ABCT 101 · 第一講 · Introduction to Biologics

📚 第一講 · Introduction to Biologics Dr. Clarence Wong · 2026-09-02

生物藥由活細胞製造——製程即產品。本講建立小分子的差異、歷史脈絡,以及胜肽的兩大問題與三大修正。

101 · L1 Introduction to Biologics

Master Logic 主線邏輯

  • Biologics → 源自活體/細胞的治療產品,分子大且複雜,多數需注射
  • Small molecule vs Biologic → 小分子化學合成可口服入胞內;生物藥活細胞生產、靶胞外、批次變異→「製程即產品」
  • Recombinant DNA → 把人類基因植入細菌/細胞,量產蛋白藥,是整個領域的基礎技術
  • Peptide problem → 易被蛋白酶降解+口服吸收差,靠環化/D-氨基酸/脂化補救
  • Antibody advantage → 大尺寸(150 kDa)帶來高特異性,可打蛋白質間介面,經 FcRn 延長半衰期

Definition 定義

生物藥=活細胞(或其細胞)製造的治療產品:大、複雜、多數要注射。

  • Biologics → 廣義治療產品,源自活體或其細胞;通常為大且複雜的分子(胜肽、蛋白、核酸或細胞),用於治療、診斷或預防疾病
  • 五大組成範疇:Nucleic acid、Vaccine、Cell therapy、Protein、Peptide
  • 與小分子的根本差異:生產用活細胞,作用多在胞外

Small Molecules vs. Biologics 小分子對比生物藥

小分子化學合成、口服、作用於細胞內;生物藥細胞製造、注射、作用於細胞外——製程即產品。

項目Small molecule 小分子Biologic 生物藥
Size 尺寸約 180–600 Da(aspirin 180 Da)大(insulin 約 58 kDa,antibody 約 150 kDa)
Production 生產化學合成/天然萃取純化活細胞(細菌、酵母、哺乳類)→ 發酵/細胞培養
Target 靶點位置胞內(酶、受體、DNA)胞外(細胞表面受體、循環蛋白)
Administration 給藥通常口服注射/輸注(口服易被分解)
Stability 穩定性穩定、耐熱怕熱怕光、有微生物污染風險
Characterization 表徵精確、完全確定複雜、批次差異→「製程即產品」

Four Major Types 四大組成

四大組成:胜肽/蛋白、多醣、核酸、細胞,一次記全。

  • Peptide / Protein 胜肽/蛋白 → 胺基酸鏈,由活體產生,設計來與特定生物標的互作;例:insulin、mAbs
  • Polysaccharide 多醣 → 長糖鏈,源自生物來源,參與免疫調節或結構功能
  • Nucleic acid 核酸 → DNA/RNA,設計來改變基因表現或提供製造蛋白的指令給細胞(mRNA 疫苗、基因治療)
  • Cell-based 細胞製劑 → 活或死細胞,能修復組織或調節免疫反應(CAR-T、幹細胞)

Timeline of Biologics 生物藥時間線

時間線要當一條鏈記;最常考的陷阱是 1977(首個重組蛋白)vs 1982(首個獲批藥)。

  • 1796 → Edward Jenner,首支疫苗(牛痘防天花)
  • 1880 → Pasteur,首支減毒疫苗(雞霍亂)
  • 1885 → Pasteur,狂犬病疫苗
  • 1922 → Banting & Best 發現 insulin(首個生物療法;1923 Nobel)
  • 1974 → Köhler & Milstein — 單栋抗體技術(hybridoma)
  • 1928 → Fleming 發現 penicillin(小分子,但為時代轉捩點;1942 用作藥)
  • 1975 → Köhler & Milstein,hybridoma→單株抗體
  • 1982 → 首個 recombinant protein:人類 insulin(Humulin),Genentech/E. coli
  • 1986 → 首個 mAb 藥:Muromonab-CD3 (OKT3)
  • 2000 → 首個 ADC:Mylotarg(gemtuzumab ozogamicin)治 AML
  • 2010 → 首個細胞療法:Sipuleucel-T (Provenge)
  • 2017 → 首個 CAR-T:Kymriah(tisagenlecleucel)
  • 2020 → mRNA COVID 疫苗(Pfizer-BioNTech、Moderna)
  • 2021 → 首個 CRISPR 基因治療

