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基因工程与生物药物

基因工程与生物药物

姓名：

李华龙

班级：

生物制药1301

学号：

1302150003

摘要

自1972年DNA重组技术诞生以来,生命科学进入了一个崭新的发展时期。

以基因工程为核心的现代生物技术已应用到农业、医药、轻工、化工、环境等各个领域。

它与微电子技术、新材料和新能源技术一起,并列为影响未来国计民生的四大科学技术支柱,而利用基因工程技术开发新型生物药物更是当前最活跃和发展迅猛的领域[1]。

从1982年美国Lilly公司首先将重组人胰岛素投放市场,标志着世界第一个基因工程药物的诞生。

基因工程制药作为一个新兴行业得到各国政府的大力支持,各国都积极研究和开发各种基因工程药物,并取得了丰硕成果。

本文通过对基因工程药物的开发、应用和研究方法等研究进展进行综述。

Abstract

Since1972,DNArecombinanttechnologywasborn,lifesciencehasenteredanewperiodofdevelopment.Geneengineeringasthecoreofmodernbiotechnologyhasbeenappliedtoagriculture,medicine,lightindustry,chemicalindustry,environmentandotherfields.Itandmicroelectronictechnology,newmaterialsandnewenergytechnologiestogether,tiedforthefourfuturebeneficialtothepeople'slivelihoodthebigpillarofscienceandtechnology,andusinggeneticengineeringtechnologytodevelopnewbiologicaldrugsisthemostactiveandrapidlydevelopingfield.FromtheUnitedStatesin1982Lilly'sfirstrecombinanthumaninsulinonthemarket,markingthebirthoftheworld'sfirstgeneengineeringmedicine.Geneticengineeringpharmaceuticalasanemergingindustryhasreceivedgreatsupportfromgovernmentsthecountriesareactivelyresearchanddevelopmentofvariousgeneticengineeringdrugs,andachievedfruitfulresults.Inthispaper,throughthedevelopmentofgeneengineeringmedicine,researchandApplicationResearchprogressisreviewedinthispaper.

关键词

基因工程、生物药物、研究进展、应用

Geneticengineering、biologicalmedicine、researchprogress,、application

一、基因工程

基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将目的基因和载体在体外进行剪切、组合和拼接，然后通过载体转入受体细胞（微生物、植物或植物细胞、动物或动物细胞），使目的基因在细胞中表达，产生出人类所需要的产物或组建成新的生物类型。

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是在医药领域，尤其在新药的研究、开发和生产中得到日益广泛的应用。

二、基因工程药物

基因工程药物是先确定对某种疾病有预防和治疗作用的蛋白质，然后将控制该蛋白质合成过程的基因取出来，经过一系列基因操作，最后将该基因放入可以大量生产的受体细胞中去，在受体细胞不断繁殖过程中，大规模生产具有预防和治疗这些疾病的药用蛋白质。

利用基因工程技术生产药物的优点是：

（1）大量生产过去难以获得的生理活性物质和多肽，为临床应用提供有力保障；

（2）发现、挖掘更多的内源性生理活性物质；

（3）对内源生理活性物质的不足之处进行改造和去除；

（4）可获得新型化合物，扩大药物筛选来源[2]。

三、基因工程制药概述

基因工程药物,主要是指利用重组DNA技术,将生物体内生理活性物质的基因在细菌、酵母、动物细胞或转基因动植物中大量表达生产的新型药物。

它常分为三类:

重组的治疗性蛋白质药物、重组疫苗及单克隆抗体。

第一代的基因工程药物主要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。

这类蛋白质主要以激素类为代表,如人胰岛素、人生长激素、降钙素等。

而第二类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的,如G-CSF、GM-CSF、tPA、α-IFN等。

继第二代基因工程药物之后,单克隆抗体将成为研究和开发的新热点。

如美国单克隆抗体的销售额从1997年的3.10亿美元增长到1999年的12亿美元,显示了强劲的增长势头。

四、基因工程药物的开发

4.1基因工程菌发酵制药

基因工程细菌发酵制药是指在人工条件下，培养通过基因工程构建的细菌细胞，生产重组药物蛋白，如胰岛素、干扰素等。

利用基因工程菌表达药物蛋白具有经济、简单和易操作的优点，但是在开发一些大分子量、结构复杂的功能蛋白质时，细菌通常不能满足蛋白表达的需要。

其基本过程如下

获得目的基因--组建重组质粒--构建基因工程菌--培养工程菌--产物分离纯化--除菌过滤--半成品鉴定--成品鉴定--包装

4.2基因工程动物细胞培养制药

基因工程动物细胞培养制药是指在人工条件下，高密度大量培养通过基因工程构建的动物细胞，生产重组药物蛋白，如病毒疫苗、抗原、抗体、免疫调节剂、重组激素以及生长因子等。

