生物技术与人类健康10-7.ppt

9.生物技术与人类健康9.1 生物技术与疫苗9.1.1 疫苗概述l利用疫苗对人体进行主动免疫是预防传染性疾病的最有效手段之一。l疫苗着的体内建立起对对入侵物质感染的免疫抗性，从而保护疫苗接受者免受相应病原体的感染。l注射或口服疫苗可以激活体内免疫系统，产生相应的抗病原体的抗体。疫苗的种类l第一代疫苗1.定义：是用病原体减毒或弱化的疫苗。2.缺点：在生产和使用中具有不安全性以及对某些传染病使用效果不甚理想。l第二代疫苗1.定义：是将病原体的抗原（某种蛋白）基因克隆在细菌或真核细胞内，利用细菌或细胞生产病原体的抗原。l第三代疫苗1.种类：核酸疫苗、DNA疫苗、基因疫苗。2.优点：兼有基因工程疫苗的安全性和减毒活疫苗激发体强免疫反应的双重性，免疫效果持久、制备简便和省时价廉。9.1.2疫苗系统及疫苗的作用机制非特异性性免疫系统：特异性免疫系统：中枢免疫器官外周免疫器官 各种免疫细胞，分子免疫系统特异性免疫中枢免疫器官外周免疫器官免疫细胞和免疫分子免疫作用原理病毒进入机体病毒进入机体 被机体识别被机体识别 成抗原信息成抗原信息 产生抗体产生抗体 起免疫作用起免疫作用体液免疫和细胞免疫l体液免疫l抗体是免疫应答中的重要产物，具有免疫功能，且主要存在于血液、组织液和外分泌液等体液中l体液免疫主要通过康体育体液中的致病源（细菌、病毒和毒素）结合形成复合物，直接消灭致病源l细胞免疫l抗原进入机体后，通过刺激免疫应答可产生致敏的T淋巴细胞，这些细胞可通过破坏被病原体感染的细胞而杀灭病原体9.1.3病毒性疾病的疫苗病毒性疾病的疫苗乙肝病毒疫苗乙肝病毒疫苗艾滋病病毒疫苗艾滋病病毒疫苗基因工程多价疫苗基因工程多价疫苗其它病毒性疾病疫苗其它病毒性疾病疫苗目前用基因工程生产乙肝疫苗的方法主有两种：目前用基因工程生产乙肝疫苗的方法主有两种：1.将重组将重组NDA导入酵母菌，由酵母菌产生乙肝抗导入酵母菌，由酵母菌产生乙肝抗原而制成的乙肝。原而制成的乙肝。2.将重组将重组DNA导入导入CHO细胞，由细胞，由CHO细胞生产疫细胞生产疫苗。苗。目前目前HIV的疫苗主要有：的疫苗主要有：HIV灭活病毒粒子疫苗灭活病毒粒子疫苗减毒活病疫苗减毒活病疫苗合成肽疫苗合成肽疫苗活载体疫苗和核酸疫苗活载体疫苗和核酸疫苗基因工程多价疫苗基因工程多价疫苗l是指利用基因工程的方法将多种病原体是指利用基因工程的方法将多种病原体的相关抗原融合在一起，产生一种带有的相关抗原融合在一起，产生一种带有多种病原抗体觉得簇的融合蛋白，或将多种病原抗体觉得簇的融合蛋白，或将多种病原体相关抗原克隆在同一个载体多种病原体相关抗原克隆在同一个载体上，达到同时对多种相关疾病进行免疫上，达到同时对多种相关疾病进行免疫的目的。的目的。9.1.4细菌性疾病的疫苗细菌性疾病的疫苗一、霍乱弧菌疫苗二、麻风杆菌疫苗三、幽门螺杆菌疫苗一、霍乱弧菌疫苗一、霍乱弧菌疫苗l霍乱是由霍乱弧菌感染而引起的烈性肠道传染病。l霍乱不是一种侵袭性感染，病菌不进入血液，只是局限在肠道内，但它在肠道内繁殖并释放毒素。l霍乱疫苗接种已有100多年历史，传统疫苗是采用肌肉注射灭活或减毒的霍乱弧菌菌体苗。