Recombinant Insulin — Real-world Hook 重組胰島素

重組胰島素:由狗胰臟萃取走到基因工程量產——重組 DNA 的第一場勝利。

  • Insulin 是整個領域的主線:1921 發現 → 動物來源(豬胰)→ 1982 首個 recombinant 藥(Humulin)
  • 這正是 recombinant DNA(Berg 1972、Cohen & Boyer 1973)成為後續一切(mAbs、荷爾蒙、酶)基礎技術的原因

Advantages of Biologics 生物藥優勢

生物藥的四大優勢——精準、未滿足需求、尖端技術、嚴謹製造——全部源自「大而特異」。

  • High specificity 高特異性 → 鎖鑰結合,脫靶副作用少
  • Address unmet needs 補足未滿足需求 → 小分子難及的複雜/罕見疾病
  • Advanced technology 先進技術 → FDA 支持推動醫療創新
  • Rigorous manufacturing 嚴謹製造標準 → 一致品質與安全
  • Precision medicine 精準醫療 → 按病人生物特徵量身訂做
  • 尺寸階梯:aspirin 180 Da < peptide 2,000 Da < insulin 58 kDa < antibody 150 kDa

Peptide Drugs 胜肽藥物(500–5000 Da,「介於小分子與蛋白之間」)

胜肽介於小分子與蛋白之間:夠特異又能穿透組織,但清除快。

  • 由 20 種胺基酸組成;9 種 essential 必需胺基酸(histidine、isoleucine、leucine、lysine、methionine、phenylalanine、threonine、tryptophan、valine)
  • Peptide bond 胜肽鍵 = amide bond(縮合反應)
  • 兩大核心問題:易被蛋白酶快速降解+口服生物可用度差(胃酸)
  • 胜肽在體內多參與短效過程(快速訊號、調節、即時生理反應),因降解與清除快

Peptide Synthesis Pioneers 胜肽合成先驅

胜肽合成先驅:由萃取到化學合成到重組表達,產能一路被解放。

  • Emil Fischer → 闡明胜肽鍵
  • Vincent du Vigneaud → 合成 oxytocin(首個被合成的胜肽荷爾蒙)
  • Bruce Merrifield → 固相合成法(solid-phase synthesis)
  • James Tam → 化學連接法(chemical ligation)合成完整蛋白

Ancient Drug Discovery 古代藥物發現

科學之前只有試錯:草藥、發霉麵包敷傷口、釀酒發酵。

  • 早期人類知識有限、無系統方法,藥物來自植物與草藥
  • Shennong 神農 → 教農業與藥用植物;傳說嘗遍每種植物以試藥
  • Empirical knowledge 經驗知識與試錯 → 經觀察與經驗發展療法
  • 古人將 mouldy bread 發霉麵包、moist soil 濕泥 敷於傷口防感染——比 penicillin 早千年的抗生素效果
  • 350 AD → Nubian 從啤酒萃取成分;啤酒發酵涉及特定細菌

Germ Theory 微生物理論

Pasteur 終結瘴氣說:細菌學說、巴氏消毒、疫苗由此誕生。

微生物理論之前之後
壞空氣/miasma 瘴氣(來自腐敗有機物)Louis Pasteur(1822–1895),免疫學之父,與其他科學家發展 germ theory 微生物理論、pasteurisation 巴斯德消毒、vaccination 疫苗——免疫學誕生
體液失衡(blood 血、phlegm 痰、yellow bile 黃膽、black bile 黑膽)
超自然力量——詛咒、惡魔、憤怒的神
無滅菌概念

Cholera Vaccine & Attenuation 霍亂疫苗與減毒(意外發現)

減毒是意外——放壞的培養物不但沒殺死雞,反而讓牠們免疫。

  1. Pasteur 助手把雞霍亂培養物 整個夏天擱置,使其減弱
  2. Pasteur 用老化減弱培養物接種雞,預期牠們生病
  3. 雞 沒有生病——令他意外
  4. 接觸新鮮強毒細菌時,先前接種的雞 保持健康
  5. 結論:減弱細菌已 免疫 牠們→經 attenuation 減毒 發現疫苗

