本文主要介紹了基因工程的概念、利用基因工程技術進行藥物開發的壹般過程以及基因工程藥物，並探討了未來利用基因工程技術進行藥物開發研究的發展方向。
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1基因工程概述
所謂基因工程，是指在體外將核酸分子插入到病毒、質粒或其他載體分子中，形成新的遺傳物質組合，使其加入到以前沒有這種分子的宿主細胞中，使其能夠持續穩定地繁殖。
基因工程的第壹個重要特征是能夠跨越自然物種的屏障，即能夠將任何壹種生物的基因放入與其無關的新宿主生物的細胞中。這說明人是有可能按照自己的主觀意願創造出自然界不存在的新物種的。第二個特點是它強調了在新的宿主細胞中擴增某個小的DNA片段，從而可以制備大的、純化的DNA片段，從而拓寬了分子生物學的領域，使其在生物制藥領域有很大的應用。
自20世紀70年代初基因工程問世以來，無論是基礎理論研究還是實際應用都取得了驚人的成就。全基因組核苷酸序列的測定和分析是基因工程技術促進基礎生物學研究的壹個極好的例子。2001 2月12日，6個國家的科學家和國際人類基因組發表了人類基因組圖譜和初步分析結果，為人們提供了約3000個藥用基因，將推動基因制藥產業的快速發展。由於基因克隆技術的發展，基因工程技術在工業生產，尤其是醫藥生產中發揮了重要作用。過去人們利用微生物生產有用的產品，如青黴菌生產的青黴素和鏈黴菌生產的鏈黴素。然而，從這些生物中分離和純化這些藥物不僅昂貴，而且在技術上也很困難。如今，通過克隆和轉移編碼這些藥物的基因到合適的生物中進行有效表達，可以容易地提取大量有用的藥物。
2利用基因工程技術進行藥物開發的壹般過程
利用基因工程技術開發壹種藥物壹般要經過以下幾個步驟:①獲得目的基因片段:通過化學合成可以合成核苷酸序列已知的DNA片段；也可以從生物組織和細胞中提取分離獲得，真核生物需要建立cDNA文庫。②將獲得的目的基因片段擴增並與合適的載體連接後，導入合適的表達系統。③在合適的培養條件下，目的基因能在表達系統中大量表達目的藥物。④提取、分離、純化目標藥物，然後制備相應的制劑。
上述方法多以微生物或組織細胞為表達系統，通過微生物發酵或組織細胞培養生產藥物。近年來，通過轉基因動物生產藥物的“生物制藥廠”已成為轉基因動物研究最活躍的領域，也是基因工程制藥最具吸引力的行業。轉基因動物藥物具有生產成本低、投資周期短、表達量高、與天然產物完全壹致、易於分離純化等優點。，特別適用於壹些用量大、結構復雜的血液因子，如人血紅蛋白(Hb)、人白蛋白(HSA)、蛋白C(Protein C)。英國愛丁堡制藥公司通過轉基因羊生產α1-抗胰蛋白酶(α1-AAT)用於治療肺氣腫，每升羊奶生產16g AAT，占牛奶蛋白質含量的30%。據估計，每只泌乳母羊可產70克AAT。此外，轉基因植物藥比轉基因動物藥更安全，因為後者可能汙染人類病原體。目前已開發出許多轉基因植物藥物，如腦啡肽、幹擾素-α和人血清蛋白，以及最昂貴的兩種藥物，即葡萄糖腦苷脂酶和粒細胞-巨噬細胞集落因子。
3種基因工程藥物
自20世紀70年代末以來，基因工程藥物發展迅猛。1978年首次用大腸桿菌生產合成基因表達的人腦激素和人胰島素。1980年，美國最高法院裁定微生物基因工程可以申請專利。1982年，基因工程菌生產的第壹種藥物胰島素被批準在美國和英國使用。自從被批準使用以來，各種基因工程藥物如雨後春筍般蓬勃發展。中國的醫療技術研發和產業化也取得了長足的進步。