根据霍乱弧菌致病机制，科学家们利用基因工程技术研制了重组B亚单位疫苗，非常有效！二、麻风杆菌疫苗二、麻风杆菌疫苗l麻风是由麻风分枝杆菌引起的慢性传染病。l1976年，人们在发现了一种可以让麻风杆菌自由增值的动物，使麻风疫苗的研制成为可能。l美国Young和 Whitehead生物医学研究所和麻省理工学院合作，通过了基因工程技术制备的麻风疫苗可以作为抗原。三、幽门螺杆菌疫苗三、幽门螺杆菌疫苗l自从Warren等首次成功分离幽门螺杆菌以来，大量的研究结果证实HP是慢性胃炎和消化道溃肠的主要病原体。lHp疫苗的研究在幽门螺杆菌的预防上具有重要的意义。l幽门螺杆菌的灭活全细胞或经超声波破碎后的无细胞提取物均具有一定的免疫原性。l实验证明，它们都可以作为疫苗保护机体免受hp的攻击。9.1.5 寄生虫病疫苗寄生虫病疫苗一、疟原虫疫苗一、疟原虫疫苗二、血吸虫疫苗二、血吸虫疫苗一、疟原虫疫苗一、疟原虫疫苗1、疟原虫是引起疟疾的一种寄生虫、疟原虫是引起疟疾的一种寄生虫 2、引起人类疾病的疟原虫、引起人类疾病的疟原虫3、疟原虫基因工程疫苗、疟原虫基因工程疫苗恶性疟原虫恶性疟原虫间日疟原虫间日疟原虫三日疟原虫三日疟原虫卵形疟原虫卵形疟原虫抗子孢子疫苗抗子孢子疫苗抗裂殖子疫苗抗裂殖子疫苗抗配子母细胞疫苗抗配子母细胞疫苗二、血吸虫疫苗二、血吸虫疫苗 1、血吸虫是引起血吸虫病的病原体、血吸虫是引起血吸虫病的病原体 2、感染人类的血吸虫、感染人类的血吸虫 3、基因工程疫苗、基因工程疫苗埃及血吸虫埃及血吸虫曼氏血吸虫曼氏血吸虫日本血吸虫日本血吸虫虫体蛋白质虫体蛋白质酶性抗原酶性抗原寄生虫疫苗主要方向寄生虫疫苗主要方向 寄生虫寄生虫DNA疫苗疫苗9.1.6DNA疫苗l DNA疫苗是利用克隆于载体的抗原基因直接注射机体(包括皮下、皮内或肌肉等）、口服、鼻内喷注、鼻内喷雾及阴道接种等方式,被细胞摄取并在细胞内表达相应的抗原,通过不同的途径诱导机体的特异免疫应答。l DNA疫苗的最大有优点是易于制备、便于保存、基因在细胞的持续表达可达到持续免疫的效果并且易于制成多联多价疫苗。然而，DNA是否会整合到染色体上而引起严重的后果，是否会引起免疫病理作用（例如诱发自身抗核抗体），是否会产生免疫耐受等问题仍有待研究与观察。l 在病毒性疾病方面，目前只有艾滋病病毒和乙肝病毒的DNA疫苗处于临床观察阶段，但是丙肝病毒、戊肝病毒、巨细胞病毒、单纯疱疹病毒、登革热病毒、乳头瘤病毒、E-B病毒、麻疹病毒和埃博拉病毒等多种病毒处于研究阶段。l 在细胞性疾病方面,目前有破伤风杆菌、伯氏螺旋体、分支结核杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和肺炎支原体等处于动物研究阶段。l 寄生虫病方面，疟原虫、利什曼原虫、血吸虫和弓行虫等寄生虫的DNA疫苗也已处于研究阶段。9.1.7避孕疫苗一、精子避孕疫苗二、激素类避孕疫苗精子避孕疫苗l原理：利用精子的特异性蛋白 作为抗原，免疫男性或女性，诱发产生相应的中和抗体，达到减少精子的产生或阻断受精过程。作为抗原用的精子特异性蛋白l乳酸脱氢酶C-4lSP-10l顶体蛋白lFA-1lAH-20lPH-20激素类避孕疫苗l原理：以精子和卵子的生产过程、受精过程以及妊娠过程需要的多种激素作为抗原，免疫男性或女性以产生相应的中和抗体，降低机体内相应的激素水平，使得精子或卵子不能产生或不能受精或不能怀孕。