上海干部在线学习城讲义之生物技术对人类健康的影响

上海干部在线学习城讲义之生物技术对人类健康的影响生物技术的发展现状大纲一、生物技术的概念与产生1．生物技术和健康的概念2．生物技术的产生与发展二、现代生物技术的进展1．现代生物技术发展史上的重要事件2．现代生物技术的研究方向三、各国生物技术的现状1．美国2．英国3．法国4．德国5．瑞典6．巴西7．日本8．印度9．新加坡10．中国知识点汇总概念C01：技术C02：生物技术C03：健康原理K01：生物技术的起源K02：近代生物技术的诞生K03：现代生物技术的发展K04：现代生物技术发展史上重要事件K05：现代生物技术进展的主要方面K06：美国的生物技术现状K07：英国的生物技术现状K08：法国的生物技术现状K09：德国的生物技术现状K10：瑞典的生物技术现状K11：巴西的生物技术现状K12：日本的生物技术现状K13：印度的生物技术现状K14：新加坡的生物技术现状K15：中国的生物技术现状信息I01：1802年,生物学从博物学中独立出来，是法国科学家拉马克（Lamarck）命名的，以瑞典的林奈（Linnaeus）创立双名法分类系统为基础I02：生物技术作为专业名词在1917年由匈牙利工程师KarlEreky提出I03：1990年，人类基因组计划在美国正式启动，2003年4月14日，中、美、英、日、法、德六国科学家宣布：人类基因组序列图绘制成功I04：2002年中国独立完成水稻基因组研究，使其杂交水稻处于世界领先水平正文一、生物技术的概念与产生1．生物技术和健康的概念技术，泛指人类基于实践经验和知识而形成的操作方法、工艺或技能。在各个领域均有体现，宏观的如科学技术、工程技术、农业技术；微观的如开车技术、修理技术、种菜技术等。生物技术属于宏观到中观层面的技术。（1）生物技术概念生物技术（biotechnology）是应用自然科学和工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术（1982年，OECD）。具体来说，生物技术就是应用生命科学研究成果，以人们意志设计，对生物或生物的成分进行改造和利用的技术。现代生物技术综合分子生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、化学、物理学、信息学、计算机等多学科技术，可用于研究生命活动的规律和提供产品为社会服务。它包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程等。生物技术有时（不严格地）也称生物工程，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研究目的。现代生物技术已发展到高通量组学（omics）芯片技术、基因与基因组、人工设计与人工合成生物学等系统生物技术。（2）健康概念以前，人们习惯认为“没有疾病就是健康”；1977年，世界卫生组织将健康概念确定为“不仅仅是没有疾病和身体虚弱，而是身体、心理和社会适应的完满状态”；20世纪90年代，健康的含义注入了环境的因素，即健康为：“生理—心理—社会—环境”四者的和谐统一；进入21世纪，还有人提出“健、康、智、乐、美、德”组成所谓“大健康”概念，大健康成为幸福人生的更佳境界。人类健康是指建立在个体健康基础上的人类总体宏观健康概念，是个体健康的集中体现。2．生物技术的产生与发展生物学起源于西方的博物学，历史上指对大自然的宏观观察和分类，范围广泛，包括对植物、动物、矿物的研究，还包括现代意义上的地理、天文学,甚至人类学等。