酶工程技术极其在医药领域的应用

酶工程技术极其在医药领域的应用摘要：随着生物技术的迅速发展，酶工程在生物工程中的核心地位得到了更好的体现。酶工程作为一种高新技术，已在医药、食品、轻工业、纺织等行业中得到越来越广泛的应用。本文将从酶的固定化技术、酶催化技术、酶的化学修饰、脱氧核酶、抗体酶和酶学诊断等几个方面来对酶工程在医药行业中的应用进行综述。关键词：酶工程；医药；应用Enzyme engineering technology and its application in the medical fieldAbstract: With the rapid development of biotechnology, enzyme engineering as a hard core of biological engineering has been better reflected. Enzyme engineering, as a new high-tech, has been widely used in medicine, food, light industry, textile and other industries. This article told the application of enzyme engineering in the medical industry from these aspects ,Enzymes Immobilization, Enzyme Catalysis, Enzymes Modification, Deoxyribozyme, Catalytic Antibody and Enzymatic diagnosis. Key words: Enzyme Engineering; Medicine; Application 1 引言：回顾20世纪，生物科学与生物工程在全球崛起并迅速发展，已经从整体水平发展到细胞水平和分子水平，在基础与应用研究领域取得了举世瞩目的成果。酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用之重要、研究成果之显著已为世人所公认。展望21世纪，生物科学与生物工程将以更快的速度发展，在世界科技与经济的发展中起支柱和骨干作用1。 酶作为一种高效生物催化剂，具有高度的特异立体选择性及区域选择性，并在常压、常温和pH值中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多的目的产物，避免了化学法合成中的许多不足。目前，酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关注的领域之一，这主要是因为医药产品一般附加值高，且大多是光学活性物质，作为十分优良的手性催化剂酶，用于多种高效手性药物的合成及制备将十分有效，潜力巨大。2 几种酶工程技术极其在医药中的应用 2.1 酶的固定化技术 酶的固定化(enzyme immobilization)是指采用有机或无机固体材料作为载体(carrier or support)，将酶包埋起来或束缚、限制于载体的表面和微孔中，使其仍具有催化活性，并可回收及重复使用的酶化学方法与技术不使用固体材料作为载体，通过酶分子之间的相互交联形成聚集体，也可将酶固定化，称为无载体酶固定化。由于酶的蛋白质属性，进人人体后产生免疫反应，因稀释效应，而无法集中于靶器官组织，常不能保持最适合的治疗浓度，而固定化酶则很好的克服了游离酶的这些缺点，应用于治疗镁缺乏症、代谢异常症及制造人工内脏方面，如固定化L-天冬酰胺酶用于治疗白血病。葡萄糖氧化酶被固定化在纳米微带金电极上可用于活体检测的微生物传感器2。固定化酶技术可用于治疗一些代谢障碍疾病。已知人类关于新陈代谢的疾病已过120余种，很多病因归结为人体缺乏某种酶的活性，一种可能的治疗方法就是通过某种方式给病人提供他所缺乏的酶。其提供的方式主要有：将固定化酶用于体内作为治疗药物；将固定化酶组装成体外生物反应器，通过体外循环作为临床治疗剂。将固定化酶用于临床诊断的例子很多，如各种酶测试盒层出不穷，采用固定化酶柱反应器的FIA(流动注射法)可用于临床诊断检测尿酸、葡萄糖、氨、尿素、胆甾醇、谷氨酸、乳酸、无机磷等。