生物技术在医学领域中的应用和展望
作者：王润华 何水淋
单位：桂林医学院生物工程研究所 广西桂林市 541004
关键词：
华夏医学0003129 几千年来，以发酵技术为基础的传统生物技术在人类社会发展过程中发挥了重要的 作用。以基因技术为代表的现代生物技术发展到现在虽然不过三十年，然而，当前现代生物 技术的迅速发展对人类社会所带来的影响，只有信息技术的发展才能与之相比。
现代生物技术的发展已广泛渗透到医学、农业、食品、制药、环境和海洋科学等领 域，而最重要的应用还是在医学保健领域。本世纪将是生命科学的世纪已经取得人们的共 识，然而生物技术的发展究竟将在多大程度上影响人类自身的发展，目前还难于估量。但 是，可以肯定，生物技术的迅速发展将在今后一、二十年里使医学领域在各个重要的方面发 生根本性变革。例如，疾病起因的研究方法和疾病分类方法；疾病的预测、诊断、治疗方法 和预防措施；医疗保健设备的设计、制造和运作；医学教育和培训；以及相应的立法、社会 和伦理道德问题等等。
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现对生物技术，包括纳米技术，在疾病的预测和预防、诊断和治疗中的应用，以及它们 对医学领域将来的发展所产生的影响作简要介绍。
1 生物传感器(Biosensors)
生物传感器是利用生物识别机制和物理传导技术而制成的生化分析仪器。用于制 造生物传感器的生物材料包括酶、抗体、核酸、受体、细胞膜、完整细胞和细胞碎片等。传 导技术主要用于测量电化学(如电位、电流或电导)、光和温度等参数的变化。
生物传感器主要分为两种类型，即催化型传感器和亲和型传感器。这两种传感器都 利用结合反应来决定其特异性。对于催化型传感器，主要是测定组分浓度的变化；而亲和型 传感器则是监测结合反应本身。酶和抗体是这两类生物传感器最常使用的生物材料。
由于价格昂贵、灵敏度和稳定性较差，除了测定血糖外，传统的生物传感器在医学领域 的实际应用受到了限制。近年来，生物分子材料、生物识别系统和其他相关技术的迅速发展 ，使新型生物传感器的快速发展成为可能。
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通过配基和受体在细胞表面特异结合导致的离子通道的转换，可以调节细胞膜离子电导率， 从而利用传导机制非常灵敏地检测分析物。澳大利亚科学家最近利用合成的脂质膜与土壤杆 菌产生的短杆菌肽开发出一种非常灵敏、非常稳定的生物传感器[1] 。这种传感器 的脂质双 层膜中的离子通道由两个短杆菌肽分子组成：一个分子在膜下层与金电极相连；另一个分子 在膜上层与生物受体，如抗体分子相连。当受体捕捉到靶分子，离子通道断开，电导率下降 ，这样，生物化学的变化就转变成可以检测的电信号。虽然形式很简单，但是它可以检测到 10-7～10-13mol/L浓度范围内的靶分子，包括蛋白质、药物、激素、抗体和 DNA等。如果 在制造过程中调整受体的表面密度，这种装置的检测灵敏度还可以提高几个数量级[2 ] 。由于其中的离子开关仅1.5nm大小，这种生物传感器被视为“纳米机器”[2] 。
生物大分子的研究为新型生物传感器开发提供了新材料。例如，结晶细菌表层蛋白 (S-layer)是一种由分子量40～200KDa蛋白质组成的细菌包膜的最外层结构[3] 。 由同种蛋 白质亚基构成的具有自我装配能力的蛋白质单层晶格结构具有极其均一的形状和稳定的理化 性质，对生物大分子有特别强的结合能力，是一种理想的生物传感器的固相基质[3] 。又如 ，当RNA与某些配基结合后，RNA 结构会呈现构相变化。利用这一特性开发的核酸分子开关 可用于制造新型生物传感器，以检测各种各样的配基，包括小分子有机化合物、核酸、蛋白 质，甚至是病毒颗粒和完整细胞，从而在疾病诊断过程中发挥重要作用[4] 。
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今后几年里，根据纳米水平离子通道开发的生物传感器将投入商业市场，在数分钟 之内，可以利用少量的唾液或血液诊断出许多疾病。由于检测费用低廉、方法简单且灵敏可 靠，生物传感器在医学保健领域将具有广泛的应用价值，包括细胞分型和各种各样病种的检 测，如病毒、抗体、蛋白质、电解质、药物、杀虫剂及其他环境污染物等等。此外，便携式 生物传感器的推广对医院和其他保健设施的设计和运作将产生巨大影响。由于各种分析检测 过程可以就地进行，大型检测实验室以及科室之间的样本传递和送检将变得不再必要。
2 基因芯片(DNA Chips)
基因芯片是生物芯片的一种。所谓生物芯片，就是利用微点阵技术，使生物分子(高密度DNA 、蛋白质或多肽、细胞等)在固相载体上作有序排列，利用生物大分子之间特异性相互识别 作用，借助于电脑平行分析的原理，使一些生物分析手段能够在更小的空间，以更快的速度 精确地完成。根据固相载体上包被的材料，可以将生物芯片分为DNA芯片(基因芯片)、蛋白 质芯片和细胞芯片等。基因芯片在目前研究最多、应用最广[5～8]。
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由美国、英国、日本、法国、德国和中国科学家合作开展的人类基因组计划(Huma n Genome Project)是人类科学史上举世瞩目的重大事件，目前已经取得一系列重大突破。 1999年12月，这个国际研究组织宣布破译了人类第22对染色体全部基因密码，此项工作以误 差率不到五万分之一的极高质量准确标明DNA序列上的33.5×106个碱基对，这对于阐明人 类 全部染色体遗传密码具有里程碑意义。人类基因组计划到2003年完成后，大约有10万个人体 基因被测序和定位。不过，这仅仅是揭开人类生命秘密的序幕，在接下来的后基因组时代， 需要逐步地全面地揭示基因之间如何相互作用产生极其复杂的生物功能。要阐明基因之间的 相互作用，科学家必须比较不同个体在生命的不同阶段以及在健康和疾病状态下的基因及其 表达状况。这种复杂的基因分析方法可以将正常基因类型和与某些疾病相关的异常基因类型 区别开来。但是，传统的基因分析方法速度慢、效率低、成本高，已经完全不能适应基因检 测和基因表达分析的速度，基因芯片的出现则是一种划时代的突破。
