現(xiàn)代生物技術(shù)與應(yīng)用

1、1,生物技術(shù)與醫(yī)藥Biotechnology and Medicine,王鳳山Wang Feng-shan山東大學(xué)藥學(xué)院生化與生物技術(shù)藥物研究所,2,第一節(jié) 生物技術(shù)一、生物技術(shù)的定義(Definition of Biotechnology),3,生物技術(shù)與其他學(xué)科的關(guān)系The relationship of biotechnology and other subjects,4,二、生物技術(shù)的發(fā)展The histor

2、y of biotechnology,（一）傳統(tǒng)生物技術(shù)1000多年以前人們就開始應(yīng)用生物技術(shù)公元前6000年前，蘇米爾人即古代巴比倫人就已會(huì)釀造啤酒公元前5000年~公元前4000年（即仰韶時(shí)期）我國的先人在就利用小口尖底甕保溫發(fā)酵釀制谷芽酒 我國的醬油距今已有3000年的歷史1857年巴斯德證明發(fā)酵是由于微生物的作用1917年匈牙利工程師Karl Ereky提出生物技術(shù)這個(gè)詞,5,二、生物技術(shù)的發(fā)展The histor

3、y of biotechnology,（二）近代生物技術(shù) 1928年Fleming發(fā)現(xiàn)了青霉素20世紀(jì)40年代抗生素工業(yè)成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)20世紀(jì)50年代氨基酸發(fā)酵工業(yè)出現(xiàn)20世紀(jì)60年代酶制劑工業(yè)開始形成規(guī)模20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了以基因克隆為代表的現(xiàn)代生物技術(shù) 近代生物技術(shù)的特征是微生物發(fā)酵技術(shù),6,傳統(tǒng)與近代生物技術(shù)的主要步驟,7,傳統(tǒng)與近代生物技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容,菌種的篩選與誘變適合菌種生長(zhǎng)的

4、培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制造發(fā)酵產(chǎn)物的純化,8,（三）傳統(tǒng)與近代生物技術(shù)的局限性,提高產(chǎn)量的幅度非常有限傳統(tǒng)的誘變和選擇的方法過程煩瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高、篩選克隆多只能提高微生物一種已有的遺傳性質(zhì)，不能賦予這種微生物其他遺傳特性,9,（四）現(xiàn)代生物技術(shù) 1. 現(xiàn)代生物技術(shù)的出現(xiàn) The emerge of modern biotechnology,1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，奠定了

5、現(xiàn)代分子生物學(xué)的基礎(chǔ)1973年美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的Herbert Boyer 教授和斯坦福大學(xué)的Stanley Cohen教授共同完成的基因工程實(shí)驗(yàn)為標(biāo)志,10,Boyer and Cohen,11,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)Double helix structure of DNA,12,Boyer and Cohen 的策略,13,2.現(xiàn)代現(xiàn)代生物技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容The content of modern biotechn

6、ology,基因工程(Genetic engineering)細(xì)胞工程(Cell engineering)酶工程(Enzyme engineering)發(fā)酵工程(Fermentation engineering)蛋白質(zhì)工程、抗體工程、糖鏈工程、生物轉(zhuǎn)化 等,14,（1）基因工程 Genetic engineering,基因工程又叫遺傳工程，是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心和主導(dǎo)。 所謂遺傳工程就是從生物體中把生物遺傳物質(zhì)（

7、基因或DNA分子）分離出來，或人工合成一段基因，用人工的方法對(duì)遺傳物質(zhì)進(jìn)行搭配、組合，然后轉(zhuǎn)入某生物的細(xì)胞內(nèi)，從而通過改變其遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)來改變它的遺傳特性，使它定向地產(chǎn)生所需的生物品種。 由于它在DNA分子水平上動(dòng)手術(shù)，又稱為DNA重組技術(shù)、分子水平雜交技術(shù)或稱基因操作。,15,基因克隆示意圖,16,基因工程 Genetic engineering,基因工程可以跨越生物遠(yuǎn)緣不能雜交的鴻溝，實(shí)現(xiàn)物種，甚至動(dòng)物、植物、微

8、生物之間的基因雜交，所獲得的生物產(chǎn)品或生物新品種在醫(yī)藥、衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和環(huán)境保護(hù)具有廣闊的應(yīng)用前景。,17,（2）細(xì)胞工程 Cell engineering,細(xì)胞工程是指將一種生物細(xì)胞中攜帶的全套的遺傳信息的基因或染色體整個(gè)地轉(zhuǎn)入另一種生物細(xì)胞，從而改變其細(xì)胞的遺傳特性，改造了生物的性狀與功能，從而創(chuàng)造了新的生物類型。 由于細(xì)胞工程是在細(xì)胞水平上動(dòng)手術(shù)，又可稱為細(xì)胞操作技術(shù)。,18,細(xì)胞工程的內(nèi)容The cont

9、ent of cell engineering,細(xì)胞培養(yǎng)（cell culture)細(xì)胞融合(cell fusion)細(xì)胞重組（cell recombination）雜交瘤技術(shù)（單克隆抗體）(hybridoma technique)原生質(zhì)體融合技術(shù)(protoplast fusion technology)組織培養(yǎng)技術(shù)( tissue culture technology),19,細(xì)胞培養(yǎng)（Cell culture),指將動(dòng)物