进入临床实验的激素有l人绒毛膜促性腺激素(HCG)l促性腺激素释放激素(GnRH)l绵羊促卵泡激素(FSH)9.1.8治疗性疫苗治疗性疫苗：是有别于传统的对传染病有预防作用的疫苗，而具有积极治疗意义的一类新型疫苗。治疗性疫苗特点及其分类l治疗性疫苗的特点：不仅具有预防疾病的作用，而且能够在已感染或已患病的个体激发特异性的免疫应答，清除已经感染的病原体和细胞，达到治疗疾病的目的。l治疗性疫苗根据其激活免疫特性的不同，分为非特异性疫苗和特异性疫苗;特异性疫苗是指增强肌体免疫系统的活性疫苗；特异性疫苗则是指用于治疗某一特定疾病的疫苗。预防性疫苗与治疗性疫苗区别l预防性疫苗：主要针对健康人群，目的是防预，其普遍性、安全性和有效性是非常重要的，因此，靶抗原主要以病原体或其自身的组成成分为主。l治疗性疫苗：针对少数感染或患病个体，目的是治疗，因此，它注重的是个体的病理学特殊性，针对性强，靶位的选择趋于特殊性。9.2.1 ELSA技术与单克隆抗体ELISA技术的原理lELISA技术称为酶联免疫吸附检测技术l原理：将酶与抗体（原）交联形成酶-抗体（原）复合物；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，并根据在一定范围内酶量与颜色呈正相关的关系进行检测。根据颜色的有无以及颜色的深浅可以判断阴性或阳性反应以及反应强度l常用的酶有辣根过氧化物酶（HRP）、碱性磷酸 酯酶等常用的ELISA诊断技术l测定抗体的间接ELISAl通过检测某种病原体的相应抗体来判断机体是否曾经被某种病原体所感染，从而达到检测的效果l测定抗原的双抗体夹心ELISAl病原体及其大分子进入机体后都可能成为一种抗原，通过检测机体的抗原来判断机体是否感染了相应的病原体基因工程抗原l抗原制备是ELISA技术的一个关键问题基因工程抗原：是将抗原基因克隆在细菌或真核细胞表达系统中，由这些表达系统生产大量的抗原多克隆抗体与单克隆抗体l多克隆抗体：一种含有可分别与多个抗原决定簇结合的多种抗体的混合物缺点：特异性较低，产品质量难以控制，生产过程费时、步骤多、成本高l单克隆抗体优点：特异性强、成分均一、灵敏度高、产量大、容易标准化生产等9.2.2 DNA诊断技术 近年来，DNA诊断技术取得飞速的发展，建立了多种多样的检测方法，这些检测方法可以用于遗传性疾病、肿瘤和传染性疾病等多种疾病的诊断。DNA探针杂交技术l核酸的变性是指连接核酸双螺旋的碱基之间的氢键断裂，使双螺旋结构解开，但并不涉及两条链内部核苷酸间磷酸二键的断裂。1.热变性2.酸碱变性l核酸的变性和复性是可逆过程。l基因诊断方法PCR技术 l聚合酶链反应（PCR）技术是一项体外扩增特异DNA片段的技术。l作用：基因工程目的基因的制备、某些疾病的诊断（如遗传性疾病）。PCR-PFLP技术l限制性片段长度多态性（RFLP）是指由于碱基的改变导致DNA上的某一限制性内切核酸酶水解位点增加或减少。l许多遗传性疾病就是由于DNA上碱基的改变引起的。