现代医药生物技术简介和伦理课件

现代医药生物技术简现代医药生物技术简介和伦理介和伦理1 现代生物技术导论现代生物技术导论2 遗传与健康遗传与健康3 基因工程基因工程4 生物体防御系统生物体防御系统5 干细胞研究及其伦理干细胞研究及其伦理6 转基因动物转基因动物7 基因组与蛋白质组基因组与蛋白质组8 基因诊断与基因治疗基因诊断与基因治疗现代医药生物技术与伦理（上）：现代医药生物技术与伦理（上）：生物技术部分生物技术部分第一章第一章.现代生物技术导论现代生物技术导论第一节第一节 生物技术的概述生物技术的概述 一一.生物技术的定义及内涵生物技术的定义及内涵 生物技术生物技术(Biotechnology,BT),亦称为生物工程（亦称为生物工程（bioengineering),bioengineering),现统一称现统一称:生物技术生物技术.1.1.定义定义:国际上沿用国际上沿用19821982年的概念，年的概念，生物技术生物技术是指应用生物科学及工程是指应用生物科学及工程学原理，依靠生物体系作反应器，学原理，依靠生物体系作反应器，将物料进行加工改造，获得人类所将物料进行加工改造，获得人类所需产品的技术需产品的技术。现代生物技术定义现代生物技术定义：以现代生命科学为基础以现代生命科学为基础,把把生物生物体系与体系与工程学工程学技术有机结合在一起技术有机结合在一起，按照预先的按照预先的设计设计，定向定向地在不同水平地在不同水平上上改造改造生物遗传性状或加工生物原料生物遗传性状或加工生物原料,产产生对人类有用的生对人类有用的新产品新产品(或达到某种目的或达到某种目的)之综合性科学技术。之综合性科学技术。2.2.要点要点:对象对象 是具是具遗传特性遗传特性有生命物质有生命物质:包括病包括病毒、细菌、植物、动物、直到人类。毒、细菌、植物、动物、直到人类。生物体系多个生物体系多个不同水平不同水平研究研究:从大分子从大分子(DNA(DNA、RNARNA、蛋白质、酶、蛋白质、酶)、亚细胞、细胞、亚细胞、细胞、组织、器官到整个机体。组织、器官到整个机体。应用应用工程学工程学原理原理:经人类思维经人类思维,设计方设计方案、定向修饰、加工制作过程、经过体外案、定向修饰、加工制作过程、经过体外环节。环节。有有目的产品目的产品:目的产品有三新特目的产品有三新特征征:新遗传功能、新遗传性状、新新遗传功能、新遗传性状、新物种。要有合乎人类所需的工业、物种。要有合乎人类所需的工业、农业、医疗和食品产品。农业、医疗和食品产品。高新技术高新技术起重要作用。起重要作用。二二.生物技术的产生与发展生物技术的产生与发展 生物技术的发展两个阶段生物技术的发展两个阶段:传统生物技术传统生物技术 现代生物技术两个阶段。现代生物技术两个阶段。1.1.传统生物技术传统生物技术 传统生物技术的发展（经典传统生物技术的发展（经典+近代）近代）10001000多年前多年前,当人类用发酵方法制备酒、当人类用发酵方法制备酒、醋、酱及食品等醋、酱及食品等,此时主要是生物技术的此时主要是生物技术的经验阶段。经验阶段。1919世纪人们才有意识地大规模利用酵母发世纪人们才有意识地大规模利用酵母发酵，并形成产业。酵，并形成产业。2020世纪初，提出了生物技术这一概念。世纪初，提出了生物技术这一概念。19281928年，青霉素的发现使生物技术从单年，青霉素的发现使生物技术从单纯的食品、饲料制备扩展到抗生素产品，纯的食品、饲料制备扩展到抗生素产品，该该产业至今长盛不衰产业至今长盛不衰。2020世纪世纪 5050年代和年代和6060年代，生物技术增年代，生物技术增添了氨基酸发酵和酶制剂工业新成员。添了氨基酸发酵和酶制剂工业新成员。2.2.