生物制药技术在制药工艺中的创新应用分析
从“十一五”到“十四五”，我国生物制药技术应用从刚刚起步发展到趋于世界领先的地位，经历了不断攻坚克难的历程，亦取得了辉煌成就。当下，生物制药行业结合新兴技术落实工艺创新发展，向着更大的胜利前进。本文例举了常见的应用于生物制药行业的技术，并对生物制药行业前沿的设备更新趋势、通过构建动物模型验证疾病机理及其应对措施和药物活性的情况、蛋白水解靶向嵌合体（ＰＲＯＴＡＣ）技术的应用三方面进行综述，也相应的指出了行业内面临的创新发展问题，以供相关从业者参考。
生物制药工程要求从业者融合掌握药剂学、生物化学、医学等方面的知识体系及技术，技术门槛相对较高。生物制药行业的从业者需要熟练掌握生物学知识、应用创新型生物技术对生物原材料进行处理来生产生物类药品。而生物制药行业目前恰恰紧缺这些创新型技术人才。我国生物制药技术起步较晚，随着近年来国家经济水平的提高，生物制药技术亦得到了快速发展，但相较于发达国家仍有较大差距，我国生物制药行业尚处于起步阶段，这一差距仍需要从业者不断努力、企业竞争力稳步提升、国家优惠政策的持续扶持来弥补，广大人民群众才能充分享受到技术发展带来的福祉。
“十一五”期间，在发展中国家中我国生物医药技术水平已经获得显著优势，其中生物技术制药的比例明显增加，此时其在整个行业中的销售利润率已经接近同期一流企业水平。生物药继化学药、中药之后成为产业的“后起之秀”［１］ 。尽管如此，我国生物医药行业融资渠道有限、产业结构较差、创新型人才缺失导致整个产业的发展严重受阻。“十二五”期间，在生物医药大门类中，生物制药与其他分支一同保持高增长态势，得益于制度创新推动的研发创新、产业由粗放式增长转向并购融资。企业的Ｒ＆Ｄ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）经费增加，涌现出诸多创新成果，戊肝疫苗、ＥＶ７１ 灭活疫苗，宫颈癌疫苗、脊髓灰质炎灭活疫苗等一大批疫苗上市或取得临床研究进展，抗淋巴瘤、乳腺癌、类风湿关节炎等多项抗体药物及相关关键技术取得重大突破［２］ 。“十三五”期间，新冠疫情席卷全球给整个行业带来诸多挑战和教训。疫情的出现对相应的诊断、预防和治疗性药物提出了更高的要求，运输限制、相关行业配合度以及设备依赖进口成为亟待解决的行业痛点。在“十四五规划”中，国家提出推动生物技术和信息技术融合创新构建产业体系新支柱，从长远利益出发集中优势攻关医药和医疗设备。立足当下，展望未来，在２１ 世纪我国的生物制药技术一定会得到长足、规范的发展。
微生物工程即发酵工程，是有多学科交叉形成，其技术类型和应用类型具有很高的开放性，是生物工程的一个分支。微生物工程技术常见于利用微生物群大量制备抗生素。随着技术的不断创新，人们以目标为导向、筛选和培养可以生产目标药物分子的微生物来实施生产，如干扰素、胰岛素以及其他的多肽分子［３］ 。
基因工程即将外源基因与特定载体在受体外结合后导入受体细胞并通过遗传稳定表达出目标产物或是得到新的性状的过程。基因工程制药的八个基本流程为：第一步获得目的基因，第二步组建重组质粒，第三步选取并构建基因工程菌群，第四步培养工程菌群，第五步将产物分离纯化，第六步将产物除菌后过滤，第七步检定所获半成品，第八步检定所获最终成品。传统的基因工程制药技术主要制备人体代谢所必须的激素、活性因子、灭活疫苗等。近年来，在新冠疫情席卷全球的大背景下，生物技术革新带动新的疫苗产品不断问世，如基于ｍＲＮＡ技术的ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ 的人体疫苗以及艾滋病疫苗。