PCR-ASO技术l绝大部分突变只是一些单纯的碱基突变，所以不能用PCR技术或PCR-RFLP技术进行诊断我国的-地中海贫血基因突变。lASO称为等位基因寡核苷酸。DNA聚合酶i Klenow片段标记合成寡核苷酸探针PCR-ELISAl可用于传染性疾病的诊断。l优点：灵敏度更高，避免PCR产物分析时的电泳及染色过程，更为快捷简便。PCR-SSCP技术l聚合酶链反应-DNA单链构型多态性。l原理：李永乐正常的和突变的DNA单链在三维空间构型上的差异，这种差异在电泳时将会有不同的电泳格局。PCR-DGGE技术l是将正常基因和突变基因分别进行PCR扩增，然后将扩增后的两种PCR产物混合后变性再复性。l这种检测方法的灵敏度高于PCR-SSCP。LCR技术lLCR技术称为连接酶链反应。lLCR的整个反应过程类似于PCR，同样在三个温度中循环，即在变性温度下使待测模板DNA变性，在复性温度下模板DNA与引物复性，在连接温度下使两引物连接起来。RFLP-探针杂交技术l利用RFLP技术检测基因突变，除了上述的PCR-RFLP技术以外，还可以利用探针分子来进行检测镰状细胞贫血症。生物芯片技术l生物芯片：指能对生物分子进行快速并行处理和分析的薄型固体器件。l目的：通过生物芯片制作芯片实验系统，实现样品制备、生化反应、结果检测和数据分析的集成。l临床检验方面应用1.在肿瘤诊断中的应用2.在检测病原体中的应用3.在分子遗传疾病诊断中的应用地中海贫血9.3.1抗生素及其他天然药物 抗生素的发现l1928年Fleming发现一种被称为点青霉（Penicillium）的真菌能产生一种被成为青霉素的物质。这种物质可以抑制许多细菌的生长。迄今，人们已经发现了数万种具有抗生活性的天然物质。估计今后每年还会有100200种新的抗生素被发现。全世界每年抗生素的产量超过10万吨，产值约100亿美元。抗生素的利用 l目前，广泛应用的抗生素主要由放线菌产生，特别是链霉菌属（Streptomyces）的放线菌，少数来自真菌、细菌、动物或植物。l另一方面，由于抗生素的滥用，已使许多细菌产生了抗药性。例如，由淋球菌引起的淋病对青霉素的抗药性已在几十个国家出现，并且这种与细菌抗药性有关的基因是位于细菌的R质粒上，这种质粒 可以在细菌之间转移扩散，使抗药性更容易在细菌之间传播。许多曾严重威胁人类健康相关病菌的抗药性不断增强，已具有卷土重来，严重威胁人类健康的趋势。人类的努力 l寻找新的抗生素。目前使用的抗生素主要是由陆地上的生物产生的，海洋作为人类资源的宝库将是寻找新抗生素的巨大资源库。l半合成新抗生素。现在已发现的抗生素有数万种，但临床上常用的只有约100种。l提高抗生素的产量。利用重组DNA技术，可以达到提高抗生素的产量和生产效率的目的。其他天然药物 l人参由于疗效显著、天然资源少且生长速度慢，所以价格昂贵。人们试图寻找其他途径产生人参的有效成分人参皂甙。l 紫草是多年生植物，其宿根为重要的中药。是治疗创伤烧伤和痔疮的有效药物。l 紫杉醇是近年来发现的重要抗癌药物，能有效的治疗卵巢癌、乳腺癌等癌症。l利用生物技术生产或处于研究阶段的还有：强心苷、阿吗碱、利血平、皂甙元、胆固醇、人参二醇、人参三醇、胡萝卜素和维生素C等9.3.2基因工程药物1.利用基因工程制药的优点。