生物技术在应用药物化学中的应用

1、-作者xxxx-日期xxxx生物技术在应用药物化学中的应用【精品文档】 生物技术在应用药物化学中的应用摘要：本文先简要地介绍生物技术中的主要几个技术分支，以及研究的方向还有应用药物化学的研究任务和目的，再通过技术的分析讨论生物技术在应用药物化学的研究中起到的重要作用。最后简单列举生物技术药物的发展现状。关键词：生物技术;药物化学;应用正文：1. 什么是生物技术生物技术（Biotechnology），是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，采用先进的科学技术手段，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。生物技术是人们利用微生物、动植物体对物质

2、原料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。生物技术是一门新兴的，综合性的学科。现代的生物技术主要包含基因工程、分子生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、有机化学、无机化学、物理化学、物理学、信息学及计算机科学等多学科技术，可用于研究生命活动的规律和提供产品为社会服务等。1.1. 细胞工程细胞工程（Cell engineering）是生物技术中最基础的，最重要的，是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞

3、工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。1.2. 基因工程基因工程（Genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。基因工程是生物技术中的核心技术。其中包括： 核酸分子杂交技术，DNA序列分析技术，基因定点突变技术以及聚合酶链反应技术等。11.3. 蛋白质组学蛋白质组（Proteomics）学本

4、质上指的是一门大规模、高通量、系统化的研究某一类型细胞、组织或体液中的所有蛋白质组成，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。虽然基因决定蛋白质的水平，但是基因表达的水平并不能代表细胞内活性蛋白的水平，蛋白质组学分析是对蛋白质翻译和修饰水平等研究的一种补充，是全面了解基因组表达的一种必不可少的手段。蛋白质组学相关技术的发展极大地推动了蛋白质组学的研究进展，使其在各研究领域得到了广泛的应用。21.4. 免疫学免疫学（Immunology）免疫学是研究机体免疫系统组织结构和生理功能,揭示免疫系统识别自我和非我、

5、产生免疫应答、排斥非我的规律,并应用这些规律来阐明疾病发生和发展机制,建立疾病预防和诊断技术及方法的学科。免疫学基础理论研究的逐步深入,不但使人们对人体生理机制和多种疾病的发生、发展机制有了更深入的了解,同时也为防病、治病打下了坚实基础,促进了药学、微生物学、遗传学、细胞与分子生物学等学科疑难问题的解决,并带动了这些学科的发展。免疫学可以说得上在生物技术上与应用药物化学的连接最为密切的分支。31.5. 仪器分析仪器分析（Instrument analysis）严格上说并不属于生物技术研究领域的分支，但是仪器分析在整个生物技术的研究中起到了无可替代的作用。仪器分析是指采用比较复杂或特殊的仪器设备

6、，通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的一类方法。仪器分析与化学分析(Chemical analysis)是分析化学(Analytical chemistry)的两个分析方法。主要应用在生物技术上的分析方法有高效液相色谱法，气相色谱法法，质谱分析法，核磁共振波谱法，红外光谱法以及紫外光谱法等。42. 应用药物化学研究药物化学（Medicinal chemistry）是发现和发明新药,合成化学药物,阐明药物构效关系，研究药物分子与机体细胞和生物大分子之间相互作用规律的一门综合性学科。药物化学这门学科有着十分丰富的内涵和广阔的研究领域,既

7、要研究化学药物的结构、性质和变化规律,又要了解用于人体后的生理、生化效应。药物化学在创制新药中,首先提供后续学科研究的物质基础,因而起着十分重要的作用,是药学研究领域中的带头学科。药物化学的主要任务包括:研究药物化学结构与生物活性间的关系，通常称为构效关系(structure-activity relation-ships,SAR);化学结构与理化性质间的关系;阐明药物与受体,包括酶、核酸和离子通道等的相互作用;鉴定药物在体内吸收、转运、分布的性质及代谢产物。为研究设计新药及临床上科学合理用药、药物制剂分析检验提供化学依据。药物化学还要研究药物合成新工艺、新技术和新方法,以提高药物合成设计水平

