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1、生命科学纵横生命科学纵横理学院理学院 生命科学与生物工程研究院生命科学与生物工程研究院 生命科学技术选生命科学技术选讲讲本章内容本章内容生物技术与人类健康生物技术与人类健康 仿生学仿生学内容内容：1.疫苗 2.疾病诊断 3.生物制药 4.基因治疗（略）生物技术与人类健康生物技术与人类健康1.疫苗百度百科：百度百科：2010年年3月山西疫苗事件月山西疫苗事件 http:/ 延申与福尔7批次人用狂犬疫苗有问题问题疫苗广东2.3万份已接种 江西8600份 地点：江苏常州地点：江苏常州厂商：江苏延申生物科技股份有限公司厂商：江苏延申生物科技股份有限公司事件：被查实在狂犬疫苗生产过程中长期故意造假，事件
2、：被查实在狂犬疫苗生产过程中长期故意造假，导致导致 大量大量问题疫苗流向市场，受害者最少超过问题疫苗流向市场，受害者最少超过100100万人。万人。危害：危害：2121万份狂犬疫苗均全被使用万份狂犬疫苗均全被使用817961796年英国医生年英国医生JennerJenner从一挤奶女工感染的痘孢中，取出孢浆接种到一个从一挤奶女工感染的痘孢中，取出孢浆接种到一个8 8岁男孩的手臂上，然后让其接种天花脓孢液，结果该男孩并未染上天花，证岁男孩的手臂上，然后让其接种天花脓孢液，结果该男孩并未染上天花，证明其对天花确实具有免疫力。由于这种方法安全可靠，得到广泛应用。明其对天花确实具有免疫力。由于这种方法
3、安全可靠，得到广泛应用。我国早在宋真宗我国早在宋真宗（998-1023998-1023年），年），就有关于人痘法预就有关于人痘法预防天花的记载。后防天花的记载。后来种痘的方法经阿来种痘的方法经阿拉伯人传到欧洲并拉伯人传到欧洲并流传开来。流传开来。疫苗疫苗(vaccine)最初因牛痘而得名，即用牛制备的疫苗。最初因牛痘而得名，即用牛制备的疫苗。Jenner是牛痘的发是牛痘的发明者，但他并不清楚为什么牛痘能够预防天花。明者，但他并不清楚为什么牛痘能够预防天花。9天花：天花：在在1818世纪以前是一种致死率很高的烈性疾病，即使有人幸存下世纪以前是一种致死率很高的烈性疾病，即使有人幸存下来，也经常会产
4、生永久性的毁容、神志错乱和失明等后遗症。来，也经常会产生永久性的毁容、神志错乱和失明等后遗症。101980年世界卫生组织年世界卫生组织（WHO）宣布全球已）宣布全球已经消灭了天花。目前经消灭了天花。目前天花病毒样本仅保存天花病毒样本仅保存在两个地方：美国佐在两个地方：美国佐治亚州亚特兰大市美治亚州亚特兰大市美国国家疾病控制与预国国家疾病控制与预防中心和俄罗斯的防中心和俄罗斯的VECTOR研究所。研究所。11疫苗之父疫苗之父-Pasteur18771877年，法国，巴斯德年，法国，巴斯德：首次用降低了致病：首次用降低了致病力的鸡霍乱弧菌制成活疫苗。给鸡接种这种减力的鸡霍乱弧菌制成活疫苗。给鸡接种
5、这种减毒细菌后，可使鸡获得对霍乱的免疫力。毒细菌后，可使鸡获得对霍乱的免疫力。这项研究说明：用人工的方法可以使细菌的这项研究说明：用人工的方法可以使细菌的毒力减弱或消失；一种细菌一旦失去了毒力，毒力减弱或消失；一种细菌一旦失去了毒力，就有可能用于机体免疫，控制疾病的发生。就有可能用于机体免疫，控制疾病的发生。从而发明了第一个细菌减毒活疫苗从而发明了第一个细菌减毒活疫苗-鸡霍乱疫鸡霍乱疫苗。苗。虽然在他这前英国医生虽然在他这前英国医生Jenner发明牛痘接种法，但有意识地发明牛痘接种法，但有意识地培养制造成功免疫疫苗，并广泛应用于预防多种疾病，巴斯培养制造成功免疫疫苗，并广泛应用于预防多种疾病，
6、巴斯德堪称第一人。德堪称第一人。疫苗疫苗(vaccine)?一切通过注射或黏膜途径接种，可以诱导机体产生针对一切通过注射或黏膜途径接种，可以诱导机体产生针对特定致病原的特异性抗体或细胞免疫，从而使机体获得特定致病原的特异性抗体或细胞免疫，从而使机体获得保护或消灭该致病原能力的生物制品统称为疫苗，包括保护或消灭该致病原能力的生物制品统称为疫苗，包括蛋白质、多糖、核酸、活载体或感染因子等。蛋白质、多糖、核酸、活载体或感染因子等。典型的疫苗主要是灭活或减毒的致病物，即病原物在培典型的疫苗主要是灭活或减毒的致病物，即病原物在培养、纯化后，或者被灭活，或者降低毒性，但前提是不养、纯化后，或者被灭活，或者
