2022年生物技术在医药领域的应用 .pdf

额新乡学院 2012-2013 学年第一学期期终考试先进制造技术考核试题姓名：学号：班级：机制本 3 生物技术在医药领域的应用摘要：医药卫生领域是现代生物技术最先登上的舞台，也是目前用得最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也是最大的一个领域。据统计，目前人类60%以上的生物技术成果集中应用于医药卫生方面。这是因为生物技术可以在许多方面改进医药的生产、开发新的药品资源、改善医疗手段，从而提高整个医疗水平。所以，生物技术是提高生命质量、延长人类寿命的主要技术手段。目前，生物技术在医药领域的应用主要集中于疾病的预防、诊断与治疗。另外，医药微生物生物技术、生物技术药物与生物技术药物制剂等新技术的发展也保护人类健康作出了巨大的贡献。关键词：生物技术，医药卫生，医药微生物生物技术，生物技术药物，生物技术药物制剂1 生物技术与疾病诊断现代生物技术的开发应用，为医疗卫生领域提供了崭新的诊断检测技术。人们对疾病，尤其是传染病的诊断中，很重要的一点事尽早检测出感染性因子的种类，然后再针对此问题制定适当的治疗方法。但传统的传染病诊断技术具有一定的局限性，需根据病人的临床症状或者是对病原体进行分离培养检测才能够作出判断。因此，利用现代生物技术发展快速、灵敏、操作简便的新的诊断技术，在疾病防治上具有积极的意义。1.1 单克隆抗体在疾病诊断中的应用1.1.1 鉴定微生物病原体传染病病原体的检测是免疫血清学检测中最重要的领域，目前重要的常见人类和动物的传染病病原体的单克隆抗体大多数已开发成为商品，如：肝炎病毒、乙肝病毒、人类免疫缺陷病毒、沙眼衣原体、登革热病毒、肠道病毒、T 细胞病毒、流感病毒、白血病病毒、肺炎支原体、沙门氏菌、链球菌等的单克隆抗体。上述针对病原体抗原的单克隆抗体，主要用于检出和鉴定特异性病原体。常用的检测方法有美联免疫吸附法、免疫斑点法、免疫金标记法、直接凝集法等，其中酶联免疫吸附法应用最名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 8 页 -多，在临床诊断中，酶联免疫吸附法常用的是测定抗体的简介酶联免疫吸附法和测定抗原的双抗体夹心法。1.1.2 确定激素水平利用内分泌激素和激素受体的单克隆抗体，可以检测体内激素水平。目前临床应用的内分泌激素和激素受体的单克隆抗体主要有促肾上腺皮质激素、雌激素受体、生长激素受体、抑制素、胰岛素受体、促甲状腺激素等的单克隆抗体。以上采用的检测方法多为酶联免疫吸附法、放射免疫分析法，测定血液或尿液中相应激素或激素受体的含量，临床上用于诊断内分泌性疾病、监测疾病发展情况。1.1.3 检测肿瘤相关蛋白质在肿瘤患者体内，有些蛋白质的含量比正常人显著增加，这些蛋白质称为肿瘤特异性抗原或肿瘤相关抗原，如：甲胎蛋白（AFP）、糖蛋白抗原（CA）、前列腺特异性抗原（PSA）等。利用这些肿瘤抗原或相关抗原的单克隆抗体，可以检测人体内肿瘤相关蛋白质的含量，对肿瘤进行早期诊断。1.1.4 检测细胞因子细胞因子是一类由各种免疫细胞和非免疫细胞产生的具有生物活性的多肽或蛋白质。在系统性红斑狼疮、类风湿关节炎、自身免疫性肝炎、多发性肌炎等自身免疫性疾病的患者体内，细胞因子水平明显升高。因此，应用细胞因子抗体检测相应细胞因子的水平，可作为相关疾病辅助诊断、疗效观察和预后判断。此外，单克隆抗体还可以用来检测人体内免疫球蛋白含量及其变化，以诊断原发性免疫缺陷病或继发性免疫缺陷病。2 生物制药与生物技术药物生物技术制药主要有两方面，即利用生物技术制备药物和从天然生物材料中提取药物。生物技术药物或称生物药物是集生物学、医学、药学的先进技术为一体，以结合化学、药物基因组学、功能抗原学、生物信息学等高技术为依托，以分子遗传学、分子生物、生物物理等基础学科的突破为后盾形成的产业。根据生物工程学科范围可分为微生物发酵工程药物、基因工程药物、细胞工程药物、酶工程药物和蛋白质工程药物。