10、、植物或微生物的細(xì)胞或組織經(jīng)無菌處理后置于人工培養(yǎng)基上，使細(xì)胞增殖，進(jìn)而按需要培養(yǎng)的技術(shù)。,20,細(xì)胞融合技術(shù) Cell fusion technology,細(xì)胞融合技術(shù)是將兩個(gè)不同種類的細(xì)胞，通過化學(xué)的、生物的或物理的辦法，使它們彼此融合在一起，從而產(chǎn)生出兼有兩個(gè)親體的遺傳性狀的細(xì)胞。這實(shí)質(zhì)上是無性雜交，故又稱其為體細(xì)胞雜交。,21,細(xì)胞重組（cell recombination）,指在體外條件下，運(yùn)用一定的實(shí)驗(yàn)技術(shù)從活細(xì)胞中分離

11、出各種細(xì)胞的結(jié)構(gòu)或組成部件，再把它們?cè)诓煌募?xì)胞之間重新進(jìn)行裝配，成為具有生物活性的細(xì)胞，主要有核移植、葉綠體移植、核糖體重建和線粒體裝配等技術(shù)。世界上第一例經(jīng)體細(xì)胞核移植成功的動(dòng)物—多莉的培育過程如圖。,22,雜交瘤技術(shù)（單克隆抗體）(hybridoma technique),是指將產(chǎn)生抗體的細(xì)胞與具有無限增殖能力的骨髓瘤細(xì)胞相融合，通過有限稀釋法及克隆化，使雜交瘤細(xì)胞成為純一的單克隆細(xì)胞系，由于這種雜交瘤細(xì)胞產(chǎn)生的抗體是針對(duì)一個(gè)

12、抗原決定簇的抗體，又是單一的淋巴細(xì)胞克隆產(chǎn)生的，故又稱為單克隆抗體，,23,24,組織培養(yǎng)技術(shù) Tissue culture technology,人或動(dòng)物的組織培養(yǎng)植物的組織培養(yǎng),2001年2月26日，在北京展覽館'國家863科技成果展'上一只長(zhǎng)'人耳'的老鼠正與公眾見面。'裸鼠'由上海組織工程研究與開發(fā)中心成功培育，"體外再生耳廓形狀軟骨"(俗稱"體外

13、再生耳朵")意味著"耳朵"不僅可以大規(guī)模生產(chǎn)，也可直接移植到病人身上。,25,（3）發(fā)酵工程 Fermentation engineering,發(fā)酵工程是通過現(xiàn)代技術(shù)手段，利用微生物的特殊功能生產(chǎn)有用的物質(zhì)，或直接將微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的一種技術(shù)體系。這項(xiàng)技術(shù)主要包括菌種選育、菌種生產(chǎn)、代謝產(chǎn)物的發(fā)酵，以及微生物機(jī)能的利用等技術(shù)。 發(fā)酵工程已用于多種產(chǎn)品如酒類、抗生素、氨基酸、微生素、激

14、素、工業(yè)用酶等生產(chǎn)。近年來，隨著基因工程、細(xì)胞工程和酶工程技術(shù)向發(fā)酵工程的滲透，更拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域。,26,發(fā)酵工程的具體過程示意圖,27,（4）酶工程 Enzyme engineering,酶工程是利用酶的催化特性，通過化工技術(shù)進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的工程技術(shù)。 它主要包括酶的開發(fā)和生產(chǎn)、酶的分離和純化、酶的固定化、反應(yīng)器的研制及酶的應(yīng)用等內(nèi)容。,28,29,（5）蛋白質(zhì)工程 Protein engineering,蛋白質(zhì)

15、工程是一門從改變基因入手，制造新型蛋白質(zhì)的技術(shù)。 其過程是：先找到一個(gè)合成與這種新型蛋白質(zhì)的基因接近的基因；然后，修改這個(gè)基因（用定位突變技術(shù)修改這個(gè)基因的核酸順序）；再把修飾好的基因植入細(xì)菌或生物的細(xì)胞里，讓細(xì)菌產(chǎn)生出人們想要的新型蛋白質(zhì)。,30,用基因的點(diǎn)突變技術(shù)改變IFN-?的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性,31,它與基因工程的區(qū)別在于，前者是利用基因拼接技術(shù)用生物生產(chǎn)已存在的蛋白質(zhì)，后者則是通過改變基因順序來改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，生

16、產(chǎn)新的蛋白質(zhì)。 因此，蛋白質(zhì)工程又被稱為第二代基因工程，也被稱為第二代生物技術(shù)。,32,第二節(jié) 生物技術(shù)與藥物研究一、生物技術(shù)與藥物發(fā)現(xiàn),生物技術(shù)是藥物發(fā)現(xiàn)的重要技術(shù)手段，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展深刻地影響著藥物發(fā)現(xiàn)的策略與研究模式，使得藥物的發(fā)現(xiàn)取得了快速進(jìn)展并獲得了突破性的成果：一方面，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等新興學(xué)科的崛起和發(fā)展為藥物的發(fā)現(xiàn)提供了更為廣泛而深刻的理論基礎(chǔ)；另一方面，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)、分子對(duì)

