Биотехнологическое производство лекарств и проблемы биобезопасности

ФГАОУ ВПО «Северо-восточный федеральный университет

им. М.К. Аммосова»

Медицинский институт

Кафедра фармакологии и фармации

 

 

 

 

Курсовая работа по биофармацевтической  технологии

на тему:

«Биотехнологическое производство лекарств и проблемы биобезопасности»

 

 

                                                                        Выполнила: студентка V курса

                    группы ФАРМ-501/2                   

Афанасьева  Е.К.

                                                                                Проверила: доцент, к.ф.н.,

                                                                                                    Абрамова Я.И.

 

 

                                         

 

 

 

Якутск, 2013г.

 

Содержание

Введение

1. СОВРЕМЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ  В СОЗДАНИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ

ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ.

1.1. Роль биотехнологии  в современной фармации……………………......4

1.2. Определение понятия  биотехнологии…………………………………..4

1.3. Краткая историческая  справка по развитию биотехнологии  в мире...6

1.4. Биосинтез биологически  активных веществ (БАВ) в условиях

биотехнологического производства (общие положения)………………...10

2. Определения понятий GLP , GCP, GMP………………………………….14

3. Вклад биотехнологии в окружающую среду…………………………….22

3.1. Экологические проблемы  промышленной биотехнологии…………..22

3.2. Общие показатели загрязненности сточных вод………………………22

3.3. Методы очистки сточных вод…………………………………………..25

3.4. Факторы определяющие биоценоз активного ила…………………….28

3.5. Основные параметры  биологической очистки ………………………..30

Заключение…………………………………………………………………….44

Использованная литература………………………………………………….45

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

     Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты, увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека.

     Биотехнология  призвана сыграть значительную  роль при создании безотходных  технологий и, конечно, при  разработке различных схем очистки  производственных стоков и твердых  отходов.

Однако нельзя забывать, что биотехнологические производства сами по себе могут быть опасными как  для обслуживающего персонала, так  и для потребителей продукции. Таких  примеров можно привести много.

Поэтому, с целью обеспечения  защиты жизни и здоровья граждан, животных, растений, а также охраны окружающей среды и обеспечения  санитарно-эпидемиологического благополучия созданы и утверждены документы (стандарты GLP, GCP, GMP и GPP и пр.), регламентирующие деятельность предприятий фармацевтического  профиля, в т.ч. микробиологических и биотехнологических, по проведению исследований, производству, хранению, перевозке, использованию, утилизации и уничтожении их продукции.

1. СОВРЕМЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ В СОЗДАНИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ

ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ.

 

1.1. Роль биотехнологии в современной фармации

 

     Номенклатура лекарственных препаратов, полученных на основе биообъектов в силу объективных причин имеет тенденцию к своему расширению. В категорию таких лекарственных препаратов входят:

1. лекарственные средства  для лечения, в число которых  входят аминокислоты и препараты на их основе, антибиотики, ферменты, коферменты, кровезаменители и плазмозаменители, гормоны стероидной и полипептидной природы, алкалоиды;

2. профилактические средства, в число которых входят вакцины,  анатоксины, интерфероны, сыворотки, иммуномодуляторы, нормофлоры;

3. диагностические средства, в число которых входят ферментные  и иммунные диагностикумы, препараты на основе моноклональных антител и иммобилизованных клеток.

  Это далеко не полный перечень лекарственных препаратов, которые имеются в современной фармации, в основе производства которых используются биообъекты.

 

1.2.Определение понятия биотехнология

 

     Что касается определения самого понятия биотехнологии, то оно следует из понятия самой технологии. Технология – это наука о развитии естественных процессов в искусственных условиях. Если эти процессы относятся к биосинтетическим или биокаталитическим, присущих клеткам прокариот и эукариот, когда в качестве элементной базы используются биообъекты для получения целевого (конечного) продукта, то такое производство называют биотехнологическим. Если же в роли целевого (конечного) продукта выступает лекарственное средство, то такая биотехнология называется «биотехнология лекарственных средств».