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由于采用大规模数据平行分析技术对样本进行自动分析处理，因此可以极大地提高 分析速度，并且在同样的试验条件下比较基因之间或基因表达产物之间的差别。应用基因芯 片测定DNA序列的速度比任何传统方法要快数十倍，而且速度还在不断提高。除了用于DNA测 序，基因芯片的应用主要还是在医学领域，例如基因表达分析、基因多态性和基因突变的检 测，以及基因分型、致癌物和致病菌的鉴定，这些都与疾病的诊断、预测和预防有关。此外 ，基因芯片也广泛用于新药开发和安全性评价。
基因表达分析是目前基因芯片最重要的用途之一。稳定的转录水平能灵敏地反映出 细胞和组织样本的生理状态。不同类型以及不同生理状态下的细胞和组织均呈现特殊的基因 表达类型。这些不同类型所反映的生物信息为基因功能的检测提供了直接的线索。由于疾病 的易感性与某些特殊的表达标志相关，通过检测正常人基因表达的变化，结合临床资料和家 族史，就可以对正常人进行疾病预测。由于几乎所有人类疾病在基因表达类型上都有特殊改 变，如果对病变组织进行分析，不仅可以提供诊断和病理资料，而且还可以发现潜在的药物 靶位[5，7]。例如，如果某个基因在某种疾病过程中表达水平发生了明显变化，那 么可以设 计新的药物来纠正该基因的功能。此外，经药物分子处理的细胞也呈现特殊的基因表达类型 ，鉴于常规临床试验既费时又昂贵，基因表达分析可为药物筛选和毒理学研究提供快速低廉 的方法[5，7，8]。同样，在致癌物或致病菌的作用下，某些组织和细胞也会呈现 与某些癌 症或传染病直接相关的基因表达类型。因此，基因芯片也可以用于环境监测和传染病诊断试 剂的开发。
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基因芯片的另一个主要应用是DNA多态性和基因突变的检测[5, 7, 9]。所谓DN A多 态性是指在DNA的相同位点，有相当一部分人的DNA碱基序列不一样，如果是单一碱基的改变 ，则称为单一寡核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphisms, SNPs)，其发生频率约 为每1000个碱基位点中有一个碱基变异，其他类型的突变频率更低。这些变异决定了人们各 自的基因型。通过DNA多态性和基因突变的检测，我们可以判断和预测每个人的特征，包括 智力、体力、性格以及对各种疾病的易感程度。
目前已发现，许多疾病的发生与单个基因的变化有关，如囊性纤维变性、肌强直性营 养不良和多发性神经纤维瘤等。随着基因芯片及其他工具的应用，研究人员将揭示多基因或 基因与环境因子相互作用的发病机制。许多恶性疾病，包括癌症、心血管疾病、中风、糖尿 病和早老性痴呆等都涉及基因易感性。当研究人员鉴定出与各种疾病易感性相关的基因类型 后，就可以开发出相应的基因芯片来预测疾病。
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目前国外已有一系列的检测癌症、遗传疾病和传染病的基因芯片上市。用于疾病易 感性分析的基因芯片，如检测乳腺癌易感性基因BRCA1和BRCA2突变的基因芯片也已经问世。 许多生物技术公司目前正在开发能同时诊断多种癌症和传染病的超级基因芯片。从某种程度 来讲，基因芯片的发展速度也遵循电脑技术中的“摩尔定律”，亦即芯片的处理速度每18个 月增加一倍。这样看来，在未来20年里，包含人类基因组全部基因信息的“人体芯片模型” 有可能面世。当然，要全面阐明基因之间的相互作用和代谢过程，还需要几十年时间。
不久的将来，传统的繁杂的身体健康检查程序将被基因芯片全面代替。通过基因芯 片可以确定每个人的基因型，它将成为个人医疗记录中不可或缺的部分。通过建立个体基因 型，可使每个人了解到自己全部的遗传缺陷，借助统计分析，可以预测到未来若干年的健康 会受到哪些威胁，以便采取相应的对策加以预防，包括改变个人的生活方式，如戒烟酒、改 变饮食结构等，甚至可以采用基因治疗加以纠正。在考虑结婚生育时，只要比较双方的基因 型，就可以避免由于隐性基因的组合导致后代患遗传病的悲剧。
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芯片实验室(Laboratory-on-a-chip)是另一类基因芯片[10]。用基因芯片 制作的具 有不同用途的全功能微缩芯片实验室可使分析过程全自动化，分析速度获得极大的提高，而 且体积小、重量轻、便于携带。将使任何个体拥有自己的个人化验室， 随时随地对 自身的健康状况进行监测，并通过环球通讯系统将结果传到私人医生办公室，通过个人 健康资料的全面分析，采取相应的处理措施。可以设想，将来通过医学互联网，不仅可以实 现远程诊断，还可以做远程手术和其他治疗。
3 基因组学(Genomics)
基因组学研究基因的结构和功能及在健康和疾病状态中的作 用[11] 。基因 组学的出现标志着医学的发展开始进入到分子医学阶段，以基因分析为基础的更加复杂和精 细的疾病分类方法将逐步取代传统的疾病分类方法；以基因诊断为代表的分子诊断技术不仅 为疾病的诊断和治疗提供准确的依据，而且将医疗保健的重点从疾病的诊断和治疗逐步转移 到疾病的预测和预防上；以个体基因型为基础的药物遗传学将使药物预防和治疗更具针对性 。此外，基因组学的发展将为药物开发提供强大的动力。基因组学及相关技术的发展不仅要 求医学从业人员不断地更新知识，也将推动整个医学教育体系的改革。
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3.1 基因诊断(Gene Diagnosis)
几十年来，医学遗传学在疾病的诊断中发挥了重要的作用。随着遗传学的研究进入基因组学 时代，相应的诊断技术也发展到对DNA分子进行直接分析的基因诊断技术阶段。这是医学领 域近年出现的最先进的诊断技术，目前主要是检测单个基因突变所导致的疾病。实际上，几 乎所有已知的疾病都与患者基因组中的基因突变或多态性有直接或间接的关系。因此，基因 诊断在医学领域中的应用潜能是巨大的。但这种诊断技术的发展将受到一些因素的影响，包 括对人类基因组的认识程度、相关技术的发展以及相关的社会、道德和法律准则的制定 [9, 12]。
基因诊断的基础在于我们对导致或改变疾病风险的单个或多个基因的DNA序列改变 的认识。人类基因组工程在这方面扮演着重要的角色[13]。通过鉴定基因编码区DN A多态性 和其他突变，并揭示这些变化对基因表达产物的影响，将能鉴定与几乎所有疾病相关的基因 背景，从经典的遗传疾病到多基因疾病，如心血管疾病、关节炎和精神分裂症等[9, 1 3]。