17、接和虛擬篩選、高通量篩選等技術(shù)的發(fā)展和完善，為藥物發(fā)現(xiàn)提供了新的技術(shù)手段和有力工具，極大地拓寬了藥物發(fā)現(xiàn)的途徑。,33,（一）現(xiàn)代組學(xué)與藥物發(fā)現(xiàn)1．基因組學(xué)（genomics）,基因組學(xué)是研究基因組的結(jié)構(gòu)、功能及表達(dá)產(chǎn)物的學(xué)科，包括三個(gè)不同的亞領(lǐng)域，即結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué)。人類基因組計(jì)劃的實(shí)施和完成提供了更多基因變異與藥物個(gè)體效應(yīng)差異之間的關(guān)聯(lián)證據(jù)，為從基因水平研究藥物反映的個(gè)體差異提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。因此

18、，近年來在藥物研究中提出了基因組藥物學(xué)（或稱基因組藥理學(xué)，pharmacogenomics）的新概念，為新型藥物的研究創(chuàng)造了新的契機(jī)。未來的藥物不僅要以所治療疾病的類型作為研究的基礎(chǔ)，同時(shí)將全面考慮患者的病理特點(diǎn)，包括患者個(gè)體的基因特點(diǎn)、代謝特點(diǎn)和功能變化特點(diǎn)，使藥物的應(yīng)用真正實(shí)現(xiàn)“量體裁衣”，達(dá)到最佳的個(gè)體化治療效果。,34,2．蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）,蛋白質(zhì)是基因表達(dá)的最終產(chǎn)物，只有完全注釋基因組序列所編碼的蛋白功能，

19、才能真正實(shí)現(xiàn)基因組研究的價(jià)值。蛋白質(zhì)組學(xué)是闡明生物體各種生物基因組在細(xì)胞中表達(dá)的全部蛋白質(zhì)的表達(dá)模式及功能模式的學(xué)科，包括鑒定蛋白質(zhì)的表達(dá)、存在方式（修飾形式）、結(jié)構(gòu)、功能和相互作用等。,35,蛋白質(zhì)組學(xué)可以全面檢測(cè)疾病發(fā)生與發(fā)展過程中以及藥物干預(yù)過程中蛋白質(zhì)表達(dá)譜和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的變化，從而發(fā)現(xiàn)影響疾病或藥物作用的關(guān)鍵的具有特異功能的蛋白質(zhì)，并對(duì)這些蛋白進(jìn)行一級(jí)結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)測(cè)定，綜合分析其生物學(xué)功能，推測(cè)新的、潛在的藥物作

20、用靶標(biāo)。 蛋白質(zhì)組學(xué)的研究也能促進(jìn)人們根據(jù)功能蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律合理設(shè)計(jì)藥物或?qū)ζ溥M(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，從而產(chǎn)生新的藥物。因此，蛋白質(zhì)組學(xué)是基因組和藥物發(fā)現(xiàn)的橋梁和紐帶。,36,3．轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics）,轉(zhuǎn)錄組學(xué)是一門在整體水平上研究細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄的情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的學(xué)科。簡(jiǎn)而言之，轉(zhuǎn)錄組學(xué)是從RNA水平研究基因表達(dá)的情況。轉(zhuǎn)錄組學(xué)通過分析轉(zhuǎn)錄譜中的共調(diào)節(jié)基因，闡明基因選擇性表達(dá)所依賴的復(fù)雜調(diào)控信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，提

21、示基因組中與某一生命現(xiàn)象或病理狀態(tài)相關(guān)的基因；基于這些信號(hào)網(wǎng)絡(luò)尋找和發(fā)現(xiàn)調(diào)控基因的未知生物學(xué)功能，提示藥物潛在的作用靶點(diǎn)及其發(fā)揮作用的分子機(jī)制。轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究在指導(dǎo)新藥設(shè)計(jì)與合成、新藥篩選等藥物發(fā)現(xiàn)過程中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。,37,4．代謝組學(xué)（metabonomics）,代謝組學(xué)以生物體液(包括尿液、血液、汗液、膽汁、腦脊液等)、細(xì)胞提取物以及組織提取物為主要研究對(duì)象，通過動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)機(jī)體生物液體中內(nèi)源性和/或外源性代謝產(chǎn)物的濃度與功

22、能，即代謝產(chǎn)物譜的變化，來研究評(píng)價(jià)藥物對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的生物學(xué)作用及機(jī)體對(duì)藥物的代謝途徑、代謝特點(diǎn)等。,38,代謝產(chǎn)物是機(jī)體繼基因激活、轉(zhuǎn)錄、翻譯、修飾等一系列生命活動(dòng)之后的最終信號(hào)載體之一。因此，代謝組學(xué)研究有可能更為準(zhǔn)確而全面地揭示藥物對(duì)機(jī)體所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)以及機(jī)體對(duì)藥物的作用。代謝組學(xué)為基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究的有力補(bǔ)充。代謝組學(xué)技術(shù)還可以廣泛地參與藥物的早期藥理學(xué)活性及毒性篩選、先導(dǎo)化合物的選擇與優(yōu)化以及藥物的臨床前