(1)抗生素的傳統生產主要通過化學合成或微生物發酵獲得。在生產過程中，菌株的表達水平較低，生產成本較高，使用過程中易產生耐藥菌群。可利用基因工程技術對生產菌株進行遺傳改造，獲得表達水平高、產品目的性強的菌株，如大腸桿菌生產的青黴素鄰苯二酰胺酶。壹個德國研究小組利用基因工程來增強大腸桿菌的青黴素酰胺酶活性。通過克隆大腸桿菌基因PBR322的質粒形成的菌株，其酶活比出發菌株提高了50倍，從而提高了6APA的生產能力。我國王壹光利用基因重組技術轉化螺旋黴素產生菌，增強了螺旋黴素產生菌中丙酰轉移酶基因的表達，提高了丙酰螺旋黴素的產量。
(2)人體內存在壹系列活性肽，如激素類，含量低但生理活性高，對人體代謝有重要的調節作用。這些物質在臨床上可作為治療此類物質失衡引起的疾病的藥物。這些藥物的制劑多來自各種動物器官，生產方法復雜，成本高。個別產品必須從動物屍體中提取，無法進行大規模工業化生產。自從基因工程技術出現以來，通過基因重組技術可以從微生動產生，這是基因工程技術最偉大的成就之壹。以下是這種類型的兩種典型藥物。
胰島素:1978年，基因泰克公司利用基因重組技術，由Goeddel等學者開發了利用大腸桿菌生產人胰島素。隨著基因工程技術的不斷發展，生產胰島素的工藝和技術不斷完善，在臨床上已經完全取代了從動物器官中提取的產品。目前，我國新疆的轉基因綿羊已經能夠成功表達人胰島素原，這為胰島素的生產開辟了壹條新的途徑。
生長素:人體生長素在臨床上用於治療侏儒癥和肌營養不良。傳統的制造方法是從人體腦垂體中提取，原料來源困難，產量受到很大限制。世界上只有1%的侏儒癥患者可以得到治療，因為生長素極其昂貴，每克高達5000美元。1979年，基因泰克公司首先由Goeddel等學者利用大腸桿菌開發生產人生長素。近年來還開發了酵母生產生長素，產量可達1.4×106 ~ 4.7×106分子/細胞。目前，我國基因工程人生長素已研發成功並投入市場，用於臨床。
除了上述藥物，還有基因工程技術生產的神經生長因子(PDGH)、人基底成纖維細胞生長因子、絨毛膜促性腺激素。
(3)細胞免疫調節因子基因工程技術已廣泛用於細胞免疫調節因子，如抗腫瘤和免疫調節。近年來，由於基因重組和細胞融合的進展，以及高壓液相色譜、氨基酸序列裂解裝置和蛋白質精制分析技術的提高，壹些調節細胞免疫活性物質的研究和開發發展迅速，如幹擾素(INF)、白細胞介素(IL)、集落刺激因子(CSF)和腫瘤壞死因子(TNF)。
幹擾素是研究廣泛、技術成熟、產業化較早的產品。第壹代幹擾素是從血液中提取的。據芬蘭K Canted報道，純度在65，438+0%以下的幹擾素，處理23，000 L血液後不到65，438+000 mg，所以產量很低。而且由於血源質量無法保證，可能造成血源性傳染病的傳播。第二代幹擾素是通過基因工程技術生產的。其生產水平可達25萬分子/細胞，每升可含2.5億單位。成本顯著降低，產品純度很高，含量可達90%以上。目前商業化的基因工程幹擾素有α、β、γ三種，生產技術也在不斷完善。俄羅斯科學家構建了以假單胞菌為載體的表達系統，生產基因工程幹擾素。與傳統的大腸桿菌表達系統相比，培養周期更短，細胞易於破碎和提取。隨著基因重組技術的不斷發展，壹些研究者對幹擾素基因進行了改造，構建了靶向幹擾素基因和表達載體。夏等用限制性內切酶分別從含人抗乙肝S抗原單鏈抗體和人幹擾素α的質粒上切下目的基因，連接到pET22b質粒上，構建了單鏈抗體靶向幹擾素表達載體，並在大腸桿菌中成功表達。
(4)疫苗傳統疫苗是病原微生物的減毒或滅活物質，但這些疫苗並不理想，可能會發生回復突變，恢復毒性；或者是滅活不當導致的疾病流行。基因工程技術生產的新型疫苗可以克服傳統疫苗價格高、安全性差的缺點，可以為艾滋病等壹些目前尚無有效疫苗的特殊疾病提供有效治療。
