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生物技术与医药Biotechnology and Medicine

王凤山Wang Feng-shan

山东大学药学院生化与生物技术药物研究所

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第一节 生物技术一、生物技术的定义(Definition of Biotechnology)

1982 年国际合作及发展组织对生物技术进行的定义：

生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依

靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加

工以提供产品来为社会服务的技术

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生物技术与其他学科的关系The relationship of biotechnology and other subj

ects

分子生物学 生物医药技术

微生物学 农业生物技术

生物化学 现代生物技术 工业生物技术

遗传学 生物技术诊断

细胞生物学 家畜生物技术

化学工程 海洋生物技术

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二、生物技术的发展The history of biotechnology

（一）传统生物技术• 1000 多年以前人们就开始应用生物技术• 公元前 6000 年前，苏米尔人即古代巴比伦人就已会

酿造啤酒• 公元前 5000 年 ~ 公元前 4000 年（即仰韶时期）我

国的先人在就利用小口尖底瓮保温发酵酿制谷芽酒 • 我国的酱油距今已有 3000 年的历史• 1857 年巴斯德证明发酵是由于微生物的作用• 1917 年匈牙利工程师 Karl Ereky 提出生物技术这个

词

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二、生物技术的发展The history of biotechnology

（二）近代生物技术 • 1928 年 Fleming 发现了青霉素• 20 世纪 40 年代抗生素工业成为生物技术产业的支

柱产业• 20 世纪 50 年代氨基酸发酵工业出现• 20 世纪 60 年代酶制剂工业开始形成规模• 20 世纪 70 年代出现了以基因克隆为代表的现代生

物技术 近代生物技术的特征是微生物发酵技术

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传统与近代生物技术的主要步骤主要是通过微生物的初级发酵来生产产品，它一般包括3个重要的步骤： 第一步：上游处理过程 指对粗材料进行加工，作为微生物的营养和能量来源 第二步：发酵和转化 微生物在一个大的生物反应器内大量生长，生产某一目

的产品，比如抗生素、氨基酸等

第三步：下游加工过程 主要是指目的产物的纯化过程

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传统与近代生物技术的主要研究内容

• 菌种的筛选与诱变• 适合菌种生长的培养基及培养条件• 生物反应器的设计与制造• 发酵产物的纯化

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（三）传统与近代生物技术的局限性提高产量的幅度非常有限传统的诱变和选择的方法过程烦琐、耗时长、费用高、筛选克隆多只能提高微生物一种已有的遗传性质，不能赋予这种微生物其他遗传特性

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（四）现代生物技术 1. 现代生物技术的出现 The emerge of modern biotechnology

• 1953 年 Watson 和 Crick 发现了 DNA 双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础• 1973 年美国加利福尼亚大学旧金山分校的 H

erbert Boyer 教授和斯坦福大学的 Stanley Cohen 教授共同完成的基因工程实验为标志

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Boyer and Cohen

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DNA 双螺旋结构Double helix structure of DNA

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Boyer and Cohen 的策略

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2. 现代现代生物技术的主要研究内容The content of modern biotechnology

• 基因工程 (Genetic engineering)• 细胞工程 (Cell engineering)• 酶工程 (Enzyme engineering)• 发酵工程 (Fermentation engineering)• 蛋白质工程、抗体工程、糖链工程、生物转化 等

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（ 1 ）基因工程 Genetic engineering

基因工程又叫遗传工程，是现代生物技术的核心和主导。 所谓遗传工程就是从生物体中把生物遗传物质（基因或所谓遗传工程就是从生物体中把生物遗传物质（基因或 DD

NANA 分子）分离出来，或人工合成一段基因，用人工的方法对遗分子）分离出来，或人工合成一段基因，用人工的方法对遗传物质进行搭配、组合，然后转入某生物的细胞内，从而通过改传物质进行搭配、组合，然后转入某生物的细胞内，从而通过改变其遗传物质的结构来改变它的遗传特性，使它定向地产生所需变其遗传物质的结构来改变它的遗传特性，使它定向地产生所需的生物品种。的生物品种。 由于它在 DNA 分子水平上动手术，又称为 DNA重组技术、分子水平杂交技术或称基因操作。

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• 基因克隆示意图 ÔØÌåDNA(ÏÞÖÆÐÔÄÚÇÐøÇпª) Ä¿µÄ»ùÒò

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基因工程 Genetic engineering

基因工程可以跨越生物远缘不能杂交的鸿沟，实现物种，甚至动物、植物、微生物之间的基因杂交，所获得的生物产品或生物新品种在医药、卫生、农业、畜牧业和环境保护具有广阔的应用前景。

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（ 2 ）细胞工程 Cell engineering

细胞工程是指将一种生物细胞中携带的全套的遗传信息的基因或染色体整个地转入另一种生物细胞，从而改变其细胞的遗传特性，改造了生物的性状与功能，从而创造了新的生物类型。 由于细胞工程是在细胞水平上动手术，又可称为细胞操作技术。

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细胞工程的内容The content of cell engineering

• 细胞培养（ cell culture)• 细胞融合 (cell fusion)• 细胞重组（ cell recombination ）• 杂交瘤技术（单克隆抗体） (hybridoma techni

que)• 原生质体融合技术 (protoplast fusion technolog

y)• 组织培养技术 ( tissue culture technology)

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细胞培养（ Cell culture)

指将动物、植物或微生物的细胞或组织经无菌处理后置于人工培养基上，使细胞增殖，进而按需要培养的技术。

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细胞融合技术 Cell fusion technology

细胞融合技术是将两个不同种类的细胞，通过化学的、生物的或物理的办法，使它们彼此融合在一起，从而产生出兼有两个亲体的遗传性状的细胞。这实质上是无性杂交，故又称其为体细胞杂交。