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目前，基因诊断主要用于证实临床诊断、婚前诊断(常染色体隐性疾病，如囊性纤 维变性)、产前诊断(如泰-萨病)、鉴定遗传疾病(如亨廷顿舞蹈病)的易感性以及预测成年 癌 症的风险[12]。最近，美国约翰霍普金斯大学的研究人员开发的基因诊断技术可以 通过对唾 液和尿液的检测，及早诊断出某些癌症，包括口腔癌、咽喉癌、肺癌和膀胱癌等，据说准确 率达100%。
将来，基因诊断能否成为临床实验室的常规检测取决于相关技术的发展，包括前述 的检测基因表达水平、DNA多态性及基因突变的基因芯片技术；用于DNA序列分析的质谱、高 效液相和毛细管电泳技术，以及检测程序的自动化技术等[9]。当基因诊断成为医 学常规检 测后，相应的管理、道德、法律和社会问题也必须予以解决。基因诊断的结果能否得到有效 的保护，将影响到个人就业、保险、家庭关系以及自我形象等问题。
基因诊断技术的发展也要求医疗人员不断地更新知识，以便向患者准确地传达基因 诊断的结果。例如，在进行疾病易感性分析时，在不引起过分焦虑的情况下，说服患者调整 个人的生活方式，如坚持药物治疗、改变饮食习惯和加强身体锻炼等，以尽量降低发病的风 险。此外，医疗人员还必须向患者提供有关检测的法律、道德、家庭和生活问题的咨询服务 [12]。
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3.2 药物遗传学(Pharmacogenetics)
药物反应的个体差异是医学上一个亟待解决的问题。基因组学研究使一门较老的学科--药 物遗传学获得新生。它研究人们对药物产生不同反应的基因背景。目前已知，药物的吸收与 代谢以及药物靶位的多态性均由个体基因类型决定。例如，药物代谢酶系统中细胞色素P450 家族的基因变化决定了药物遗传学多态性。当人们对不同基因型如何对药物产生不同反应有 足够的认识后，就可以针对个体基因型给患者应用最恰当的药物治疗，这样不仅可以提高疗 效，减少副作用，还可以节约医疗成本。这种以个体基因型为依据的“个体医疗”将是未来 医疗技术发展的趋势。
目前的研究也表明，药物代谢酶类的活性存在着明显的种族差异。这对我国的药物 引进和药物开发来讲非常重要。由于我国大多数的药品均移植于西方国家，鉴于东西方人种 在药物代谢酶类的表达上存在明显的差别，今后在引进药品时，应该根据种族及个体基因型 来组织新药临床试验；另一方面，今后也应根据本民族的基因背景来开发新药。此外，由于 药效或安全性问题，以往在西方国家无法通过临床试验的“旧药”可能对东方人种具有明确 的疗效。因此，药物遗传学也可以为“旧药”的开发带来生机。
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3.3 新药开发
基因组学的研究不仅将加速新药开发的过程，同时也将改变新药开发的方式。传统的方法是 先分析与某种疾病相关的生理过程，鉴定药物靶位，然后再筛选能改变这种生理过程的药物 。目前人们正逐步应用生物信息学工具来分析基因序列数据库，以鉴定与某种疾病相关的新 基因[14]。此外，基因组学的发展亦将揭示更多的药物靶位。目前市场上所有药物 所针对的 基因或蛋白质靶位仅有400余种，这说明为什么目前许多药物的疗效很相似。当人类基因组 工程完成后，在人类约10万个基因中，可以鉴定出3000 至10000个药物靶位[14, 15] 。
细菌的抗药性是一个日益严重的问题。通过细菌的基因组学研究，阐明细菌致病作 用的分子机理，可以寻找和鉴定疫苗和药物靶位，以开发新型疫苗和药物来预防和治疗抗药 性细菌引起的疾病[11]。
3.4 医学教育和培训
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鉴于基因组学及相关技术的发展对医学领域产生的巨大影响，西方国家已呼吁所有医疗从业 人员对已经来到的“基因革命”做好认真准备[16]。但是从目前来看，许多医疗从 业人员对 人类遗传学及相关学科的了解比较肤浅[12]。因此，在职医疗人员接受继续教育和 培训已变得日益重要。
另一方面，医学教育有必要对现行的医学课程结构、教学内容和教材做出调整。例 如，分子生物学和遗传学应该贯穿整个医学课程；由分子生物学、临床遗传学、病理学、流 行病学和计算机科学综合组成的新型交叉学科将变得日益重要；特别是由基因组学和信息学 融合形成的新学科将开创一个生物医学教育和研究的新时代[17]。
3.5 蛋白质组学(Proteomics)
基因组学虽然受到广泛关注，但是它只在转录水平上对基因表达状况进行分析。由于某些因 素的限制，如在mRNA的转录后拼接、蛋白质的翻译后修饰等过程，mRNA浓度并不能完全反映 出蛋白质浓度，因此，基因表达和蛋白质表达并不完全相关。蛋白质组学利用双向电泳和质 谱技术来分析细胞或组织中蛋白质表达图谱，在翻译水平上分析基因表达情况，这种蛋白质 分析更精确地反映组织和细胞的功能。因此，蛋白质组学是基因组学研究有力的辅助工具， 实际上它就是蛋白质水平上的功能基因组学[18]。
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目前蛋白质组学最主要的应用是在医学领域。在已发现的所有疾病中，只有2%的疾 病是单基因疾病，其余绝大多数疾病及其治疗都体现在蛋白质水平。利用蛋白质组学可以直 接研究蛋白质之间的相互作用，为这些疾病的诊断和治疗提供线索。
例如，应用蛋白质组学对体液和活体组织进行分析，不仅可以鉴定体液或活体组织 的来源，还可以监测疾病发展过程和蛋白质表达情况(感染、早期肾功能或肝功能不全和营 养不良等)[19]；通过比较健康和疾病状态的细胞或组织的蛋白质图谱，找出其中 的蛋白质 差别，不仅可以发现新的疾病标志，也可以帮助寻找新药靶位；通过药物治疗前后的正常或 疾病状态的蛋白质图谱的对比分析，可以检测新药的药理和毒理作用[20]；此外， 通过致病 菌的蛋白质组学分析，可以鉴定致病菌毒力因子，促进诊断试剂、新药和疫苗的开发 [21]。
基因组学和蛋白质组学构成了生物信息学的主要部分。生物信息学就是以计算机为 主要工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。就人类基因组来讲，获得基因序列仅仅 是第一步，其次是收集、整理有关数据，并分析决定人类健康和疾病状态的基因之间和基因 表达产物之间复杂的相互作用。生物信息学在其中将扮演主要的角色。
