、三级结构、四级结构分析方法质谱（）、肽图谱分析、端端测序分析方法圆二色谱、傅里叶变换红外光谱、射线晶体学、核磁共振LC-MS/MS N/C X34聚集态分析糖基化分析二聚体、多聚体、可溶性不溶性聚集体糖链组成、分布、异质性/分析方法、、、、光散射分析方法、毛细管电泳、质谱、糖苷酶消化SEC-HPLC DLSAUC SDS-PAGE HILIC-UPLC其他重要质量指标除上述关键质量属性外，生物药物质量控制还包括生物活性测定（体外细胞实验、酶活性测定等）•杂质分析（宿主细胞蛋白、、内毒素等）•DNA物理化学特性（、浑浊度、颜色、可见颗粒等）•pH微生物学检测（无菌试验、支原体检测等）•药物配方设计与稳定性生物药物配方设计的目标是维持蛋白质的结构完整性和活性，延长其保质期，提高产品稳定性配方组分及其功能稳定性研究内容物理稳定性聚集、沉淀、吸附、变性缓冲剂化学稳定性氧化、脱酰胺、断裂、异构化维持适宜值，如磷酸盐、柠檬酸盐、组氨酸微生物稳定性无菌性保障pH稳定剂防止蛋白质变性，如蔗糖、海藻糖、甘露醇表面活性剂减少蛋白质吸附和聚集，如聚山梨酯80抗氧化剂防止氧化降解，如蛋氨酸、抗坏血酸防腐剂多剂量制剂中防止微生物生长，如苯酚稳定性研究按指南进行，包括长期、加速和应力条件下的测试，以确定产品的保质期和储存条件ICH生物药物对温度极为敏感，通常需要°条件保存，部分产品甚至需要°或更低温度冷链运输和储存对保证产品质量至关重要2-8C-20C生物药物冷链运输系统从生产到使用的全程温控管理1生产设施专业冷库存储温度监测系统2包装与装载°控温环境2-8C验证的保温包装温度记录仪3运输过程相变材料冷却温控车辆货舱/实时监测技术4分销中心备用制冷系统冷链中转设施质量检查5医疗机构短时存储管理专业药品冰箱温度警报系统使用前质检冷链系统的任何环节出现温度偏差，都可能导致生物药物的结构变化和活性损失，因此需要严格的温度监控和完整的记录系统第三章分离纯化工艺设计与质量控制本章将详细介绍生物药物分离纯化的原理、方法及工艺设计，帮助学生理解如何构建高效、稳健的纯化工艺，并通过严格的质量管理确保产品质量生物药物分离纯化的原理与方法纯化工艺的工艺放大与优化生物制药生产中的质量管理体系生物类似药研发与监管行业最新技术趋势与案例分析生物药物分离纯化的原理与方法亲和层析疏水相互作用层析基于生物分子特异性相互作用基于蛋白质表面疏水性差异常用配体（抗体纯化）、金属螯合物（组氨酸标常用填料苯基、丁基、辛基、苯基己基等Protein A/G签蛋白）、抗原抗体、凝集素/特点高盐结合、低盐洗脱、互补性强优点高选择性、高纯度、单步富集效果好应用抗体聚集体去除、变体分离挑战配体成本高、容易泄漏、再生次数有限离子交换层析凝胶过滤层析基于蛋白质表面电荷与固定相相互作用基于分子大小差异的分离常用类型阳离子交换（、）、阴离子交换（、）常用填料葡聚糖（）、聚丙烯酰胺（）SP CMQ DEAESephadex Sephacryl优点高容量、高分辨率、经济实用优点温和条件、不需特殊洗脱应用抗体纯化中间步骤、内毒素去除、等电点分离应用脱盐、缓冲液交换、聚集体去除DNA/纯化工艺设计案例分析以单克隆抗体纯化为例，典型的三步纯化工艺捕获步骤亲和层析，从复杂培养基中高选择性分离抗体Protein A中间纯化阳离子交换层析，去除、宿主细胞蛋白和病毒DNA精制步骤疏水相互作用层析或凝胶过滤，去除聚集体和变体每个步骤都需要优化操作条件，包括缓冲液组成、值、流速、洗脱策略等，以达到最佳分离效果pH纯化工艺的工艺放大与优化从实验室小试到工业化生产，纯化工艺的放大是生物药物产业化的关键挑战之一工艺放大的关键参数工艺优化策略方法基于质量源于设计的理念QbD线速度实验设计多因素实验优化关键参数DoE维持相同的线性流速，而非体积流速技术应用过程分析技术实时监控PAT连续生产从批次生产向连续工艺转变一次性技术减少清洗验证，提高灵活性停留时间确保相同的柱内停留时间和接触时间床高保持相似的床高，避免过高压降柱压控制在填料承受范围内，避免压实效应装柱质量均匀装柱，避免死体积和偏流放大过程中的常见挑战梯度精确控制压力限制大型系统中梯度形成的延迟和不均匀性大型柱床带来的高背压挑战生物制药生产中的质量管理体系监管要求与合规FDA法规要求•21CFR Part210/211（cGMP）•21CFR Part600（生物制品规范）•ICH Q5系列指南（生物技术产品质量）中国药监局要求•《药品生产质量管理规范》•《生物制品生产检定管理办法》•《生物制品批签发管理办法》过程验证三阶段法第一阶段工艺设计建立关键质量属性与关键工艺参数，开发控制策略第二阶段工艺资格确认进行工艺表现的确认，通常需要3批连续生产的验证质量管理体系是确保生物药物安全有效的基础，贯穿药物研发、生产和销售的全生命周期第三阶段持续工艺验证常规生产中持续监测工艺表现，确保工艺处于控制状态生物药物的质量管理与传统化学药物相比，需要更多关注工艺即产品的理念，因为生产工艺的微小变化都可能影响产品质量特性生物类似药（）介绍Biosimilar生物类似药的定义与特点监管指南与市场意义生物类似药是指与已获批的原研生物药（参照药）高度相似的生物药物产品，在质量、安全性和有效性方面没有临床主要监管指南意义上的差异《生物类似药开发和审批途径》•FDA与小分子仿制药不同，由于生物药的复杂性，生物类似药不能完全相同，只能达到高度相似《生物类似药质量问题指南》•EMA生物类似药的研发流程《生物类似药研发与评价技术指导原则》•NMPA参照药全面表征对原研药进行详尽的理化和生物学特性分析工艺开发与表征开发类似的生产工艺，确保产品高度相似比较性研究理化特性、生物活性、非临床安全性的全面比较临床研究市场意义简化的临床试验，证明安全性和有效性相当降低医疗成本，通常比原研药便宜20-30%提高患者获取生物药的机会•促进生物药产业创新与竞争•生物类似药与原研药结构对比相似之处可能的差异相同的氨基酸序列（一级结构）糖基化模式的微小差异••高度相似的高级结构（二级、三级、电荷变体分布的差异••四级结构）杂质谱的差异•相同的作用机制•某些翻译后修饰的差异•相当的药效学特征•制剂成分的差异•相似的安全性与免疫原性特征•生物类似药审评的核心是相似性而非相同性，通过全面的比较性研究确立与原研药在关键质量属性上的高度相似，并证明这些微小差异不会影响临床安全性和有效性生物制药行业的最新技术趋势其他前沿技术发展连续生产技术CAR-T细胞疗法从批次生产向连续生产转变，提高效率利用基因工程改造患者自身T细胞，使其识别并攻击肿瘤细胞代表产品Kymriah、Yescarta，主要用于血液肿瘤治疗人工智能辅助药物设计AI预测蛋白质结构和优化分子性质基因编辑技术3D生物打印CRISPR-Cas9等技术用于精确修改基因，治疗遗传性疾病用于组织工程和器官芯片制备应用前景镰状细胞贫血、血友病、囊性纤维化等单细胞技术精确了解细胞特性和药物作用机制单克隆抗体新平台双特异性抗体、抗体偶联药物ADC、纳米抗体等新型抗体平台提高靶向性和治疗效果，减少副作用虚拟仿真实验平台介绍国家虚拟仿真实验教学平台（https://www.ilab-x.com）提供生物制药工艺虚拟实验，包括•重组蛋白表达与纯化虚拟实验•抗体药物工艺开发虚拟仿真•生物反应器放大与优化模拟案例分享某重组蛋白药物的开发流程以重组人胰岛素类似物为例，展示从基因克隆到临床前生产的完整开发流程基因克隆与优化1从人源胰岛素基因出发，通过定点突变引入氨基酸替换，优化密码子以提高表达量2表达系统构建选择大肠杆菌表达系统，构建含胰岛素前体序列的表达载体，转化至宿主菌株高密度发酵3采用流加培养策略，在15L生物反应器中达到高细胞密度OD600100，控制溶氧、pH和温度4包涵体回收与复性细胞破碎后分离包涵体，通过变性-复性过程获得活性蛋白，复性条件经过DOE优化酶切与分离纯化5酶切移除前导序列，采用三步层析法纯化（C8反相、阳离子交换、凝胶过滤），纯度