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细胞重组（ cell recombination ）指在体外条件下，运用一定的实验技术从活细胞中分离出各种细胞的结构或组成部件，再把它们在不同的细胞之间重新进行装配，成为具有生物活性的细胞，主要有核移植、叶绿体移植、核糖体重建和线粒体装配等技术。世界上第一例经体细胞核移植成功的动物—多莉的培育过程如图。

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杂交瘤技术（单克隆抗体）(hybridoma technique)

是指将产生抗体的细胞与具有无限增殖能力的骨髓瘤细胞相融合，通过有限稀释法及克隆化，使杂交瘤细胞成为纯一的单克隆细胞系，由于这种杂交瘤细胞产生的抗体是针对一个抗原决定簇的抗体，又是单一的淋巴细胞克隆产生的，故又称为单克隆抗体，

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组织培养技术 Tissue culture technology• 人或动物的组织培养• 植物的组织培养

• 2001 年 2月 26日，在北京展览馆 ' 国家863 科技成果展 '上一只长 ' 人耳 ' 的老鼠正与公众见面。 '裸鼠 ' 由上海组织工程研究与开发中心成功培育， " 体外再生耳廓形状软骨 "( 俗称 " 体外再生耳朵 ")意味着 "耳朵 " 不仅可以大规模生产，也可直接移植到病人身上。

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（ 3 ）发酵工程 Fermentation engineering

发酵工程是通过现代技术手段，利用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系。这项技术主要包括菌种选育、菌种生产、代谢产物的发酵，以及微生物机能的利用等技术。 发酵工程已用于多种产品如酒类、抗生素、氨基酸、微生素、激素、工业用酶等生产。近年来，随着基因工程、细胞工程和酶工程技术向发酵工程的渗透，更拓宽了它的应用领域。

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发酵工程的具体过程示意图

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（ 4 ）酶工程 Enzyme engineering

酶工程是利用酶的催化特性，通过化工技术进行物质转化的工程技术。 它主要包括酶的开发和生产、酶的分离和纯化、酶的固定化、反应器的研制及酶的应用等内容。

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（ 5 ）蛋白质工程 Protein engineering 蛋白质工程是一门从改变基因入手，制造新型蛋白质的技术。 其过程是：先找到一个合成与这种新型蛋白质的基先找到一个合成与这种新型蛋白质的基因接近的基因；然后，修改这个基因（用定位突变技术因接近的基因；然后，修改这个基因（用定位突变技术修改这个基因的核酸顺序）；再把修饰好的基因植入细修改这个基因的核酸顺序）；再把修饰好的基因植入细菌或生物的细胞里，让细菌产生出人们想要的新型蛋白菌或生物的细胞里，让细菌产生出人们想要的新型蛋白质。质。

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用基因的点突变技术改变 IFN- 的结构和稳定性

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它与基因工程的区别在于，前者是利用基因拼接技术用生物生产已存在的蛋白质，后者则是通过改变基因顺序来改变蛋白质的结构，生产新的蛋白质。 因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程，也被蛋白质工程又被称为第二代基因工程，也被称为第二代生物技术。称为第二代生物技术。

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第二节 生物技术与药物研究一、生物技术与药物发现• 生物技术是药物发现的重要技术手段，现代生物技术的发展深刻地影响着药物发现的策略与研究模式，使得药物的发现取得了快速进展并获得了突破性的成果：

• 一方面，基因组学、蛋白质组学、转录组学等新兴学科的崛起和发展为药物的发现提供了更为广泛而深刻的理论基础；

• 另一方面，计算机辅助药物设计、分子对接和虚拟筛选、高通量筛选等技术的发展和完善，为药物发现提供了新的技术手段和有力工具，极大地拓宽了药物发现的途径。

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（一）现代组学与药物发现1．基因组学（ genomics ）

• 基因组学是研究基因组的结构、功能及表达产物的学科，包括三个不同的亚领域，即结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学。

• 人类基因组计划的实施和完成提供了更多基因变异与药物个体效应差异之间的关联证据，为从基因水平研究药物反映的个体差异提供了物质基础和技术支持。因此，近年来在药物研究中提出了基因组药物学（或称基因组药理学， pharmacogenomics ）的新概念，为新型药物的研究创造了新的契机。

• 未来的药物不仅要以所治疗疾病的类型作为研究的基础，同时将全面考虑患者的病理特点，包括患者个体的基因特点、代谢特点和功能变化特点，使药物的应用真正实现“量体裁衣”，达到最佳的个体化治疗效果。

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2．蛋白质组学（ proteomics ）• 蛋白质是基因表达的最终产物，只有完全注释

基因组序列所编码的蛋白功能，才能真正实现基因组研究的价值。

• 蛋白质组学是阐明生物体各种生物基因组在细胞中表达的全部蛋白质的表达模式及功能模式的学科，包括鉴定蛋白质的表达、存在方式（修饰形式）、结构、功能和相互作用等。

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• 蛋白质组学可以全面检测疾病发生与发展过程中以及药物干预过程中蛋白质表达谱和蛋白质 - 蛋白质相互作用的变化，从而发现影响疾病或药物作用的关键的具有特异功能的蛋白质，并对这些蛋白进行一级结构和三维结构测定，综合分析其生物学功能，推测新的、潜在的药物作用靶标。

• 蛋白质组学的研究也能促进人们根据功能蛋白质的空间结构及其变化规律合理设计药物或对其进行结构改造，从而产生新的药物。因此，蛋白质组学是基因组和药物发现的桥梁和纽带。

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3．转录组学（ transcriptomics ） • 转录组学是一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科。简而言之，转录组学是从 RNA水平研究基因表达的情况。

