基因工程制药的研究与发展.doc

微生物学课程综合大作业 基因工程制药的研究发展 袁媛（制药1092 1091604219）摘要 20世纪70年代初，基因工程开始出现，DNA的特异切割、DNA的分子克隆和DNA的快速测定等三项技术的建立为基因工程的诞生奠定了基础。基因工程逐渐地成为生物工程的一个重要分支，打开了研究和应用生物基因的完全崭新的领域，同时，高效率、高产率的基因工程药物给医药产业带来了一场革命，推动了整个医药界的发展，为人类带来了福音。本文综述了近年来基因工程制药的研究发展及现状，并展望了其发展方向。关键词: 基因工程，制药，发展，方向Title The Development of Genetically Engineered PharmaceuticalAbstract The early 1970s, genetic engineering began, DNA cutting specificity, DNA molecular cloning and rapid determination of DNA technology such as the establishment of three birth of genetic engineering for the foundation. Genetic engineering gradually become an important branch of biological engineering, research and application of biotechnology to open a completely new field of gene, while the high-efficiency, high rate of genetic engineering drugs to the pharmaceutical industry has brought a revolution to promote the entire pharmaceutical community development, brought the Gospel to mankind. This article reviews the recent development of genetic engineering and pharmaceutical research status and prospects of its development.Key words Genetic engineering, pharmaceuticals, development, direction1 前言我国自20世纪70年代就开始了基因工程研究工作1，经过20多年的研究开发，我国的基因工程发展在医学、农业各个领域取得了令人瞩目的成果，正向产业化迈进。目前，基因工程技术已经突破了经典的研究方法和研究内容，能直接从生物细胞中分离出所需的基因（特定的DNA片段），并使其增殖以得到大量同质基因。它运用克隆得到的大量DNA片段，测定基因在染色体上的位置，分析基因的结构与功能，并进而能用人工方法来合成基因、改造基因。基因工程技术形成了一个内容广泛而暂新的新领域。自然界创造的新的生物物种一般需要几十万乃至几百万年，但是在实验室用基因工完成程技术可能在几天之内完成这个过程。基因工程使人类从单纯地认识生物和利用生物的传统模式跳跃到随心所欲地改造生物和创造新生物的新时代，为生物学、医药学、遗传学、农业科学、环境科学和某些工业研究开拓了广阔的、革命性的发展前景2。1.1 基因工程制药的概况 1.1.1 概述基因工程制药，主要是指利用重组DNA技术，将生物体内生理活性物质的基因在细菌、酵母、动物细胞或转基因动植物中大量表达生产的新型药物。基因工程也叫基因操作、遗传工程或重组体DNA技术。它是一项将生物的某个基因通过基因载体运送到另一种生物的活性细胞中，并使之无性繁殖和行使正常功能，从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术。一般来说，基因工程是专指用生物化学的方法，在体外将各种来源的遗传物质（同源的或异源的、原核的或真核的、天然的或人工合成的DNA片段）与载体系统的DNA结合成一个复制子。这样形成的杂合分子可以在复制子所在的宿主生物或细胞中复制，继而通过转化或转染宿主细胞，使之生长和筛选转化子，并进行无性繁殖，使之成为克隆。