23、安全性評(píng)價(jià)。,39,（二）與藥物發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)的生物新技術(shù),1．生物芯片技術(shù) （biochip, microarray）生物芯片技術(shù)是指通過在微小基片（硅片或玻璃）表面固定大量的分子識(shí)別探針，或構(gòu)建微分析單元或檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)標(biāo)記化合物、核酸、蛋白質(zhì)、細(xì)胞或其他生物組分進(jìn)行準(zhǔn)確、規(guī)模化的快速篩選或檢測(cè)。目前，生物芯片主要包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片等。,40,41,2．表面等離子共振技術(shù)（ surface plasmon

24、resonance, SPR）,表面等離子共振技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種以芯片為基礎(chǔ)的光學(xué)生物傳感器系統(tǒng)，它不需要熒光或放射性標(biāo)記物，分子結(jié)合與分離時(shí)可產(chǎn)生光強(qiáng)度變化。分子結(jié)合到一個(gè)固相化的生物靶分子上，當(dāng)分析物溶液通過傳感器芯片時(shí)，結(jié)合到靶分子上的分子可被即時(shí)檢測(cè)。,42,3．轉(zhuǎn)基因技術(shù) （transgene technology）,轉(zhuǎn)基因技術(shù)通常包括基因敲入和基因敲除兩種方式。其顯著特點(diǎn)是：分子及細(xì)胞水平操作，組織及動(dòng)物整體水平

25、表達(dá)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的出現(xiàn)為研究藥物對(duì)機(jī)體整體的作用提供了很好的技術(shù)手段，在藥物發(fā)現(xiàn)過程中其主要應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。,43,從分子水平上去研究和認(rèn)識(shí)疾病To study and understand diseases on molecular level,在過去，有許多的疾病如遺傳性疾病、癌癥等，由于對(duì)其發(fā)病機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，醫(yī)學(xué)工作者對(duì)這些疾病的治療只能采取用藥治療的方法，難以根治，多年來一直視為不治之癥，顯得人們?cè)谶@些疾病面前束

26、手無策。 現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)生以后，使人們能夠從基因的水平上對(duì)這些疾病進(jìn)行研究，找到了發(fā)病機(jī)理，在研究治療手段時(shí)就能有的放矢。,44,建立基于特殊疾病的整體動(dòng)物模型，實(shí)現(xiàn)藥物的體內(nèi)活性篩選 藥物作用靶標(biāo)的鑒定和確認(rèn)：基因組、蛋白質(zhì)組以及生物芯片等主要從細(xì)胞和分子水平尋找和發(fā)現(xiàn)藥物的作用靶標(biāo)；而轉(zhuǎn)基因動(dòng)物能夠模擬人體的內(nèi)環(huán)境，從而能更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物作用靶標(biāo)的鑒定和確認(rèn)。藥代動(dòng)力學(xué)及藥物臨床前評(píng)價(jià)：特定的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物能夠幫助

27、研究人員在藥物發(fā)現(xiàn)過程中盡早地了解藥物的代謝特征及其毒理學(xué)特點(diǎn)，從而決定是否繼續(xù)開展或終止藥物的后續(xù)開發(fā)活動(dòng)。目前，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物被廣泛用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病、癌癥、心血管疾病等多種疾病治療藥物的相關(guān)研究中。,45,4．RNA干擾技術(shù)（RNA interference, RNAi）,RNAi 是指將與mRNA 對(duì)應(yīng)的正義RNA（sense RNA）和反義RNA（anti-sense RNA）組成的雙鏈RNA （dsRNA）導(dǎo)入細(xì)胞誘導(dǎo)靶mRNA發(fā)

28、生特異性的降解而導(dǎo)致基因沉默的現(xiàn)象，又稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默，,46,5．生物信息學(xué)技術(shù) （bioinformatics）,生物信息學(xué)是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及生物學(xué)等手段對(duì)各種生物信息進(jìn)行收集、加工、儲(chǔ)存、分析、整理和歸納，并對(duì)生物信息做出解析的學(xué)科。 生物信息學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要包括：① 建立、貯存并管理大量的生物學(xué)信息庫，包括基因組序列、基因多態(tài)性、基因表達(dá)調(diào)控、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能、特征性代謝產(chǎn)物譜、疾病相關(guān)基因和/或蛋白質(zhì)、生

29、物標(biāo)志物信息庫等；② 開發(fā)計(jì)算機(jī)算法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析確定數(shù)據(jù)庫中大量數(shù)據(jù)的相關(guān)性；③ 應(yīng)用已知的生物學(xué)信息預(yù)測(cè)或分析生物大分子或小分子化合物的結(jié)構(gòu)與功能。生物信息學(xué)可應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn)的全過程，包括藥物分子設(shè)計(jì)、藥物靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)與確認(rèn)、藥物篩選以及藥物臨床前評(píng)價(jià)等。,47,6．組合生物合成技術(shù)（combinatorial biosynthesis）,組合生物合成是以天然復(fù)雜結(jié)構(gòu)化合物及具有明確藥理活性的天然小分子化合物為底物，以具有生物催