2.2 酶催化技术 此处主要介绍非水相介质中的酶催化，传统的酶催化反应主要在水相中进行，但自1987年Kilibanov等3用脂肪酶粉或固定化酶在几乎无水的有机溶剂中成功地催化合成了肽以及手性的醇、脂和酰胺以来，对酶在非水相介质的催化反应技术的开发及研究报道迅速增加，特别在手性药物的不对称合成及手性药物拆分的生物技术开发中得到了很多应用。目前非水相中的酶催化技术已衍生出以下几类体系：水与有机溶剂的互溶均相体系；水与有机溶剂形成的两相或多相体系；单相有机溶剂体系；反胶束体系；超临界液体；低温体系等。不同的介质体系都有各自的适用范围，研究在不同介质中的酶催化反应动力学及热力学平衡以及酶催化机制将对某一特定催化反应所需介质的筛选和使用起到十分重要的指导意义，樊可可和欧阳平凯在两相体系酶催化反应介质的选取方面做了很多的实验及理化研究，已初步归纳出经实验验证行之有效的两相体系中酶促肽键合成反应介质的筛选原则。目前酶催化技术主要应用于制药领域，应用酶催化技术可以生产许多成品药及医药中间体。它是通过以制造初级代谢产物、中间代谢产物、次级代谢产物及催化转化和拆分等形式来进行的。这已成为当今新药开发和改造传统制药工艺的重要手段，特别在手性药物及中间体的生产中更有广泛的应用前景。以下重点介绍几个制药领域中酶催化技术的应用：生产医药用的氨基酸（如L-丙氨酸）、有机酸（柠檬酸、L一苹果酸、L-酒石酸）、抗生素（如6一氨基青霉烷酸、氨苄青霉素和羟氨青霉素）、肽类药物（如胰岛素、环孢菌素A）以及广泛应用于多种维生素(VB2、VB12)、甾体药物(氢化可的松、脱氢泼尼松、睾丸激素等)及核苷酸类药物(5-核苷酸，3-核苷酸)等的生产4。2.3 酶的化学修饰 酶的化学修饰是指利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上，或将酶分子的某部分删除或置换，改变酶的理化性质，最终达到改变酶的催化性质的目的。在生物医药领域中化学修饰可以提高医用酶的稳定性，延长它在体内的半衰期，抑制免疫球蛋白的产生，降低或消除酶分子的免疫原性，确保其生物活性的发挥。修饰剂作为一种屏障，将蛋白质表面的抗原决定簇掩盖起来，使得蛋白质分子不能与各种细胞表面受体结合，不被机体的免疫系统识别，避免了相应抗体的产生，这是化学修饰降低药用蛋白免疫原性的基本原理。同时由于修饰剂的屏障效应，使蛋白质不易受到各种蛋白酶的攻击，降解速率明显降低。有利于药用蛋白活性的发挥。目前研究表明。PEC、人血清蛋白、聚丙氨酸在消除或降低酶抗原性上效果明显。另外，PEC修饰超氧化物歧化酶活力保持51，在血液中停滞时间延长，抗炎活性提高5。2.4 脱氧核酶 脱氧核酶在结构上具有生物酶的一般特征，包含结合部位和催化部位。一般来说，脱氧核酶由突环和臂两部分构成，突环为其催化部位，臂为结合部位。Santoro等6从包含约l1014个DNA文库中筛选出两类高效、通用的脱氧核酶：817型脱氧核酶(817DRz)和1023型脱氧核酶(1023DRz)。这两种脱氧核酶由催化核心和两侧的底物识别结构域构成。脱氧核酶具有高效催化降解靶RNA酶能力，因此其应用从基础生物技术领域扩展到了医学领域，在序列特异性RNA降解方面具有广阔的应用前景，在生物体外可以作为RNA的限制性内切酶，在体内可在mRNA水平上关闭基因表达。恶性肿瘤的基因治疗，Cairns等7研究表明有5种针对c-myc的脱氧核酶可以显著抑制细胞中cmyc的表达，并抑制平滑肌细胞的增殖。Sioud等8研究表明。DRz4在纳摩尔浓度就能显著抑制细胞中异常的PKC。mRNA的表达，使异常PKC。蛋白减少，进而减少细胞存活蛋白Bel2XL的生成，促进多种敏感的恶性肿瘤细胞凋亡。血管生成在肿瘤的发生发展中具有重要作用，抗血管生成是目前肿瘤治疗的热点之一。 Liu等9设计了针对肿瘤血管生成相关的人血小板型12一脂加氧酶的脱氧核酶，导入红白血病细胞中，能显著抑制12一脂加氧酶的表达，有可能成为12一脂加氧酶基因敲除的特异性工具和抑制肿瘤生长的新策略。Santiago等10设计的1023DRz可特异性剪切Egr一1Mrna，抑制培养体系中细胞的增殖和损伤修复；也能抑制大鼠颈总动脉壁气球样损伤后Egr-1蛋白的诱导性表达和新生血管内膜的形成。因此，脱氧核酶有望成为抗血管生成的又一新型药物11。 