浅谈生物技术与人类健康

第17卷 第3期 牡丹江大学学报 Vol.17 No.3 2008年3月 Journal of Mudanjiang University Mar. 2008

92文章编号：1008-8717（2008）03-0092-03

浅谈生物技术与人类健康

李 冬 辉

（牡丹江大学，黑龙江 牡丹江 157011）

摘 要：前沿生物技术越来越多地应用于人类疾病的预防与治疗，本文着重介绍了基因工程、细胞工程、组织工程在医学上的应用和临床上取得的最新成果以及存在的问题。提出了生物医药前瞻性研究方向及发展的思考性建议。

关键词：基因；基因诊断；基因治疗；超急性排斥反应；基因组；克隆；三维支架；干细胞 中图分类号：Q33 文献标识码：A 1．引言

从19世纪达尔文进化论，孟德尔的遗传理论，巴斯德的发酵的生物学本质、灭菌的细菌做疫苗，到20世纪摩尔根的染色体基因再到后来的抗生素；从DNA 双螺旋模型结构到生物基因工程、单克隆抗体，一直到20世纪90年代初出现的第一个基因工程产品——人的重组胰岛素及现代人类基因组计划后的新诊断技术、基因治疗。生物技术经历了从分类、生理、胚胎、细胞形态观测、描述到后来随着遗传学、细胞生物学、生物化学、生物物理学、微生物学的巨大发展，1953年诞生分子生物学，走向真正的机理性研究。现代的基因工程和生物技术实现了今天的基因组学（包括蛋白质组学），生物信息学，神经生物学和发育生物学，生态等前沿研究。回顾生物技术的每一步发展都为人类的健康做出了巨大的贡献。疫苗的研制成功有效地预防治疗了鼠疫、伤寒、霍乱、天花、麻疹、小儿麻痹、百日咳、白喉、破伤风、狂犬病、流感、病毒性肝炎、痢疾、结核、乙型脑炎等疾病，也是今天人们防治疾病的一个手段；同样抗生素工业在治疗感冒、肺炎延长人的寿命也做出了巨大的贡献；如今要真正解决恶性肿瘤、高血压、糖尿病、白血病、乙型血友病、地中海贫血病、艾滋病等这些病的本质还是要靠基因组研究以后发展新的生物技术。

2．基因工程与人类健康

20世纪80年代以来，运用基因工程技术已成功生产出白细胞介素-2、尿激酶、乙型肝炎疫苗等，临床上发挥了重要作用。目前人类已知至少五千多种疾病的发生都直接或间接与基因有关，如肿瘤、高血压、糖尿病、肥胖、艾滋病，如何根治这些疾病还需人类基因组的进一步研究。2003年4月中国、美国、英国、日本、法国、德国六国政府首脑联合发表了《六国政府首脑关于完成人类基因组序列图的联合声明》宣布：国际人类基因组测序协作组已经解读了人类生命密码书中所有章节的秘密，完成了人类基因组的“完成图”，并且全世界都可以不受限制地免费获取这些信息。日前美国奎格?文特研究所和多伦多儿童医院以及加州大学的研究者第一次向世界公布了个人的二倍体基因组序列。

人类基因组计划（Human genome project HGP ）源于诺贝尔奖获得者Dulbecco1986年发表在《科学》杂志的一篇短文《肿瘤研究的转折点——人类基因组研究》，文章说：“如果我们想更多地了解肿瘤，我们从现在开始必须关注细胞的基因组。从哪个物种着手努力？如果我们想理解人类肿瘤，那就应该从人类开始，人类肿瘤研究将因对DNA 的详细知识而得到巨大的推动”。HGP 的核心内容是构建DNA 序列图，即分析人类基因组DNA 分子的基本成分——碱基的排列顺序，绘制成序列图。HGP 对人类疾病基因研究有着重要贡献。人类疾病相关的基因是人类基因组中结构和功能完整性至关重要的信息。过去的十年当中，由于人类基因组研究的带动使得人类疾病相关性的研究有了长足的进步，特别是单基因疾病：“定位克隆”和“定位候选克隆”的全新思路，导致了一大批遗传病基因的发现。改变了传统对基因从表型到基因型的认识（如血红蛋白——第一个人类发现的分子病，先通过猪蛋白氨基酸的序列，再去推测它的基因），而是先去寻找基因再去看表型，根据基因推测其蛋白质结构，通过产生出的抗体，做基因功能研究，解决如亨廷顿舞踏病、遗传性的结肠癌等绝大多数人类不知道其生化基础的疾病。健康相关研究是HGP 的重要组成部分，1997年相继提出“肿瘤基因组的解剖计划”、“环境基因组学计划”，对人类健康起着巨大的推动作用。

