現代生物技術五大分支及其醫學應用

徐紹涵，徐蕾涵

（1.河北冀州中學，河北衡水053200，2. 東北大學，遼寧沈陽110169）

現代生物技術五大分支及其醫學應用

徐紹涵1，徐蕾涵2

（1.河北冀州中學，河北衡水053200，2. 東北大學，遼寧沈陽110169）

現代生物技術迅猛發展，在生物領域和醫學領域的應用越來越廣泛。本文通過對現代生物技術相關文獻資料的查詢和整理，主要介紹現代生物技術五大分支及其在醫學領域的應用，為現代生物技術在醫學領域的深入研究提供更多的理論參照。

基因工程；蛋白質工程；細胞工程；微生物工程；酶工程；醫學應用

現代生物技術是指以現代生命科學為基礎，應用生物化學、分子生物學、細胞生物學、分子遺傳學等生物科學的基礎理論，結合并采用科學先進的工程技術手段，按照人們預先做好的精心設計，對現有生物體或者是加工生物的原料進行改造，為人類生產出所需要的新生物產品或達到某種特定目的的一門應用型科學技術。所以，現代生物技術是不僅傳承了傳統生物技術的內容，也拓展出了新的、更廣泛的研究領域。目前，全世界各國地區對于現代生物技術都十分的重視，并且，我國也把現代生物技術相關內容列為重點發展的科研項目。現代生物技術主要包括5大分支：基因工程、蛋白質工程、細胞工程、酶工程、微生物工程等，已被廣泛應用于醫學、食品、農業和環保等領域，本文主要介紹現代生物技術五大分支及其在醫學方面的應用。

1 基因工程及其醫學應用

基因工程又稱為遺傳工程或DNA重組技術，是指目的基因在體外下通過酶的作用進行分子重組構成新的重組核酸分子，植入到受體細胞當中，使目的基因可以在細胞中表達，使重組或改進的基因在生物體內表達發揮作用，從而改變生物的特性。在操作的過程中可以進行適當標記，以便觀察和檢測目的基因表達情況。利用基因工程，人類可以按照自己的意愿來改變生物的遺傳特性，甚至創造出新的物種。基因工程是現代生物技術中一項最核心的技術，在醫學領域有很廣泛的應用［1］。

1.1 基因工程制藥

基因工程的發展為工業制藥領域開辟了新的篇章，由于基因工程使人類可以按照特定的意愿改變生物特性，解決了藥物生產技術問題和相關的經濟問題。通過基因工程可以生產大量優質價廉的新型藥物，目前使用最廣泛的基因工程類藥物有胰島素、干擾素、白介素、集落刺激因子類藥物、促進紅細胞生成素、人生長激素、人表皮生長因子、人造血液等等，它們對預防和治療心腦血管疾病、腫瘤、血液病、類風濕病、糖尿病及各種遺傳病和傳染病等起著重要作用。例如基因工程在糖尿病治療藥物胰島素的生產中，可以通過DNA重組技術，得到大量的胰島素，不僅降低了患者的治療成本，也產生了巨大的社會效益。目前，基因工程正在應用與通過轉基因動植物生產基因藥物，并不斷取得新的成果。

1.2 基因工程疫苗

基因工程生產的各種抗病毒疫苗，也在醫學領域展現了卓越的成就，通過基因工程生產的乙肝疫苗、出血熱病毒疫苗、狂犬病疫苗、輪狀病毒疫苗、虐原蟲疫苗、血吸蟲疫苗及各種抗病毒已廣泛應用于臨床，增強了人類抗病免疫力。乙肝、狂犬病等一直是人類健康的一大殺手，并且在很長一段時間內沒有得到有效的解決，而運用基因工程研制出了乙肝、狂犬病疫苗，增強了人類對于這類病毒的抵抗能力，大大降低了發病率和死亡率［2，3］。此外，在腫瘤的治療領域，傳統放療化療的治療手段會產生很多毒副作用，造成患者免疫力下降，身體虛弱，而基因工程提出利用單克隆抗體研制的“生物導彈”，就是讓它按照人類的設計，以癌細胞作為攻擊的目標，在發射出“生物導彈”后它能準確針對目標細胞，避開健康細胞，從而降低了多種毒副作用，做到對腫瘤的靶向治療。在艾滋病的治療研究中，通過基因工程用于預防和治療艾滋病的基因疫苗已經取得進展，在不久的將來就會面世并應用于臨床。

