生物技术在医学方面的应用1

生物技术在医学方面的应用 学院：机电工程学院 学号：110311238 姓名：高才渊 【摘 要】：随着基因克隆技术趋向成熟和基因测序工作逐步完善,后基因时代逐步到来。 人们逐渐认识到,无论健康或疾病都是生物分子的相互作用的结果,生物分子起关键性作用。 近十年,分子生物技术已成为医学领域极其有力的研究工具。生物传感器、基因芯片技术、 分子生物芯片技术、分子生物纳米技术在医学研究中得到广泛应用。同时,在结构基因组学、 功能基因组学和环境基因组学逢勃发展的形势下,分子生物医学技术将会取得突破性进展,也 给医学带来了崭新的局面,为医学事业的发展提供了新的机遇。 【关键词】：生物技术、医学应用、前景 生物技术概述生物技术概述 生物技术是指以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基 础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产 出所需产品或达到某种目的。它主要包括传统生物技术和现代生物技术。分子 生物技术也称之为生物工程,是现代生物技术的主要标志,它是以基因重组技术 和细胞融合技术为基础,利用生物体(或者生物组织、细胞及其组分)的特性和功 能,设计构建具有预期性状的新物种或新品系,以及与工程原理相结合进行生产 加工,为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系,其内容包括基因工程技术、 细胞工程技术、DNA 测序技术、DNA 芯片技术、酶工程技术等。现代分子生物技 术的诞生以 70 年代 DNA 重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用为标志, 迄今已走过了 30 多年的发展历程。实践证明在解决人类面临的粮食、健康、环 境和能源等重大问题方面开辟了无限广阔的前景,受到了各国政府和企业界的广 泛关注,是 21 世纪高新技术产业的先导。医学领域是分子生物技术最先登上的 舞台,也是目前现代分子生物技术应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力 也最大的一个领域。据统计,国际上分子生物技术领域所取得研究成果的 60%以 上集中在医学领域。 二十一世纪，生物医学发展的主要特点之一是对生命现象和疾病本质的认 识逐渐向分子水平深入。DNA 双螺旋结构的发现为分子医学和基因医学的发展 奠定了基础。事实上，无论健康或疾病状态都是生物分子及相互作用的结果， 生物分子中起关键性作用者为基因及其表达产物蛋白质。因此，从本质上说， 所有的疾病都可以被认为是“基因病” 。近十年来，分子生物技术已成为医学领 域最有力的研究工具。生物传感器、分子生物纳米技术、分子生物芯片技术、 基因芯片技术等等在医学中的重要性正在突出显现。 2 2、生物技术在医学领域的重要应用、生物技术在医学领域的重要应用 2.1 生物传感器在医学中的应用 生物传感器是传感器的一种，它是一门由生物、化学、物理、医学、电子 科技等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，在生物、医学、环境监测、食 品及军事等领域有着重要应用价值，已引起世界各国的极大关注。 生物传感器是利用一定的生物或化学固定技术,将生物识别元件(如酶、抗 体、抗原、蛋白、核酸、受体、细胞、微生物、动植物组织)固定在换能器上, 当待测物与生物识别元件发生特异性反应后,通过换能器将所产生的反应结果转 变为可以输出、检测的电信号和光信号等,以此对待测物质进行定性和定量分析,从 而达到检测分析的目的。生物传感器可以广泛地应用于对体液中的微量蛋白、 小分子有机物、核酸等多种物质的检测。在现代医学检验中,这些项目是临床诊 断和病情分析的重要依据。能够在体内实时监控的生物传感器对于手术中或重 症监护的病人都很有帮助。