В настоящее время фармацию характеризует как минимум третья часть лекарственных средств от общего объема производимых лекарств, которая использует современные биотехнологии. Суммируя все позиции определения биотехнологии, указанные выше, можно сказать, что «Биотехнология – это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также для промышленного получения полезных для человека продуктов, в том числе лекарственных средств».

Биотехнология – комплексная  наука, это и наука и сфера  производства со своим специфическим аппаратным оформлением. Биотехнология какьсфера производства – это наукоемкая технология.

Биообъект – это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.

Биотехнология использует либо продуценты – микроорганизмы, растения, высшие животные, либо использует изолированные индивидуальные ферменты. Фермент иммобилизируется (закрепляется) на нерастворимом носителе, что позволяет его использовать многократно.

Современная биотехнология  использует такие достижения, как искусственные культуры клеток и тканей. Особое достижение биотехнологии – это генноинженерные продуценты, микроорганизмы,

имеющие рекомбинантные ДНК. Ген четко изолируется и вводится клеткам микроорганизма. Этот микроорганизм будет продуцировать вещество, структура которого закодирована во введенном гене.

 

1.3. Краткая историческая справка по развитию биотехнологии в мире

 

В истории развития биотехнологии  можно выделить три основных

периода:

1. эмпирическая биотехнология  (тысячелетия). Самый первый

биотехнологический процесс, осуществленный человеком – получение

пива, был изобретен шумерами приблизительно 5 тысяч лет назад;

2. научная биотехнология  (с Пастера);

3. современная биотехнология.

Биотехнологию можно условно  разделить на три категории по получаемым продуктам:

1. природные биотехнологические продукты, вырабатываемые

собственно микроорганизмами (например, антибиотики);

2. биотехнологические продукты второго поколения, полученные с помощью генноинженерных штаммов (например, человеческий инсулин);

3. биотехнологические продукты третьего поколения – продукция XXI века, основана на изучении взаимодействия биологически активных

веществ и рецепторов клеток и создании принципиально новых препаратов. Примером таких препаратов могут быть антисмысловые нуклеиновые кислоты. В клетке человека приблизительно 100 тысяч генов. Используя принцип комплементарности можно создать цепь нуклеиновых кислот, которые могут выключать тот или иной ген, что позволяет с помощью антисмысловых нуклеиновых кислот управлять генами, корректируя обмен.

Биотехнология в зарубежных странах.

Первое место в мире по выпуску биотехнологической продукции  занимает США, которая ежегодно выделяет 3 млрд. долларов на поддержку фундаментальных исследований в области медицины, из которых 2,5 млрд. долларов относится к области биотехнологии. Второй страной по выпуску биотехнологической продукции является Япония, третье место за Израилем.

Современная биотехнология  – это наука, которая на практике использует достижения современных фундаментальных наук, таких как:

1. молекулярная биология

2. молекулярная генетика

3. биоорганическая химия.

Начиная с первых шагов  и до наших дней технология изготовления лекарственных средств предусматривает использование субстанций, получаемых из разных источников. Это:

- ткани животных или  растений;

- неживая природа;

- химический синтез.

Первый путь (использование  тканей животных или растений) предполагает сбор дикорастущих лекарственных растений. Это, прежде всего, плантационное культивирование растений. Это также выращивание каллусных и суспензионных культур. Это наиболее современные методы культивирования клеток, в геном которых встроены опероны, ответственные за биосинтез лекарственной субстанции, то есть генная инженерия.

Можно привести пример такого растения как женьшень при извлечении из него панаксозидов, как биологически активного вещества:

-в естественных условиях, в дикорастущем виде, сбор такого  растения может производится только на шестидесятом году его роста;

-в условиях его выращивания  на плантациях – на шестом  году его

произрастания;

-в каллусной культуре, то есть в культуре клеток  растительной ткани панаксозиды можно извлекать в достаточном количестве, обеспечивая рентабельность производства уже на 15-25-тый день роста культуры ткани.