收稿日期：2007-11-10

人类基因组研究将实现医学上的基因诊断和基因治疗。对于多基因，涉及遗传信息整体上紊乱引起的疾病，如肿瘤、β-地中海贫血病和镰刀状红细胞贫血症、老年痴呆实现早期诊断。彻底根治用过去的治疗方法很难根治的如乙型血友病等致死性遗传疾病和癌症，艾滋病等后天性疾病。将来对老化等引起的基因功能衰退而发生的疾病进行治疗以及基因组信息为基础的治疗。现在人们越来越重视疾病的预防，特别是基于基因组信息的疾病预防，如果能够在人刚出生的时候进行疾病易感基因的识别，在早期把风险人群挑出来，然后在环境、生活方式上实施干预，会大大降低患病几率。另外，人们对药物的反应性存在差异，大部分药物在体内代谢的酶会有遗传多态性，在相当大的程度上决定了个体对药物的反应性即药物遗传学，根据个体的基因特点选择其针对性药物，达到最好的治疗效果。近年科学家运用基因工程技术解决了外源补充白细胞介素、肿瘤坏死因子等免疫系统中对癌细胞有杀伤能力的细胞因子不能在癌组织中维持有效的浓度，剂量过大又会导致严重的副作用的难题，科学家通过提取出对癌症有杀伤力的细胞因子中的基因，整合到对动物或人体没有毒性的病毒载体中，经过基因克隆，不断产出细胞因子，保证了该细胞因子在癌组织中能维持所需要的浓度，对治疗癌细胞已发生转移的晚期癌症患者寻求了更好的解决途径。

生物技术已进入到细胞、胚胎和组织的研究水平上来，推动了胚胎和成人干细胞技术的应用。我国的基因组计划1994年正式启动，根据国际发展趋势和我国的实际情况，从功能基因组的角度切入，充分发挥我国人类基因资源丰富的优势，采取结构与功能并重，多学科交叉，建立关键技术，进行基因组多样性和疾病基因研究的策略。从群体遗传学转向中国人群特点的疾病发生、发展的遗传学信息的研究和基因产物间的相互作用产生的基因组遗传规律研究。我国已经将人类基因组的后续研究与开发，列为国家重大科技专项内容之一，开展重大疾病、重要生理功能相关基因和重要病源真菌功能基因组等的研究与开发，进一步获得我们生物医学界和制药工业界技术创新的知识产权，完善我国生物技术创新体系。

3．细胞工程与人类健康

干细胞（Stem cell）：是一种具有多分化潜能和自我复制功能的早期未分化细胞，在特定条件下可以分化成不同的功能细胞，形成多种组织和器官。它包括胚胎干细胞（embryonic stem cells从早期的胚胎里面分离出的细胞株，在体外条件下可以增殖传代，维持一种没有分化的状态，到一定的时候给一定的条件，又可以分化成为各种类型的细胞）和组织干细胞又称为成人干细胞（指在组织里面，可以分化成几类型细胞，但是不像胚胎干细胞那样具有全能性，它已经分化到一定程度，但是适当的条件下还可以继续分化）。干细胞可从脐带血、脑细胞、脂肪细胞中分离，我国已经建立了自体脐血干细胞库。造血干细胞移植是干细胞研究在人类疾病治疗中应