该技术目前已成为当前大规模制备生物技术药物的主要方法，它可以获得上千克甚至上吨的产物，以满足药物的需求。

第一个由基因工程动物细胞培养生产的药用蛋白是溶血栓药物组织型纤溶酶原激活剂（tPA），目前tPA已商品化。

和基因工程细菌发酵制药相比，它具有一定的优势：

（1）能生产大分子、结构复杂的蛋白，如凝血因子Ⅷ、促红细胞生成素（EPO）等

（2）生产清洁，整个生产过程不会对环境造成污染，因为用于细胞培养及后期产品纯化所需的物质没有任何对环境造成危害的有毒物质

（3）规模较小，与传统的制药工业相比，动物细胞培养的规模均较小，因为用于诊断和治疗的药物一般只需很小剂量，大概在微克级/人（如EPO、白介素、干扰素等）

（4）纯化简单、方便，由于动物细胞表达的产物是分泌型的，而且动物细胞培养所需培养基成分较单一，尤其是使用无血清培养基的时候

（5）产品安全，使用基因工程细胞生产药物蛋白，避免了动物的病原体传染，产品质量易于控制[3]

（6）大大减少了实验动物用量。

但是，动物细胞娇嫩挑剔，生长缓慢，培养成本昂贵，使得基因工程动物细胞培养制药受到一定的限制。

4.3转基因植物生物反应器制药

转基因植物生物反应器制药是指利用转基因生物技术，从经过基因改良的农作物等植物中提炼出药用蛋白质的高新技术。

与基因工程细菌发酵制药相比，转基因植物具有上游生产成本低、获得的新遗传性状稳定、在正常自然条件下易于生产和管理等优势，如把药物作为食物则可进一步省去下游提取，还可大规模、廉价地生产蛋白类药物等。

而且利用植物生产的各种蛋白质，多数能够正确的加工和折叠，从而保证了生物活性的稳定。

利用转基因植物作为生物反应器系统大规模地生产各种蛋白质和多肽等药物的梦想，随着转基因植物的快速发展已逐渐变成现实。

国外已经有几十种药物蛋白和多肽在植物中得到成功表达，其中包括人细胞因子、促红细胞生成素、表皮生长因子、生长激素、单克隆抗体、干扰素和可作为疫苗用的抗原蛋白等[4]。

五、基因工程药物的应用

基因工程技术在医药工业中最重要的应用是新药的研究、开发、生产和改造传统药物。

目前，通过基因工程技术已经能够获得以前由于材料来源困难或制造技术问题无法生产的药物，主要有生理活性物质、抗体、疫苗3大类。

5.1生理活性物质的生产

利用基因工程技术已能够生产激素类药物、细胞因子类药物、重组溶血栓类药物等。

如胰岛素、重组人生长激素、重组人促卵泡激素、干扰素、集落刺激因子、白细胞介素、肿瘤坏死因子、趋化因子、转化生长因子B、生长因子、重组链激酶及重组组织型纤维酶原激活剂等[5]。

5.2抗体的生产

基因工程抗体又称重组抗体，是指利用重组DNA及蛋白质工程技术对编码抗体的基因按不同需要进行加工改造和重新装配，经转染适当的受体细胞所表达的抗体分子，被广泛应用于疾病的临床诊断、预防和治疗及基础理论研究等领域。

自从基因工程抗体技术诞生以来，它的发展经历了好几个阶段。

主要包括完整的抗体分子、抗体可变区Fv、单链抗体ScFv、抗原结合片段Fab以及其它为改善抗体药物的某些性质而产生的各种抗体衍生物。

1984年，Morrison等人将鼠单抗可变区与人IgG恒定区在基因水平上连接在一起，成功构建了第一

个基因工程抗体。

此后，各种基因工程抗体大量涌现。

它们已用于肿瘤、病毒病、自身免疫病、哮喘及心血管疾病等的治疗，如用于治疗B细胞淋巴瘤的抗CD20嵌合抗体Rituximab，用于治疗自身免疫病的抗TNF-α单抗Infliximab[6]。

5.3用于生产疫苗

基因工程疫苗的生产过程大致为：

在表达载体中克隆入病原体的编码保护性抗原的基因片段，使细胞或真核细胞微生物及原核细胞微生物得以转染后得到的产物，或者删除病原的毒力相关基因，使之成为不带毒力相关基因的基因缺失苗。