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4 生物技术药物(Biopharmaceuticals)
生物技术药物主要包括蛋白质药物和核酸药物。第一个生物技术药物是1982年在美 国上市的重组人胰岛素。截止1999年，总共有59种生物技术药物获得美国食品与药物管理局 (FDA)批准上市。根据调查，目前至少有500种生物技术药物正在试验之中，其中350多种已 进入临床试验阶段，而这其中又有151种是针对癌症及相关疾病，其余的主要针对传染疾病 、心血管疾病、艾滋病等[22] 。由于生物技术药物针对的适应证很难用其他方法 治疗，这类药物的销售额每年以25%的速度增长，而传统药物的增长率只有5%～7%。
与传统制药方法相比，运用现代生物技术不仅可以开发更加精确有效、副作用更小 的新药和新型疫苗，而且可以预防和治疗更多的疾病，特别是一些应用传统治疗方法无法克 服的疾病。此外，运用现代生物技术不仅能够生产用其他方法无法获得的大量蛋白质药物用 于替代治疗，如治疗糖尿病的重组胰岛素，治疗癌症的重组促红细胞生成素，而且可以避免 采用人和动物器官作原材料来提取药物，从而消除了病原菌的污染，如治疗血友病的重组第 VIII因子，治疗儿童侏儒症的重组生长激素。
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4.1 蛋白质药物
由于遗传信息是从DNA到mRNA再到蛋白质这个方向传递，因此生物技术药物可以在这三个分 子水平发挥作用。在已经上市和正在开发的生物技术药物中，蛋白质药物占绝大多数。蛋白 质药物可以分为以下主要几类[23] ：
.细胞因子：干扰素系列；白细胞介素系列和肿瘤坏死因子等。
.造血生长因子：粒细胞和/或巨噬细胞集落刺激因子(G-, M-, GM-CSF)；促红细胞生成 素(EPO) 和促血小板生成素(TPO)等。
.生长因子：胰岛素样生长因子(IGF)；转化生长因子(TGF)；表皮生长因子(EGF)；成纤 维细胞生长因子(FGF) 和神经营养因子等。
, 百拇医药 .激素：生长激素(GH)；胰岛素；性腺激素(FSH, LH, hCG)。
.血液制品和治疗酶： 血液替代品(白蛋白，明胶 等)；止血剂(第Ⅷ因子，第 Ⅸ因子 ，抗凝剂如肝素和水蛭素)；溶栓剂(组织型纤维蛋白溶酶原激活剂，链激酶，尿激酶，葡激 酶，α-抗胰蛋白酶)；治疗酶(脱氧核糖核酸酶，门冬酰胺酶等)。
.抗体、疫苗和佐剂：多克隆和单克隆抗体；嵌合抗体；人源化抗体；抗体片断；免疫 毒素；疫苗(传统减毒疫苗，类毒素，重组疫苗和DNA疫苗等)。
基因组学、蛋白质组学及相关技术，尤如组合化学和高通量筛选技术的迅速发展， 为新型蛋白质药物的鉴定和开发提供了强大的动力。此外，在制药公司看来，除了加速开发 新型蛋白质药物之外，另一个方法就是增加已有的蛋白质药物的适应证[24]。例 如，干扰 素α-2A在1986年首先被批准用于治疗毛细胞白血病；其后在1988年用于治疗与艾滋病相关 的卡波西肉瘤；1991年用于治疗非甲非乙/丙型肝炎；1992年用于治疗慢性乙肝；1993年与 其他药物共同使用治疗尖锐湿疣；1995年用于治疗周身复发的黑素瘤。其他的蛋白质药物如 干扰素2A, TPA, EPO, GM-CSF, G-CSF, hGH 和单克隆抗体OKT3等，都具有两种或两种以 上的适应证[24]。
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为了改良蛋白质药物的药理学和药代动力学性质，研究人员应用基因工程方法改变 蛋白质药物的氨基酸组成来开发第二代产品，以提高蛋白质药物的半寿期和生物活性。例如 TPA有三种形式的第二代产品已进入后期开发阶段[24]。
4.2 核酸药物
蛋白质药物是在蛋白质水平对疾病进行诊断，预防和治疗，而核酸药物是在核酸水平(DNA 和RNA)上发挥作用。一般认为，核酸药物包括 反义RNA和DNA疫苗。
反义RNA是指体外合成的寡核苷酸，它能与mRNA互补，从而抑制与疾病发生直接相 关的基因的表达。反义RNA只阻断靶基因的翻译表达，具有特异性强，操作简单的特点，可 用于治疗由于基因突变或过度表达导致的恶性肿瘤以及严重感染性疾病等。
DNA疫苗是近年来迅速发展起来的疫苗技术。这种技术是将编码外源性抗原的基因 插入到含真核表达系统的质粒上，然后将质粒直接导入人体肌肉或皮下细胞，让其在宿主细 胞中表达抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答[25～27] 。与传统的疫苗(如死疫苗 ，减毒活疫苗和重组疫苗)相比，DNA疫苗具有明显的优越性：
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.通过MHC-I 和II 类途径，DNA疫苗能同时诱导机体产生细胞和体液免疫应答；
.抗原基因在体内持续表达产生抗原，不断刺激机体免疫系统产生长程免疫；单次接种就 可以获得长期免疫力，不需多次注射和加强免疫；
.每个质粒可插入多个抗原基因，组成多价疫苗，不必多次注射就可产生对多种疾病的免 疫能力；
.质粒DNA无免疫原性，不需病毒载体传递，因此更加安全；
.使用方便，制备简单，成本低，容易大量生产；质粒DNA很稳定，易于储存和运输。
目前，许多 DNA疫苗已进入临床试验阶段，它们主要针对癌症和传染疾病，如艾滋 病、乙肝、丙肝和疟疾等[26, 27] 。实际上，针对传染疾病的DNA疫苗与癌症的预 防也有密 切的关系，例如乙肝和丙肝引起的肝癌，HTLV1引起的成人T细胞白细胞以及EB病毒引起的非 霍奇金淋巴瘤等[27] 。
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5 基因治疗(Gene Therapy)
每个基因不仅是基本的遗传单位，也负责编码某一特定的蛋白质。许多疾 病其实并不是由病原体引起的，而是某个或某些基因突变的结果，它导致某一特定基因产生太少、太 多或根本不产生某种蛋白质。基因突变不仅是许多遗传疾病的根源，同时也是许多获得性疾 病产生的原因。例如，许多癌症并不是遗传的，而是后天基因损伤累积的结果。
