备课素材：细胞工程技术在生物制药中的发展和应用-高二下学期生物人教版选择性必修3.docx

细胞工程技术在生物制药中的发展和应用2019版高中生物学选择性必修三简单提到了细胞工程技术在生物制药、干细胞研究、单克隆抗体等方面的应用：实际上。近年来，细胞工程技术在生物制药应用成果非常显著。1.生物制药及细胞工程生物制药是生物技术的综合利用，从生物体、生物组织、细胞和体液中分离出有效成分，制备用于预防、治疗和诊断的产品。天然的生物材料赋予了生物制药安全性高、副作用小、营养价值较高的特点，这些显著的优势使生物药物越来越受人们的青睐，这也是生物药物市场不断扩大的重要原因之一。细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的方法，通过类似于工程学的步骤，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或特种细胞产品的一门综合性科学技术。利用动物细胞培养可生产人类生理活性因子、疫苗、单克隆抗体等产品；利用植物细胞培养可大量生产经济价值较高的植物有效成分，也可生产人活性因子、疫苗等重组DNA产品。植物细胞培养不受地理、环境和气候条件的影响，次级代谢产物含量高。在工业上，细胞工程主要包括上游工程（包括细胞培养、遗传操作和保存）和下游工程（包括转化细胞在生物制品生产中的应用）。如今，细胞工程在生物制药工业发挥着不可替代的作用。细胞工程制药技术在我国医学领域研究中占据着非常重要的地位，目前全世界80%生物技术药物都是在细胞工程技术下完成的。植物细胞工程的应用集中体现在大规模植物细胞培养生产药用成分和转基因植物生产药物两个方面，同时植物生物反应器在国外的生物制药领域己经开始发展，并取得一定的科研成果，而国内也正在逐渐被重视起来。目前我国在细胞融合、核移植、植物药物提取等方面己经获得一定的研究成果，其中乳腺生物反应器的研制是最被看好的一个细胞工程制药方向。2.动物细胞工程研究现状2.1细胞融合细胞融合是指使用人工或自然发生的使两个以及多个不同细胞互相融合，成为一个细胞的过程。常被用来进行单克隆抗体的生产，生成新的融合物种，或者产生新的细胞系等。细胞融合是我国目前动物细胞工程研究中最成熟的技术。淋巴细胞杂交瘤是在国内开展研究与应用工作最为普遍的一项技术。其在国内培育了相当数量的杂交瘤细胞株系且实用价值较高，这些杂交瘤细胞株系主要被用于进行单克隆抗体的生产，其生产的单克隆抗体对于一些特殊的疾病具有很好诊断与治疗效果。例如: 国内的肿瘤疫苗、甲肝病毒单克隆抗体都利用了单克隆抗体技术。2.2细胞核移植核移植技术是指通过显微操作技术将供体细胞核转移到去核卵母细胞，进而获得重构胚胎的过程，主要被用来进行生物反应器的制备。市场调查发现研制乳腺生物反应器是最被看好的转基因制药生产方向，使用乳腺生物反应器来进行基因工程中人类蛋白质药物的生产，相比于微生物发酵与动物细胞培养技术来进行的药物生产，能够极大的降低生产成本。基因打靶技术与核移植技术进行结合，可能是乳腺生物反应器未来发展的主要方向，基因打靶技术在消除位点效应，降低成本，与外援基因定点整合等方面具有明显的优势。在国内鱼类新品种的培养应用的核移植技术具有相当充足的研究基础，除鱼类外，我国对于哺乳动物的核移植技术也具有许多成熟的经验，特别是体细胞克隆技术迅猛发展，在老鼠、山羊、牛等动物的体细胞克隆中皆已取得成功案例。2.3 转基因动物转基因动物是指将特定的外源基因导入动物受精卵或胚胎，使之稳定整合于动物的染色体基因组并能遗传给后代的一类动物。迄今利用转基因技术生产药物的发展历程分为三个阶段，第一阶段是细菌基因工程，第二阶段是细胞基因工程，而转基因动物就属于第三个阶段。