1802年，生物学从博物学中独立出来，由法国科学家拉马克（Lamarck）命名，以瑞典的林奈（Linnaeus）创立双名法分类系统为基础。这一阶段称为经典生物学时期，主要研究生物的分类和部分功能。第二阶段以从1838年开始的细胞学说和1900年建立的经典遗传学作为主要代表，这一阶段称为实验生物学阶段，一直延续到1953年。第三阶段从1953年华生（Watson）和克里克（Crick）发现DNA双螺旋结构为起点的分子生物学时期开始，直到今天。这三个阶段对应了现代生物学发展的三阶段。（1）生物技术的起源——古老生物技术生物技术是最古老的技术，可追溯到一千多年前。其实，农业活动的开始便是生物技术的发端：当我们的祖先最早懂得制酱、酿酒、造醋等，这便是最初的发酵工程。但直到微生物的发现和微生物学的产生，经典遗传学的建立及相关化学理论和技术的出现，古老的生物技术逐步吸收并运用这方面的知识，才被纳入科学技术的轨道。古老生物技术的起源和生物学的起源发展有直接关系。（2）近代生物技术的诞生——传统生物技术生物技术作为专业名词在1917年由匈牙利工程师卡尔·艾瑞克（KarlEreky）提出，原意是指用甜菜作为饲料大规模养猪，含义是利用生物将原材料变成产品。经典遗传学的应用产生了遗传育种；细胞学的理论被用于生产便出现了细胞工程；酶学理论与化工技术的结合便产生了酶工程；半个世纪前，抗菌素工业的突起，标志着发酵工业已进入工程技术领域。但随着科学技术的发展，用现代科技的眼光来看，上述发展只能称为传统的生物技术，其地位在各类其他技术领域面前仍显得渺小，其原因在于它的价值尚不足以影响国计民生。只有当它演变成现代生物高技术时，才具备了划时代的意义和战略价值。（3）现代生物技术的发展——高科技生物技术生物技术从传统技术演变到高技术的最主要因素是生物学，特别是分子生物学的最新理论成就和当代主要的尖端技术，如微电子高技术和电子计算机技术的相互渗透，在现代生物学诸领域中大量地使用高精尖仪器，如：超速离心机、液体闪烁计数仪、电子显微镜、高压液相色谱仪、DNA合成仪、DNA顺序分析仪、多肽序列仪等，这些仪器多由微机控制。这种渗透使得生物学研究得以深入到分子水平，从而才为各个生物工程的出现奠定了理论基础。特别是基因工程，若没有华生（Watson）和克里克（Crick）的DNA模板学说（中心法则）及雅各布（F.Jacob）和莫诺（J.Monod）的操纵子学说，没有限制性核酸内切酶的发现等分子生物理论上的突破，就不可能有当今基因工程高技术的出现。没有微生物营养缺陷型强迫杂交导致基因重组的微生物遗传学上的突破，便不会有今日的杂交瘤技术，当然就不会有单克隆抗体技术的出现。同样，没有细胞遗传学一系列技术方法的进步，也不会有今日细胞工程的出现。如果没有蛋白质晶体化学和蛋白质三维结构的深入分析，以及化工技术的进步，便不会有今日蛋白质工程和酶工程的产生。抗菌素工业本是发酵工程中的规模最大且工艺较先进的发酵工程，但唯有在引入计算机控制及传感器检测等技术后，才真正称得上发酵工程高技术。1982年，世界经济合作及发展组织（OECD）对生物技术名词重新定义：生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。在上述技术的发展过程中，社会的需求产生了在竞争机制作用下的横向联合。为求生存、求发展使人们渴求技术进步的主动性达到空前的强烈，从而使技术知识的传播及相互渗透以空前的深度和广度迅速进行。如：第一个DNA体外重组实验的成功，至今不到30年，但已有大批基因工程产品问世；而基因工程技术也早已渗透到细胞工程、酶工程、发酵工程等领域中去了，出现了一大批用传统技术方法无法研制的新产品。