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药学的突破——基因工程
周嘉旺 药学院 1213035
摘要：步入21世纪,药学进入一个蓬勃发展的飞速时期。从过去的随机、逐个、多步骤的液相合成发展到计算机辅助设计、定向一步固相合成药物的组合化学阶段，大大提高了新药研究的速度和命中几率。而其中利用生物技术从基因水平上研究与开发药物成果斐然，俨然成为药物发展的重大突破。本文主要介绍基因工程的大致原理、在药学方面的发展以及未来的发展前景。
关键词：现代药学；生物制药；基因工程
The Breakthrough of pharmacy-- genetic engineering
Zhou Jiawang College of Pharmacy 1213035
Abstract: Into the 21st century, the pharmacy came into a booming period of rapid. From the past, random, one by one and multi-step liquid phase synthesis developed to computer-aided design, directional step Solid-phase combinatorial chemistry of synthetic drugs, drug research greatly improved the speed and hit chance. Which the use of biotechnology research and development of drugs from the gene level with impressive results, has become a major breakthrough in drug development. This paper describes the general principles of genetic engineering，in the development of pharmacy as well as the future of genetic engineering .
Keywords: Pharmacy; biopharmaceuticals; genetic engineering
现代药学的发展大致可以分为四个阶段：第一阶段，从古代到十九世纪末，天然药物时期；第二阶段，十九世纪末，化学合成药物时期；第三阶段，二十世纪40到60年代，生物化学药物时期；第四阶段，二十世纪70年代以来，生物药学时期。（需要重点提出的是第三阶段生物化学药物指的是利用化学方法分离出人体内的活性物质，例如激素、维生素等等，并非利用生物技术合成药物。）随着天然药物、化学合成药物、生物化学药物一一登上药学的舞台，并都取得了重大的突破，为人类的健康提供了强有力的保障，所以我们可以相信生物药物将掀起一场现代药学的重大改革，而基因工程则俨然会成为药学的突破点。
二十世纪70年代中期，DNA分子的体外切割与连接技术和DNA分子的核酸序列分析技术的问世，DNA的结构分析问题从根本上得到解决，从而开启了基因工程的神奇大门。
所谓的基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其他载体分子，构成遗传物质的新组合，并使之加入到原来没有这类分子的寄主细胞内，而能持续稳定的繁殖，并通过工程化为人类提供有用的产品及服务的技术。
通俗的讲，基因工程即实现了体外人工DNA的重组，并工程化生产，一定程度上意味着我们可以人为地改造生物体的遗传性状。比如，本来大肠杆菌是无法合成胰岛素的，但是通过基因工程技术，我们只要将哺乳动物中能够合成胰岛素的基因整合到大肠杆菌中，大肠杆菌就能够合成胰岛素，并且这种性状是可以遗传的。大肠杆菌的繁殖速度惊人，每20分钟就可以繁殖一代。因此，将重组后的大肠杆菌放入一个大型发酵罐中，我们就可以培养大量的大肠杆菌，同时也可以从中提纯丰富的胰岛素。
