现代生物技术五大分支及其医学应用

徐绍涵，徐蕾涵

（1.河北冀州中学，河北衡水053200，2. 东北大学，辽宁沈阳110169）

现代生物技术五大分支及其医学应用

徐绍涵1，徐蕾涵2

（1.河北冀州中学，河北衡水053200，2. 东北大学，辽宁沈阳110169）

现代生物技术迅猛发展，在生物领域和医学领域的应用越来越广泛。本文通过对现代生物技术相关文献资料的查询和整理，主要介绍现代生物技术五大分支及其在医学领域的应用，为现代生物技术在医学领域的深入研究提供更多的理论参照。

基因工程；蛋白质工程；细胞工程；微生物工程；酶工程；医学应用

现代生物技术是指以现代生命科学为基础，应用生物化学、分子生物学、细胞生物学、分子遗传学等生物科学的基础理论，结合并采用科学先进的工程技术手段，按照人们预先做好的精心设计，对现有生物体或者是加工生物的原料进行改造，为人类生产出所需要的新生物产品或达到某种特定目的的一门应用型科学技术。所以，现代生物技术是不仅传承了传统生物技术的内容，也拓展出了新的、更广泛的研究领域。目前，全世界各国地区对于现代生物技术都十分的重视，并且，我国也把现代生物技术相关内容列为重点发展的科研项目。现代生物技术主要包括5大分支：基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程、微生物工程等，已被广泛应用于医学、食品、农业和环保等领域，本文主要介绍现代生物技术五大分支及其在医学方面的应用。

1 基因工程及其医学应用

基因工程又称为遗传工程或DNA重组技术，是指目的基因在体外下通过酶的作用进行分子重组构成新的重组核酸分子，植入到受体细胞当中，使目的基因可以在细胞中表达，使重组或改进的基因在生物体内表达发挥作用，从而改变生物的特性。在操作的过程中可以进行适当标记，以便观察和检测目的基因表达情况。利用基因工程，人类可以按照自己的意愿来改变生物的遗传特性，甚至创造出新的物种。基因工程是现代生物技术中一项最核心的技术，在医学领域有很广泛的应用［1］。

1.1 基因工程制药

基因工程的发展为工业制药领域开辟了新的篇章，由于基因工程使人类可以按照特定的意愿改变生物特性，解决了药物生产技术问题和相关的经济问题。通过基因工程可以生产大量优质价廉的新型药物，目前使用最广泛的基因工程类药物有胰岛素、干扰素、白介素、集落刺激因子类药物、促进红细胞生成素、人生长激素、人表皮生长因子、人造血液等等，它们对预防和治疗心脑血管疾病、肿瘤、血液病、类风湿病、糖尿病及各种遗传病和传染病等起着重要作用。例如基因工程在糖尿病治疗药物胰岛素的生产中，可以通过DNA重组技术，得到大量的胰岛素，不仅降低了患者的治疗成本，也产生了巨大的社会效益。目前，基因工程正在应用与通过转基因动植物生产基因药物，并不断取得新的成果。

1.2 基因工程疫苗

基因工程生产的各种抗病毒疫苗，也在医学领域展现了卓越的成就，通过基因工程生产的乙肝疫苗、出血热病毒疫苗、狂犬病疫苗、轮状病毒疫苗、虐原虫疫苗、血吸虫疫苗及各种抗病毒已广泛应用于临床，增强了人类抗病免疫力。乙肝、狂犬病等一直是人类健康的一大杀手，并且在很长一段时间内没有得到有效的解决，而运用基因工程研制出了乙肝、狂犬病疫苗，增强了人类对于这类病毒的抵抗能力，大大降低了发病率和死亡率［2，3］。此外，在肿瘤的治疗领域，传统放疗化疗的治疗手段会产生很多毒副作用，造成患者免疫力下降，身体虚弱，而基因工程提出利用单克隆抗体研制的“生物导弹”，就是让它按照人类的设计，以癌细胞作为攻击的目标，在发射出“生物导弹”后它能准确针对目标细胞，避开健康细胞，从而降低了多种毒副作用，做到对肿瘤的靶向治疗。在艾滋病的治疗研究中，通过基因工程用于预防和治疗艾滋病的基因疫苗已经取得进展，在不久的将来就会面世并应用于临床。