利用转基因动物乳腺反应器生产药用或食品蛋白是生物制药领域近年来研究的热点之一。因为乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响到转基因动物本身的生理反应，转基因后的药物分布在乳汁中随着乳汁分泌到动物体外，而不会因为药物对动物自身的生理代谢产生影响，通过乳汁获取的转基因药物具有产量高、易提纯、生物活性稳定的优点。2.4动物细胞培养动物细胞培养是指具有生命活性分散开的动物细胞，在体外经过人工培养下生长、增殖的过程。1970年Harrison等人以淋巴液为基础作为培养基对蛙胚神经组织进行体外培养，开启了动物细胞培养的技术性发展，经过一个多世纪以来的发展，细胞培养技术已经步入成熟，并且开始了自动化，多样化乃至规模化的生产。现已广泛的应用于生物医学的研究与应用中，动物细胞培养技术所生产的激素、生长因子、酶、干扰素、单克隆抗体等，皆为高技术医药生物产业的重要部分，世界关于生物技术产品的50%以上销售产值都由此创造。3.植物细胞工程研究现状3.1大规模植物细胞培养生产药用成分植物细胞的大量培养是利用植物细胞体系通过现代生物工程手段进行工业规模生产，以获得各种产品的一门新兴的跨学科技术。1956年Routier 与Nickell 首次提出以植物细胞培养物来合成药物，而后在 1967年 Kaul与Staba采用了多升发酵罐对小阿米（Ammi Visnaga）进行了大规模细胞培养的研究，并通过培养得到了呋喃色酮。作用于肺癌、卵巢癌、乳腺癌的抗癌药物紫杉醇，具有广谱、低毒、高效的优点，其作用机制独特。被誉为 20世纪90年代国际抗肿瘤药物的三大成就之一，紫杉醇的来源问题一直是当代研究的热点，而植物细胞培养技术为公认的一种具有可将紫杉醇量产的有希望的方法。通过植物细胞培养技术有些药物已经实现了工业化的生产，例如黄连细胞培养物进行生产的黄连碱、人参根细胞培养物进行生产的人参皂苷等，而有一些药物也已经达到了中试的水平，例如青蒿生产青蒿素、丹参生产丹参酮、三七生产皂苷、紫草生产萘醌等。3.2 植物快速繁殖技术植物快速繁殖技术多被应用于高附加值的经济植物、一些濒危物种、转基因植物繁殖，或者进行育种脱毒等操作中，是在植物细胞工程中相当广泛应用的一种技术。将植物快速繁殖技术与超低温保存种质法结合起来，可以实现植物种质资源的长时间保存与利用。在我国进行植物快速繁殖技术研究比较早，在20 世纪70年代中期对植物规模化快速繁殖脱毒研究就已经开始了。其研究的植物种类包含花卉、果树、林木、蔬菜以及药用植物等，其中兰花、香蕉、脱毒马铃薯、苹果、草莓、葡萄等规模较大。植物种质资源的保存是植物遗传育种与生物的多样性保护的基础，种质超低温保存技术保存的种质遗传稳定，其保存技术高效。超低温保存种质在节省时间，人力与物力方面优势明显，是中长期种质保存方法的优质选择。3.3转基因植物转基因植物是指利用基因工程技术将目的基因导入植物受体细胞中，以培育出能够稳定表达目的基因的植物。在我国对于转基因植物的研究较晚，但经过国家的重点扶持，目前国内的转基因植物技术研究也是在快速发展。据统计，在近几年我国所研究的转基因植物具有 52种，其中前3位的植物是: 棉花、水稻与玉米。拿到国家商品化生产许可的有抗病毒甜椒、抗病毒木瓜、抗虫棉花、转查尔酮合成酶基因矮牵牛等。转基因植物进行生产的优势在于: 相比于动物细胞培养而言，植物细胞培养易于成活，利于进行遗传操作。植物细胞具有全能性，能够培育出完整植株。植物种子容易储存，利于产物的储存于运输。转基因动物技术存在产生新型基因动物病毒的风险，而转基因植物风险较低。植物生长发育周期短，利于筛选与调试转基因植株。