生物反应器基于现代生物技术，利用酶或生物体（如微生物）所具有的特定生物功能进行生化反应的装置，多用于细胞的体外培养。培养细胞的生物反应器主要类型有：通气搅拌式、透析式、气升式等［４］ 。其中材质为不锈钢的通气搅拌式装置由相应小型装置发展而来，降低了对所培养细胞的剪切力，但搅拌式装置固有的灭菌工艺流程缺点并未被完全克服：其一，进行在线清洗（ＳＩＰ）和在线消毒（ＣＩＰ）工艺流程时会产生较高能耗；其二，在进行必要的细胞培养离线检测时，设备被污染的风险较高。随着一次性生物反应器的开发和技术完善，其展现出的良好性能、更利于企业降低生产成本取得市场竞争优势的特性，获得了众多生物医药企业的青睐。
在生物制药行业，众多企业基于一次性技术致力研发了各式由美国食品药品管理局（ＦＤＡ）认证的高分子材料制成的一次性生物反应器。一次性生物反应器在发酵领域或细胞培养领域有３ 种常见的类型：波浪式、轨道振摇式和搅拌式，常见规格在１０ ｍＬ 到２ ０００ Ｌ 之间［６］ 。一次性生物反应器最重要的特点是具有内置的预先灭菌、不可重复使用的一次性生物反应袋。一次性生物反应器相较于传统的不锈钢生物反应器的优势在于：在线消毒或在线清洗设施对一次性生物反应器的重要度低；一次性生物反应器的可持续设计性高、设备占地面积更小，运行维护成本更低；一次性生物反应器的验证时间、交付时间更短；一次性生物反应器产生的液体废物更少，污染风险更低。一次性生物反应器的主要短板在于：对供应商的依赖程度较高，且材料存储条件较严苛；固体废物产生数量大，需要具有特定资质的公司在对固体废物进行收集之后，利用灭活的方式对其进行处理［５］ 。一次性生物反应器由于上述主要优势且相较传统不锈钢生物反应器无较明显缺点，而广泛应用于生物制药领域中培养患者体细胞、生产单克隆抗体、生产疫苗等层面。虽然一次性生物反应器出现时间较晚，但国外的一些发达国家通过迅速发展已经得到了先进的理论研究及设备制造体系。在国际普遍使用一次性生物反应器取代不锈钢反应器的大趋势下，我国生物医药行业也正处在改革创新的机遇之中，逐步由追求生产规模转向生产专精化、逐步赶上国际先进水平工艺技术。
早期医学的发展归功于人们对动物实验的研究，在生物医学领域，人们通过引进动物模型这类动物实验材料来研究同一病原体在不同机体当中的表现形式，便于人们深刻了解某一疾病或异常状态的致病机理。这是一种间接性研究模型，常见的普通实验用小鼠与人类基因的同源水平仅在６０％左右，并不能复制出人类疾病的全部表现。现阶段，动物模型仍然是研究人类生理系统最理想的替代品，最常见的动物模型为啮齿类动物中的大鼠和小鼠，其具有再现性好、复制率高、生命周期满足研究需要等优点，被广泛应用于生物、医学等领域。例如，在我国新冠疫情爆发初始阶段，钟南山院士团队构建了非转基因新型冠状病毒肺炎小鼠动物模型，开展抗病毒药物和保护性中和抗体、疫苗的应急体内验证。该模型有效缓解了我国新型冠状病毒研究中动物模型缺乏的问题，也为后期新冠病毒在体内免疫应答和致病机制的研究提供了基础。