利用基因工程制药的优点。2.生物反应器的优势。生物反应器的优势。利用基因工程生产蛋白质药物，经历利用基因工程生产蛋白质药物，经历了三个发展阶段了三个发展阶段l第一阶段，将人的基因转入细菌细胞。第二阶段，将人第一阶段，将人的基因转入细菌细胞。第二阶段，将人的基因转入小鼠等动物的细胞。这两个阶段都是进行细的基因转入小鼠等动物的细胞。这两个阶段都是进行细胞培养，提取药物。第三阶段，将人的基因转入活的动胞培养，提取药物。第三阶段，将人的基因转入活的动物体，饲养这些动物，从乳汁或尿液中提取药物。物体，饲养这些动物，从乳汁或尿液中提取药物。l（1）将人的基因转入异种生物的细胞或个体内，）将人的基因转入异种生物的细胞或个体内，能够产生药物蛋白的能够产生药物蛋白的原理是基因能控制蛋白质的合成原理是基因能控制蛋白质的合成。l（2）人的基因能和异种生物的基因拼接在一起，）人的基因能和异种生物的基因拼接在一起，是因为它们的分子都具有是因为它们的分子都具有双螺旋结构，都是由四种脱氧双螺旋结构，都是由四种脱氧核苷酸构成核苷酸构成，基因中，基因中碱基配对的规律都是一致的碱基配对的规律都是一致的。l（3）利用转基因牛、羊乳汁提取药物工艺简单，）利用转基因牛、羊乳汁提取药物工艺简单，甚至可直接饮用治病。如果将药物蛋白基因移到动物如甚至可直接饮用治病。如果将药物蛋白基因移到动物如牛、羊的膀胱上皮细胞中，利用转基因牛、羊尿液生产牛、羊的膀胱上皮细胞中，利用转基因牛、羊尿液生产提取药物比乳汁提取药物的提取药物比乳汁提取药物的更大优越性更大优越性在于：处于在于：处于不同不同发育时期的雌、雄发育时期的雌、雄 动物都可生产药物动物都可生产药物 9.3.3 治疗性抗体l抗体还可以用于疾病的治疗。治疗性抗体可以说是生物技术产业中最成功的典范之一，主要用于移植排斥，肿瘤及一些自身免疫性疾病的治疗。人源化抗体成为了抗体制剂开发的主流，约占抗体制剂总数的80%。l国际上抗体药物的发展如火如荼，但我国抗体药物的研发却举步维艰，治疗用抗体只有少数进入临床试验。l治疗用抗体的人源化是国际上治疗用抗体的发展方向，但目前我国的人源化抗体还处于研究的起步阶段。9.4.2干细胞的利用干细胞生物发展历程干细胞生物发展历程：l1998年年12月，月，science杂志报道美国科学杂志报道美国科学院成功地在体外培养和扩增了人体胚胎干院成功地在体外培养和扩增了人体胚胎干细胞，为利用干细胞治疗疾病提供细胞来细胞，为利用干细胞治疗疾病提供细胞来源。源。l 1999年年12月，美国科学家发现小鼠月，美国科学家发现小鼠肌肉组织的成体干细胞可以肌肉组织的成体干细胞可以“横向分化横向分化”为血液细胞，这一发现立即被世界各地的为血液细胞，这一发现立即被世界各地的科学家证实，并且发现人类成体干细胞同科学家证实，并且发现人类成体干细胞同样具有样具有“横向分化横向分化”的功能。的功能。干细胞的利用干细胞生物工程治疗疾病的优势干细胞生物工程治疗疾病的优势：理论上，可以治疗理论上，可以治疗几乎所有几乎所有疾病，如癌症，心疾病，如癌症，心肌坏死性疾病，自身免疫病和神经退行性疾病肌坏死性疾病，自身免疫病和神经退行性疾病等。等。