现代生物技术与生物技术药物
当今世界,科学技术日新月异,以生物技术、信息技术为代表的高新技术及其产业迅猛发展,已经成为世界经济发展的动力。生物技术产业具有美好的发展前景,被喻为21世纪的“朝阳产业”。近年来,生物技术产业在发达国家得到了迅猛发展。仅以美国为例,1998年生物技术公司总市值还只有970亿美元,到2000年2月就已经增长到3500亿美元。同时,生物技术产品在全球化市场中流通和销售的趋势愈来愈明显。至1999年底,世界上最大的8家生物技术公司均抢滩我国。因此,如何加快我国生物技术产业的发展,提高国际竞争能力,已经成为我国国民经济和社会发展中最为紧迫而又艰巨的任务之一。
第一章 现代生物技术
一、现代生物技术的定义与主要内容
以电子信息技术、新药源技术、航天技术、生物技术、新材料技术等为代表的高新技术是20世纪人类科学技术事业最伟大的成就。生物技术,英文为Biotechnology,有时也被人们称为生物工程(Bioengineering),这可能强调这一领域源发于生命科学与工程技术的结合。但是由于在国际上应用Biotechnology这一术语远较Bionengineering普遍,所以在我国生物技术这个名称似乎更为通用。
何谓生物技术?
生物技术就是针对生物有机体(这些生物有机体包括从微生物至高等动、植物)或其组成部分(包括器官、组织、细胞或细胞器等),运用分子生物学、细胞生物学、生物化学、生物物理学、生物信息学等手段,研究、设计、改造生命系统,以改良生物乃至创造新的生物品种的一种技术体系。
一般认为,现代生物技术是指70年代中期崛起的,以基因工程为核心的一套生物高新技术,主要内容包括四个方面:
(1)基固工程:主要涉及一切生物类型所共有的遗传物质——核酸的分离、提取、体外剪切、拼接重组以及扩增与表达等技术。
(2)细胞工程:包括一切生物类型的基本单位——细胞(有时也包括器官或组织)的离体培养、繁殖、再生、融合以及细胞核、细胞质及染色体与细胞器(如线粒体、叶绿体等)的移植与改建等操作技术。 (3)酶工程:指的是利用生物机体内酶所具有的特异催化功能,借助固定化技术,生物反应器和生物传感器等新技术、新装置、高效优质地生产特定产品的一种技术。
(4)发酵工程:也有人称为微生物工程,就是给微生物提供最适宜的发酵条件生产特定产品的一种技术。
现代生物技术的这四大组成部分虽然均可以自成体系,构成独立的完整技术,但在许多情况下又是高度相互渗透和密切相关的,事实上如果没有这种相互渗透和彼此依赖,现代生物技术也就不可能成为高新技术,因为生物技术的依据和出发点是生物有机体本身的种种机能,是各类生物在生长、发育与繁殖过程中进行物质合成、降解和转化的能力(也就是利用其新陈代谢的能力),各种生物,不管是低等的细菌、真菌等微生物,还是高等的动物。
植物、人,其新陈代谢的过程就好像是一座反应器,而且是效率极高的反应器,在此反应器中,各种各样代谢反应(化学反应)在各种生物催化剂——酶的催化下有条不紊地进行,而什么酶催化什么反应,该酶具有什么样的特异结构与功能,又是受特定的遗传基因所决定,所以从某种意义上说,基因工程和细胞工程可看做是现代生物技术的核心基础,因为通过基因工程和细胞工程可以创造出许许多多具有特殊功能或多种功能的“工程菌株”或“工程细胞株”,这些“工程菌株”或“工程细胞株”往往可使酶工程或发酵工程生产出更多、更好的产品,发挥出更大的经济效益,而酶工程和发酵工程往往又是现代生物技术
产业化,特别是发展大规模生产的最关键环节,因此,现代生物技术所包括的四个方面应当是一个完整的整体。
二、现代生物技求的优越性