霍亂背景:腸道感染產毒細菌引起的急性腹瀉病——全球每年估計 2.9 million cases 與 95,000 deaths。

Insulin Discovery 胰島素發現(1921–1923,首個生物療法)

胰島素:Banting 的假說 → 狗的實驗 → Collip 純化 → 1922 首位病人 → 1923 Nobel。

疾病背景:第一型糖尿是慢性 自體免疫 疾病,免疫系統攻擊並摧毀胰臟製造 insulin 的 beta cells β 細胞→嚴重或缺 insulin。insulin 是讓細胞於餐後吸收血糖作能量或儲存的荷爾蒙。

步驟誰/何時發生何事
120 世紀初已知胰臟調節血糖,但機制不清
2Banting 構想,1920加拿大外科醫生假設胰臟萃取物可經「內分泌」治糖尿
3John Macleod多倫多大學——提供實驗室、設備與醫學生 Charles Best
4狗實驗,1921切除胰臟誘發糖尿,再注射胰臟萃取物降血糖
5數月後成功分離名為 insulin 的萃取物,顯著降低糖尿狗血糖
6James Collip生化工加入 純化 萃取物,使其適合人用
71922 年 1 月 11 日首位病人、14 歲 Leonard Thompson;初反應後用更純形式成功降血糖
81923 NobelBanting 與 Macleod 獲生理醫學獎;Banting 把獎金分給 Best

Recombinant DNA Technology 重組 DNA 技術(基礎平台)

重組 DNA:概念 → 1972 Berg → 1973 Cohen & Boyer → 1977 首個重組蛋白 → 1982 Humulin。

年份誰突破
1970s 初—結合不同來源 DNA → 重組 DNA 概念
1972Paul Berg結合兩種病毒 DNA,證明不同來源 DNA 可重組→技術基礎
1973Stanley Cohen & Herbert Boyer將重組 DNA 植入細菌,創首個 GMO;證明細菌可表現外源基因
1977Genentech首個人類重組蛋白——somatostatin 體抑素——於基因改造 E. coli 生產
1978Genentech將人類 insulin 基因克隆入 E. coli → 細菌產人類 insulin
1980Paul Berg因重組 DNA 獲諾貝爾化學獎
1982FDAHumulin 獲批——首個獲准人用人類重組治療產品

Six Applications of Recombinant DNA 重組 DNA 六大應用

六大應用:治療蛋白、疫苗、工業酵素、研究、藥物開發、基因工程。

#應用例子
1Therapeutic proteins 治療蛋白insulin(糖尿)、mAbs(癌症)、凝血因子(血友病)
2Vaccines 疫苗肝炎 B、COVID-19
3Industrial enzymes 工業酶清潔劑、食品加工、生質燃料
4Molecular biology research 分子生物研究研究蛋白功能與互作
5Drug discovery 新藥發現試驗中的標的與治療候選
6Genetic engineering 基因工程工程生物與合成路徑

CRISPR-Cas9 基因編輯

CRISPR 在 2012 年變成可編程(Charpentier & Doudna);2019 首個療法;2020 Nobel。

  • 1987–2000s 發現:CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)序列首見於 細菌基因體,參與 細菌抗病毒免疫;當時意義未明
  • 2012 關鍵時刻:Emmanuelle Charpentier 與 Jennifer Doudna 證明 CRISPR-Cas9 可編程鎖定特定 DNA 序列——精準可編程的基因編輯工具
  • 2013–2015 概念驗證:多團隊(Feng Zhang Broad Institute、George Church Harvard)於 mammalian cells 哺乳類細胞編輯基因,證治療潛力
  • 2019 里程碑:beta-thalassemia β-地中海貧血 病人接受 CRISPR 基因治療 CTX001,輸血需求大減(講義標註「Ethical concern?」)
  • 2020 諾貝爾化學獎 頒予 Charpentier 與 Doudna(「基因剪刀」)