30、化活性的工業(yè)微生物、植物細(xì)胞、分離酶為反應(yīng)工具，通過一次培養(yǎng)、多次培養(yǎng)轉(zhuǎn)化及酶轉(zhuǎn)化、合成的方式，建立單一或多反應(yīng)體系，利用催化功能不同的生物催化劑對(duì)天然活性先導(dǎo)化合物的不同活性或毒性基團(tuán)進(jìn)行不同形式的分子結(jié)構(gòu)修飾和改造，或者是利用底物選擇性比較寬泛的生物催化劑催化多種天然活性先導(dǎo)化合物發(fā)生類似的催化反應(yīng)，從而快速高效地合成大量結(jié)構(gòu)類似的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，從而形成分子結(jié)構(gòu)多樣性的化合物庫。,48,7．高通量篩選技術(shù) （high through

31、put screening，HTS）,高通量藥物篩選是自20世紀(jì)后期起發(fā)展起來在傳統(tǒng)的篩選技術(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制等高新技術(shù)，建立的一套適合于藥物篩選的技術(shù)體系。,49,8．高內(nèi)涵篩選技術(shù)（high content screening, HCS）,HCS是指在保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能完整的條件下，盡可能同時(shí)檢測(cè)被篩選樣品對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、遷移、凋亡、代謝途徑及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等多個(gè)環(huán)節(jié)的影響，涉及的靶點(diǎn)包括細(xì)胞

32、的膜受體、胞內(nèi)成分、細(xì)胞器和離子通道等，即從單一實(shí)驗(yàn)中獲得大量與候選物藥理學(xué)活性相關(guān)的信息及其潛在的毒性作用。,50,9．虛擬篩選技術(shù)（visual screen）,虛擬篩選是指利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，針對(duì)重要疾病治療靶標(biāo)的生物大分子的三維結(jié)構(gòu)或定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）模型，采用三維藥效基團(tuán)模型搜尋或分子對(duì)接的方法，從現(xiàn)有化合物數(shù)據(jù)庫中尋找發(fā)現(xiàn)與靶標(biāo)生物大分子結(jié)合或符合QSAR的化合物。虛擬篩選的目的是從大量化合物中尋找發(fā)現(xiàn)有苗頭的

33、化合物，集中目標(biāo)，從而減少待篩選化合物的數(shù)量，縮短研究周期，降低研究成本。,51,二、生物技術(shù)與藥物設(shè)計(jì),應(yīng)用蛋白質(zhì)工程技術(shù)設(shè)計(jì)新的藥物應(yīng)用酶工程改變藥用酶的性質(zhì) 應(yīng)用抗體工程設(shè)計(jì)新型抗體 應(yīng)用糖鏈工程設(shè)計(jì)新型糖蛋白類藥物,52,（一）應(yīng)用蛋白質(zhì)工程技術(shù)設(shè)計(jì)新的藥物New drug design by using protein engineering —用定位突變技術(shù)更換活性蛋白的某些關(guān)鍵氨基酸殘基,例如天然白介素-2的第1

34、25位氨基酸殘基為半胱氨酸，它的存在容易使白介素-2在表達(dá)之后兩個(gè)白介素-2分子的半胱氨酸殘基形成二硫鍵而形成聚合體，引起活性的降低。將半胱氨酸突變?yōu)榻z氨酸，所得的突變白介素-2不會(huì)形成二聚體，活性高，熱穩(wěn)定性好，體內(nèi)半衰期長(zhǎng)。是我國首創(chuàng)的基因工程藥物。,53,（一）應(yīng)用蛋白質(zhì)工程技術(shù)設(shè)計(jì)新的藥物 New drug design by using protein engineering —增加、刪除或調(diào)整分子上的某些肽段,改變蛋白質(zhì)

35、分子上的某些肽段，可改變其生物活性，產(chǎn)生新的生物功能。如將大腸桿菌表達(dá)的tPA的A鏈F、G、K1 3個(gè)結(jié)構(gòu)域除去，只留下A鏈的K2結(jié)構(gòu)域和B鏈，從而失去肝細(xì)胞識(shí)別的A鏈非糖鏈的依賴結(jié)構(gòu)，結(jié)果半衰期從5~6分鐘上升到11.6~15.4分鐘。,54,（一）應(yīng)用蛋白質(zhì)工程技術(shù)設(shè)計(jì)新的藥物 New drug design by using protein engineering —將功能互補(bǔ)的兩種基因工程藥物在基因水平上融合,通過基因融合而

36、獲得的嵌合型藥物，其功能不僅僅是原有藥物功能的加和，還會(huì)出現(xiàn)新的藥理作用。如白介素-6與白介素-2融合表達(dá)產(chǎn)物CH925除具有兩者的活性外，還可提高不同級(jí)別紅細(xì)胞祖細(xì)胞的生長(zhǎng)。,55,（二）應(yīng)用酶工程改變藥用酶的性質(zhì)Changing the nature of medicinal enzymes by enzyme engineering,56,（三）應(yīng)用抗體工程設(shè)計(jì)新型抗體,基因工程抗體制備是根據(jù)研究者的意圖，采用基因工程方法，在基