生物传感器在医学领域发挥着越来越大的作用：在 临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器，利用具有不同生物 特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器；在军事医学中，对生物毒素的及 时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于检测多种病菌、 病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳素、尿酸、尿素、抗生素、 谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和质变物质。 2.2 分子生物纳米技术在医学中的应用 （1)、分子生物纳米技术在基因诊断中的应用 基因诊断是利用分子杂交及荧光技术检测 DNA 片段,已经为基因诊断在临床 上的应用带来了巨大的发展前景。研究表明,利用纳米技术,如利用金纳米微粒 结合杂交 DNA 片段,很容易进入机体细胞核,并与核内染色体组合,具有较高的特 异性,可以克服目前基因诊断所面临的一些困难和问题,进一步提高了基因诊断 在实验室中的地位。科学家通过超顺磁性氧化铁纳米粒脂质体对肝癌的研究,提 高了直径 3 mm 以下的肿瘤检测率。结论表明,纳米微粒对肿瘤早期发现、早期 诊断具有重要意义。 （2） 、分子生物纳米技术在医学制药中的应用 分子生物技术发展的一个重要方向是医学制药的研究与开发。与传统的化 学合成制药相比,它不仅具有针对性强、疗效好、副作用较小的优点,同时对蛋 白质药物改造、提高疗效、降低毒性、提高稳定性具有重要作用,并且能够利用 生物系统,将自然界中存在的含量极低的有效生物活性物质进行大规模生产以及 建立起高效、快速、准确、简便的分子诊断技术和开发出新药,更重要的是可以 预防和治疗一些应用传统治疗方法无法克服的疾病。目前这一领域的应用主要 包括以下几个方面:生产基因工程药物;生产发酵工程药物;生产核酸类药物;利 用生物系统加工天然药物;从海洋生物中纯化提取药物。 （3） 、分子纳米技术在基因疗法中的应用 基因治疗是临床治疗学上的重大发展,其基本原理是:质粒 DNA 进入目的细 胞后,可以修复遗传错误,或可产生治疗因子,如多肽、蛋白质、抗原等,纳米技 术能使 DNA 通过主动靶向作用定位于细胞。将质粒 DNA 缩小到 50200nm,带上 负电荷进入到细胞核,插入到细胞核 DNA 的确切部位,起到对症治疗效果。同时 分子纳米技术能够快速有效地确定基因序列、基因和药物的体内走向、传送和 定位传递,使临床诊断和治疗过程效率得以提高。同时无机纳米颗粒体积小,可 在血管中随血液循环,透过血管壁进入各个脏器的细胞中,作为新型非病毒型基 因载体能有效介导 DNA 的转导,并使其在细胞内高水平的表达,从而为基因表达、 功能研究及基因治疗提供了新的技术和手段。 2.3 分子生物芯片技术在医学检验中的应用 随着分子生物学的发展及人们对疾病过程的认识加深,随着人类基因组计划 (HGP)的完成,蛋白质组计划也已经启动,基因序列数据、蛋白序列和功能数据以惊人的速度 增长,而传统的生物技术已经不能满足数据倍增的要求,生命科学需要更快捷、更准确的自动 化的生物技术,而生物芯片在这种情况下应运而生。所谓的生物芯片是指将大量探针分 子固定于支持物上(通常支持物上的一个点代表一种分子探针),并与标记的样品 杂交或反应,通过自动化仪器检测杂交或反应信号的强度而判断样品中靶分子的 数量。在检测病原菌方面,由于大部分细菌、病毒的基因组测序已完成,将许多 代表每种微生物的特殊基因制成 1 张芯片,通过反转录可检测标本中的有无病原 体基因的表达及表达的情况,以判断病人感染病原及感染的进程、宿主的反应。 由于 P53 抑癌基因在多数肿瘤中均发生突变,因此其实是重要的肿瘤诊断靶基因。 2.4 基因芯片技术在医学中的应用 生物芯片技术是随着“人类基因组计划”的进展而发展起来的。