3.4植物生物反应器植物生物反应器是指通过植物细胞悬浮培养技术，培养的天然的或转基因的植物细胞，组织或整个植株作为“工厂”来大量生产人类所需产品。在我国植物生物反应器的研究于20 世纪90年代初期开始，目前在培育转基因植物和构建高效植物表达载体等主要技术方面与国外技术相差很小，但是对于植物生物反应器研究与应用的积累上与国外发达国家还存在较大差距，在国家通过“九五”计划对植物生物反应器进行政策扶持后，目前已经取得的成果有:使马铃薯与番茄导入乙型肝炎病毒包膜蛋白的基因，并获得高效表达的外源基因植株。使马铃薯导入产毒素大肠杆菌热敏毒素b亚基及定居因子CS6B抗原蛋白基因，并获得高效表达重组抗原蛋白的马铃薯植株。得到了口蹄疫流行株的基因文库并得到了O型口蹄疫口服疫苗VP1基因，可作为疫苗研究进行转基因表达蛋白。作为现代生物技术之一的的细胞工程技术在近半个世纪来突飞猛进，它已在医药领域取得了许多具有开创性的研究成果，如通过细胞融合技术形成的杂交瘤细胞生产的单克隆抗体已广泛用于临床治疗，并显示出独特的疗效，获得了很好的社会和经济效益。随着细胞工程技术研究的不断深入，它的前景及其产生的影响将会日益地显示出来。 例1、下列有关单克隆抗体制备的叙述，正确的是（）A、先利用特定的抗原蛋白饲喂小鼠，再从小鼠脾脏中分离B淋巴细胞B、为避免病毒感染，应用聚乙二醇诱导骨髓瘤细胞和B淋巴细胞融合C、体外培养杂交瘤细胞需要在培养液中添加动物血清和抗生素D、经过选择培养基初次筛选的杂交瘤细胞即可进行体内或体外培养解析：细胞来源：B淋巴细胞：能产生特异性抗体，在体外不能无限繁殖；骨髓瘤细胞：不产生专一性抗体，体外能无限繁殖诱导动物细胞融合的方法：物理法（离心）、化学法（聚乙二醇）、生物法（灭活病毒）动物细胞培养的培养基中含有糖、氨基酸、促生长因子、无机盐、微量元素等，还需加入血清、血浆等天然物质两次筛选：筛选得到杂交瘤细胞（去掉未杂交的细胞以及自身融合的细胞）；筛选出能够产生特异性抗体的细胞群A、先利用特定的抗原蛋白注射小鼠，再从小鼠脾脏中分离B淋巴细胞，蛋白质饲喂小鼠，水解失去活性；故A错误B、诱导骨髓瘤细胞和B淋巴细胞融合的方法有离心、电刺激、聚乙二醇、灭活病毒等试剂诱导；故B错误C、由于培养液中缺乏天然培养基中某些无法替代的成分，则体外培养杂交瘤细胞需要在培养液中添加动物血清，添加抗生素进行消毒；故C正确D、初次筛选得到杂交瘤细胞，去掉未杂交的细胞以及自身融合的细胞，不一定能表达出特异性抗体；故D错误 故选：C 例2、牛雄性胚胎中存在特异性H-Y抗原，可在牛早期胚胎培养液中添加H-Y单克隆抗体，筛选胚胎进行移植，以利用乳腺生物反应器进行生物制药下列相关叙述正确的是（ ）A. H-Y单克隆抗体由骨髓瘤细胞分泌B. 应选用原肠胚做雌雄鉴别C. 鉴别后的雄性胚胎可直接做胚胎移植D. 用H-Y抗原免疫母牛可获得相应抗体解析：效应B细胞能够分泌抗体，但是不具有增殖能力，而骨髓瘤细胞具有无线增殖的能力，因此利用动物细胞融合技术将效应B细胞和骨髓瘤细胞融合成杂交瘤细胞，利用该细胞制备单克隆抗体 该杂交瘤细胞既能无限增殖，又能产生特异性抗体，并且单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高、可大量制备等特点A、单克隆抗体由杂交瘤细胞分泌，A错误；B、做雌雄性别鉴别应选择囊胚期的滋养层细胞，B错误；C、由于是利用乳腺生物反应器进行生物制药，则鉴别后的雌性胚胎可直接做胚胎移植，雄性胚胎没有意义，C错误； D、H-Y抗原免疫母牛，使其体内产生体液免疫，产生相应的浆细胞，获得相应抗体，D正确 故选：D学科网（北京）股份有限公司