生物技术与工程：提高寿命，改善生命质量

医药生物技术是生物技术领域中最活跃、产业发展最迅速、效益最显著的技术。其投资比例（图1-1）及产品市场均占生物技术领域的首位，约占整个生物技术领域的70%：这是因为生物技术为探索妨碍人类健康的因素和提高生命质量提供了最有效的手段。生物技术在医药领域的应用涉及新药开发、新诊断技术、预防措施及新的治疗技术。

图1-1　美国工业化生物技术研究与发展基金分布图

（一）开发制造奇特而又贵重的新型药品

抗生素是人们最为熟悉、应用最为广泛的生物技术药物。目前已分离出数万种具有抗生活性的天然物质，其中约100种被广泛使用。每年的市场销售额约100亿美元。

1977年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物——人生长激素释放抑制激素，开辟了药物生产的新纪元。该激素可抑制生长激素、胰岛素和胰高血糖素的分泌，用来治疗肢端肥大症和急性胰腺炎。如果用常规方法生产该激素，50万头羊的下丘脑才能生产5 mg，而用大肠杆菌生产，只需9 L细菌发酵液。这使其价格降至每克300美元。由于细菌与人体在遗传体制上的差异较大，许多人类所需的蛋白质类药物用细菌生产往往是没有生物活性的。人们不得不放弃用细菌发酵这种最简单的方法而另找其他途径。利用细胞培养技术或转基因动物来生产这些蛋白质药物是近几年发展起来的另一种生产技术。例如，转基因羊生产人凝血因子Ⅸ，转基因牛生产人促红细胞生成素，转基因猪生产人体球蛋白等。

用基因工程生产的药物，除了人生长激素释放抑制激素外，还有人胰岛素、人生长激素、人心钠素、人干扰素、肿瘤坏死因子、集落刺激因子等。从1982年美国批准的第一个基因工程药物——重组胰岛素上市以来，现已有近百种基因工程蛋白质药物投放市场，主要用于治疗癌症、血液病、艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎、细菌感染、骨损伤、创伤、代谢病、外周神经病、矮小症、心血管病、糖尿病、不孕症等疑难病。另外，还有300多种生物制剂正在进行临床试验，近千种处于前期的实验室研究阶段。1987年，所有上市的基因工程药品产值约5.4亿美元，到了2010年，7种主要生物技术药品的销售额已达1400亿美元。2010年，全球生物制药产值高达8750亿美元。医药行业同样是我国增长速度最快的行业之一，1978—1998年，年均增长率达18%，生物药品也保持高速增长，1990年中国生物技术药品产值为18亿元，1997年则超过30亿元，到2011年已达1000多亿元。近年来，由于生活方式、环境变化及人口老龄化等因素，全球肿瘤、心血管病和遗传性疾病患者大幅增加，我国也不例外，以上疾病已经成为我国患者人数最多的病种，患者人数年增长速度超过10%。由于生物药品在治疗以上疾病方面比传统药品效果更显著，人们对生物药品的需求日益增大。这清楚地表明，基因工程药物的产业前景十分光明，21世纪整个医药工业的产品将更新换代。

（二）疾病的预防和诊断

我国早在10世纪就已开始种痘预防天花，这是利用生物技术手段达到疾病预防的最早例子。但传统的疫苗生产方法使某些疫苗的生产和使用存在着免疫效果不够理想、被免疫者有被感染的风险等不足，科学家们一直在寻找新的生产手段和工艺，而用基因工程生产重组疫苗可以达到安全、高效的目的。例如，已经上市或已进入临床试验的病毒性肝炎疫苗（包括甲型和乙型肝炎等）、肠道传染病疫苗（包括霍乱、痢疾等）、寄生虫疫苗（包括血吸虫、疟疾等）、流行性出血热疫苗、EB病毒疫苗等。

1998年年初，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了首个艾滋病疫苗进入人体实验，其后又有多个新型疫苗进入人体实验。这预示着艾滋病或许可以像乙型肝炎、脊髓灰质炎等病毒性疾病那样得到有效的预防。(www.xing528.com)

利用细胞工程技术可以生产单克隆抗体。单克隆抗体既可用于疾病治疗，又可用于疾病的诊断。自从1986年美国FDA批准鼠抗CD3单克隆抗体用于抗移植排斥反应的预防性治疗，至2012年年底，欧美市场已批准30余种治疗性抗体上市，另有300余种进入临床研究阶段，主要用于移植排斥、肿瘤及一些自身免疫性疾病的治疗。单克隆抗体更多的是用于疾病的诊断和治疗效果的评价。2011年，全球单抗药物的市场总量已经达628亿美元，国内市场规模超过10亿元，并且每年以50%以上的速度递增。

用基因工程技术还可生产诊断用的DNA试剂，称为DNA探针，主要用来诊断遗传性疾病和传染性疾病。

基因芯片（gene chip）是生物芯片的一种，是近年来发展起来的一种高通量、高特异性的DNA诊断新技术。基因芯片又称寡核苷酸芯片、DNA激阵列或DNA芯片，通过把大量的DNA片段以可寻址的方式，高密度地固定到一块指甲大小的玻璃片或硅片上，利用核酸碱基之间的配对，作为进行样品DNA高通量、高特异性、并行分析信息的研究工具。基因芯片具有广泛的用途，它可用于遗传性疾病、传染性疾病及肿瘤等疾病的诊断，DNA序列分析，药物筛选，基因表达水平的测定等领域。

（三）基因治疗

导入正常的基因来治疗由于基因缺陷而引起的疾病一直是人们长期以来追求的目标。但由于其技术难度很大，困难重重。一直到1990年9月，美国FDA批准了用ada（腺苷脱氨酶基因）基因治疗严重联合型免疫缺陷病（一种单基因遗传病），并取得了较满意的结果。这标志着人类疾病基因治疗的开始。目前，已有涉及恶性肿瘤、遗传病、代谢性疾病、传染病等的多个治疗方案正在实施中。我国则有涉及血友病、地中海贫血、恶性肿瘤等多个基因治疗方案正在实施中。

（四）人类基因组计划（HGP）

1986年，美国生物学家、诺贝尔奖获得者Dulbecco首先倡议，全世界的科学家联合起来，从整体上研究人类的基因组，分析人类基因组的全部序列以获得人类基因组所携带的全部遗传信息。毫无疑问，该项工作的完成，将使人们深入认识许多困扰人类的重大疾病的发病机制；阐明种族和民族的起源与演进；进一步揭示生命的奥秘。1990年春，美国国立卫生研究院（NIH）和能源部（D0E）联合发表了美国的人类基因组计划，1990年10月1日正式启动，历时三个五年计划（1990—2005年），耗资30亿美元。

人类基因组计划与阿波罗登月计划、曼哈顿原子弹计划并称为人类科学史上的“三大计划”。经过参与国众多科学家的共同努力，2000年6月26日，美国总统克林顿在白宫举行记者招待会，郑重宣布：经过上千名科学家的共同努力，被比喻为生命天书的人类基因组草图已经基本完成（测序完成97%，序列组装完成85%）。2001年2月12日，由美国、日本、德国、法国、英国和中国组成的国际人类基因组计划及美国Celera公司联合宣布对人类基因组的初步分析结果。2003年4月15日，美国、英国、德国、日本、法国、中国6个国家共同宣布人类基因组序列图完成，人类基因组计划的所有目标全部实现。2004年10月，人类基因组完成图公布。