• 转录组学通过分析转录谱中的共调节基因，阐明基因选择性表达所依赖的复杂调控信号网络，提示基因组中与某一生命现象或病理状态相关的基因；

• 基于这些信号网络寻找和发现调控基因的未知生物学功能，提示药物潜在的作用靶点及其发挥作用的分子机制。

• 转录组学研究在指导新药设计与合成、新药筛选等药物发现过程中也具有重要的应用价值。

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4．代谢组学（ metabonomics ）• 代谢组学以生物体液 (包括尿液、血液、汗液、胆汁、脑脊液等 ) 、细胞提取物以及组织提取物为主要研究对象，通过动态评价机体生物液体中内源性和 / 或外源性代谢产物的浓度与功能，即代谢产物谱的变化，来研究评价药物对机体产生的生物学作用及机体对药物的代谢途径、代谢特点等。

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• 代谢产物是机体继基因激活、转录、翻译、修饰等一系列生命活动之后的最终信号载体之一。

• 因此，代谢组学研究有可能更为准确而全面地揭示药物对机体所产生的生物学效应以及机体对药物的作用。

• 代谢组学为基因组学、转录组学和蛋白质组学研究的有力补充。

• 代谢组学技术还可以广泛地参与药物的早期药理学活性及毒性筛选、先导化合物的选择与优化以及药物的临床前安全性评价。

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（二）与药物发现密切相关的生物新技术1．生物芯片技术 （ biochip, microarray ）• 生物芯片技术是指通过在微小基片（硅片或玻璃）表面固定大量的分子识别探针，或构建微分析单元或检测系统，对标记化合物、核酸、蛋白质、细胞或其他生物组分进行准确、规模化的快速筛选或检测。

• 目前，生物芯片主要包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等。

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2．表面等离子共振技术（ surface plasmon resonance, SPR ）

• 表面等离子共振技术是近年来发展起来的一种以芯片为基础的光学生物传感器系统，它不需要荧光或放射性标记物，分子结合与分离时可产生光强度变化。

• 分子结合到一个固相化的生物靶分子上，当分析物溶液通过传感器芯片时，结合到靶分子上的分子可被即时检测。

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3．转基因技术 （ transgene technology ） • 转基因技术通常包括基因敲入和基因敲除两种方式。• 其显著特点是：分子及细胞水平操作，组织及动物整

体水平表达。• 转基因技术的出现为研究药物对机体整体的作用提供

了很好的技术手段，在药物发现过程中其主要应用价值体现在以下几个方面。

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从分子水平上去研究和认识疾病To study and understand diseases on mol

ecular level 在过去，有许多的疾病如遗传性疾病、癌症等，由于对其发病机理认识不清，医学工作者对这些疾病的治疗只能采取用药治疗的方法，难以根治，多年来一直视为不治之症，显得人们在这些疾病面前束手无策。 现代生物技术产生以后，使人们能够从基因的水平上对这些疾病进行研究，找到了发病机理，在研究治疗手段时就能有的放矢。

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• 建立基于特殊疾病的整体动物模型，实现药物的体内活性筛选 • 药物作用靶标的鉴定和确认：基因组、蛋白质组以及生物芯片等

主要从细胞和分子水平寻找和发现药物的作用靶标；而转基因动物能够模拟人体的内环境，从而能更准确地实现对药物作用靶标的鉴定和确认。

• 药代动力学及药物临床前评价：特定的转基因动物能够帮助研究人员在药物发现过程中尽早地了解药物的代谢特征及其毒理学特点，从而决定是否继续开展或终止药物的后续开发活动。目前，转基因动物被广泛用于神经系统疾病、癌症、心血管疾病等多种疾病治疗药物的相关研究中。

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4． RNA干扰技术（ RNA interference, RNAi ） • RNAi 是指将与 mRNA 对应的正义 RNA （ sense RNA ）和反义

RNA （ anti-sense RNA ）组成的双链 RNA （ dsRNA ）导入细胞诱导靶mRNA 发生特异性的降解而导致基因沉默的现象，又称为转录后基因沉默，

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5．生物信息学技术 （ bioinformatics ）• 生物信息学是综合运用数学、计算机与网络技术以及生物学等手段对各

种生物信息进行收集、加工、储存、分析、整理和归纳，并对生物信息做出解析的学科。

• 生物信息学的研究内容主要包括：① 建立、贮存并管理大量的生物学信息库，包括基因组序列、基因多态性、基因表达调控、蛋白质结构与功能、特征性代谢产物谱、疾病相关基因和 / 或蛋白质、生物标志物信息库等；② 开发计算机算法和统计学方法，分析确定数据库中大量数据的相关性；③ 应用已知的生物学信息预测或分析生物大分子或小分子化合物的结构与功能。

• 生物信息学可应用于药物发现的全过程，包括药物分子设计、药物靶点的发现与确认、药物筛选以及药物临床前评价等。

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6．组合生物合成技术（ combinatorial biosynthesis ）

• 组合生物合成是以天然复杂结构化合物及具有明确药理活性的天然小分子化合物为底物，以具有生物催化活性的工业微生物、植物细胞、分离酶为反应工具，通过一次培养、多次培养转化及酶转化、合成的方式，建立单一或多反应体系，利用催化功能不同的生物催化剂对天然活性先导化合物的不同活性或毒性基团进行不同形式的分子结构修饰和改造，或者是利用底物选择性比较宽泛的生物催化剂催化多种天然活性先导化合物发生类似的催化反应，从而快速高效地合成大量结构类似的生物转化产物，从而形成分子结构多样性的化合物库。

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7．高通量筛选技术 （ high throughput screening ， HTS ）

• 高通量药物筛选是自 20 世纪后期起发展起来在传统的筛选技术基础上，应用先进的分子生物学、细胞生物学、计算机、自动化控制等高新技术，建立的一套适合于药物筛选的技术体系。

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8．高内涵筛选技术（ high content screening, HCS ）