1.3 基因工程治疗

基因工程的发展在人类疾病的预防治疗上发挥了重要作用，在目前的临床医学实践中已经得到证实并将发挥更加巨大作用。基因工程治疗主要有两种方式，一种是体细胞基因治疗，另一种是生殖细胞基因治疗。生殖细胞基因治疗是直接对生殖细胞进行治疗，理论上是可行的，但因能引起遗传改变和伦理困扰，生殖细胞基因治疗发展受到限制。体细胞基因治疗因其基因型改变仅限于某一类体细胞，其影响也只限于某个个体的当代，是可以进行的基因治疗方式。基因工程能够治疗那些对人类健康威胁严重的疾病，包括遗传病（如血友病、囊性纤维病、家庭性高胆固醇血症等）、恶性肿瘤、心血管病、感染性疾病（如艾滋病、类风湿等）等。目前仅已知的遗传疾病就有4000多种，既有单基因缺陷症也有多基因综合症，医务工作者运用基因工程技术的基因矫正、基因更换、目标打靶治疗等技术手段，置换缺陷基因，插入健康基因，可以达到从根本上预防和治疗遗传病的目的。同时基因工程技术在器官移植手术当中的应用，克服了由于器官移植所造成的免疫排斥作用，成功实现了不同人体甚至不同物种之间的器官移植，包括心脏、肾脏、肝脏、胰、肺、肠等器官移植，不仅有单器官移植，还有多器官联合移植，人和动物之间的器官移植也将很快会应用于临床。

1.4 基因工程诊断

运用基因工程技术手段诊断疾病，能够从基因中快速、简单、准确的找到致病的根本原因，为根治遗传性疾病和肿瘤、艾滋病等绝症提供新的诊断手段。目前，常用的基因诊断技术有核酸分子杂交、聚合酶链反应（PCR）、核酸序列分析法等，其中PCR基因诊断技术是在基因水平上对人体基因进行诊断的最新技术，能够筛选出早期癌变等基因疾病。此种基因诊断方法已经不限于癌症的诊断，还用于几十种遗传疾病的症状前诊断和产前诊断。PCR基因诊断技术还被法医用在鉴定犯罪上，只要在案发现场采集到一根毛发、一滴血甚至极微量的唾液、精斑、精子等，都能为侦破案件提供证据。

2 蛋白质工程及其医学应用

蛋白质工程是在DNA重组技术、分子生物学、生物化学、分子遗传学等学科的基础上，融合蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的一门新兴学科。基因工程只能生产自然界已经存在的蛋白质，而蛋白质工程是按照人们的意愿运用基因工程的手段对自然界已存在的蛋白质进行改造或创造出自然界不存在的全新蛋白质，由于蛋白质工程是基因工程基础上延伸发展起来的，在技术方面与基因工程有许多相同之处，所以蛋白质工程又被称为第二代基因工程。蛋白质工程汇集了当代生物科学前沿领域最新成果，它把核酸与蛋白质相结合、蛋白质空间结构与生物功能相结合起来进行研究，大大推动了蛋白质和酶的研究，蛋白质工程在生物制药行业的应用已展示出诱人的前景。当前生物技术药物的发展已进入蛋白质工程药物新时代，蛋白质工程药物正逐渐取代第一代基因工程多肽蛋类治疗剂，应用基因工程技术生产的一级结构与天然产物完全一致的重组药物是第一代生物技术药物，应用蛋白质工程技术生产的自然界不存在的重组药物是第二代生物技术药物。第一代生物技术药物与第二代生物技术药物相比，具有稳定性差、体内半衰期短、毒副作用大、生产工艺复杂、药理活性弱、用药剂量偏大等不足。在生物制药中通过运用定点突变技术、体外定向进化技术、转运RNA介导技术等蛋白质工程技术，能够起到提高药效活性、提高药物稳定性、实现药物靶向性治疗、提高制药工业生产效率、降低蛋白类药物引起的免疫反应等作用。以下实例均说明蛋白质工程在医药方面的作用。

2.1 提高蛋白质稳定性的应用实例

纳豆激酶在心脑血管药物的开发上具有很高的应用价值，但是纳豆激酶在实际应用中存在稳定性差、极易被氧化等缺陷，科学家采用蛋白质工程技术手段对纳豆激酶进行定点突变，在其序列中引入丝氨酸和丙氨酸并改变相应的催化残基及其附近的苏氨酸位点，成功让其在大肠杆菌中高效表达，从而提高了稳定性和抗氧化能力［4］。