现代生物技术自问世以来就向世人展示它可以多方面应用并可发展成相应的产业,因而,很快受到农业界、医药卫生界、化学与食品工业界以及环境保护界等各行各业的极大兴趣和高度重视,原因是现代生物技术具有以下的优越性。 (一)不可取代性
现代生物技术能完成一般常规技术所不能完成的任务,能生产出其他方法所无法生产或难以生产的产品。 例如:某种植物的品种改良一般采用的是杂交育种,目的在于提高产量,增加抵抗力等,但是常规的杂交育种一般只限于物种内部,如小麦与小麦,最多只能扩展到亲缘关系较近的种属,因为常规改良育种,能重组到良种基因中的遗传资源是受到限制的,但是,用基因工程改良品种,基因资源的来源就可能不受这种限制,如将细菌中的一种毒素转移到烟草和马铃薯中,则这种烟草和马铃薯就不会受害虫的危害。
又如西红柿去掉腐烂基因,常温几周不坏。把牛或猪的生长激素基因转移给鱼,使鱼的生长、发育加快,体重迅速增长。把人的血红蛋白的基因转移到猪体内,则使猪可以生产人的血红蛋白,分离这种血红蛋白可以作为人血液的替代物等等。而在医药行业,这样,的例子就更多,很多人体内的生长代谢必需的物质由于其含量极微,是很难通过分离。提取或合成的方式生产的,如:生长激素释放抑制因子,这是一种人脑激素,它的正常作用是抑制生长激素不合时宜的分泌,所以是一种很有用的药物,有一种病叫做“肢端肥大症”患者脸形增大、面貌粗陋、手足厚大、生长激素释放抑制因子就是治疗肢端肥大症的特效药。可是要得到生长激素释放抑制因子相当不容易,人类最初经过了21次的努力,用了50万个羊脑,得到了5mg样品,后来也用化学法合成,但5mg价格仍在300多美元。基因工程方法成功以后,7.5升大肠杆菌发酵就可得5mg,成本仅几十美分,类似这样的例子十分多。 (二)快速、精确
用现代生物技术生产的试剂盒可以快速、精确地对人类和动、植物疾病进行有效的早期诊断,这对疾病的预防和及时治疗十分重要(尤其是遗传病、病毒引起的疾病和癌症等严重影响人类健康的疾病),例如用单克隆抗体检查妇女妊娠比用抗血清法检查进一步提高了灵敏度,使妇女能在怀孕后8天即得知,准确率可达100%,无疑这一方面对计划生育是非常有用的,这种妊娠检查可以避免在不知妊娠情况下服用对胎儿有害的许多药物,从而保证了胎儿的早期健康发育,对实现优生优育也具有特别重要意义。 (三)低耗、高效
用现代生物技术对化学工业和制药工业进行技术改造具有能耗低,效率高和不依赖特定原料等优点,例如用生物催化剂“酶”催化化学效应,不像用化学催化剂那样需要高温、高压和强酸碱等苛刻的条件,这样就大大降低了能耗的成本,通过生物技术降低成本和能耗的例子,在有机酸和氨基酸的生产中已很明显: 又如:治疗株儒病的人生长激素,过去只能从死人的垂体提取,一个侏儒患者每年所需的用药量大约要从50个死人的垂体中提取,价格十分昂贵且来源十分困难,而用基因工程生产人生长激素价格只有提取的1/4,更为关键的是不需要依赖死人脑这样紧缺的原料来源。 (四)副产物少、不良反应小、安全性好
众所周知,制药行业(特别是化学合成药)也是一种高污染产业,废气、废水和一些副产物有时都有毒性,又如疫苗的生产,常规方法就是用血液,这不仅成本高,同时也有可能带来病毒感染的危险性。事实上,在国内外已出现了很多这方面感染的例子,而通过现代生物技术,用大肠杆菌来生产这些药物,如乙肝疫
苗,凝血因子等,就大大改进了使用这些药物时的安全性。
