基因工程制药研究进展.doc

燕京理工学院现代制药技术大作业基因工程制药研究进展摘 要以DNA重组技术为核心的现代生物技术是一个正在不断发展的高技术综合体系,也是国际上优先发展的高技术领域之一。自20 世纪70 年代基因工程诞生以来,最先应用基因工程且目前最为活跃的研究领域便是医药科学。DNA 重组技术不仅直接提供干扰素、红细胞生成素( EPO) 1等基因工程药物,供临床治疗使用,提高对恶性肿肿瘤、心脑血管病、重要传染病和遗传病的防治水平,而且也广泛应用于改造已有的抗生素和生物制品等传统医药工业。基因工程药物已形成一个巨大的高新技术产业。本文就基因工程制药的现状和研究进展作一概述。关键词：基因工程 药物 DNA1953 年Waston 和Crick 发现遗传物质DNA 的双螺旋结构,给整个生物学乃至整个人类社会带来了一场革命。此后,一系列有关遗传信息即基因研究的成果很快地向应用和开发拓展。1973 年Cohen 等首次实现体外基因转移,1977 年Boyer 首次获得生长激素抑制因子的克隆,1982 年第一个基因工程重组产品人胰岛素被批准应用。迄今为止,已有50 多种2基因工程药物上市,近千种处于研发状态。基因工程药物已形成一个巨大的高新技术产业,产生了不可估量的社会效益和经济效益。1、 基因工程基因工程(gene engineering) ,又称重组DNA 技术(recombinant DNA technique) ,就是将重组对象的基因插入载体,拼接后转入新的宿主细胞,构建成工程菌(或细胞) ,实现遗传物质的重新组合,并使目的基因在工程菌内进行复制和表达的技术,产生出人类需要的基因产物,或者改良、创造出新的物种造福于人类。用基因工程可以打破不同物种在亿万年中形成的天然屏障,任何不同种类生物的基因都有可能通过基因工程技术而组合到一起。自20 世纪70 年代基因工程诞生以来,最先应用且目前最为活跃的研究领域便是医药科学。目前世界上70 %的生物技术公司从事医药产品的开发3。基因工程开创制药工业新门类。2、 基因工程药物生产基因工程药物的基本方法是:将目的基因连接在载体上,然后将载体导入靶细胞(微生物、哺乳动物细胞或人体组织靶细胞) ,使目的基因在靶细胞中得到表达,最后将表达的目的蛋白质提纯及做成制剂,从而成为蛋白类药或疫苗。若目的基因直接在人体组织靶细胞内表达,就成为基因治疗。利用基因工程技术生产药品的优点在于:大量生产过去难以获得的生理活性物质和多肽;挖掘更多的生理活性物质和多肽;改造内源生理活性物质;可获得新型化合物,扩大药物筛选来源。DNA 重组技术不仅直接提供干扰素、白细胞素、红细胞生成素( EPO) 、集落刺激因子( GM- CSF) 4等基因工程药物,供临床治疗使用,提高对恶性肿瘤、心脑血管病、重要传染病和遗传病的防治水平,而且也广泛应用于改造已有的抗生素和生物制品等传统医药工业。3、 基因工程制药的技术路径发展依目的基因的表达系统,可分为:3. 1 发酵培养5利用微生物发酵、动物细胞培养是目前工业化生产基因工程药物的最主要方法。许多活性多肽和蛋白质具有治疗和预防疾病的作用,但在组织细胞内产量极微,采用常规方法很难获得足够量以供临床应用。基因工程则突破了这一局限性,可大量生产这类多肽和蛋白质,迄今已成功地生产出胰岛素、干扰素、生长激素、生长激素释放抑制因子等百余种产品,其中许多已成为临床治疗的有力武器,并创造了显著的经济效益。3 . 2 转基因植物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质,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。3. 3 转基因动物把外源基因导入动物的受精卵里,再将这一受精卵接种到借腹怀孕的寄养雌性动物的子宫内,使之发育繁殖。这样生育的动物为转基因动物。