小按：本期主要對(duì)中國(guó)生物化工在生物制藥方面的應(yīng)用和進(jìn)展做介紹。感興趣讀者可回看第一期，總體回顧，中國(guó)生物化工簡(jiǎn)史（第1篇章）；第二期，生物能源，中國(guó)生物化工簡(jiǎn)史（第2篇章之一）。
2.2.1 中國(guó)生物制藥的研究進(jìn)程
得益于政府支持，中國(guó)的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在藥物的生物合成方面取得了矚目進(jìn)展。很多研究已經(jīng)轉(zhuǎn)化到公司進(jìn)行合作研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)行更多的評(píng)估。許多成績(jī)已經(jīng)進(jìn)行工業(yè)化或接近工業(yè)化。
自1990s起，
中國(guó)逐漸發(fā)展成為生產(chǎn)類固醇藥物的全球中心，占到全球產(chǎn)量的三分之一
。皮質(zhì)類固醇藥物（corticosteroid drugs）的產(chǎn)能和實(shí)際產(chǎn)量，中國(guó)全球第一。2009年，出口743.25噸，價(jià)值37億美金。中國(guó)傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程依賴化學(xué)降解薯蕷皂苷元（diosgenin）來(lái)獲得關(guān)鍵中間體。最近，該過(guò)程已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑸锇l(fā)酵植物甾醇類生產(chǎn)中間體，像4-雄烯-3,17-二酮（4-androstene-3,17-dione，AD）, 1,4-雄甾二烯-3,17-二酮（1,4-androstadiene-3,17-dione，ADD）,和9-羥基雄烯二酮（9α-hydroxy-4-androstene-3,17-dione，9α-OH-AD）。
通過(guò)誘變篩選，分枝桿菌Mycobacterium突變菌可將植物甾醇（sitosterol, soybean sterol, andcampesterol）轉(zhuǎn)化為AD, ADD或9α-hydroxy-AD，得率提高到70%。通過(guò)進(jìn)一步的考察分枝桿菌的固醇降解的關(guān)鍵機(jī)制，已可以實(shí)現(xiàn)集中關(guān)鍵體的生物合成，包括C19-ketosteroids (e.g.AD and 9α-OH-AD) andC22-ketosteroids (e.g. 22-hydroxy-23,24-bisnorchola-1,4-diene-3-one, 1,4-BNA)。特別是，首次實(shí)現(xiàn)了
1,4-BNA的生物合成，反應(yīng)過(guò)程，底物濃度可達(dá)到60-100g/L，國(guó)際領(lǐng)先水平
。因?yàn)?,4-BNA是合成糖皮質(zhì)激素類藥物的重要前體，這個(gè)成就大大增強(qiáng)了中國(guó)制藥工業(yè)在糖皮質(zhì)激素的產(chǎn)能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
中國(guó)的抗生素生產(chǎn)占到國(guó)際市場(chǎng)的七成左右
。浙工大的“Development of Industrialization Technology forProduction of Valiolamine by High-purity Validamycin Biocatalytic Production.”獲得了國(guó)家二等獎(jiǎng)。課題組使用高通量篩選方法，菌種篩選，攻克了井岡霉素A高產(chǎn)菌種。優(yōu)化了微生物反應(yīng)過(guò)程，大規(guī)模生產(chǎn)高純度井岡霉素，生物催化水解。新的提取和分離技術(shù)，大大節(jié)省了能源消耗和降低了排放。通過(guò)微生物發(fā)酵和吸附分離技術(shù)制備了高純度井岡霉素，整個(gè)過(guò)程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