超越遺傳病:癌症、病毒感染(HIV)、衰老相關;編輯免疫細胞抗腫瘤;於感染細胞內關閉病毒基因。Gene drives 基因驅動 控制傳瘧蚊群;農業 抗旱與提升營養(如含藍莓抗氧化與抗發炎化合物的基改番茄)——皆有生態與倫理考量。

Amino Acids 胺基酸結構基礎

胺基酸=α 碳+氨基+羧基+氫+側鏈;側鏈定義 20 種,其中 9 種必需。

  • 每個胺基酸有 central alpha carbon 中央 α 碳 形成四個共價鍵:羧基(–COOH)、胺基(–NH₂)、氫、側鏈功能基
  • 側鏈 使 20 種胺基酸各自獨特,決定胜肽性質
  • Nonessential 非必需胺基酸 = 體內可自行合成,不需從飲食攝取
  • Polypeptide 多胜肽 = 長胺基酸鏈;功能蛋白由一或多條鏈組成。胺基酸序列由 DNA 序列決定

蛋白七大功能:酶促活性·結構支撐·訊號傳導·運輸·荷爾蒙調節·受體結合·肌肉收縮。

Cyclisation 環化(5 大益處)

環化五大益處:穩定、親和力、生物可用度、降免疫原性、優化 PK。

益處機制
Increased stability 增穩定抗酶解→較長半衰期
Enhanced binding affinity 增親和力較剛性確定結構→更好親和力與特異性
Improved bioavailability 增生物可用度更易穿細胞膜
Reduced immunogenicity 降免疫原性環化結構較不觸發免疫
Optimised pharmacokinetics 優化藥動較佳 PK→減少給藥頻率

兩種環化化學:① disulfide bond 雙硫鍵(側鏈對側鏈)——見 oxytocin;② head-to-tail amide bond 頭尾酰胺鍵。講義特別提醒:人體不會製造環狀胜肽——天然環肽來自植物與細菌。

Kalata B1 & Cyclotides 環肽來源

Cyclotide 是天然的超穩定環肽骨架——口服胜肽藥的模板。

  • 挪威醫生 Lorents Gran 於剛果紅十字任務中,觀察非洲婦女用 Oldenlandia affinis 葉泡茶催生與助產
  • 活性成分後確認為胜肽 kalata B1,得名自原生藥名 kalata-kalata——這是 cyclotide 環肽 領域的起點
  • 萃取流程:白花蛇舌草 Hedyotis diffusa 與 双花耳草 Hedyotis biflora——30 kg 新鮮植物,沸水萃取;因胜肽較水溶性,留於 aqueous layer 水層,以 MALDI-TOF MS 鑑定

D-Amino Acids & Unnatural Amino Acids D-氨基酸與非天然胺基酸(5 益處)

D-氨基酸蛋白酶認不出 → 五益處全部圍繞「抗降解」。

益處機制
Increased resistance to degradation 抗降解蛋白水解酶不辨認→較長半衰期
Enhanced stability 增穩定改善結構穩定,減少變性
Improved bioavailability 增生物可用度更好吸收,於血流中保持活性
Altered binding specificity 改結合特異性微調結合性質→潛在更高標的特異性
Reduced immunogenicity 降免疫原性較不被免疫系統辨認

Enantiomers 對映異構物 為核心概念;Gramicidin(細菌胜肽,運輸鉀離子過膜)是經典 D-氨基酸例子。

Lipidation 脂化(6 益處)

脂化六益處,包括增細胞穿透與自組裝——唯一同時解決穿膜的修正。

益處機制
Increased stability 增穩定抗酶解→較長半衰期
Enhanced bioavailability 增生物可用度改善吸收與分佈
Better cell penetration 增穿膜易進入細胞
Targeted delivery 標靶遞送導引至特定組織或器官
Prolonged circulation 延循環增與血清蛋白(如 albumin)結合→較長循環
Self-assembly 自組裝形成奈米結構以控制釋藥

