生物工程与制药

基因工程在制药上的应用及发展生命科学学院082班33号王菊娣摘要：生物技术，是指“用活的生物体（或生物体的物质）来改进产品、改良植物和动物，或为特殊用途而培养微生物的技术”。近20年来，以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程为代表的现代生物技术发展迅猛．并日益影响和改变着人们的生产和生活方式。目前，人类60％～70％的生物技术成果集中应用于医药工业，由此，引发了医药工业的重大变革。生物制药就是把生物技术应用到药物制造领域，其中最主要的是基因工程方法。即利用克隆技术和组织培养技术，对DNA进行切割、插入、连接和重组，从而获得生物医药制品。生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为起始材料，采用生物学工艺或分离纯化技术制备，并以生物学技术、分析技术控制中间产物和成品质量制成的生物活化制剂，包括菌苗、疫苗、毒素、类毒素、血清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克隆抗体及基因工程产品（DNA重组产品、体外诊断试剂）等。关键词：生物技术、生物制药、基因工程1生物技术的定义及特征1.1生物技术制药的定义：广义的生物制药是指利用现在生物技术发现、筛选或生产得到的药物这种界定包括利用生物技术作为发现药物的研究工具，而发现小分子药物，又包括利用生物技术作为新技术而研究生产药物。狭义的生物技术是指利用生物体、生物组织、或其成分，综合应用生物学、生物化学、微生物学、免疫学、物理化学和现在药学的原理与方法进行加工制造而成的一大类预防、诊断、治疗制品。目前生物技术制药比较流行狭义的生物技术制药概念，是指采用现代生物技术研制的重组蛋白，单克隆抗体和核酸类药物是重组产品概念在医药领域的扩大应用.1.2生物技术制药的特征：总的来说生物制药有五方面的特征：①生物制药的决定性生产技术包括：基因工程技术、抗体工程技术和细胞工程技术；这三种技术所生产的产品几乎覆盖所有的生物技术药物。②生物技术制药的活性物质包括蛋白质或多肽、蛋白多肽类似物或衍生物及由蛋白多肽组成的药物产品。这些蛋白或多肽可能来自细胞培养或基因重组技术生产，也包括用转基因植物或动物生产的产品；③生物技术药物的作用：包括诊断、治疗、预防疾病；④生物技术药物的来源：包括细菌、酵母、昆虫植物和哺乳动物细胞等各种表达系统得到的特征细胞产物；⑤主要的生物技术药物：包括重组蛋白、疫苗、治疗性抗体，核酸类产品，细胞工程类产品，组织工程类产品。例如：基因重组胰岛素，人源抗体等。2.现代生物技术在制药领域的应用现代生物制药技术是一项与制药产业结合极为密切的高新技术，不断为医药行业提供新产品、新剂型，为制药界开创一条崭新之路，改变着生物制药的面貌为人类医药难题提供最有希望的途径。生物制药就是把生物技术应用到药物制造领域，生物技术的核心是基因工程，基因工程技术最成功的成就就是用于生物治疗和新型生物药物的研制。2.1基因工程制药2.1.1基因工程概述基因工程即重组DNA技术，是指对不同生物的遗传基因，根据人们的意愿，进行基因的切割、拼接和重新组合，再转入生物体内，产生出人们所期望的产物，或创造出具有新的遗传特征的生物类型。基因工程的第一个重要特征是跨越天然物种屏障的能力，把来自任何一种生物的基因放置在与其毫无亲缘关系的新寄主生物细胞中去的能力。这表明人们有可能按照主观愿望创造出自然界中不存在的新物种。第二个特征是，它强调了一种确定的DNA小片段在新寄主细胞中进行扩增的事实．才能制备到大量纯化的DNA片段，从而拓宽了分子生物学的领域，使之在生物制药领域有巨大的应用。2.1.2基因工程技术开发药物的一般过程利用基因工程技术开发一个药物，一般要经过以下几个步骤：①目的基因片段的获得：可以通过化学合成的方法来合成已知核苷酸序列的DNA片段；也可以通过从生物组织细胞中提取分离得到，对于真核生物则需要建立cDNA文库。