2.1 基因工程制药基因工程制药是在体外通过重组DNA 技术，对生物的遗传基因进行剪切、拼接、重新组合，与适宜载体连接，构成完整的基因表达系统，然后导入宿主生物细胞内，与原有遗传物质整合或以质粒形式单独在细胞中繁殖，并表达活性蛋白质、多肽或核酸等药物的工艺过程。2.1.1 干扰素类名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 8 页 -干扰素是最早发现、研究最多、第一个被克隆、第一个用于临床治疗疾病的细胞因子。由于干扰素具有广泛的抗病毒、抑制细胞生长、抗肿瘤以及免疫调节等活性，加上基因工程技术为大规模、低成本生产感染绕苏提供了技术解决方法，使得干扰素成为多种疾病的重要治疗手段。2.1.2 白介素类白介素（IL）是一类免疫调节因子，由白细胞产生，介导细胞之间相互作用的细胞因子。它们主要由激活的淋巴细胞分泌，作为免疫系统的细胞因子信使发挥作用。如IL-2 处于调节机体免疫应答的细胞因子网络的中心环节，对机体的免疫监视及抗肿瘤免疫功能具有重要意义，临床上应用于治疗肿瘤、免疫缺陷和感染性疾病等。2.1.3 集落刺激生长因子用集落培养方法发现的造血细胞生长因子称为集落刺激因子（CSF）。CSF 主要有4 种：粒细胞巨嗜细胞集落刺激因子（GM-CSF）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）、巨嗜细胞集落刺激因子（M-CSF）和 多 功 能 集 落 刺 激 因 子（Multi-CSF,也 称 白 介 素3，IL-3）。3 细胞工程制药3.1 动物细胞工程药物动物细胞工程式细胞工程的一个重要分支，它主要从细胞生物学和分子生物学的层次，根据人类的需要，一方面深入探索、改造生物遗传种性，另一方面应用工程技术的手段，大量培养细胞或动物本身，以期收获细胞及其代谢产物以及可供利用的动物。当前动物细胞工程制药所涉及的主要技术领域包括细胞大规模培养技术、细胞融合技术、细胞核移植技术和转基因动物技术等方面。3.2 动物细胞大规模培养技术动物细胞大规模培养技术是生物技术制药中非常重要的环节。利用动物细胞培养生产具有重要医用价值的酶、生长因子、疫苗和单抗等，已成为医药生物高技术产业的重要部分。（1）疫苗（2）人二倍体细胞疫苗（HDCV）：采用人胚肺或纤维细胞接种Pitman Moore 病毒株后制成为目前最理想的细胞培养疫苗。（3）地鼠肾细胞疫苗（PHKCV）（4）提纯的Vero 细胞狂犬病疫苗（PVPV）（5）纤维蛋白溶酶激活剂人纤溶酶原激活剂有两种类型：一种是人们熟知的尿激酶型纤溶酶原激活剂（U-PA），主要由肾细胞产生：另一种是组织型纤维蛋白溶酶原激活剂（t-PA）主要由血管内皮细胞合成，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 8 页 -两者免疫性质和分子量都不同，并由不同基因编码。天然U-PA 存在于人尿中，含量稀少，分离困难，而 U-PA 的临床需求量大，所以科研人员开始用肝表皮细胞、上皮细胞、小鼠神经细胞等来培育生产U-PA。3.3 细胞融合技术（杂交瘤技术-单克隆抗体技术）细胞融合又称细胞杂交。它是指用人工方法使两种以上的体细胞合并形成一个细胞，不经过有性生殖过程而得到杂种细胞的方法。在体外用人工方法（使用融合诱导因子）促使相同或不同的细胞发生融合，称为人工诱导融合。另外，用杂交瘤技术生产的单克隆抗体与常规抗体相比，具有特异性强、灵敏度高、稳定性好、抗体活性高等优点。目前单克隆抗体在疾病的诊断、治疗和预防等方面具有非常高的应用价值。3.4 转基因动物转基因动物是指以试验方法将外源基因导入动物染色体基因组，使之稳定表达并能遗传给后代的一类动物。随着分子遗传学、发育生物和转基因技术的不断发展和完善，转基因动物在疾病动物模型的建立、器官移植研究、改良动物品种、基因治疗和生产药用蛋白等实际应用方面取得了长足的发展。3.5 植物细胞工程药物植物细胞工程就是进行物种改良，选育优良作物品种，增加植物的优良性状，利用植物生产各种化学制品，还可用于保留濒临灭绝和有重要经济价值的植物物种。目前研究较多、应用较广泛的主要是植物细胞培养技术即植物细胞培养与次生代谢产物生产。