7、降低毒性，但前提是不丧失引起免疫反应的能力。丧失引起免疫反应的能力。疫苗与一般药物的区别疫苗与一般药物的区别用于健康人群用于健康人群主要用于婴幼儿和儿童主要用于婴幼儿和儿童通过免疫机制使健康人通过免疫机制使健康人预防疾病预防疾病均为生物制品均为生物制品能彻底控制和消灭某一能彻底控制和消灭某一疾病，如天花疾病，如天花用于患病人群用于患病人群因疾病分布不同而用于不同因疾病分布不同而用于不同年龄段的患者年龄段的患者主要用于治疗疾病或减轻病主要用于治疗疾病或减轻病人的症状人的症状包括天然药物、化学合成药包括天然药物、化学合成药物、生物药品等人类可通过物、生物药品等人类可通过一般药物减轻病痛一般药物减轻
8、病痛*疫苗的基本成分疫苗的基本成分抗原抗原：决定了疫苗的特异免疫原性，比如灭活病毒或细菌、：决定了疫苗的特异免疫原性，比如灭活病毒或细菌、通过多次传代得到的减毒株、病毒或菌体提纯物、有效蛋通过多次传代得到的减毒株、病毒或菌体提纯物、有效蛋白成分、类毒素、细菌的荚膜多糖、合成多肽、核酸等等白成分、类毒素、细菌的荚膜多糖、合成多肽、核酸等等佐剂佐剂：能增强抗原的特异性免疫应答，无毒、安全，且在：能增强抗原的特异性免疫应答，无毒、安全，且在冷藏条件下保持稳定，常用的佐剂为铝佐剂和油制佐剂冷藏条件下保持稳定，常用的佐剂为铝佐剂和油制佐剂防腐剂防腐剂：防止外来微生物的污染：防止外来微生物的污染稳定剂稳定
9、剂：如冻干疫苗中常用的乳糖、明胶、山梨醇等：如冻干疫苗中常用的乳糖、明胶、山梨醇等灭活剂灭活剂：灭活后需及时除去，以保证安全性：灭活后需及时除去，以保证安全性其他活性成分其他活性成分：缓冲液、盐类等非活性成分：缓冲液、盐类等非活性成分*15疫苗的分类疫苗的分类细菌性疫苗细菌性疫苗现代方法（现代方法（基基因因工程工程技术）技术）研制研制的疫苗的疫苗传统方法传统方法所所用用材材料料研研制制技技术术*病毒性疫苗病毒性疫苗类毒素类毒素亚单位疫苗亚单位疫苗减毒活疫苗减毒活疫苗灭活疫苗灭活疫苗基因工程疫苗基因工程疫苗(第二代疫苗第二代疫苗)DNA疫苗疫苗(第三代疫苗第三代疫苗)第一代疫苗第一代疫苗细菌性疫
10、苗细菌性疫苗减毒活菌疫苗减毒活菌疫苗用途：防止细菌性传染病的发生和流行用途：防止细菌性传染病的发生和流行包括：包括：霍乱疫苗、伤寒疫苗、卡介苗、鼠疫疫苗、霍乱疫苗、伤寒疫苗、卡介苗、鼠疫疫苗、百日咳百日咳 疫苗疫苗、炭疽疫苗等、炭疽疫苗等死菌疫苗死菌疫苗亚单位疫苗亚单位疫苗细菌性疫苗细菌性疫苗卡介苗卡介苗卡介苗卡介苗：是一种用来：是一种用来预防儿童结核病预防儿童结核病的预防接种疫苗。接种后可的预防接种疫苗。接种后可预防发生儿童结核病，如结核性脑膜炎。目前，世界上多数国家预防发生儿童结核病，如结核性脑膜炎。目前，世界上多数国家都已将卡介苗列为计划免疫必须接种的疫苗之一。都已将卡介苗列为计划免疫必
11、须接种的疫苗之一。接种的主要对象：新生婴幼儿。接种的主要对象：新生婴幼儿。19世纪末，德国医生世纪末，德国医生科赫科赫（病原细菌学的奠基人和开拓者）（病原细菌学的奠基人和开拓者）发现了结核病的病原物为结核杆菌。发现了结核病的病原物为结核杆菌。20世纪初，最早由法国的细菌学家卡尔梅特世纪初，最早由法国的细菌学家卡尔梅特(Calmette)和介和介朗朗(Gurin)试制成功，又称试制成功，又称“卡介苗卡介苗”。从患结核病的牛乳房中分离得到一株从患结核病的牛乳房中分离得到一株牛牛型结核分支杆菌，接型结核分支杆菌，接种于甘油胆汁马铃薯培养基上，种于甘油胆汁马铃薯培养基上，2-3周传代一次，周传代一次，
12、经过经过230余余代，历时代，历时13年，年，制备出制备出减毒活疫苗减毒活疫苗。17 病毒性疫苗病毒性疫苗用病毒或立克次体制成用病毒或立克次体制成目前以病毒培养制备的各种传统疫苗，如甲目前以病毒培养制备的各种传统疫苗，如甲肝、麻疹、风疹、流行性腮腺炎疫苗等，仍肝、麻疹、风疹、流行性腮腺炎疫苗等，仍是预防疾病的主力。是预防疾病的主力。减毒活疫苗减毒活疫苗灭活疫苗灭活疫苗亚单位疫苗亚单位疫苗基因工程疫苗基因工程疫苗病毒性疫苗病毒性疫苗脊髓灰质炎脊髓灰质炎可能会是第二个被消灭的传染病。可能会是第二个被消灭的传染病。由脊髓灰质炎病毒由脊髓灰质炎病毒 （一（一种种RNARNA病毒）引起病毒）引起的。一共
13、有的。一共有3 3种脊髓灰质炎病毒的亚型。种脊髓灰质炎病毒的亚型。主要感染主要感染5 5岁以下的儿童，发病后，病人岁以下的儿童，发病后，病人出现发烧、颈部僵硬、呕吐等症状。大约出现发烧、颈部僵硬、呕吐等症状。大约有有1/2001/200的病人最终肢体残疾，严重的会的病人最终肢体残疾，严重的会因为呼吸肌肉麻痹而死亡。因为呼吸肌肉麻痹而死亡。没有治愈的方法，只能预防。没有治愈的方法，只能预防。多次接种脊多次接种脊髓灰质炎疫苗可为儿童提供终身保护。髓灰质炎疫苗可为儿童提供终身保护。印度、尼日利亚、巴基斯坦、埃及、阿富印度、尼日利亚、巴基斯坦、埃及、阿富汗、尼日尔和索马里等汗、尼日尔和索马里等7 7个