8、。药物化学的任务还包括通过药物分子设计(molecular drug design)或对具有一定生物活性化合物的分离、鉴定或结构修饰,获得新化学实体,创制新药。当代的药物化学是建立在有机化学及相关的物理化学、结晶学、光谱学、计算机信息技术及多种生命科学,例如,生物化学、药理学、分子生物学、免疫学、毒理学基础上的一门应用性基础学科。特别是近20年以来,由于计算机技术、现代合成技术、生物技术的应用以及分子生物学、遗传学、免疫学等学科的飞速发展,以及这些学科间的相互衔接和渗透,为药物化学的理论与实践提供了进一步的科学依据,并注入了新的活力,因而,可能深入地从化学上理解药物与机体的相互作用和药物呈现药

9、理作用的分子机制,以及化学结构与生物活性关系的内涵。这样,药物化学本身已发生了巨大的变化,逐渐发展为富有科学性的学科。探索、研究发现新的高效低毒的药物一直是药物化学的发展动力和核心工作,先导化合物的设计、发现及先导化合物结构优化这两项工作是药物化学研究最根本的任务,也是创新药物研究成败的关键。为此,药物化学家都在思考和研究如何更多更快地发现先导化合物和更加合理地对其进行结构优化和合成,有关此方面新的理论、新方法和新技术近二十年来取得了很大的进展。5 图1 天然药物开发流程63. 生物技术与应用药物化学的结合3.1. 细胞工程技术与应用药物化学作为中药和天然药物发挥药效活性的物质基础,天然活性成

10、分往往含暈很低,而天然野生资源随着药物的开发利用储存量不断下降,其原料药来源能否满足批量化生产的需求,就是所有天然创新药物开发所共同面临的重大难题,也是高水平天然药物能否广泛应用并走向世界的瓶颈。目前已有石解、人参、百合等利用器官大规模培养试验成功的报道。近年更有采用发根农杆菌感染植物组织,形成毛状根,扩增速度十分快速,近年已发展一种新的培养系统,如用吨发酵罐生产的人参毛状根7已可商品化生产川还可用根瘤农杆菌感染植物组织形成畸形芽,并已在薄荷、颠茄、烟草等药用植物上取得成功。上世纪年代人类首次运用无性繁殖成功地诞生了一头名叫多利的绵羊,为本世纪利用生物技术来繁殖濒危药用动物,如犀牛、察、虎、穿

11、山甲等带来希望及新的热点。8基因工程药物一直面临的难题是产量低的问题，一方面这与基因在细胞内的表达量有关，另一方面则与细胞的大规模的培养，细胞的破碎等流程有关，因此细胞工程相关的技术对药物的获取具有很重要的影响。分子生物学和分子药理学等新兴学科的出现,为阐明许多生物大分子如酶、受体等与疾病发生的关系作出了重要的贡献。这些生物大分子在生命活动中起着十分重要的作用,往往就是药物作用的靶点。迄今已发现作为治疗药物靶点的总数达到近500个9,还不包括抗菌、抗病毒、抗寄生虫药的作用靶点,其中受体尤其是G -蛋白偶联的受体(GPCR)靶点占绝大多数。就目前上市的药物来说,以受体为作用靶点的药物约占52%,

12、以酶为作用靶点的药物约占22%,以离子通道为作用靶点的药物约占6%,以核酸为作用靶点的药物占约3%。人类基因组计划已发现人类约有近4万个基因,其中80%以上的功能尚待揭示。据估计人类基因中有约10%能够成为药物作用的靶标,则3 500个新靶标有待于利用,可为合理药物设计提供大量新的靶标,成为新药创制的切入点5,10。3.2. 基因工程与应用药物化学基因工程药物是先确定对某种疾病有预防和治疗作用的蛋白质,然后将控制该蛋白质合成过程的基因取出来,经过一系列基因操作,最后将该基因放入可以大量生产的受体细胞中去,这些受体细胞包括细菌、酵母菌、动物或动物细胞、植物或植物细胞,在受体细胞不断繁殖过程中,大

