生命科学研究及技术应用对人类健康的贡献及前景展望.docx

生命科学研究及技术应用对人类健康的贡献及前景展望【摘要】生物技术在医疗保健、环保及食品领域的应用，对改善人类的医疗与生存环境、提高疾病预防、诊断及治疗技术都产生了深刻的影响。 生物技术将来必定会发展得越来越迅速，拥有着广阔的前景。21世纪生命科学与生物技术，作为对全社会最为重要并可能改变未来工业和经济格局的技术，一直吸引着人们的眼球。生命科学的新发现、不断出现的新生物技术无不展示着其在改善人类医疗卫生、农业、人口和食品状况方面的显著地位。生命科学研究及技术应用对人类健康的贡献1.生物技术发展现状生物技术(Biotechnology)是以生命科学为基础，利用生物(或生物组织、细胞及其他组成部分)的特性和功能，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，以及与工程原理相结合进行社会生产或社会服务的综合性技术领域。它是20世纪70年代初在分子生物学和细胞生物学基础上结合现代工程学的方法和原理而发展起来的一门综合性科学技术。 以基因工程、蛋白质工程、细胞工程为基础的现代生物技术是21世纪科技创新的前沿，代表了高新技术发展的方向。尤其是1990年启动的，由美、英、德、日、法、中六国参与的人类基因组计划(human genome project,HGP)的顺利实施则把生命科学推向当代科学研究的顶峰。生物技术的发展对化学、数学、物理、材料、信息工程等学科提出了许多新问题、新思路和新挑战，促使这些学科不断开拓新的研究领域。生物技术产业的发展对于改善人们的生活环境、提高人们的生活质量具有重要意义，特别是对于我国这样一个人口众多、人均资源少的国家，发展生物技术产业更具有重要的战略意义。 2.生物技术对人类健康的积极促进作用生物技术自诞生之日起就一直为人类健康水平的提高起着不可或缺的作用。主要体现在以下方面： 2.1疾病预防、诊断及治疗医药生物技术是生物技术领域中最活跃、产业发展最迅速、效益最显著的领域。投资比例及产品市场均占生物技术领域的首位。生物技术在医药领域的应用涉及到新药开发、新诊断技术、预防措施及新的治疗技术，如单克隆抗体、基因诊断、荧光检测、基因芯片等。这些技术可以快速、灵敏、简单地诊断疾病。常用的疾病诊断方法有酶联免疫吸附检测法和DNA诊断技术。单克隆抗体可以用于疾病治疗，也可用于疾病诊断。如用于肿瘤治疗的生物导弹，是将治疗肿瘤的药物与抗肿瘤细胞的抗体连接在一起，利用抗体与抗原的亲和性，使药物集中于肿瘤部位以杀死肿瘤细胞，减少药物对正常细胞的毒副作用。单克隆抗体更多地是用于疾病的诊断和治疗效果的评价。再有，基因芯片技术可用于包括遗传性疾病、传染性疾病及肿瘤等疾病的诊断、DNA序列分析、药物筛选、基因表达水平的测定等领域。这些都为改善人类健康和提高生命质量起到一定的促进作用。 2.2生物制药生物制药改变了传统制药的原料、工艺和生产方式，制造出有特殊疗效的药物，帮助医学战胜了许多威胁人类健康和生命的顽症。抗生素是人类最熟悉、应用最广泛的生物技术药物。目前上市的基因工程蛋白质药物主要用于治疗癌症、艾滋病、细菌感染、代谢病、血液病、糖尿病等。利用基因工程生产的重组疫苗可以达到安全、高效的目的，如病毒性肝炎疫苗、霍乱、痢疾、血吸虫疫苗等。2.3 HGP对人类疾病基因研究的贡献人类疾病相关的基因是人类基因组中结构和功能完整性至关重要的信息，HGP在利用基因进行疾病诊断方面发挥着重大作用。过去人们要花很长时间来寻找到底是哪一种基因引发疾病，有了基因图谱，这一过程将大大缩短。基因图谱将有助于科学家找到治病的新药。了解基因对蛋白质的作用，科学家可以设计基因药物，利用基因释放的命令来修复或制造蛋白，使蛋白按要求控制人体细胞或器官的正常运作，达到治病的目的。 2.4转基因动植物通过基因工程来提高食物的营养水平，可为改善全球人类营养状况做出贡献。转基因动物和转基因农作物的出现为人类提供了新型、高质、健康的食品。其中，以转基因植物发展尤为迅速。