14、国家。个国家。20012001年年1010月月2929日，中国在人民大会堂举行日，中国在人民大会堂举行“中国消灭脊髓灰质炎总中国消灭脊髓灰质炎总结表彰大会结表彰大会”，标志着我国已成功消灭了脊髓灰质炎。，标志着我国已成功消灭了脊髓灰质炎。类毒素类毒素细菌代谢产生的细菌代谢产生的外毒素外毒素经福尔马林和加温处理后，经福尔马林和加温处理后，去除其毒性而仍保留免疫原性者称为类毒素。去除其毒性而仍保留免疫原性者称为类毒素。类毒素可用于细菌毒素性疾病的预防，包括白喉、类毒素可用于细菌毒素性疾病的预防，包括白喉、破伤风、霍乱、肉毒、葡萄球菌感染等。破伤风、霍乱、肉毒、葡萄球菌感染等。使用最广使用最广的是白
15、喉及破伤风类毒素。的是白喉及破伤风类毒素。破伤风类毒素破伤风类毒素破伤风破伤风：常和创伤相关联的、感染：常和创伤相关联的、感染破伤风杆菌的传染病。破伤风杆菌的传染病。病原菌病原菌：破伤风杆菌，专性厌氧，：破伤风杆菌，专性厌氧，革兰染色阳性。平时存在于人畜的革兰染色阳性。平时存在于人畜的肠道，随粪便排出体外，以芽胞状肠道，随粪便排出体外，以芽胞状态分布于自然界，尤以土壤中为常态分布于自然界，尤以土壤中为常见。此菌对环境有很强的抗力，能见。此菌对环境有很强的抗力，能耐煮沸。耐煮沸。21l破伤风类毒素：用产毒力强的破伤风梭菌，接种于适宜的破伤风类毒素：用产毒力强的破伤风梭菌，接种于适宜的培养基培养，
16、产生的外毒素经甲醛溶液灭活脱毒、滤过除培养基培养，产生的外毒素经甲醛溶液灭活脱毒、滤过除菌后，加钾明矾制成。菌后，加钾明矾制成。减毒活疫苗（第一代疫苗）减毒活疫苗（第一代疫苗）通过不同的方法手段，使病原体的毒力即通过不同的方法手段，使病原体的毒力即致病性减弱或丧致病性减弱或丧失失后获得的一种由完整的微生物组成的疫苗。后获得的一种由完整的微生物组成的疫苗。减毒减毒：能引发机体感染但不发生临床症状：能引发机体感染但不发生临床症状活活：免疫原性又足以刺激机体的免疫系统产生针对该：免疫原性又足以刺激机体的免疫系统产生针对该病原病原体的免疫反应体的免疫反应第一个成功应用的减毒活疫苗：卡介苗，第一个成功应
17、用的减毒活疫苗：卡介苗，1909年开始，历年开始，历时时13年制成。年制成。减毒活疫苗可通过以下两种方式获得：减毒活疫苗可通过以下两种方式获得：但对于一些不能培养或难以培养的病原体和一些有潜在致癌但对于一些不能培养或难以培养的病原体和一些有潜在致癌性的病原体，就无法或很难用传统技术研制疫苗，只有基因性的病原体，就无法或很难用传统技术研制疫苗，只有基因工程技术可能解决疫苗的研发。工程技术可能解决疫苗的研发。23从带菌者中间分离毒力弱的从带菌者中间分离毒力弱的毒株毒株通过人工培养，使微生物产生变异，从中获得通过人工培养，使微生物产生变异，从中获得毒力毒力弱弱的毒株的毒株灭活疫苗（第一代疫苗）灭活疫
18、苗（第一代疫苗）l主要由细菌体或病毒颗粒组成，疫苗中含有的菌体主要由细菌体或病毒颗粒组成，疫苗中含有的菌体或病毒颗粒是或病毒颗粒是“死死”的，因此又称作死疫苗。的，因此又称作死疫苗。l通常经通常经注射途径免疫注射途径免疫，进入机体后可直接引起免疫，进入机体后可直接引起免疫应答，但然而需要应答，但然而需要多次接种多次接种，才能产生较牢固的免，才能产生较牢固的免疫力。疫力。l将免疫原性强的病原微生物或病毒，接种于动物、将免疫原性强的病原微生物或病毒，接种于动物、鸡胚、组织或细胞培养物中生长繁殖后，经灭活处鸡胚、组织或细胞培养物中生长繁殖后，经灭活处理使之失去致病力，但仍保留免疫原性而制成的生理使之
19、失去致病力，但仍保留免疫原性而制成的生物制剂。物制剂。l需多次接种，需多次接种，才能具较强的免疫原性才能具较强的免疫原性l灭活灭活：不能生长繁殖，因此比较安全，稳定：不能生长繁殖，因此比较安全，稳定亚单位疫苗亚单位疫苗以化学裂解、重组或合成等方式制备病原体亚以化学裂解、重组或合成等方式制备病原体亚单位（如表面抗原）制成的。单位（如表面抗原）制成的。肽疫苗肽疫苗：将具有保护性免疫力的人工合成肽与：将具有保护性免疫力的人工合成肽与适当载体结合后，再加入佐剂制成的疫苗。适当载体结合后，再加入佐剂制成的疫苗。由于去除了病原体中与特异反应无关的活性物由于去除了病原体中与特异反应无关的活性物质甚至有害的成