由于现代生物技术新产品、新工艺的上述优越性,许多国家特别是发达国家都竞相开展生物技术的研究和发展生物技术产业,特别是一些著名的跨国公司,如美国的杜邦、孟山都;英国的帝国化学公司;日本的三井、三菱、住友、武田制药、味之素;德国拜耳;荷兰的壳牌化学公司;瑞士的西巴-嘉基等。目前国际上能够排得上名次的生物技术公司已达数千家,我国1987年初开始实驰的“高新技术研究发展计划纲要”(863计划)中,生物技术被列为7领域的重点之一。但是也有几点需要明确的是,生物技术也像其他高技术一样是一种知识密集型和资金密集型技术,需要高投入,这对我国的许多企业来说还是有较大困难的,必须引起足够的重视。 三、现代生物技术在医药领域的应用
(一)现代生物技术在疾病诊断与治疗中的应用
1.单克隆抗体与疾病诊断。妊娠试验所经历的变革足以说明单克隆抗体的应用对医学产生的巨大影响。类似这样能有效提高诊断水平的单克隆抗体已得到迅速发展。美国食品与药物管理局批准上市的单克隆抗体产品已有几十种。
2.“生物导弹”。用药物治疗肿瘤的难题在于使用的药物在杀伤肿瘤细胞的同时也杀伤正常分裂的细胞,毒副作用严重。于是人们设想,如能制备抗某种肿瘤的单克隆抗体,再在其上接上抗癌药物,进人体内,让该单克隆抗体只与该肿瘤细胞特异性结合,岂不就能像导弹那样把抗癌药物专一地、靶向地带到肿瘤细胞而不影响其他细胞?这就是“生物导弹”。但是,按现行制备单克隆抗体的技术路线,所得单克隆抗体是小鼠的免疫球蛋白,对人体来说是异种蛋白,进入人体后易遭排斥而不能有效地到达“靶点”。国外有人用蛋白质工程构建杂合抗体,使作为“生物导弹”的单克隆抗体免疫球蛋白分子中含有人免疫球蛋白分子片段,明显地提高了效果。
3.基因诊断。基因诊断是1978年由简悦威等在镰状细胞贫血症的研究中突破的。他们采用的是核酸分子杂交的方法。运用同样的方法,已经有一大批重要的遗传病,如苯丙酮尿症、珠蛋白合成障碍性贫血、假肥大型肌营养不良、甲型血友病、乙型血友病、成年型多囊肾、慢性进行性舞蹈病等,建立了产前基因诊断和症状前基因诊断的方法。将核酸分子杂交技术应用于传染病病原体的检测,方法更为简单。80年代中期以来,基因诊断技术又广泛应用了聚合酶链反应体外扩增基因的方法。就生物技术而言,聚合酶链反应已成为最有用的技术之一。
4.基因治疗。基因治疗的最初目标是一些因单一结构基因即编码蛋白质的基因缺陷所引起的遗传病,因此,其治疗方式就是通过导人正常基因来校正缺陷基引起的DNA代谢异常以及细胞突变,从而使之恢复正常功能。世界上第一位受益于结构基因药物治疗的是一位叫Ashanti的美国女孩。1990年9月14日,4岁Ashanti成为美国政府批准的基因治疗第一人。 (二)未来医药卫生领域中的生物技术展望
1.转基因动物生产的“转基因药物”。用转基因动物生产人用医药制品是基因工程制药业中新崛起的最富有诱人前景的行业,1978年科学家们把人tPA基因转入小鼠受精卵发育成转基因小鼠并证明在其乳汁中能得到tPA以来,美国和英国已组建4家生物技术公司专门从事用转基因动物生产“转基因药物”,并各具特色,如美国DNX公司的“制药工厂”用转基因猪,环球基因药物公司用转基因奶牛,基因酶公司用转基因山羊,英国药物蛋白公司则用转基因绵羊。用转基因动物生产“转基因药物”与用细菌。酵母菌或动物细胞生产基因工程药物相比较,最大的优点是产量高,另一大优点是成本低,再者转基因产品具有与人体自身产生的蛋白相同的生物学活性。这些动物的乳腺细胞能进行一系列的翻译后修饰作用,包括糖基化作用等,正确地产生人体蛋白。
2.人型单克隆抗你的制备。有几条可供采用的技术路线。一是在鼠型单克隆抗体分子中用蛋白质工程的方法更换一段人抗体分子中与抗原结合的链段。二是从人鼠杂交瘤细胞中直接克隆人抗体基因并使之在细菌中得到表达。三是将人免疫球蛋白重链C区基因转入小鼠受精卵,发育成转基因小鼠,用特定抗原免疫这种转基因小鼠,就直接得到人型化的单克隆抗体。