1.3 基因工程治療

基因工程的發展在人類疾病的預防治療上發揮了重要作用，在目前的臨床醫學實踐中已經得到證實并將發揮更加巨大作用。基因工程治療主要有兩種方式，一種是體細胞基因治療，另一種是生殖細胞基因治療。生殖細胞基因治療是直接對生殖細胞進行治療，理論上是可行的，但因能引起遺傳改變和倫理困擾，生殖細胞基因治療發展受到限制。體細胞基因治療因其基因型改變僅限于某一類體細胞，其影響也只限于某個個體的當代，是可以進行的基因治療方式。基因工程能夠治療那些對人類健康威脅嚴重的疾病，包括遺傳病（如血友病、囊性纖維病、家庭性高膽固醇血癥等）、惡性腫瘤、心血管病、感染性疾病（如艾滋病、類風濕等）等。目前僅已知的遺傳疾病就有4000多種，既有單基因缺陷癥也有多基因綜合癥，醫務工作者運用基因工程技術的基因矯正、基因更換、目標打靶治療等技術手段，置換缺陷基因，插入健康基因，可以達到從根本上預防和治療遺傳病的目的。同時基因工程技術在器官移植手術當中的應用，克服了由于器官移植所造成的免疫排斥作用，成功實現了不同人體甚至不同物種之間的器官移植，包括心臟、腎臟、肝臟、胰、肺、腸等器官移植，不僅有單器官移植，還有多器官聯合移植，人和動物之間的器官移植也將很快會應用于臨床。

1.4 基因工程診斷

運用基因工程技術手段診斷疾病，能夠從基因中快速、簡單、準確的找到致病的根本原因，為根治遺傳性疾病和腫瘤、艾滋病等絕癥提供新的診斷手段。目前，常用的基因診斷技術有核酸分子雜交、聚合酶鏈反應（PCR）、核酸序列分析法等，其中PCR基因診斷技術是在基因水平上對人體基因進行診斷的最新技術，能夠篩選出早期癌變等基因疾病。此種基因診斷方法已經不限于癌癥的診斷，還用于幾十種遺傳疾病的癥狀前診斷和產前診斷。PCR基因診斷技術還被法醫用在鑒定犯罪上，只要在案發現場采集到一根毛發、一滴血甚至極微量的唾液、精斑、精子等，都能為偵破案件提供證據。

2 蛋白質工程及其醫學應用

蛋白質工程是在DNA重組技術、分子生物學、生物化學、分子遺傳學等學科的基礎上，融合蛋白質晶體學、蛋白質動力學、蛋白質化學和計算機輔助設計等多學科而發展起來的一門新興學科。基因工程只能生產自然界已經存在的蛋白質，而蛋白質工程是按照人們的意愿運用基因工程的手段對自然界已存在的蛋白質進行改造或創造出自然界不存在的全新蛋白質，由于蛋白質工程是基因工程基礎上延伸發展起來的，在技術方面與基因工程有許多相同之處，所以蛋白質工程又被稱為第二代基因工程。蛋白質工程匯集了當代生物科學前沿領域最新成果，它把核酸與蛋白質相結合、蛋白質空間結構與生物功能相結合起來進行研究，大大推動了蛋白質和酶的研究，蛋白質工程在生物制藥行業的應用已展示出誘人的前景。當前生物技術藥物的發展已進入蛋白質工程藥物新時代，蛋白質工程藥物正逐漸取代第一代基因工程多肽蛋類治療劑，應用基因工程技術生產的一級結構與天然產物完全一致的重組藥物是第一代生物技術藥物，應用蛋白質工程技術生產的自然界不存在的重組藥物是第二代生物技術藥物。第一代生物技術藥物與第二代生物技術藥物相比，具有穩定性差、體內半衰期短、毒副作用大、生產工藝復雜、藥理活性弱、用藥劑量偏大等不足。在生物制藥中通過運用定點突變技術、體外定向進化技術、轉運RNA介導技術等蛋白質工程技術，能夠起到提高藥效活性、提高藥物穩定性、實現藥物靶向性治療、提高制藥工業生產效率、降低蛋白類藥物引起的免疫反應等作用。以下實例均說明蛋白質工程在醫藥方面的作用。