由于啮齿类动物与人的基因差异不能忽视，因此人们需要一种具有人类免疫系统、能更好的表现人的免疫系统机能的动物模型，人源化小鼠模型就在这样的大背景下被构建出来。人源化小鼠模型可以定义为移植了人造血干细胞或组织的免疫缺陷小鼠，或是指表达人类基因的转基因小鼠。人源化小鼠型的构建是通过移植入人的组织、造血干细胞（Ｈｅｍａｔｏｐｏｉｅｔｉｃ ｓｔｅｍｃｅｌｌｓ， ＨＳＣｓ） 或外周血单个核细胞（ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｂｌｏｏｄ ｍｏｎｏｎｕｃｌｅａｒ ｃｅｌｌｓ， ＰＢＭＣｓ）［７］ 。研究人员为着在疾病发生前充分认识疾病致病机理，以便于检测相关疾病的预防措施及治疗措施而构建人源化小鼠模型作为平台，该平台的用途广泛［８］ 。其中，通过基因编辑技术将药物靶基因人源化，拥有了人类的药物靶点的小鼠在生物制药领域已经体现出巨大的发展前景。例如越来越多的具有免疫功能的小鼠经过基因改造，编码一个或多个人源化的正负免疫调节受体或配体基因，如ＰＤ－Ｌ１、ＣＤ４０、ＴＩＭ３、Ｏｘ４０、ＯＸ４０Ｌ 等，目前已投入商业使用。ＣＤ４０ 是一类与Ｂ 细胞和Ｔ 细胞功能相关的、主要由抗原呈递到细胞的共激活信号分子。研究［９］ 表明：构建ＣＤ４０ 人源化小鼠模型可以成功在单克隆抗体和肿瘤治疗方面针对特定抗体进行药效评价。此外，针对ＴＩＭ３ 这种横跨细胞膜的膜外蛋白结构，相关研究人员也设计了与其配对的单克隆抗体。相关研究指出：构建ＴＩＭ３ 胞外区模型小鼠并同时利用Ｂ 细胞生技术制备人源ＴＩＭ－３ 单克隆抗体，可用于检测抗体活性，为免疫检查点药物研发打下了坚实的实验基础、提供了重要的科学依据［１０］ 。
蛋白水解靶向嵌合体（ＰＲＯＴＡＣ） 技术的发展与应用
在同肿瘤类疾病的斗争中，人们发现对于抑制致病蛋白活性的药物，受体细胞会针对药物产生耐药性。究其原因，传统抑制型药物需要与靶蛋白结合来抑制其活性。但致病蛋白自身具有多种功能，现阶段开发出的药物只能抑制致病蛋白的一种或几种功能，致病蛋白却可以通过自身其他功能实现针对药物的适应路径从而执着地作用于细胞，并且传统靶向药物的用量大，药物脱靶率较高，使用后对人体产生的伤害的风险较高。对于开发更高效清除致病蛋白的药物的替代性治疗方法，人们更迫切地需要一种从源头上解决上述问题的技术手段。
在科研人员深入研究细胞如何降解对细胞有害蛋白这一过程的机理后，研究者们发现了细胞利用泛素调节分解有害蛋白这一重要机制：泛素－蛋白酶体系统。在此基础上，美国科学家率先提出了蛋白水解靶向嵌合体（ＰＲＯＴＡＣ） 这一概念。ＰＲＯＴＡＣ 分子由位于分子中间的连接体、一端连Ｅ３ 泛素连接酶的结合配体分子以及一端连有与靶蛋白结合的配体三部分构成。其作用机理为：一端针对致病蛋白的配体与致病蛋白结合后，另一端的泛素连接酶不断将空间中的泛素分子连接成链以便于蛋白酶识别后对这一泛素链化的蛋白进行降解，相当于给蛋白酶提供了“精确坐标”。此外，在蛋白酶完成对致病蛋白的整个降解过程后，ＰＲＯＴＡＣ 分子还可以被重复利用，为实现降低药物用量提供了理论依据。如今，ＰＲＯＴＡＣ 已经成为一种日趋成熟的、具有颠覆传统药物的、新药开发手段［１１］ 。除在肿瘤治疗中的应用外，ＰＲＯＴＡＣ 技术也为针对病毒的治疗提供了可能途径。以新冠病毒为例，中药制剂连花清瘟胶囊中的大黄酸、连翘苷等活性成分可以有效遏制新冠病毒的感染。这些中药活性小分子可以与病毒蛋白结合，若针对这一特性设计一端链接中药活性分子的ＰＲＯＴＡＣ 分子，那么就可能实现病毒蛋白直接被体内蛋白酶降解这一构想［１２］ 。
目前，ＰＲＯＴＡＣ 分子仍需通过化学合成的手段进行制备，制备成本较高。虽然理论上可以减少传统药物用量，但有关其对人体的毒副作用研究尚少，药物开发后期的风险较高，因此ＰＲＯＴＡＣ 药物的功能有待在临床试验中进一步检测和验证。在全球的ＰＲＯＴＡＣ 药物研究热潮当中，我国多家生物医药公司已经针对不同靶点的ＰＲＯＴＡＣ 分子这一创新型药物展开研发布局、临床验证、药物专利提交等工作，取得了相当可观的成果。