用最成功、最早的范例。日前应用干细胞技术治疗糖尿

病取得了重大突破，过去科学家用转基因大肠杆菌生产

出人胰岛素，后又用基因工程生产胰岛素，通过注入患

者体内来治疗糖尿病，今年4月《美国医学会杂志》公

布的临床试验结果，干细胞治疗的糖尿病患者自身体内

开始再度自然分泌胰岛素，已经能够停止胰岛素注射，

这无疑是糖尿病治疗领域的一场革命。日前武警广东总

医院顺利实施一例“骨性血管再生＋干细胞移植”手术，首次尝试将干细胞注入病人缺血的肢体上，使其产生无

菌性炎症反应，在局部环境诱导下产生新的血管的先进

手术方法，让一名患有严重脉管炎的病人免于截肢。今

后我们利用干细胞的全能性，可以培养出各种各样组织

的细胞来治疗如心肌细胞坏死等疾病以及培养出软骨和

各种器官应用于组织的修补。

4．组织工程与人类健康

我国即将进入老龄化阶段，进入老年后人的生理器

官逐渐衰老，生理失调。据统计：

美国大于50岁 1990 25.7% 1998 27% 2010 32%

澳大利亚大于65岁 2000 17% 2005 20% 中国大于65岁 2000 17% 2010 24% 我国每年由于组织器官损伤创伤或病理损失的人数：

骨300万/年肾衰12万/年

肢残775万/年骨质疏松 6500万/年

关节病约1亿/年类风湿 1000万/年

心血管病2000万/年脑血管病 150万/年

肝炎 2.3亿/年肿瘤等切除（肿瘤发病率居第二位）仅心血管疾病全国患病人数达1.5亿。

人体组织器官制造技术，目前有假体、异种移植、

克隆、组织工程四种方法来达到人体组织器官性能或功

能替代。

异种移植包括自体、同种间、异种间三种移植方式。世界上曾经做过：

十七世纪 1682 动物组织→人（俄罗斯）

十九世纪末蛙皮→人

二十世纪 1920 猴睾丸→人（法国）

1963—1965 黑猩猩肾→人（美国）

黑猩猩心→人（美国）

狒狒的心→人（美国）

狒狒的肝→人（美国）

目前可作移植的器官有：肾、心、肝、肺、角膜、

骨髓等。异种移植方式一个很难逾越的障碍就是种间不

同导致排斥效应，这种排斥效应目前还没有很好的解决

办法。如果我们能够找到跟我们人体能够完全相容的细胞，那么在人体身上就不会造成那种超急性排斥反应（Hypeacute rejection HAR）（免疫细胞应答的最快

响应，在宿主接触移植物的数秒或数分钟发生的排斥，

不接受的反应）或者免疫排斥反应。

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克隆是功能单元的再现。医学上治疗性克隆有着广阔的前景，通过制造出一个胚细胞按生物学发育的方式，有效地发育成为一个我们需要的组织来应用于临床。克隆比异种移植进步，在于克隆是自体的细胞克隆避免了异种排斥效应，但是让一个干细胞有导分化和培养，成为自身的组织具有一定的难度，还需要很多关键技术的发展，另外是否进入临床还有待伦理学的讨论。