2.5 抗体酶 抗体酶(abzyme)，又称催化抗体(catalytic antibody)，是指通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它既具有相应的免疫活性，又能像酶那样催化某种化学反应。 利用抗体酶催化药物在体内的还原，有利于机体对药物的吸收，并降低药品的毒副作用：将抗体酶技术和蛋白质融合技术结合在一起，设计出既有催化功能又有组织特异性的嵌合抗体，用于切割恶性肿瘤；将抗体酶直接作为药物，以治疗酶缺陷症患者凹。抗体酶还可以水解清除血液中的毒素，如分解可卡因、有机磷毒剂等。抗体酶可以拮抗可卡因等麻醉剂的成瘾性，使可卡因失去刺激功能，以帮助瘾君子戒除毒瘾。前药(prodrug)是指为降低药物毒性而设计的一类自身无活性或活性较低，需在体内经代谢转化为活性药物以发挥作用的化合物。抗体酶在正在发展的ADEPT体系中成功地对前药进行活化，提高了肿瘤治疗的选择性，显示出很好的应用前景ADEPT体系：即抗体靶向的酶前药治疗(antibody directed enzyme prodrug therapy ADEPT)体系。将能催化前药转化为肿瘤细胞毒剂的酶，与肿瘤细胞专性抗体相偶联，酶通过与肿瘤抗体的结合而存在于肿瘤细胞表面，当前药扩散至肿瘤细胞表面或附近时，抗体酶就会将前药迅速水解，释放出抗肿瘤药物。这样大大提高了肿瘤细胞附近局部药物的浓度，增强对肿瘤细胞的杀伤力，减少对正常细胞的杀伤作用。经过科学家们的不断努力，抗体酶在 ADEPT 体系中的应用将日益完善，将会成为癌症化疗的重要武器12。2.6 酶学诊断 酶除了直接作为药物用作常规治疗，以及利用其特异性生产其它酶类或非酶类药物外，酶还作为临床检测试剂，可以快速、灵敏、准确地测定体内某些物质的理化性质，从而对某些疾病做出诊断。酶学诊断方法包括两个方面，一是根据体内原有酶活力的变化来诊断某些疾病，如利用葡萄糖氧化酶活力变化，可以测定血糖含量，诊断糖尿病；二是利用酶来测定体内某些物质的含量，从而诊断某些疾病，如利用尿酸酶测定血液中尿酸的含量诊断痛风病，又如利用胆碱酯酶或胆固醇氧化酶测定血液中胆固醇的含量诊断心血管疾病或高血压等。这也是酶工程在医疗上一个重要的应用13。3 前景：酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用之重，研究成果之显著以为世人所公认。在未来的年间, 酶工程不应重履前人之程序,应锐意创造一代新酶,研制高混合率及传质性能优良的酶反应器, 制造出可进行灭菌、灵敏度高及应用范围广泛的生物传感器探头, 同时加速开发生化工程, 提高产品收率。另外,须研制稳定性高而分泌性能良好的基因工程细胞及杂种细胞。现代酶工程最终目标是通过重组或杂交技术制造出各种特异功能的催化剂,并制造出具有不同特异功能的人工细胞,并将具有不同功能的人工细胞组合成不食人间烟火而有思维能力的生物机器人,取代各种类型酶反应器, 通过自动控制投入相应原料,令其排出各种有效药物,提高医药生产技术,创造更先进生产力。因此,酶工程在医药领域中的应用前景无比灿烂14。参考文献1 郭勇.酶工程研究进展与发展前景J. 华南理工大学学报，2002，11（30）：130-133；2 刘春叶，王亚明，唐辉. 酶的固定化及化学修饰J.云南化工，2002，5（31）：29-30；3 Klibanov AM， Trends Biochemsci， 1989， 14：141-144；4 沈树宝，胡永红，欧阳平凯.酶催化技术在医药工业中的应用J. 精细与专用化学，2001，8：5-8；5 化学修饰酶在天然药物研究和生物技术中的应用J.陕西中医学院报，2003，5（26）：60-62；6 Santoro S W，Joyee G FA general purpose RNAcleaving DNA enzymeJ.Proc Natl Acad Sci USA.1997，94(9)：42624266;7 Cairns M J，Hopkins T M，Witherington C.et al.Target site selection fof an RNA-cleaving catalytic DNAJ.Nat Bioteehnol，1999，17(5)：480486;8 Sioud M，Leirdal M. 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