当前，我们还无法有效地纠正蛋白质合成过程中的偏差。从传统的中草药到最 新的特效药，所有的治疗仅仅是干预基因突变所导致的生物过程而不是突变本身。基因治疗 的意义在于治“本”而不是治“标”，它通过纠正突变的基因并使之重新获得适当的功能来 治疗或预防疾病。基因治疗的特点是，能将基因表达产物的作用局限于病变组织周围，从而 使治疗更具针对性；只要转化的细胞不被清除，转化的基因不被抑制，基因表达产物可以持 续发挥作用。对于那些目前难以克服的疾病，基因治疗可能是重要的治疗手段。
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因此，早在二十多年前，当科学家开始意识到这种可能性时，曾对这种方法寄予极 大的期望。但后来的事实证明，实施基因治疗所需的技术是非常困难的。基因治疗的确是医 学史上一个划时代的突破，它甚至可以和显微镜，麻醉技术，预防接种以及抗生素的出现相 提并论。但是，过去十年的经验表明，人们对基因治疗效果的期望过高。实际上，直到近年 ，基因治疗确切的临床效果才被肯定[28]。
虽然如此，这项技术还是在迅速地发展。目前有300多种基因治疗获准进入临床试 验，其中70% 是针对癌症，其余的适应证包括遗传单基因疾病(尤其是囊性纤维变性)， 传 染病(主要是艾滋病)，心血管疾病和类风湿性关节炎等[29]。可以预测，在今后的 几年里， 针对癌症的基因治疗将获得实质性突破。这方面的基因治疗措施包括：“自杀”基因治疗； 肿瘤抑制基因的传递；应用反义技术抑制活化的癌基因；细胞因子基因传递以及肿瘤细胞接 种等 [30]。
, 百拇医药 基因治疗的一个关键技术是如何将质粒DNA有效地传递到靶细胞中。这意味着不仅 要把质粒DNA传递到正确的细胞，还需将DNA从细胞质中传递到细胞核中。一般来讲，基因 传递载体可以分为两类：病毒载体和非病毒载体。
病毒载体主要包括逆转录病毒、腺病毒及腺病毒相关病毒。这些病毒由于具有天然转染机制 ，转染效率高，因此在基因治疗中，病毒载体从一开始就倍受青睐。在目前被批准进入临床 试验的基因治疗中，有75%是利用病毒载体来传递基因[29]。这类载体的主要缺点 在于它们的免疫原性和细胞毒性较强并受插入片段大小的限制，由于插入突变而带来安全性 问题。
与病毒载体相比，非病毒载体的传递效率要差得多，而且表达效果也不理想。但 是， 非病毒载体不受插入片段大小的限制，使用简单，容易规模生产和储存，免疫原性低 ，安全性好，因此这类载体越来越受重视。它们主要包括三类：“裸”DNA、阳离子脂类与D NA形成的复合物以及阳离子聚合物与DNA相互作用形成的压缩颗粒[31]。
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在非病毒传递系统中，最简单的方法是通过“基因枪”或电穿孔方法直接将“裸” DNA导入组织中。这些物理方法可使DNA直接穿过细胞膜而绕过溶酶体/内吞小体，从而避免 被酶降解。利用阳离子脂类或聚合物与带正电的质粒DNA通过静电作用结合形成复合物， 或 形成压缩的纳米结构，从而保护DNA不受降解，提高质粒DNA的稳定性以及靶细胞的吸收效果 [31]。近年出现的一种叫树状聚合物(dendrimer)的新型合成分子是一种理想的质 粒DNA载 体。这种材料具有精确的纳米结构，其表面可以形成致密的分子基团以便与质粒DNA分子紧 密结合。这种非生物材料一方面不会引起免疫反应，在质粒DNA的传递过程中不易被免疫细 胞清除；另一方面，在进入细胞后也容易与内吞小体解脱，进入细胞质再递进到细胞核。
因此，要提高基因治疗的效果，必须改造病毒载体以降低其免疫原性和毒性，增加 安全性；提高非病毒载体的传递效率和转基因表达效率。今后几年内，有可能开发出一种通 用的基因传递系统用于所有疾病的基因治疗，这种通用的载体将是结合了不同传递系统优点 的杂合载体。
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早期的基因治疗研究一般是在体外转染细胞，但是目前进入临床II期的绝大多数基 因治疗是在体内传递基因[29]。随着病毒载体在体内传递效率的提高，这种趋势还 将继续。 此外，由于技术的限制，目前的基因治疗主要是基因插入治疗，在将来，基因替代治疗和基 因纠正治疗也是重要的发展趋势。
6 转基因和克隆技术(Transgenic and Cloning Technology)
将外源基因与动物乳蛋白的重组载体通过显微注射导入受精的胚胎中，再将胚胎植入雌性动 物中孕育，就可以产生转基因动物。选择的外源基因通常是编码具有某种生物活性的蛋白质 的基因，因此，利用转基因动物可以生产用其他方法难以大量生产的蛋白质药物。在第一个 基因工程药物问世的六年时间里，利用转基因动物生产重组人蛋白质便获得成功[32] 。在过 去十几年里，人们利用转基因动物生产了至少17种重组人蛋白质，其中三种--转基因山 羊 的抗凝血酶III、转基因绵羊的α1-抗胰蛋白酶和转基因兔的α-葡糖苷酶已进入临床试验 ，用于治疗囊性纤维变性和先天性肺气肿等疾病[33]。
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目前可利用转基因动物来生产具有生物活性的不同大小和复杂程度的重组蛋白质。但是，如 果进行商业化生产，在技术上还有许多需要改进的地方，主要是尽量提高外源蛋白的表达水 平和制造转基因动物的效率。目前常用的转基因显微注射方法仅能使外源基因在宿主基因组 上随机插入，因此转基因效率低，而且转基因动物的生产周期很长。若能在体外培养和筛选 细胞，就可以利用选择性“击倒”(knock-out)技术或替代方法对目的基因进行改造。胚胎 干细胞就是一种可以在体外未分化状态下培养繁殖的全能干细胞。如果与早期的宿主胚胎结 合，这种细胞就可以沿着不同的发育途径在体外进行诱导分化，从而促进嵌合动物的发育。 然而，除小鼠外，在其他动物中并尚未获得这种细胞系。
另一种切实可行的方法就是细胞核转移技术。一般通过供体细胞与去核的卵母细胞 融合，将原始细胞或经过培养的细胞的细胞核转移到去核的卵母细胞中，通过化学或物理方 法来激活融合细胞，以刺激静止的卵母细胞的细胞分化，然后将看似正常的胚泡转移到同步 分化的母体中孕育。这样获得的子代动物其基因背景与供体细胞的动物完全相同。1997年， 英国科学家将培养的乳腺细胞的细胞核转移到未受精的卵细胞克隆出绵羊多莉[34] ，整个世 界为之轰动，使克隆技术成为近年来的热门话题。到目前，科学家已经成功地克隆出多种哺 乳动物，包括绵羊、山羊、小鼠、猪和牛等[33]。