2.1 提高蛋白質穩定性的應用實例

納豆激酶在心腦血管藥物的開發上具有很高的應用價值，但是納豆激酶在實際應用中存在穩定性差、極易被氧化等缺陷，科學家采用蛋白質工程技術手段對納豆激酶進行定點突變，在其序列中引入絲氨酸和丙氨酸并改變相應的催化殘基及其附近的蘇氨酸位點，成功讓其在大腸桿菌中高效表達，從而提高了穩定性和抗氧化能力［4］。

2.2 融合蛋白質的應用實例

水蛭素是一種抗凝蛋白藥物，在臨床上對血栓病的預防和治療具有良好的效果，但是水蛭素具有體內代謝快半衰期短、只有抗凝作用沒有溶栓功能、用藥劑量大時易發生出血現象等不足，科研工作者將水蛭素與輔助多肽融合表達，使水蛭素可以在體內緩慢釋放，成功延長其半衰期；將水蛭素與其它溶栓蛋白融合表達，使水蛭素具有了較高的溶栓抗凝雙功能特性；將水蛭素與纖維蛋白抗體進行融合表達，使水蛭素具有了靶向性溶栓功能，可以有效防止出血現象發生［5］。

2.3 治癌酶改造的應用實例

L-天冬酰胺酶對治療血液腫瘤非常有效，但是在醫學臨床上經常出現過敏反應。我國著名藥物學家吳梧桐教授等人運用定點突變技術改造L-天冬酰胺酶基因中關鍵序列的結構，使其重新表達，最終獲得的“工程菌”的活力高于“野生菌”100倍，有效降低了L-天冬酰胺酶的免疫性，并延長了藥物半衰期［6，7］。

2.4 蛋白質活性改變的應用實例

眾所周知，胰島素是治療糖尿病的特效藥，但是傳統胰島素存在起效慢、必須在餐前30分鐘給藥等缺點。科學家在對胰島素結構和成分進行深入分析的基礎上，利用堿基替換的方法改變基因序列，從而研制生產出速效型胰島素。速效型胰島素屬于胰島素類似物，胰島素類似物與人胰島素相比有諸多優點，如起效快、療效好、峰效時間與餐后血糖峰值同步等。胰島素類似物是第三代胰島素，除速效型胰島素外，還有長效型胰島素、高效型胰島素、預混型胰島素等［8］。

2.5 嵌合抗體和人源化抗體的應用實例

嵌合抗體就是用人抗體的恒定區替代鼠單克隆抗體的恒定區，能夠顯著降低免疫原性。嵌合抗體減少了70%左右鼠源性成分，屬于第一代人源化抗體。人源化抗體就是將抗原吸附區域嫁接到人抗體上，把抗體上的外源肽鏈降低到最小，從而使免疫原性實現最小化。如用于治療脊髓性白血病的ANTI-CD33人源化抗體，其免疫反應甚至可以忽略不計［9］。

3 細胞工程及其醫學應用

細胞工程是應用細胞生物學、分子生物學的方法和原理，在細胞水平或細胞器水平上進行的遺傳操作，按照人類意愿改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品的一門現代生物技術。細胞工程與基因工程有很大的聯系，但二者又不相同，基因工程是在基因水平上運用DNA重組技術對基因進行重組改造以獲得想要的目的基因，而細胞工程是在細胞水平或細胞器水平上，通過運用細胞融合、核質移植、細胞器移植、染色體移植、細胞組織培養等方法對細胞進行改造以獲得具有特定遺傳屬性的細胞。細胞工程分為植物細胞工程和動物細胞工程，它們都廣泛應用于醫學領域，以下介紹細胞工程的幾項重要技術在醫藥衛生方面的應用。

3.1 單克隆抗體技術與醫學臨床應用

單克隆抗體技術是隨著細胞融合技術和雜交瘤技術的研究而發展起來的，目前已知的單克隆抗體有10萬多種，僅用于醫學診斷和治療的單克隆抗體就有500多種。因單克隆抗體具有特異性強、靈敏度高、可大量制備等優點，被用作體外診斷試劑和治療疾病的運載藥物。單克隆抗體技術結合同位素標記、醫學成像等技術手段能快速、準確、簡便、高效的定位診斷腫瘤、心血管畸形等疾病，并可用于治療癌癥、自身免疫和炎性疾病、器官移植、骨髓移植等方面［10］。