99.5%6制剂开发与稳定性研究甘油-磷酸盐配方，添加表面活性剂防止聚集，加速稳定性研究显示24个月内稳定关键技术难点与解决方案包涵体复性难题采用脉冲稀释法并添加氧化还原试剂对，提高正确二硫键形成率异构体分离挑战开发特殊条件的反相色谱方法，实现结构相近异构体的完全分离放大过程中收率下降优化层析柱装柱工艺，调整梯度洗脱策略，收率提升15%生物制药工艺中的常见问题与解决策略细胞株稳定性问题质量一致性与安全性保障表达量下降原因基因沉默、表达载体丢失、染色体不稳定解决策略优化选择压力，建立高通量筛选系统，建立多克隆备MCB份产物异质性增加原因翻译后修饰异常、蛋白水解、培养条件漂移解决策略严格控制培养参数，增加工艺监控，优化下游分离方案纯化效率问题吸附容量降低原因层析介质老化、配体泄漏、非特异性吸附解决策略建立柱效监测方案，优化程序，控制层析介质使用周CIP期杂质去除困难原因宿主细胞蛋白与目标产物性质相似、工艺条件漂移解决策略增加正交纯化步骤，优化洗脱条件，引入特异性吸附剂过程控制策略基于技术的实时监控与反馈控制PAT多批次分析建立关键质量属性的可接受范围与趋势分析稳健工艺设计通过方法确保工艺对扰动的抵抗能力QbD变更控制体系严格的变更评估与验证确保质量一致性实验教学与实践操作建议虚拟仿真实验平台使用指南提升学习效果的建议理论与实践结合在实验前充分理解理论原理，实验后反思理论应用建立概念地图，将分散知识点系统化连接小组协作学习组建人学习小组，定期讨论难点问题3-5分工合作完成综合性实验项目行业动态跟踪访问路径订阅专业期刊（如《生物工程学报》）登录国家虚拟仿真实验教学平台（）www.ilab-x.com关注、等监管机构最新指南搜索生物制药工艺虚拟仿真实验FDA NMPA