如果与基因治疗相结合，还可以治疗众多如果与基因治疗相结合，还可以治疗众多遗传性疾病。遗传性疾病。胚胎干细胞应用的限制性条件：从理论上讲，胚胎肝细胞可以分化成各种组从理论上讲，胚胎肝细胞可以分化成各种组织细胞，形成各种器官。然而，从胚胎干细织细胞，形成各种器官。然而，从胚胎干细胞向不同组织细胞胞向不同组织细胞“定向分化定向分化”的条件还不的条件还不清楚，从而限制了胚胎干细胞的临床应用。清楚，从而限制了胚胎干细胞的临床应用。l干细胞干细胞研究的研究的主要问题之一主要问题之一就是：就是：弄清胚胎干细胞发育的调控机制，从弄清胚胎干细胞发育的调控机制，从而在体外培养扩增胚胎干细胞。而在体外培养扩增胚胎干细胞。因此干细胞的利用除了胚胎干细胞，科学家发现人体几乎所有的组织都存在“成体干细胞”。成体干细胞已经有相当程度的分化，如果不受外加条件的影响，一种组织的成体干细胞倾向于分化成该组织的各种细胞。干细胞研究的热点之一就是建立和发展分离成体干细胞的更有效的方法和手段干细胞研究的现状：干细胞研究的现状：总体上讲，干细胞研究还处于起步阶段，其成总体上讲，干细胞研究还处于起步阶段，其成为研究热点还只是近几年的事，奥目前为止人为研究热点还只是近几年的事，奥目前为止人们已经能分离和培养干细胞，但要诱导胚胎干们已经能分离和培养干细胞，但要诱导胚胎干细胞的定向分化还是一件很困难的事。不过这细胞的定向分化还是一件很困难的事。不过这项研究所蕴含的巨大商机确实令人心动。项研究所蕴含的巨大商机确实令人心动。美国目前有美国目前有40余家风险企业在从事这一新技术的研究。余家风险企业在从事这一新技术的研究。其中一些公司已把它推向商业化阶段据有关机构预测，其中一些公司已把它推向商业化阶段据有关机构预测，干细胞医疗的潜在市场大约为干细胞医疗的潜在市场大约为800亿美元，如果将药物亿美元，如果将药物等有关的产业计算在内，等有关的产业计算在内，2020年前后的全球市场规模可年前后的全球市场规模可达达4000亿美元。亿美元。9.5.2HGP的任务的任务HGP的主要任务是人类的DNA测序，即人类生殖细胞所包含的全部染色体。（大约有5万10万个基因，由3.2x个碱基对组成）HGP的最终任务是要破的最终任务是要破译人体遗传物质译人体遗传物质DNA分分子所携带的全部遗传信子所携带的全部遗传信息。息。完成后将得到四张图谱，物理图、遗传图、序列图和转录图（如右示）。HGP的终极目标:应该阐明人类全部基因的位置、功能、结构、表达调控方式以及致病有关的变异，从而服务于人类。9.5.3 HGP的研究进展l取得成果l1）人类基因组有31.6亿个核苷酸l2）基因在染色体上的分布情况l3）人与人之间有99.9的基因密码相同l4）重复序列的重要性9.5.5 基因资源的保护l基因争夺战的开端国际基因组计划与Celera公司之间的争夺l发展中国家与发达国家之间l促发争夺战的原因l我国的优势9.5.6 我国的HGP计划l94年启动，由国家科学基金会、863计划、973计划共同资助。10多年来，建立了全国性的遗传资源网，建立了一整套包括遗传和物理作图，大规模DNA测序等。l1999年加入国际基因组计划，2000年4月完工l2002年美国杂志报道我国已独立完成水稻基因组计划谢谢