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从商业的角度来看，经基因工程改造，特别是针对宿主细胞基因组预先设定位点进行基 因改造后的体细胞，若能成为细胞核供体细胞，将是克隆技术的重要突破。绵羊波莉的诞生 标志着这种技术已获得成功。与多莉绵羊不同的是，波莉绵羊的基因组中含有一种人基因， 负责编码第IX因子--一种预防和治疗血友病的蛋白质[35]。
克隆技术在医学领域具有广泛的应用前景[36]。利用克隆动物可以生产大量的 重组 蛋白质药物，用于传染疾病，癌症和自身免疫病等疾病的治疗[33]。此外，利用克 隆技术还 可以制造具有相同基因背景的实验动物供医学研究；通过转基因或击倒技术来控制动物的某 个或多个基因的开启和关闭，为研究基因功能异常导致的复杂疾病提供极好的动物模型。从 长远来看，利用转基因动物和治疗性克隆技术，可以为人类提供移植器官，以降低免疫排斥 反应[37]。
由于器官来源有限、费用昂贵以及免疫排斥反应等因素，器官移植一直是医学界的 难题。克隆技术很可能在这方面取得突破。曾参与克隆绵羊多莉的英国生物制药企业PPL公 司最近利用细胞核移植技术培育出克隆猪。由于猪器官在体积和生理结构上和人体器官很相 似，该公司希望通过大量繁殖转基因克隆猪，为人类提供移植用器官。由于猪器官表面普遍 存在一种糖类物质，研究人员正在利用“击倒"技术使有关基因失去活力，以进一步降低异 种移植产生的免疫排斥反应。
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另一种有望应用于器官移植和修复的克隆技术称为“治疗性克隆”[37]。与 常规的 细胞核移植不同，在治疗性克隆中，体细胞的细胞核不是注入去核卵细胞，而是与去核的胚 胎干细胞进行融合，由此形成的新细胞不需经过胚胎阶段，而直接分化发育成所需的组织或 器官。从理论上来讲，新技术只需要一个胚胎作为原始的干细胞源，就可以无限地进行治疗 性克隆操作，因而可极大地减少克隆过程中产生的胚胎数量，从而减轻“克隆疗法”所面临 的社会和伦理等方面的压力。
人们最关心的还是人类本身的克隆问题。最近美国科学家利用胚胎分割技术成功地 克隆出猴子[38]，因此，从技术上来讲，人类本身的克隆并没有太多的障碍。不过 ，这是一 个争议非常大的问题，涉及道德、社会和法律问题，世界上绝大多数国家都通过立法来 禁止这类研究。但是，如果合理应用克隆技术，则会产生巨大的医学效益。例如治疗性克隆 技术可用于组织器官的移植和修复。从另一方面来讲，细胞核移植技术至少表明， 高度分化后的体细胞基因还可以“重新程序化”。如果对这个过程有深刻的理解，最终可在 不经过核移植的情况下，将一种分化后的细胞变成另一种细胞，从而以一种容易接 受的方式来实现人类克隆的医学价值。
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7 纳米技术(Nanotechnology)
纳米(natometer)是一种长度单位，1纳米(毫微米)为十亿分之一米。纳米结构通常是指大小在100纳米以下的超微结构，在这种水平上对物质和材料进行研究处理的技术通常称 为纳米技术。当某种物质被分割至纳米尺寸时，其物理性能会发生明显改变。简单的纳米技 术实际上就是纳米颗粒技术，它在医学保健领域已有广泛的应用。
例如，将制成纳米颗粒的金属银附着于棉织物上，由于表面积极大增加，表面结构 也发生根本性变化，其杀菌能力可提高200倍左右；制成纳米颗粒的药物和保健产品在人体 内的运输和吸收效率更高；在人工器官表面涂上纳米颗粒可以减轻移植后的排斥反应；运用 纳米颗粒可以使医学诊断更加简单和精确；而纳米颗粒本身也可以作为药物定点释放和基因 治疗的载体，以提高特异性和降低副作用[39]。
纳米技术的进一步研究是如何自由地操纵原子和分子来制造新材料。由于原子的排 列方式不一样，材料的性质也会完全不一样。例如，同样由碳原子组成的石墨和金刚石，在 性能和价格上有天渊之别。因此，如能以低廉的成本自由并精确地操纵原子，不仅能 够改造这个世界上人们熟悉的几乎所有的产品，而且可能创造具有全新性质的新材料。例如 ，可以制造分子大小的精确的外科手术工具，直接纠正病变的细胞[40]。
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但是，真正意义上的纳米技术是在纳米水平上开发的精确到原子的功能机械系统[4 1] 。创造这种分子机械系统的关键在于建造一个“通用装配器”。这种装配器是一种由计算机 控制的带有纳米机械臂的装置，它能抓住单个原子，从基层开始，按原子与原子、分子与分 子的排列来组装物体。如果这种装配器开发成功，最先的装配器按照程序自我复制出亿万个 装配器，它们拥有的无数个机械臂可以迅速地平行处理。从理论上讲，它们可以制造任何物 体，从超微机器到摩天大楼。
在自然界，细胞本身就是“纳米技术大师”。细胞中所有部分都是能完成独特任务 的“纳米机器”，它们在超微世界里极其精确地制造构成生命的基本物质。例如DNA分子就 是在纳米水平上旋转的双螺旋结构，它不仅能自我复制，同时也指导RNA和蛋白质的合成； 核糖体在mRNA的指导下以精确的序列将游离氨基酸连接起来，合成成千上万种蛋白质。
通过揭示和模仿细胞在长期进化过程中形成的“纳米技术”，生物技术(尤其是蛋 白质和DNA工程技术)将为纳米技术，特别是装配器纳米技术的发展提供关键的技术基础。例 如，通过模仿核糖体合成蛋白质的原理，可以设计分子机械系统，利用非生物单体来制造高 度均一的功能产品[42]；一些生物大分子，特别是蛋白质和核酸分子，由于具有复 制、自我 装配和分子识别能力，将为纳米技术提供结构概念和实际材料[43]。前面提到的在 纳米水平 根据生物膜结构设计的离子通道生物传感器就是一个例子[1]；细菌表层蛋白和RNA 分子开关 可以用于新型生物传感器的开发[3, 4]；而DNA分子本身也可以用于制造任何形状 的产品[44]。