2.按照指引完成注册和实验预约

3.按照实验指导书完成虚拟实验

4.参与科研实践提交实验报告并参与在线讨论

5.积极申请加入教师科研项目参与学校与企业合作的实习项目通过虚拟仿真与实际操作相结合，学生可以全面掌握生物制药工艺的操作技能，建立对工艺参数影响的直观认识，为后续深入学习和研究打下基础参考书目与学习资源核心教材与专著数字资源与在线课程1高向东《现代生物技术制药》系统介绍生物技术药物的基本概念、研发原理与生产工艺化学工业出版社，2022年第4版2黄泽波《生物技术药物》聚焦生物技术药物的研发策略、质量控制与临床评价人民卫生出版社，2020年版3Gary Walsh《生物制药原理与应用》国际经典教材，深入浅出讲解生物制药基本原理中国医药科技出版社，2018年中译版行业指南与技术文献•FDA生物制药制造指南（2023年最新版）•ICH Q5A-E系列（生物技术产品质量指南）•中国药典2020年版生物制品通则•《生物技术药物研发质量指导原则》专业数据库•Science Direct生物技术专题•Springer生物制药电子书库•CNKI生物工程与制药专辑在线课程平台•Coursera《生物制药工艺开发》•edX《生物药物分析技术》•中国大学MOOC《生物技术制药》行业网站与期刊课程总结与学习目标回顾本课程系统介绍了生物制药技术的基本原理、研发流程、生产工艺及质量控制体系，旨在培养学生在生物制药领域的专业知识与技能010203掌握生物药物研发与生产全流程理解关键技术与质量控制要点培养创新思维，助力行业发展理解从基因克隆到商业化生产的完整技术路径掌握细胞培养、蛋白质表达与纯化的关键参数关注前沿技术发展趋势，培养创新意识掌握各环节的关键技术要点与科学原理了解生物药物质量控制的特殊要求与方法学会系统性思考与解决复杂工艺问题能够综合应用多学科知识解决生物制药问题认识工艺条件对产品质量的影响机制建立质量意识与风险管理理念核心能力培养12专业知识实验技能系统掌握生物制药各环节的理论基础与技术要点通过虚拟仿真与实践培养实验操作与数据分析能力34创新应用沟通协作学会将理论知识应用于实际问题解决，培养创新思维培养团队协作与专业沟通能力，适应行业需求职业发展前景通过本课程学习，学生可在以下领域发展生物制药企业研发科学家、工艺工程师、质量控制专员未来生物制药技术愿景精准医疗与个性化治疗基因组学驱动细胞工程治疗智能生产系统个体基因组测序变得普及，自体细胞疗法成为主流，全自动化、模块化生产线使治疗方案可以根据患者患者自身细胞经过基因修能够快速切换生产不同患的基因特征量身定制饰后回输治疗疾病者的个性化药物新一代测序技术与分析新型递送系统使基因和细分布式生产网络使个性化AI相结合，快速识别疾病相胞治疗更加精准，副作用药物可以在临床使用点附关基因变异显著降低近实时生产生物制药技术的未来发展将彻底改变医疗模式，从一种疾病，一种药物转向一个患者，一种治疗，显著提高治疗效果，减少副作用，最终实现精准医疗的愿景谢谢聆听！欢迎提问与交流QR希望本课程能够帮助您全面了解生物制药技术的基本原理与应用，培养专业知识与创新思维生物制药是一个快速发展的领域，需要持续学习与探索欢迎随时就课程内容进行提问与交流，共同探讨生物制药技术扫码获取的发展与应用课程资料联系方式biotech@example.edu.cn。