基因工程制药的研究和应用

经济市场 基因制药的研究和应用 李淑娟 (延安大学西安创新学院医学系，陕西 西安 710100) 摘 要：随着20世纪 70年代DNA重组技术的建立，基因工程制药开始得到迅速的发展，经历了从细菌发酵制药、动物细 胞培养制药到转基因动植物生物反应器制药。目前，利用这些基因工程制药技术已能够大量生产人重组胰岛素、促红细胞 生成素、乙肝疫苗等等基因工程药物。基因工程药物已形成一个巨大的高新技术产业。本文就基因工程制药的现状和研究 进展作一概述。 关键词：基因工程；药物；应用 1953年 Wast0n和 Cfick提出了 DNA双螺旋理论，为基因 工程制药奠定了理论基础。70年代 ，发展的重组 DNA技术、单 克隆抗体技术使生物制药进入一个崭新的时代——基因工程制 药。1982年，美国 Eli Liuy公司首先将重组胰岛素投放市场，标 志着世界第一个基因工程药物的诞生。据统计，到 2004年 2月 ， 美国FDA批准的基因重组蛋白质药物共有 64种I1]，目前还有几 千种基因工程药物处于临床研究和实验室研究阶段嘲。基因工 程制药产业已成为最活跃 、进展最快的产业之一 ，产生了巨大的 社会效益和经济效益。 1 基因工程 基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术 ，是 将目的基因和载体在体外进行剪切、组合和拼接，然后通过载体 转入受体细胞(微生物、植物或植物细胞、动物或动物细胞)，使 目的基因在细胞中表达，产生出人类所需要的产物或组建成新 的生物类型。自20世纪 70年代基因工程诞生以来，最先应用且 目前最为活跃的是在医药领域，尤其在新药的研究、开发和生产 中得到日益广泛的应用。 2 基因工程药物 基因工程药物是先确定对某种疾病有预防和治疗作用的蛋 白质，然后将控制该蛋白质合成过程的基因取出来，经过一系列 基因操作 ，最后将该基因放人可以大量生产的受体细胞中去，在 受体细胞不断繁殖过程中，大规模生产具有预防和治疗这些疾 病的药用蛋白质。利用基因工程技术生产药物的优点是：(1)大 量生产过去难以获得的生理活性物质和多肽 ，为临床应用提供 有力保障；(2)发现、挖掘更多的内源性生理活性物质；(3)对内 源生理活性物质的不足之处进行改造和去除；(4)可获得新型化 合物，扩大药物筛选来源[ 。 3 基因工程制药的技术路径 3．1 基因工程细菌发酵制药 基因工程细菌发酵制药是指在人工条件下，培养通过基因 工程构建的细菌细胞，生产重组药物蛋白，如胰岛素、干扰素等。 利用基因工程菌表达药物蛋白具有经济、简单和易操作的优点， 2011牟第 11期 但是在开发一些大分子量 、结构复杂的功能蛋白质时，细菌通常 不能满足蛋白表达的需要。 3．2 基因工程动物细胞培养制药 基因工程动物细胞培养制药是指在人工条件下，高密度大 量培养通过基因工程构建的动物细胞 ，生产重组药物蛋白，如病 毒疫苗、抗原、抗体、免疫调节剂、重组激素以及生长因子等。该 技术目前已成为当前大规模制备生物技术药物的主要方法，它 可以获得上千克甚至上吨的产物，以满足药物的需求。第一个由 基因工程动物细胞培养生产的药用蛋白是溶血栓药物组织型纤 溶酶原激活剂(tPA)，目前 tPA已商品化。和基因工程细菌发酵 制药相比，它具有一定的优势 ：(1)能生产大分子、结构复杂的蛋 白，如凝血因子Ⅷ、促红细胞生成素(EPO)等；(2)生产清浩，整 个生产过程不会对环境造成污染，因为用于细胞培养及后期产 品纯化所需的物质没有任何对环境造成危害的有毒物质；(3)规 模较小，与传统的制药工业相比，动物细胞培养的规模均较小， 因为用于诊断和治疗的药物一般只需很小剂量，大概在微克级／ 人(如EPO、白介素、干扰素等)；(4)纯化简单、方便，由于动物细 胞表达的产物是分泌型的，而且动物细胞培养所需培养基成分 较单一，尤其是使用无血清培养基的时候；(5)产品安全，使用基 因工程细胞生产药物蛋白，避免了动物的病原体传染，产晶质量 易于控制 ；(6)大大减少了实验动物用量。但是，动物细胞娇嫩 挑剔 ，生长缓慢 ，培养成本昂贵，使得基因工程动物细胞培养制 药受到一定的限制。 3．3 转基因动物生物反应器制药 转基因动物生物反应器制药受到普遍重视的就是转基 因动物乳腺生物反应器制药 ，它是一种利用基因 1 程技术将 目 的基因与奶蛋白基因启动子构建成新的重组基因，然后将陔重 组基因转入动物细胞或受精卵基因组中并发育成转基凶动物， 发育成熟后在其乳腺中分泌出重组蛋白，这些重组蛋白 扦发 成重组药物的高新技术。乳腺生物反应器生产基因 程药物的 基本方法是：将药用蛋白质基因连接到乳汁蛋白质基因的渊 元件下游，然后将连接产物显微注射到哺乳动物受精卵或 胎 技经济市场 干细胞，当转基因胚胎长成个体后，在泌乳期药用蛋白质基因表 达，从动物乳汁可获得基因工程药物。通过该技术获得的经纯化 的人抗凝血酶 III蛋白是在我国首次利用乳腺生物反应器生产 的抗凝血酶 III蛋白纯品同。