生物制药发展历史与现状生物制药发展历史与现状生物制药的现状和未来( 一) : 历史与现实市场胡显文1* . 陈惠鹏1 . 汤仲明2 . 马清钧1 ( 1 军事医学科学院生物工程研究所. 北京. 100071; 2 军事医学科学院放射医学研究所. 北京. 100850) 摘要. 以基因工程产品、抗体工程产品和细胞工程产品为主要代表的生物制药产业是发展最快的高技术产业之一, 最近 6 年全球年销售额连续每年以 15% 33% 的速度增长, 并在 2004 年突破 400 亿美元。生物技术药物在治疗肾性贫血、白细胞减少、癌症、器官移植排斥、类风湿关节炎、糖尿病、矮小症、心肌梗死、乙肝、丙肝、多发性硬皮病、不孕症、粘多糖病、戈谢病、法布莱氏病、囊性纤维化、血友病、银屑病和脓毒症等发挥了重要乃至关键作用。综述生物制药的历史、现状和市场。关键词. 生物制药. 重组蛋白. 治疗性抗体. 市场收稿日期: 2004.12.01 * 通讯作者, 电子信箱: hu. xianwen tsinghua. org. cn . . 上世纪 70 年代的 DNA 重组技术和单克隆抗体技术的出现, 催生了一个新兴的高新技术产业. . . 生物制药产业。生物技术药物是新药研究发展的新宠, 也是当今最活跃和发展最迅速的领域, 从 1982 年第一个新生物技术药物基因重组胰岛素上市至今1 , 生物制药已走过 20 余年历史, 目前有 100 多种生物技术药物。2003 年 6 月- 2004 年 6 月, 生物技术药物中的主要组成部分. . . 基因重组类生物技术药物的年销售额已突破 400 亿美元, 制药业的增长速度放慢, 但生物制药却在加速发展, 并且这种势头将保持相当长的时间, 从 1998 年开始, 连续 6 年增长速度保持在 15% 33%, 生物制药已成为制药业乃至整个国民经济增长中的新亮点, 被普遍认为是 21 世纪的钻石产业! 。1 . 生物制药的发展历史表 1 简单列举了生物制药发展的主要事件。在这些重要事件中, DNA 双螺旋结构的发现和遗传密码的破译奠定了现代分子生物学的基础, 而限制性内切酶和连接酶的发现直接导致了基因重组技术的创立和应用, 使得基因重组蛋白的表达成为可能。杂交瘤技术的创立为大量生产各种诊断和治疗用抗体奠定了基础, 并和基因重组技术一道, 成为推动生物制药前进的两个车轮。人胚胎干细胞体外培养和定向分化技术的出现, 极大促进了细胞治疗和组织工程的发展, 人类基因组计划的完成, 更有利于帮助我们确定疾病发生和发展的靶标以及寻找更多的有效治疗药物。人源化抗体技术和人源抗体技术的出现, 克服了鼠源抗体用于人体治疗的很多缺陷, 使抗体类药物成为增长最迅速, 种类最多和销售额最大的一类生物技术药物。表 1 还列举了第一个基因工程药物、第一个基因重组疫苗、第一个治疗性抗体药物、第一个 CHO 表达的基因工程药物、第一个基因工程抗体药物、第一个组织工程产品、第一个反义寡核苷酸药物、第一个人源抗体药物和第一个基因治疗药物等等, 这些药物的研制成功在生物制药的历史上都有里程碑式的意义。2 . 生物技术药物的定义和分类2. 1. 生物技术药物的定义生物技术药物与传统化学药物不同, 其产生和构思是生物药学和生物医学学科理论和实验发展的产物, 每类和每个生物技术药物有各自的理论、假设或作用机制的背景, 有 深思熟虑! 的创新特点。传统的药物主要是小分子化合物, 而生物技术药物主要是大分子物质, 如基因重组蛋白、基因重组多肽、单克隆抗体、核酸、细胞或组织、灭活( 减毒) 病毒或细菌等。生物技术药物目前还没有统一的界定, 比较广义的生物技术药物的一般概念是: 利用生物技术生产的在生物体内存在的天然活性物质。