生物技术在医药和农业领域的应用2021.ppt

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断,天花病毒,疫苗的定义,疫苗的作用原理,疫苗的种类和特点,定义：,将病原物（如细菌、立克次体、病毒等）及其代谢产物，经过人工,减毒,、,灭活,或利用,基因工程,等方法制成的，可以通过注射或黏膜途径接种，并诱导机体产生针对特定致病原的,特异抗体,或,细胞免疫,，从而使机体获得消灭该病原能力的生物制品统称为疫苗。包括蛋白质、核酸、活载体或感染因子等。,疫苗是什么？,疫苗,Vaccine,From Latin,vacc,nus of cows,1796,年，乡村医生爱德华,.,琴纳将牛痘接种于人体用于预防天花,疫苗的定义,疫苗的作用原理,疫苗的种类和特点,B,细胞,浆细胞,T,细胞,消灭病原物,Ag(,疫苗,),辅佐细胞,（树突状细胞）,激活,Ab(,抗体,),分化成熟,致敏淋巴细胞,激活,被感染细胞,激活,疫苗是如何工作的？,细胞免疫,体液免疫,攻击,免疫系统的“信号处理器”，捕获抗原、加工抗原信息、传递抗原信息。,递呈,带有致病原信息的抗原成分,进入机体后被机体识别,继而加工成抗原信息,转化,记忆,B,细胞,疫苗的定义,疫苗的作用原理,疫苗的种类和特点,疫苗的发展,1877-1889,巴斯德发现连续传,代、长时间培养的霍乱细菌、,炭疽病毒、狂犬病毒，,毒力减,弱,，但是用于接种后可以有效,的预防疾病。,Louis Pasteur,1886,年，,Daniel Salmon,和,Theobald Smith,发现,热杀死,的霍乱杆菌有很好的免疫原,性，可以用于预防。之后鼠,疫、伤寒、百日咳等死菌疫,苗相继问世。,Theobald Smith,第一代疫苗：以减毒、弱化或灭活的病原体做疫苗,灭 活 疫 苗,减 毒 活 疫 苗,亚 单 位 疫 苗,百白破疫苗、伤寒疫苗、霍乱疫苗、狂犬疫苗，,SARS,疫苗,卡介苗、麻疹疫苗、脊髓灰质炎疫苗、乙型脑炎减毒疫苗,流感病毒血凝素疫苗,脑膜炎球菌夹膜多糖疫苗,第一代疫苗：以减毒、弱化或灭活的病原体做疫苗,第二代疫苗：基因工程疫苗,疫苗的发展,基因工程疫苗,：使用,DNA,重组技术，,将病原体的抗原（某种蛋白质）,基因克隆,在细菌或真核细胞内，使病原体的主要抗原基因在,细菌,或,真核细胞,中表达，利用表达的,蛋白质,或,多肽,作为疫苗。,乙肝表面蛋白重组,DNA,疫苗,2、用干细胞创建人胚胎的研究,美国政府技术顾问委员会(OAT)的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。,造血干细胞移植:泛指将各种正常来源的造血干细胞移植到患者的体内，使其产生正常血细胞的技术。,个人基因组计划。,人类患各种疾病很大程度是由于执行某一功能的蛋白质分子出现异常。,美国国家卫生研究院（NIH）12月2日宣布，利用私人资金制成的13个人类胚胎干细胞系已获准用于该院资助的研究。,转基因动物就象天然原料加工厂，只要投入饲料，就能得到人类所需要的药用蛋白。,第三代疫苗：核酸疫苗（DNA疫苗/基因疫苗）,乳腺生物反应器成功的关键是转基因动物乳腺特异性表达外源蛋白质基因。,乳铁蛋白能促进婴儿对铁的吸收，提高婴儿的免疫力抵抗消化道疾病感染。,成年动物的表皮和造血系统具有修复和再生能力。,这种被称为“直接改造”的技术不仅能避免人体胚胎克隆技术引发的伦理争议，其高效、便利也为进一步医学应用打开了大门。,第三代技术，几十分钟，1000美元。,然后将供者的正常干细胞通过静脉输注移植入受者体内，使正常的造血与免疫功能得以重建，从而根治疾病。