浙江大學(xué)首次在鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)和鑒定了azoxy化合物的合成途徑最重要的是，發(fā)現(xiàn)N-氧化酶AzoC對(duì)azoxy鍵的合成十分重要，提供了一條綠色高效合成azoxy鍵化合物的生物方法。這類化合物具有PTPIB的抑制活性。沉默基因激活后，一些angucycline antibiotics和chattamycins合成，并鑒定了合成途徑，具有很好的抗腫瘤和抗微生物活性。李教授已經(jīng)優(yōu)化了一系列菌種，高產(chǎn)抗生素，包括daptomycin, tacrolimus, natamycin etc.，成功進(jìn)行了工業(yè)化，支撐了藥物開(kāi)發(fā)，提升了技術(shù)。Streptomyces roseosporus經(jīng)優(yōu)化后，達(dá)托霉素產(chǎn)量可達(dá)到2.5g/L的水平。Streptomyces chattanoogensis可以用來(lái)生產(chǎn)natamycin，工程優(yōu)化后的菌種產(chǎn)量可超過(guò)16g/L。特別是，華東醫(yī)藥已經(jīng)獲得了daptomycin的生產(chǎn)和新藥許可。
2.2.2 生物制劑工程（Bioformulation engineering）
因體內(nèi)代謝和降解作用會(huì)縮短藥物的循環(huán)時(shí)間，降低了靶位的藥物濃度，副作用增加。優(yōu)化制劑可以改變體內(nèi)藥物分布，實(shí)現(xiàn)可控的藥物釋放，因此需要克服這些問(wèn)題。
生物制劑的目標(biāo)是，通過(guò)傳統(tǒng)的生化工程（生化反應(yīng)和生化分離）轉(zhuǎn)化生物藥物成為實(shí)際的產(chǎn)品
。近來(lái)，生物制劑工程吸引了大量的興趣，成為生化工程研究的焦點(diǎn)。
目前，最有前途的藥物制劑包括，聚酯納米顆粒，脂質(zhì)體，膠束和聚乙二醇藥物。其中，
單一可控聚酯納米顆粒中國(guó)生物制劑工程中最矚目的成就
。特別是，過(guò)程所在微米/納米級(jí)配方做出了重大貢獻(xiàn)，開(kāi)發(fā)了一種microporous membrane emulsification technology，具有特異物理化學(xué)參數(shù)的微納顆粒被設(shè)計(jì)和制備，用于多肽，抗癌藥和疫苗的遞送。
經(jīng)典的顆粒成型是通過(guò)機(jī)械攪拌制備的，制成的液滴具有較大的顆粒尺寸，在亞微米到微米級(jí)別
。盡管納米尺度成型可以通過(guò)超聲方法實(shí)現(xiàn)，但在較強(qiáng)的剪切力下，裝載的蛋白/多肽生物活力會(huì)降低。特別是，上面方法獲得微球存在不均一，尺寸分布廣，批生產(chǎn)可重復(fù)度低，降低了藥物包封率encapsulation efficiency和治療效果。為了獲得理想尺寸的顆粒，就需要重復(fù)過(guò)篩。然而，這樣的過(guò)程就十分復(fù)雜和耗時(shí)。
Ma進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了單一
微孔膜乳化技術(shù)
（microporous membrane emulsification technology）。詳細(xì)來(lái)講，分散相（dispersed phase）在通過(guò)膜的均一孔時(shí)被擠壓進(jìn)入一個(gè)連續(xù)相來(lái)形成均一乳狀液滴。液滴將自動(dòng)的掉落在膜表面，當(dāng)分散相和膜界面tension平衡時(shí)或是當(dāng)跨膜壓力和阻力的連續(xù)相平衡時(shí)。通過(guò)選擇不同孔尺寸的微孔膜時(shí)，均一不同尺寸的乳狀滴可以制備。經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)固定化后，均一顆粒（1-100微米），且CV<10%可以制備。為了準(zhǔn)備均一的納米顆粒，“兩步乳化程序（即快速膜乳化技術(shù)）”被開(kāi)發(fā)。首先，大液滴尺寸預(yù)乳化，接著，預(yù)乳化膜在適當(dāng)?shù)膲毫ο驴焖贁D壓通過(guò)膜介孔，破碎成均一液滴。