组织工程是从20世纪50年代开始，起初人们做的只是简单替代方式，到了1977年，美国利用生命科学和工程科学的原理和方法，了解人体的生理和病理的机制之后，有目的地去制造一些所需要的人体部件。组织工程主要包括三大部分：种子细胞、三维支架和培养系统。种子细胞来源主要有：异体细胞、自体细胞、原位组织细胞、原位基质细胞、原位基质干细胞、骨髓基质干细胞、胚胎干细胞、克隆胚细胞。三维支架（The third dimension scaffolds）指用生物医用材料加工成的立体网络框架，供细胞生活的基体。人体组织都是三维结构，选一种制成三维结构，适合人体自身的需求的材料，首先选择细胞成活的材料：（1）天然材料有胶原、壳聚糖、透明质酸、纤维蛋白、经处理的骨基质。天然材料的优势是自然界自身存在，生物相容性比较好，但是直接来使用强度不够及免疫源性不足，另外材料来源随着外界环境的变化而得到跟实际效果不一定统一，人们很难把握。（2）人工合成材料：是一类有机高分子聚合物，具有可塑性，有一定的强度，这种合成材料跟天然材料最大的不同是组织工程需要的材料必须在人体内降解，最后代谢成为二氧化碳和水，在体内不残存，所以要求很高，目前广泛应用的有聚羟基己酸(PGA)，聚乳酸(PLA)及聚羟基己酸与聚乳酸的共聚体(PLGA)。（3）复合材料：将两种或两种以上具有互补特性的生物相容性可降解材料，按一定比例和方式组合，满足组织工程所需的结构与性能优化的复合材料，主要有壳聚糖—透明质酸复合体、胶原—硫酸软骨素—透明质酸共聚体、纤维蛋白—聚氨酯、PLLA—胶原。此外，纳米材料现在也用来构建组织工程的三维支架。支架中最难的问题就是三维构造模式的加工，并能够放到体内，跟人体自身很好地相容。种子细胞接种到三维支架上，在反应器中进行细胞培养，扩大，增长到一定的数目装到体内生长，材料降解，最后分泌构成组织。

组织工程具有重大意义的发现是我国科学家曹谊林于1997年在裸鼠体内形成了具有皮肤覆盖的人耳廓形态软骨。随着医学、数学、物理学、计算机学、材料学、生物学多学科合作，组织工程将实现人们根据不同的组织和不同的需求、不同的培养液系统和不同的加载和刺激要求设计构成一个完整的体系，从体外培养出完整的组织器官装入人体内。尽快开发出新一代具有组织诱导性的涂层人工关节、牙种植体、经皮植入器件、植入性智能假肢、人造皮肤、人工骨等组织工程产品，解决6毫米以下血管制造的难题。目前，我国科学家正在做让组织和细胞培养的过程当中同时长入血管的实验。采用的办法：（1）把动物血管接上去，输进内皮细胞（长血管依靠内皮细胞），三维支架的孔洞延伸，在里面长成血管。（2）造一个血管模式，把血管的细胞送进去。（3）采用多种细胞复合培养。比如：神经细胞，神经传递的斯旺细胞〔斯旺（1810—1882），德国动物学家，解剖学教授。1839年，发表《动物和植物的结构和生长的一致性的显微研究》，指出“动物和植物都是由细胞构成的，细胞是一切动植物体构造和功能的基础”，因其对细胞学说的特殊贡献，所以把构成神经的细胞之一称为斯旺细胞。〕，血管的内皮细胞和长血管的平滑肌细胞同时放在一个体系里面，细胞跟细胞之间相互作用，分别长成血管、神经和组织。

5．结语

将来的药物不再局限于用化学方法从动植物中提取有效成分和用化学合成方法来制取药物。随着体细胞克隆、干细胞、基因治疗、生物芯片、转基因动植物等新技术不断发展，蛋白质药物、基因药物、细胞药物也将实现大规模生产，甚至组织器官也可能成为药物。那时药物审查就不仅检查药理毒副作用，还要审查是否符合社会道德伦理的要求。科学的发展必须与人文精神，资源，环境保护联系起来，才能实现可持续发展。现在中国的生物技术产业同世界发达国家相比还有很大的距离，为此，发展新型疫苗、诊断试剂、创新药物来防治重大疾病和传染病是我们急待解决的问题，以形成我国自己的生物技术和制药工业，实现自主创新，自主知识产权来不断提高人民的健康水平。

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99—106.

作者简介：李冬辉，女，毕业于齐齐哈尔大学，现在牡 丹江大学化工系任教。

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