(13)-第八章生物技術(shù)與健康

第八章生物技術(shù)與健康主要內(nèi)容1.生物技術(shù)概述2.細(xì)胞工程與健康3.基因工程與健康4.蛋白質(zhì)工程與健康5.生物技術(shù)制藥與健康6.生物芯片與健康7.生物技術(shù)的安全性和社會(huì)倫理問(wèn)題生物技術(shù)概述8.1.1生物技術(shù)概念生物技術(shù)(biotechnology)，也稱生物工程(bioengineering)，是指人們以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理，采用先進(jìn)的工程技術(shù)手段，按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達(dá)到某種目的。因此，生物技術(shù)是一門新興的、綜合性的學(xué)科。8.1.2生物技術(shù)內(nèi)容基因工程：主要涉及一切生物類型所共有的遺傳物質(zhì)核酸的分離、提取、體外剪切、拼接重組以及擴(kuò)增與表達(dá)等技術(shù)。細(xì)胞工程：包括一切生物類型的基本單位細(xì)胞的離體培養(yǎng)、繁殖、再生、融合以及細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)乃至染色體與細(xì)胞器（如線粒體、葉綠體等）的移植與改建等操作技術(shù)。蛋白質(zhì)工程：以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對(duì)生產(chǎn)和生活的需求。發(fā)酵工程：也有人稱為微生物工程，就是給微生物提供最適宜的發(fā)酵條件生產(chǎn)特定產(chǎn)品的一種技術(shù)。8.1.3生物技術(shù)發(fā)展史傳統(tǒng)生物技術(shù)應(yīng)該說(shuō)從史前時(shí)代起就一直為人們所開(kāi)發(fā)和利用，以造福人類。在石器時(shí)代后期，我國(guó)人民就會(huì)利用谷物造酒，這是最早的發(fā)酵技術(shù)?！艄爬系尼勗旒夹g(shù)◆發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)代生物技術(shù)的誕生1973年加州大學(xué)的Cohen等實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌間遺傳物質(zhì)的人工重組，轉(zhuǎn)入一個(gè)抗藥基因，使大腸桿菌獲得了抗藥性，第一例DNA重組技術(shù)成功。1978年Genetech公司和洛杉磯Hope市醫(yī)學(xué)中心將具有明顯醫(yī)藥實(shí)用價(jià)值的蛋白質(zhì)胰島素基因?qū)氲紼.coli中表達(dá)成功1980轉(zhuǎn)基因動(dòng)物首獲成功，美國(guó)人得到轉(zhuǎn)人生長(zhǎng)激素基因的超級(jí)鼠1983年美國(guó)人和比利時(shí)人將外源基因引入植物中，并穩(wěn)定遺傳1997年第一只克隆羊在英國(guó)Rosslyn研究所誕生8.1.4生物技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生一、基因工程藥品二、單克隆抗體與疾病診斷三、“生物導(dǎo)彈”四、基因診斷五、基因治療細(xì)胞工程與健康8.2.1細(xì)胞工程的概念細(xì)胞工程是指以細(xì)胞作為研究對(duì)象，應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的原理與方法，在細(xì)胞水平上進(jìn)行的操作，按照人們的意志設(shè)計(jì)改造細(xì)胞的某些遺傳性狀，從而培育出新的生物改良品種或通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)獲得自然界中難以獲得的珍貴產(chǎn)品的新興生物技術(shù)。8.2.2細(xì)胞工程的主要技術(shù)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)8.2.2細(xì)胞工程的主要技術(shù)細(xì)胞融合技術(shù)8.2.2細(xì)胞工程的主要技術(shù)細(xì)胞重組技術(shù)a細(xì)胞核移植b細(xì)胞器移植8.2.3單克隆抗體每個(gè)B淋巴細(xì)胞都只能分泌一種特異性的抗體蛋白質(zhì)，但是壽命有限。癌癥細(xì)胞在體外可以無(wú)限傳代增殖。B淋巴細(xì)胞+癌癥細(xì)胞=淋巴雜交瘤細(xì)胞通過(guò)這一技術(shù)大量制備單克隆抗體。