Второй и третий путь получения  лекарственных субстанций из неживой природы или путем химического синтеза раньше рассматривали в качестве конкурентного пути для биотехнологии. Жизнь внесла коррективы в это положение. Например, если мы говорим о возможностях перевода сорбита в сорбозу, или ситостерина в 17-кетоандростаны, или фумаровой кислоты в аспарагиновую и т.д., то в этих случаях биотехнология успешно конкурирует с тонкими химическими технологиями на отдельных этапах изготовления лекарственных средств, а в ряде случаев, например, при синтезе витаминав В12 биотехнология может обеспечить всю последовательность сложных химических реакций, необходимых для превращения исходного предшественника (5,6 диметилбензимидазола), в конечный продукт – цианокобаламин.

Конечно, в последнем случае, когда всю технологическую цепочку осуществляет биообъект, находящийся в искусственных условиях, то он должен иметь условия наибольшего (максимального) благоприятствования (комфорта), что в свою очередь, предполагает обеспечение биообъекта необходимыми источниками питания, защиту от внешних неблагоприятных воздействий. Не менее важную роль в работе биообъекта играет и инженерно-техническая база, то есть процессы и аппараты биотехнологических производств.

В заключение можно сказать, что современная биотехнология

функционирует с одной  стороны на достижениях:

-биологии,

-генетики,

-физиологии,

-биохимии,

-иммунологии и, конечно,  биоинженерии, а с другой стороны,  на совершенствовании самой технологии получения лекарственных средств, имея в виду:

-способы подготовки сырья,

-способы стерилизации  оборудования и всех потоков  системы, обеспечивающий - процесс получения биологически активных веществ,

-способы оперативного  контроля и управления биотехнологическими процессами.

Сегодня бизнес в области  лекарственных средств, чтобы выстоять в конкуренции огромного числа производителей лекарственных средств,

предполагает знания специалиста  в области не только применения, но и

получения медицинских препаратов на основе как тонкой химической

технологии, так и биотехнологии.

Сферой интересов специалиста, работающего на рынке лекарственных средств являются следующие разделы биотехнологии:

1. Общая биотехнология  лекарственных средств

1.1.биообъекты как средства  производства

1.2.особенности процессов  биосинтеза

2. Основные процессы и  аппараты биотехнологического производства.

3. Частная биотехнология лекарственных средств

3.1.получение наиболее  распространенных групп лекарственных  средств,

3.2.новейшие биотехнологии  с использованием генной инженерии

4. Экономические, правовые  и экологические аспекты биотехнологического производства лекарственных средств.

 

1.4. Биосинтез биологически активных веществ (БАВ) в условиях

биотехнологического производства (общие положения)

 

Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства.

1. Создание стерильных условий для биосинтеза

Биосинтез БАВ – это  многостадийный процесс. Для успешного осуществления биосинтеза необходимо использовать простерилизованный воздух, стерильную питательную среду и оборудование.

                           → Стерильное оборудование

БИОСИНТЕЗ    → Стерильная питательная среда

                           → Стерильный воздух

Биосинтез осуществляется с  использованием жидкой питательной  среды, т.е. используется глубинное культивирование.

Биосинтез микроорганизмов  осуществляется в ферментерах различной емкости от 100 литров(1м. куб.) до 10000 литров (100 м. куб.).

Стерилизация воздуха  осуществляется методом фильтрации, т.е. из воздушного потока удаляют микроорганизмы с помощью фильтров.

Стерилизация питательных  сред осуществляется термическим способом прямо в ферментере или в отдельной емкости.

Продуцент может храниться  разными способами, например, на скошенном агаре, с поверхности которого он переносится в колбы с жидкой питательной средой. После накопления биомассы и проверки культуры на чистоту 0,5-1% посевного материала переносится в инокулятор. В нем происходит рост и деление микроорганизмов. Из инокулятора 2-3% материала переносится в посевной аппарат. Из посевного аппарата 5-10% посевного материала переносится в ферментер.