20、分，保留有效免疫原成分，故质甚至有害的成分，保留有效免疫原成分，故反应小，较安全，但需多次接种。反应小，较安全，但需多次接种。如脑膜炎球菌多糖疫苗。如脑膜炎球菌多糖疫苗。项目项目活疫苗活疫苗灭活疫苗灭活疫苗亚单位疫苗亚单位疫苗抗原制备抗原制备用减毒或无毒的全病用减毒或无毒的全病原体原体用物化手段将病原用物化手段将病原杀死杀死以化学方法获得以化学方法获得病原体的某些具病原体的某些具免疫原性的成分免疫原性的成分免疫机理免疫机理接种后病原体在体内接种后病原体在体内有一定生长繁殖能力，有一定生长繁殖能力，类似隐性感染，会产类似隐性感染，会产生细胞、体液和局部生细胞、体液和局部免疫免疫病原体失去毒力单病
21、原体失去毒力单保持免疫原性，接保持免疫原性，接种后产生特异性抗种后产生特异性抗体体接种后能刺激机接种后能刺激机体产生特异性免体产生特异性免疫效果疫效果优缺点优缺点用量少，副作用小，用量少，副作用小，只需接种一次，免疫只需接种一次，免疫效果持久；稳定性差，效果持久；稳定性差，不易保存不易保存用量较大，副反应用量较大，副反应较大，需少量多次较大，需少量多次接种；稳定性好，接种；稳定性好，较安全，易保存较安全，易保存制品纯度较高，制品纯度较高，副反应小，需多副反应小，需多次接种次接种常用疫苗常用疫苗卡介苗、麻疹、鼠疫、卡介苗、麻疹、鼠疫、脊髓灰质炎等脊髓灰质炎等伤寒、霍乱、百日伤寒、霍乱、百日咳、乙
22、脑、脊髓灰咳、乙脑、脊髓灰质炎质炎白喉、破伤风类白喉、破伤风类毒素、乙肝表面毒素、乙肝表面抗原疫苗等抗原疫苗等三类疫苗的比较三类疫苗的比较引自董德祥主编引自董德祥主编疫苗技术基础与应用疫苗技术基础与应用，化学工业出版社。，化学工业出版社。2002，P3。传统疫苗制备的基本过程传统疫苗制备的基本过程271 利用培养基或细胞进行菌体、毒株的大量培养利用培养基或细胞进行菌体、毒株的大量培养2 2 收集培养物、纯化收集培养物、纯化收集培养物、纯化收集培养物、纯化3 3 半成品检定半成品检定半成品检定半成品检定4 4 稀释、分装稀释、分装稀释、分装稀释、分装5 5 成品检定成品检定成品检定成品检定*传统
23、疫苗生产方式的局限性传统疫苗生产方式的局限性在动物细胞中培养，操作成本极高在动物细胞中培养，操作成本极高培养的动物和人类病毒其生长速度和产量一般都很低，培养的动物和人类病毒其生长速度和产量一般都很低，生产成本高生产成本高需对操作人员采取保护措施，保证不被致病物质感染需对操作人员采取保护措施，保证不被致病物质感染致病物质在生产过程中可能未完全杀死（灭活疫苗）和致病物质在生产过程中可能未完全杀死（灭活疫苗）和充分减毒（减毒疫苗），将导致疫苗中含有高毒性致病充分减毒（减毒疫苗），将导致疫苗中含有高毒性致病物质，使疾病在更大的范围内传播物质，使疾病在更大的范围内传播减毒菌株可能发生突变，因此需连续不断
24、地对其进行毒减毒菌株可能发生突变，因此需连续不断地对其进行毒性检测以保证该菌株不变成强致病性菌株性检测以保证该菌株不变成强致病性菌株绝大多数的现行疫苗有效期短，常需冷冻保存绝大多数的现行疫苗有效期短，常需冷冻保存*导致基因工程疫苗的出现导致基因工程疫苗的出现利用基因工程的方法，表达出病原物的一段基利用基因工程的方法，表达出病原物的一段基因序列，将表达产物（无毒性、无感染能力、因序列，将表达产物（无毒性、无感染能力、但具较强的免疫原性）用作疫苗。但具较强的免疫原性）用作疫苗。现今使用的多数乙肝疫苗即为基因工程疫苗。现今使用的多数乙肝疫苗即为基因工程疫苗。基因工程疫苗（第二代疫苗）基因工程疫苗（第
25、二代疫苗）最早是由受染最早是由受染动物组织动物组织进行疫苗的制备；进行疫苗的制备；在在40-6040-60年代，采用年代，采用由由受染组织培养细胞受染组织培养细胞制备；制备；7070年代年代以来，逐步以来，逐步用用基因工程基因工程技术生产。技术生产。*重组抗原疫苗重组抗原疫苗利用利用DNA重组技术制备的只含保护性抗重组技术制备的只含保护性抗原的纯化疫苗。原的纯化疫苗。优点优点：不含活的病原体和病毒核酸，安：不含活的病原体和病毒核酸，安全有效，成本低廉。全有效，成本低廉。目前获准使用的有乙型肝炎疫苗目前获准使用的有乙型肝炎疫苗（HBsAg）。）。转基因植物疫苗转基因植物疫苗用转基因方法，将编码有