,、从胎组织中获得新细胞系,症状前诊断：指临床症状出现前所作的诊断。,第一代疫苗：以减毒、弱化或灭活的病原体做疫苗,第二代疫苗：基因工程疫苗,疫苗的发展,第三代疫苗：核酸疫苗（,DNA,疫苗,/,基因疫苗）,核酸疫苗：指将含有编码病原体,抗原基因序列,的质粒载体，经肌肉注射或微弹轰击等方法导入体内，通过,宿主细胞,表达系统表达,抗原蛋白,，诱导宿主产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的。,疫苗使用及研究的现状和问题,质量问题,：,质量安全（高标准，严要求）,技术问题：,寄生虫病疫苗，,HIV,疫苗均未,研制成功,有效性及安全问题：,核酸疫苗的标准制定和安全评估,（二）,生 物 技 术 与 疾 病 诊 断,要求：早期、特异、快速、灵敏、操作简便,1.ELISA,技术,2.DNA,诊断技术,3.,生物芯片与疾病诊断,原理：将,酶,与,抗体（原）,交联形成酶,-,抗体,(,原,),复合物；另外将,抗原（体）,吸附在以聚苯乙稀制成的微孔滴定板上，使之固相化，免疫反应和,酶促反应,均在其中进行。利用抗原与抗体的,特异结合,以及酶将无色底物,催化,成,有色底物,，根据底物颜色的有无以及颜色的深浅判断阴性或阳性反应以及反应强度。,1.,免疫学诊断,酶联免疫吸附检测（,ELISA,）技术,2.,基因诊断,2.1,基因诊断概述,基因诊断（,DNA,诊断,）的概念：根据,DNA,分子碱基互补配对及变性、复性的原理，利用基因探针杂交、基因体外扩增（,PCR,）、电泳、,DNA,测序以及差异显示等分子生物学技术，通过直接检查基因的,存在状况,及其,功能,（基因型的改变）对疾病作出判断的诊断技术。,蛋白质是生命的体现者，,DNA,是遗传的物质基础，基因是,DNA,分子上的功能片段，是遗传的基本单位。,人类患各种疾病很大程度是由于执行某一功能的蛋白质分子出现异常。而这种不同和异常取决于控制其合成的基因的不同和异常。,传统的疾病诊断是以疾病或病原物的表型为依据。,如果能够在基因水平直接检测与某种疾病相关的基因序列，或病原物的特异性基因片段，则可以克服传统诊断的不足，从根本上对疾病作出诊断。,2.2,主要的基因诊断技术,2.2.1,基因探针杂交技术,病原物,提取病原物,DNA,DNA,固定在硝酸纤维膜,根据病原物特异,DNA,序列合成探针,用荧光素标记探针,探针与膜上,DNA,退火,根据是否检测到荧光来判断是否有探针所代表的病原物,检测,病人,分离,标本,基本思路：,将已知序列的,特定基因,（微生物、遗传病的特异基因片段）用,同位素、荧光素,等标记，制备成一种,诊断试剂,，即,基因探针,。由于其在适当条件下可与同源序列互补形成杂交体，因此使基因探针与待检测组织细胞内的基因片段发生杂交反应，通过探针上的标记观察探针是否与标本,DNA,结合，从而判断标本是否有与探针一致的片段，再对是否有遗传病或病原物感染作出诊断。,诊断试剂,2.2.2,利用,PCR,或,PCR,与分子杂交标记结合技术,基本思路,：寻找病原体的特异,DNA,序列，以该段,DNA,序列作为靶序列设计,特异性引物,；对待测样品进行,PCR,扩增,，然后检测相应的,扩增条带,，有则为阳性反应。,应用,：已经应用于结核杆菌、淋球菌、多种致腹泻的肠道传染细菌、人类免疫缺陷病毒、乙肝病毒等的检测。产前诊断、血源筛查、肿瘤基因诊断。,PCR,（聚合酶链反应）技术,：体外扩增特异,DNA,片段的技术。用于基因工程的基因制备，还用于某些疾病的诊断。,2.3,遗传性疾病的诊断,临症诊断：,指遗传病出现临床症状后所作的诊断。