转基因动物技术在生物制药上的应用

1、精选优质文档-倾情为你奉上转基因动物在生物制药中的应用徐玉尚 08生物（2）摘要：简要论述了转基因动物的概念、制作方法及应用领域。就转基因动物在制药工业和生物医药领域中的国内外研究与开发应用情况进行了阐述，具体综述了利用转基因动物生产药用蛋白、人类营养医疗保健品、治疗人类疾病及新药筛选的动物模型。并对转基因动物的发展前景作了展望。关键词：转基因动物；生物制药产业；转基因动物制药；应用许多科学家预言，21世纪是生物科学的世纪，生物技术产业已成为众多科学家和企业家竞相研发的热点1。转基因动物技术和转基因动物制药则更是近年来世界范围内研究热点中的热点。作为一门生物高新技术，转基因动物研究既具有深远的

2、理论价值，又有重大的应用价值，因而成为近年来生物工程领域研究的热点之一。而转基因动物的重要应用领域之一就是利用转基因动物作为生物反应器生产药用或食品蛋白，即转基因动物制药。本文通过回顾转基因动物技术和转基因动物技术生产药物的研究进展来对转基因动物制药进行介绍。1转基因动物概述1.1转基因动物的概念现代遗传学家认为，基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上，呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。转基因一词是20世纪80年代由美国的一位科学家提出的，它是指遗传物质在生殖细胞间跨物种的转移。转基

3、因动物就是所有组织细胞携带有外源基因的动物，而这一遗传物质可以由亲代向子代传递，通过遗传物质的转移，使生物体能够在一定程度上按人们的意愿表现某些性状。转基因动物的概念很严谨，必须是采用基因工程技术，对生殖细胞进行整合，而且能正常表达和遗传给后代，这样才可称之为转基因动物。具体而言，所谓转基因动物，就是用实验的方法将人们所需要的外源目的基因导入动物的生殖细胞受精卵里，并整合该细胞后发育成为个体整合的外源基因，整合的外源基因又能影响其后代遗传的动物。若外源基因与动物本身的基因（染色体）整合在一起，外源基因就能随细胞的分裂而增殖，在体内得到表达，并能稳定地遗传给后代 。2-41.2转基因动物的制作方

4、法若使动物组织能够特异性地表达外源蛋白质，必须人为地将编码这种蛋白质的基因转移到动物的胚胎中，使目的基因能够整合到动物染色体上，进而得到表达。制作转基因动物的方法主要有：原核期胚胎的显微注射法、逆转录病毒载体感染发育早期的动物胚胎法、精子载体法、原生殖细胞法、胚胎干细胞法、体细胞移植技术、腺病毒载体法和精子头与转移基因共注射法。目前一般使用逆转录病毒载体法（应用较为成功的方法）、显微注射法、精子载体法及YAC介导法等来制作转基因动物。但显微注射方法是最常用的转基因方法，它的缺点是不能控制转基因的整合位点及整合的拷贝数。2转基因动物制药2.1转基因动物制药的优越性 利用转基因动物生产药物具有很多

5、优点，它设备简单，不耗能，无环境污染；生产的药物品种多，产量高，质量好；生产周期短；成本低。利用转基因动物-乳腺生物反应器生产基因药物是一种全新的生产模式，比以往的制药技术具有不可比拟的优越性，好比在动物身上建“药厂”。我们可以从动物的乳汁中源源不断获得目的基因产品。它的优越性还表现在产量高，易提纯，表达产物已经过充分修饰和加工，具有稳定的生物活性。另外，作为生物反应器的转基因动物又可无限繁殖，故具有投资成本低、药物开发周期短和经济效益高的优点。以转基因动物来生产目的产品，可极大地降低成本和投资风险。国外经济学家曾算过一笔帐，若用其他生产工艺（如哺乳动物细胞株培养系统）生产 1g药物蛋白质，成

6、本需800-5000美元；而利用转基因动物只需0.02-0.5美元。从药物生产开发周期方面来看，目前一种新药从研制开发、药审直到上市，整个过程约需15-20年。如果利用转基因动物-乳腺生物反应器，新药生产的周期为5年左右。如以动物繁殖的周期计算，从目的基因导入受精卵到成熟泌乳的周期，转基因羊是18个月，而转基因牛也只要25-29个月 。5-62.2转基因动物制药过程生物机体对能量的利用与转化效率是当今世界任何一种机械装置所望尘莫及的。因此，通过转基因动物来生产药物是至今为止所能想象得出的最有效、最先进的系统。动物乳腺是天然的高效合成蛋白质的生物反应器，有强大的生产蛋白质的能力。20世纪80代中

7、期，英国科学家克拉克首先在小鼠的乳腺组织中高效表达了人的抗胰蛋白酶因子基因，开创了研制动物乳腺生物反应器的先河。1991又在绵羊乳腺中表达了人的抗胰蛋白酶因子基因，在这只母羊初乳中，该药品的含量高达35g/L。物体内，细胞的分化需要发育基因来调节，这种调节是由多种蛋白质因子对增强区和启动区中成丛顺式元件进行作用实现的。最有效的顺式元件之一就是“基因座控制区”。用乳汁蛋白质基网的调节元件，不仅有可能使转基因的表达只限于乳腺组织，而且可能使转基因得到高水平表达和大量生产。各种酪蛋白、乳清蛋白和乳腺蛋白等基因的调节元件已相继被克隆和投入使用。2.3转基因动物在生物制药中的应用转基因动物在生物制药中的