26、效免疫原的基因导用转基因方法，将编码有效免疫原的基因导入可食用植物细胞的基因组中，免疫原即可入可食用植物细胞的基因组中，免疫原即可在植物的可食用部分稳定的表达和积累，人在植物的可食用部分稳定的表达和积累，人类和动物通过摄食达到免疫接种的目的。常类和动物通过摄食达到免疫接种的目的。常用的植物有蕃茄、马铃薯、香蕉等。用的植物有蕃茄、马铃薯、香蕉等。DNA疫苗疫苗第三代疫苗第三代疫苗也称核酸疫苗、基因疫苗也称核酸疫苗、基因疫苗将含有编码保护性抗原蛋白的基因序列和表将含有编码保护性抗原蛋白的基因序列和表达所必需调控元件的质粒达所必需调控元件的质粒DNA直接导入动物直接导入动物组织，使抗原蛋白经过内源性
27、表达并递呈给组织，使抗原蛋白经过内源性表达并递呈给免疫系统，诱发机体产生特异性体液免疫和免疫系统，诱发机体产生特异性体液免疫和细胞免疫应答，形成对相应病原的免疫保护细胞免疫应答，形成对相应病原的免疫保护作用。作用。用于免疫的质粒用于免疫的质粒DNA称为称为DNA疫苗。疫苗。*33优点优点1.免疫效果好：产生的外源蛋白更像天然分子，递呈过程与自然感染十分相似2.免疫应答持久：外源基因可以在体内存在较长时间，并不断表达外源蛋白，能持续地给免疫系统提供刺激3.无杂质蛋白的干扰和毒性，方法简便不需要抗原提取和纯化，储存稳定，易于运输4.便于生产多价疫苗：一个载体上可构建表达多种抗原缺点l其机制和安全性
28、尚不完全清楚，一些问题有待解决。其机制和安全性尚不完全清楚，一些问题有待解决。l核酸疫苗的核酸疫苗的 DNA 也可能发生与宿主基因组也可能发生与宿主基因组 DNA 的整合，的整合，发生致畸作用或后代出现遗传病。发生致畸作用或后代出现遗传病。342 疾病诊断、望、望、闻、问、切闻、问、切经验型判断的方法。经验型判断的方法。、化验、化验/检验检验细胞形态、细胞形态、数量；生化反应、酶活性；数量；生化反应、酶活性；免疫学检验等。免疫学检验等。、影像学、影像学X线、线、B超、超、CT、核磁共振、内窥镜等。、核磁共振、内窥镜等。、特殊检查、特殊检查染色体检染色体检查、肌电查、肌电/脑电脑电/心电、骨密度
29、、心电、骨密度、原子吸收光谱等原子吸收光谱等。传统的诊断传统的诊断基因诊断基因诊断用分子生物学技术对导致疾用分子生物学技术对导致疾病的原因进行病原学和细胞病的原因进行病原学和细胞遗传基因的检测分析遗传基因的检测分析,从而从而对相应疾病进行诊断，又称对相应疾病进行诊断，又称DNA分析法。分析法。传统的诊断：表现型传统的诊断：表现型基因型基因型基因诊断：基因型基因诊断：基因型表现型表现型 （逆向（逆向诊断）诊断）35基因诊断的内容检测检测DNA表达产物表达产物的变化：即的变化：即RNA或蛋白质的或蛋白质的水平的变化。如与常人相比，病毒感染时病毒水平的变化。如与常人相比，病毒感染时病毒基因及其转录产
30、物在人体内的从无到有；某些基因及其转录产物在人体内的从无到有；某些肿瘤中癌基因表达水平的从低到高。肿瘤中癌基因表达水平的从低到高。检测检测DNA的序列的序列变化：即基因突变。如点突变变化：即基因突变。如点突变引起的氨基酸的变化等，如镰刀型贫血症引起的氨基酸的变化等，如镰刀型贫血症。因此，从理论上说，所有涉及基因结构和功能变化的检测因此，从理论上说，所有涉及基因结构和功能变化的检测都属于基因诊断。都属于基因诊断。应用范围病原生物的侵入，如肝炎、艾滋病、细菌、寄生虫等病原生物的侵入，如肝炎、艾滋病、细菌、寄生虫等先天遗传性疾患，如镰刀型贫血症、血友症、先天遗传性疾患，如镰刀型贫血症、血友症、地中地
31、中海贫血症海贫血症后天基因突变引起的疾病，如肿瘤后天基因突变引起的疾病，如肿瘤其它，如亲子鉴定、个体识别、法医物证其它，如亲子鉴定、个体识别、法医物证-地中海贫血症地中海贫血症：是由于珠蛋白链合成不平衡造成的。在：是由于珠蛋白链合成不平衡造成的。在1987年以前，几乎所有的年以前，几乎所有的地中海贫血症的产前诊断都是通过检地中海贫血症的产前诊断都是通过检测在测在珠蛋白簇中连锁珠蛋白簇中连锁DNA的多态间接完成的，一般需要的多态间接完成的，一般需要2-4 周。周。1987年年10月以后，月以后，用用PCR法法扩增扩增珠蛋白基因区后，直接检珠蛋白基因区后，直接检测致病突变即可完成测致病突变即可完成
32、地中海贫血症的产前诊断。地中海贫血症的产前诊断。这个方法这个方法既增加了准确性，既增加了准确性，又缩短了时间，一般只需一周时间。又缩短了时间，一般只需一周时间。已进行基因诊断的遗传病血红蛋白病血红蛋白病：镰刀状贫血症（珠蛋白基因第六个密码子中：镰刀状贫血症（珠蛋白基因第六个密码子中A T，使谷氨酸，使谷氨酸缬氨酸）、缬氨酸）、地中海贫血（地中海贫血（珠蛋白基因珠蛋白基因 缺失缺失 mRNA含量减少含量减少珠蛋白珠蛋白（）链合成不平衡）链合成不平衡）杜氏肌营养不良杜氏肌营养不良（性连锁隐性遗传病（性连锁隐性遗传病）：抗肌萎缩蛋白基）：抗肌萎缩蛋白基因突变因突变苯丙酮尿症苯丙酮尿症（phenylk