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纳米技术的发展意味着未来的医学将进入超微时代，而纳米技术在医学领域的应用 将开始形成一门新兴科学--纳米医学(nanomedicine)。今后若干年里，如果生物技术及相 关技术的发展在通用装配器的开发上取得突破，未来的医疗技术将发生革命性变化。“免疫 机器”将是未来纳米医学中最重要的潜在应用之一。这种机器比红细胞小得多，但它所具有 的数据库和强大的计算识别能力不亚于当今最强大的电脑主机。它能识别生物表面特征，并 能摧毁外来细菌、病毒或其他致病物质。天然的免疫系统必须通过与外来致病菌接触才能建 立防御体系，而通过程序控制的免疫机器则可以抵御目前医学上发现的任何一种致病菌。
另一种称为“细胞聚集器”的装置可以刺激和加强体内组织生长和修复过程，促进 伤口的快速愈合。这种超微机器可用于清理血管，加强血管结构；修复关节，加强骨骼；去 除结疤组织；甚至用牙质和釉质来修补牙洞[45] 。
纳米技术的继续发展，将使它从细胞修复水平进一步深入到细胞内运行水平。“细 胞修复器”将是一种比红细胞小得多的超微手术器，它可进入细胞，搜索到受损部位，完成 修复后关闭细胞，然后再移向其他受损的细胞。由化学或辐射产生的细胞损伤可以被修复， 诸如艾滋病病毒之类的整合在遗传物质上的外来病毒也可以被清除。将来，也许只需让患者 服一粒药片就可以进行这样的基因手术。届时，人体许多衰老过程可以被遏制或修复， 而 人的寿命亦将明显地延长。
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这些奇妙的纳米技术究竟何时能够实现？一般认为，制造原始装配器所需要的分 子操作技术将是关键因素，而跨越这个技术难度可能需要几十年时间。然而，目前对装配器 纳米技术本身是否可行还存在争议，一些技术问题，如怎样给装配器供能、它如何识别原子 的类型和位置以及怎样为其编程等，目前都无法解决。因为有这么多的不确定性， 所以很 难估计这些纳米技术具体何时能出现。但是，装配器纳米技术是如此重要，它一旦出现，势 将改变所有事物。
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(收稿 2000-03-11), http://www.100md.com
单位：桂林医学院生物工程研究所 广西桂林市 541004
关键词：
华夏医学0003129 几千年来，以发酵技术为基础的传统生物技术在人类社会发展过程中发挥了重要的 作用。以基因技术为代表的现代生物技术发展到现在虽然不过三十年，然而，当前现代生物 技术的迅速发展对人类社会所带来的影响，只有信息技术的发展才能与之相比。
现代生物技术的发展已广泛渗透到医学、农业、食品、制药、环境和海洋科学等领 域，而最重要的应用还是在医学保健领域。本世纪将是生命科学的世纪已经取得人们的共 识，然而生物技术的发展究竟将在多大程度上影响人类自身的发展，目前还难于估量。但 是，可以肯定，生物技术的迅速发展将在今后一、二十年里使医学领域在各个重要的方面发 生根本性变革。例如，疾病起因的研究方法和疾病分类方法；疾病的预测、诊断、治疗方法 和预防措施；医疗保健设备的设计、制造和运作；医学教育和培训；以及相应的立法、社会 和伦理道德问题等等。
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现对生物技术，包括纳米技术，在疾病的预测和预防、诊断和治疗中的应用，以及它们 对医学领域将来的发展所产生的影响作简要介绍。
1 生物传感器(Biosensors)
生物传感器是利用生物识别机制和物理传导技术而制成的生化分析仪器。用于制 造生物传感器的生物材料包括酶、抗体、核酸、受体、细胞膜、完整细胞和细胞碎片等。传 导技术主要用于测量电化学(如电位、电流或电导)、光和温度等参数的变化。
生物传感器主要分为两种类型，即催化型传感器和亲和型传感器。这两种传感器都 利用结合反应来决定其特异性。对于催化型传感器，主要是测定组分浓度的变化；而亲和型 传感器则是监测结合反应本身。酶和抗体是这两类生物传感器最常使用的生物材料。
由于价格昂贵、灵敏度和稳定性较差，除了测定血糖外，传统的生物传感器在医学领域 的实际应用受到了限制。近年来，生物分子材料、生物识别系统和其他相关技术的迅速发展 ，使新型生物传感器的快速发展成为可能。
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通过配基和受体在细胞表面特异结合导致的离子通道的转换，可以调节细胞膜离子电导率， 从而利用传导机制非常灵敏地检测分析物。澳大利亚科学家最近利用合成的脂质膜与土壤杆 菌产生的短杆菌肽开发出一种非常灵敏、非常稳定的生物传感器[1] 。这种传感器 的脂质双 层膜中的离子通道由两个短杆菌肽分子组成：一个分子在膜下层与金电极相连；另一个分子 在膜上层与生物受体，如抗体分子相连。当受体捕捉到靶分子，离子通道断开，电导率下降 ，这样，生物化学的变化就转变成可以检测的电信号。虽然形式很简单，但是它可以检测到 10-7～10-13mol/L浓度范围内的靶分子，包括蛋白质、药物、激素、抗体和 DNA等。如果 在制造过程中调整受体的表面密度，这种装置的检测灵敏度还可以提高几个数量级[2 ] 。由于其中的离子开关仅1.5nm大小，这种生物传感器被视为“纳米机器”[2] 。
生物大分子的研究为新型生物传感器开发提供了新材料。例如，结晶细菌表层蛋白 (S-layer)是一种由分子量40～200KDa蛋白质组成的细菌包膜的最外层结构[3] 。 由同种蛋 白质亚基构成的具有自我装配能力的蛋白质单层晶格结构具有极其均一的形状和稳定的理化 性质，对生物大分子有特别强的结合能力，是一种理想的生物传感器的固相基质[3] 。又如 ，当RNA与某些配基结合后，RNA 结构会呈现构相变化。利用这一特性开发的核酸分子开关 可用于制造新型生物传感器，以检测各种各样的配基，包括小分子有机化合物、核酸、蛋白 质，甚至是病毒颗粒和完整细胞，从而在疾病诊断过程中发挥重要作用[4] 。
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今后几年里，根据纳米水平离子通道开发的生物传感器将投入商业市场，在数分钟 之内，可以利用少量的唾液或血液诊断出许多疾病。由于检测费用低廉、方法简单且灵敏可 靠，生物传感器在医学保健领域将具有广泛的应用价值，包括细胞分型和各种各样病种的检 测，如病毒、抗体、蛋白质、电解质、药物、杀虫剂及其他环境污染物等等。此外，便携式 生物传感器的推广对医院和其他保健设施的设计和运作将产生巨大影响。由于各种分析检测 过程可以就地进行，大型检测实验室以及科室之间的样本传递和送检将变得不再必要。
