小按：本期主要对中国生物化工在生物制药方面的应用和进展做介绍。感兴趣读者可回看第一期，总体回顾，中国生物化工简史（第1篇章）；第二期，生物能源，中国生物化工简史（第2篇章之一）。
得益于政府支持，中国的大学和研究机构在药物的生物合成方面取得了瞩目进展。很多研究已经转化到公司进行合作研究和开发进行更多的评估。许多成绩已经进行工业化或接近工业化。
自1990s起，
中国逐渐发展成为生产类固醇药物的全球中心，占到全球产量的三分之一
。皮质类固醇药物（corticosteroid drugs）的产能和实际产量，中国全球第一。2009年，出口743.25吨，价值37亿美金。中国传统的生产过程依赖化学降解薯蓣皂苷元（diosgenin）来获得关键中间体。最近，该过程已经转变为微生物发酵植物甾醇类生产中间体，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-羟基雄烯二酮（9α-hydroxy-4-androstene-3,17-dione，9α-OH-AD）。
通过诱变筛选，分枝杆菌Mycobacterium突变菌可将植物甾醇（sitosterol, soybean sterol, andcampesterol）转化为AD, ADD或9α-hydroxy-AD，得率提高到70%。通过进一步的考察分枝杆菌的固醇降解的关键机制，已可以实现集中关键体的生物合成，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)。特别是，首次实现了
1,4-BNA的生物合成，反应过程，底物浓度可达到60-100g/L，国际领先水平
。因为1,4-BNA是合成糖皮质激素类药物的重要前体，这个成就大大增强了中国制药工业在糖皮质激素的产能和市场竞争力。
中国的抗生素生产占到国际市场的七成左右
。浙工大的“Development of Industrialization Technology forProduction of Valiolamine by High-purity Validamycin Biocatalytic Production.”获得了国家二等奖。课题组使用高通量筛选方法，菌种筛选，攻克了井冈霉素A高产菌种。优化了微生物反应过程，大规模生产高纯度井冈霉素，生物催化水解。新的提取和分离技术，大大节省了能源消耗和降低了排放。通过微生物发酵和吸附分离技术制备了高纯度井冈霉素，整个过程已经实现工业化。
浙江大学首次在链霉菌中发现和鉴定了azoxy化合物的合成途径最重要的是，发现N-氧化酶AzoC对azoxy键的合成十分重要，提供了一条绿色高效合成azoxy键化合物的生物方法。这类化合物具有PTPIB的抑制活性。沉默基因激活后，一些angucycline antibiotics和chattamycins合成，并鉴定了合成途径，具有很好的抗肿瘤和抗微生物活性。李教授已经优化了一系列菌种，高产抗生素，包括daptomycin, tacrolimus, natamycin etc.，成功进行了工业化，支撑了药物开发，提升了技术。Streptomyces roseosporus经优化后，达托霉素产量可达到2.5g/L的水平。Streptomyces chattanoogensis可以用来生产natamycin，工程优化后的菌种产量可超过16g/L。特别是，华东医药已经获得了daptomycin的生产和新药许可。
2.2.2 生物制剂工程（Bioformulation engineering）
因体内代谢和降解作用会缩短药物的循环时间，降低了靶位的药物浓度，副作用增加。优化制剂可以改变体内药物分布，实现可控的药物释放，因此需要克服这些问题。
生物制剂的目标是，通过传统的生化工程（生化反应和生化分离）转化生物药物成为实际的产品
。近来，生物制剂工程吸引了大量的兴趣，成为生化工程研究的焦点。
目前，最有前途的药物制剂包括，聚酯纳米颗粒，脂质体，胶束和聚乙二醇药物。其中，
单一可控聚酯纳米颗粒中国生物制剂工程中最瞩目的成就
。特别是，过程所在微米/纳米级配方做出了重大贡献，开发了一种microporous membrane emulsification technology，具有特异物理化学参数的微纳颗粒被设计和制备，用于多肽，抗癌药和疫苗的递送。
经典的颗粒成型是通过机械搅拌制备的，制成的液滴具有较大的颗粒尺寸，在亚微米到微米级别
。尽管纳米尺度成型可以通过超声方法实现，但在较强的剪切力下，装载的蛋白/多肽生物活力会降低。特别是，上面方法获得微球存在不均一，尺寸分布广，批生产可重复度低，降低了药物包封率encapsulation efficiency和治疗效果。为了获得理想尺寸的颗粒，就需要重复过筛。然而，这样的过程就十分复杂和耗时。
Ma进一步开发了单一
微孔膜乳化技术