33、etonuria，PKU，常染色体隐性遗传氨，常染色体隐性遗传氨基酸代谢病）：苯丙氨酸羟化酶基因突变基酸代谢病）：苯丙氨酸羟化酶基因突变 丙氨酸羟化酶丙氨酸羟化酶缺乏缺乏脆性综合症脆性综合症检测肿瘤相关基因检测肿瘤相关基因（癌基因、抑癌基因）、肿瘤染色体易（癌基因、抑癌基因）、肿瘤染色体易位及融合基因、肿瘤标志物或位及融合基因、肿瘤标志物或mRNA等等镰刀型贫血症l由于由于血红蛋白的血红蛋白的b链上第六个氨基链上第六个氨基酸酸Val（缬氨酸）突变成（缬氨酸）突变成Glu（谷氨（谷氨酸）酸）而引起的。而这个氨基酸的变而引起的。而这个氨基酸的变化又是血红蛋白基因上一个核苷酸化又是血红蛋白基因上一个
34、核苷酸发生突变所致。发生突变所致。l突变了的血红蛋白无法携带足够的突变了的血红蛋白无法携带足够的氧，患者严重贫血，心脏、肺、脑、氧，患者严重贫血，心脏、肺、脑、关节或其它一些主要内脏器官逐步关节或其它一些主要内脏器官逐步损坏。纯合患者寿命很短，而杂合损坏。纯合患者寿命很短，而杂合患者只在极端条件下，如高纬度或患者只在极端条件下，如高纬度或高温时，氧的供应受到影响时会发高温时，氧的供应受到影响时会发病。病。可采用可采用Southern 杂交的方法进行检测，对基因杂交的方法进行检测，对基因组进行酶切所采用的酶是组进行酶切所采用的酶是MstMst1 1。基因诊断的常用方法39直接诊断直接诊断直接检测
35、致病基因的突变直接检测致病基因的突变检测检测对象：基因突变类型对象：基因突变类型缺失、点突变、重复、插入等缺失、点突变、重复、插入等检测检测方法：方法：分子杂交、分子杂交、PCR、生物芯片、生物芯片等等间间接接诊诊断断应应用用DNA多多态态性性为为遗遗传传标标记记进进行行连连锁锁分分析析，确确定定待待测测者者是是否否得得到到带带有有致致病病的的染染色色体体，从而间接地作出诊断从而间接地作出诊断检检测测方方法法：采采用用DNA多多态态性性进进行行分分析析。常常用用的的三三种种标标记记RFLP、VNTR、SNP3 生物制药生物药物生物药物泛指包括生物制品在内的生物体的初级和次级产泛指包括生物制品在
36、内的生物体的初级和次级产物或生物体的某一组成成分，甚至整个生物体用作诊断和物或生物体的某一组成成分，甚至整个生物体用作诊断和治疗疾病的医药品。治疗疾病的医药品。以天然的生物材料为主以天然的生物材料为主，包括人体、动物、植物、微生物，包括人体、动物、植物、微生物和各种海洋生物等。和各种海洋生物等。生物药物主要是运用生化方法从生物体中分离、纯化得到生物药物主要是运用生化方法从生物体中分离、纯化得到一些生物活性物质。一些生物活性物质。例如：维生素、酶、核酸、激素等；另外还有一些以微例如：维生素、酶、核酸、激素等；另外还有一些以微生物、生物组织、人或动物的血液等原料采用物理方法和生物、生物组织、人或动
37、物的血液等原料采用物理方法和生化工艺制得的生物活性制剂、血液制品、抗血清、抗毒生化工艺制得的生物活性制剂、血液制品、抗血清、抗毒素等。素等。人体来源药物血液成分制品血液成分制品胎盘胎盘：人胎盘丙种球蛋白、：人胎盘丙种球蛋白、人胎盘白蛋白、人胎盘人胎盘白蛋白、人胎盘RNA酶抑制剂、绒膜促性激素等酶抑制剂、绒膜促性激素等尿液制品尿液制品：尿激酶、尿抑胃：尿激酶、尿抑胃素、蛋白酶抑制剂、集落刺素、蛋白酶抑制剂、集落刺激因子、绒膜促性激素激因子、绒膜促性激素Karl Landsteiner（1868-1943）：发现人的血型生物技术制药生物技术制药基因工程制药基因工程制药细胞工程制药细胞工程制药抗体制
38、药抗体制药酶工程制酶工程制药药生物制药分类基因工程制药指利用基因工程技术研制和生产的药物，包括重组蛋指利用基因工程技术研制和生产的药物，包括重组蛋白多肽药物、反义核酸药物、白多肽药物、反义核酸药物、DNA药物和基因工程药物和基因工程抗体等。抗体等。以基因工程药物为中心的医药生物技术是生物技术领以基因工程药物为中心的医药生物技术是生物技术领域最活跃、发展最迅速的部分。域最活跃、发展最迅速的部分。1976年，年，Genentech公司在美成立。这是世界上第一公司在美成立。这是世界上第一家应用家应用DNA重组技术研制新药的公司。重组技术研制新药的公司。1982年美国和英国批准生产和使用第一个基因工程