37、因水平對(duì)免疫球蛋白基因進(jìn)行切割、拼接或修飾后導(dǎo)入受體細(xì)胞進(jìn)行表達(dá)，產(chǎn)生新型抗體?；蚬こ炭贵w技術(shù)的著眼點(diǎn)在于盡量減少鼠源成分，保留原有抗體的親和力和特異性。借助于基因工程技術(shù)，既可以對(duì)完整抗體，又可以對(duì)抗體片段進(jìn)行改造。,57,人－鼠嵌合抗體的構(gòu)建過程,58,（四）應(yīng)用糖鏈工程設(shè)計(jì)新型糖蛋白類藥物,大多數(shù)有臨床應(yīng)用價(jià)值的蛋白質(zhì)為糖蛋白，糖鏈對(duì)蛋白質(zhì)的生物功能及活性起著重要作用。通過糖基化工程可以延長(zhǎng)重組蛋白藥物的半衰期，提高重組蛋白藥

38、物的靶向性和對(duì)于蛋白酶的抗性，增加抗體分子的效應(yīng)功能。 EPO是一個(gè)高度糖基化的含唾液酸的酸性糖蛋白，由165個(gè)氨基酸殘基組成，其成分約有60%蛋白質(zhì)和40%糖（重量百分比）。研究表明EPO的糖基化不影響其體外生物學(xué)活性，但卻可延長(zhǎng)體內(nèi)半衰期。受此啟發(fā)，Amgen公司的科學(xué)家發(fā)明了一種新型的促紅細(xì)胞生成蛋白（novel erythropoiesis stimulating protein，NESP）。與EPO相比，NESP在33和88

39、位各增加了1個(gè)N-糖基化位點(diǎn)。NESP的體內(nèi)半衰期是EPO的3倍，從而達(dá)到了減少用藥次數(shù)的目的。,59,（四）應(yīng)用糖鏈工程設(shè)計(jì)新型糖蛋白類藥物,常用的對(duì)糖鏈進(jìn)行改造的方法有：①通過定點(diǎn)突變技術(shù)增加或減少蛋白質(zhì)的糖基化位點(diǎn)，從而增加或減少蛋白質(zhì)表面的糖鏈；②在體外通過化學(xué)或酶法對(duì)糖鏈進(jìn)行修飾；③細(xì)胞內(nèi)由一系列糖苷酶和糖基轉(zhuǎn)移酶組裝成糖基化途徑來催化蛋白質(zhì)的糖基化。,60,第三節(jié) 生物技術(shù)與藥物制備,應(yīng)用基因工程和細(xì)胞工程生產(chǎn)藥物

40、應(yīng)用發(fā)酵工程生產(chǎn)藥物 利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物 應(yīng)用生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)用化學(xué)法難以合成的藥物 應(yīng)用生物技術(shù)改造傳統(tǒng)制藥工藝,61,一、應(yīng)用基因工程和細(xì)胞工程生產(chǎn)藥物,62,二、應(yīng)用基因工程和細(xì)胞工程生產(chǎn)藥物,幾十年來，發(fā)酵工程技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的許多方面取得了巨大的進(jìn)展，如規(guī)?；a(chǎn)抗生素、維生素、氨基酸、β-胡蘿卜素等。 另外，目前微生物發(fā)酵正成為開辟紫杉醇新來源的途徑之一。1993年Stierle等首次報(bào)道了真菌安德烈紫杉菌通過發(fā)酵也能

41、產(chǎn)生紫杉醇，該菌株連續(xù)3周的發(fā)酵液中每升含紫杉醇幾納克。美國華盛頓大學(xué)研究人員運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)，將紫杉醇合成酶基因轉(zhuǎn)入紫杉醇產(chǎn)生菌中，有可能建構(gòu)高產(chǎn)紫杉醇的“工程菌”，預(yù)計(jì)此工程紫杉醇的產(chǎn)量比天然真菌提高幾千倍。,63,三、利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物Producing drugs by transgenic animals,64,Micromanipulator,65,66,從轉(zhuǎn)基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA,67,三、利用

42、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物 Producing drugs by transgenic animals,68,Normal mice,Transgenic mice with GFP,69,許多國家相繼成立生物技術(shù)公司專門從事用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)“轉(zhuǎn)基因藥物”，并各具特色。如：美DNX公司的“制藥工廠”用轉(zhuǎn)基因豬 環(huán)球基因藥物公司用轉(zhuǎn)基因奶牛 基因酶公司用轉(zhuǎn)基因山羊 英國藥物蛋白公司則用轉(zhuǎn)基因綿

43、羊等。,三、利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物 Producing drugs by transgenic animals,70,三、利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物 Producing drugs by transgenic animals,產(chǎn)量高：前者在每升乳汁中可得幾十克產(chǎn)物，而后者在每升培養(yǎng)液中只能獲得幾毫克成本低：轉(zhuǎn)基因動(dòng)物只需正常的飼養(yǎng)條件，耗資極少，而微生物或動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)則需用昂貴的反應(yīng)器用于生產(chǎn)藥物的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物都是哺乳動(dòng)物，與人類的