（microporous membrane emulsification technology）。详细来讲，分散相（dispersed phase）在通过膜的均一孔时被挤压进入一个连续相来形成均一乳状液滴。液滴将自动的掉落在膜表面，当分散相和膜界面tension平衡时或是当跨膜压力和阻力的连续相平衡时。通过选择不同孔尺寸的微孔膜时，均一不同尺寸的乳状滴可以制备。经过物理或化学固定化后，均一颗粒（1-100微米），且CV<10%可以制备。为了准备均一的纳米颗粒，“两步乳化程序（即快速膜乳化技术）”被开发。首先，大液滴尺寸预乳化，接着，预乳化膜在适当的压力下快速挤压通过膜介孔，破碎成均一液滴。
使用这个技术，可以获得0.1-10微米特定尺寸的颗粒
。比传统的乳化方法，膜乳化具有，能耗低，反应温和，颗粒尺寸分布窄等优点。这个方法容易进行规模放大和工业化。
目前市场拥有300多种蛋白/多肽药物，数千种在开发中
。然而，药物如果半衰期较短则需要频繁给药，对病人来讲不方便，并且经济压力大。此外，人体的血浆浓度很容易波动，导致药效降低或副作用。通过颗粒制剂，可实现长期释放给药，可实现多种方式给药，具有广泛的市场预期。
颗粒尺寸对药物在体内吸收，分布，代谢和降解有重要影响，影响其生物利用度和生物安全性。
使用fine-tuned颗粒同时维持药物活性和可控释放是个重要问题，特别是可选择的颗粒材料是很有限的。Ma利用分子设计策略，通过热力学和动力学控制因子，修饰了颗粒的结构(multicavity, single chamber, porous, etc.)。他们对制备的颗粒在体内的降解和药物释放机制进行了鉴定研究，可以高效维持药物生物活性，也可以长时间持续释放。
当递送胰岛素，艾塞那肽exenatide和人类生长激素（human growth hormone）的测试效果超出了已经商业化的药物
。
化学疗法在癌症治疗中扮演着重要角色。因为药物会在人体中广泛分布，所以一般治疗的剂量对人体正常的组织和器官是有害的。为了增加肿瘤组织的高通透性和滞留效果（permeability and retention effect）纳米颗粒比微米颗粒的靶向递送，是更理想的载体。
目前，
40%的新筛选到的活性抗肿瘤药物是不溶的
，增加了临床管理的难度。为了实现
亲水性壳聚糖纳米粒
（hydrophilic chitosan nanoparticles）的高效载药，Lv课题组组合使用乳化技术和O/W/O双乳化技术，提出了一种程可编程温度治疗技术。载药速率提高了35%。颗粒材料的亲水性能和药物晶体的纳米尺寸，显著提高了药物的溶出速率（dissolution），快速提高了肿瘤组织的药物浓度。
此外，不溶药物的高效载药，通过可降解载体的功能化（如，可编程的多阶段靶向和肿瘤微环境反馈）和生物仿生设计（包括红细胞coating和铁蛋白靶向）可以延长循环时间。这些剂型提高了循环时间、药物渗透drug penetration在肿瘤位点，药物内化drug internalization和特异药物释放selective drug release。这些都显示了颗粒基剂型在提高安全性和效率方面都由于商业化药物。
为了进一步提高疗效，一些研究组提出，将
疏水性化疗药物和基因药物包裹起来，形成“二合一”纳米复合物
。经过对药物时空机制的深度研究，两种药物的效果被最大化。如，紫杉醇和siRNA被同时载入纳米颗粒，肿瘤抑制效果强于传统的鸡尾酒疗法。二合一的纳米复合物浓缩了两种药物去击杀相同的癌细胞，而鸡尾酒药物是分布在不同的肿瘤细胞，而最终散落成治疗的“qiang声”
铝佐剂是疫苗中应用最广的佐剂成分
。但是，铝已不再能满足疫苗发展的需要，特别是对单亚基疫苗（如H5N1卵裂疫苗cleavage vaccines）或治疗疫苗。相比传统佐剂，微米/纳米颗粒（如胶束micelles, 大分子macromolecules,和脂质体liposomes）因为具有和天然抗原相同的尺寸大小，很容易被作为外源物质识别和响应。值得注意的是，颗粒的尺寸和佐剂颗粒的其他参数不仅影响抗原载入的效率，也对后来的细胞和免疫效果有重要影响。因此，利用特定无力化学参数的颗粒，进行生物效果分类，将可用于对颗粒佐剂的优化设计。
相比传统的颗粒佐剂，纳米颗粒更容易被抗原呈递细胞识别，呈现更大的颗粒表面积，适合抗原吸附。
相反，微米颗粒在，总颗粒体积方面更有优势，适合抗原包封。
除均一尺寸外，颗粒具有阳性电荷，环境敏感性（e.g. pH-, thermo-）和结构可调(e.g. solid, hollow)被编造，通过表面改性、材料筛选、乳化液控制。
人们解释了颗粒参数和生物效果之间的关系，提供了新型佐剂的设计概念。
细胞免疫响应可以成功被一些列机制，如提高抗原摄入，增强颗粒-细胞膜相互作用，促进溶酶体逃逸和交叉呈递。
颗粒化疫苗展现了3-10倍的提高效果，这是大家长期以来期望的新型疫苗参数。
在使用均匀颗粒作为药物输送系统和疫苗佐剂方面的最新进展使制药公司为潜在的临床转化举办了几次研讨会。开发中国独立自主的技术，颗粒基剂型产品，将引领生物剂型工程和国际市场机会的突破。
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
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