②将获得的目的基因片段扩增后与适当的载体连接后，再导入适当的表达系统。③在适宜的培养条件下，使目的基因在表达系统中大量表达目的药物。④将目的药物提取、分离、纯化，然后制成相应的制剂。即如下：获得目的基因组建重组质粒构建工程菌（或细胞）培养工程菌产物分离纯化。以上方法大部分是以微生物或组织细胞作为表达系统．通过微生物发酵或组织细胞培养来进行药物生产。近年来，通过转基因动物来进行药物生产的生物药厂成为目前转基因动物研究的最活跃的领域，也是基因工程制药中最富有诱人前景的行业。转基因动物制药具有生产成本低、投资周期短、表达量高、与天然产物完全一致、容易分离纯化等优势，尤其是适合于一些用量大、结构复杂的血液因子，如人血红蛋白（Hb）、人血白蛋白（HSA）、蛋白C（ProteinC）等。】【11991年英国的爱丁堡制药公司通过转基因羊生产α1-抗胰蛋白酶（α1-AAT）用于治疗肺气肿，每升羊奶中产16gAAT，占奶蛋白含量的30%，估计每只泌乳期母羊可产70gAAT。另外，转基因植物制药比转基因动物制药更为安全，因为后者有可能污染人类的病原体。目前，已经开发出许多转基因植物药物，例如脑啡肽、α-干扰素和人血清蛋白，以及两种最昂贵的药物即葡萄糖脑苷脂酶和粒细胞-巨噬细胞群集落因子等。2.1.3基因工程药物的分类生物技术药物：采用DNA重组技术或其他生物新技术研制的蛋白质或核酸类药物，称为生物技术药物。生物药物：泛指包括生物制品在内的生物体的初级代谢和次级代谢产物或生物体的某一组成部分，甚至整个生物体用作诊断和治疗疾病的医药品。采用现代生物技术人为的创造一些条件，借助某些微生物、植物或动物来生产所需要的医药品，叫做生物技术制药，一般来说采用DNA重组技术或其他生物新技术研制的蛋白质或核酸类药物，都可称为生物药物。基因工程药物：是指确定对某种疾病具有预防和治疗作用的蛋白质，然后将控制该蛋白质合成的过程的基因分离，纯化或进行人工合成，利用重组DNA技术加以改造，最后将该基因放入可以大量生产的受体细胞中不断繁殖，并能进行大规模生产具有治疗和预防这种疾病的蛋白质，通过这种方法生产的新型药物称为基因工程药物。1.基因工程技术的应用使得人们在解决癌症、病毒性疾病、心血管疾病和内分泌疾病等方面取得了明显的效果。主要是医用活性蛋白和多肽类等四大类型，包括：①.应用重组DNA技术制造的基因重组多肽、蛋白质类治疗剂；②基因药物，如：基因治疗剂、基因疫苗、反义药物和核酸等；③.来自动植物和微生物的天然生物药物；④.合成或部分合成的生物药物。2.基因工程药物按生理功能和用途分可分为以下几类：①.治疗药物：生物药物对许多常见病、多发病有着很好的疗效，尤其对疑难杂症，如肿瘤、艾滋病、心脑血管疾病、免疫性疾病、内分泌障碍等，生物药物的治疗效果是其他药物不可比拟的。因此，治疗疾病是生物药物的主要功能。②.预防药物：以预防为主是我国卫生工作的一项重要方针。许多疾病尤其是传染性疾病，如天花、麻疹、百日咳等，预防比治疗更重要。常见的预防药物有病菌、疫苗、类毒素等。生物药物在预防疾病方面将显示出越来越重要的地位。③.诊断药物：大部分临床诊断剂来自生物药物，这也是生物药物的重要用途之一。生物药物诊断的特点是：速度快、灵敏度高，特异性强。现在已成功使用的有：免疫诊断试剂、单克隆抗体诊断试剂、酶诊断试剂、放射性诊断药物和基因药物等。一些生物活性物质亦是检测疾病的指标，如谷草转氨酶等。3.基因工程药物按其成分分主要有两类：①重组蛋白类药物：a.细胞因子药物：干扰素、集落因子、白细胞介素、肿瘤坏死因子、趋化因子、生长因子、凝血因子；b蛋白质类激素药物：生长激素、胰岛素、胰岛素样生长因子、促卵泡素、甲状旁腺素、降钙素、胰高血糖素、促黄体生成素、甲状腺刺激素和心钠素等；c.溶血栓药物：组织型纤溶酶激活剂、尿激酶型纤溶原激活物、蝙蝠唾液纤溶酶原激活剂、链激酶和葡激酶等；d.治疗用酶：超氧化物歧化酶、羧肽酶、尿酸氧化酶、葡糖脑苷酯酶、脱氧核糖核酸酶和胸苷激酶等；可溶性受体和粘附分子：可溶性补体受体I型；e.其他：血红蛋白、白蛋白等。