据统计，在美国，转基因食品高达4000多种，已成为人们日常生活的普通商品。生物技术的前景分析有些学者认为，20世纪的科学技术是以物理学和化学的成就占主导地位，而21世纪的科学技术是以生物学的成就占主导地位。无论这种说法是否得到普遍的认同，生物技术是当今高技术中发展最快的领域似乎是不争的事实。 生命的革命 科学家预测，生命科学到2015年会取得革命性进展。这些进展可以帮助人类解决很多目前无法医治的疾病的治疗问题，彻底消除营养不良，改善食品的生产方式，消除各种污染，延长人类寿命，提高生命质量，为社会安全和刑侦提供新的手段。有些成果还可以帮助人类加速植物和动物的人工进化以及改善生态环境对人类的影响等。产生新的有机生命的研究也会取得进展。其中有可能取得突破的领域包括： 1人类生命的质量和数量 随着生活质量的提高，人类的寿命到2015年可以明显延长。疾病控制、定制药物、基因疗法、延缓衰老和返老还童术、记忆药物、修复医学、仿生学移植、动物移植等诸多领域的进展可以继续改善人类的生命质量并延长人类的寿命。有些领域的进展(例如人造传感器)可以使人类的生理机能超过目前的水平。在这些领域中，发达国家要比发展中国家受益更大。 2优生学与克隆技术 人类到2015年大概有能力利用遗传工程技术改良人类和克隆人类。这无疑是人类历史上争议最大的一个焦点。到2015年是否会广泛开展这项研究目前还难以预料，而且克隆人类的技术也许到2015年仍然还不够成熟。不过我们至少可以预见到会有一些利用基因疗法治疗遗传疾病的研究和带有恶作剧性质的克隆试验。目前关于克隆人类的争议最迟到2015年会达到高峰。 生物技术的革命不可避免地要带来一些问题，也可能出现目前还无法预见的改弦更张。目前在转基因食品、克隆技术和基因组图谱方面已经出现了有关伦理、道德、宗教、隐私和环境的强烈争议。这些问题的出现不应该影响生物技术的革命，不过随着受到生物技术威力影响的人群的不断扩大，生物技术在今后15年内会不断修改自己的发展历程。 生物学的革命不仅依赖于生物科学和生物技术的自身发展，而且依赖于很多相关领域的技术走向，例如微机电系统、材料科学、图像处理、传感器和信息技术等。尽管生物技术的高速发展使人们难以作出准确的预测，但是基因组图谱、克隆技术、遗传修改技术、生物医学工程、疾病疗法和药物开发方面的进展正在加快。 基因组学 2015年生物技术会在有关遗传基因的下述研究领域取得新的进展。 1遗传图谱和DNA(脱氧核糖核酸)分析 DNA分析机和DNA芯片系统的出现可以提高遗传分析能力，改进药物研制过程，加速生物传感器的成熟。 到2015年，人类大概能够对植物(从大米和玉米等粮食作物到作为纸浆原料的生产性植物)和动物(从细菌到昆虫和哺乳动物)的基因组进行解码和描述。由于基因与功能和行为有关，所以人类可以利用动植物的基因图谱更准确地进行人类疾病的诊断，根据患者的具体症状和系统反应设计有针对性的药物，精确预测疾病的发展趋势并在全球范围内跟踪疾病的发展动向。值得注意的是，基因与功能之间的联系已经得到普遍认可，但是环境和表现型等其他因素也发挥着重要的修改作用。基因疗法也会取得进展，但也许到2015年仍然不够成熟。 遗传图谱在安全、刑侦和法律方面会发挥重要的作用。DNA识别在安全系统(例如计算机、安全区和武器)的介入控制，通过犯罪现场遗留的DNA残留物识别罪犯以及艺术品的真伪鉴别等方面可以弥补现有生物计量技术(例如视网膜和指纹鉴别)的不足。遗传识别有可能成为处理绑架、亲子关系认定和诈骗案件的最常用工具。生物传感器(其中有些是利用遗传方法制造的)也会在探测生物武器威胁、改进食物和水的质量测试手段、健康实时监测和医学实验室分析等方面发挥重要的作用。这些技术可以显著改善疾病诊断、了解疾病发展趋势和提高监测能力，从而使健康服务的方式发生根本的变化。 尽管如今有很多人持乐观态度，但是到2015年仍然还会存在不少影响基因组学发展的技术障碍。对于测序编码、传导、异构体调整、激活和最终功能的片面题解都会成为影响生物工程发展的技术障碍。对基因代码拥有过分的权利也会拖延研究的进展和研究成果的最终应用。