13、规模生产具有预防和治疗这些疾病的蛋白质,即基因疫苗或药物11,12。基因工程药物主要来自三个方面:一是微生物基因工程,即把目的基因导入大肠杆菌等工程菌中,通过微生物表达目的基因的产物;二是细胞基因工程,即用哺乳动物细胞株表达目的产物;三是转基因动物,即将目的基因直接导入鼠、兔、羊、猪体内,使目的基因在哺乳动物体内表达,从而获得目的产物。基因工程药物种类大致分为如下几种：干扰素是哺乳动物细胞在诱导下产生的一种淋巴因子,能够加强巨唾细胞的吞唾作用和对癌细胞的杀伤作用,抑制病毒在细胞内的增殖,用于肿瘤和其他病毒病的治疗。生长激素人体生长激素能够治疗侏儒症和促进伤口愈合,动物生长激素能够加速畜禽生长发

14、育。目前,人和动物的生长激素基因都己经在大肠杆菌中成功表达,在医学和畜牧业领域取得了很好的应用效果。红细胞生成素是一种肾脏产生的作用于肾髓的造血相关细胞因子,使原始红细胞的成熟期缩短,调节肾髓中的造血细胞含量,用于肾功能不全引起的贫血、放射化疗引起的贫血以及其他一些罕见的贫血症的治疗,还可用于外科手术前准备自体输血的病人。红细胞生成素目前是在培养的哺乳动物细胞中表达,但成本较高,生产过程复杂。白细胞介素是一种抗肿瘤免疫因子,可促进T细胞的生长、增殖和分化,也可促进B细胞的生长和增殖,同时能够增强杀伤性淋巴细胞的功能,也用于癌症的治疗。集落刺激因子分为2类,一类为粒细胞集落刺激因子,另一类为巨啦

15、细胞集落刺激因子,二者都可促进体内白细胞的增殖、增强粒细胞的功能,调控造血功能用于肿瘤病人化疗后细胞下降等的治疗1,13,14。药物筛选是发现新药的重要途径,随着基因工程技术的发展,促使建立在基因水平上的药物筛选模型大量出现,为发现有新颖药理作用的先导化合物提供了重要手段。应用于药物筛选中的基因工程基本技术有:重组受体、转基因动物、基因探针、基因芯片技术等。尤其在新药研发中各种筛选模型需要广泛使用靶酶和受体,但它们往往由于来自动物体内而数量有限,不利于大量筛选。应用基因重组技术将一些靶酶的活性中心或受体的配体、亚基等在微生物中大量表达即可解决这一难题。例如:应用基因重组工程菌-大肠杆菌来表达真

16、核生物大鼠的DNA聚合酶已获成功,这为大量筛选DNA聚合酶抑制剂提供了充足的靶酶1。3.3. 蛋白质组学与应用药物化学蛋白质组学以全面的蛋白质研究为基础,在蛋白质水平对疾病机理、细胞模式、功能联系等方面进行研究。蛋白质组是由一个细胞或一个组织的基因组所表达的全部相应的蛋白质,蛋白质组研究中的关键技术双向凝胶电泳是利用不同蛋白质的物理、化学性质的差异,把复杂蛋白混合物中的蛋白质在二维平面上展开在应用研究方面,通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析,找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”,因此蛋白质组学将成为寻找疾病分子标记和药物靶标最有效的方法之一15。基因组学和蛋白质组学等新技术为天然药物作

17、用靶位或受体的发现和鉴别提供了新的手段,但从整体观念来看,代谢物组学反映代谢网络中多个生物化学途径的化合物成分和含量的经时变化,能发现具有疗效的生物化学物质,这与天然药物尤其是中药作用的整体观念一致,可以解决中药中难以认识的整体效应,从而认识药物作用的物质基础。在中药现代化研究中,代谢物组学更容易发现药物作用的生物化学物质基础和作用机制16。例如,利用代谢物组学研究磷酸二酯酶IV抑制剂CIF-1018形成的血管损伤和炎症反应的关系中,发现该化合物引起的尿代谢物图谱改变是血管损伤造成的,而与炎症反应无关8。3.4. 仪器分析与应用药物化学现代药物研究已深入到分子水平和电子水平,关联到诸多新学科和