开发转基因动物的一个目标是使动物在血液中分泌某种蛋白质,如用转基因猪生产人类血红蛋白(hemoglobin) ,用作血液的代用品6。目前,受到普遍重视的方案就是利用转基因动物的乳腺作为生物反应器,使之在奶汁中分泌所必须的重组蛋白质。例如,用于溶化人类血凝块的组织纤溶酶原激活物(t PA)7 ,克隆编码t PA 的基因被称之为“你所宠爱的基因”(your favoritegene ,YFG) 。把YFG放在乳球蛋白启动子控制之下使YFG 只能在乳腺细胞内才具有活性。用显微注射法把目的基因与表达载体的DNA 重组体注入卵内,种入借腹怀孕的母羊体内。根据YFG的序列设计引物,利用PCR 鉴定表达YFG幼羊的染色体8。转基因羊只在乳汁中表达高浓度的YFG蛋白质。1988 年开始在哺乳动物乳腺生物反应器中表达基因工程药物以来,已在牛、山羊、猪等动物的奶汁中生产出一些人类蛋白质药物:抗凝血酶、纤维蛋白原、胶原蛋白、糖基转移酶、血红蛋白。从转基因动物的乳汁中获得药物,不但产量高、易提纯,还具有稳定的生物活性。造价要比利用哺乳动物细胞系统低得多,大有取代细胞培养之势。3. 4 基因治疗直接向人体靶细胞或组织中引入外源基因,以纠正或补偿基因的缺陷,关闭或抑制异常表达的基因,从而达到治疗的目的。应用对象是那些现有方法尚无法治疗的疾病。方法有四类:体外原位治疗、体内基因治疗、反义疗法和核酶的基因治疗。基因治疗学探索各种疾病的发病机理,以分离出新的靶基因供筛选使用。在基因诊断和基因治疗中,揭示疾病发生机理的最关键前提条件是要找到特定疾病的相关基因“, 人类基因组计划”9(Human Genomic Project ,HGP)给最终找到各种疾病相关基因带来了曙光。4、 基因工程药物的研究发展基因工程药物发展包括新品种和新适应两个方面。4. 1 大量生产、挖掘和改造内源生理活性物质和多肽第一代基因工程药物是针对因缺乏天然内源性蛋白所引起的疾病。应用基因工程技术去扩大这类多肽蛋白质的产量以替代或补充体内对这类活性多肽蛋白质的需要,主要是以蛋白质激素类为代表。第二代基因工程药物是根据内源性多肽蛋白的生理活性,应用基因工程技术大量生产这些极为稀有物质,以超正常浓度剂量供给人体,以激发它们的天然活性作为其治疗疾病的药理基础,主要是以细胞生长调节因子为代表。应用重组DNA 技术表达人源性抗体或将抗体小型化(如Fab 抗体,单链抗体、单域抗体,分子识别抗体等) ,与非人源化抗体和完整抗体相比,其反应原性弱,穿透力强,表达效率高10。所以人源化抗体药物和小型化抗体靶向药物正成为肿瘤治疗、自身免疫性疾病、器官移植排斥和艾滋病防治药物的又一研究热点。4. 2 基因工程在新药研究中的应用筛选是新药研究的第一步。应用DNA 重组技术可将一些靶酶的活性中心或受体的配体、亚基等大量进行表达,获得所需的靶酶或受体。利用药物筛选模型,从天然药物(动物、植物、微生物、海洋生物等) 或化学合成的化合物,可筛选特异性的酶抑制剂、配体- 受体结合拮抗剂11、基因复制表达的封闭阻断剂等。均有可能成为新药的先导化合物,进而成为治疗疾病的新药物。DNA 重组技术使新药筛选达到分子水平,命中率高,加快新药研究的开发速度。4. 3 基因疫苗用基因工程的方法,表达出病原物的一段基因序列,将表达产物(多数是无毒性、无感染能力、但具有较强的免疫原性) 用作疫苗。基因工程可以根据病原体的抗原分子群,将它们的基因重组在一起导入大肠杆菌(工程菌)12 ,使该菌成为制造混合抗原的工厂。基因工程还可将有关抗原的DNA 导人活微生物,这种微生物在受免疫应激后的宿主体内生长,可产生弱毒活疫苗,具有抗原刺激剂量大、持续时间长等优点。一般认为,肿瘤细胞由于抗原性太弱而逃避了机体免疫系统对它们的追杀,而用基因工程将某些具有抗原性的蛋白质基因导入肿瘤细胞,可大大增加其抗原性,从而被免疫系统所识别与杀灭。