3.2 人體干細胞移植技術與細胞治療

以人體干細胞移植技術為代表的細胞治療手段已成為人類戰勝疾病的有力武器，用人體自身的干細胞治療人類自身的疾病，不存在免疫排斥反應的問題，也不會危及人類自身的健康。我國科學家在廢棄的臍帶組織中發現了臍帶間充質干細胞，臍帶間充質干細胞具有取材方便、來源豐富、低病毒感染率、抗原性低、不產生免疫排斥反應、無倫理困擾等優點，是理想的干細胞治療和研究來源。人體造血干細胞移植技術已在臨床上應用多年，已成功挽救無數白血病患者的生命［11］。近年來，人體干細胞移植技術已成功應用于缺血性心臟病、退行性眼病、糖尿病、肝病、神經變性性疾病、器官重建等許多難治性疾病的治療。

3.3 體細胞核移植技術與克隆動物

動物體細胞核移植技術就是將某一個動物的細胞核移植到一個已經去掉細胞核的卵母細胞中，卵母細胞會使新的核基因在細胞中完全表達，最終發育成一個新的動物個體，這個新的動物個體稱為克隆動物。克隆動物在醫學上可以用來當作生物反應器，例如乳腺生物反應器，運用動物乳腺來生產某種特定的藥用蛋白，具有成本低、無污染的優點，能產生巨大的經濟效益；克隆動物的細胞、組織、器官可作為異種移植的供體，用來為人類治療疾病；克隆動物可被用作動物模型，供人類用于研究疾病和治療疾病；克隆動物和克隆細胞可供人類深入研究胚胎發育及衰老的過程。體細胞核移植技術還能讓人類的胚胎干細胞形成新的相應組織、器官后，用于人類組織器官的移植［12］。

3.4 細胞培養技術與生物制藥

細胞培養技術是細胞工程的基礎技術，其中動物細胞培養技術又是生物制藥產業的一項通用核心技術，在現代生物制藥領域發揮著重要作用。現代生物制藥中的大多數藥品是通過動物細胞培養技術獲得的，數據統計顯示生物制藥產品銷售額的70%以上來自動物細胞表達的藥品銷售額。利用動物細胞培養生產的醫用生物產品有醫用酶、干擾素、促生長因子、疫苗、單克隆抗體、檢測試劑等。科學家還通過培養各種正常細胞和病變細胞，進行病理、生理、藥理等方面的研究，可用于篩選研制抗癌藥物等，為癌癥等疾病的研究提供理論依據。

3.5 細胞產物的工廠化生產與中草藥生產

細胞產物工廠化生產技術使蛋白質、脂肪、糖類、藥物、生物堿、香料等植物細胞產物實現了規模化生產，在中草藥生產領域也發揮了重要作用。我國中醫藥材大都來自天然植物，而有些植物生長條件較為復雜，分布區域十分有限，因此使得某些中草藥更顯稀缺，而利用植物細胞工廠化生產技術可以改變傳統的生產方式，良好的解決了諸如人參、三七、紫草、銀杏等植物藥材資源嚴重不足的局面。

4 微生物工程及其醫學應用

微生物工程又稱為發酵工程，是大規模發酵生產工藝的總稱。微生物工程主要是運用微生物發酵并結合現代工程技術手段對微生物進行改造來獲得目的產物，或者直接把微生物應用于生物反應器的一門現代生物技術。微生物工程是在發酵工藝的基礎上吸收基因工程、酶工程、細胞工程和其它生物工程技術的成果而形成的一門新興生物技術。微生物工程在醫學領域的應用主要體現在醫藥工業上，由于微生物具有體積微小、種類繁多、數量巨大、吸收能力和新陳代謝能力強大、成本低質量高等優點，微生物工程在制藥領域發揮了顯著作用，生產出眾多微生物藥品，如抗生素、氨基酸、維生素、酶制劑、酶抑制劑、動物激素、核苷酸等；另外，應用發酵工程技術還生產出大量基因工程藥品，如重組乙肝疫苗、人生長激素、白細胞介素-2、抗血友病因子和某些種類的單克隆抗體等。中藥制藥領域還利用發酵工程生產出了冬蟲夏草、茯苓菌、香菇等一些在自然界不易獲得的中藥產品，發酵工藝在中藥生產中還能起到減毒增效的作用。