44、親緣關(guān)系比細(xì)菌、酵母等要接近得多，所以其產(chǎn)品具有與人體自身產(chǎn)生的蛋白質(zhì)相同的生物活性,71,三、利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物 Producing drugs by transgenic animals,72,三、利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物 Producing drugs by transgenic animal,73,四、應(yīng)用生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)用化學(xué)法難以合成的藥物,利用生物體系（如各種細(xì)胞和酶等）作催化劑實(shí)現(xiàn)有機(jī)合成的生物合成和生物轉(zhuǎn)化方法學(xué)是一

45、門以有機(jī)合成化學(xué)為主，與生物學(xué)密切聯(lián)系的交叉學(xué)科，它是當(dāng)今有機(jī)合成化學(xué)的研究熱點(diǎn)，也是21世紀(jì)生物有機(jī)化學(xué)和生物技術(shù)研究的新生長(zhǎng)點(diǎn)。 生物催化體系是迄今為止人類所知的最高效和最具有選擇性的溫和催化體系。生物體中的酶以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們想象的高速度催化各種生化反應(yīng)。酶不僅在生物體內(nèi)，也能在生物體外促進(jìn)天然的和人工合成的化學(xué)分子的諸多轉(zhuǎn)化反應(yīng)，并且顯示出優(yōu)良的化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性。因此生物合成和生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供了許多常規(guī)化學(xué)方法不

46、能或不易合成的化合物的合成方法。,74,五、應(yīng)用生物技術(shù)改造傳統(tǒng)制藥工藝,75,第四節(jié) 生物技術(shù)藥物,生物技術(shù)藥物（biotechnological drug, biotech drug）是指采用DNA重組技術(shù)或其他新生物技術(shù)生產(chǎn)的用于預(yù)防、治療和診斷疾病的藥物，主要是重組蛋白或核酸類藥物，如細(xì)胞因子、纖溶酶原激活劑、重組血漿因子、生長(zhǎng)因子、融合蛋白、受體、疫苗、單克隆抗體、反義核酸、小干擾RNA等。,76,一、治療類藥物,1．細(xì)胞因子

47、類藥物細(xì)胞因子是由免疫細(xì)胞及相關(guān)細(xì)胞產(chǎn)生的一類調(diào)節(jié)細(xì)胞功能的高活性、多功能的多肽分子，不包括免疫球蛋白、補(bǔ)體和一般生理性的細(xì)胞產(chǎn)物。細(xì)胞因子按其功能及與免疫學(xué)的關(guān)系可分為：①具有抗病毒活性的細(xì)胞因子，如干擾素；②具有免疫調(diào)節(jié)活性的細(xì)胞因子，如白細(xì)胞介素類以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-?；③具有炎癥介導(dǎo)活性的細(xì)胞因子，如腫瘤壞死因子；④具有造血生長(zhǎng)活性的細(xì)胞因子，如集落刺激因子、促紅細(xì)胞生成素、干細(xì)胞因子、白血病抑制因子等。,77,2．激

48、素類藥物 激素類藥物就是以人或動(dòng)物激素（包括與激素結(jié)構(gòu)、作用原理相同的有機(jī)物）為有效成分的藥物。 如雄性激素、胰島素、生長(zhǎng)激素等。,78,3．酶類藥物按其對(duì)疾病的防治，可將酶類藥物主要分為以下幾個(gè)方面： ①與治療胃腸道疾病有關(guān)的酶類藥物，如胰酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、 纖維素酶等；②與治療炎癥有關(guān)的酶類藥物，如菠蘿蛋白酶、胰蛋白酶；③抗腫瘤的酶類藥物，如天冬酰胺酶。另外，還有多種藥用酶，如

49、與血纖蛋白溶解作用有關(guān)的酶，尿激酶、鏈激酶、纖溶酶等；治療青霉素引起過敏反應(yīng)的青霉素酶；分解黏多糖的玻璃酸酶；預(yù)防齲齒的葡聚糖酶以及治療與血管收縮有關(guān)循環(huán)障礙的激肽釋放酶。,79,4．單克隆抗體藥物由于單克隆抗體具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、精確性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它被用于多種疑難病癥（特別是腫瘤）的治療。利用單克隆抗體治療癌癥主要有兩種方法：一是制備抗腫瘤的單克隆抗體；二是以單克隆抗體作為載體，攜帶藥物，有效殺傷癌細(xì)胞。這是利用單克隆抗體與

50、腫瘤細(xì)胞表面抗原的高度親和力，直接殺傷癌細(xì)胞或攜帶殺傷腫瘤細(xì)胞的藥物濃集于腫瘤細(xì)胞上，特異地殺傷腫瘤細(xì)胞，而又不影響正常細(xì)胞。這就避免了傳統(tǒng)抗癌藥好壞不分，無目的殺傷的副作用。,80,生物導(dǎo)彈—單克隆抗體 Biological missile——monoclonal antibody,,Radioimmunoconjugate mechanism of action affecting target cells, nearb

