生物化学和分子生物学在医学院实验室中的重要性及应用前景.pdf

化工教学化 工 设 计 通 讯Chemical TeachingChemical Engineering Design Communications132 第49卷第7期2023年7月生物化学和分子生物学是研究生命现象及其分子基础的两个重要分支。生物化学主要研究生物体内的化学反应和代谢途径，探究生命现象的化学基础；而分子生物学则更加关注生物分子的结构、功能和相互作用，揭示生命现象的分子基础。这两个学科的研究成果不仅对基础科学领域具有重要意义，同时也对医学领域有深远的影响。因此，生物化学和分子生物学在医学院实验室中的应用越来越广泛。在疾病的诊断和治疗中，生物化学和分子生物学技术已经成为不可或缺的工具1-2。此外，生物化学和分子生物学还可以帮助医学界更深入地了解人体的生命过程，加深对疾病机理的认识。本文主要探讨生物化学和分子生物学在医学院实验室中的重要性，并介绍其在医学中的应用案例。同时，还将展望生物化学和分子生物学在医学中的应用前景，为生物化学和分子生物学在医学领域的研究提供参考。1 生物化学在医学院实验室中的重要性1.1 生物化学概述生物化学是研究生物体内化学反应和代谢途径的学科，是生命科学的重要分支。生物体内的所有生化过程都涉及各种生物分子之间的相互作用和转化，如蛋白质、核酸、碳水化合物和脂质等。生物化学研究的主要内容包括生物分子的结构、功能和相互作用，以及他们在生命过程中的调节机制。1.2 生物化学在医学中的应用生物化学在医学中的应用非常广泛，可以帮助医学界更深入地了解生命过程和疾病机理，为疾病的预防、诊断和治疗提供有效的手段。（1）临床诊断。生物化学可以帮助医生快速诊断各种疾病。例如，通过检测血液中的生化指标，可以诊断糖尿病、高血压、心血管疾病等。此外，生物化学还可以通过检测血清中的肝酶、胆固醇和胆红素等指标来判断肝脏功能的损害程度和治疗效果。（2）药物研发。生物化学可以帮助药物研发人员了解药物的分子结构和作用机制。例如，通过研究药物与受体之间的相互作用，可以确定药物的结构和作用方式，从而设计更加有效的药物。（3）基因诊断。生物化学技术可以帮助医生进行基因诊断。例如，PCR 技术可以帮助医生检测某些基因的变异，从而预测个体患某种疾病的风险。（4）蛋白质研究。蛋白质是生物体内最为重要的分子之一，参与了众多生命过程。生物化学技术可以帮助研究者深入了解蛋白质的结构和功能。例如，X射线晶体学技术可以帮助研究者确定蛋白质的三维结摘要：探讨了生物化学和分子生物学在医学院实验室中的重要性及应用前景，着重阐述了生物化学和分子生物学在医学中的应用，如基因工程和基因疗法、蛋白质工程和蛋白质药物开发、分子诊断和分子标记等，还展望了生物化学和分子生物学在个性化医学、精准医疗、新型药物研发等领域的应用前景，并指出未来研究可以在探索更多新技术和新方法的基础上，为推动医学领域的发展作出更大的贡献。关键词：生物化学；分子生物学；医学中图分类号：R-4；G649.2文献标志码：A文章编号：10036490（2023）07013204 Importance and Application Prospects of Biochemistry and Molecular Biology in Medical College LaboratoriesYao Bu-yueAbstract:This article explores the importance and application prospects of biochemistry and molecular biology in medical laboratory research,focusing on the applications of biochemistry and molecular biology in medicine,such as gene engineering and gene therapy,protein engineering and protein drug development,molecular diagnosis and molecular markers.At the same time,this article also looks forward to the application prospects of biochemistry and molecular biology in personalized medicine,precision medicine,new drug research and development,and points out thatfutureresearchcanmakegreatercontributionstopromotingthedevelopmentofthemedicalfieldonthebasisofexploring more new technologies and methods.Keywords:biochemistry;molecular biology;medical science生物化学和分子生物学在医学院实验室中的重要性及应用前景姚步月（山西医科大学汾阳学院，山西汾阳 032200）收稿日期：20230409作者简介：姚步月（1979），女，山西汾阳人，实验师，主要研究方向为生物化学和分子生物学。