总之，在竞争机制下，同行或不同行的科学家、企业家之间的横向联合，是生物技术从传统技术转化为高技术的主要社会因素。二、现代生物技术的进展1．现代生物技术发展史上的重要事件1917年，首次使用生物技术名词；1943年，大规模生产青霉素；1944年，实验证明DNA是遗传物质；1953年，华生－克利克阐明DNA双螺旋结构；1961—1966年，破译遗传三连体密码；1977年，分离成功第一个限制型内切酶；1972年，首次合成完整tRNA基因；1973年，建立DNA重组技术；1975年，建立单克隆抗体技术；1976年，DNA测序技术诞生；1978年，美国基因公司在大肠杆菌中成功表达胰岛素；1980年，美国最高法院裁定，基因工程操作的微生物可获专利；1981年，第一个单克隆抗体诊断试剂盒在美国批准使用；1982年，第一个用DNA重组生产的动物疫苗在欧洲批准使用；1983年，基因工程Ti质粒用于植物转化；1988年，美国授予对肿瘤敏感的基因工程鼠专利；1988年，PCR方法问世；1990年，美国批准第一个体细胞基因治疗方案；1997年，英国培养出第一只克隆绵羊多利；1998年，美国批准艾滋病疫苗人体试验；1998年，日本培养出克隆牛，英国、美国培养出克隆鼠等；1999年，美国首次发现小鼠肌肉组织成体干细胞可横向转变成血液细胞；2003年，人类基因组测序计划完成；2007年，胚胎肝细胞研究获重大突破。在生物技术发展的历史中，值得一提的是各国的诺贝尔奖获得比例。从1901年到2010年，除了二次世界大战之外，每年一次评奖，共产生了608项各种诺贝尔奖，其中美国获284项，英国83项，德国66项，法国31项，瑞典18项，瑞士15项，荷兰14项，俄国14项，日本13项，奥地利11项。共有27个国家获得过诺贝尔奖，除了日本之外，全为欧美囊括。整个110年历史中，有7位美籍华人获奖，包括杨振宁、李政道、丁肇中、李远哲、朱棣文、崔琦等，我国本土还没有实现诺贝尔奖零的突破。我国在生命技术发展历史上，离诺贝尔奖最近的一次是1965年的人工合成结晶牛胰岛素，但是后来由于政治环境的变动，到1978年底才正式为此提出申请。我国这一项目在1965年的水平是很高，处于世界领先地位，但是到1978年的时候已经被欧美一些国家赶超了。所以，虽然瑞典皇家科学院接受了中国的申请，但是最后评审结果还是失败了。这一年的化学奖由美国和德国获得。从这个生物技术发展史来看，我国近年来在生物技术的研究上有很大发展和突破，但是离国际领先水平还有很大差距。2．现代生物技术的研究方向随着人类基因组、水稻基因组、拟南芥基因组以及其他重要微生物等50多种生物基因组全序列测定工作的完成，目前国际基因组研究开发的总体趋势已发生了新的变化，转入了对基因组功能的研究。进入后基因组时期，功能基因组和蛋白质组研究成为主要研究热点。（1）生物制药方面单克隆抗体药物正在兴起，全世界正在研制的生物技术药品中，四分之一为各类单克隆抗体。2010年，世界单克隆抗体药物的销售额已达200亿美元。（2）农业生物技术方面转基因农作物的研究和应用已有很大增长，四大转基因农作物已在全世界种植；澳大利亚研究者利用生物技术培育的水芹中含有Ω-3油脂，这种油脂能够降低心脏疾病的发生率。同时，转基因技术开发出含有乙型肝炎疫苗的马铃薯。（3）动物生物技术方面美国农业部生物技术研究者开发出能够自然抵抗乳腺炎的奶牛；阿根廷科学家利用生物技术，使乳牛产出的奶中具有足够的人类垂体生长素，以满足人类对该种激素的需求。（4）器官移植技术方面器官移植技术向异种移植方向发展，即利用现代生物技术，将人的基因转移到另一个物种上，再将此物种的器官取出来置入人体，代替人的生病的“零件”。另外，还可以利用克隆技术，制造出完全适合于人体的器官，来替代人体“病危”的器官。