,症状前诊断,：指临床症状出现前所作的诊断。,产前诊断：,诊断胎儿出生前所做的诊断,(,性别、单基因病、,CS,异常异常,),。,目前大多数遗传病无有效的治疗方法，因此产前诊断对于降低遗传病的发病率，提高人口素质具有重要的意义。,夫妇之一有染色体畸变。,35,岁以上的高龄产妇。,夫妇之一有开放性神经管畸形。,夫妇之一有先天性代谢缺陷。,X-,连锁遗传病基因携带者孕妇。,有原因不明的习惯性流产的孕妇。,羊水过多的孕妇。,夫妇之一有致畸因素接触史的孕妇。,有遗传病家族史，又系近亲结婚的孕妇。,需要进行产前诊断的对象,3.,生物芯片与诊断,DNA,芯片（基因芯片）：它们是,DNA,杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的,DNA,样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。,从生物样品（血液或活组织）中分离纯化,DNA,或,mRNA,，并对其进行特异性扩增；,对待测样品进行标记（通常用荧光素标记的,dNTP,为底物，通过,PCR,使之进入新合成的,DNA,片段中）；,标记好的,DNA,样品与,DNA,芯片进行杂交，由于有大量,DNA,探针集成在芯片上，故可以一次检测大量生物样品；,杂交后漂洗去除未杂交的,DNA,分子；,携带荧光标记的样品结合在特定位置上，在激光激发下会发荧光。,A.,用于微阵列芯片制作的点样仪；,B.,封装在卡盒中的微阵列芯片,;,C.,用于微阵列芯片荧光标记检测的激光共聚焦扫描器；,D.,微阵列芯片的局部放大；,E.,微阵列芯片上固定,DNA,探针的示意图。图中蓝色的,DNA,链是预先固定在芯片表面的捕获探针，红色的,DNA,链是与捕获探针互补的靶,DNA,分子。,用平面微细加工技术,实现大批量生产。通过提高集成度,降低成本。,可组装大量的,(104,106,种,),生物分子探针,获取信息量大,效率高。,结合微机械技术,可把生物样品的预处理,基因物质的提取、扩增,以及杂交后的信息检测集成为可以随身携带的微型（芯片）实验室,制备成微型、全自动化、可用于微量试样检测的高度集成的智能化生物芯片。,生物芯片在诊断上的应用,DNA,芯片可用于大规模筛查基因突变所引起的疾病；检查肿瘤组织基因表达谱、寻找肿瘤相关基因、肿瘤基因突变的研究。将许多代表每种微生物的特殊基因制成,1,张芯片，判断病人感染病原体的种类。,分析基因组及发现新基因等具有很大的优势；,DNA,芯片技术用于基因组分析时，具有样品用量小、信息量大、分析方法简易快速、自动化程度高等多项优点，特别适合于寻找新基因、基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。,医学、化学、新药开发、司法鉴定、农业技术和食品技术领域也具有广泛的应用。,生物芯片与第三代测序技术,人类基因组,2003,年完成，耗时,13,年，,数个国家，,30,多亿美元。,如今完成一个人全基因组测序，,6,周。,第三代技术，几十分钟，,1000,美元。,我国中科院也已经开发第三代测序仪。,个人基因组计划。,（三）,生 物 技 术 与 疾 病 治 疗,生物治疗是用,生物来源的制剂,或,调节人体生物反应的制剂,（如细胞因子、免疫活性细胞、干细胞、单克隆抗体等）治疗疾病的方法。,细胞因子技术；基因治疗；干细胞技术；肿瘤疫苗,什么是生物治疗？,常见的生物治疗技术有哪些？,基因治疗,指将,目的基因,导入,靶细胞,以后与宿主细胞内的基因发生,重组,，成为宿主细胞的一部分，从而可以,稳定地遗传,下去并达到对疾病进行治疗的目的。