化工教学化 工 设 计 通 讯Chemical TeachingChemical Engineering Design Communications 133第49卷第7期2023年7月构，从而了解其作用机制。（5）代谢研究。代谢是生命过程中基本的过程之一，与疾病的发生和发展密切相关。生物化学技术可以帮助研究者深入了解代谢途径，从而为疾病的预防、诊断和治疗提供支持。1.3 实验室中生物化学技术的应用实验室中的生物化学技术在医学领域中应用非常广泛。（1）酶学分析。酶学分析可帮助研究者了解酶的特性及其在生物体内的作用。在医学中，酶学分析可以用于检测肝脏功能、心肌损伤、肿瘤标志物等指标。（2）分子生物学技术。分子生物学技术可以帮助研究者研究基因、蛋白质、RNA 等分子的结构和功能。在医学中，PCR 技术可以用于检测基因突变，Western blot 技术可以用于检测蛋白质表达水平，RNAi 技术可以用于研究基因的表达和功能。（3）质谱分析。可以帮助研究者分析样品中的化合物及其含量。在医学中，质谱分析可以用于检测血液中的药物浓度、代谢产物等指标。（4）免疫学技术。可以帮助研究者检测特定蛋白质、抗体等生物分子。在医学中，ELISA 技术可以用于检测血液中的肿瘤标志物、HIV 抗体等指标。（5）X 射线晶体学技术可以帮助研究者确定蛋白质的三维结构。在医学中，这项技术可以用于研究药物与蛋白质的相互作用，从而指导药物设计。（6）蛋白质纯化技术。可以帮助研究者从复杂的生物体系中提取纯净的蛋白质。在医学中，这项技术可以用于研究特定蛋白质的结构和功能。2 分子生物学在医学院实验室中的重要性2.1 分子生物学概述分子生物学是研究生命体系分子结构和功能的科学。其主要关注生命分子（如 DNA、RNA、蛋白质等）的组成、结构、功能和调控。分子生物学的研究成果对生物医学、生物工程和其他生命科学领域都有广泛的应用。2.2 分子生物学在医学中的应用（1）基因检测。分子生物学技术可以用于基因检测，帮助研究者发现基因变异、突变和缺陷等与疾病相关的问题。这些信息可以用于诊断和治疗遗传性疾病，如囊性纤维化、遗传性癌症等。（2）基因治疗。分子生物学技术可以用于基因治疗，即通过改变某些基因的表达来治疗疾病。这种治疗方式已经用于治疗一些遗传性疾病，如严重联合免疫缺陷病。（3）细胞生物学。分子生物学技术可以用于研究细胞的分子结构和功能，如蛋白质合成、代谢、分裂等。这些研究对于理解细胞分裂、增殖及细胞对环境的应答机制都有重要作用。这些研究可以为癌症等疾病的治疗提供新思路和新靶点。（4）分子诊断。分子生物学技术可以用于分子诊断，如利用 PCR 技术检测病原体核酸、利用 Western blot 技术检测血液中的特定蛋白质水平等。2.3 实验室中分子生物学技术的应用（1）PCR 技术。可以用于扩增 DNA 序列，从而帮助研究者分离和分析 DNA 序列。这种技术在医学领域中广泛应用，如用于检测肿瘤标志物、病原体核酸等。（2）Western blot 技术。可以用于检测特定蛋白质的表达水平和水平变化，可以帮助研究者确定蛋白质的表达水平以及与疾病相关的蛋白质。（3）基因克隆技术。可以用于分离和克隆 DNA序列，以便进行后续的分子生物学研究和应用。这种技术在医学研究中广泛应用，如用于研究病原体的致病机制、基因治疗等。（4）基因编辑技术。可以用于改变基因的序列，从而改变蛋白质的表达或者功能。这种技术可以用于治疗一些遗传性疾病，如严重联合免疫缺陷病。（5）蛋白质纯化技术。可以用于分离和纯化蛋白质，以便进行后续的分子生物学研究和应用。这种技术在医学研究中广泛应用，如用于研究蛋白质结构和功能、蛋白质-蛋白质相互作用等。3 生物化学和分子生物学在医学中的应用案例3.1 基因工程和基因疗法从表1可以看到，基因工程和基因疗法在不同的医学领域中广泛应用。例如，基因治疗严重联合免疫缺陷病（SCID）的主要基因是 IL2RG，该基因编码一种细胞表面受体，负责调节免疫系统的功能。通过基因治疗，可以向患者注入健康的 IL2RG 基因，帮助恢复免疫系统的正常功能。