然后直接利用转化子，或者将克隆的分子自转化子分离后再导入适当的表达体系，使重组基因在细胞内表达，产生特定的基因产物。 基因工程中内外源DNA插入载体分子所形成的杂合分子又称为嵌合DNA或DNA嵌合体。构建这类重组体分子的过程，即对重组体分子的无性繁殖过程又称为分子克隆、基因克隆或重组DNA。基因工程药物，是重组DNA的表达产物。广义的说，凡是在药物研究生产中涉及用基因工程的，都可以成为基因工程药物。在这方面的研究具有十分诱人的前景。基因工程药物研究的开发重点是从蛋白质类药物，如胰岛素、人生长激素等的分子蛋白质，转移到寻找较小蛋白质分子药物3。1.1.2 基因工程制药的原理基因工程制药所应用的原理就是用生物体当中所提取的酶，来在一种动植物，甚至是原生动物，或者原核动物的DNA分子当中剪切下一段我们想要的，用的基因，然后再把它转嫁到另一种生物体当中去。例如：现在的医用疫苗的培养，人工用酵母菌去合成胰岛素，和转基因动植物的出现。这些无不使我们的生活变得更加舒适，并且医学上起到了举足轻重的作用。用基因工程技术去制造疫苗，合成人体所需要的激素，给很多的病患者带来了福音。1.1.3 基因工程制药的基本过程 基因工程的基本内容是有目的地遗传物质功能单位进行综合，创造有价值的生物分子或新的生物、植物或微生物品系。基因工程和其他工程一样，是有设计、有蓝图、有预期目的而进行的一种创造性工作。基因工程是在实验室条件下，进行肉眼看不见的分子水平上的操作，实验所采用的核酸试剂一般是以微克、纳克来进行计算和计量的。 基因工程制药的基本步骤和过程主要包括4： （1）目的基因制取 从生物体的基因组或cDNA文库中分离（克隆）目的基因的DNA片段，或者根据已知目的蛋白质的基因序列人工合成目的基因的DNA片段； （2）基因载体的选择和构建 构建能够将目的基因运载进入受体细胞克隆或表达的工具基因片段，如质粒、噬菌体、病毒等； （3）目的基因与载体DNA的拼接 将目的基因连接到具有自我复制并有选择标记的载体上，形成重组DNA分子； （4）重组体分子导入受体细胞 通过转化、转染、转导或其他基因转移技术，使重组体DNA分子进入受体细胞，通过筛选和无性繁殖（克隆），选择具有重组体DNA分子的细胞克隆（阳性细胞克隆）； （5）外源基因的表达和产物的分离纯化 将阳性细胞克隆的目的基因在细胞内进行高效表达，并且进行表达产物的分离纯化。（6）除菌过滤（7）半成品（8）包装2 基因工程制药的现状2.1 我国基因工程制药的现状我国基因工程药物的研究起步较晚，20世纪80年代初，我国少数科学家才开始准备研究基因工程药物。中国生物技术产业经过十几年的发展，已经拥有一支初具规模和具有一定竞争力的研究队伍。这支队伍是以医药科研单位为核心，一些高等医药院校和综合大学生命科学院也纷纷参与研究、开发工作。中国目前约有1万余名科研技术人员专门从事基因工程药物的研究、开发和生产工作，有20个基因工程国家重点实验室，3个基因工程药物开发中心，已有15种基因工程药物获准上市，有10余种生物技术新药正处于临床试验阶段，还有重组凝乳酶等40多种基因工程药物或疫苗处于研究开发阶段。目前，已在有关部门登记立项的基因工程药物生产企业有60余家，已取得基因工程药物试生产或获得正式生产批准文号的企业大约有30家。这些企业主要分布在一些经济发达的省、市，如北京、上海、深圳、吉林、浙江、江苏等。我国生物技术水平得到了迅速提高，取得了一些重要研究成果。1989年，我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物重组人干扰素lb，标志着我国生产的基因工程药物实现了零的突破。重组人干扰素1b是世界上第一个采用中国人基因克隆和表达的基因工程药物，也是到目前为止唯一的一个我国自主研制成功的拥有自主知识产权的基因工程一类新药。从此以后，我国基因工程制药产业从无到有，不断发展壮大。1998年，我国基因工程制药产业销售额已达到了7.2亿元人民币。截止1998年底，我国已批准上市的基因工程药物和疫苗产品共计15种。目前，国内已有30余家生物制药企业取得了基因工程药物或疫苗试生产或正式生产批准文号。根据1997年对全国452从个事生物技术研究、开发和生产的单位进行的通讯调查结果，截止1996年底，我国已有8种基因工程药物和疫苗商品化（包括试生产），1996年基因工程药物和疫苗销售额约为2.2亿元人民币，仅占同期全国医药生物技术产品年销售额21.16亿元人民的10.4%。