2.2 融合蛋白质的应用实例

水蛭素是一种抗凝蛋白药物，在临床上对血栓病的预防和治疗具有良好的效果，但是水蛭素具有体内代谢快半衰期短、只有抗凝作用没有溶栓功能、用药剂量大时易发生出血现象等不足，科研工作者将水蛭素与辅助多肽融合表达，使水蛭素可以在体内缓慢释放，成功延长其半衰期；将水蛭素与其它溶栓蛋白融合表达，使水蛭素具有了较高的溶栓抗凝双功能特性；将水蛭素与纤维蛋白抗体进行融合表达，使水蛭素具有了靶向性溶栓功能，可以有效防止出血现象发生［5］。

2.3 治癌酶改造的应用实例

L-天冬酰胺酶对治疗血液肿瘤非常有效，但是在医学临床上经常出现过敏反应。我国著名药物学家吴梧桐教授等人运用定点突变技术改造L-天冬酰胺酶基因中关键序列的结构，使其重新表达，最终获得的“工程菌”的活力高于“野生菌”100倍，有效降低了L-天冬酰胺酶的免疫性，并延长了药物半衰期［6，7］。

2.4 蛋白质活性改变的应用实例

众所周知，胰岛素是治疗糖尿病的特效药，但是传统胰岛素存在起效慢、必须在餐前30分钟给药等缺点。科学家在对胰岛素结构和成分进行深入分析的基础上，利用碱基替换的方法改变基因序列，从而研制生产出速效型胰岛素。速效型胰岛素属于胰岛素类似物，胰岛素类似物与人胰岛素相比有诸多优点，如起效快、疗效好、峰效时间与餐后血糖峰值同步等。胰岛素类似物是第三代胰岛素，除速效型胰岛素外，还有长效型胰岛素、高效型胰岛素、预混型胰岛素等［8］。

2.5 嵌合抗体和人源化抗体的应用实例

嵌合抗体就是用人抗体的恒定区替代鼠单克隆抗体的恒定区，能够显著降低免疫原性。嵌合抗体减少了70%左右鼠源性成分，属于第一代人源化抗体。人源化抗体就是将抗原吸附区域嫁接到人抗体上，把抗体上的外源肽链降低到最小，从而使免疫原性实现最小化。如用于治疗脊髓性白血病的ANTI-CD33人源化抗体，其免疫反应甚至可以忽略不计［9］。

3 细胞工程及其医学应用

细胞工程是应用细胞生物学、分子生物学的方法和原理，在细胞水平或细胞器水平上进行的遗传操作，按照人类意愿改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门现代生物技术。细胞工程与基因工程有很大的联系，但二者又不相同，基因工程是在基因水平上运用DNA重组技术对基因进行重组改造以获得想要的目的基因，而细胞工程是在细胞水平或细胞器水平上，通过运用细胞融合、核质移植、细胞器移植、染色体移植、细胞组织培养等方法对细胞进行改造以获得具有特定遗传属性的细胞。细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程，它们都广泛应用于医学领域，以下介绍细胞工程的几项重要技术在医药卫生方面的应用。

3.1 单克隆抗体技术与医学临床应用

单克隆抗体技术是随着细胞融合技术和杂交瘤技术的研究而发展起来的，目前已知的单克隆抗体有10万多种，仅用于医学诊断和治疗的单克隆抗体就有500多种。因单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高、可大量制备等优点，被用作体外诊断试剂和治疗疾病的运载药物。单克隆抗体技术结合同位素标记、医学成像等技术手段能快速、准确、简便、高效的定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病，并可用于治疗癌症、自身免疫和炎性疾病、器官移植、骨髓移植等方面［10］。

3.2 人体干细胞移植技术与细胞治疗

以人体干细胞移植技术为代表的细胞治疗手段已成为人类战胜疾病的有力武器，用人体自身的干细胞治疗人类自身的疾病，不存在免疫排斥反应的问题，也不会危及人类自身的健康。我国科学家在废弃的脐带组织中发现了脐带间充质干细胞，脐带间充质干细胞具有取材方便、来源丰富、低病毒感染率、抗原性低、不产生免疫排斥反应、无伦理困扰等优点，是理想的干细胞治疗和研究来源。人体造血干细胞移植技术已在临床上应用多年，已成功挽救无数白血病患者的生命［11］。近年来，人体干细胞移植技术已成功应用于缺血性心脏病、退行性眼病、糖尿病、肝病、神经变性性疾病、器官重建等许多难治性疾病的治疗。