现代生物技术现代生物技术 自自19531953年起，分子遗传学的兴起与发展，年起，分子遗传学的兴起与发展，DNADNA转移和重组工程转移和重组工程 有性繁殖，转基因技术：有性繁殖，转基因技术：细胞工程细胞工程 转基因药物转基因药物 转基因动植物转基因动植物 无性繁殖，克隆技术无性繁殖，克隆技术(保持优良性状）保持优良性状）改变生物的遗传性状改变生物的遗传性状,使分离高产量的工程菌变的容易使分离高产量的工程菌变的容易,简化了生产过程；简化了生产过程；扩大了反应器范围，扩大了反应器范围，从发酵罐发展到细胞、植物及动物个从发酵罐发展到细胞、植物及动物个 体天然生物反应器。体天然生物反应器。特别是特别是DNA重组技术可以重组技术可以传统生物技术与现代生物技术的区别传统生物技术与现代生物技术的区别:从被动的筛选到主动的改造从被动的筛选到主动的改造三三.生物技术的特点生物技术的特点 (八高一低八高一低)v高水平高水平：即学科具有先进性，是知识、技术密集型即学科具有先进性，是知识、技术密集型产业产业,处分子水平、新技术前沿。处分子水平、新技术前沿。v高综合高综合：跨学科专业跨学科专业,位多学科发展的交叉点上，位多学科发展的交叉点上，涉及的行业多、范围广。涉及的行业多、范围广。v高投入高投入,与其他技术比较与其他技术比较,在资金、人员、设备、在资金、人员、设备、试剂及研发上投资大。试剂及研发上投资大。v高竞争高竞争，各国、各行业、个单位之间，在技术、各国、各行业、个单位之间，在技术、时效性、知识及人才上竞争激烈。时效性、知识及人才上竞争激烈。v 高风险高风险，上述原因造成一定风险，加上上述原因造成一定风险，加上技术风险带来高风险。技术风险带来高风险。v 高效益高效益,应用性强应用性强,有目的产品有目的产品,最易最易商业化。商业化。从事生物技术犹如种树将获得丰硕果实从事生物技术犹如种树将获得丰硕果实,如干扰素的投入虽然高达数百万美元如干扰素的投入虽然高达数百万美元,但产但产值数年达值数年达3030亿美元亿美元,用于治病将产生巨大经用于治病将产生巨大经济和社会效益。生物技术在解决人类面临众济和社会效益。生物技术在解决人类面临众多难题上是没有任何产业可比的。多难题上是没有任何产业可比的。v高智力：高智力：具有创新性和突破性具有创新性和突破性,可按人类需要定向可按人类需要定向改变和创造生物的遗传特性，要求在人才、改变和创造生物的遗传特性，要求在人才、计划、设计、工艺和产品上都要与众不同。计划、设计、工艺和产品上都要与众不同。从认识、利用、再造阶段上升到改造和创从认识、利用、再造阶段上升到改造和创造阶段造阶段。v高控性：高控性：采用工程学手段，易自动化、程控采用工程学手段，易自动化、程控化及连续化生产。化及连续化生产。v低污染：低污染：生物技术以生物资源为对象生物技术以生物资源为对象,生物生物资源具有再生性资源具有再生性,是再生资源。具有不受限是再生资源。具有不受限制、污染小、周期短的优点。制、污染小、周期短的优点。四四 生物技术的上中下游生物技术的上中下游v上游工程：上游工程：实验室研究和开发阶段，包括基实验室研究和开发阶段，包括基因、细胞、干细因、细胞、干细胞胞、转基因生物、组织工程、转基因生物、组织工程等获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等。等获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等。v中游工程：中游工程：中游加工以中游加工以生物反应器生物反应器为中心，为中心，优化和放大生产工艺。优化和放大生产工艺。v下游工程：下游工程：从反应液中提取目的产物，加工从反应液中提取目的产物，加工精制成合格产品。精制成合格产品。五五.生物技术诸工程生物技术诸工程的种类及内容的种类及内容(一一)基因工程基因工程 (Gene engineering)1.1.对象对象:在核酸分子在核酸分子 (DNA(DNA或或RNA)RNA)或基因上操作。或基因上操作。2.2.