然而可喜的是，近年来我国基因工程制药产业发展迅猛，年销售额已从1996年的2.2亿元人民币增长到1998年的7.2亿元人民币，年均增长率高达80%。2000年我国基因工程药物销售额将达到22.8亿元人民币5。基因工程在制药业中具有广阔的发展前景,我国的基因制药行业已经初具规模,但与世界发达国家存在差距,主要表现在具有自主知识产权的产品较少,产业规模小、经济效益低。现在，我国已有各类生物技术公司300多家，形成了万余名从事生物技术研究的科研队伍。但目前,基因制药产业面临着历史性的机遇,主要表现在政府支持、资源丰富、基因信息公开、国际交流增加等方面。提高自主开发能力、保护基因资源是当前等待解决的问题,同时,应加强对基因制药领域技术壁垒的研究与准备。2.2 国外基因工程制药的现状就现在而言，美国是现代生物技术的发源地，又是应用现代生物技术研究新型药物的第一个国家。美国基因工程药物的开发速度极其地快，已有53种基因工程药物获得FDA批准上市，已使全球6000多万病人受益6。1971年，美国成立第一家生物制药公司，1973年重组DNA技术出现，1976年，世界第一家应用重组DNA技术开发新药的公司建立，1982年，第一个基因重组药物在美国投放市场，生物医药产业以一种前所未有的速度迅速发展。1998年，美国有350种生物技术药物处于不同临床阶段（见下表），现在，美国已有约1500多家与药物有关的生物技术公司，其中大部分为小型公司。另外，英、德、法等国在发展基因制药方面也进展较快，在生物技术的某些方面甚至赶上了美国，特别是德国，其水平较其他国比较高，德国在70年代中期就成立了国家生物技术中心。1998年美国不同临床的基因药物分布数量6疾病类型分布数量疾病类型分布数量肿瘤151呼吸系统疾病20传染病36遗传性疾病10神经系统疾病26不孕症4另外，在亚太地区，日本、韩国、印度等都是基因工程制药行业相对发达的地区，尤其是日本有相当强的生物技术研究，日本拥有的生物技术公司的数量占亚太地区的61%，目前，日本有900多家生物技术公司，并且从中获利很多。日本现在大约有三十几种基因工程药品批准投入市场。而印度的基因工程制药行业虽然起步较晚，但增长速度却处于世界领先地位。韩国、新加坡等国家都制定了生物技术发展计划，将它的发展列为重点项目。2.3 基因工程制药的国内外对比我国生物技术产业，特别是生物制药产业规模与美国相比差距很大。1996年，我国生物技术销售额为114亿元人民币，美国为100亿美元，相差7倍。1996年，我国基因工程和疫苗销售额为2.3亿元人民币，同期美国75亿美元。1998年，我国基因工程药物和疫苗销售额为7.2亿元人民币，还不到1亿美元，而1996年美国Amgen公司的两个主要产品Neupgen（G-CSF）和Epogen（红细胞生成素）销售额均达到10亿美元。从上市品种看，1998年，我国有15种基因工程药物和疫苗获准上市，美国上市的生物药物（主要是基因工程药物）共53种。我国基国工程药物市时间较美国同品种上市时间晚5年-10年。3 基因工程制药的发展7早在20世纪50年代，阿尔伯（Arber）的实验室就已发现大肠杆菌能够限制入侵的噬菌体。1970年，史密斯等人从流感嗜血杆菌中分离出特异切割DNA的限制酶。1973年，科恩(Cohen)和博耶（Boyer）发明了DNA重组技术，首次实现了DNA的分子克隆，人类基因组、蛋白质组等研究进展迅速，大量的疾病相关的基因被发现。渐渐地，基因工程制药在全世界得到迅速发展，越来越多的基因工程药物上市，造福于人类。3.1 基因工程的发展史基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于本世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学8。一般来说，基因工程是指在基因水平上的遗传工程，它是用人为方法将所需要的某一供体生物的遗传物质DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，进行正常复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。