Daptomycin 機制

Daptomycin:鈣依賴結膜 → 孔隙 → 去極化 → 不溶裂而死(較少發炎碎片)。

  • Daptomycin 是 FDA 核准的 cyclic lipopeptide 環狀脂肽 抗生素,治特定皮膚與軟組織細菌感染,被視為 最後防線抗生素
  • 機制:鈣依賴結合細菌細胞膜→形成 membrane pores 膜孔隙→引起 rapid depolarisation 快速去極化→膜電位喪失→cell death without lysis 細胞死亡但不溶裂(不爆破故釋出發炎碎片少)

Why the Biologics Market Grows 市場增長原因

市場增長三個驅動:疾病負擔、耐受性、管線。

  • Rising disease burden 疾病負擔上升 → 癌症、糖尿、自免疾病率增推升需求
  • Better tolerability 耐受較佳 → 標靶治療副作用少,適合複雜疾病
  • Robust pipeline 強健管線 → 大量臨床試驗中的生物藥承諾新療法

Key Terms 關鍵術語

本講關鍵術語一次看全。

English中文邏輯
Small molecule化學合成、可口服、入胞內、結構確定
Biologic活細胞生產、多注射、靶胞外、批次變異→「製程即產品」
Four types胜肽/蛋白、多醣、核酸、細胞(CAR-T)
Attenuation減弱病原體→誘發免疫而不致病(疫苗原理)
Recombinant DNA外源基因植入宿主表現,量產治療蛋白
Cyclisation成環抗酶解、增親和力、降免疫原性
D-/unnatural AA蛋白酶不辨→抗降解、延半衰期
Lipidation接脂肪酸鏈→增穩定、穿膜、自組裝
CRISPR-Cas9可編程基因剪刀,2020 諾貝爾化學獎

Mechanisms 機制

機制總表。

  • Recombinant DNA → 1972 Berg 重組病毒 DNA;1973 Cohen & Boyer 植入細菌成首個 GMO;1977 somatostatin 首個重組蛋白;1982 Humulin 首個獲批重組藥
  • Insulin discovery → 1921 狗實驗;1922-01-11 首例 Leonard Thompson;1923 Nobel
  • Cyclisation → 剛性環減少酶解位點,延半衰期、增特異性
  • Daptomycin → 鈣依賴結膜→孔隙→去極化→細胞死亡(不溶裂)
  • CRISPR-Cas9 → 引導 RNA 鎖定 DNA,Cas9 切斷並編輯基因

Drug / Receptor Table 藥物受體表

藥物與受體對照表。

Drug / Receptor中文邏輯Effect / Use
Insulin (Humulin)重組人類胰島素糖尿病(首個生物療法)
PenicillinFleming 1928 發現(小分子)抗生素(1942 起用)
Somatostatin1977 首個重組蛋白(概念驗證)非獲批藥,證明平台可行
Ziconotide海蝸毒環肽,3 雙硫鍵、擬環結構陣發性劇痛
Kalata B1植物環肽(Oldenlandia affinis)催生/助產;環肽研究起點
Oxytocindu Vigneaud 合成的首個胜肽荷爾蒙催生(子宮收縮)、產後止血
Daptomycin環狀脂肽,最後防線抗生素革蘭氏陽性皮軟組織感染
Gramicidin含 D-氨基酸的細菌胜肽運輸鉀離子過膜

Clinical / Business Logic 臨床與商業邏輯

由分子到市場的推理鏈。

  • Market growth → 癌症/糖尿/自免疾病負擔升+耐受較好+管線強
  • Recombinant DNA → 啟用治療蛋白、疫苗、工業酶、研究、新藥發現、基因工程
  • Kalata B1 / cyclotide → 植物環肽啟發口服胜肽藥;化學重設骨架求腸道存活(Wong 實驗室主線)
  • Daptomycin → 最後防線抗生素,顯示脂化環肽的臨床價值

Exam Focus 考點

  • Size ladder:aspirin 180 Da < 胜肽 2,000 Da < insulin 58 kDa < antibody 150 kDa
  • 1977 somatostatin(首重組蛋白)≠ 1982 Humulin(首獲批重組藥);insulin 發現於 1921/22
  • 抗體(150 kDa)勝小分子:① 特異性高;② 可打蛋白質間介面;③ 經 FcRn 回收延長半衰期
  • CRISPR 2020 Nobel(Charpentier & Doudna);減毒疫苗概念源自 Pasteur 意外
  • Penicillin 是小分子但為時代轉捩點;不要把 1928 發現與 1942 用藥混淆