使用這個(gè)技術(shù)，可以獲得0.1-10微米特定尺寸的顆粒
。比傳統(tǒng)的乳化方法，膜乳化具有，能耗低，反應(yīng)溫和，顆粒尺寸分布窄等優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)方法容易進(jìn)行規(guī)模放大和工業(yè)化。
生物制劑主要應(yīng)用在3種過(guò)程中：
目前市場(chǎng)擁有300多種蛋白/多肽藥物，數(shù)千種在開(kāi)發(fā)中
。然而，藥物如果半衰期較短則需要頻繁給藥，對(duì)病人來(lái)講不方便，并且經(jīng)濟(jì)壓力大。此外，人體的血漿濃度很容易波動(dòng)，導(dǎo)致藥效降低或副作用。通過(guò)顆粒制劑，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期釋放給藥，可實(shí)現(xiàn)多種方式給藥，具有廣泛的市場(chǎng)預(yù)期。
顆粒尺寸對(duì)藥物在體內(nèi)吸收，分布，代謝和降解有重要影響，影響其生物利用度和生物安全性。
使用fine-tuned顆粒同時(shí)維持藥物活性和可控釋放是個(gè)重要問(wèn)題，特別是可選擇的顆粒材料是很有限的。Ma利用分子設(shè)計(jì)策略，通過(guò)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制因子，修飾了顆粒的結(jié)構(gòu)(multicavity, single chamber, porous, etc.)。他們對(duì)制備的顆粒在體內(nèi)的降解和藥物釋放機(jī)制進(jìn)行了鑒定研究，可以高效維持藥物生物活性，也可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)釋放。
當(dāng)遞送胰島素，艾塞那肽exenatide和人類生長(zhǎng)激素（human growth hormone）的測(cè)試效果超出了已經(jīng)商業(yè)化的藥物
。
化學(xué)療法在癌癥治療中扮演著重要角色。因?yàn)樗幬飼?huì)在人體中廣泛分布，所以一般治療的劑量對(duì)人體正常的組織和器官是有害的。為了增加腫瘤組織的高通透性和滯留效果（permeability and retention effect）納米顆粒比微米顆粒的靶向遞送，是更理想的載體。
目前，
40%的新篩選到的活性抗腫瘤藥物是不溶的
，增加了臨床管理的難度。為了實(shí)現(xiàn)
親水性殼聚糖納米粒
（hydrophilic chitosan nanoparticles）的高效載藥，Lv課題組組合使用乳化技術(shù)和O/W/O雙乳化技術(shù)，提出了一種程可編程溫度治療技術(shù)。載藥速率提高了35%。顆粒材料的親水性能和藥物晶體的納米尺寸，顯著提高了藥物的溶出速率（dissolution），快速提高了腫瘤組織的藥物濃度。
此外，不溶藥物的高效載藥，通過(guò)可降解載體的功能化（如，可編程的多階段靶向和腫瘤微環(huán)境反饋）和生物仿生設(shè)計(jì)（包括紅細(xì)胞coating和鐵蛋白靶向）可以延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間。這些劑型提高了循環(huán)時(shí)間、藥物滲透drug penetration在腫瘤位點(diǎn)，藥物內(nèi)化drug internalization和特異藥物釋放selective drug release。這些都顯示了顆粒基劑型在提高安全性和效率方面都由于商業(yè)化藥物。
為了進(jìn)一步提高療效，一些研究組提出，將
疏水性化療藥物和基因藥物包裹起來(lái)，形成“二合一”納米復(fù)合物
。經(jīng)過(guò)對(duì)藥物時(shí)空機(jī)制的深度研究，兩種藥物的效果被最大化。如，紫杉醇和siRNA被同時(shí)載入納米顆粒，腫瘤抑制效果強(qiáng)于傳統(tǒng)的雞尾酒療法。二合一的納米復(fù)合物濃縮了兩種藥物去擊殺相同的癌細(xì)胞，而雞尾酒藥物是分布在不同的腫瘤細(xì)胞，而最終散落成治療的“qiang聲”
鋁佐劑是疫苗中應(yīng)用最廣的佐劑成分