接下来简单介绍基因工程的方法和步骤。
简单的概括起来，我们把基因工程过程分为四个步骤：（1）、获取目的基因；（2）、构建含有目的基因的表达载体；（3）、将含有目的基因的表达载体导入受体细胞；（4）、目的基因的表达及鉴定。
1获取目的基因
根据需要，待分离的目的基因不同，所以获取目的基因的方法有很多。现在采用的方法主要有酶切直接分离法、PCR扩增化、化学合成法、构建基因组文库或cDNA文库分离法等等。
2.构建含有目的基因的表达载体
基因表达载体的必备部分有启动子、终止子、目的基因、标记基因、复制原点以及限制性核酸内切酶的特异性切割位点等。必须满足：①具有能使外源DNA片段组入的克隆位点；②能携带外源DNA进入受体细胞，或游离在细胞质中进行自我复制，或整合到染色体DNA上随染色体DNA的复制而复制；③必须具有选择标记,在承载外源DNA的载体进入受体细胞后，以便筛选阳性克隆。目前已构建运用的基因克隆载体主要有质粒载体、噬菌体载体。病毒载体三大类。
3. 将含有目的基因的表达载体导入受体细胞
根据选用的载体系统和受体细胞类型而采用具体的导入方法。主要的方法有化合物诱导转化法（对微生物受体细胞的常用方法）、农杆菌转化法（双子叶植物的常用方法）、显微注射法（对动植物可用）、花粉管通道法（单子叶植物常用）、基因枪法（植物）等等。
4．目的基因的表达和鉴定
利用含有目的基因的表达载体上的标记基因可初步筛选出含有表达载体的受体细胞。接着可依次用DNA分子杂交、DNA-RNA分子杂交、抗原-抗体杂交来判断目的基因是否在受体细胞中表达。限制性内切酶分析、PCR扩增和DNA测序等等方法也大量用于目的基因表达的鉴定。
接下来介绍的是基因工程在医药科学的应用。
目前基因工程技术最成功的成就的就是用于新型生物药物的研制。虽然一些内源生理活性物质作为药物已经很多年，例如治疗糖尿病的胰岛素，治疗侏儒的人生长激素等等，但是许多在疾病诊断、预防和治疗中有重要价值的内源生理活性物质（如激素、细胞因子、神经多肽、调节蛋白、酶类、凝血因子等人体活性多肽）以及某些疫苗，由于材料来源困难或制造技术问题而无法研制出产品而付诸运用。即使运用传统技术从动物脏器中提取出来，也因来源困难而供不应求。另还由于免疫等缘故，使他们在使用上受到限制。此外，在提取过程中难免有病毒感染，还可能会对病人造成严重后果。然而运用基因工程技术就可以从根本上解决问题。
自20世纪70年代基因工程诞生以来，最先运用基因工程技术并且目前最为活跃的研究领域就是医药科学。基因工程技术的迅猛发展使人们已经能够十分方便有效的生产许多以往难以大量获取的生物活性物质，甚至可以创造出自然界中不存在的全新物质。1982年第一个基因重组产品——人胰岛素在美国的问世，吸引和鼓励了大批的科学家利用基因工程技术研制新药品，迄今累计已有近50中基因工程药物投入市场，产生了巨大的社会效益和经济效益。
基因工程技术的运用使得人们在解决绝症、病毒性疾病、心脑血管疾病和内分泌疾病等问题中取得明显效果，它为上述疾病的预防、治疗和诊断提供了新型疫苗、新型药物和新型诊断试剂。这些药物和制剂用传统方法很难生产，主要是药用活性蛋白和多肽类，包括：①免疫性蛋白，如各种抗原和单克隆抗体；②细胞因子，如各种干扰素、白细胞介素、集落刺激生长因子、表面生长因子、凝血因子；③激素，如胰岛素、生长激素；④酶类，如尿激酶、链激酶、葡激酶、组造型纤维蛋白溶酶原激活剂、超氧化物歧化酶等。
可用于医药目的的蛋白质或活性多肽都是由相应的基因合成的，而基因工程技术的最大好处就在于它有能力从极端复杂的机体细胞中取出所需要的基因，将其在体外进行剪切复制、重新组合，然后转入适合的细胞内进行表达，从而生产出比原来多数百倍、数千倍的相应蛋白质。所以利用基因工程技术生产药品的优点在于：①利用基因工程技术可以大量生产过去难以获得的生理活性蛋白和多肽（如胰岛素、干扰素、细胞因子等），为临床使用提供有效的保障；②可以提供足够数量的生理活性物质，以便对其生理、生化和结构进入深入的研究，从而扩大这些物质的应用范围；③利用基因工程技术作为药物的使用时存在的不足之处，可以通过基因工程和蛋白质工程进行改造和去除。如白细胞介素-2的第125位半胱氨酸是游离的，有可能引起-S-S-键的错配而导致活性下降，如果把此半胱氨酸改成丝氨酸或丙氨酸，白细胞介素-2的活性以及热稳定性均有提高；④利用基因工程技术可获得新型化合物，扩大药物筛选的来源。