3.基因治疗。通过各种手段导人的外源基因在细胞中的整合位点一般是随机的,这很可能影响基因治疗的效果,甚至导致与预期目标相反的结果,80年代未兴起的“基因打靶”技术能将外源基因定点整合到细胞基因组的某一确定位点上,因而能对缺陷基因进行原位修复,在今后,“基因打靶”的效率将会得到大幅度提高,使基因治疗的临床应用建立在安全可靠的基础上。
此外,生物技术的各个环节将不断得到改进。首先是聚合酶链反应及其他不断涌现的分子生物学新技术将得到广泛应用。同时,在细菌、酵母菌、昆虫细胞、哺乳动物细胞等不同的细胞内能得到高效表达的载体将不断地构建成功,大幅提高基因工程的生产效率。此外,生物技术后处理工程和蛋白质工程将迅速发展,通过蛋白质工程修饰和改造基因工程产品以及有目的地修饰、改造乃至重新组建蛋白质分子结构的理想将逐步实现。
四、现代生物技术与化学、食品工业 (一)利用生物技术开辟新的食品资源 1.单细胞蛋白——食品与饲料的新来源
蛋白质是生命的基本物质,全世界蛋白质缺乏的问题已存在多年,开发单细胞蛋白,正是用生物技术解决这一问题的一条重要途径。单细胞蛋白就是从酵母或细菌等微生物菌体中获取蛋白质,单细胞蛋白的氨基酸组成不亚于动物蛋白质,如酵母菌体蛋白,其营养十分丰富,人体必需的8种氨基酸,除蛋氨酸外,它具备7种。微生物细胞中除含有蛋白质外,还含有丰富的糖类以及脂类、维生素、矿物质,因此单细胞蛋白营养价值很高。
生产单细胞蛋白质的原料来源极为广泛,一般有四类,一是糖质原料,二是石油原料,三是石油化工产品,四是氢气和碳酸气,最有前途的原料是可再生的植物资源,如农林加工产品的下脚料。食品工厂的废水下脚料等。许多国家单细胞蛋白的生产已具有很大的规模,取得了丰硕的成果。单细胞蛋白在饲料和食品工业中有着极重要的作用。单细胞蛋白作为饲料蛋白,已被世界广泛采用。例如用假丝酵母及产阮酵母作为菌种,利用亚硫酸废液或石油生产酵母菌体,可用于牲畜饲料,以酵母菌和假丝酵母菌生产的单细胞蛋白,可直接用作人的食品。单细胞蛋白在食品加工中也有着重要作用,它能提高食品的物理性能、风味等。
2.制糖工业的巨大变革——淀粉糖的生产
传统制糖工业主要以甘蔗、甜菜为原料生产蔗糖,糖源不足、价格昂贵与产品甜度不高是制糖工业面临的大难题。生物技术在这里发挥了巨大的作用,首先,食品科学家将糖源目标转移向来源充足、价格低廉的淀粉,其次,为了提高产品的甜度,食品科学家使用葡萄糖异构体酶成功地将葡萄糖转化为甜度远高于蔗糖的果糖,产品称为高果糖浆。近年来,采用酶工程还成功地将淀粉加工成为始糖、麦芽糖、高麦芽糖浆、麦芽糊精、偶联糖等各类淀粉糖产品,它们在食品工业中均起重要作用。淀粉糖的生产作为制糖工业的一大变革,其经济效益十分显著。目前这种新型低价糖正逐步替代蔗糖,广泛应用于各类食品和饮料。 (二)利用现代生物技术提高食品品质
1.食品添加剂。①酸味剂。发酵工程在酸味剂的生产中显示了巨大的作用,例如发酵法制得的L-苹果酸是国际食品界公认的安全性食品添加剂,是加工果酱、果汁、饮料、合成酒、罐头、糖果、人造奶油等优选酸味剂之一。②甜味剂。天冬氨素是一种低热甜味剂,其甜度高达蔗糖的200倍,世界各国已大量生产