定义定义:在体外对在体外对DNADNA进行切割、拼接进行切割、拼接,使遗传使遗传物质重新组合物质重新组合,经载体转移到细胞中扩增经载体转移到细胞中扩增表达表达,获得人类所需产品获得人类所需产品,或组建新生物或组建新生物类型的技术。类型的技术。目的基因目的基因基因载体基因载体重组体重组体分切接转筛表总总体体技技术术路路线线(二二)细胞工程细胞工程 (cell engineering)1.1.对象对象:细胞细胞,在细胞水平上实现基因转移或改变生在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状。物学性状。2.2.细胞工程包括：细胞工程包括：细胞培养细胞培养 细胞融合技术细胞融合技术 工程细胞移植工程细胞移植,即有目的地改造细胞即有目的地改造细胞 遗传特性后遗传特性后,植入机体。植入机体。染色体导入及细胞器导入技术染色体导入及细胞器导入技术.动动物物细细胞胞的的体体外外培培养养 (三三)蛋白质工程蛋白质工程 (Protein engineering)1.1.对象对象:基因序列基因序列DNADNA分子中改造分子中改造,最终导致最终导致蛋白分子氨基酸序列改变。蛋白分子氨基酸序列改变。2.2.定义定义:在在X X衍射和晶体分析术了解蛋白质三维空衍射和晶体分析术了解蛋白质三维空间结构和功能关系基础上间结构和功能关系基础上,借用计算机和分子设计辅助技术借用计算机和分子设计辅助技术,在在DNADNA分子水平上操作更换或改变其序列分子水平上操作更换或改变其序列,达到改变蛋白质分子氨基酸序列达到改变蛋白质分子氨基酸序列,实现人实现人为改变蛋白质分子形状及功能为改变蛋白质分子形状及功能,使之具有新使之具有新遗传学特性。遗传学特性。蛋白质工程蛋白质工程:酶特性的改造酶特性的改造1.改变酶的催化活性改变酶的催化活性酪氨酰酪氨酰tRNA合成酶合成酶Thr5151Pro改造改造活力活力25倍倍2.改变酶的专一性改变酶的专一性枯草杆菌枯草杆菌蛋白酶蛋白酶活性中心活性中心枯草杆菌枯草杆菌蛋白酶蛋白酶活性中心活性中心SerCys（水解蛋白质）（水解蛋白质）改造改造水解硝基苯酯水解硝基苯酯专一性改变专一性改变蛋白质工程蛋白质工程:药物设计药物设计如抗病毒药-干扰素稳定性的改进。-SH17形成二聚体失去活性失去活性-OH17氨基酸取代氨基酸取代二聚体二聚体二硫键二硫键SerCys(四）抗体工程四）抗体工程（Antibody engineering）1.1.对象对象：Ig Ig 基因基因 2.2.定义定义 抗体工程：通过对抗体分子结构和功能关系的抗体工程：通过对抗体分子结构和功能关系的研究，有计划地对抗体基因序列进行改造，改研究，有计划地对抗体基因序列进行改造，改善抗体的某些功能的技术。善抗体的某些功能的技术。v在在8080年代初，年代初，抗体基因结构和功能抗体基因结构和功能的研究的研究成果与成果与重组重组DNADNA技术技术相结合，产生了基因相结合，产生了基因工程抗体技术。工程抗体技术。v基因工程抗体基因工程抗体即将抗体的基因按不同需要即将抗体的基因按不同需要进行加工、改造和重新装配，然后导入适进行加工、改造和重新装配，然后导入适当的受体细胞中进行表达的抗体分子。当的受体细胞中进行表达的抗体分子。临床应用 v中和病原体及抗病毒治疗中和病原体及抗病毒治疗 v肿瘤治疗与细胞补充疗法肿瘤治疗与细胞补充疗法 v疫苗应用疫苗应用 v用于未来诊断的生物传感器和微矩阵技术用于未来诊断的生物传感器和微矩阵技术(生物芯片生物芯片)(五五)组织工程组织工程 (Tissue engineering)(Tissue engineering)1 1、对象、对象：组织和器官。：组织和器官。2、定义：运用工程学和生命科学原理和方法，运用工程学和生命科学原理和方法，在了解正常和病理学组织结构与功能关系和生长在了解正常和病理学组织结构与功能关系和生长机理的基础上，研制生物学组织器官机理的基础上，研制生物学组织器官替代品替代品，通过通过移植移植，达到达到重建、恢复、维持和改进组织功能重建、恢复、维持和改进组织功能学科。