生物制品的现状和前景

生物制品是以人、动物、微生物的器官、组织、细胞或代谢产物为原料,经过稀释、重组或加工制成的,用于预防、治疗和诊断疾病的产品.广义的生物制品包括血液类、疫苗类、抗体类、细胞因子类制品.现代生物制品是随着现代医学、微生物学的产生而产生的.21世纪是生物世纪,生物制品是生物产业的核心部分,也是生物产业中既古老又新兴的行业.随着微生物学、免疫学、细胞生物学、分子生物学等新兴学科的产生和发展,生物制品也迎来了快速发展的黄金时代.

1　生物制品发展的成就

1.1　产品品种增多

传统的生物制品种类和品种都较少,只包括人血浆制品、动物血清类制品、疫苗类制品等.人血浆制品仅仅包括冰冻或冻干人血浆、人血白蛋白、人免疫球蛋白等.抗体类制品主要是动物血清产品,包括白喉抗毒素、破伤风抗毒素、肉毒抗毒素、狂犬病抗血清、气性坏疽抗血清、炭疽抗血清等产品,大多为抗原免疫动物而产生的多克隆抗血清制备而成.疫苗类制品分为细菌性和病毒性两大类.细菌性疫苗多为菌体疫苗,如炭疽病、鼠疫、百日咳、钩端螺旋体病、伤寒、副伤寒、霍乱、布氏病疫苗等.病毒类疫苗多为人工传代减毒的活疫苗,或全病毒灭活疫苗,如牛痘、脊髓灰质炎、麻疹、风疹、腮腺炎、黄热病、狂犬病、流感疫苗等.基本没有细胞因子类产品.

20世纪70年代以来,生物制品的品种有了大幅度的增加,出现了单克隆抗体、基因工程重组制品、细胞因子类制品、微生态制品等多种新型生物制品品种.疫苗类制品也有了许多新品种.特别是出现了细菌多糖类抗原的疫苗、核酸(DNA)为基础的疫苗等.截至2008年,国际上已经批准的生物制品品种超过百种,我国批准的生物制品品种也达到几十种(表1).这些产品的问世和使用大大改善了人类的健康条件和生活质量.

1.2　生产工艺改进

由于技术和设备等的发展,生物制品的生产工艺和质量控制手段有了根本的改变,由原来传统的手工作坊式的操作,逐渐向自动化改变；生产规模由原来的小规模向大规模转化；质量控制手段由传统经验型,向现代目标型转化；生产设施和管理实现了由质量管理(QC)向质量保证(QA)的转化,引入了ISO、GMP等现代化企业和现代生物制药企业规范管理的理念.

就血液制品来说,大多数生产工艺从原来的硫酸铵沉淀法,改进为低温乙醇法分离技术；分离方法由离心分离工艺,转变为压滤分离工艺；工艺中多采用管道化连接,减少了暴露机会；生产工艺中增加了加热、低pH、膜过滤或有机溶剂(S/D)法等病毒灭活工艺,大大增加了血液制品的安全性.品种和规格也增加了许多,如狂犬病免疫球蛋白、乙肝免疫球蛋白、破伤风免疫球蛋白等特异性免疫球蛋白制品,还有纤维蛋白原、凝血酶等品种,使人血浆的综合利用率有了提高.

疫苗的生产工艺和细菌、细胞的培养工艺有了显著改进,细菌培养彻底摆脱了传统的固体培养方式,绝大多数细菌的培养已经采用了发酵培养工艺.细胞培养也从传统的转瓶工艺,逐渐转化成生物反应器培养工艺.随着对细菌类疫苗有效抗原成分的分析和了解,疫苗抗原的纯化工艺中使用了更多的先进工艺,采用精制技术和工艺,提取和纯化有效抗原为疫苗组分,去除非抗原成分,减少疫苗的不良反应.如炭疽疫苗由减毒活疫苗转变为纯化的炭疽保护性抗原(Protectiveantigen,PA)为单一成分的疫苗；使用了近70年的百日咳、白喉、破伤风联合疫苗(百白破联合疫苗)中的百日咳疫苗是全菌体灭活疫苗,现在已经被纯化的百日咳杆菌有效抗原成分,百日咳毒素(Pertussistoxin,PT)和丝状血凝素(Filemantouhemagglutinogen,FHA)为组分的无细胞百日咳疫苗所代替,以此为基础,发展了第二代百白破疫苗,即无细胞百白破疫苗(表2).