現以抗生素類藥物為例來說明發酵工程在生物制藥中的應用。抗生素類藥物是最典型的微生物工程產品，絕大多數的抗生素類藥物都是通過微生物發酵法進行工業化生產的，其工藝流程包括：制備菌種、擴大培養種子、發酵、處理發酵液、分離純化干燥代謝產物制出產品、檢驗產品、包裝產品。抗生素類藥物在保護人類健康方面具有不可替代的作用，目前最常用的抗生素類藥物已有100多種，如青霉素類、紅霉素類、四環素類、頭孢菌素類等，抗腫瘤抗生素也已出現［13，14］。抗生素是指微生物在生命活動過程中會產生一些微量的物質，這種物質會在一定情況下抑制和殺滅其他生物的生長。抗生素具有差異毒力大，生物活性強，不同的抗生素具有不同的抗菌譜，不易使病原菌產生耐藥性的特點，例如青霉素類能抑制格蘭陽性菌細胞壁的生成，而人類和動物細胞的共同特點就是沒有細胞壁，因此利用這個特性可以把青霉素應用在臨床感染的治療中，并且毒性越大藥效越強，而對于人類和動物并不會產生毒性。

5 酶工程及其醫學應用

酶工程是現代生物工程技術中不可缺少的一部分，是酶科學與生物工程相互滲透融合形成的一項新興科技。酶工程包括酶制劑的制備、酶的固化、酶的修飾與改造、酶反應器等方面的內容。酶工程在醫學領域的應用也越來越廣泛，可用于疾病的診療、藥物的制造等方面。

5.1 酶工程在疾病診斷當中的應用

酶的催化作用具有特異性與高效型的特點，利用這一特點，酶在疾病的診斷過程中被作為體外檢測試劑，具有高效便捷的優勢。酶在人體內的含量是較穩定的，可以通過檢驗人體內酶的含量是否在正常范圍來推斷人體是否正常，也可以通過酶的產生或作用部位來推斷患病部位。此外，酶在體液內的含量也可以用來診斷疾病，如利用過氧化氫酶和葡萄糖氧化酶的聯合作用來測定體內的葡萄糖含量。

5.2 酶工程在疾病治療當中的應用

某些酶對于疾病的治療也有良好的效果，例如溶菌酶具有止痛和抗菌消炎的作用；蛋白酶有幫助人體消化、治療食欲不振、消腫止痛、促進傷口愈合的作用。酶及酶制劑不僅直接用于常規治療，還可作為生物醫學工程的組成部分在臨床治療上發揮重要作用，如在人工腎中，就是利用酶清除血液中的廢物，起到防治血栓形成等作用。

5.3 酶工程在藥物生產當中的應用

酶工程制藥是利用酶的催化性質、可固化性質和動力學性質生產藥物或者生產一種藥物中間體的科技。酶工程在制藥中的應用主要有手性藥物的合成與拆分、藥物的改造、簡化藥物生產過程、或者直接作為藥物這幾個方面。酶工程在中藥提取和中藥成分的轉化方面也起著非常重要作用。此外在基因工程方面也有酶制劑的開發。

綜上所述，現代生物技術五大分支相互滲透，相互融合，在醫學領域的應用日益廣泛深入。隨著現代生物技術的迅猛發展，特別是隨著國際人類基因組的計劃（HGP）的完成和國際人類蛋白質組計劃（HPP）的啟動，現代生物技術在醫學領域的應用前景將會更加廣闊美好。

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Five Branches of Modern Biotechnology and its Medical Application

Xu-Shao Han1, Xu-Lei Han2
(1. Jizhong High School, Hebei Hengshui 053200, 2. Northeastern University, Liaoning Shenyang 110169)

Modern biotechnology has developed rapidly with the progress of technology, and its application is widely performed in both biological and medical fields. By cellecting and arranging related data, this manuscript focused on the five branches and medical applications of modern biotechology to afford more positive data for medical further researches.

Genetic Engineering; Protein Engineering; Cell Engineering; Microbial Engineering; Enzyme Engineering; Medical Application

Q819 文獻標示碼：A

2096-0387（2016）04-0073-05

徐紹涵（2000-），男，河北邱縣人。

徐蕾涵（1997-），女，河北邱縣人。