Course map 課程地圖 —— 期中考到底考多少

期中考覆蓋 L1–L6;本講是整門課的起點。

週日期主題講者
19 月 2 日生物藥導論CW
29 月 9 日蛋白質、抗體及相關生物藥CW
39 月 16 日核酸、醣類與遞送策略CW
4–69 月 23 日 – 10 月 7 日Bioinformatics —— genomics、transcriptomics、proteomics、multi-omicsQM
710 月 14 日期中考 —— 覆蓋 Lecture 1–6CW
810 月 21 日免疫學 L1 —— 基本概念、三道防線、PAMP/PRRWT
910 月 28 日L8 結構生物學(上)—— X-ray、NMR、SAXS、Cryo-EMTL
1011 月 4 日免疫學 L2 —— 先天與適應性免疫、抗體、MHCWT
1111 月 11 日免疫學 L3 —— 補體系統、MHC 呈遞、疫苗、四型過敏WT
1211 月 18 日結構生物學在藥物發現的應用TL
1311 月 25 日溫習週 —— 停課—
教學團隊負責模組
Dr. Clarence Wong課程負責人 —— 蛋白質、胜肽、抗體
Dr. Quanhua MuBioinformatics
Dr. William TaiImmunology
Dr. Ted Li結構生物學
考核佔比形式
課堂參與10%出席 + 課堂互動
期中考35%60 題 MCQ/1.5 小時 —— 覆蓋 Lecture 1–6
期末考55%100 題 MCQ/2 小時 —— 覆蓋全部內容
考試範圍比頭三講闊 期中考覆蓋 Lecture 1–6,不止 Wong 這一段。Lecture 4–6 是 Prof. Mu 的 bioinformatics 序列 —— genomics、transcriptomics、proteomics、multi-omics —— 9 月 23 日到 10 月 7 日上,即是最後一講距離考試只剩一星期。要有心理準備:最後兩星期會有三講全新內容湧入。
Exam focus 考點 —— 三個數字 10 月 14 日 · 60 題 MCQ/1.5 小時 · 覆蓋 Lecture 1–6。期末考 100 題 MCQ/2 小時,覆蓋全課程。

來源:講座錄音筆記中重現的課程日曆與考核投影片。Immunology 在日曆上列作第 8–9 週,但教學團隊投影片寫 Lecture 7–9;兩者不一致時,此處以日曆為準。

必需氨基酸 —— 考場上撐得住的口訣

九種必需氨基酸記成 PVT TIM HALL:人體無法自行合成,必須從食物取得 —— 這是少數值得帶進考場的純記憶工具。

口訣字母氨基酸
P苯丙氨酸 Phenylalanine
V纈氨酸 Valine
T蘇氨酸 Threonine
T色氨酸 Tryptophan
I異亮氨酸 Isoleucine
M甲硫氨酸 Methionine
H組氨酸 Histidine
A精氨酸 Arginine*
L亮氨酸 Leucine
L離氨酸 Lysine

*精氨酸屬條件性必需 —— 正常情況可在尿素循環中合成,但傳統口訣保留了這個字母。若題目要求嚴格的九種,就去掉精氨酸,保留 纈、異亮、亮、離、甲硫、苯丙、蘇、色、組。

課程評分(投影片 p4,原筆記未收)

項目比重形式
In-class participation10%出席與課堂參與
Midterm Quiz35%60 題 MCQ、1.5 小時
Final Examination55%100 題 MCQ、2 小時

另外投影片有 Subject Calendar 一頁(逐週日期與講者),與官方 docx 時間表不一致——以講師實際授課為準(見免疫學 L1 的說明)。

One-line Summary English: Biologics are cell-made macromolecules that replaced chemistry with biology, and recombinant DNA made them scalable.
中文邏輯:生物藥=用活細胞造藥,瓶頸由化學轉為製程與遞送;重組 DNA 是量產的基礎技術,胜肽的三大補救(環化/D-氨基酸/脂化)是口服化的關鍵。