第壹個商業化的基因工程疫苗是針對人類乙型肝炎病毒的(HBV)。中國約有65，438+00%的人口受到過HBV的侵襲，而HBV的感染通常與特殊的肝癌(HCC)密切相關，全球每年約有30萬患者死於HCC。HBV具有很高的宿主特異性，只能感染人類和黑猩猩，這意味著只能從肝炎患者身上獲得有限數量的病毒用作疫苗，從患者血液中提取的疫苗也可能感染艾滋病。用基因工程技術生產的抗HBV疫苗克服了傳統疫苗的缺點，質量高，安全性好，而且用量很小。壹般用量在10mg以下，接種三次，是普通藥物用量的千分之壹。1982年，P . valen zuela等人在載體上克隆了S基因(HBV表面抗原基因)的壹個片段，結果在酵母中合成了HBV表面抗原(HbsAg)顆粒，產量為25 μ g/L，現在酵母表達系統已經能夠大規模生產人用重組肝炎疫苗了。
大約20年前，人們發現註射到體內的“裸露”DNA可以誘導免疫反應。科學家們進行了大量的研究，開發了壹種新型的核酸疫苗。所謂核酸疫苗，是指將編碼抗原蛋白的外源基因(DNA或RNA)直接轉入動物體內，通過宿主表達系統合成抗原蛋白，從而誘導宿主對抗原蛋白產生免疫應答，達到預防和治療疾病的目的。已經開發了多種核酸疫苗，如流感核酸疫苗、艾滋病疫苗、狂犬病疫苗、結核病疫苗、乙型肝炎疫苗和戊型肝炎疫苗。
(5)基因治療產品基因治療在1990開始試驗。在1993中，美國FDA將人類基因治療定義為“基於活細胞遺傳物質改變的醫學治療，可在活體外進行，然後應用於人體，或直接在人體內進行”。因此，基因治療有兩種方式，即間接體內法和體內法。間接體內法主要是在體外通過基因轉移篩選出能表達外源基因的細胞，然後轉移到體內；體內法是在體內直接改變和修復遺傳物質。隨著分子生物學和基因重組技術的發展，獲得目的基因的方法已趨於成熟，但目的基因的轉移和遞送系統、表達調控、有效性和安全性仍需進壹步研究和確認。目前，基因轉移系統分為兩類:壹類是病毒介導的基因轉移系統，主要包括逆轉錄病毒(Rt)、腺病毒(Ad)、皰疹病毒(HSV)和腺病毒相關病毒(AAV)載體。Nnldini等人開發了壹種基於HIV的重組Rt載體，它可以感染多種不含輔助細胞的非分裂細胞，同時保留了在宿主染色體上整合的特性。世界上第壹個基因治療載體是Rt載體，用於治療腺苷酸脫羧酶缺陷引起的嚴重聯合免疫缺陷(ADA-SCID)。另壹類是非病毒介導的基因轉移系統，包括脂質體、分子偶聯載體、基因槍和裸DNA。
此外，反義核苷酸技術還用於基因治療，尤其是針對乙肝病毒的基因治療，包括反義DNA、反義RNA和核酶RNA。2001，Robaczewska等人首次通過靜脈給予反義DNA，選擇性抑制北京鴨肝臟中HBV的復制和表達，證明了反義DNA在動物實驗中的有效性。美國Viagene公司開發了壹種“HIV免疫制劑”，是小鼠逆轉錄病毒和核心蛋白編碼基因序列與HIV表面抗原RNA的結合產物，並在小鼠和靈長類動物實驗中證實了該藥物能誘導強烈的HIV特異性殺傷細胞。
4結論
基因工程技術使藥物開發發生了根本性的變化。傳統的藥物開發方式是從大量化學合成物質和微生物代謝產物中隨機篩選得到作為新藥的有效成分。利用基因工程技術開發新藥，就是通過對致病機理的研究，找到可用於治療目的的有效成分及其編碼基因，然後通過基因重組將其轉入合適的載體，使其有效成分大量表達，作為治療藥物。同時，基因工程技術給藥物生產技術帶來了革命性的變化。過去壹些難以生產的產品，如激素、酶、抗體等生物活性物質，通過基因工程可以優質高產地投入生產，同時生產成本大大降低，提高了患者的用藥水平和生活質量。
基因工程技術在癌癥、艾滋病、遺傳病等壹些傳統醫學無法有效治療的疾病的診斷、治療和預防方面提供了有效的新手段，並取得了壹些重大突破。如果發現致癌基因，癌癥的早期診斷和治療藥物的開發將成為可能。隨著分子生物學和基因重組技術的發展，我們相信在不久的將來，這些嚴重危害人類生命的疾病將得到有效的預防和治療。