包括基因工程亚单位疫苗、基因缺失活疫苗、基因工程活载体疫苗、核酸疫苗、转基因植物疫苗等。

相比于传统的疫苗，基因工程疫苗具有安全有效、低生产成本、适于大规模生产和使用等很多的优点。

其包括基因工程亚单位疫苗、基因缺失活疫苗、基因工程活载体疫苗、核酸疫苗、转基因植物疫苗等[7]。

六、几种基因工程药物研究进展

6.1白介素（IL）

IL是一类免疫调节因子，介导细胞之间相互作用，主要由激活的淋巴细胞分泌产生，用于诊断田和治疗肿瘤、免疫缺陷和感染性疾病等。

目前已上市的重组人白介素（rhIL）有rhIL一2和rhIL．11。

rhIL-11于1997年由美国FDA批准首次上市，成为第一个在临床上应用于肿瘤患者放疗后升高血小板的药物。

王继芳等[]观察rhIL．11对再生障碍性贫血血小板减少的治疗效果，发现对照组（应用环孢素、雄激素和造血生长因子）总有效率为17．6％，观察组（联合应用rhIL—11）总有效率为42．9％，二者差异显著（P

陆时运等研究发现恶性血液病患者化疗后加用rhIL．11治疗，血小板减少持续时间明显缩短，严重出血症状的发生及血小板输注减少，并且在接受rhIL一1l治疗过程中不良反应轻微，耐受性和安全性良好。

另外，杨弘等比较了自体血小板输注与rhIL一11治疗急性白血病化疗相关性血小板减少的临床效果，结果发现自体血小板输注和rhIL

—l1都有治疗急性白血病化疗后血小板减少的疗效，且两者同时使用效果更佳。

6.1重组疫苗

疫苗包括蛋白质、多糖、核酸以及各种感染因子等。

从疫苗的研制技术上可将疫苗分为传统疫苗和新型疫苗两大类。

传统疫苗包括灭活疫苗、减毒活疫苗和用天然微生物的某些成分制成的亚单位疫苗；新型疫苗主要指应用基因工程技术研制的疫苗，包括基因重组亚单位疫苗、基因缺失活疫苗、基因工程载体疫苗、核酸疫苗等。

类型

代表产品

亚单位疫苗

甲肝、乙肝、出血热和血吸虫等疫苗

载体疫苗

使用痘苗病毒天坛株制备的甲肝、乙肝和HIV等重组疫苗

核酸疫苗

用编码流感病毒共同的核蛋白抗原的DNA作为疫苗

基因缺失活疫苗

霍乱活菌苗、兽用伪狂犬病疫苗

随着新疫苗的不断出现，如何正确评价疫苗的安全性和有效性成为重要问题。

近年来，WHO、FDA和EMEA分别公布了与疫苗临床前安全性评价相关的指导原则，包括《WHO疫苗临床前评价指导原则》、《FDA预防感染性疾病疫苗生殖毒性研究的考虑（草案）》、《EMEA疫苗的临床前药理学和毒理学试验指导原则》。

这些指导原则代表了目前发达国家对于疫苗临床前安全性评价的认识现状，可以为国内疫苗的临床前安全性评价提供重要参考乜4I。

Berry等∞1报道的一项调查显示，澳大利亚大部分社区支持建立一个用于疫苗安全性监督的数据链接，以解决被动监督系统的局限性。

Pereira等怛刮探索在季节性流感疫苗接种诊所使用2D条码扫描技术来控制疫苗库存记录的可行性，发现相比于下拉菜单式和纸质记录，条形码扫描技术更受欢迎，它能保障客户信息的安全性和记录的准确性，还能节省大量的时间。

七、前景和展望

核酸类药物是除蛋白质类外的另一类基因工程药物，其临床应用也逐渐受到重视。

1998年第一个反义寡核苷酸药物福米韦生（fomivirsen，Vitravene）在美国和欧洲获准上市，主要用于艾滋病患者的巨细胞病毒性视网膜炎治疗。

随着研究的深入，第二、三代反义核酸药物相继出现，在肿瘤、心血管疾病和病毒感染性疾病的治疗中发挥作用。

另外，核酸类药物中的RNAi主要应用于抗病毒、抗肿瘤和对功能基因的研究。

RNAi的体内研究有限，关键问题是siRNA转染问题。

因此，成功解决siRNA的转染问题将促进siRNA的基因疗法开发。

八、参考文献

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