5、 我国基因工程制药发展及面临的问题1989 年我国批准生产第一个基因工程药物重组人干扰素Ib。这是我国拥有自主知识产权的第一个基因工程一类新药,成为“863”计划12生物技术领域第一个实现产业化的基因工程药物。目前,已批准上市的基因工程药物和疫苗产品共计15 种。已经批准进入临床的有近十种药;B 型血友病基因治疗已初步获得临床疗效;已掌握国际最新的工程抗体基因工程技术;正在进行开发研究的基因工程疫苗或药物还有几十种,此外还有很多基因工程药物正在进行临床前研究。由于基因工程制药是知识和资金密集型的高新技术产业,加入世贸组织后受到的影响会很大,主要原因如下:1 、高尖技术人才少,特别是高级管理策划人员严重匮乏,使产业规模发展受影响。2 、资金投入严重不足,在新产品的研究上极其缺乏竞争力。基因工程制药是一个需要高投入的新兴行业,1997 年美国的风险投资已超过500 亿美元,而且每年追加50 亿美元。而我国十几年来的总投入才40 多亿人民币13。3 、仿制过多,创新不足。目前的基因工程药物多数是仿制品,加入WTO 仿制生产国外利产品的做法将进一步受到限制。总之,一个基因工程新药的市场开发需要较长的时间和大量的资金投入。外国企业依靠资金和技术的优势,对我国正在发展的基因工程制药产生了巨大的冲击。加入WTO 后,这一现象会进一步加剧。6、 基因工程药物的发展方向随着人类基因组计划的完成以及各种新技术和新方法的不断出现,以下几个领域是未来研究和投资的主要方向:6. 1 利用新发现的人类基因,开发新型药剂利用基因组学和后基因组学知识,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、蛋白质和核酸等新型药剂14。6. 2 开发靶向药物目前治疗肿瘤的药物,在杀死癌细胞的同时,也杀死正常细胞15。导向治疗就是利用抗体寻找靶标,如导弹的导航器,把药物准确引入病灶,而不伤及其他组织和细胞。6. 3 人源化单克隆抗体的研究开发抗体可以对抗各种病原体,亦可作为导向器,但目前的单克隆抗体,多为鼠源抗体16,注入人体后会产生抗体(抗抗体) 或激发免疫反应。目前已研究噬菌体抗体技术、嵌合抗体技术17、基因工程抗体技术以解决人源化抗体问题。6. 4 转基因动物的开发与应用血液制品是采用大批混合的人体血浆制成的,人血难免被各种病原体所污染,因此利用基因工程开发血液替代品引人注目。基因工程技术的应用(包括转移体系的不断改进) 已使新药研究方法和制药工业的生产方式发生重大变革。随着人类基因组计划的完成,大量与人类健康有关的基因将被定位、鉴定和分离。每个新发现的基因都有可能产生作为人类疾病的检测、治疗和预防的新药,一个边缘产业生物医药产业正在迅猛地发展起来。医药学家预言,在21 世纪,将有50 %70 %18的新药来自基因工程研究。结 论综上所述,基因工程技术在医药工业中的应用非常广泛,利用基因工程技术开发药物已成为当前最为活跃和迅猛发展的领域。随着人类基因组计划19的完成,以及基因组学、蛋白质组学、生物信息学等研究的深入,为医药生物技术开拓了一个新的领域,基因工程制药将有更多机会获得突破性进展,为保障人类健康做出更大的贡献。参考文献1瞿礼嘉,顾红雅,胡平,等,现代生物技术导论M1 北京: 高等教育出版社, 199812马大龙, 生物技术药物M 1 北京: 科学出版社, 200113牛朝诗1国外医学: 生理、病理科学与临床分册, 2013, 20 ( 3) :21221514龚德华1 肾脏病与透析肾移植杂志, 2011, 7 (4) : 34835115曹雪涛1中华消化杂志, 2012, 15 (3) : 16717016Alcami A1 Trends in Immunology, 2011, 22 (1) : 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