• HCS 是指在保持细胞结构和功能完整的条件下，尽可能同时检测被筛选样品对细胞生长、分化、迁移、凋亡、代谢途径及信号转导等多个环节的影响，涉及的靶点包括细胞的膜受体、胞内成分、细胞器和离子通道等，即从单一实验中获得大量与候选物药理学活性相关的信息及其潜在的毒性作用。

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9．虚拟筛选技术（ visual screen ） • 虚拟筛选是指利用计算机强大的计算能力，针对重要疾病治疗靶标的生物大分子的三维结构或定量构效关系（ QSAR ）模型，采用三维药效基团模型搜寻或分子对接的方法，从现有化合物数据库中寻找发现与靶标生物大分子结合或符合 QSAR 的化合物。

• 虚拟筛选的目的是从大量化合物中寻找发现有苗头的化合物，集中目标，从而减少待筛选化合物的数量，缩短研究周期，降低研究成本。

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二、生物技术与药物设计 • 应用蛋白质工程技术设计新的药物• 应用酶工程改变药用酶的性质 • 应用抗体工程设计新型抗体 • 应用糖链工程设计新型糖蛋白类药物

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（一）应用蛋白质工程技术设计新的药物New drug design by using protein engineering

— 用定位突变技术更换活性蛋白的某些关键氨基酸残基

例如天然白介素 -2 的第 125位氨基酸残基为半胱氨酸，它的存在容易使白介素 -2 在表达之后两个白介素 -2

分子的半胱氨酸残基形成二硫键而形成聚合体，引起活性的降低。将半胱氨酸突变为丝氨酸，所得的突变白介素 -2 不会形成二聚体，活性高，热稳定性好，体内半衰期长。是我国首创的基因工程药物。

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（一）应用蛋白质工程技术设计新的药物 New drug design by using protein engineering

—增加、删除或调整分子上的某些肽段

改变蛋白质分子上的某些肽段，可改变其生物活性，产生新的生物功能。如将大肠杆菌表达的 tPA 的 A 链 F 、G 、 K1 3 个结构域除去，只留下 A 链的 K2 结构域和 B

链，从而失去肝细胞识别的 A 链非糖链的依赖结构，结果半衰期从 5~6 分钟上升到 11.6~15.4 分钟。

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（一）应用蛋白质工程技术设计新的药物 New drug design by using protein engineering

—将功能互补的两种基因工程药物在基因水平上融合 通过基因融合而获得的嵌合型药物，其功能不仅仅是原有药物功能的加和，还会出现新的药理作用。如白介素 -6 与白介素 -2融合表达产物 CH925除具有两者的活性外，还可提高不同级别红细胞祖细胞的生长。

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（二）应用酶工程改变药用酶的性质Changing the nature of medicinal enzymes by e

nzyme engineering 天然来源的药用酶在应用上存在有许多的缺点，如稳定性

差、有抗原性、体内半衰期短等，用一定的分子通过化学反应

对酶分子进行化学修饰，可使这些性质得到改善。这一技术是

酶工程技术在药物研究中的中药应用之一。

例如猪血超氧化物歧化酶，它存在有体内半衰期短、有一

定的抗原性等缺点，用聚乙醇修饰后可使其半期由几分钟延长

至 1 个多小时，抗原性几乎全部丧失，用低抗凝活性肝素修饰

的超氧化物歧化酶还能增强其抗炎活性。

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（三）应用抗体工程设计新型抗体• 基因工程抗体制备是根据研究者的意图，采用基因工

程方法，在基因水平对免疫球蛋白基因进行切割、拼接或修饰后导入受体细胞进行表达，产生新型抗体。基因工程抗体技术的着眼点在于尽量减少鼠源成分，保留原有抗体的亲和力和特异性。

• 借助于基因工程技术，既可以对完整抗体，又可以对抗体片段进行改造。

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人－鼠嵌合抗体的构建过程

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（四）应用糖链工程设计新型糖蛋白类药物• 大多数有临床应用价值的蛋白质为糖蛋白，糖链对蛋白质的生物功能及活性起着重要作用。通过糖基化工程可以延长重组蛋白药物的半衰期，提高重组蛋白药物的靶向性和对于蛋白酶的抗性，增加抗体分子的效应功能。

• EPO 是一个高度糖基化的含唾液酸的酸性糖蛋白，由 165 个氨基酸残基组成，其成分约有 60% 蛋白质和 40% 糖（重量百分比）。研究表明 EPO 的糖基化不影响其体外生物学活性，但却可延长体内半衰期。受此启发， Amgen 公司的科学家发明了一种新型的促红细胞生成蛋白（ novel erythropoiesis stimulating protein ， NESP ）。与 EPO相比， NESP 在33 和 88位各增加了 1 个 N- 糖基化位点。 NESP 的体内半衰期是 EPO的 3倍，从而达到了减少用药次数的目的。

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（四）应用糖链工程设计新型糖蛋白类药物

常用的对糖链进行改造的方法有：• ①通过定点突变技术增加或减少蛋白质的糖基化位点，

从而增加或减少蛋白质表面的糖链；• ②在体外通过化学或酶法对糖链进行修饰；• ③细胞内由一系列糖苷酶和糖基转移酶组装成糖基化途径来催化蛋白质的糖基化。

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第三节 生物技术与药物制备• 应用基因工程和细胞工程生产药物 • 应用发酵工程生产药物 • 利用转基因动物生产药物 • 应用生物转化生产用化学法难以合成的药物 • 应用生物技术改造传统制药工艺

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一、应用基因工程和细胞工程生产药物 在自然界存在许多具有特殊生物活性和治疗作用的物质，它们含量极微或不可