1.3　生产规模扩大

20世纪90年代以来,生物制品的生产规模逐渐由原来的小规模向大规模转化.绝大部分细菌类产品的生产已经变更为发酵培养工艺,细菌培养规模也从原来的“升”级水平达到或超过了“吨”级水平.病毒性疫苗的细胞培养很多已经转变成传代细胞,传代细胞的培养方式从转瓶向生物反应器的转化已经成为主流趋势.特别是基因工程重组产品的哺乳动物细胞表达系统,其培养规模已经超过数十吨的规模(表3).除了培养规模的扩大以外,有效抗原的纯化工艺规模也大幅提高,以单一抗原组分为主要成分的细菌性疫苗的纯化工艺中,应用了大容量离心机,制备规模的液相层析分离系统.在灭活病毒疫苗和血液制品生产、纯化工艺中,使用了超滤系统、大型压滤设备等.在生物制品终产品的分装、冻干等工艺中,使用的分装机的分装速度,从过去的每小时3000～4000支,发展到现在的每小时3万支以上.冻干机的冻干面积,从过去的几平方米,扩大到现在的几十平方米,批冻干瓶数从原来的几万支,扩大到现在的几十万支.上述这些关键设备的应用,大幅度提高了生物制品的生产规模.

1.4　产品质量提高

过去几十年来,生物制品的产品质量有了很大提高,主要表现在以下几个方面：第一,我国全面实施了GMP(Goodmanufectufingproce)、批签发和企业注册标准等一系列旨在提高药品质量管理水平的制度,使我国的药品在质量上与国际标准接轨.第二.生物制品生产过程中的关键点,如发酵培养、生物反应器、层析纯化、超滤、冷冻干燥等工艺关键点,采用了许多在线检测仪器和设备,能够在线检测如pH、氧溶量、温度、培养物浓度、蛋白含量、冷冻干燥参数等与产品质量相关的数据.第三,产品分装机的分装精度由过去的0.5mL±(0.15～0.20)mL,提高到0.5mL±0.005mL.第四,在质量检测手段方面,引入了各种现代科学技术发展的成果,如原子光谱技术、电子显微技术、酶免疫技术、放射和荧光标记技术等,使得生物制品有效成分和非药物残留物质的质量控制和检测更加精确、可靠.

1.5　生物制品生产厂家和从业人员增加.经济贡献增大

我国第一个生物制品企业是北京生物制品研究所.建立于20世纪初,至今已经走过了90年的里程.之后建立了兰州、大连等生物制品生产或研究机构,中华人民共和国成立前上海等地建立了一定数量的生物制品相关的实验室和生产厂.中华人民共和国成立后,生物制品的生产和研究主要集中在卫生部和医科院所属北京、长春、成都、兰州、上海、武汉和昆明等几大生物制品研究所,以及兽用生物制品的研究和生产机构,生产品种和从业人员都很少.上世纪70年代以来,由于生物技术的发展.开展生物制品研究的机构增加,进人生物制品生产领域的企业大幅增加,从事生物制品行业的人员显著增多.在美国以Amgen、Genentech、Genzyme、BiogenIdec等公司为代表的新型生物制药企业的出现和快速成长,已经改变了传统制药企业的版图.这些公司的销售收入排列在生物制药公司前列,年销售收入过百亿美元.截至2008年,我国有300多家生物制药企业,有疫苗生产企业大约35家,是全球疫苗生产企业最多的国家,其中涉足生物制药产业的上市公司共近百家,但是销售额过1亿元的不多.大多为千万元水平.上世纪90年代以来,全球生物药品销售额年均增长30％,我国生物制药行业的年均增长率为25％～30％,远远高于GDP的增长率.