8、应用主要包括以下几个方面：改良动物品种和生产性能；生产人药用蛋白和营养保健蛋白；生产人用器官移植的异种供体；建立疾病和药物的筛选模型；生产新型生物材料等。1998年物技术产品的总销售额为62亿美元。预计到2010年总销售额将达到110亿美元。其中75亿美元是转基因动物产品。并且主要是药用蛋白和营养保健蛋白。2.3.1利用转基因动物生产药用蛋白 1998年全球重组蛋白类药物总销售额为138亿美元，抗体的销售额超过20亿美元。利用转基因动物生产药用蛋白主要通过3种渠道。一是通过血液，Dnx公司将人的血红蛋白基因转移给猪种，这样可以通过转基因猪来生产人血红蛋白。二是通过尿腺，利用膀胱中尿腺合成和分泌

9、蛋白的功能作为反应器的优点是，转基因动物终其一生都将产尿，并且尿中几乎不含脂肪和其他蛋白，容易纯化。1996年Kerr和Wau获得能在尿液中表达人生长激素的转基因小鼠，含量高达0.5g/L。也有利用动物的精囊腺来表达一些外源基因，理由是蛋白的表达水平非常高，但蛋白的分离纯化十分困难。三是通过乳腺，泌乳是动物的一种生理活动，对动物健康没有影响，加之乳腺摄取、合成、分泌蛋白质的能力很强，并且能对重组蛋白质进行多种翻译后加工，包括羟基化、糖基化、氨基化等，同时能将重组蛋白质折叠成有功能的构象。利用转基因家禽（如家鸡）产蛋的特性，试图在禽蛋中表达有价值的蛋白也是动物生物反应器研究的热点之一，但还没有证

10、据表明生产外源基因能够稳定遗传的转基因家禽技术已经成功。此外，转基因昆虫（如家蚕）生物反应器也有报道，但影响较小。因此，动物乳腺是目前公认的生产重组蛋白质的理想器官。72.3.2利用转基因动物生产人类营养医疗保健品 营养医用品或称营养保健品是美国医学创新基金会创始人和会长 Stephen和Defeuce在近年提出的名词，它的定义是“食品或食品的部分成分有医疗和保健的功能，包括预防和治疗疾病”。据美国商业信息研究所估计，美国21世纪初的营养医用品市场大约为 2500亿美元，而欧洲将超过这个数字。目前全球营养医用品市场的平均增长率超过187%。其中营养医用蛋白的发展潜力最大，已经成为营养医用品的支

11、柱。 美国食品与药物管理局（FDA）明文规定，营养医用品必须是科学研究的结晶，是生物高技术产品，这些产品的组成、结构和作用机理必须得到科学的阐明，传统的、经验的、作用不明确或功能不稳定的产品不能作为营养医用品销售，FDA也不会受理和批推。营养医用品一般分为3类：食物保健品、功能性食品和药物食品。尽管营养医用品的市场潜力巨大，发展速度惊人，但目前只能满足市场需求的10%-15%。欧美等发达国家在此领域已经开始了激烈的竞争，全球最大的一些制药公司都纷纷投资营养医用蛋白的研究开发，而另一些巨型生物技术公司则更是将某些营养保健品作为拳头产品来发展，原因是一种药物需要10年以上的开发时间和至少 2.5亿

12、美元的资金才有可能走向市场，而营养医用品只需要几百万美元和几年的时间。更重要的是，营养医用品的利润非常大。中国市场目前的普通营养品（如蜂王精等）的年销售额为150-200亿人民币，营养医用品的年销售额仅为100 亿人民币。据有关部门的估计，21世纪初中国营养医用品的市场为每年800-1000亿人民币。由于中华民族有长期进补和药品保健的传统，这个数字显然是保守的。2.3.3建立诊断、治疗人类疾病及新药筛选的动物模型 在动物转基因技术问世之前，发现自然突变体几乎是遗传学家获取遗传疾病模型的惟一途径。目前，遗传学家可以通过精确地失活某些基因或增强修复某些基因的表达来制作各种各样的研究人类疾病的动物模

13、型、治疗模型和新药筛选模型。建立模型首先必须获得转基因疾病动物，这些动物的发育、生理、病理及其他有关表型可以通过缺失或破坏原来正常表达的基因来实现，而实现这一目标是通过转基因使基因加倍或基因打靶的方法。基因打靶的内容包括破坏或彻底清除某一基因组基因，即基因敲除（knock-out）；也包括在基因组基因中引入定向突变，以研究突变对动物机体的影响；还包括对突变基因的修复（通常 knock-in）以及对基因组基因的其他修饰，这方面主要用于基因治疗，或者利用新型化学和蛋白药物来检测治疗效果。基因打靶的分子原理是同源重组。目前利用转基因动物可筛选抗肿瘤、抗艾滋病、抗肝炎病毒、抗肾脏疾病的药物。已有的动物

14、模型约400多种，其中应用基因敲除制作的转基因动物的疾病模型占大多数，约310, 种，而基因过量表达的动物模型约40种。总之，转基因动物制药的可行性已毋庸置疑，而且技术已经成熟。目前，国际上有13家公司开发乳腺生物反应器，最领先的已经做临床3期。也就是从2000年AT-3提出新药申请开始，很快会有多种由转基因动物生产的商品上市。美国权威机构红十字会预测：到2010 年转基因动物生产的商品将达到 350亿美元的销售额，生产的药物将占整个基因工程药物的90%以上。我们可以满怀希望，充满信心地看到：“动物制药厂”不再是一个美丽的梦想，而是近在咫尺的现实。8-9参考文献1 劳为德,主编.动物细胞与转基因动物制药M 北京：化学工业出版社20022 郝捷、冯波、王建辰.转基因动物研究进展J. 动物医学进展2004,25(1):13 刘文献.转基因动物技术研究综述J .生物技术,2003,(4):394 沈子龙、廖建民、徐寒梅.转基因动物技术与转基因动物制药J.中国药科大学学报，2002,33(2):815秦惠基.转基