学科。(六六)干细胞工程干细胞工程 (stem cell engineering)v干干细细胞胞(stem(stem cells,cells,SC)SC)是是一一类类具具有有自自我我复复制制能能力力(self-renewing)(self-renewing)的的多多潜潜能能的的,在在一一定定条条件件下下,可可以以分分化化成成个个体体、组组织织或或细胞的一类细胞。细胞的一类细胞。全能细胞胚泡全能细胞多能干细胞 (七七)转基因动物转基因动物(亦称亦称:胚胎工程胚胎工程Transgenetic animal）对象对象:胚胎早期细胚胎早期细胞上实现基因转胞上实现基因转移。移。转基因动物转基因动物受体基因受体基因（乳腺基因）（乳腺基因）授体基因授体基因(干扰素基因干扰素基因)植入受体受精卵核植入受体受精卵核转基因受精卵植转基因受精卵植入受体动物子宫入受体动物子宫 发育，降生发育，降生拥有外源基因的拥有外源基因的 转基因动物转基因动物(分泌乳汁含有干扰素分泌乳汁含有干扰素)重组基因重组基因定义定义:把新的遗传信息把新的遗传信息 (DNA(DNA序列序列)用特定技术用特定技术导导入入胚胎早期受精卵胚胎早期受精卵,经经发育发育后后,外源遗传信外源遗传信息分布到所有体细胞息分布到所有体细胞生殖细胞中去生殖细胞中去,这种使这种使动物带有动物带有新遗传信息新遗传信息的基因转移技术称胚胎的基因转移技术称胚胎工程。工程。所得动物称所得动物称转基因动物转基因动物 (Transgenetic(Transgenetic animals)animals)，或或基因工程动物基因工程动物。胚植入输卵管,图为小鼠试验。(八八)生物医学工程生物医学工程 (Biomedical engineering)1 1对象对象:人体人体 2 2 定义定义:从工程学角度研究人体结构、从工程学角度研究人体结构、功能及生命现象功能及生命现象,为防治疾病提供新技术、为防治疾病提供新技术、新方法、新仪器和新材料的科学。新方法、新仪器和新材料的科学。3内容内容:生物材料生物材料(人造器官、起搏器的材人造器官、起搏器的材料料)、康复工程、医学成像、康复工程、医学成像(超声、超声、CT、核、核磁磁)、生物传感、监护系统等。、生物传感、监护系统等。(九九)生物制药工程生物制药工程 (Biochemical pharmaceutical engineering)1 1生产对象生产对象:药物药物(活性多肽、酶、抗生素等活性多肽、酶、抗生素等)2 2定义定义 :利用现代生物技术利用现代生物技术,以生物反应器以生物反应器（微生物、动物细胞、植物及动物个体），（微生物、动物细胞、植物及动物个体），大规模地制备高纯度的药物。大规模地制备高纯度的药物。如基因工程药如基因工程药物、异构体的拆分（利用物、异构体的拆分（利用 Abzyme Abzyme 特异结合、特异结合、特异地进行酶消化来完成）等。特异地进行酶消化来完成）等。(十十)酶工程酶工程 (Enzyme engineering)1.1.对象对象:酶分子修饰、生产应用和酶的固定化酶分子修饰、生产应用和酶的固定化 2.2.定义定义:在给定的生产工艺和生物反应器中在给定的生产工艺和生物反应器中,利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，对酶进行修饰改造提高酶的转化率能，对酶进行修饰改造提高酶的转化率,把把对应的原料高效地转化成所需有用的物质之对应的原料高效地转化成所需有用的物质之技术。技术。(十一十一)发酵工程发酵工程 (Fermentation(Fermentation engineering)engineering)1.1.对象对象:微生物微生物,在常规发酵工艺上发展而成。