能大量获得，如生长激素释放抑制因子、人生长激素、人胰岛素、各种细胞生长因

子等。许多这些物质的作用都有种属特异性，即只有人来源的这些物质才能对人类

疾病的治疗有效，但从人的器官和组织进行大量提取是不可能的。有些物质就是能

从动物提取，但由于含量极微在经济上也不合算。

以生长激素释放抑止因子为例，人类第一次分离得到它是在 1973 年，那是经

过 21年的艰苦努力，用了 50万头羊脑，才获得了 5毫克的样品。1977年美国科学

家运用基因工程方法有大肠杆菌生产获得了人生长激素释放抑制因子，他们以 7.5

升大肠杆菌培养液就能获得与 5 毫克产品，7.5 升大肠杆菌培养液的成本只几十美

分。

自从 1982 年第一个基因重组产品人胰岛素上市以来，美国已批准 100 多个生

物技术药品上市，我国也有近 40种产品上市。

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二、应用基因工程和细胞工程生产药物• 几十年来，发酵工程技术在医药领域的许多方面取得了巨大的进

展，如规模化生产抗生素、维生素、氨基酸、 β-胡萝卜素等。 • 另外，目前微生物发酵正成为开辟紫杉醇新来源的途径之一。 19

93 年 Stierle 等首次报道了真菌安德烈紫杉菌通过发酵也能产生紫杉醇，该菌株连续 3周的发酵液中每升含紫杉醇几纳克。

• 美国华盛顿大学研究人员运用现代生物技术，将紫杉醇合成酶基因转入紫杉醇产生菌中，有可能建构高产紫杉醇的“工程菌”，预计此工程紫杉醇的产量比天然真菌提高几千倍。

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三、利用转基因动物生产药物Producing drugs by transgenic animals

现代生物技术的发展，带来了家畜等动物育种技术的

革命。通过运用将 DNA导入细胞的技术，结合从细胞中

分离出细胞核移植到卵母细胞中的核移植方法，科学家

们可以把单个有功能的基因或基因簇插入到高等生物的

染色体中去，并在其中表达。转入了外源基因以后的动

物称为转基因动物（transgenic animal），导入的基因称

为转入基因(transgene)，而整个技术称为转基因技术。

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Micromanipulator

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从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物 tPA

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三、利用转基因动物生产药物 Producing drugs by transgenic animals

自从 1987 年科学家们把人组织纤溶酶原激活剂基因转入小鼠受精卵发育成转基因小鼠并证明在其乳汁中能得

到人组织纤溶酶原激活剂以来，用转基因动物生产人用医

药制品正成为基因工程制药业中新崛起的最有诱人前景的

行业。

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Normal miceTransgenic mice with GFP

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许多国家相继成立生物技术公司专门从事用转基因动物生产“转基因药物”，并各具特色。如：美 DNX 公司的“制药工厂”用转基因猪 环球基因药物公司用转基因奶牛 基因酶公司用转基因山羊 英国药物蛋白公司则用转基因绵羊等。

三、利用转基因动物生产药物 Producing drugs by transgenic animals

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三、利用转基因动物生产药物 Producing drugs by transgenic animals

“用转基因动物生产 转

”基因药物 与用细菌、

酵母菌或动物细胞生

产基因工程药物相比

有许多的优点

产量高：前者在每升乳汁中可得几十克产物，而后者在每升培养液中只能获得几毫克 成本低：转基因动物只需正常的饲养条件，耗资极少，而微生物或动物细胞培养则需用昂贵的反应器 用于生产药物的转基因动物都是哺乳动物，与人类的亲缘关系比细菌、酵母等要接近得多，所以其产品具有与人体自身产生的蛋白质相同的生物活性

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三、利用转基因动物生产药物 Producing drugs by transgenic animals

以-1 抗胰蛋白酶的生产为例，全世界因遗传性-1抗胰蛋白酶缺乏而导致的肺气肿病人已超过 10万

人，治疗这类病人每年约需 2000万克-1抗胰蛋白酶，

但 1升人血中只能获得 2克，很难满足需要，而转基

因绵羊的每升乳汁中则可获得 35克。

由此可见，转基因动物在制药业中的应用将产生

无可比拟的经济效益。

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三、利用转基因动物生产药物 Producing drugs by transgenic animal

利用转基因牛和细胞培养生产医用蛋白的成本及产量比较

细胞培养 转基因牛

培养液成本/元L-1 320~400 2~4

培养液中的蛋白质含量/mgL-1 10~50 1000~10 0000

每克终产品的成本/元g-1 6 400~40 000 0.15~4.00

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四、应用生物转化生产用化学法难以合成的药物• 利用生物体系（如各种细胞和酶等）作催化剂实现有机合成的生

物合成和生物转化方法学是一门以有机合成化学为主，与生物学密切联系的交叉学科，它是当今有机合成化学的研究热点，也是21 世纪生物有机化学和生物技术研究的新生长点。

• 生物催化体系是迄今为止人类所知的最高效和最具有选择性的温和催化体系。生物体中的酶以远远超出人们想象的高速度催化各种生化反应。酶不仅在生物体内，也能在生物体外促进天然的和人工合成的化学分子的诸多转化反应，并且显示出优良的化学选择性、区域选择性和立体选择性。因此生物合成和生物转化反应提供了许多常规化学方法不能或不易合成的化合物的合成方法。

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五、应用生物技术改造传统制药工艺传统的制药工艺大多为化学制药，即通过化学反应工艺来获得所需的药