植物细胞大规模培育技术是近些年发展起来的一门高新技术。3.6 植物细胞培养技术植物细胞的大量培养是在离体条件下，将愈伤组织及其他易分散的组织置于液体培养基中，进行振荡培养，得到分散或游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖，从而获得大量的细胞群体的一种技术。3.7 转基因植物随着植物生理及植物基因工程技术的发展和成熟，许多科技工作者将生物药品的生产，从以利用微生物和动物细胞培养作为转基因系统转向以植物为基因转化系统来生产药用蛋白和疫苗。目前转基因植物药物主要分为转基因植物疫苗、转基因植物抗体、转基因植物多肽及蛋白质类药物。（1）转基因植物疫苗：把植物基因工程技术与机体免疫机制相结合，生产出能使机体获得特异抗病能力的疫苗。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 8 页 -（2）转基因植物抗体：通过基因工程技术将编码全抗体或抗体片段的基因导入植物，病在植物中表达或生产的具有免疫活性的抗体或者功能片段。目前世界上已有众多的可生产抗体的植物，并可利用种子和块茎生产重组抗体。（3）转基因植物多肽及蛋白质类药物：大量研究表明：人体内含量甚微但具有重要临床价值的蛋白或多肽也可在植物系统中表达。虽然利用转基因植物生产药用蛋白具有诸多优势，但这方面的研究目前仍处于初级阶段，尚有不少问题以待解决。4 微生物工程制药微生物药物是指由微生物在其生命活动过程中产生的生理活性物质及其衍生物，包括抗生素、维生素、氨基酸、核苷酸、酶、激素、免疫抑制剂等一类化学物质的总称，是人类控制疾病，保障身体健康，以及用来防治动、植物病害的重要药物。近年来，随着基因工程和细胞工程技术的发展，使得发酵制药所用的微生物菌种不仅仅局限于天然微生物的范围内，已建立起来的新型工程菌株，可以生产天然菌株不能产生或产量很低的生物活性物质，拓宽了微生物制药的研究范围。4.1 微生物药物生产菌生产药物的天然微生物主要包括细菌、放线菌和丝状真菌三大类。细菌主要生产环状或链状多肽类抗生素，此外，细菌还可以产生氨基酸和维生素。防线菌主要产生各类抗生素，以链霉菌属最多，诺卡菌属最少，还有单胞菌属。真菌的曲菌属产生桔霉素，青霉素菌属产生青霉素和灰黄霉素等，头孢菌属产生头孢霉素等。4.2 发酵制药的基本过程发酵制药就是利用制药微生物，通过发酵培养，在一定条件下，生长繁殖，同时在代谢过程中产生药物，然后，从发酵液中提取分离、纯化精致，获得药品。菌株选育、发酵和提炼石发酵制药的三个主要工段。4.3 发酵制药的工艺条件发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约，一般来说，菌种的生产性能越高，表达其应有的生产潜力所需的环境条件就越难满足，改产菌种比低产菌种对工艺条件的波动更为敏感。发酵过程需要控制的主要参数有：温度、pH、罐压、搅拌转速、泡沫、溶解氧浓度、溶解二氧化碳浓度、基质浓度等。5 酶工程制药酶工程制药是将酶或活细胞固定化后用于药品生产的技术。现代酶工程制药的基本技术主要包括酶和细胞固定化、酶和非水相催化、酶法的手性药物合成、酶的化学修饰技术等。酶工程生产药物具有生产工艺结构紧凑、目标物产量高、产物回收容易、可重复生产等优点。因此，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 8 页 -酶工程制药具有广阔的前景。5.1 酶工程技术在制药工业中的应用酶在制药工业中的作用主要是催化前体物质转化为药物，另外固定化酶膜或者酶管也广泛应用于制药过程的参数检测与测量，特别是生物制药过程。下面以几个典型的应用为例进行叙述。5.1.1 青霉素酰化酶在新型抗生素生产中的应用青霉素酰化酶能以青霉素或头孢霉素为原料，可以分别在青霉素的6 位或者头孢霉素的7位催化酰氨键的形成与断裂。典型的应用顺序为首先催化青霉素或头孢霉素酰氨键的断裂，获得半合成抗生素的直接底物6-氨基青霉烷酸(6-APA)或 7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)；然后在其他酰基供体存在的条件下催化形成新的酰氨键，从而获得具有全新侧链的新型抗生素。