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第一章 生技醫藥 BIOMEDICAL DRUGS 胡育誠 1-1 緒言 過去在眾多的藥物來源中，大致可分成化學合成、生化方法（如以微生物醱酵生產抗生素）及自動植物當中萃取之天然醫藥品。後二種往往受限於來源或萃取方法而無法擴大產量。自從1973年基因重組技術（recombinant DNA technology）出現後，分子生物學的進展便突飛猛進，並且衍生出目前生物技術各領域當中最重要的產業：生技醫藥。譬如過去欲得5毫克的生長激素抑制因子（somatostatin）須從50萬頭羊的腦中萃取，但基因重組技術的出現可讓我們將此因子的基因置入微生物細胞後，只需9公升的醱酵液即可得到相同產量。如此一來，過去難以取得的藥物便不再一藥難求，而生產成本也可大幅降低。基因重組技術的衍生，也讓我們可以改變基因特性，而製造出非天然，但效果更佳的藥物出來。 由於基因工程技術的出現，Genentech這家公司在1978年便已製造出第一個基因重組藥物：胰島素，並於1982年獲准上市。胰島素的成功上市，刺激了生技製藥業的蓬勃發展，並吸引了大量人力與資源的投入，至西元2000年，至少已有60種以上的生技藥物上市，並預估在2004年達到158億美元的銷售額，也因此生技醫藥構成了目前生物技術當中最重要的一塊領域。目前生物技術在醫藥衛生領域的主要產品包括疫苗、治療型藥物、疾病診斷用的抗體與基因探針。另外尚有許多開發中的新技術，例如轉殖基因動植物、基因治療、癌症及治療用疫苗等[1]。 1-2 基因工程 1953年華生（James Watson）與克里克（Francis Crick）共同解開DNA（去氧核糖核酸）雙螺旋結構後，1960年訊息RNA（messenger RNA）被發現，1961年奈倫堡（Marshall Nirenberg）等人則破解了遺傳密碼，了解何種RNA可製造出何種胺基酸及蛋白質，因此建立了分子生物學的中心教條： 簡單而言，DNA藉由ATGC的字母排列方式而有不同的組合，正如電腦以0與1的排列儲存資訊。DNA上的某一段句子（即基因）會根據其攜帶的密碼（每三個字母代表一個胺基酸），藉由細胞內的轉錄（transcription）過程製造出RNA，而RNA則經轉譯（translation）過程合成出胺基酸長鏈。這些胺基酸長鏈會再經由摺疊（folding）及其他轉譯後處理（post-translational modification）而形成有適當三維結構且具有活性的蛋白質，此過程被稱為基因表現（gene expression），是天然細胞中隨時在進行的過程，並且受基因上游的啟動子（promoter）及許多其他因素控制，以決定基因的開啟或關閉。蛋白質是細胞內主要執行各種生物功能的分子，不同的蛋白質可扮演不同的角色，例如血紅素可攜帶氧氣，各種酵素負責催化無數生化反應， 膠原蛋白則是構成人體最豐富的結構蛋白質等等（表1.1），因此它是掌控細胞與生物生理的主要物質；它也控制了每個人的外表（如膚色、毛髮）、健康、甚至心理狀態。因為DNA的序列決定了何種蛋白質可被表現，所以DNA被稱為上帝所賦予的遺傳密碼。 1973年柯恩（Stanley Cohen）與波耶（Herbert Boyer）等人根據前人的發現發明了重組DNA技術。此技術乃以限制內切酶（restriction endonuclease）切割目標DNA旁的特定DNA序列與另一DNA質粒（plasmid），並以黏接酶（ligase）將兩段DNA重組後，送入細菌內並大量表現此重組基因（圖1.1）。