品，往往存在有产率低和对设备条件要求高（如高温、高压）等缺点。传统的

通过发酵手段生产药物的工艺也存有转化率低、分离纯化困难的不足。这些缺

点和不足正随着生物技术在制药工艺方面的应用而被克服。

利用酶转化法，尤其是应用固定化生物反应器改进制药工艺，已在有机酸、

氨基酸、核苷酸、抗生素、维生素和甾体激素等领域取得显著成效，如用酶转

化法生产 L-天冬氨酸、L-丙氨酸、L-色氨酸的收率可达 100%；应用固定化微

生物细胞生产抗生素也在土霉素、青霉素、柔红霉素、赤霉素等品种中取得进

展。这些工艺的特点是在温和的条件下进行，转化效率高，产物与反应物易分

离。

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第四节 生物技术药物 • 生物技术药物（ biotechnological drug, biotec

h drug ）是指采用 DNA重组技术或其他新生物技术生产的用于预防、治疗和诊断疾病的药物，主要是重组蛋白或核酸类药物，如细胞因子、纤溶酶原激活剂、重组血浆因子、生长因子、融合蛋白、受体、疫苗、单克隆抗体、反义核酸、小干扰 RNA 等。

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一、治疗类药物• 1．细胞因子类药物• 细胞因子是由免疫细胞及相关细胞产生的一类调节细胞功能的高活性、多功能的多肽分子，不包括免疫球蛋白、补体和一般生理性的细胞产物。

• 细胞因子按其功能及与免疫学的关系可分为：• ①具有抗病毒活性的细胞因子，如干扰素；• ②具有免疫调节活性的细胞因子，如白细胞介素类以及转化生长因子 -；• ③具有炎症介导活性的细胞因子，如肿瘤坏死因子；• ④具有造血生长活性的细胞因子，如集落刺激因子、促红细胞生成素、干

细胞因子、白血病抑制因子等。

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2．激素类药物 激素类药物就是以人或动物激素（包括与激素

结构、作用原理相同的有机物）为有效成分的药物。

如雄性激素、胰岛素、生长激素等。

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3．酶类药物• 按其对疾病的防治，可将酶类药物主要分为以下几个方面：• ①与治疗胃肠道疾病有关的酶类药物，如胰酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、 纤维素酶等；

• ②与治疗炎症有关的酶类药物，如菠萝蛋白酶、胰蛋白酶；• ③抗肿瘤的酶类药物，如天冬酰胺酶。• 另外，还有多种药用酶，如与血纤蛋白溶解作用有关的酶，尿激

酶、链激酶、纤溶酶等；治疗青霉素引起过敏反应的青霉素酶；分解黏多糖的玻璃酸酶；预防龋齿的葡聚糖酶以及治疗与血管收缩有关循环障碍的激肽释放酶。

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• 4．单克隆抗体药物• 由于单克隆抗体具有特异性强、灵敏度高、精确性强等优点，它被用于多种疑难病症（特别是肿瘤）的治疗。

• 利用单克隆抗体治疗癌症主要有两种方法：• 一是制备抗肿瘤的单克隆抗体；• 二是以单克隆抗体作为载体，携带药物，有效杀伤癌细胞。这是

利用单克隆抗体与肿瘤细胞表面抗原的高度亲和力，直接杀伤癌细胞或携带杀伤肿瘤细胞的药物浓集于肿瘤细胞上，特异地杀伤肿瘤细胞，而又不影响正常细胞。这就避免了传统抗癌药好坏不分，无目的杀伤的副作用。

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生物导弹—单克隆抗体 Biological missile——monoclonal antibody

Radioimmunoconjugate mechanism of action affecting target cells, nearby tumor and normal cells

Courtesy of Peter McLaughlin, 2002

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5. 基因治疗药物 应用现代生物技术对疾病发病机理的研究发现，许多疾病的发生与基因的异常变化和基因的缺陷有关，这就使基因治疗研究和应用随之出现。基因治疗就是将某种基因以某中方法直接转入体内，使其弥补体内异常或缺陷的基因，或让该基因在体内持续表达体内缺少的活性物质，以达到治疗的目的。 如向体内注入抑癌基因可使癌细胞向正常细胞分化；向体内注入能促使血管再生的成纤维细胞生长因子（ FGF ）的基因，可实现 FGF 在人体内的持续表达，用于治疗冠心病等。多种疾病的基因治疗已处于临床试验阶段。

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基因治疗的 ex vivo 及 in vivo途径

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凤凰新闻 ---- 基因疗法使失明小狗重见光明 新华网华盛顿５月２日专电（记者吴伟农）美国研究人员用基因疗法帮助一群先天性失明的小

狗见到了光明，这一前所未有的成果为成千上万先天性失明患者和他们的家人带来了希望。

美国宾夕法尼亚大学和康奈尔大学研究人员在一项最新研究中，选择三只先天性失明小狗作为

“ ”实验对象，这些小狗的ＲＰＥ６５基因存在致盲突变。研究人员用于基因疗法的 药物 则是由佛

罗里达大学科学家改造过的携带了正常ＲＰＥ５６基因的病毒，这些病毒充当渡船，将正常基因送

到失明小狗的视网膜细胞里。

研究人员在小狗左眼远离视网膜的地方注射了健康基因，但这种疗法没有效果。随后他们又将

基因注射到右眼视网膜后非常接近视网膜色素上皮细胞的地方，而这是ＲＰＥ５６基因发生作用之

处。不久，所有三只小狗的右眼都恢复了视力。

研究人员拍摄的录像显示，经治疗后小狗能够在堆着障碍物的房间里行走，但当障碍物放在它

们的左侧时，他们会撞上去。研究人员对小狗视网膜所作电子检测表明，视网膜呈正常状态；瞳孔

反应也表明眼睛和大脑之间的神经联系是工作的，而这是真正有视觉的表现。

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http://www.bioon.com 生 物 谷 网 站 2007 年 4月 24日，美国一家生物技术公司 Introgen   （ Nasdaq:  INGN ）宣布开始其 p53 基因药 Advexin 的 III 期临床研究的疗效分析。普遍认为， p53 基因产物是最重要的癌症抑制蛋白，其表达缺陷或功能缺陷在肿瘤中最为常见。 Advexin正是利用这一发现，在患者体内或肿瘤局部表达正常的 p53 蛋白。I 和 II 期临床研究提示， Advexin 对实体肿瘤有明显的疗效。这是自我国 2001 年批准“今又生”上市以来，国际上第一个以 p53表达为基础的基因治疗药物进入上市审批程序。还没有发现其他基因治疗药上市，尽管有 1400 个在临床研究的不同阶段。