这一定义有两个关键词: 一是生物技术, 包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程、微生物发酵工程、生物电子工程、生物信息技术与生物芯片、生物材料、生物反应器、大规模蛋白纯化制备技术等; 二是天然活性物质, 即生物技术药物的来源是细菌、酵母、昆虫、植物和哺乳动物细胞等各种生物内的特征细胞产物。按照这个定义, 许多利用生物技术生产的药物都可以归类于广义的生物制药, 如从血液中提取的多克隆抗体、凝血因子, 用微生物发酵生产的抗生素如青霉素, 用生物技术生产的人用兽用疫苗如流感疫苗、甲肝疫苗等, 从动物、植物、微生物或海洋生物中提取的活性物质如从猪胰中提取的胰岛素, 从红豆杉中提取的紫杉醇等, 这些药物的生产都可称为广义的生物制药。第 24 卷第 12 期中. 国. 生. 物. 工. 程. 杂. 志CHINA BIOTECHNOLOGY 2004 年 12 月表 1 . 生物制药发展历史年份. . . 事件1953 DNA 双螺旋结构的发现1966 破译遗传密码1970 发现限制性内切酶1971 第一次完全合成基因1973 用限制性内切酶和连接酶第一次完成 DNA 的切割和连接, 揭开了基因重组的序幕1975 杂交瘤技术创立, 揭开了抗体工程的序幕1977 第一次在细菌中表达人类基因1978 基因重组人胰岛素在大肠杆菌中成功表达1982 FDA 批准了第一个基因重组生物制品. . . 胰岛素(Humulin) 上市, 揭开了生物制药的序幕1982 第一个用酵母表达的基因工程产品胰岛素( Novolin)上市1983 PCR 技术出现1984 嵌合抗体技术创立1986 人源化抗体技术创立1986 第一个治疗性单克隆抗体药物( Orthoclone OKT3) 获准上市, 用于防止肾移植排斥1986 第一个基因重组疫苗上市(乙肝疫苗, Recombivax.HB) 1986 第一个抗肿瘤生物技术药物. 干扰素( Intron A)上市1987 第一个用动物细胞(CHO) 表达的基因工程产品 t.PA 上市1989 目前销售额最大的生物技术药物 EPO. 获准上市1990 人源抗体制备技术创立1994 第一个基因重组嵌合抗体 ReoPro 上市1997 第一个肿瘤治疗的治疗性抗体 Rituxan 上市1997 第一个组织工程产品. . . 组织工程软骨 Carticel 上市1998 第一个( 也是目前惟一一个) 反义寡核苷酸药物(Vit ravene) 上市, 用于 AIDS 病人由巨细胞病毒引起的视网膜炎的治疗1998 Neupogen 成为生物技术药物中的第一个重磅炸弹( 年销售额超过 10 亿美元) 1998 第一次分离培养了人胚胎干细胞2000 人类基因组草图绘就2002 第一个治疗性人源抗体 Humira 获准上市2004 中国批准了第一个基因治疗药物. . . 重组人 p53 腺病毒注射液. . 更广义的生物制药是指利用现代生物技术发现、筛选或生产得到的药物, 这种界定既包括利用生物技术作为发现药物的研究工具( drug discovery research tool) 而发现的小分子药物, 如基因敲除技术或高通量药物筛选技术等确定药物靶标, 筛选得到的小分子药物, 又包括利用生物技术作为药物生产新技术方法( new process technology) 的药物 2 。按照这个定义, 美国 FDA 的 新生物技术药物! ( New Biotech Drug) 就把一些生物活性物质、治疗性抗体和疫苗或能引起细胞凋亡的物质都归于新生物技术药物范畴, 而不是仅限于来自生物体内的天然活性物质。例如, FDA 将脂质体包埋的两性霉素 Abelcet、三氧化砷( Trisenox) 注射液、硝酸镓注射液 Ganite、化学合成多肽 FUZEON 等不是基因工程产物甚至不是生物体内天然活性物质的药物都归类于 新生物技术药物! 。但是目前生物制药比较流行的界定是狭义的生物技术药物, 主要指基因重组的蛋白质分子类药物。