天然发酵生成的青霉素有两种，一为青霉素G，另一为青霉素V。通过青霉素酰化酶催化下进行酰基置换反应，用新的酰基供体置换苯乙酰基，则可以获得许多新型的半合成青霉素。比如用 氨基苯乙酰置换原来的苯乙酰基，可以获得氨苄西林。羟氨苄西林、羧苄西林和磺氨苄西林等也都是采用酶催化半合成的方法通过青霉素的酰基置换反应获得的。天然发酵生成的头孢霉素是头孢霉素C，头孢霉素C 在青霉素酰化酶催化下，首先水解生成 7-ACA，再与侧链羧酸衍生物反应形成各种新型头孢霉素。例如：头孢利定、头孢噻吩、头孢氨苄等。虽然青霉素酰化酶既可以催化酰氨键的形成，也可以催化其水解，具有催化正逆两个反应的能力。但催化水解反应和催化合成反应时所要求的条件存在较大差异，特别是最优催化pH 相差较大。常用的催化水解反应的pH 为 7.08.0，而催化合成反应的pH 应降低到5.07.0。因此应采用两个连续但独立的反应器顺序进行水解和合成反应。5.1.2 酶应用于生物大分子由于中草药多来源于植物，即药源植物。但只有这些植物中的一些特定小分子成分，才是其中的药效成分。中草药制剂提取就是将这些有效成分从植物整体或者器官中提取出来，并结合辅料，制备成适合保存、运输和服用的药物。这个过程的第1 步就是中草药药材的粉碎提取，由于植物中纤维素的存在，使得药材的粉碎难度加大。一个可行的方案是采用纤维素酶降解纤维素，形成可溶性单糖，从而提高其溶解度降低黏度。但由于纤维素酶价格较高，目前该应用还限于实验室研究阶段。另外利用纤维素酶降解农作物秸秆中的纤维素形成可被微生物利用的可溶性单糖，可以使得生物质能系统中的微生物利用原来难以利用的纤维素作为碳源进行发酵，从而提高产能效率。5.2 在抗生素类药物生产中的应用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 8 页 -在抗生素类药物生产中，酶工程的应用主要有：用固定化青霉素酰化酶生产6-氨基青霉烷酸（6-APA）、固定化头孢菌素酰化酶生产7-氨基头孢烷酸（7-ACA）和投保菌素、固定化青霉素酰化酶生产7-氨基脱乙酸氧头孢烷酸（7-ADCA）、固定化头孢菌素乙酰酯酶生产脱乙酸头孢菌素等。5.3 在邮寄酸类药物生产中的应用在有机酸类药物生产中，酶工程可以生产L-苹果酸、L(+)-酒石酸、乳酸、葡萄糖酸、长链二羟酸、衣康酸等有机酸类药物。5.4 在氨基酸类药物生产中的应用利用酶工程生产的氨基酸类药物主要有：L-酪氨酸、L=赖氨酸、L-天冬氨酸、L-丙氨酸、L-苯丙氨酸、L-谷氨酸、L-色氨酸、L-丝氨酸、谷氨酰胺等。5.5 在核苷酸类药物生产中的应用应用酶工程可以生产的核苷酸类药物主要有：5-核苷酸、ATP、AMP、NAD、CDP 胆碱、肌苷酸等。5.6 在维生素类药物生产中的应用应用酶工程生产的维生素类药物主要有：2-酮基-L 古龙糖酸、CoA、肌醇、L-肉毒碱等。5.7 在手性药物生产中的应用由于酶促反应具有化学选择性、区域选择性和对映体选择性等特性，可用于手性药物的合成。酶法合成手性药物以微生物转化法为主，通过固定化技术制备固定化酶或固定化细胞，使手性药物的合成朝着优质、高效、经济的方向发展。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 8 页 -参考文献1.王利群,常州市科学技术协会.生物技术.南京:东南大学出版社,2010.2.周世宁,刘玉焕,刘建忠,等.现代微生物生物技术.北京:高等教育出版社,2007.3.梅兴国,高春生,杜丽娜,等.生物技术药物制剂基础与应用.北京:化学工业出版社,2004.4.李亚一,陈复成,李志琼,等.生物技术.北京:中国科学技术出版社,1994.5.Richard W.Oliver.即将到来的生物科技时代.北京:中国人民大学出版社,北京大学出版社,2003.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 8 页 -