39、药年美国和英国批准生产和使用第一个基因工程药物重组人胰岛素。物重组人胰岛素。细胞工程制药动物细胞制药动物细胞制药：疫苗、各种淋巴因子（如：疫苗、各种淋巴因子（如干扰素、白细胞介素）、单抗、红细胞生干扰素、白细胞介素）、单抗、红细胞生成素（成素（EPO）、肿瘤坏死因子、过氧化物）、肿瘤坏死因子、过氧化物歧化酶等歧化酶等植物细胞制药植物细胞制药：紫草宁、人参皂苷、紫杉：紫草宁、人参皂苷、紫杉醇、人参二醇、强心苷等醇、人参二醇、强心苷等抗体的产生途径至少有三条：抗体的产生途径至少有三条：抗体制药1.经典途径经典途径通过免疫动物产生多克隆抗体通过免疫动物产生多克隆抗体2.细胞工程细胞工程途径途径用杂交
40、瘤技术生产单抗用杂交瘤技术生产单抗3.基因工程基因工程途径途径用基因工程的方法表达和改用基因工程的方法表达和改造抗体（嵌合抗体、人源化单抗、单链抗体）造抗体（嵌合抗体、人源化单抗、单链抗体）单抗单抗嵌合抗体、人源化单抗、单嵌合抗体、人源化单抗、单链抗体等链抗体等免疫毒素（与毒素耦联的单免疫毒素（与毒素耦联的单抗）抗）嵌合抗体嵌合抗体：单抗的可变区来源于小鼠，恒定区来自于人。：单抗的可变区来源于小鼠，恒定区来自于人。人源化单抗人源化单抗：只与抗原接触的：只与抗原接触的互补决定区互补决定区CDR为小鼠来源，其为小鼠来源，其他的抗体骨架为人体来源。他的抗体骨架为人体来源。单链抗体单链抗体：用基因工程
41、方法将：用基因工程方法将VH和和VL 通过一段连接肽连接而通过一段连接肽连接而成的重组蛋白，保持了亲本抗体的抗原亲和活性和特异性的最成的重组蛋白，保持了亲本抗体的抗原亲和活性和特异性的最小功能性抗体小功能性抗体片段。片段。人人当人体接触异源蛋白时，体内会产生对它有中和作当人体接触异源蛋白时，体内会产生对它有中和作用的抗体，即用的抗体，即抗抗体抗抗体。所以从异源动物获得的抗体。所以从异源动物获得的抗体就不再起抗病作用。而人体对人源化单克隆抗体没就不再起抗病作用。而人体对人源化单克隆抗体没有排斥作用。有排斥作用。鼠源抗体鼠源抗体 嵌合抗体嵌合抗体 人源化抗体人源化抗体 人抗体人抗体人人源化源化单单
42、克隆抗体酶工程制药疾病的诊断疾病的诊断：1.1.根据体内原有酶的活性的变化来诊断疾病。根据体内原有酶的活性的变化来诊断疾病。酶工程制药疾病的诊断疾病的诊断：2.2.利用酶来测定体内某些物质的含量从而诊断疾病。利用酶来测定体内某些物质的含量从而诊断疾病。例如：例如：葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的联合作用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的联合作用-检测葡检测葡萄糖的含量萄糖的含量 -糖尿病（可固定化后制成酶试纸或酶电糖尿病（可固定化后制成酶试纸或酶电极，十分方便地用于临床检测）。极，十分方便地用于临床检测）。手掌型葡萄糖(glucose)分析仪酶工程制药疾病的治疗疾病的治疗：蛋白酶：蛋白酶可作为消化剂，用于治
43、疗消化不良和食蛋白酶：蛋白酶可作为消化剂，用于治疗消化不良和食 欲不振。作为消炎剂，治疗各种炎症有很好的欲不振。作为消炎剂，治疗各种炎症有很好的 疗效。疗效。溶菌酶：抗菌、消炎、镇痛，治疗手术性出血、外伤性溶菌酶：抗菌、消炎、镇痛，治疗手术性出血、外伤性 浮肿等。浮肿等。SOD SOD ：抗辐射，清除氧自由基，治疗红斑狼疮、结肠：抗辐射，清除氧自由基，治疗红斑狼疮、结肠 炎及氧中毒等。炎及氧中毒等。尿激酶：溶血栓，溶解血纤维蛋白，溶解血块，治疗脑尿激酶：溶血栓，溶解血纤维蛋白，溶解血块，治疗脑 血栓等。血栓等。药物的生产药物的生产:酪氨酸酶可催化酪氨酸酶可催化L-L-酪氨酸或邻苯二酚生成多巴酪
44、氨酸或邻苯二酚生成多巴（治疗帕（治疗帕 金森病的重要药物）。金森病的重要药物）。生物技术制药的特点投资大投资大：国际上一个新药的研制一般需：国际上一个新药的研制一般需2-3 亿美元以上。亿美元以上。回报率高回报率高：一个新药回报可在：一个新药回报可在10 倍以上，一般上市倍以上，一般上市2-3 年就年就可收回投资。可收回投资。风险大风险大：从刚开始有价值的理论研究，到转化为可生产的：从刚开始有价值的理论研究，到转化为可生产的产品只有产品只有10左右能成功。左右能成功。周期长周期长：从投入研制，到获得技术开发成功，最少需：从投入研制，到获得技术开发成功，最少需6-7 年年时间，再到临床运用、广泛