51、y tumor and normal cellsCourtesy of Peter McLaughlin, 2002,,81,5. 基因治療藥物,應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)疾病發(fā)病機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，許多疾病的發(fā)生與基因的異常變化和基因的缺陷有關(guān)，這就使基因治療研究和應(yīng)用隨之出現(xiàn)。基因治療就是將某種基因以某中方法直接轉(zhuǎn)入體內(nèi)，使其彌補(bǔ)體內(nèi)異?；蛉毕莸幕?，或讓該基因在體內(nèi)持續(xù)表達(dá)體內(nèi)缺少的活性物質(zhì)，以達(dá)到治療的目的。 如向

52、體內(nèi)注入抑癌基因可使癌細(xì)胞向正常細(xì)胞分化；向體內(nèi)注入能促使血管再生的成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（FGF）的基因，可實(shí)現(xiàn)FGF在人體內(nèi)的持續(xù)表達(dá)，用于治療冠心病等。多種疾病的基因治療已處于臨床試驗(yàn)階段。,82,基因治療的ex vivo及 in vivo途徑,83,鳳凰新聞----基因療法使失明小狗重見光明,84,http://www.bioon.com 生 物 谷 網(wǎng) 站    2007年4月24日，美國一家生物技

53、術(shù)公司Introgen  （Nasdaq:  INGN）宣布開始其p53基因藥Advexin的III期臨床研究的療效分析。普遍認(rèn)為，p53基因產(chǎn)物是最重要的癌癥抑制蛋白，其表達(dá)缺陷或功能缺陷在腫瘤中最為常見。Advexin正是利用這一發(fā)現(xiàn)，在患者體內(nèi)或腫瘤局部表達(dá)正常的p53蛋白。I和II期臨床研究提示，Advexin對(duì)實(shí)體腫瘤有明顯的療效。這是自我國2001年批準(zhǔn)“今又生”上市以來，國際上第

54、一個(gè)以p53表達(dá)為基礎(chǔ)的基因治療藥物進(jìn)入上市審批程序。還沒有發(fā)現(xiàn)其他基因治療藥上市，盡管有1400個(gè)在臨床研究的不同階段。,85,中國基因治療Ⅱ型糖尿病研發(fā)成果有重大進(jìn)展,光明網(wǎng)上海6月14日電　記者從在上海生物制品研究所舉行的世博會(huì)荷蘭“生命科學(xué)周”—基因治療專題研討會(huì)上獲悉：中國科研人員在基因治療Ⅱ型糖尿病的研發(fā)工作有了重大進(jìn)展，已進(jìn)入中試后期階段，引起國內(nèi)外生命科學(xué)界高度重視，也成為本屆世博活動(dòng)中國科技發(fā)明成果展示的一個(gè)靚點(diǎn)。從

55、至今為止的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和中試研究情況看：在所公布的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看到，使用基因藥物后血糖得到迅速控制和下降直至正常，在11個(gè)月內(nèi)沒有出現(xiàn)反彈，從而對(duì)基因治療提出了“整體激活”的新概念。,86,二、預(yù)防類藥物,,87,88,三、診斷類藥物,1．酶聯(lián)免疫診斷試劑,89,2．診斷用單克隆抗體 單克隆抗體的特異性強(qiáng)，大大提高了抗原-抗體反應(yīng)的特異性，減少了和其它物質(zhì)發(fā)生交叉反應(yīng)的可能性，使試驗(yàn)結(jié)果可信度更大。單克隆抗體的均一性和生物活

56、性的單一性，使抗原-抗體區(qū)應(yīng)結(jié)果便于控制，利于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。目前已有許多檢驗(yàn)試劑盒用單抗制成。,90,3．診斷用基因芯片 基因芯片還具有可同時(shí)檢測(cè)多種疾病或多個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。,91,第五節(jié) 現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展與醫(yī)藥領(lǐng)域之未來,92,一、現(xiàn)在的疑難病癥將被攻克,93,二、人們的用藥概念將會(huì)發(fā)生改變,94,三、人造器官將不再是化學(xué)合成的高分子材料,95,目前，曾經(jīng)在裸鼠背上成功復(fù)制“人耳”的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家曹

57、誼林教授又有新突破，他已經(jīng)在培養(yǎng)箱里培養(yǎng)出來了“體外再生耳朵”。曹教授說，比起前幾年他在國際上首次應(yīng)用組織工程技術(shù)在裸鼠體內(nèi)再生出人耳廓形軟骨，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)又向前邁進(jìn)了一大步。隨著人類生命奧秘的揭曉，有朝一日人體就會(huì)像一輛汽車一樣，哪個(gè)零件壞了，可再買一個(gè)新的換上。,96,據(jù)英國《泰晤士報(bào)》2007年10月10日?qǐng)?bào)道，英國諾丁漢特倫特大學(xué)的61歲的哲學(xué)家和行為藝術(shù)家斯迪拉克宣布，澳大利亞的一家細(xì)胞組織中心在他的手臂上移植了一只用他自