韩国的异种移植研究，通过生物技术使乳猪具有LAG基因，这种基因可以提高器官异种移植的耐受力，减少免疫排斥反应。（5）能源方面能源紧张已经是全球面临的关键性难题，近年来生物能源尤其受到重视，各国都在大力发展生物能源（包括生物乙醇、生物柴油和生物制氢等）、生物基化学品和生物材料等领域，并加大以工业微生物为代表的新型催化、转化过程的应用，以节能、减排、增效。生物技术在上述工业领域的作为，有可能为绿色循环经济提供根本性的解决方案，实现新的工业革命。（6）人类基因组方面1990年，人类基因组计划在美国正式启动，2003年4月14日，中、美、英、日、法、德六国科学家宣布：人类基因组序列图绘制成功。人类基因组计划的完成，有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症的致病机理，将为基因治疗提供必要的理论依据。2006年5月18日，人类1号染色体的基因测序图正式公布，1号染色体中的3141个基因全部测序完成，这些基因的缺陷涉及350多种疾病，如癌症、帕金森病和阿尔茨海默病等。至此，人类基因组计划圆满完成。三、各国生物技术的现状1．美国美国在生物技术领域处于全球领导地位，无论是在研究水平和投资强度上，还是在产业规模和所占市场份额上都是如此。目前，美国在艾滋病研究、基因组测序、克隆和干细胞研究等广泛领域均占据了领先地位，启动了基因变异鉴别工程，目的是寻找出20万个与人类疾病有关的变异基因，这方面的成果将有助于开发更有效、副作用更小的药物。联邦卫生部门还在着手进行“临床蛋白质组学计划”，开发以蛋白质组研究为基础的癌症诊疗技术。2006年，美国伊利诺斯大学和加利福尼亚大学的科学家采用世界上功能最强和运算速度最快的计算机，首次对卫星状烟草花叶病毒进行了其完整生命形态的数字仿真，模拟仿真了单个卫星状烟草花叶病毒所含的全部原子和在病毒周围的一个小水滴，两者加起来共有驳陆离100多万个原子。由于计算量巨大，该数字仿真病毒仅“存活”了50ns（1ns=10-9s）。该成果是在“飞速测试”生命有机体方面首次获得的重要进步，将有助于更好地了解病毒的工作机制。美国科学家安德鲁·菲尔和克雷格·梅洛因发现RNA干扰机制获2006年诺贝尔奖，科学家认为RNA干扰技术不仅是研究基因功能的重要工具，也可以使致病基因“沉默”用以治疗癌症和艾滋病等，还可用于农业。RNA干扰的应用前景令人兴奋不已。2．英国英国的生物技术产业仅次于美国，居世界第二，迄今英国在生物和医学领域已获得了80多个诺贝尔奖。DNA结构及单克隆抗体构造的发现，DNA指纹印的发明，以及抗体工程的进展等为产业的发展创造了十分有利的条件。英国是“人类基因组”计划的重要参与者，承担了约1/3的测序工作。英国又是世界上第一只克隆羊“多莉”的诞生地。此外，它在基因治疗等方面也有不俗的表现。英国纽卡斯尔大学达勒姆生物干细胞研究所的纳耶尼亚博士领导的研究小组，首次成功地用胚胎干细胞制造的人造精子培育出了生命。研究人员从老鼠的胚胎中分离出精原干细胞（可发育成早期精子细胞的干细胞）进行培养，最终培育出7只老鼠。这项研究成果有助于深入了解精子生成的生物过程，也为科学家研究生命如何孕育提供了动物模型。更重要的意义在于首次表明由人类培育出的精子可以最终形成完整的生命个体，这为研究遗传学、癌症或细胞重组等学科提供了思路，也为解决人类不育症带来了新的希望。英国纽卡斯尔大学的学者首次利用脐带血干细胞培育出微型人造肝脏。他们首先从婴儿脐带血中提取干细胞，然后将干细胞放入生物反应器，并添加激素和化学物质，刺激干细胞形成肝脏组织。这些微型肝脏已可用来测试新药。