但是也不能走另外一个极端，如果不能对测序编码进行得力的专利保护，也会影响生物技术的商业投资，拖延研究的进展和研究成果的最终应用。 2克隆技术 通过克隆技术人为地产生遗传性状相同的有机体对于培育农作物、牲畜和试验动物具有重要的意义。 克隆技术可能会成为迅速把人造特性推向市场、继续保持这些特性以及在研究开发方面生产相同有机体的主要手段。克隆人类的研究在没有被禁止的国家仍然会继续，或许到2015年会取得进展。但是世界上大部分国家会出于对伦理和健康的考虑而限制大规模克隆人类。 3转基因有机体 除了记录遗传代码和精确克隆有机物和微生物之外，生物学家还可以操纵动植物的遗传代码，从而给生命赋予某些人工特征以满足特定需要。遗传操作的传统技术(例如交叉授粉、选育和射线照射)会扩展到在实验室直接插入、删除和修改基因。这项技术的应用目标包括粮食作物、生产性植物、昆虫和动物。 4基因组学带来的问题 基因组学的巨大潜力为人类带来了新的机遇，也带来了不少问题。当人类可以为越来越多的有机物进行解码并且对基因的功能了解得越来越多时，人们就会越来越关注基因序列的知识产权和隐私权。 制作个人DNA图谱的能力出现之后已经引起公众对个人隐私和过度监管的关注，例如公安部门利用DNA签名数据库进行犯罪调查，保险公司或雇主利用遗传基因进行健康倾向预测从而排斥某些人等。根据遗传信息确定是否接受保险或雇用的做法已经引发了某些政策问题。倘若遗传代码与功能之间的作用机理更加明确，这类问题就会带来更大的困扰。 疗法和药物的开发 除了遗传学之外，生物技术还可以继续改进预防和治疗疾病的疗法。这些新疗法可以封锁病原体进入人体并进行传播的能力，使病原体变得更加脆弱并且使人的免疫功能对新的病原体作出反应。这些方法可以克服病原体对抗生素的耐受性越来越强的不良趋势，对感染形成新的攻势。 除了解决传统的细菌和病毒问题之外，人们正在开发解决化学不平衡和化学成分积累的新疗法。例如，正在开发之中的抗体可以攻击体内的可卡因，将来可以用于治疗成瘾问题。这种方法不仅有助于改善瘾君子的状况，而且对于解决全球性非法毒品贸易问题具有重大影响。 各种新技术的出现有助于新药物的开发。计算机模拟和分子图像处理技术(例如原子力显微镜、质量分光仪和扫描探测显微镜)相结合可以继续提高设计具有特定功能特性的分子的能力，成为药物研究和药物设计的得力工具。药物与使用该药物的生物系统相互作用的模拟在理解药效和药物安全方面会成为越来越有用的工具。例如，美国食品药物管理局(FDA)在药物审批的过程中利用DennisNoble的虚拟心脏模拟系统了解心脏药物的机理和临床试验观测结果的意义。这种方法到2015年可能会成为心脏等系统临床药物试验的主流方法，而复杂系统(例如大脑)的药物临床试验需要对这些系统的功能和生物学进行更为深入的研究。 药物的研究开发成本目前已经高到难以为继的程度，每种药物投放市场前的平均成本大约为6亿美元。这样高的成本会迫使医药工业对技术的进步进行巨大的投资，以增强医药工业的长期生存能力。综合利用遗传图谱、基于表现型的定制药物开发、化学模拟程序和工程程序以及药物试验模拟等技术已经使药物开发从尝试型方法转变为定制型开发，即根据服药群体对药物反应的深入了解会设计、试验和使用新的药物。这种方法还可以挽救过去在临床试验中被少数患者排斥但有可能被多数患者接受的药物。这种方法可以改善成功率、降低试验成本、为适用范围较窄的药物开辟新的市场、使药物更加适合适用对症群体的需要。如果这种技术趋于成熟，可以对制药工业和健康保险业产生重大影响。 值得注意的是，制药工业的知识产权保护在世界各地是不平衡的。某些地区(例如亚洲)会继续以生产专利过期药物为主，有些地区(如美国和欧洲)除了继续生产低利润的药物外会不断开发新的药物。 生物医学工程 很多跨学科的研究团队正在加速发展生物医学工程，其主要目标是生产各种有机和人造的组织、器官和材料。 1有机组织和器官 设计、制造和修复组织和器官的技术进步可能会导致有机和人造人体部件的诞生。组织再生和组织修复的新进展会继续提高在人体内部解决健康问题的能力。 