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中国基因治疗Ⅱ型糖尿病研发成果有重大进展 光明网上海 6月 14日电　记者从在上海生物制品研究所举行的世博会荷兰“生命科学周”—基因治疗专题研讨会上获悉：中国科研人员在基因治疗Ⅱ型糖尿病的研发工作有了重大进展，已进入中试后期阶段，引起国内外生命科学界高度重视，也成为本届世博活动中国科技发明成果展示的一个靓点。从至今为止的实验报告和中试研究情况看：在所公布的动物实验数据中可以看到，使用基因药物后血糖得到迅速控制和下降直至正常，在 11 个月内没有出现反弹，从而对基因治疗提出了“整体激活”的新概念。

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二、预防类药物 疫苗类型 举例减毒活疫苗 乙脑疫苗、卡介苗、小儿麻痹糖丸疫苗等灭活疫苗 灭活霍乱疫苗、灭活甲型肝炎疫苗等

亚单位疫苗纯化亚单位疫苗 伤寒 Vi 多糖疫苗、无细胞百白破疫苗等基因工程亚单位疫苗 重组乙型肝炎疫苗、人乳头瘤病毒（宫颈癌）疫苗等

联合疫苗 麻疹 - 流行性腮腺炎 - 风疹联合疫苗、无细胞百白破联合疫苗、乙型肝炎 -b 型流感嗜血杆菌联合疫苗、百白破 -b 型流感嗜血杆菌联合疫苗等核酸疫苗（未上市） 埃波拉 (Ebola) 疫苗、丙型肝炎 (HCV) 和人免疫缺陷病毒 （ HIV ） 疫苗等

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东方网 “消息：从中国农科院传出重大消息，国家 863”“ ”计划生物领域项目 利用转基因植物生产乙型肝炎口服疫苗

科研课题小组，继成功研制出转基因植物—抗乙肝马铃薯之后，近日又成功地培育出抗乙肝番茄（西红柿），可用于药物生产。

转基因抗乙肝番茄的问世，使我们有了更多的选择，不用去医院，无需注射疫苗，只要在家吃上几个番茄或服用几粒用这种番茄加工制成的药物胶囊，就可在体内产生乙型肝炎病毒的抗体。

项目主持人刘德虎研究员说，这种转基因番茄在外观、口味、产量、营养含量和栽培技术上与普通番茄相比并没有什么区别，唯一的区别是导入了转基困疫苗，人吃了能产生抗乙肝病毒的抗体，起到很好的预防作用。

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三、诊断类药物• 1．酶联免疫诊断试剂

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2．诊断用单克隆抗体 单克隆抗体的特异性强，大大提高了抗原 - 抗体反应

的特异性，减少了和其它物质发生交叉反应的可能性，使试验结果可信度更大。单克隆抗体的均一性和生物活性的单一性，使抗原 - 抗体区应结果便于控制，利于标准化和规范化。目前已有许多检验试剂盒用单抗制成。

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3．诊断用基因芯片 基因芯片还具有可同时检测多种疾病或多个检测位点的优点。

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第五节 现代生物技术发展与医药领域之未来现代生物技术在 70年代初的出现至今不到 40年，但这一

技术的发展及对社会各个领域产生的影响之巨大是人们所始料

不及的，也是令人振惊和激动的。这一技术已使对医药研究和

药物生产发生了根本性的改变，使人们比以往任何时期在认识

和征服疾病方面的能力都大。现代生物技术的发展将后使未来

医药出现怎样的局面，将会出现什么样奇迹，人们同样是难以

预测的。在此，我们不仿根据现代生物技术目前发展状况和趋

势，对未来医药发展影响的几个方面进行一展望。

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一、现在的疑难病症将被攻克 目前广大医药工作者所面对的疑难病症主要有癌症、心血管病、艾滋病、遗传

病、自身免疫性疾病等。已有的研究证明，这些疾病的产生均与基因的异常变化或

缺失有关，如癌症是由于致癌基因被激活或抑癌基因失活所引起；心血管病是有与

参与脂质代谢的酶或蛋白质的基因发生变化从而使脂质代谢失调所引起；艾滋病的

引起与艾滋病毒的 R-基因有关；遗传病是由先天性基因缺失或异常所致；自身免疫

性疾病大多是由于感染的疾病原微生物（细菌、病毒等）的遗传物质中去而持续产

生人体视为遗物的蛋白，从而发生免疫反应而产生。

在弄清了这些疾病的分子基础以后，科学家们正试图研究调控、修补这些基因

的方法，以使各种生命代谢恢复正常，从而使疾病得到彻底的治疗。预计在将来，

人们对目前的这些疑难病症的治疗会象我们目前治疗伤风感冒一样的容易，只需在

了解发病的分子原因以后，对症下药即可。

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二、人们的用药概念将会发生改变 目前人们的用药概念是医生处方，病人服药，对于急性病短期服药，对于

慢性病长期服药，有时服用一种药，有时服用多种药。将来人们的用药概念除

“ ” “ ”了传统的概念外，还会有给病人装配一 制药工厂 的概念。这些 制药工厂

就是可产生某一种或几种具有治疗作用物质的细胞或基因，将这些细胞或基因

导入人体后，可持续产生所需的药物而使疾病（特别是慢性病）得到治疗。如

将胰岛素的基因导入人体内某种细胞内，让胰岛素持续在一定水平上分泌来治

疗胰岛素依赖型糖尿病，而不必象目前这样每日皮下注射两次胰岛素来控制血

糖水平，即经济又无痛苦。

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三、人造器官将不再是化学合成的高分子材料 目前在临床上应用的人造器官或组织均为通过化学的手段获得的高分子材