基因工程具有以下几个重要特征：首先，外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖，能够跨越天然物种屏障，把来自任何一种生物的基因放置到新的生物中，而这种生物可以与原来生物毫无亲缘关系，这种能力是基因工程的第一个重要特征。第二个特征是，一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增，这样实现很少量DNA样品拷贝出大量的DNA，而且是大量没有污染任何其它DNA序列的、绝对纯净的DNA分子群体。科学家将改变人类生殖细胞DNA的技术称为“基因系治疗”（germlinetherapy），通常所说的“基因工程”则是针对改变动植物生殖细胞的。无论称谓如何，改变个体生殖细胞的DNA都将可能使其后代发生同样的改变。3.2 基因工程制药的研究热点2007年6月19日中国医药报报道：随着现代生物技术的发展，运用功能基因组学、蛋白质组学、生物信息学等现代生化与分子生物学技术，结合基因工程、蛋白质工程、细胞工程等技术，使得生物技术药物研发高潮迭起。治疗性抗体成热点抗体药物是以细胞工程技术和基因工程技术为主体的抗体工程技术制备的药物，其在感染、心血管疾病、自身免疫性疾病，特别是肿瘤治疗中有巨大的潜力与应用前景。甄永苏院士曾表示，当前，治疗性抗体药物研发已成为生物技术药物领域的热点，而抗体药物作用靶点的选择性、抗体药物的人源化、小型化和高效化也是今后的研究热点9。目前全世界已有608个基因治疗方案进入临床试验，其中以癌症为首位，艾滋病居次，涉及心血管疾病及多种遗传病。目前国外还在基因治疗的应用基础研究方面大量投入，包括新型载体系统、肿瘤细胞裂解性病毒、基因体内调控系统、新型目的基因的尝试等，这预示着将发生新的技术突破，从而大幅度提高基因治疗的效果和临床应用的可行性，基因工程的研究热点会越来越多。3.3 基因工程制药的发展趋势基因工程制药属于前沿行业，在全球金融危机的阴影下，新兴国家医药市场却表现得风光这边独好，中国作为“金砖四国”之一，生物制药市场也分外亮丽。国家发展改革委安排新增中央投资4.42亿元，支持生物医药、生物育种、生物医学工程高技术产业化专项以及国家生物产业基地公共服务条件建设专项的建设，此举为今后生物制药的发展注入了新的动力。虽然经过多年的发展，中国生物医药产业已经有了一个良好的基础，但是与世界先进国家的生物医药产业相比，中国生物医药产业还存在不少差距。中国生物医药产业的发展从科研到产业化，将是一条艰难的路。近年来，从国家到地方各级政府不断加大力度支持生物医药产业的发展。到2020年，中国将基本实现工业化，建成完善的社会主义市场经济体制和更具活力、更加开放的经济体制。同时社会保障体系比较健全，将形成比较完善的现代医疗卫生体系。这两个因素将为生物医药产业创造巨大的市场空间和良好的发展环境。总体而言，中国生物制药产业未来充满希望，前景看好，未来一段时间中国生物将依然呈现较快发展态势10。基因工程制药在生物制药工程中具有重要地位，其中抗体类药物在基因工程制药中是最具有发展前途的基因工程药物之一，目前市场销售的基因工程药物有1/3以上是抗体类药物。从长期趋势看，这个比例还会继续大幅度升高。4 我国基因工程制药的发展前景现代生物技术在医药领域的应用非常广泛，其中：基因工程制药产业化程度最高、市场销售量最大、涉足公司最多，人们所称的生物制药一般指此。基因芯片处于产业化前期，市场前景十分乐观。基因治疗处于初期临床试验阶段，应用前景十分巨大，但离实用还有相当长一段路要走。目前世界已有2000多家生物技术公司，其中70从事医药产品的开发。 中国基因工程药物的产业化前景：据不完全统计，中国有生物工程公司300 多家，并形成了一支近万名从事生物技术研究和开发的科技队伍，从地域上来看主要集中在北京、上海、深圳、西安、合肥等地。 未来我国研究和投资的主要方向：开发针对神经系统、肿瘤、心血管系统、艾滋病及免疫缺陷等重大疾病的多肽、蛋白质和核酸等新生物技术产品。此方面开发重点将主要是干扰素、生长激素与TPA等。 选择一批市场前景好的生物技术产品及疫苗、诊断用单克隆抗体。专家认为我国在这方面已有一定基础，开发重点是乙肝基因疫苗与单克隆抗体诊断试剂。开发靶向药物主要是开发抗肿瘤药物。血液替代品的研究与开发仍然占重要地位。生物技术在医药领域的应用：基因治疗、生物 /基因芯片、干细胞等。另外，有可能开发转基因动物。随着基因工程技术的进展，基因工程药物正在不断增加，创造了可以长期获取更大利润的商机，也更多地造福于人类。在我