它是二十 世纪九十年代中期以来影响最深远的科技进展之一，为“后基因组计划”时期 基因功能的研究提供了强有力的工具。生物芯片技术包括基因芯片、蛋白质芯 片、细胞芯片、组织芯片以及元件型微阵列芯片。它可以大规模、高通量地对 成千上万个基因进行同时研究，从而克服了传统分子生物基因测序时，每个核 苷酸或突变位点都必须检测出来：如果芯片仅用检测基因表达，只需设计出针 对基因中的特定区域的几套寡核苷酸即可。表达检测需要较长的杂交时间。更 高的样品浓度和低温度，这有利于增加检测的特异性和低拷贝基因检测的灵敏 度。突变检测需要鉴别出单碱基错配，需要更高的杂交严谨性和更短的时间。 生物芯片技术主要应用于测序、寻找与疾病有关的新基因、基因表达分析和药 物研究与开发等等。 3 3、生物技术在医学领域中应用前景、生物技术在医学领域中应用前景 在新的世纪里，生命科学的新发现，生物技术的新突破，生物技术产业的 新发展将极大地改变人类及其社会发展的进程。日益成熟的转基因技术、克隆 技术以及正在加速发展的基因组学技术和蛋白质组技术、生物信息技术、生物 芯片技术、干细胞组织工程等关键技术，正在推动生物技术产业成为新世纪最 重要的产业之一，深刻地改变人类的医疗卫生、农业、人口和食品状况。尽管 世界各国对高科技领域范围的界定不完全相同，但几乎无一例外地将生命科学 和生物技术放在重要位置。特别是近二十年来，生命科学与生物技术获得了飞 速发展，为世界各国医疗业、制药业、农业、环保业等行业开辟了广阔发展前 景。世界上许多国家已把发展生命科 学、生物技术及其产业作为赢得未来竞争 的战略选择。 目前，生命科学的研究热点仍然集中在基因组学、蛋白质学等领域。继 2000 年人类基因组计划完成之后，水稻、疟原虫、蚊子和老鼠的全部 DNA 序列 测定也在 2002 年完成，这些研究成果都直接与粮食生产和人类健康有关。老鼠 和河豚鱼基因序列的测定，将可能为人类提供关于脊椎动物进化的重要线索。 特别是科学家们已经把目光投入到功能基因组学(Functional Genomics)和蛋白 质组学(Proteomics)这两个极富挑战性的领域，这将带来更多与人类自身发展 密切关联的重大研究成果。 当代科学技术发展正在呈现出前所未有的技术融合趋势。特别是生物技术 与其他高技术的融合，形成了生物芯片、生物信息、生物材料、生物物能源、 生物光电、生物传感器等高技术领域，产生了生物技术群。比如，生物芯片技 术的开发和运用，将在生物学和医学基础研究、疾病诊断、新药开发、食品、 农业、环保等广泛领域中开辟一条全新的道路，改变生命科学的研究方式，革 新医学诊断和治疗。据 Goldman Sachs 最新技术报告显示，美国的 IBM、Sun、 康柏和摩托罗拉等公司都已与生物技术公司达成了广泛合作意向，内容涉及到 DNA 敏感基因芯片、通过计算机模拟药效等各种技术领域。据有关专家估计， 到 2010 年全球仅生物芯片的市场就将达到 600 亿美元。科技发展的这一突出现 象以及由此带来的产业深层次变革，已经引起许多国家的高度关注。 4 4、我对生物技术的认识我对生物技术的认识 第一，技术本身两面性。 第二，技术目的性决定技术发展的方向。 第三，对伦理问题的讨论并非杞人忧天。 已有不少事例证明，新科学技术对伦理道德观念的冲击，会逐渐得到解决。 人类社会具有接纳科学技术新成果的无限潜力，人类社会能够不断改变观念， 走向更高伦理道德境界。 二十一世纪是分子生物学继续发展的阶段，还有不少技术热点正在成熟。 如用转基因动植物来生产生物工程产品；基于基因芯片技术中缩微芯片实验室 等等。随着分子生物技术研究的不断进步和应用，随着多科学交叉，大科学时 代的到来，分子生物技术将日臻完善。可以预见在几年内，子生物技术将改变 医学的研究方式，革新医学诊断和治疗，从而进一步促进人类 健康水平的提高。 现代生物技术在众多领域都起到了重要作用，其在医学领域的应用可以说改变 了现代医学的发展，对人类基因和遗传学的研究，帮助人类在医学领域逐渐改 变