基因工程药物的生产原理

前言

摘要：近年来，基因工程药物在目的基因制备、载体的构建、基因转移技术、宿主表达系统和生物反应发生器等方面取得了令人瞩目的成就。本文简单介绍基因工程药物的生产原理及其重要应用。

生产原理

随着基因研究的深入，人类已经可以生产出许多基因工程产品。基因工程药物引入医药产业,由此引起了医药工业的重大变革,使得医药产业成为最活跃、发展最快的产业之一，同时大大提高了21世纪人类的整体健康状况。

基因工程药物又称生物技术药物是指利用基因工程技术研制和生产的药物，是根据人们的愿望设计的基因,在体外剪切组合,并和载体DNA 连接,然后将载体导入靶细胞(微生物、哺乳动物细胞或人体组织靶细胞),使目的基因在靶细胞中得到表达,最后将表达的目的蛋白质纯化及做成制剂,从而成为蛋白类药或疫苗。主要种类有：胰岛素、单克隆抗体、荷尔蒙、干扰素、白细胞介素、组织型纤溶酶原激活因子、红细胞生成素、集落刺激因子。

基因工程制药技术分获取目标基因的上游技术和大量培养上游技术阶段。上游技术实质就是基因工程技术。下游技术则包括菌体培养，细胞破碎，大量培养以及分离纯化几个步骤。

1.1 基因工程制药的上游技术

基因工程是生物工程的一个重要分支，它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。所谓基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达。

基因工程研究采用的技术方法很多，常见基本两种：聚合酶链反应技和Sanger双脱氢链终止法。(这里就不一一介绍了)

1.2.1 基因工程菌的培养

① 通过摇瓶操作了解工程菌生长的基础条件;

② 通过培养罐操作确定培养参数和控制的方案以及顺序。

由于细胞生长和异源基因表达之间有着较大的差异，各培养参数在全过程中必须分段控制。

培养方式主要有：

一、补料分批培养

补料分批培养是将种子接入发酵反应器中进行培养，经过一段时间后，间歇或连续地补加新鲜培养基，使菌体进一步生长的培养方法。

二、连续培养

连续培养是将种子接入发酵反应器中，搅拌培养至一定菌体浓度后，开动进料和出料的蠕动泵，以控制一定稀释率进行不间断的培养。连续培养可为微生物提供恒定的生活环境，控制其比生长速率。

三、透析培养

透析培养是利用膜的半透性原理使代谢产物和培养基分离，通过去除培养液中的代谢产物来解除其对生产菌的不利影响。采用膜透析装置是在发酵过程中用蠕动泵将发酵液打入罐外的膜透析器的一侧循环，其另一侧通入透析液循环。

四、固定化培养

基因工程菌经固定化培养后，解决了质粒的稳定性问题，该培养方式对分泌型菌更为有利

1.2.2基因工程菌细胞的破碎

现今，在基因工程菌的研究中，主要涉及有细菌，酵母和藻类。微生物的细胞壁比较坚韧。

目前已发展了多种细胞破碎方法，以便适应不同用途和不同类型的细胞壁破碎。破碎方法可规纳为机械法和非机械法两大类。

机械法有很多类型，常见的有：高压匀浆破碎法(homogenization)，振汤珠击破碎法(Skaking Bead)，高速搅拌珠研磨破碎法(fine grinding)，超声波破碎法(ultrasonication)。

非机械法有如下类型：渗透压冲击破碎法(osmotic shock)，冻融破碎法(freezing and thawing)，酶溶破碎法(enzyme lysis)，化学破碎法(chemical treatment)，去垢剂破碎(detergents)。

1.2.3基因工程蛋白的分离和纯化

基因重组产物均在其宿主细胞内克隆表达，且大多为胞内物质。基因重组蛋白的分离和纯化，由于目标产物的性质和对产品纯化要求不同，其分离和纯化的方法和选择的纯化路径也不同，但主要分为两个方面：1.目标产物的粗级分离，主要是在细胞培养后，将细胞从培养液中分离出来，然后再破碎细胞释放产物，溶解包含体，复原蛋白质以除去大部分杂质;2.目标产物的纯化，这是在分离的基础上，用各种具体高选择性的精密仪器，使产物的纯度和回收率。

主要分离技术: 1.离心及沉淀 离心分离的原理是在转子高速转动所产生的离心力的驱动下，利用固体及液体间的密度差来进行悬浮液，乳浊液的分离。沉淀原理是利用油和杂质的不同密度，借助策略的作用，达到自然分离才者的一种方法。

2.膜分离 膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

3.双水相萃取 某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可以形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统。利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质，Albertsson于20世纪50年代后期开发了双水相萃取法，又称双水相分配法。20世纪70年代,科学家又发展了双水相萃取在生物分离过程中的应用，为蛋白质特别是胞内蛋白质的分离和纯化开辟了新的途径。

4.反胶团萃取 蛋白质溶解于小水池中(正萃，或称萃取)，其周围有一层水膜及表面活性剂极性头的保护，使其避免与有机溶剂接触而失活。改变pH、盐浓度等条件蛋白质又可回到水相(反萃)，实现了蛋白质的萃取分离、纯化目的。反胶团萃取蛋白质的机理目前尚不十分清楚。一般认为，萃取过程是静电力、疏水力、空间力、亲和力或几种力协同作用的结果，其中蛋白质与表面活性剂极性头间的静电相互作用是主要推动力。根据所用表面活性剂类型，通过控制水相pH高于或低于蛋白质的等电点(pI)，达到正萃反萃的目的。