生物制药技术产业属于知识密集型、资本密集型产业，迫切需要资金的良性循环。由于该产业投资风险高、国内风投公司力量较小、相关融资条件门槛较高等因素，导致从事生物药研发生产的企业易于陷入困顿［１３］ 。一方面，相关企业需要持续保障自身的Ｒ＆Ｄ 投入；另一方面，政府需加强对融资的监管和调整、加强对生物制药行业的知识产权保护力度，才能保障相关企业的规范化之路。
高校的生物类专业，尤其是生物工程专业，曾连续几年被列入《中国大学生就业报告》中的红牌专业，其学生毕业后很难从事专业所学的工作领域。究其原因，是国内的生物相关行业尚未得到充分的、规范化的发展。随着国家出台的五年规划不断对行业进行科学引领指导，生物制药行业就业环境已经得到改善。国内高校数目依旧庞大的生物类专业在读学生亦为行业的后备人才提供了充足保障。近年来，国家大力组织开展高校创新创业类竞赛，不断涌现出大批与生物制药相关的基于新技术的产品研发、基于新模式的制药企业管理优化的优胜项目，企业可以着手与优秀的学生创业小组合作、开展与具有学校的长期校企合作，能在一定程度上优化研发方法、分摊研发风险、节省研发经费的情况下持续为自身的创新发展注入活力与动力。
在全球化浪潮中，国内生物制药企业面临着国际市场严峻竞争和充沛的、未整合的研发资源带来的双重压力。目前，国内大部分生物制药企业在国际价值链仍处于较低地位，在国际贸易体系中承担的更多是接受外包代工、生产低附加值生物药的角色。随着新冠疫情席卷全球，国际价值体系受不可抗力因素重创而被迫转向重构，这一大环境为我国生物制药企业进一步进入国际市场并深化国际影响力提供了机遇。正如上文提到的，生物制药产业需要密集的高技术产业人员、高投入的资本运转体系，这一产业具有高风险、高回报的特点。国际主流的大型生物制药企业为降低这一风险，逐渐由“高屋建瓴”的产业布局转向分散化、差异化的国际研发体系布局，即其自身需要迫切的产业升级与产业转移，我国生物制药企业有机会向国际领先的生物制药公司引进先进生产技术和管理办法，在提高行业竞争力的同时也为自身的长远发展提供了广阔思路。依托国内严格的疫情管控，国内生物制药企业有更独到的优势吸引国际热钱进行融资，在此基础上，国内生物制药企业可以通过收购、并购等方式对国外生物制药企业进行整合，从而获得一批先进技术、提升国际产业链的我国企业的占据份额、拓展海外营销渠道。除购买的方式外，积极开展与国际巨头的合作也不能忽略，在合作中积累先进经验，在逐步深化融入全球市场的过程中亦会获得更多参考途径。
综上所述，符合市场需求的技术创新是生物制药行业前进的重要驱动力，我国生物制药行业发展时间较短，仍需要不断学习国际先进技术，着眼于高端设备的国产化、量产化；仍需要不断总结国内和国际经验，着眼国内迫切的市场需求，抓住国内和国际的市场机遇与企业发展窗口期，在更新应用生物制药技术的基础上丰富药物创新研发路径后，降低生物药生产成本及销售价格、拓展营销渠道方能创造行业核心优势，为生物制药技术发展做出更大的贡献。
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撰稿人 | 衣景瑞
责任编辑 | 胡静
审核人 | 何发
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