在历史不超过10年的组织工程领域已经出现了外伤处理用的人造皮肤。用于修复和更换的软骨生长技术已经进入临床试验阶段，通过功能组织的生长治疗心脏疾病的技术到2015年会趋于成熟。这些进展都取决于相关技术的进步，其中包括具有生物兼容性(生物可吸收性)的结构材料、三维导管材料和多细胞材料的开发以及对细胞组织在结构材料上的生长过程的了解等。 干细胞疗法的研究和应用会继续取得进展，使人们可以利用这些非特异性细胞增补或取代大脑或人体的功能以及各种器官和结构。科学家在早期胚胎或胎儿组织中发现了最没有特异性的干细胞，这引发了一场对在研究和治疗中使用干细胞是否符合伦理道德的争论。使用成人干细胞或干细胞培植等替代方法可以在减少伦理争议的前提下成为大规模生产细胞的新途径。 通过转基因技术获得的授主组织、器官抗体和调节蛋白质可以减少排斥，使异种移植技术得到改进。例如，可以通过转基因技术或克隆技术使狒狒或猪生长出人类移植所需要的器官。但这种技术到2015年不会取得大面积的成功。除了排斥现象之外，社会关注也会影响异种移植技术的实际应用。人们可能会担心动物的疾病会通过异体移植传染给人类。此外还有伦理、道德和专利方面的关注可能会引起法规对异种移植的限制，影响其应用范围。 2人造材料、人造器官和生物工程学 除了有机结构之外，设计和制造人类使用的人造组织和人造器官的研究会继续进行下去。 当前正在开发的多功能材料可以作为人体的结构材料和功能材料并不断带来新的应用。例如，内有疏水内核、外有亲水外壳的聚合物可以用来定时释放疏水药物分子，作为基因疗法或非活性酶的载体或者作为人造组织使用。空间排列稳定的聚合物还可以用来作为投药途径。 人们目前正在开发生物医学用的其他材料。例如，正在开发之中的氯化胶体可利用氟所具有的电负性高的优势提高传递氧气的能力(在外科中作为血液的替代品)，还可作为投药途径使用。正在开发的水凝胶可以控制其膨胀效果，可作为投药途径或组织工程中附着生长材料的模板。具有生物活性的氧化钙磷酸盐二氧化硅玻璃(凝胶玻璃)、烃磷灰石和磷酸钙之类的陶瓷材料可作为促进组织生长的网格、海绵和水凝胶使用。开发之中的涂料和表面处理材料可以提高移植材料的生物兼容性，例如克服人造血球中内细胞缺乏的问题并减少血栓形成。血液替代品可以改变血液存储和补偿系统，避免血液感染的危险。 新的制造技术和信息技术的出现可以使我们能够根据定制的尺寸和形状生产生物医学材料。例如，可以把计算机断层技术和“快速原型制造技术”结合起来利用反向工程的方法逐层设计新的骨骼，以便根据手部、足部和头颅的受伤部位定制利用陶瓷材料制造的骨骼。 除了结构和器官之外，到2015年还可以实现神经系统和传感系统的人工修复。视网膜和耳蜗移植、脊椎神经和其他神经损伤分流术、其他人工通讯和模拟等技术会得到改进且由于成本的下降而获得普及，从而消除很多导致失明和失聪的疾病。这可以减少或消除严重残疾对健康的影响，减少社会负担。 3生物拟态学和应用生物学 大脑功能图像处理和淘汰动物等最新技术使人们对人类和动物的智力和能力的理解发生了革命性的变化。这些成果到2015年可以大大加深人们对很多现象的理解，例如错误记忆、注意力、认知过程和信息处理等。这不仅可以使人们增加对人类本身的认识，而且还可以更好地设计人工系统，例如自治机器人和信息系统。神经形态学工程的结构和设计原理是以生物神经系统的结构为基础的。人们已经利用神经形态学工程的原理设计出新颖的控制算法、视觉芯片、头眼系统和生物拟态自治机器人。尽管目前还不能制造与高等生物具有类似智力和能力的系统，但是根据目前的发展趋势到2015年可能会实现很多有用的功能，例如用吸尘器打扫房间、探矿或进行自治搜索。 4外科和诊断用的生物技术 生物技术和材料科学的进展可能会使外科手术的程序及外科治疗系统发生革命性变化，从而大大减少住院时间和医疗成本并改善医疗效果。新的外科工具和外科技术以及新的包囊材料和组织支撑材料的出现，可以不断减少外科手术的侵入范围，为医疗技术提供新的途径。血管成型术等技术可使患者免除很多外科