3.3 体细胞核移植技术与克隆动物

动物体细胞核移植技术就是将某一个动物的细胞核移植到一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，卵母细胞会使新的核基因在细胞中完全表达，最终发育成一个新的动物个体，这个新的动物个体称为克隆动物。克隆动物在医学上可以用来当作生物反应器，例如乳腺生物反应器，运用动物乳腺来生产某种特定的药用蛋白，具有成本低、无污染的优点，能产生巨大的经济效益；克隆动物的细胞、组织、器官可作为异种移植的供体，用来为人类治疗疾病；克隆动物可被用作动物模型，供人类用于研究疾病和治疗疾病；克隆动物和克隆细胞可供人类深入研究胚胎发育及衰老的过程。体细胞核移植技术还能让人类的胚胎干细胞形成新的相应组织、器官后，用于人类组织器官的移植［12］。

3.4 细胞培养技术与生物制药

细胞培养技术是细胞工程的基础技术，其中动物细胞培养技术又是生物制药产业的一项通用核心技术，在现代生物制药领域发挥着重要作用。现代生物制药中的大多数药品是通过动物细胞培养技术获得的，数据统计显示生物制药产品销售额的70%以上来自动物细胞表达的药品销售额。利用动物细胞培养生产的医用生物产品有医用酶、干扰素、促生长因子、疫苗、单克隆抗体、检测试剂等。科学家还通过培养各种正常细胞和病变细胞，进行病理、生理、药理等方面的研究，可用于筛选研制抗癌药物等，为癌症等疾病的研究提供理论依据。

3.5 细胞产物的工厂化生产与中草药生产

细胞产物工厂化生产技术使蛋白质、脂肪、糖类、药物、生物碱、香料等植物细胞产物实现了规模化生产，在中草药生产领域也发挥了重要作用。我国中医药材大都来自天然植物，而有些植物生长条件较为复杂，分布区域十分有限，因此使得某些中草药更显稀缺，而利用植物细胞工厂化生产技术可以改变传统的生产方式，良好的解决了诸如人参、三七、紫草、银杏等植物药材资源严重不足的局面。

4 微生物工程及其医学应用

微生物工程又称为发酵工程，是大规模发酵生产工艺的总称。微生物工程主要是运用微生物发酵并结合现代工程技术手段对微生物进行改造来获得目的产物，或者直接把微生物应用于生物反应器的一门现代生物技术。微生物工程是在发酵工艺的基础上吸收基因工程、酶工程、细胞工程和其它生物工程技术的成果而形成的一门新兴生物技术。微生物工程在医学领域的应用主要体现在医药工业上，由于微生物具有体积微小、种类繁多、数量巨大、吸收能力和新陈代谢能力强大、成本低质量高等优点，微生物工程在制药领域发挥了显著作用，生产出众多微生物药品，如抗生素、氨基酸、维生素、酶制剂、酶抑制剂、动物激素、核苷酸等；另外，应用发酵工程技术还生产出大量基因工程药品，如重组乙肝疫苗、人生长激素、白细胞介素-2、抗血友病因子和某些种类的单克隆抗体等。中药制药领域还利用发酵工程生产出了冬虫夏草、茯苓菌、香菇等一些在自然界不易获得的中药产品，发酵工艺在中药生产中还能起到减毒增效的作用。

现以抗生素类药物为例来说明发酵工程在生物制药中的应用。抗生素类药物是最典型的微生物工程产品，绝大多数的抗生素类药物都是通过微生物发酵法进行工业化生产的，其工艺流程包括：制备菌种、扩大培养种子、发酵、处理发酵液、分离纯化干燥代谢产物制出产品、检验产品、包装产品。抗生素类药物在保护人类健康方面具有不可替代的作用，目前最常用的抗生素类药物已有100多种，如青霉素类、红霉素类、四环素类、头孢菌素类等，抗肿瘤抗生素也已出现［13，14］。抗生素是指微生物在生命活动过程中会产生一些微量的物质，这种物质会在一定情况下抑制和杀灭其他生物的生长。抗生素具有差异毒力大，生物活性强，不同的抗生素具有不同的抗菌谱，不易使病原菌产生耐药性的特点，例如青霉素类能抑制格兰阳性菌细胞壁的生成，而人类和动物细胞的共同特点就是没有细胞壁，因此利用这个特性可以把青霉素应用在临床感染的治疗中，并且毒性越大药效越强，而对于人类和动物并不会产生毒性。

5 酶工程及其医学应用

酶工程是现代生物工程技术中不可缺少的一部分，是酶科学与生物工程相互渗透融合形成的一项新兴科技。酶工程包括酶制剂的制备、酶的固化、酶的修饰与改造、酶反应器等方面的内容。酶工程在医学领域的应用也越来越广泛，可用于疾病的诊疗、药物的制造等方面。