。但是，鋁已不再能滿足疫苗發(fā)展的需要，特別是對(duì)單亞基疫苗（如H5N1卵裂疫苗cleavage vaccines）或治療疫苗。相比傳統(tǒng)佐劑，微米/納米顆粒（如膠束micelles, 大分子macromolecules,和脂質(zhì)體liposomes）因?yàn)榫哂泻吞烊豢乖嗤某叽绱笮。苋菀妆蛔鳛橥庠次镔|(zhì)識(shí)別和響應(yīng)。值得注意的是，顆粒的尺寸和佐劑顆粒的其他參數(shù)不僅影響抗原載入的效率，也對(duì)后來(lái)的細(xì)胞和免疫效果有重要影響。因此，利用特定無(wú)力化學(xué)參數(shù)的顆粒，進(jìn)行生物效果分類，將可用于對(duì)顆粒佐劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
相比傳統(tǒng)的顆粒佐劑，納米顆粒更容易被抗原呈遞細(xì)胞識(shí)別，呈現(xiàn)更大的顆粒表面積，適合抗原吸附。
相反，微米顆粒在，總顆粒體積方面更有優(yōu)勢(shì)，適合抗原包封。
除均一尺寸外，顆粒具有陽(yáng)性電荷，環(huán)境敏感性（e.g. pH-, thermo-）和結(jié)構(gòu)可調(diào)(e.g. solid, hollow)被編造，通過(guò)表面改性、材料篩選、乳化液控制。
人們解釋了顆粒參數(shù)和生物效果之間的關(guān)系，提供了新型佐劑的設(shè)計(jì)概念。
細(xì)胞免疫響應(yīng)可以成功被一些列機(jī)制，如提高抗原攝入，增強(qiáng)顆粒-細(xì)胞膜相互作用，促進(jìn)溶酶體逃逸和交叉呈遞。
顆粒化疫苗展現(xiàn)了3-10倍的提高效果，這是大家長(zhǎng)期以來(lái)期望的新型疫苗參數(shù)。
在使用均勻顆粒作為藥物輸送系統(tǒng)和疫苗佐劑方面的最新進(jìn)展使制藥公司為潛在的臨床轉(zhuǎn)化舉辦了幾次研討會(huì)。開(kāi)發(fā)中國(guó)獨(dú)立自主的技術(shù)，顆粒基劑型產(chǎn)品，將引領(lǐng)生物劑型工程和國(guó)際市場(chǎng)機(jī)會(huì)的突破。
Ding, Mingzhu, Chen,Biqiang, Ji, Xiaojun, Zhou, Jingwen, Wang, Huiyuan, Tian, Xiwei, Feng, Xudong,Yue, Hua, Zhou, Yongjin, Wang, Hailong, Wu, Jianping, Yang, Pengpeng, Jiang,Yu, Mao, Xuming, Xiao, Gang, Zhong, Cheng, Xiao, Wenhai, Li, Bingzhi, Qin, Lei,Cheng, Jingsheng, Yao, Mingdong, Wang, Ying, Liu, Hong, Zhang, Lin, Yu,Linling, Chen, Tao, Dong, Xiaoyan, Jia, Xiaoqiang, Zhang, Songping, Liu,Yanfeng, Chen, Yong, Chen, Kequan, Wu, Jinglan, Zhu, Chenjie, Zhuang, Wei, Xu,Sheng, Jiao, Pengfei, Zhang, Lei, Song, Hao, Yang, Sheng, Xiong, Yan, Li,Yongquan, Zhang, Youming, Zhuang, Yingping, Su, Haijia, Fu, Weiping, Huang,Yingming, Li, Chun, Zhao, Zongbao K., Sun, Yan, Chen, Guo-Qiang, Zhao, Xueming,Huang, He, Zheng, Yuguo, Yang, Lirong, Su, Zhiguo, Ma, Guanghui, Ying, Hanjie,Chen, Jian, Tan, Tianwei and Yuan, Yingjin. "Biochemical engineering inChina" Reviews in Chemical Engineering, vol. 35, no. 8, 2019, pp.929-993. https://doi.org/10.1515/revce-2017-0035