基因工程技术对药物的研发发展迅猛异常、日新月异。接下来简单介绍基因药物。
基因药物主要为以下几个系列：
（1）干扰素系列 干扰素是一类具有广谱抗病毒活性的蛋白质，仅在同种细胞上可发挥作用。根据其来源、理化及生物学性质的不同，可分为干扰素-α、干扰素-β、干扰素-γ 3种干扰素。干扰素具有很强的生物活性，主要表现在：
①抗病毒作用 目前慢性丙型肝炎的治疗以干扰素-α为首选。
②抗肿瘤作用。
③免疫调节作用。
（2）白介素系列 白细胞介素是非常重要的细胞因子家族，现在得到承认的成员已达15个；它们在免疫细胞的成熟、活化、增殖和免疫调节等一系列过程中均发挥重要作用，此外它们还参与机体的多种生理及病理反应。
（3）集落刺激因子类药物 一些细胞因子可刺激不同的造血干细胞在半固体培养基中形成细胞集落，这些因子被命名为集落刺激因子，根据其作用对象，进一步命名分为粒细胞-集落刺激因子，巨噬细胞-集落刺激因子及多集落刺激因子。
（4）其他基因工程药物
①促进红细胞生成素 促红细胞生成素是一种调节红细胞生成的体液因子，自从成功地克隆人类促红细胞生成素基因后，其产物重组人促红细胞生成素被成功用于治疗肾性贫血及肿瘤等疾病伴发的贫血。最近的研究认为促红细胞生成素是一种由缺氧诱导因子诱导产生的多功能细胞因子，对于多种器官都有保护作用。
②人生长激素 人类的生长激素是一条单链、非糖化、191个氨基酸合成的亲水性球蛋白，分子量21700。人生长激素具有促生长、促进蛋白质合成、对脂肪、糖、能量代谢有影响。
③人表皮生长因子 皮肤细胞表达10种以上的生长因子，它们以自分泌和旁分泌的方式对细胞自身和邻近细胞进行多种调节。
④重组链激酶 对心脑血管疾病有一定的疗效。
⑤肿瘤坏死因子 研究表明，巨噬细胞是产生肿瘤坏死因子的主要来源。当肝、脾等网状内皮系统受到刺激后，借助于脂多糖的帮助，肿瘤坏死因子基因开始转录，产生并释放肿瘤坏死因子。同时B淋巴细胞也产生一种与肿瘤坏死因子类似的淋巴毒素，并与肿瘤坏死因子享有共同受体。为了便于区分二者，将巨噬细胞产生的毒素称为肿瘤坏死因子—α，淋巴细胞产生的毒素称为肿瘤坏死因子-β。
肿瘤坏死因子α是迄今为止发现的抗肿瘤作用最强的细胞因子，它能特异性地直接杀伤肿瘤细胞，而对正常细胞无不良影响，能抑制肿瘤细胞的增殖并促使其溶解，还可激活机体的抗肿瘤免疫反应。但是由于肿瘤坏死因子-α能被肾快速排泄和各种蛋白酶分解作用，在体内很不稳定，半衰期很短(15～30min)，而杀伤肿瘤细胞需要12～36 h。若希望通过静脉给药获得明显的抗肿瘤效果，则必须频繁、大剂量注射，进而导致严重的不良反应。目前国内外学者对其的制剂研究主要集中在高分子化学修饰和药物载体传递系统两方面．无论采取何种手段，其最终目的有二：一是延长药物血中半衰期；二是提高药物的靶向性，降低不良反应.
显然基因工程技术在药物研发中广泛应用，但是转基因药品和转基因食品一样存在着危险。大规模基因工程药物的工业化生产涉及的安全性问题比重组DNA试验更复杂。主要包括：(1)病原体及其代谢产物通过接触可能使人或其它生物被感染；(2)产品对人或其它生物的致毒性、致敏性或其它尚不预知的生物学反应；(3)小规模试验的情况下原本是安全的供体、载体、受体等实验，但大规模试验下并非如此。
国际上围绕转基因药物是否影响今后生态环境的平衡和危及人类健康生存的问题展开了激烈的争论。总的来说，大多数科学家对生物转基因研究给予厚望，认为这将推动一场以“分子生物学”为基础的新型医药业的革命，为解决改善全球人类的生活质量以及提高健康水平带来希望。从科学的角度看，基因工程技术对人类的社会进步应该是利大于弊的。
有的人说21世纪将会是生物技术改变世界的世纪，我对此坚信不疑，不远的将来，基因工程技术会在医药科学方面大放异彩，成为现代药学的突破点。
参考文献：
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