表1 基因工程和基因疗法在医学中的应用案例应用案例相关基因相关疾病基因治疗 SCIDIL2RG严重联合免疫缺陷病（SCID）基因治疗肌萎缩侧索硬化症SOD1、C9orf72、FUS 等肌萎缩侧索硬化症（ALS）基因修饰CRISPR 技术CFTR、-globin 等囊性纤维化（CF）、地中海贫血等基因治疗疫苗SARS-CoV-2 Spike 蛋白等新型冠状病毒疫苗基因诊断疾病BRCA1、BRCA2、TP53 等乳腺癌、卵巢癌、Li-Fraumeni 综合征等另外，基因诊断技术也在临床实践中得到了广泛应用。例如，BRCA1、BRCA2、TP53等基因与乳腺癌、卵巢癌和 Li-Fraumeni 综合征等遗传性疾病密切相关。利用基因诊断技术可以检测这些基因的突变状态，帮助早期发现高风险人群，采取相应的预防和治疗措施。总之，基因工程和基因疗法是医学领域中重要的研究领域，可以为疾病的治疗和诊断提供新的手段和化工教学化 工 设 计 通 讯Chemical TeachingChemical Engineering Design Communications134 第49卷第7期2023年7月思路。3.2 蛋白质工程和蛋白质药物开发表2中数据来自2018年的财报，显示了几种蛋白质药物在医学中的广泛应用和巨大市场。此外，蛋白质工程技术的发展也推动了药物研发的进步。例如，通过改变蛋白质的结构和功能，可以开发出更具选择性和效力的药物。近年来，蛋白质工程技术已被广泛应用于癌症、神经系统疾病、心血管疾病和代谢性疾病等领域的药物研发中。表2 几种蛋白质药物在医学中的应用药物名称适应症开发公司 年度销售额（亿美元）Humira风湿性关节炎、克罗恩病等AbbVie196.8Enbrel风湿性关节炎、银屑病等Amgen/Pfizer11.7Remicade风湿性关节炎、克罗恩病等Janssen10.4Rituxan非霍奇金淋巴瘤、风湿性关节炎等Roche7.33.3 分子诊断和分子标记数据仅列出了一部分分子标记技术在医学领域的应用范围和应用举例。随着技术的不断发展和完善，分子标记技术的应用领域也在不断扩展，如表3所示。表3 部分分子标记技术在医学领域的应用分子标记技术应用领域应用举例PCR病原体检测、基因突变检测等COVID-19检测FISH染色体异常检测、癌症分子分型等 癌症诊断ELISA蛋白质检测、肿瘤标记物检测等血清 AFP检测另外，分子诊断技术也是医学领域的重要应用方向之一。例如，PCR 技术可以用于检测基因突变和病原体感染；基因芯片技术可以用于癌症基因分型和个性化治疗等。这些技术的不断创新和进步，为医学诊断带来了更加精准和高效的手段，同时也为临床治疗提供了更好地依据和决策参考。综上所述，分子诊断和分子标记技术在医学领域中的应用具有广泛的前景和潜力。4 生物化学和分子生物学在医学中的应用前景4.1 个性化医学个性化医学是医学领域的重要发展方向之一。生物化学和分子生物学技术在个性化医学中的应用，可以实现对每个患者的基因、蛋白质和代谢物等进行全面分析和评估，从而实现个性化治疗和健康管理。例如，通过基因检测可以预测某些疾病的风险，通过代谢组学可以评估某些药物的代谢情况，从而为患者提供更为个性化的治疗方案，如表4所示3。表4 个性化医学相关数据基因检测项目检测内容检测对象检测价格（元）遗传性疾病基因检测遗传性疾病相关基因突变检测个人或家庭5 00020 000肿瘤基因检测肿瘤相关基因变异检测癌症患者或高风险人群10 00050 000药物代谢能力检测药物代谢相关基因检测个人1 0005 000基因组测序个体基因组全序列测序个人10 00020 000通过表4可以看出，目前个性化医学在基因检测项目方面已经具备了一定的成熟度，并且价格逐渐趋于合理化，未来在基于基因信息进行个性化治疗方面也有着广阔的应用前景。4.2 精准医疗精准医疗是指基于患者个体特征和病理特点，针对性地进行治疗和管理。生物化学和分子生物学技术在精准医疗中具有重要的应用价值，可以实现对患者基因、蛋白质、代谢物等多维信息的全面评估和分析，从而实现针对性的治疗和管理4。例如，通过基因测序可以预测某些药物的疗效和毒副作用，从而避免不必要的药物治疗；通过代谢组学可以评估患者对某些药物的代谢情况，从而实现个体化的用药管理，如表5所示。表5 精准医疗发展趋势医疗领域临床应用临床效果成本癌症基于肿瘤分子标志物的诊断和治疗方案制定明显提高患者生存率和生活质量高昂微生物学基于微生物组学的诊断和治疗显著提高治愈率 逐渐下降遗传学基于遗传学的疾病预防和治疗防治效果良好逐渐下降营养学基于个体营养代谢特征的膳食干预显著提高身体健康水平逐渐下降通过以上数据可以看出，精准医疗在癌症领域已经开始实现了比较显著的临床效果，虽然成本较高，但其效果明显，逐渐被越来越多的医疗机构采用。而在微生物学、遗传学和营养学等领域，精准医疗也在逐步探索中，未来也有着广阔的应用前景。