2. Параметры, влияющие на биосинтез (физически, химические,

биологические)

1. Температура

- бактерии – 28°

-актиномицеты 4~–– 26-28°

-грибы -- 24°

2. Число оборотов мешалки  (для каждого м/о (микроорганизмы) –– разное число оборотов, разные 2х, 3х, 5-ти ярусные мешалки).

3. Расход подаваемого  на аэрацию воздуха.

4. Давление в ферментере

5. рН среды

6. Парциальное давление  растворенного в воде кислорода  (количество кислорода)

7. Концентрация углекислого  газа при выходе из ферментера

8. Биохимические показатели (потребление питательных веществ)

9. Морфологические показатели (цитологические) развитее клеток  м/о, т.е. надо следить в процессе биосинтеза за развитием м/о

10. Наличие посторонней  микрофлоры

11. Определение в процессе  ферментации биологической активности

Для проведения ферментации  необходимо добавлять пеногасители –– жиры (рыбий жир, синтетические жиры. В процессе ферментации в результате  метаболизма м/о образуется пена.

3. Виды процессов биосинтеза.

Процесс биосинтеза подразделяют на:

•. периодический,

•. полупериодический,

•. непрерывный,

•. многоциклический.

1. Периодический процесс - это такой процесс, когда в ферментер подается посевной материал, задаются определенные технологические параметры (температура, рН, обороты мешалки) и процесс проходит самостоятельно с образованием целевого продукта. Этот процесс экономически не выгоден, т.к. образуется мало целевого продукта.

2. Полупериодический процесс или регулируемая ферментация.

- отличается от периодического  процесса тем, что в процессе  ферментации в ферментер добавляются различные питательные вещества (источники углеводов, азота), регулируется рН в процессе ферментации, добавляется предшественник в определенный момент ферментации. Полупериодический процесс является экономически выгодным, имея большой выход продукции.

3. Непрерывный  процесс

Сущность которого в том, что из ферментера в процессе биосинтеза берется определенное количество культуральной жидкости и вносится в другой ферментер, в котором тоже начинается биосинтез. Культуральная жидкость выполняет функции посевного материала. В ферментер, из которого взяли часть культуральной жидкости, добавляется такое же количество воды и процесс биосинтеза в нем продолжается. Эта операция постоянно повторяется. Используя необходимое количество ферментеров и постоянно перенося часть культуральной жидкости из одного ферментера в другой достигается замкнутый цикл. Преимущество непрерывного процесса в том, что сокращается стадия выращивания посевного материала.

4. Многоциклический  процесс

Заключается в том, что в конце ферментации 90% культуральной жидкости сливается из ферментера, а оставшаяся часть выполняет роль посевного материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Определения понятий GLP , GCP, GMP

GLP – (Good Laboratory Practice) – хорошая лабораторная практика – правилаь организации лабораторных направлений.

GCP – (Good Сlinical Practice) – хорошая клиническая практика – правила организации клинических испытаний.

GMP – ( Good Manufacturing Practice) – хорошая производственная практика – правила организации производства и контроля качества лекарственных средств, это единая система требований к производству и контролю.

Правила GMP – это руководящий, нормативный документ, которому и производство и фирма обязаны подчиняться.

Правила GMP обязательны для  всех предприятий, выпускающих готовые лекарственные формы (ГЛФ), продукцию медицинского назначения, а также субстанции.

Самые жесткие требования предъявляются к инъекционным лекарственным препаратам.

В 1969 году около 100 государств в мире заключили многостороннее соглашения между собой. «Система удостоверения качеств фармацевтических препаратов в международной торговле». Система была введена под эгидой Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ). Эта система была введена для оказания помощи органам здравоохранения импортирующих стран в оценке технического уровня производства и качества закупаемых ими лекарственных препаратов. В последующие годы эта система многократно пересматривалась.