利用,过去是采用化学方法合成,有两个缺点,一是产生有苦味的β-型体,必须纯化除去,二是工艺较为复杂,生产成本偏高。改用酶法合成新工艺,可降低成本,提高产量。 ③鲜味剂。味精又称L-谷氨酸钠,具有强烈的肉类鲜味,过去主要用天然蛋白质水解制得,而今普遍采用糖质原料进行发酵法生产。鸟昔酸和肌苷酸为新型鲜味剂,它们与味精混合使用能成倍地提高鲜味,这些核苷酸与味精混合作为复合调味料,国际市场上称作强力味精,是极有发展前途的调味品,在食品工业中具有很重要的地位。发酵工程在这两种新型鲜味剂的生产中也发挥了巨大的作用,例如采用产氮短杆菌突变株进行直接发酵生产,肌苷酸产量可达20g/升,鸟苷酸3g/升。
2.用于食品加工中的酶。①肉类和鱼类加工。酶在肉类和鱼类加工中的主要作用在于:改善组织,嫩化肉类;转化废弃蛋白;鱼类解冻脱腥等。②蛋品加工。采用生物技术新成果——用葡萄糖氧化酶处理禽蛋白中的微量葡萄糖,使氧化成葡萄糖酸,可有效阻止葡萄糖的醛基与蛋白质、氨基酸等的氨基发生羧氨反应导致的蛋白的褐变,该法效率高,周期短,并可改善环境卫生。③乳品工业。酶工程在乳品工业中发挥了重要作用,如用发酵法生产凝乳酶,进而用于干酪的生产;分解牛奶中的乳糖;黄油的增香;奶粉中添加卵清溶菌酶预防婴儿肠道感染等。 ④果蔬加工。酶在果蔬加工中的主要作用有水果罐头加工,如利用黑曲霉所产生的半纤维素酶、果酸酶等除去制作橘子罐头时需要除去的橘瓣囊衣;柑橘类脱苦,利用球形节杆菌固定化细胞的柠碱酶处理橘子中的柠檬苦素;果汁加工,利用果胶酶处理溃碎果实,加速果汁过滤,促进澄清;水果蔬菜保藏,用葡萄糖氧化酶除去脱水蔬菜中的糖分,可防止储藏过程中发生褐变。⑤饮料、酿酒工业,白酒生产中采用糖化酶代替麸曲可提高出酒率,节约粮食,简化设备,节省厂房场地。⑤焙烤食品。用酶活力高的面粉制成的面包,气孔细而分布均匀,体积大,弹性好,色泽佳。 此外,现代生物技术在食品卫生检验、食品脱毒等方面均有崭新的贡献。
第二章 生物技术药物
一、生物技术药物的概念
生物技术药物(也称基因工程药物,Biotech~Drugs),指以DNA重组技术(包括基因工程技术、蛋白质工程技术)生产的蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、单克隆抗体和细胞生长因子类药物。到目前为止,世界各国利用DNA重组技术成功地生产了人胰岛素、人生化激素、生长因子、r-TPA、干扰素α2a。干扰素α2b、EPO、IL-2、G-CSF,GM-CSF等。 二、生物技术药物的主要类型 生物技术药物的主要类型如下:
1.细胞因子干扰素类:主要有干扰素-α。干扰素-β和干扰素-γ。干扰素-α又有α1b,α2a,α2b等。
2.细胞因子白介素类和肿瘤坏死因子类:已在临床应用的有白介素-2(IL-2)和突变型白介素-2。正在研制的还有IL-1,IL-3,IL-4,IL-5,IL-6,IL-11和IL-12等。肿瘤坏死因子类主要有TNF-α和TNF受体。
3.造血系统生长因子类:造血系统生长因子类药物主要用于促进造血系统,增加白细胞、红细胞和血小板。主要有粒细胞集落刺激因子(G-CSF)、巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)、巨噬细胞粒细胞集落刺激因子(GM-CSF)、红细胞生成素(EPO)、促血小板生成素(TPO),以及干细胞生长因子(SCF)等。 4.生长因子类:生长因子类药物主要用于促进细胞生长、组织再生和创伤治疗。主要品种有胰岛素样生长因子(IGF)、表皮生长因子(EGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、转化生长因子(TGF-α与TGF-β)、
现代生物技术与生物技术药物
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