还可以培育出修复肝脏损伤的人造肝脏组织，甚至有可能用这一方法培育出人造肝脏用于器官移植。3．法国法国生物技术水平不低。法国功能基因组公司（genOwaySA）克隆出世界上第一个大鼠胚胎，为未来干细胞治疗的发展铺平了道路。4．德国德国历史上就是科技强国。德国科学家开发出新的显微技术——受激发射减损（STED），它克服了传统光学显微镜分辨率的衍射限制（200nm），使科学家观察到40nm的结构。这为了解细胞和蛋白质精细结构提供了更清晰的视野。5．瑞典瑞典的生物技术在基础研究、应用研究和产业化等方面都已跻身于世界先进行列，并在某些领域居世界前沿水平。生产的霍乱疫苗则被世界卫生组织认为是世界上最有效的疫苗，并已在若干国家登记注册。6．巴西巴西高度重视生物技术，大力实施基因组计划。在破译和绘制人类癌细胞基因组图谱方面的世界排名仅次于美国。2001年4月，巴西完成了112万个癌细胞基因片段的测序工作。到2002年，他们完成了一个乳腺癌肿瘤细胞的完整基因组图谱。7．日本日本生物技术原来开发方面落后于欧美，但近年来日本生物技术研究发展很快，在某些方面具有一定优势，如日本冈崎国立研究所的水稻基因研究、京都大学的再生医疗研究、东京工科大学片柳研究所的生物探测装置研究、田中耕一的蛋白质和糖链研究等均位居世界领先水平。此外，日本科学家在解析各种疑难病的基因和脑科学研究方面也不断取得突破性进展。在尖端生物技术领域——干细胞研究中，日本是站在世界上最前列的国家之一。由4个皮肤细胞培育出干细胞功能的IPS细胞，干细胞为基础，开展培育骨髓移植和人工器官的研究。8．印度印度科研人员在生物技术的某些方面，如动植物DNA的重组、生物信息技术、对微生物和动物细胞的基因控制技术等已经确立了自己的竞争地位。在干细胞研究领域，经美国国立卫生研究院鉴定的世界上仅有的64所培养实验室中，印度就占到了10所。这使印度进入世界胚胎细胞菌采集最先进的十大研究中心之列。疫苗是印度生物制药的一个亮点。9．新加坡新加坡基因组研究院科学家宣布成功绘制了4000多个基因开关位置图谱，这如同基因组图谱有了“全球定位系统”。医学界的科学家一直希望能以干细胞疗法治疗诸如糖尿病、阿尔茨海默病、先天性肌肉萎缩症等疾病，基因开关位置图谱的成功绘制，有望为干细胞疗法带来突破，使科学家有可能按图索骥，对症进行药品开发和基因修正。10．中国从总体上看，我国生物技术在第三世界处于领先地位。1999年，我国作为唯一的发展中国家加入国际公共领域人类基因组计划，2000年6月如期完成所承担的百分之一的测序任务；2002年独立完成水稻基因组研究，使中国的杂交水稻处于世界领先水平；同时我国克隆技术研究领域和干细胞研究，已步入世界先进行业。我国基因工程多肽药物、单抗和新型诊断试剂在仿制的基础上向创新发展，已能生产目前国际上市的大多数基因工程多肽药物，基因工程干扰素α-1b系国际首创，重组人肿瘤坏死因子、重组蛋白检测抗体已申请专利，首创的免疫PCR胃癌诊断试剂已获得新药证书，有望开发出一系列的高灵敏度癌症诊断试剂。基因工程疫苗的研制取得明显进展，基因工程乙肝疫苗投放市场，对乙肝的预防起到了非常重要的作用。基因治疗取得突破，研制成功具有高效导入功能的靶向性非病毒型载体系统，获得了一批转基因动物，通过研究出现一批创新性成果，克隆了大量人、动物、植物的新基因，创造了具有多种用途的新型表达载体等。我国已成为世界上转基因作物推广面积最大的国家之一，如东北大豆已被转基因大豆大部分替代。转基因水稻还没有被农业部批准大规模使用，我国杂交水稻还守住阵地，在世界上处于领先水平。返回顶端疾病诊断与生物制药中的生物技术大纲一、生物技术与疫苗1．疫苗的作用与传染病2．疫苗的发展历程二、生物技术与疾病诊断1．