,基因治疗的疾病类型：,遗传性疾病的基因治疗；肿瘤的基因治疗；传染性疾病的基因治疗等,肿瘤的基因治疗：,肿瘤发病复杂，并非单基因，调控网络复杂。,p53,是重要的抑癌基因，一半以上的肿瘤与其突变有关。,腺病毒介导的,p53,基因治疗肿瘤，进入临床,2,期。,基因治疗问题：技术，伦理,干细胞技术,干细胞,(stem cell),一词中的“干”译自“,stem”,，意为“树干”、“主干”，以示该类细胞在所有细胞中的地位。就像树的主干能生长出无数形态各异的枝桠一样，干细胞可以分化为很多形态和功能各异的细胞群。,因此，干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的原始细胞，是形成人体各种组织、器官的祖先。,干细胞的分类,按组织来源分：,胚胎干细胞,：胚胎发育早期（桑椹胚）尚未分化、具有各种分化潜能的并可以发育为各种器官和组织的细胞。,组织干细胞：,位于成体的组织和器官中，可以定向分化为一种组织。成年动物的表皮和造血系统具有修复和再生能力。此外，肝脏、胰腺和神经细胞也有这种特性。,成体干细胞：,成熟较慢但能自我维持增殖的未分化的细胞。如造血干细胞和骨髓间质干细胞。,按分化潜能来分：,全能干细胞：,具有完整的分化潜能，能分化形成生物的个体。,多能干细胞：,具有多种分化潜能，能分化成多种单能干细胞。,专能干细胞：,只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化的干细胞。如红系造血干细胞、皮肤干细胞和神经干细胞等。,干细胞的应用前景,造血干细胞,目前，造血干细胞是所有干细胞中研究最多、技术最成熟、应用最广泛的一种干细胞。造血干细胞移植已经成为根治白血病等血液系统疾病、恶性肿瘤、遗传病、顽固性自身免疫性疾病和严重免疫缺陷疾病等的主要治疗手段。,造血干细胞移植,:,泛指将各种正常来源的造血干细胞移植到患者的体内，使其产生正常血细胞的技术。移植时先要使患者接受超剂量化疗，放疗，以消灭体内的肿瘤细胞等异常细胞（包括造血和免疫系统）。然后将供者的正常干细胞通过静脉输注移植入受者体内，使正常的造血与免疫功能得以重建，从而根治疾病。,临床移植的造血干细胞主要有三个来源：骨髓（造血干细胞的,80%,），外周血和脐带血。,外周血造血干细胞移植：指从从外周血液中分离得到的造血干细胞进行移植。采集方便；受者免疫功能恢复快；感染出血等并发症低且轻，减少抗生素等用药；肿瘤已经浸润骨髓的供体也可以施行；外周血中肿瘤细胞混入少，移植后复发率低于骨髓移植。,脐带血。无需配型，无排斥反应，移植成功率高。未来将成为器官,克隆的种子。,胚胎干细胞（,Embryonic Stem cell,，,ES,细胞）：胚胎干细胞当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。早在,1970,年,Martin Evans,已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。而人的胚胎干细胞的体外培养直到最近才获得成功。,胚胎干细胞,美国,NIH,关于胚胎干细胞研究的指导原则,允许,、从人胚中获得新细胞系,、使用私人资助、已经获得的来自人胚的细胞系进行研究,、从胎组织中获得新细胞系,禁止,1,、使用来自胎儿组织的细胞系进行研究,2,、用干细胞创建人胚胎的研究,3,、将人胚胎干细胞与动物胚胎结合的研究,4,、使用干细胞进行生殖克隆,5,、来自为研究目的而专门创建的胚胎的干细胞有关研究,布什一直认为，从胚胎中提取干细胞无异于“故意摧毁人类胚胎”，这是他本人“不能跨越的道德底线”。