狭义的生物技术药物是指利用基因工程、抗体工程或细胞工程技术生产的源自生物体内的天然物质, 用于体内诊断、治疗或预防的药物。生物技术药物有以下特征: ( 1) 生物技术药物产品的来源: 包括细菌、酵母、昆虫、植物和哺乳动物细胞等各种表达系统得到的特征细胞产物。( 2) 生物技术药物的适应证: 包括人体内诊断药物、治疗药物或预防药物。( 3) 生物技术药物的活性物质: 包括蛋白质或多肽, 蛋白多肽类似物或衍生物, 由蛋白多肽组成的药物产品。这些蛋白或多肽可能是来自细胞培养, 或用重组 DNA 技术生产, 也包括用转基因植物和动物生产的产品。( 4) 生物技术药物的主要生产技术包括: 基因工程技术, 抗体工程技术或细胞工程技术。生物技术药物的生产当然还需要其他生物技术, 如发酵工程、纯化技术等。这里指的主要生产技术是这种技术是生产某类生物技术药物的决定技术, 如上述三种技术生产的基因工程产品( 所有的基因重组蛋白) 、抗体工程产品( 所有通过杂交瘤技术生产的治疗性抗体, 主要是鼠源抗体) 、细胞工程产品( 所有的细胞治疗和组织工程产品以及细胞培养生产的疫苗) 几乎覆盖了所有的生物技术药物。基因工程技术是指将编码目的蛋白外源转染至宿主细菌或细胞( 如大肠杆菌、酵母或哺乳动物细胞) 中, 通过培养基因工程菌株或细胞株来生产蛋白; 抗体工程技术也称细胞融合技术或杂交瘤技术, 主要用于非基因重组的治疗性抗体药物的生产; 细胞工程技术主要是指动物细胞的大规模培养技术, 主要用于用哺乳动物细胞表达的基因工程产品或杂交瘤细胞分泌的单克隆抗体的生产, 也是细胞治疗.组织工程产品的主要生产技术, 还是生产基因治疗病毒载体或灭活或减毒病毒疫苗的主要生产技术。( 5) 生物技术药物的实例: 细胞因子、纤溶酶原激活剂、重组血浆因子、生长因子、融合蛋白、受体、疫苗和单抗等3 , 但并不限定于这些实例( 表 2) 。要了解美国、欧盟已批准上市的生物制药的全貌, 请参阅文献 4 。2. 2. 生物技术药物的分类生物技术药物主要包括: 激素、酶、生长因子、疫苗、单克隆抗体、反义寡核苷酸或核酸、细胞治疗或组织工程产品等, 具体来讲有: ( 1) 重组蛋白, 是生物技术药物最主要的一类, 狭义的生物技术药物专指基因重组蛋白, 如基因重组的胰岛素、干扰素、促红细胞生成素( EPO) 、组织型纤溶酶原激活剂( t. PA) , 融合蛋白 Enbrel、基因工程乙肝疫苗、基因重组的治疗性抗体等。( 2) 疫苗, 本文特指基因重组疫苗, 有许多病毒疫苗是通过细胞培养( 细胞工程产品) 来生产的, 应该视为狭义的生物技术药物, 如甲肝疫苗, 但本文不做讨论。96 中. 国. 生. 物. 工. 程. 杂. 志第 24 卷表 2 . 生物技术药物的分类类别生物学活性成分产品示例激素生殖激素 Gonal.F( 促滤泡素.) 、Follist im( 促滤泡素.) 、Ovidrel( 绒膜促性腺激素) 人生长激素 Somatrem、Somatropin、Saizen 甲状腺刺激激素 Thyrogen( 促甲状腺素.) 人胰岛素及其突变体 Humulin( 胰岛素) 、Humalog ( 胰岛素突变体) 、Lantus ( 胰岛素突变体) 、Novolin ( 胰岛素) 、NovoLog ( 胰岛素突变体) 酶代谢酶失常遗传性疾病的替代酶 Aldurazyme( 治疗粘多糖病) 、Cerezyme( 治疗戈谢病) 、Fabrazyme( 治疗法布莱氏病) 纤溶酶原激活剂 Alt eplase( t.PA) 、Ret eplase ( rPA, t.PA 突变体) 、Tenecteplase ( TNK, t.PA 突变体) 、Abbokinase(高分子量尿激酶) 脱氧核糖核酸酶 Pulmozyme( 治疗囊性纤维化) 凝血因子 NovoSeven( 凝血因子 VII) 、Kogenate FS( 凝血因子VI