2　生物制品发展的趋势

生物制品领域的发展取得了显著的成就,其发展趋势随着人源化单克隆抗体技术、药物基因组学、人类基因组计划等学科的发展和利用生物分子、细胞和遗传学过程生产药物和动植物变种等技术的发展,而有更加广泛的发展前景.

2.1　疫苗类制品的发展趋势

尽管在过去的20年里,开发出了许多新疫苗,如轮状病毒疫苗、人瘤病毒疫苗、B型流感嗜血杆菌疫苗、肺炎疫苗等等.但是,仍然有许多的疾病尚没有疫苗预防,即便是已经开发出的新疫苗,其能够提供的保护仅限于个别血清型的感染.如轮状病毒疫苗不能保护所有血清型,人瘤病毒疫苗只能保护有限的几个型别,23价肺炎疫苗对于上百种血清型的肺炎球菌来说,只能是部分而已,B型流感嗜血杆菌疫苗不能交叉保护A型的感染,流感疫苗所提供的保护总是不能覆盖流感病毒的变异株.还有很多传统的传染病,尚没有有效的疫苗可以预防,如疟疾、血吸虫等寄生虫病、痢疾、登革热、丙型肝炎、艾滋病、致病性大肠杆菌、霍乱、甲、乙型链球菌感染等以及近年发现的新感染性疾病,如冠状病毒(SARS)、西尼罗病毒(表4).

对现有疫苗免疫持久性的延长,免疫保护性的提高,也是疫苗研究领域所继续要解决的问题,如狂犬病疫苗的免疫持久性问题.在感染性疾病的疫苗预防以外,非感染性疾病,如心血管病、肿瘤、糖尿病、自身免疫性疾病等的疫苗预防或治疗也是一种新的发展方向.

抗体和细胞因子类产品,是将来生物制药领域里最有发展前景的产品,特别是抗肿瘤方面的人源化单克隆抗体,特异性的细胞因子等更具有实际意义.表5列出的是我国近年来批准进行临床研究的生物制品,代表了我国各类生物制品的发展趋势.

2.2　生物制品技术的发展趋势

应用病毒重配技术或基因工程技术改造减毒活疫苗已越来越被关注.使用病毒载体将外源基因导入机体,使感染细胞内源性表达目的基因,进行正确的翻译修饰后,刺激产生免疫反应.目前作为载体的病毒有腺病毒、痘病毒、VSV病毒等.以核酸为基础的DNA疫苗,是以质粒DNA为载体,将编码目的抗原的基因与质粒连接,转化为真核细胞后,表达目的抗原,从而刺激集体产生抗体,这已经成为疫苗研究比较活跃的领域之一.其他进行研究的新型疫苗有佐剂疫苗、多肽疫苗、植物疫苗、气雾型疫苗等.黏膜免疫具有易于重复接种,避免注射部位疼痛的特点.近年来,又发展了一种病毒样颗粒的技术,即用杆状病毒表达系统,如大肠杆菌表达系统表达外源蛋白,在基质蛋白等的存在下,表达的蛋白相互作用形成颗粒.其形状成为颗粒,但没有核酸部分,可以保持良好的抗原分子空间构象.

疫苗佐剂技术和疫苗投递系统的研究也是目前研究的热点之一,如采用具有强的T细胞受体结合或诱导表位的合成分子,能够成倍地增强弱抗原的免疫原性,具有提升和改变免疫刺激类型的功能.其他改变抗原免疫类型和抗原性的方法还有多糖一蛋白结合技术,即将抗原性低的多糖等分子与大分子如蛋白等化学结合,从而诱导机体产生针对多糖抗原的细胞免疫应答.

总而言之,从未来生物制品研究的趋势来看,疫苗、单克隆抗体、重组人体蛋白、基因治疗、细胞因子等是研究与开发最为热点的领域.这些领域的技术进展,以及生物制品的研究和开发成果,必将改善人类生活的质量,延长人类的寿命.同时,也会为生物制品行业带来可观的经济收入,为社会和经济的发展做出贡献.