單克隆抗體制備1984諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)CésarMilsteinGeorgesJ.F.K?hlerNielsK.Jerne8.2.4干細(xì)胞干細(xì)胞分類干細(xì)胞分類胚胎干細(xì)胞（EmbryonicStemCells,ESCs）是指從囊胚期的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中分離出來(lái)的，能在體外培養(yǎng)、具有發(fā)育全能性的干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞研究意義基因工程與健康8.3.1基因工程概念基因工程是指用現(xiàn)代遺傳學(xué)及分子生物學(xué)的理論和方法，按照人類的需要，用DNA重組技術(shù)對(duì)生物基因組的結(jié)構(gòu)或組成進(jìn)行人為修飾或改造，從而改變生物的結(jié)構(gòu)和功能，以便更經(jīng)濟(jì)、更有效地生產(chǎn)人類所需要的物質(zhì)和產(chǎn)品的技術(shù)。8.3.2基因工程內(nèi)容1.提取目的基因2.目的基因與運(yùn)載體結(jié)合3.目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞4.目的基因的檢測(cè)和表達(dá)8.3.3基因工程與醫(yī)藥8.3.3.1.分子導(dǎo)向藥物多抗腫瘤藥物（包括核素或毒素）往往由于缺乏作用的選擇性和特異性而無(wú)法付之臨床應(yīng)用，或勉強(qiáng)用于惡性腫瘤的治療而因毒副作用太大終歸于失敗.把抗腫瘤藥物、核素或毒素通過(guò)交聯(lián)技術(shù)同某種腫瘤的特異性單抗結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建成單抗偶合物,實(shí)踐結(jié)果并不像預(yù)想的那么理想。人們發(fā)展了從分子水平上改造基因并生產(chǎn)分子導(dǎo)向藥物的思想，實(shí)踐證明，分子導(dǎo)向藥物的效果是令人滿意的。白細(xì)胞介素Ⅱ（ⅠLⅡ）的N端５４個(gè)氨基酸的功能是專門結(jié)合輔助T細(xì)胞受體的。而白喉毒素則可以區(qū)分為三個(gè)區(qū)段；區(qū)段Ⅰ的功能是無(wú)特異性地破壞細(xì)胞蛋白質(zhì)合成的延長(zhǎng)而致死細(xì)胞，人們把白喉毒素的區(qū)段Ⅰ基因予以切除，把其區(qū)段Ⅱ～Ⅲ同ⅠLⅡ基因重新組合，這樣就形成了ⅠLⅡ—白喉毒素Ⅱ～Ⅲ的嵌合基因。再運(yùn)用基因工程技術(shù)高效表達(dá)該嵌合基因，從而提取純化出相應(yīng)的雜合蛋白質(zhì)。研究結(jié)果表明，這樣的雜合蛋白質(zhì)只結(jié)合并進(jìn)入和殺傷輔助T細(xì)胞，而對(duì)其他類型的細(xì)胞或組織無(wú)殺傷作用，實(shí)現(xiàn)了分子導(dǎo)向的目標(biāo)。據(jù)報(bào)道，曾應(yīng)用該毒蛋白治療了一例類風(fēng)濕病人。8.3.3.2.基因工程抗體單克隆抗體用于疾病治療不盡人意。原因在于目前治療的單抗，絕大多數(shù)為小鼠單抗。小鼠單抗是小鼠免疫球蛋白，對(duì)人體而言，則是一種異體蛋白，會(huì)引起人體產(chǎn)生人抗鼠抗體（HumanAnti-mouseAnti唱bodies，HAMA）。此時(shí)再度使用小鼠單抗，HAMA與小鼠單抗結(jié)合后，不但會(huì)中和單抗使之失效，還會(huì)產(chǎn)生有害的過(guò)敏反應(yīng)。為解決這一問(wèn)題，人們著手運(yùn)用基因工程技術(shù)對(duì)抗體進(jìn)行改造。單克隆抗體人源化8.3.3.3.基因治療基因治療的常規(guī)辦法是應(yīng)用逆病毒作載體，經(jīng)同外源基因重組后包裝成病毒顆粒，之后轉(zhuǎn)染受體細(xì)胞，外源基因?qū)⒄显谑荏w細(xì)胞的染色體上，并以其表達(dá)產(chǎn)物彌補(bǔ)原來(lái)缺失的基因產(chǎn)物。蛋白質(zhì)工程與健康8.4.1蛋白質(zhì)工程概念蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對(duì)生產(chǎn)和生活的需求。前提：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能原理：改造基因（基因修飾或基因合成）目的：定向改造或制造蛋白質(zhì)8.4.2蛋白質(zhì)工程的流程從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）8.4.3蛋白質(zhì)工程應(yīng)用人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正是提出啟動(dòng)兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行為：一項(xiàng)是有中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”。