Система дает выгоды импортерам. Эта система дает преимущества и экспортерам (высокоразвитые страны), когда препараты идут на экспорт без лишних препятствий.

К экспортерам лекарственных  средств предъявляются следующие

требования:

1. В стране должна быть  государственная регистрация лекарственных  средств.

2. В стране должно быть  государственное инспектирование  фармацевтических предприятий.

3. В стране должны быть  приняты правила GMP.

Подобно Фармакопеям правила GMP неоднородны. Имеются:

• Международные правила GMP, принимает и разрабатывает Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ),

• Региональные – страны европейского экономического сообщества (ЕЭС),

• Правила GMP ассоциации стран Юго-Восточной Азии,

• Национальные правила GMP приняты в 30 странах мира.

Международные правила GMP по строгости требований усреднены, в  ряде стран правила более либеральные (в соответствии с техническим уровнем производства). В Японии национальные правила GMP строже международных.

Правила GMP имеют 8 разделов:

I Терминология

II. Обеспечение качества

III. Персонал

IV Здания и помещения

V Оборудование

VI Процесс производства

VII Отдел технического  контроля (ОТК)

VIII Валидация (утверждение)

1-вый раздел: терминология состоит из 25 пунктов (определений).

Определения, что  такое:

- фармацевтическое предприятие

- лекарственное вещество

- лекарственное средство

- карантин на сырье

- определение чистоты  помещений, асептических условий  и т.д.

2-ой раздел: обеспечение качества

Гарантию качества дает руководитель и квалифицированный персонал.

Условия обеспечения качества продукции на производстве:

- четкая регламентация  всех производственных процессов

- квалифицированный персонал

- чистые помещения

- современное оборудование

- регистрация всех этапов  производства и всех проводимых  анализов

- соблюдение и регистрация  порядка возврата неудачных серий

3-тий раздел: персонал

- руководящий персонал  должен иметь профильное образование  и практический опыт по производству лекарственных средств

- каждый специалист и  руководящий работник на предприятии  должен иметь строго определенные функции

- неруководящий персонал  должен иметь график подготовки  и переподготовки и график должен быть зарегистрирован

- требования соблюдения  личной гигиены, гигиена и поведение

регламентируются

4-тый раздел: здания и помещения

- производство должно  располагаться вне жилых зон

- требуется исключить  пересечение технологических линий

- производство беталактамных  антибиотиков должно осуществляться  в отдельном помещении (для исключения аллергических реакций)

- классификация помещений  по степени загрязненности механическими  и микробными частицами

- помещения должны быть  сухими

- помещения для производства  и контроля качества должны  иметь гладкие поверхности, доступные для мытья и дезинфекции, должны быть ультрафиолетовые установки (УФ), стационарные и переносные)

- для производства стерильных  лекарственных средств соединения  между стенами и потолками должны быть закругленными

- давление внутри помещений  должно быть выше, чем снаружи  на несколько мм ртутного столба

- должен быть минимум  открытых коммуникаций

- не должно быть скользящих  дверей, двери должны быть загерметизированы

- помещения для хранения  сырья должны быть отделены  от цехов производства.

5-ый раздел: оборудование

- оборудование должно  быть адекватно технологическому  процессу

- оборудование должно  размещаться та, чтобы его можно  было легко эксплуатировать

- все регистрирующие приборы  должны быть откалиброваны

- поверхность оборудования  должна быть гладкой, не коррозирующей,  не должна реагировать с веществами, задействованными в производстве

- должно быть рациональное  и продуманное размещение оборудования  – у персонала не должно быть лишних переходов в процессе работы

- оборудование должно  регулярно проходить профилактический  осмотр, что регистрируется в журналах

- оборудование для производства  беталактамных антибиотиков должно  быть отдельным.