18、新技术,特别是现代仪器分析技术日新月异,为药物化学提供了强有力的研究手段,发挥着非常重要的作用。现在可借助现代色谱和光谱技术以及色谱-光谱联用等新技术如X-射线衍射、高分辨核磁共振及多维核磁共振、HPLC-MS等技术以及电生理、分子力学、量子化学和计算机技术来研究药物分子和靶分子的三维结构、药效构象、二者结合模式及其复合物的电子结构,药物代谢动力学性质、探讨药物构效关系、推测其作用机理和生物活性等一系列复杂问题和进行复杂体系分析6。生物色谱法是由生命科学与色谱分离技术形成的交叉技术,它将活性生物大分子、活性细胞膜、活细胞固着在色谱载体上,作为一种生物活性填料,用于液相色谱法,形成一种能够模仿药

19、物与生物大分子、靶体或细胞相互作用的色谱系统,这样就能用色谱中的各种技术参数定量表征生物大分子、靶体间相互作用,揭示药物的吸收、分布、活性、构效关系、生物转化、代谢等机理,是化学成分-效应-作用机理联动的一种药物研究方法,尤其适合于天然药物效应物质基础的研究17。对于中药等成分复杂的研究对象,生物色谱法由于固定相能够特异性、选择性地与活性成分结合,排除大量非作用杂质成分的干扰,而且可以将中药的提取液直接进样,分析速度快,是研究中药等复杂对象的有效手段,已成功应用于中药活性成分的筛选、药物作用机理的研究18。例如,采用固定在生物色谱柱上的红细胞,对当归的活性成分进行分离19。4. 生物技术药物的

20、发展现状自1982年第一个重组人胰岛素上市以来，经过30余年的发展，目前有150多个生物技术药物上市，其中一些成为市场上重磅炸弹式的药物。生物技术药物销售收入己连续多年保持了15%以上的增速，世界前20位畅销药中有7个生物技术药物。一般讲，生物技术药物生产企业是指生物技术药物贡献了一半以上营业收入的医药企业。据此，2011年，全球10大生物技术药物公司如表1所示，罗氏以371亿美元居首，安进以156亿美元次之。2011年10大生物技术药物如表2所示，药物以单抗为主，雅培的治疗类风湿性关节炎的阿达木单抗以79亿美元成为最畅销生物技术药物20。表1 2011年10大生物技术药物公司(根据生物技术药

21、物营业收入排名)20 表2 2011年10大生物技术药物20 表3国产主要单抗药物20随着化学新药创制难度增大，生物技术药物逐步成为创新药物的重要来源。早期的生物技术药物主要包括重组激素/蛋白质、重组生长因子、细胞因子等产品，自1987年第一个治疗性单克隆抗体药物(Orthoclone OKT3)获准上市，在随后的20多年中，基于抗体技术的药物，其市场得到快速扩张，成为领先的重磅炸弹式的药物。万亿美元，生物技术药物市场将达到约2100亿美元，占全球药品费用总支出的17%左右20。5. 参考文献1侯晶. 基因工程技术对药物发展的影响分析D.东北大学,2012.2尹稳,伏旭,李平. 蛋白质组学的应用研究进展J. 生物技术通报,2014,01:32-38.3朱庆平,江海燕,钱万强,陈涛. 我国免疫学研究主要进展与发展探讨J. 中国基础科学,2009,04:22-25.4李赞忠,乔子荣. 现代仪器分析技术的新进展J. 内蒙古石油化工,2010,23:69-70.5韩玲军,李青山. 药物化学研究的新进展J. 山西医科大学学报,2004,04:432-434.6史清文,李力更,霍长虹,张嫚丽,王于方. 天然药物化学研究与新药开发J. 中草药,2010,10:1583-1589.7常任,刘绦,胡之璧.植物细胞和器官大规