有时也称在常规发酵工艺上发展而成。有时也称微生物工程。微生物工程。2.2.定义定义:利用微生物特定性状（生长快、培养简利用微生物特定性状（生长快、培养简单和代谢过程特殊等）单和代谢过程特殊等）,通过现代化工程技通过现代化工程技术术,快速、连续生产人类所需物质的技术。快速、连续生产人类所需物质的技术。(十二十二)生化工程生化工程 (Biochemistry engineering)1.1.对象对象:生化反应器生化反应器(反应环境与装置反应环境与装置)，产品的分离提纯技术产品的分离提纯技术2.2.定义定义:为活细胞和酶提供适宜反应环境为活细胞和酶提供适宜反应环境,能大规模自动化生能大规模自动化生产、分离、精制出所需产品的技术。产、分离、精制出所需产品的技术。各种生物工程相互联系各种生物工程相互联系,相辅相成：相辅相成：上游中上游中,基因工程是基础、核心基因工程是基础、核心,通过通过它才能真正按人的意向通过设计、改造、它才能真正按人的意向通过设计、改造、生产特定生物工程产品。生产特定生物工程产品。下游工程中关键是发酵工程的生产和利下游工程中关键是发酵工程的生产和利用生化工程对产物进行提纯用生化工程对产物进行提纯,它们是生物它们是生物技术产生效益的必要条件。其他工程相互技术产生效益的必要条件。其他工程相互配合配合,共同组成生物技术体系。共同组成生物技术体系。第二节第二节 生物技术的意义及应用生物技术的意义及应用v 生物技术的应用领域很广，可把生物技术生物技术的应用领域很广，可把生物技术分为：分为：医学生物技术、植物生物技术、动物医学生物技术、植物生物技术、动物生物技术、食品生物技术、环境生物技术和生物技术、食品生物技术、环境生物技术和军事生物技术等。生物技术应用的意义巨大，军事生物技术等。生物技术应用的意义巨大，主要有以下几个方面。主要有以下几个方面。一一.战略意义战略意义1.1.理论上理论上:生命学科飞跃生命学科飞跃,步入按需改造和创步入按需改造和创造新生物时代造新生物时代,革命性变化。革命性变化。2.2.新技术革命新技术革命的重要支柱的重要支柱,具有巨大潜在力量具有巨大潜在力量,不不亚于原子裂变和半导体的问世。亚于原子裂变和半导体的问世。3.3.为解决人类面临的重大问题提供新途径为解决人类面临的重大问题提供新途径,带来了希带来了希望望 (国外称之为六大危机国外称之为六大危机):):人口问题人口问题:A)A)节育节育:药、疫苗药、疫苗,B)B)优生优生:遗传病基因治疗。遗传病基因治疗。粮食问题粮食问题:绿色革命绿色革命,高产、优质、抗病新品种高产、优质、抗病新品种 ,单细胞蛋白单细胞蛋白,农药、肥料。农药、肥料。能源、资源问题能源、资源问题:生物电池、光合菌、乙醇生物电池、光合菌、乙醇生产、石油采集菌、生物冶炼。生产、石油采集菌、生物冶炼。环境污染环境污染:石油、污水石油、污水,有害金属污染有害金属污染,特特嗜菌的构建。嗜菌的构建。医疗保健医疗保健:抗衰老、防治心血管病、疟疾、抗衰老、防治心血管病、疟疾、传染病、遗传病。传染病、遗传病。战争等灾害战争等灾害：生物武器、生物恐怖。：生物武器、生物恐怖。二、巨大经济效益二、巨大经济效益,明显社会效益明显社会效益1.1.美国生物技术产值达几千亿美元美国生物技术产值达几千亿美元,单是单是药物达数百亿亿美元。到药物达数百亿亿美元。到20122012年，美国年，美国生物技术产品销售已达生物技术产品销售已达40004000亿美元以上。亿美元以上。2.19802.1980 年代起年代起,生物技术长盛不衰生物技术长盛不衰,公公司林立司林立,美国达美国达20002000多家。多家。3.3.各国政府投资逐年增加各国政府投资逐年增加,科研人员大量科研人员大量投入投入 (美国数十万人美国数十万人)。三、生物技术为人类新医疗保健开辟新纪元三、生物技术为人类新医疗保健开辟新纪元1.1.是探索生命奥秘是探索生命奥秘,解开众多遗传之谜的工具。