单克隆抗体技术2．DNA诊断技术3．生物芯片技术三、生物技术与生物制药1．抗生素2．其他天然药物3．基因工程药物四、生物技术与生物疗法1．基因治疗2．基因疗法3．人类基因组计划知识点汇总概念C01：单克隆抗体及技术C02：生物芯片技术C03：基因治疗C04：基因疗法C05：遗传病C06：人类基因组原理K01：疫苗的作用K02：传染病的三种分类K03：疫苗的发展历程K04：单克隆抗体技术的应用K05：DNA诊断技术的应用K06：生物芯片技术的应用K07：抗生素的滥用现象K08：基因工程技术生产蛋白质药物的优越性K09：基因疗法的现状和困难K10：人类对人类基因组的了解信息I01：19世纪中叶，法国科学家巴斯德（Pasteur）首先发明了细菌的纯种培养技术及减毒疫苗的制备技术I02：1978年，坎（Kan）和杜齐（Dozy）首先应用羊水细胞DNA限制性片段长度多态性（RFLP）作镰状细胞贫血症的产前诊断I03：1928年，Fleming发现一种被称为点青霉（Penicilliumnotatum）的真菌能产生一种被称为青霉素的物质I04：1972年，重组DNA技术的问世宣告了现代生物技术的诞生正文据不完全统计，目前生物技术的实际应用，约60%是在医药卫生方面，与人类健康直接或间接有关的高达90％以上。生物技术在医药卫生领域的主要产品包括：疾病预防的疫苗、疾病诊断的单克隆抗体、基因探针、疾病治疗的生物药品及其他一些新的治疗手段。随着医药生物技术的发展，生物芯片、基因诊断、免疫诊断等高技术病原体检测与疾病诊断等技术已经迈上了一个新台阶；基因治疗、干细胞治疗等生物治疗技术将开辟疾病治疗技术的新领域；一批基因治疗方案、药物将逐渐进入应用阶段。一、生物技术与疫苗1．疫苗的作用与传染病利用疫苗对人体进行主动免疫是预防传染性疾病的基本手段之一。人类接受疫苗之后，可以在体内建立起对入侵物质感染的免疫抗性，从而使自己免受相应病原体的侵染。如果以后再遇到相应的侵入，人类的免疫系统也会被激活，使入侵的病原体被中和失活或致死而排出体外，使致病性降低或消失。传染病是人类健康的杀手，传染病感染人有三个传播环节：第一，传染源，指各种病原体，包括细菌、病毒、寄生虫等；第二，传播途径，包括空气、病原生物；第三，易感人群。按照管理控制的要求，传染病可以分三类：（1）甲类传染病，也称为强制管理传染病。例如，鼠疫、霍乱。对此类传染病发生后报告疫情的时限，对病人、病原携带者的隔离、治疗方式以及对疫点、疫区的处理等，均须强制执行。（2）乙类传染病，也称为严格管理传染病。包括：传染性非典型肺炎、艾滋病、病毒性肝炎、脊髓灰质炎、人感染高致病性禽流感、麻疹、流行性出血热、狂犬病、流行性乙型脑炎、登革热、炭疽、细菌性和阿米巴性痢疾、肺结核、伤寒和副伤寒、流行性脑脊髓膜炎、百日咳、白喉、新生儿破伤风、猩红热、淋病、梅毒、钩端螺旋体病、血吸虫病、疟疾等。对此类传染病要严格按照有关规定和防治方案进行预防和控制。其中，传染性非典型肺炎、炭疽中的肺炭疽、人感染高致病性禽流感这三种传染病虽被纳入乙类，但可根据实际情况，直接采取甲类传染病的预防、控制措施。（3）丙类传染病，也称为监测管理传染病，包括：流行性感冒、流行性腮腺炎、风疹、急性出血性结膜炎、麻风病、流行性和地方性斑疹伤寒、黑热病、包虫病、丝虫病，除霍乱、细菌性和阿米巴性痢疾、伤寒和副伤寒以外的感染性腹泻病。对此类传染病要按国务院卫生部的监测管理方法进行管理。目前，已有几十种用于人类主要传染性疾病的疫苗。在我国，儿童方面已有七种疫苗列入计划免疫（卡介苗、小儿麻痹疫苗、百白破、麻疹疫苗、乙型肝炎疫苗、乙型脑炎疫苗、流行性脑炎疫苗），由国家免费提供疫苗。2．疫苗的