②核酸类药物：核酸类药物主要是在核酸水平（DNA和RNA）上发挥作用，他通过纠正突变的基因并使之重新获得适当的功能来治疗或预防疾病。其特点是能将基因表达的产物的作用局限于病变组织范围，从而使治疗更具有针对性；只要转化细胞不被清除，转化的因子不被抑制，基因的表达产物就可以持续发挥作用。4.利用基因工程技术生产药品的特点：可用于医药目的的蛋白质或活性多肽都是由相应的基因工程而生成的。基因工程技术的最大好处在于它能从极端复杂的机体细胞内取出所需要的基因，将其在体外进行剪切拼接、重新组合，然后转入适当的细胞进行表达，从而生产出比原来多数百数千倍的行影的蛋白质。①可大量生产过去难以获得的生理活性多肽和蛋白质，为临床使用提供有效保障；②.可以提供足够数量的生理活性物质，以便对其生理生化和结构进行深入研究，从而扩大这些药物的应用范围；③.利用基因工程技术可以发现、发掘更多的的内源性生理活性物质；④.内源性生理活性物质在作为药物使用时存在不足之处，可以通过基因工程和蛋白质工程进行改造；如白细胞介素-2的第125位半胱氨酸是游离的，有可能引起-S-S-键的错配而导致活性下降，如将半胱氨酸改为丝氨酸或丙氨酸，白细胞介素-2的活性热稳定性均有提高；⑤.利用基因工程技术可获得新型化合物，扩大药物筛选来源。5.建立基因高效表达系统⑴.动物细胞表达系统优点：一是哺乳动物细胞能够表达人或哺乳动物的蛋白质；二是哺乳动物细胞可对表达的蛋白质进行正确折叠、组装和糖基化等加工,生产有生物活性的产品。缺点：用转基因动物细胞生产药物成本昂贵。⑵.动物活体表达系统①动物活体表达系统-转基因动物转基因动物是指通过实验方法，人工地把外源基因导入动物的受精卵（或早期胚胎细胞），使外源基因与动物本身的基因组整合在一起，因而外源基因能随细胞的分裂而增殖，并能稳定地遗传给下一代的一类动物。】【21982年，R.D.Palmiter等科学家将金属硫蛋白基因的启动子和大白鼠生长激素基因拼接成融合基因，把这种基因导入小白鼠的受精卵，再将这一受精卵移植到一借腹怀孕的母鼠体内，生下来的小鼠比正常小鼠体格大一倍，称为“巨鼠”。②动物活体表达系统-乳腺生物反应器基本方法是：将药用蛋白质基因连接到乳汁蛋白质基因的调节元件下游，然后将连接产物显微注射到哺乳动物受精卵或胚胎干细胞，当转基因胚胎长成个体后，在泌乳期药用蛋白质基因表达，从动物乳汁可获得基因工程药物。优点：1)采用乳汁蛋白质基因的调节元件调控药物基因的表达,具有组织特异性，基因表达限于乳腺组织；2)表达产物不断随乳汁排出体外,产量高；3)与原核细胞表达系统比较，乳腺细胞具有蛋白质修饰功能，表达产物具有稳定的生物活性；4)蛋白质提取、纯化简单。在经济效益方面，应用转基因动物—乳腺生物反应器技术来制造基因药物也是一种可以获取巨额经济利润的新型产业。动物活体表达系统-乳腺生物反应器存在问题：1)由于药物基因随机整合的位置效应会引起的表达不稳定性；2)对乳汁中蛋白质基因表达的调控机制有待深入了解，尤其是时空特异性表达及激素诱导性表达等问题须进一步探索。③动物活体表达系统-动物血液生物反应器外源基因在血液中表达的转基因动物叫血液生物反应器。大家畜的血液容量较大，利用动物血液生产某些蛋白质或多肽等药物己取得了一定进展。外源基因编码产物可直接从血清中分离出来，血细胞组分可通过裂解细胞获得。④动物活体表达系统-动物膀胱生物反应器外源基因在膀胱中表达的转基因动物生物反应器,叫动物膀胱生物反应器。膀胱尿乳头顶端表面可表达一组尿血小板溶素的膜蛋白，这种蛋白在膀胱中表达具有专一性，而且它的基因是高度保守的,将外源基因插入5′端调控序列中，就可以指导外源基因在尿中表达。⑶植物表达系统以植物作为基因工程药物表达的受体系统，目前主要用于研制转基因植物疫苗。利用转基因植物生产基因工程疫苗，是将抗原基因导入植物，让其在植物中表达，人或动物摄入该植物或其中的抗原蛋白，以产生对某抗原的免疫应答。转基因植物生产疫苗的研究主要集中在烟草、马铃薯、蕃茄、香蕉等植物。利用植物受体系统表达一般蛋白质药