解开众多遗传之谜的工具。如中心法则的补充与生命起源的如中心法则的补充与生命起源的RNARNA假说假说,通通过产物表达和蛋白功能分析过产物表达和蛋白功能分析,发现与证实疾发现与证实疾病基因病基因(糖尿病的基因糖尿病的基因)。又如对癌症发病机。又如对癌症发病机理研究理研究,除外因外除外因外,还有内因，还有内因，癌基因癌基因,抑癌基因等。抑癌基因等。2.2.疾病诊断疾病诊断 分子水平的诊断向更特异、敏感、分子水平的诊断向更特异、敏感、快速、简单、稳定方向发展。如快速、简单、稳定方向发展。如:McAb McAb运用运用:ELISA:ELISA、IFAIFA、ELAELA、RIARIA、蛋白质免疫诊断。、蛋白质免疫诊断。核酸水平本质上诊断核酸水平本质上诊断:RFLP:RFLP、核酸杂交、核酸杂交、PCRPCR。新仪器新仪器:生物传感器、成像系统、生物传感器、成像系统、监护康复系统等监护康复系统等.3.3.基因治疗基因治疗:从基因水平上对疾病基因进行修复、替从基因水平上对疾病基因进行修复、替 代。如基因工程构建病毒载体导入正常基代。如基因工程构建病毒载体导入正常基 因治疗先天遗传病。因治疗先天遗传病。4.4.疾病预防疾病预防:基因工程疫苗、多价疫苗基因工程疫苗、多价疫苗,安全、价低安全、价低 易大量制。易大量制。抗独特型抗体疫苗抗独特型抗体疫苗,多肽疫苗多肽疫苗(表达表达).).四四.为医药工业带来革命为医药工业带来革命 新药的设计与生产新药的设计与生产1.1.大量生产生化及基因工程药物大量生产生化及基因工程药物 如基因工程生产的生长激素释放抑制激素如基因工程生产的生长激素释放抑制激素:9:9升发酵液可升发酵液可得得50mg50mg纯化产品纯化产品,这和从这和从5050万头羊脑组织中的提取物相当。万头羊脑组织中的提取物相当。转基因动物生产转基因动物生产 tPA(tPA(组织型纤溶酶原激活剂组织型纤溶酶原激活剂)一个动物一个工厂一个动物一个工厂,放牧放牧,挤奶挤奶,提取便可。目前不包括提取便可。目前不包括抗生素在内抗生素在内,研究基因工程药物达研究基因工程药物达500500种种,如许多活性多肽、如许多活性多肽、激素、酶、细胞因子激素、酶、细胞因子,尤其是后者目前是热门尤其是后者目前是热门,研究研究3030种种,生生产已有产已有1919种。种。2.2.改造、促进抗生素工业改造、促进抗生素工业,除固定化酶、细胞技术除固定化酶、细胞技术,包括对酶的更新。例如包括对酶的更新。例如:基因工程可生产强有力的新酰化酶基因工程可生产强有力的新酰化酶,可大量制备可大量制备新抗生素新抗生素(如头孢毒素等如头孢毒素等)。3.3.“生物导弹生物导弹”药物药物:McAb McAb毒素蛋白、抗癌药、毒素蛋白、抗癌药、TNFTNF、酶等。、酶等。AbzymeAbzyme、特异结合酶切分解。、特异结合酶切分解。受体药物受体药物“爱国者导弹爱国者导弹”:CD4:CD4受体受体HIVHIV等。等。4.4.超级药物超级药物 人工设计、合成分子药物人工设计、合成分子药物:反义核酸、基因封条、阻止转录、翻译反义核酸、基因封条、阻止转录、翻译,酶性酶性RNA(Ribozyme)RNA(Ribozyme)切掉有害基因。切掉有害基因。5.5.酶制剂基因工程酶制剂基因工程:如如:tPA(:tPA(组织纤维蛋白溶酶原激活因子组织纤维蛋白溶酶原激活因子),),链激酶等。链激酶等。基因工程试剂的高回报基因工程试剂的高回报v碱性成纤维细胞生长因子碱性成纤维细胞生长因子 231元元/ugv红细胞生成素红细胞生成素 1072元元/ugv白细胞介素白细胞介素-2 410元元/ugv巨细胞粒细胞集落刺激因子巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元元/ugv胰岛素胰岛素 10.2元元/mgThank You for Your Attention!