45、推广还需时间，再到临床运用、广泛推广还需2-3 年时间。年时间。低污染低污染：生物药品的生产制造一般在常温常压下进行，能：生物药品的生产制造一般在常温常压下进行，能源、原材料的消耗量极少，对周围环境几乎不产生污染。源、原材料的消耗量极少，对周围环境几乎不产生污染。三高：高投资、高回报、高风险三高：高投资、高回报、高风险生物技术制药产业现状国际生物技术药品市场发展迅猛国际生物技术药品市场发展迅猛 。市场占有率仍以市场占有率仍以EPO为最大，占全球整个生物技术市场为最大，占全球整个生物技术市场28%；其；其次为胰岛素占次为胰岛素占18%；干扰素及集落刺激因子各占；干扰素及集落刺激因子各占15%，人
46、生长激，人生长激素占素占11%；纤维蛋白溶酸原活化剂占；纤维蛋白溶酸原活化剂占4%，其它药品类占，其它药品类占9%。国际国际上：上：美国技术领先，从美国技术领先，从19821982年第一个基因组年第一个基因组药物药物(人胰岛素人胰岛素)诞生诞生以来，至今已经上市以来，至今已经上市了了100100多种基因多种基因药物。药物。我国我国：始于始于70 70 年代，年代，90 90 年代后才进入年代后才进入发发展期。展期。创新性创新性不强。不强。低水平重复研究、重复建设严重，低水平重复研究、重复建设严重，市场竞争非常激烈市场竞争非常激烈 。科研和产业脱节现象仍较为严重；科研和产业脱节现象仍较为严重；缺
47、少有科学头脑的企业家和有技术缺少有科学头脑的企业家和有技术开发能力的企业将研究成果转变为开发能力的企业将研究成果转变为生产，大大阻碍了产业化发展生产，大大阻碍了产业化发展。据国际货币组织（据国际货币组织（IMS）公布的统计数字，）公布的统计数字，2009年全球医药市场年全球医药市场总销售额为总销售额为8150亿美元，其中生物技术药品和生化药品的销售额亿美元，其中生物技术药品和生化药品的销售额合计为合计为1300亿美元亿美元。2009年畅销国际医药市场的三大类生物技术药物为：年畅销国际医药市场的三大类生物技术药物为：单抗类单抗类药品药品（400亿美元）、亿美元）、疫苗类疫苗类药品（药品（380亿
48、美元）、亿美元）、TNF（肿瘤坏死因（肿瘤坏死因子抑制剂类）子抑制剂类）220亿美元。亿美元。在在10个世界畅销药中，生物技术药品占据个世界畅销药中，生物技术药品占据“半壁江山半壁江山”，数量为，数量为5个。而在个。而在2009年世界畅销药排名榜前年世界畅销药排名榜前20位药品中，生物技术药位药品中，生物技术药品则占到品则占到8席。席。53http:/ 录录v前言v信息仿生v控制仿生v拟态仿生v力学仿生v化学仿生v整体仿生前言前言一、仿生学简介一、仿生学简介二、仿生学研究二、仿生学研究中国古汉文中的仿生思想中国古汉文中的仿生思想前言一、仿生学简介一、仿生学简介 仿生学之起源仿生学之起源凤蓬草凤
49、蓬草 轮子轮子鱼尾鱼尾 船橹船橹人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜生物电生物电 电池电池鸟鸟 飞机飞机生活中的仿生学生活中的仿生学前言仿生学仿生学（Bionics）模仿生物系统的原理以建造技术系模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学特征或类似特征的科学。仿生学的概念仿生学的概念前言二二.仿生学研究仿生学研究仿生学仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括生理学、神经学、医学、化性学科，包括生理学、神经学、医学、化学、数学、电子学、信息学等学科。学、数学、电子学、信息学等学科。前言生物
50、体生物体生物模型生物模型数学模型数学模型技术模型技术模型技术装置技术装置仿生学的研究方法仿生学的研究方法前言一、青蛙与电子蛙眼一、青蛙与电子蛙眼二、水母与电子耳二、水母与电子耳信息仿生信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼视顶盖上有视顶盖上有4 4层神经细胞：层神经细胞：第一层对运动目标的反差起反应；第一层对运动目标的反差起反应；第二层能把目标的凸边抽取出来；第二层能把目标的凸边抽取出来；第三层只看见目标的四周边缘；第三层只看见目标的四周边缘；第四层则只管目标暗前缘的明暗变第四层则只管目标暗前缘的明暗变化。化。这四层特征就好像在四张透明纸上这四层特征就好像在四张透明纸上的画图，叠在一起，就是一个