國(guó)際人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃（ＨＰＰ）是新世紀(jì)第一個(gè)國(guó)際大型科技合作計(jì)劃。中國(guó)科學(xué)家率先倡導(dǎo)并領(lǐng)銜了人類第一個(gè)器官（肝臟）國(guó)際蛋白質(zhì)組計(jì)劃（ＨＬＰＰ），開(kāi)中國(guó)引領(lǐng)國(guó)際大型科技合作計(jì)劃之先河生物技術(shù)制藥與健康8.5.1生物技術(shù)制藥概念生物技術(shù)制藥是指運(yùn)用微生物學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)等的研究成果，從生物體、生物組織，綜合利用微生物學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、生物技術(shù)、藥學(xué)等科學(xué)的原理和方法制造預(yù)防、治療和診斷藥品。8.5.2生物藥物作用機(jī)理（1）.調(diào)節(jié)核酸、蛋白質(zhì)、糖、脂的生物合成與分解；（2）.調(diào)節(jié)生物膜的物質(zhì)運(yùn)輸和信號(hào)感受；（3）.抑制、殺滅致病生物。8.5.3生物藥物類型1.調(diào)節(jié)因子2.蛋白聚糖類3.酶4.激素5.脂類6.抗體7.類毒素8.疫苗9.動(dòng)植物來(lái)源的生物藥品10.核苷，核苷酸11.維生素12.抗生素8.5.4基因工程制藥基因工程藥物是指利用基因工程技術(shù)研制和生產(chǎn)的藥物，主要包括重組蛋白多肽藥物、核酸藥物、DNA藥物和基因工程抗體等。8.5.4.1基因工程制藥優(yōu)點(diǎn)①利用基因工程技術(shù)可大量生產(chǎn)過(guò)去難以獲得的生理活性蛋白和多肽（如胰島素、干擾素、細(xì)胞因子等），為臨床試用提供有效的保障；②可以提供足夠量的生理活性物質(zhì)，以便對(duì)其生理、生化和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入地研究，從而擴(kuò)大這些物質(zhì)的應(yīng)用范圍；③利用基因工程技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)、挖掘更多的內(nèi)源性生理活性物質(zhì)；④內(nèi)源生理活性物質(zhì)在作為藥物使用時(shí)存在的不足之處，可以通過(guò)基因工程和蛋白質(zhì)工程進(jìn)行去除和改造；⑤利用基因工程技術(shù)可獲得新型化合物，擴(kuò)大藥物篩選來(lái)源。8.5.4.2基因工程制藥流程8.5.5微生物發(fā)酵制藥利用微生物技術(shù)，通過(guò)高度工程化的新型綜合技術(shù)，以利用微生物反應(yīng)過(guò)程為基礎(chǔ)，依賴于微生物機(jī)體在反應(yīng)器內(nèi)的生長(zhǎng)繁殖及代謝過(guò)程來(lái)合成一定產(chǎn)物，通過(guò)分離純化技術(shù)進(jìn)行提取精制，并最終制劑成型來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物產(chǎn)品的生產(chǎn)。藥用發(fā)酵產(chǎn)品分類生物來(lái)源作用對(duì)象作用機(jī)制化學(xué)結(jié)構(gòu)細(xì)菌真菌放線菌抗菌藥抗腫瘤藥抗病毒藥除草劑酶抑制劑免疫調(diào)節(jié)劑抑制細(xì)胞壁合成藥影響細(xì)胞膜功能藥干擾蛋白質(zhì)合成藥抑制核酸合成藥抑制生物能量反應(yīng)要抗生素維生素氨基酸核苷酸甾體激素酶及酶抑制劑生物芯片與健康8.6.1生物芯片概念生物芯片主要指通過(guò)平面微細(xì)加工技術(shù)在固體芯片表面構(gòu)建的微流體分析單元和系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸以及其他生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測(cè)?；蛐酒鞍踪|(zhì)芯片8.6.2生物芯片的應(yīng)用1.診斷腫瘤檢查腫瘤組織基因表達(dá)譜、尋找腫瘤相關(guān)基因、腫瘤基因突變的研究。2.檢測(cè)病原體將許多代表每種微生物的特殊基因制成一張芯片，判斷患者感染病原體的種類。3.遺傳性疾病的診斷生物技術(shù)的安全性和社會(huì)倫理問(wèn)題8.7.1生物技術(shù)的安全性轉(zhuǎn)基因技術(shù)的安全性1.影響非目標(biāo)生物2.可能引發(fā)新的環(huán)境問(wèn)題3.導(dǎo)致生態(tài)災(zāi)難4.威脅人體健康基因工程的安全