人抗凝血酶Ⅲ是一种人血液中重要 的抗凝血因子，但是，作为药物很难从人血中提取该酶，而且由 于该酶分子结构复杂，利用微生物发酵系统往往不能表达出这 种酶或者表达出的重组蛋白活性丧失 ，而利用哺乳动物细胞培 养体系则成本太高，产量也较低，无法满足该药的临床需求。20 世纪 80年代中后期发展起来的转基因动物乳腺生物反应器体 系则为生产这些分子结构复杂而且临床需求大的重组蛋白药物 提供了可靠高效途径。 3．4 转基因植物生物反应器制药 转基因植物生物反应器制药是指利用转基因生物技术，从 经过基因改良的农作物等植物中提炼出药用蛋白质的高新技 术。与基因工程细菌发酵制药相比，转基因植物具有上游生产成 本低、获得的新遗传性状稳定、在正常自然条件下易于生产和管 理等优势，如把药物作为食物则可进一步省去下游提取，还可大 规模、廉价地生产蛋白类药物等。而且利用植物生产的各种蛋白 质，多数能够正确的加工和折叠 ，从而保证了生物活性的稳定。 利用转基因植物作为生物反应器系统大规模地生产各种蛋白质 和多肽等药物的梦想，随着转基因植物的快速发展已逐渐变成 现实。据不完全统计 ，迄今为止，国外已经有几十种药物蛋白和 多肽在植物中得到成功表达，其中包括人细胞因子、促红细胞生 成素、表皮生长因子、生长激素、单克隆抗体、干扰素和可作为疫 苗用的抗原蛋白等悯。 4 基因工程制药技术的应用 基因工程技术在医药工业中最重要的应用是新药的研究、 开发、生产和改造传统药物。目前，通过基因工程技术已经能够 获得以前由于材料来源困难或制造技术问题无法生产的药物， 主要有生理活性物质、抗体、疫苗 3大类。 4．1 生理活性物质的生产 利用基因工程技术已能够生产激素类药物、细胞因子类药 物、重组溶血栓类药物等。如胰岛素、重组人生长激素、重组人促 卵泡激素、干扰素、集落刺激因子、白细胞介素、肿瘤坏死因子、 趋化因子 、转化生长因子 B、生长因子 、重组链激酶及重组组织 型纤维酶原激活剂等l7]。 4_2 抗体的生产 基因工程抗体又称重组抗体，是指利用重组DNA及蛋白质 工程技术对编码抗体的基因按不同需要进行加工改造和重新装 配，经转染适当的受体细胞所表达的抗体分子，被广泛应用于疾 病的临床诊断、预防和治疗及基础理论研究等领域。 自从基因工程抗体技术诞生以来，它的发展经历了好几个 阶段。主要包括完整的抗体分子、抗体可变区Fv、单链抗体 ScFv、抗原结合片段Fab以及其它为改善抗体药物的某些性质 而产生的各种抗体衍生物。1984年，Morrison等人将鼠单抗可变 区与人 IgG恒定区在基因水平上连接在一起，成功构建了第一 个基因工程抗体。此后，各种基因工程抗体大量涌现。它们已用 于肿瘤、病毒病、自身免疫病、哮喘及心血管疾病等的治疗，如用 于治疗 B细胞淋巴瘤的抗 CD20嵌合抗体 Rituximab，用于治疗 自身免疫病的抗TNF一 单抗lnfliximabN。 4．3 疫苗的生产 基因工程疫苗是将病原体的编码保护性抗原的基因片段克 隆入表达载体，用以转染细胞或真核细胞微生物及原核细胞微 生物后得到的产物或者将病原的毒力相关基因删除掉，使成为 不带毒力相关基因的基因缺失苗嘲。 其包括基因工程亚单位疫苗、基因缺失活疫苗、基因工程活 载体疫苗、核酸疫苗、转基因植物疫苗等_Iq。和传统疫苗相比，基 因工程疫苗有许多优点：(1)具有可靠的安全性和有效性；(2)易 于大规模使用；(3)生产成本低。 5 展望 综上所述，基因工程技术在制药领域的应用已使新药的研 究方法和制药工业的生产方式发生了重大变革。随着基因组和 蛋白质组研究的深入，基因工程药物将有更多的机会获得突破 性进展 ，为临床应用提供强有力的保障，从而为人类健康做出更 大的贡献。 参考文献 f11胡显文，陈惠鹏，汤仲明．美国、欧盟和中国生物技术药物的比 较Ⅱ】．中国生物工程杂志，2005，25(02)：82—94． [2】周肌．生物技术制药 [M】．北京：人民卫生 出版社，2007： 63—111． 【3]3 黄早生．陈家琪基因工程在制药领域的应用U]．天津药学报， 2002，30(5)：33—340． [4】刘昕，孙国红l予】、亦群制药新技术与新工艺的应用U1．中国药 业．2004．26(5)：1—3． [5】邹贤刚，袁三平，鲜建，等．转基因克隆奶山羊大量生产重组人 的抗凝血酶Ⅲ蛋白质 (thATⅢ)卟 生物工程学报，2008，24(1)： 117— 123． 【6】杨晶，李天航，熊丽东，等．植物生物反应器的研究进展Ⅲ．生物 工程学报，2009，25(5)：650-657． [7]汤娇 雯．基因工程制药的研究现状与发展前景Ⅱ】_生物技术通 报，2009(8)，22-27． [8】赵宝华，张莉．基因工程抗体的种类与应用卟保定师专学报， 2001，14(2)：15—19． 【9]李德山．基因工程制药 [M】．北京：化工工业出版社，2010： 173-197． [10】陈少渠，李慧娟．浅谈基因工程疫苗的类型和应用IJ]．河南畜 牧兽医_2005，26(3)：9—10． 2011年第 11期