料，再以一定的手段职称一定的形状或功能，以替代人体损害或缺失的正常器官。

这些人造的器官具有受正常组织排斥反应的问题。如已在实验室里用病人自身的

“细胞，在一定形状的模具上进行培养，获得了在外型上与正常耳朵没有区别的 组

”织工程 耳朵，且这种耳朵力还生长有血管，移植给该病人身上产生血液循环，

“ ”并且一切生长活动还受到人体的控制。我国也已培养出这 种组织工程 耳朵。

这种用自体细胞培养得到的器官，无疑为真器官的再造提供了可能。

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目前，曾经在裸鼠背上成功复制“人耳”的国家重点基础研究发展规划项目首席科学家曹谊林教授又有新突破，他已经在培养箱里培养出来了“体外再生耳朵”。曹教授说，比起前几年他在国际上首次应用组织工程技术在裸鼠体内再生出人耳廓形软骨，现在的技术已经又向前迈进了一大步。随着人类生命奥秘的揭晓，有朝一日人体就会像一辆汽车一样，哪个零件坏了，可再买一个新的换上。

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据英国《泰晤士报》 2007 年 10月 10日报道，英国诺丁汉特伦特大学的 61岁的哲学家和行为艺术家斯迪拉克宣布，澳大利亚的一家细胞组织中心在他的手臂上移植了一只用他自己的肝细胞培育出来的“第三只耳朵”。

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印度医生发明器官培植新技术 《印度教徒报》报道，一名印度医生利用从动物体内采集的干细胞培

植出了健康的器官和组织，并运用这一新技术在人体内成功地进行了有限

制的实验。这一医学成果已在美国专利与商标局获得专利权。

·在新德里毛拉纳 阿扎德医学院供职的外科医生马塔普尔卡尔说，他

“已在狗和猴子体内培植出了输卵管、输尿管和子宫，其中子宫 比健康的

”子宫毫不逊色 。他目前正在进行让肾和肠再生的实验。

马塔普尔卡尔解释说，他首先从动物体内提取干细胞，然后在体内进

行克隆。克隆成功后，任其转化 2至 3个月，直至理想的器官或组织成型。

此项技术的突破在于组织或器官细胞的遴选和克隆。他说，采用这一方法

的好处是避免了器官移植中的异体排斥。

来源：新华网

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四、随心所欲控制人体 由于审美的要求和健康的原因，人们对自身形体的要求

越来越刻求，即不希望太矮，也不希望太高，即不希望太胖，

也不希望太瘦。许多人为自己没有一个理想的形体而苦恼，

不知受了多少累，遭了多少罪。未来人们将能对决定身高的

基因进行控制，使生长达到理想的高度。

目前的研究已经发现了肥胖基因，对该基因的控制将会

使胖子变瘦。McPharlone在 1997年的 Nature杂志上还报道

具有抑制骨骼肌生长的 GDF-8的基因，使该基因失去功能能

使小鼠的骨骼肌增加一位，因此瘦子变胖也不再是遥远的梦。

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五、人的寿命将进一步延长 人的寿命的长短受多种因素的控制，如营养、疾病等。随

着生活水平的提高，人的寿命已较以前有很大的提高。随着生

物工程的应用，使人的营养状况进一步改善，致命的疾病被攻

克，寿命会进一步提高。更让人有信心的是，已经发现了衰老

基因和抗衰老基因，对这些基因调控的进一步研究，将会使人

的寿命在改善营养和攻克疾病的基础上进一步提高。

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六、基因工程药物将在未来医药市场上占主导地位

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七、转基因动物生产药品和保健食品将会成为一个大的产业 如前所述，转基因动物生产药品比微生物发酵具有更多的优点。就目前

而言，获得转基因动物的过程还比较昂贵，一旦获得的转基因动物能够将获

得的基因一代代传下去，将会使成本大为降低，用于药品生产的加工厂仅仅

是一个饲养厂和提取分离厂的问题。人们通过转基因动物还能获得不同的天

然保健食品。比如，环球基因药物公司正致力于转基因奶牛生产人乳铁蛋白，

乳铁蛋白是一种促进铁吸收并具有抗菌作用的蛋白质。他们用转基因牛生产

这种产品，每头奶牛年产奶可超过 1万斤，而牛奶本身就是婴儿食品，可谓

是一举两得。这些都预示着转基因动物在医药保健方面应用的巨大潜力。

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综上所述，现代生物技术对医药研究已经取得了丰硕

的成果，并产生了巨大的经济和社会效益。随着现代生物

技术的日趣成熟及其应用研究的逐步深入，将会更快地推

动医药学的发展，创造出难以预料的人间奇迹，并对人类

社会生活的各个方面产生巨大的影响。

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当然，我们在讨论和展望对医药发展积极影响的同时，也要

充分注意它可能产生的危害。比如在应用现代生物技术时，人们

有可能有意无意地制造出对人或社会有害的生物，如新的病毒；

人类对自然界生物进行无节制的改造可能会造成生态失衡；应用

新的生物产品或手段治疗疾病时，还有可能引起因的技能障碍；

等。因此，当我们在应用生物技术时，要加强对其危害性的研究，

否则老的问题解决了，新的更难以克服的问题又出现了，无异于

自己制造消灭自己的武器。只人类在应用生物技术时能考虑到各

方面的因素，用利避害，必然能在促进和维护人类身体健康方面

作出有利的贡献。

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谢谢！谢谢！