4.3 新型药物研发生物化学和分子生物学技术在新型药物研发中具有重要的应用价值，可以实现对药物分子结构和作用机制的深入研究和理解，从而为药物研发提供更为精准的方向和指导。例如，蛋白质工程技术可以实现对蛋白质结构和功能的改造和优化，从而开发出更为高效和安全的药物；分子模拟技术可以预测药物与受体之间的相互作用，从而为药物研发提供更为准确的模化工教学化 工 设 计 通 讯Chemical TeachingChemical Engineering Design Communications 135第49卷第7期2023年7月拟和预测。5 结束语通过对生物化学和分子生物学在医学领域的重要性及应用前景的研究，发现它们在医学中具有广泛的应用前景，尤其是在个性化医学、精准医疗、新型药物研发等领域具有重要作用。在未来，生物化学和分子生物学在医学中的应用将更加广泛和深入。随着技术的不断进步，生物化学和分子生物学将成为医学领域中不可或缺的重要工具，有望为人类健康事业带来更多的突破和进展。因此，未来的研究可以在探索更多的新技术、新方法的基础上，进一步发掘生物化学和分子生物学在医学中的应用价值，为推动医学领域的发展作出更大的贡献。参考文献1 陆化璇.浅谈基因工程在医学上的应用 J.生物技术世界,2016,13(3):305.2 祁延萍,朱晋,张凯,等.定向进化在蛋白质工程中的应用研究进展 J.合成生物学,2022,3(6):1081-1108.3 刘傲,魏文竹,王秋毓,等.基因检测与个性化医疗的进展 J.智慧健康,2017,3(24):53-55.4 侯英勇,钱梦佳,程韵枫,等.基因检测在精准医疗中的应用与管理 J.中国临床医学,2022,29(1):7-10.（上接第125页）询或电子邮件等方式，基本可以实现与“实时讲课、随时答疑”的教学效果相当。5 课程考核方式形式多样，知识点考核与实践应用结合西安石油大学留学生课程“油气田地质学”是一门专业考查课，因此可采取考试及考查（大作业、学习报告等形式）两种方式进行期末考核，最终考试成绩包含平时成绩（占30%）及期末成绩（占70%）两部分。其中，平时成绩的考核包括上课情况、与教师互动情况以及课后作业完成情况；期末成绩为试卷答题成绩（考试方式）或大作业/报告（考查方式）的得分情况。在学生无法返校的情况下也可采用线上考试的考核方式。一种方式是将试卷扫描后直接在线发给学生，要求学生笔答后拍照发回给任课教师，考试期间任课教师采取在线视频会议的方式进行监考；一种方式是在“学习通”软件中上传考试内容，学生直接在软件中作答，软件中自带监考功能，可实现在线视频监考。课程考试的试题内容需符合教学大纲的要求，基本能够涵盖所有章节中要求学生掌握的基础知识和重、难点内容，无超纲现象。试卷题型需符合本课程特点，采取选择题、判断题、名词解释题和问答题等方式，试卷结构设计要合理，各题型比例力求平衡，题量丰富，分值分布合理，无命题错误，难度适宜。在考核中加强识图题、作图题及综合分析题的比例，在考核知识点的同时加强实践应用，突出课程实践性的特点。考查方式可以通过大作业或学习报告的形式，由于“油气田地质学”课程内容实践性非常强，与油气田生产密切相关，因此可通过实例分析考查学生理论联系实际的能力，加强学生动手能力和对知识的灵活掌握能力。在学生完成大作业或学习报告的过程中，鼓励学生查阅相关科技文献，掌握油气田生产新动态，与时俱进。6 结束语“油气田地质学”英文授课对于授课教师来说是件非常艰巨和困难的教学任务，不仅要求授课教师具备充实的专业知识背景、较强的专业素质、较高的英文水平、较好的专业英语能力，还要求授课老师能够将这些难懂生涩的专业知识很好地传授给学生，老师及学生均需要利用各自非母语的英语进行交流，该课程的学习需要授课教师及学生的共同努力才能达到一个较好的教学效果。参考文献1 吴胜和,徐怀民,吴欣松,等.“油矿地质学”课程建设与改革 J.中国地质教育,2010,19(1):32-35.2 国景星.“油气田地下地质学”课程设计的实践与探索J.中国地质教育,2010,19(2):48-52.3 国景星,李红南,张立强.以能力培养为导向的多元化考试改革探索与实践 以“油气田地下地质学”考试改革为例 J.中国地质教育,2017,26(2):39-42.4 国景星,李红南,张立强,等.OBE 理念下“油气田地下地质学”课程教学设计与实践 J.中国地质教育,2019,28(2):39-44.5 宁焕生,张畅,姚琳.面向“一带一路”留学生培养的国际化平台建设 J.计算机教育,2021(6):133-136.6 曹强,叶加仁.对来华留学生地质类课程课内实习教学的思考 J.中国地质教育,2011,20(3):45-48.7 刘妮娜,李俊.基于网络教学的国际学生课程探索 J.中国地质教育,2020,29(3):48-51.