5.1 酶工程在疾病诊断当中的应用

酶的催化作用具有特异性与高效型的特点，利用这一特点，酶在疾病的诊断过程中被作为体外检测试剂，具有高效便捷的优势。酶在人体内的含量是较稳定的，可以通过检验人体内酶的含量是否在正常范围来推断人体是否正常，也可以通过酶的产生或作用部位来推断患病部位。此外，酶在体液内的含量也可以用来诊断疾病，如利用过氧化氢酶和葡萄糖氧化酶的联合作用来测定体内的葡萄糖含量。

5.2 酶工程在疾病治疗当中的应用

某些酶对于疾病的治疗也有良好的效果，例如溶菌酶具有止痛和抗菌消炎的作用；蛋白酶有帮助人体消化、治疗食欲不振、消肿止痛、促进伤口愈合的作用。酶及酶制剂不仅直接用于常规治疗，还可作为生物医学工程的组成部分在临床治疗上发挥重要作用，如在人工肾中，就是利用酶清除血液中的废物，起到防治血栓形成等作用。

5.3 酶工程在药物生产当中的应用

酶工程制药是利用酶的催化性质、可固化性质和动力学性质生产药物或者生产一种药物中间体的科技。酶工程在制药中的应用主要有手性药物的合成与拆分、药物的改造、简化药物生产过程、或者直接作为药物这几个方面。酶工程在中药提取和中药成分的转化方面也起着非常重要作用。此外在基因工程方面也有酶制剂的开发。

综上所述，现代生物技术五大分支相互渗透，相互融合，在医学领域的应用日益广泛深入。随着现代生物技术的迅猛发展，特别是随着国际人类基因组的计划（HGP）的完成和国际人类蛋白质组计划（HPP）的启动，现代生物技术在医学领域的应用前景将会更加广阔美好。

[1]朱正威,赵占良.现代生物技术专题[M]. 人民教育出版社,2012.

[2]杨瑞丽,金勇丰,吴玉澄,张耀洲.乙肝病毒表面抗原（HbsAg）基因工程疫苗的研究进展[J]. 药物生物技术,2002,9(1):53-56.

[3]屈满义,陈青峰,查向东. 狂犬病基因工程疫苗研究进展[J]. 国际免疫学杂志,2008,31(4):263-265.

[4]王月明.纳豆激酶药理作用研究进展[J]. 中国生化药物杂志,2012,33(3):324-326.

[5]姜海波,竹艳刚,刘继忠,王玉霞,王兴华,孙鹏. 水蛭素抑制凝血作用探究[J]. 河北中医,2011,33(8):1236-1237.

[6]吴敬,吴梧桐,赖龙生,刘景晶. 重组L-天冬氨酰酶Ⅱ的中试工艺及其性质的研究[J]. 中国药学杂志,2000,35(4)：268-270.

[7]吴敬,吴梧桐,赖龙生,刘景晶. 重组L-天冬氨酰酶的鉴定[J]. 中国生化药物杂志,2000,21(4)：166-169.

[8]张友尚. 胰岛素生产的回顾与展望[J]. 食品与药品,2008,（10）:1-3.

[9]程澍,李军民,沈志祥. 抗CD33单克隆抗体在急性髓细胞性白血病中的应用[J]. 中国处方药,2005,8:44-47.

[10]张帝,王天宝,张典. 单克隆抗体研究进展[J]. 现代养生,2014,12:48.

[11]乔淑敏,陈广华,王易. 脐血造血干细胞移植研究进展[J]. 国际儿科学杂志,2011,38(4)：387-389.

[12]梁雪. 动物克隆研究进展[J]. 科技情报开发与经济,2009,19(21):150-151.

[13]杨新涛.青霉素生产工艺研究[J]. 科学技术,2015,6:158.

[14]李雷,任永利,李杨,方春玉,左勇. 红霉素生产工艺的现状与展望[J]. 中国酿造,2012, 31(9):13-16.

Five Branches of Modern Biotechnology and its Medical Application

Xu-Shao Han1, Xu-Lei Han2
(1. Jizhong High School, Hebei Hengshui 053200, 2. Northeastern University, Liaoning Shenyang 110169)

Modern biotechnology has developed rapidly with the progress of technology, and its application is widely performed in both biological and medical fields. By cellecting and arranging related data, this manuscript focused on the five branches and medical applications of modern biotechology to afford more positive data for medical further researches.

Genetic Engineering; Protein Engineering; Cell Engineering; Microbial Engineering; Enzyme Engineering; Medical Application

Q819 文献标示码：A

2096-0387（2016）04-0073-05

徐绍涵（2000-），男，河北邱县人。

徐蕾涵（1997-），女，河北邱县人。