这也代表了美国相当一部分保守人士的观点。布什上台后规定，联邦经费不得用于研究和利用新获得的克隆人类胚胎干细胞。,2009,年,3,月,9,日，美国总统奥巴马在白宫签署行政命令，宣布解除对用联邦政府资金支持胚胎干细胞研究的限制。美国国家卫生研究院（,NIH,）,12,月,2,日宣布，利用私人资金制成的,13,个人类胚胎干细胞系已获准用于该院资助的研究。,奥巴马为何取消美国胚胎干细胞研究限制？,英国纽卡斯尔大学,2009-7-8,发表新闻公报说，该校研究人员已经掌握了通过男性骨髓细胞培育“人造精子”的技术。科研人员利用一种含有视黄酸等物质的培养介质，对含有和两种染色体的男性胚胎干细胞进行培养，并促使其实现完全的减数分裂，最终培养出含有,23,条染色体的试管精子。他们下一步计划是通过女性骨髓细胞来培育“人造精子”。一旦实验成功，最多三五年时间，女性就可以独自繁衍生育后代。不过，由于通过女性干细胞培育出来的“人造精子”缺少,Y,染色体，她们“单性繁衍”的后代将全部是女孩。,人造精子及卵子让同性恋也能有自己的孩子,生物科学,“,里程碑,”,式成果：干细胞无需克隆,山中伸弥研究小组从一名,36,岁女性的脸部提取了科学家称为纤维原细胞的皮肤细胞。詹姆斯,汤姆森实验室的皮肤细胞来自一名新生儿的阴茎包皮。研究人员然后借助逆转录酶病毒为载体，把,4,种基因注入皮肤细胞。这些特定基因能够“重组”皮肤细胞的基因，从而得到特定类型的人体干细胞。这种被称为“直接改造”的技术不仅能避免人体胚胎克隆技术引发的伦理争议，其高效、便利也为进一步医学应用打开了大门。,JohnsHopkins,大学实验室的科学家用人类神经干细胞移植给脊髓受损的小鼠，结果这些干细胞成活，并和其它脊髓细胞产生了一定程度的连接。这一发现彻底推翻了长期以来的一个观念：脊髓无法实现神经修复。,脑和脊髓由于血脑屏障的存在使之在干细胞移植到中枢神经系统后不会产生免疫排斥反应，如：给帕金森氏综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经干细胞，可治愈部分患者症状。,人体皮肤细胞可以改造成类似胚胎干细胞的“万能细胞”。美日研究人员的这一成果，被学界评价为生物科学的“里程碑”，同时意味着胚胎干细胞克隆技术可能退出舞台。,生 物 技 术 与 制 药,尽管利用,DNA,重组技术,在微生物中表达外源蛋白技术已经成熟，但是该系统不能进行,真核蛋白,的加工，而这对于某些蛋白质的,生物活性,却极为重要。,另一方面，大肠杆菌、酵母和哺乳动物细胞,基因工程,表达系统成本高，分离纯化复杂。,利用,转基因动物,生产的药用蛋白具有生物活性，且纯化简单，投资少，成本低，对环境无污染。转基因动物就象天然原料加工厂，只要投入饲料，就能得到人类所需要的药用蛋白。,生物反应器,乳腺生物反应器,乳腺生物反应器成功的关键是转基因动物乳腺特异性表达外源蛋白质基因。,例如，,从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物,tPA,。,再如,：,荷兰人研制的转人乳铁蛋白基因的牛。,乳铁蛋白,能促进婴儿对铁的吸收，提高婴儿的免疫力抵抗消化道疾病感染。,二、,生物技术在农业领域的应用,克隆羊多利,在分子水平，将一个生物体中有用的,目的,DNA,转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的,遗传性状,或表达所需要的,产物,，最终实现该技术的商业价值。,