6-ой раздел: процесс производства

- должен быть сертификат  качества на сырье

- перед отправлением на  производство партия сырья проверяется

- выдача сырья регистрируется

- сырье подвергается проверке  на микробную кантаминацию или  стерильность

- производственный процесс  должен быть так построен, чтобы  все было согласовано и безаварийно

- фильтры, содержащие  асбест, не рекомендуются

- постадийный контроль  процесса производства и его  регистрация в журналах (сырье  -полупродукты – рабочее место  – операции технологический режим  и т.д.). Порядок регистрации регламентируется, все записи делаются сразу  после контроля и результаты  хранят не менее 1 года.

7-ой раздел: отдел контроля качества (ОТК) – обязательный для

фармацевтических  предприятий

ОТК руководствуется государственными и отраслевыми документами, регламентирующими его деятельность

Задачи ОТК:

- не допускать выпуска  брака

- укреплять производственную  дисциплину

ОТК контролирует сырье и  полупродукты, участвует в планировании и проведении постадийного контроля и хранит образцы каждой серии продукции не менее 3-х лет.

8-ой раздел: валидация

Валидация – это оценка и документальное подтверждение  соответствия производственного процесса и качества продукции установленным требованиям.

Директор предприятия  специальным приказом назначает  руководящего сотрудника или специалиста со стороны для проверки качества работы какого- либо цеха, технологической линии и т.д.

Валидация может быть:

- периодическая,( проводится  постоянно)

- внеплановая ( при чрезвычайных  происшествиях, при изменении  технологии).

Валидация позволяет установить:

– соответствует ли технологический  процесс регламенту

- соответствует ли качество  готовой продукции требованиям  нормативной технологической документации

- соответствует ли оборудование  производственным целям

- каков предел возможности  производственного процесса

Валидация оценивает:

- сам процесс

- предел возможных отклонений

При этом составляется отчет, если имеются какие либо не соответствия или нарушения – то производственный процесс прерывается.

На биотехнологическом производстве внеплановая валидация проводится если:

- производство меняет  штамм продуцента

- изменена питательная  среда ( так как изменяется  метаболизм продуцента и он  может давать примеси).

GLP – правила организации лабораторных исследований

Новое лекарственное средство необходимо подвергнуть лабораторным испытаниям, прежде чем приступать к проведению клинических испытаний.

Лабораторные испытания ( in vitro, in vivo) проводятся на клетках,

бесклеточных системах и  животных.

При испытании на животных можно получить различные результаты, поэтому важна правильная организация  исследований.

Животные должны быть гетерогенны (разные), корм должен быть постоянным, одинаковым; требуется определенная планировка вивария, чтобы исключить  стресс у животных; животные должны быть жизнеспособны.

GCP – правила организации клинических испытаний

Лекарственное средство допускается  к клиническим испытаниям только после проведения лабораторных испытаний.

В правилах GCP изложены права  больных и добровольцев:

- испытуемые должны быть  информированы о том, что им  вводится новый лекарственный препарат и о его свойствах

- больные имеют право  на финансовое вознаграждение

- должен быть контроль  за ходом испытаний со стороны  медиков.

В Европе, Соединенных Штатах Америки (США) и России введены общественные комитеты по контролю за клиническими испытаниями лекарственных препаратов. В эти комитеты входят священники, представители смилиции и прокуратуры, медицинской общественности, которые наблюдают за испытаниями лекарственных препаратов.

Цель клинических испытаний - получение достоверных результатов: лекарство лечит, оно безвредно и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Вклад биотехнологии в окружающую среду

3.1. Экологические проблемы промышленной биотехнологии

• Экологические проблемы промышленной биотехнологии связаны с огромными технологическими выбросами воды и воздуха

  Экологическая опасность  определяется присутствием в  выбросах  живых или убитых  клеток микроорганизмов: 

1. живые клетки продуцентов могут изменить структуру экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т.д. и как результат – нарушить сообщества микроорганизмов.
2. прямое или косвенное воздействие на человеческий организм, (обслуживающий персонал и окружающее население).