利用剪刀（限制內切酶）與膠水（黏接酶），人們可以將特定基因（如人類胰島素基因）與異源基因（如細菌質粒）接合並送入大腸桿菌內，利用大腸桿菌為宿主大量表現出胰島素，因此展開了基因工程的時代。之後，各種嶄新的生物技術相繼被發明，包括：單株抗體製造技術（1975）、DNA定序（1978）、轉殖基因動物（1981）、聚合酶連鎖反應（1983）等等，這些技術的出現，促成了生技醫藥的快速成長。 1-3 基因工程 1-3-1 蛋白質藥物（recombinant protein drug） 由於生物體內各種蛋白質控制了生理狀態，因此許多疾病與缺乏某些蛋白質有關。如胰島素不足會引起糖尿病；洗腎過程會造成紅血球死亡及貧血，紅血球生成素（erythropoietin）則可改善貧血症狀。過去蛋白質藥物主要來源為從人（血液或尿液）或動物器官（如胰臟）中萃取。這種方法產率、產量都很低，來源不易取得，因此成本非常高；同時由於各種傳染病如愛滋病與狂牛病盛行，很難保證這些藥物不被病原體污染。因此自胰島素上市後，各種用於治療用途的基因重組蛋白質便相繼被開發上市。以基因工程生產的藥物，利用生物細胞為工廠製造，可在實驗室中即作篩檢確保不受病原體污染，同時在轉殖蛋白質基因時，可利用強力的啟動子（strong promoter），使蛋白質表現量增強以提昇產量。 早期的宿主細胞常選用大腸桿菌或酵母菌，因為此類細胞較易培養，容易利用生化反應器放大生產規模，產量較大且培養基較便宜。但大腸桿菌或酵母菌為較簡單的生物，有些蛋白質生產出來會無法適當地摺疊成正確的三維形狀，或因無法進行適當轉譯後處理，而使蛋白質缺乏其應有功能。轉譯後處理包括胺基酸長鏈的切割（cleavage）、摺疊（folding）、醣基化（glycosylation）、磷酸化（phosphorylation）與雙硫鍵形成（disulfide bond formation）等等[2]。這些轉譯後處理會影響到胺基酸長鏈在細胞內是否正確形成應有的三維結構，並進一步影響到蛋白質的形狀、功能、穩定性及免疫性質等。一般人類的蛋白質均需較精密的修飾，因此以細菌生產出的蛋白質可能無法達到所要求的藥效。面對此狀況，可選用較高等的生物細胞如中國倉鼠卵巢、人類胚胎腎臟、非洲綠猴腎臟等哺乳動物細胞作為生產工具。這些細胞在演化上較先進，因此可用來表現需要較精密修飾的蛋白質分子[3]。相較之下，大腸桿菌如同初級加工廠，可用來生產較不需要精密修飾之蛋白質，成本也較低廉；而哺乳動物細胞便如同晶圓廠，可將單純的晶圓（胺基酸長鏈）經由一連串的製程製造出高價值的晶片（蛋白 質）。但動物細胞較難培養，產量較低，所需細胞用培養基成本也較高昂，因此若細菌製出的蛋白質品質符合需求，仍當選用細菌作為宿主細胞。 另外，許多藥物進入人體後很快便被水解而失效。這些問題可藉由基因工程解決或改進，譬如可將基因上加入一些DNA片段、刪除某些序列，或置換掉某些序列，使表現出來的蛋白質能在人體內有較高穩定性並能"欺騙"免疫系統，使其不會對蛋白質攻擊。甚至我們可將一長段DNA切成碎片，再將其任意重組，並從中挑出可表現最佳蛋白質性質的部分，此種做法稱為DNA洗牌（DNA shuffling）[4]。 另外也可藉由一些化學方法修飾以改善穩定性，如在蛋白質上接上聚乙二甘醇（PEG），所接上之PEG可有效增加蛋白質在體內的穩定性。最近已有此種接上PEG的干擾素（用於治療C型肝炎）被核准上市。 目前已核准上市的蛋白質藥物包括生長因子、凝血因子、介白素（interleukin）干擾素（interferon, IFN）及各種酵素（表1.2）。這類基因重組藥物在過去十年平均成長率為12%至14%，且預估在2004年可達到158億美元的市場。其中最成功的當屬紅血球生成素，年銷售額可高達30億美元，也使其開發公司Amgen成為世界最大生技公司。另外，干擾素也是應用普遍的基因重組蛋白質。干擾素為由許多免疫細胞所分泌之細胞素，可分為α、β、γ三大類，最近又發現另兩種：IFNω與IFNτ。在人體中IFNα已被發現有16種，IFNβ與IFNγ則各只有一種[5]。由於干擾素可調控免疫功能，因此它具有抗病毒，抗發炎及抗腫瘤等多種用途，為目前應用普遍之一種生技藥物（表1.2）。
由於生技製藥的蓬勃發展與光明前景，美國已有各類生物技術公司達1000多家，其中70%均從事醫藥產品的研發製造。當中較知名的生技公司包括Genentech、MedImmune、Biogen、Chiron及Immunex等。
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