2 基因芯片(DNA Chips)
基因芯片是生物芯片的一种。所谓生物芯片，就是利用微点阵技术，使生物分子(高密度DNA 、蛋白质或多肽、细胞等)在固相载体上作有序排列，利用生物大分子之间特异性相互识别 作用，借助于电脑平行分析的原理，使一些生物分析手段能够在更小的空间，以更快的速度 精确地完成。根据固相载体上包被的材料，可以将生物芯片分为DNA芯片(基因芯片)、蛋白 质芯片和细胞芯片等。基因芯片在目前研究最多、应用最广[5～8]。
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由美国、英国、日本、法国、德国和中国科学家合作开展的人类基因组计划(Huma n Genome Project)是人类科学史上举世瞩目的重大事件，目前已经取得一系列重大突破。 1999年12月，这个国际研究组织宣布破译了人类第22对染色体全部基因密码，此项工作以误 差率不到五万分之一的极高质量准确标明DNA序列上的33.5×106个碱基对，这对于阐明人 类 全部染色体遗传密码具有里程碑意义。人类基因组计划到2003年完成后，大约有10万个人体 基因被测序和定位。不过，这仅仅是揭开人类生命秘密的序幕，在接下来的后基因组时代， 需要逐步地全面地揭示基因之间如何相互作用产生极其复杂的生物功能。要阐明基因之间的 相互作用，科学家必须比较不同个体在生命的不同阶段以及在健康和疾病状态下的基因及其 表达状况。这种复杂的基因分析方法可以将正常基因类型和与某些疾病相关的异常基因类型 区别开来。但是，传统的基因分析方法速度慢、效率低、成本高，已经完全不能适应基因检 测和基因表达分析的速度，基因芯片的出现则是一种划时代的突破。
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由于采用大规模数据平行分析技术对样本进行自动分析处理，因此可以极大地提高 分析速度，并且在同样的试验条件下比较基因之间或基因表达产物之间的差别。应用基因芯 片测定DNA序列的速度比任何传统方法要快数十倍，而且速度还在不断提高。除了用于DNA测 序，基因芯片的应用主要还是在医学领域，例如基因表达分析、基因多态性和基因突变的检 测，以及基因分型、致癌物和致病菌的鉴定，这些都与疾病的诊断、预测和预防有关。此外 ，基因芯片也广泛用于新药开发和安全性评价。
基因表达分析是目前基因芯片最重要的用途之一。稳定的转录水平能灵敏地反映出 细胞和组织样本的生理状态。不同类型以及不同生理状态下的细胞和组织均呈现特殊的基因 表达类型。这些不同类型所反映的生物信息为基因功能的检测提供了直接的线索。由于疾病 的易感性与某些特殊的表达标志相关，通过检测正常人基因表达的变化，结合临床资料和家 族史，就可以对正常人进行疾病预测。由于几乎所有人类疾病在基因表达类型上都有特殊改 变，如果对病变组织进行分析，不仅可以提供诊断和病理资料，而且还可以发现潜在的药物 靶位[5，7]。例如，如果某个基因在某种疾病过程中表达水平发生了明显变化，那 么可以设 计新的药物来纠正该基因的功能。此外，经药物分子处理的细胞也呈现特殊的基因表达类型 ，鉴于常规临床试验既费时又昂贵，基因表达分析可为药物筛选和毒理学研究提供快速低廉 的方法[5，7，8]。同样，在致癌物或致病菌的作用下，某些组织和细胞也会呈现 与某些癌 症或传染病直接相关的基因表达类型。因此，基因芯片也可以用于环境监测和传染病诊断试 剂的开发。
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基因芯片的另一个主要应用是DNA多态性和基因突变的检测[5, 7, 9]。所谓DN A多 态性是指在DNA的相同位点，有相当一部分人的DNA碱基序列不一样，如果是单一碱基的改变 ，则称为单一寡核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphisms, SNPs)，其发生频率约 为每1000个碱基位点中有一个碱基变异，其他类型的突变频率更低。这些变异决定了人们各 自的基因型。通过DNA多态性和基因突变的检测，我们可以判断和预测每个人的特征，包括 智力、体力、性格以及对各种疾病的易感程度。
目前已发现，许多疾病的发生与单个基因的变化有关，如囊性纤维变性、肌强直性营 养不良和多发性神经纤维瘤等。随着基因芯片及其他工具的应用，研究人员将揭示多基因或 基因与环境因子相互作用的发病机制。许多恶性疾病，包括癌症、心血管疾病、中风、糖尿 病和早老性痴呆等都涉及基因易感性。当研究人员鉴定出与各种疾病易感性相关的基因类型 后，就可以开发出相应的基因芯片来预测疾病。
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目前国外已有一系列的检测癌症、遗传疾病和传染病的基因芯片上市。用于疾病易 感性分析的基因芯片，如检测乳腺癌易感性基因BRCA1和BRCA2突变的基因芯片也已经问世。 许多生物技术公司目前正在开发能同时诊断多种癌症和传染病的超级基因芯片。从某种程度 来讲，基因芯片的发展速度也遵循电脑技术中的“摩尔定律”，亦即芯片的处理速度每18个 月增加一倍。这样看来，在未来20年里，包含人类基因组全部基因信息的“人体芯片模型” 有可能面世。当然，要全面阐明基因之间的相互作用和代谢过程，还需要几十年时间。
不久的将来，传统的繁杂的身体健康检查程序将被基因芯片全面代替。通过基因芯 片可以确定每个人的基因型，它将成为个人医疗记录中不可或缺的部分。通过建立个体基因 型，可使每个人了解到自己全部的遗传缺陷，借助统计分析，可以预测到未来若干年的健康 会受到哪些威胁，以便采取相应的对策加以预防，包括改变个人的生活方式，如戒烟酒、改 变饮食结构等，甚至可以采用基因治疗加以纠正。在考虑结婚生育时，只要比较双方的基因 型，就可以避免由于隐性基因的组合导致后代患遗传病的悲剧。
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芯片实验室(Laboratory-on-a-chip)是另一类基因芯片[10]。用基因芯片 制作的具 有不同用途的全功能微缩芯片实验室可使分析过程全自动化，分析速度获得极大的提高，而 且体积小、重量轻、便于携带。将使任何个体拥有自己的个人化验室， 随时随地对 自身的健康状况进行监测，并通过环球通讯系统将结果传到私人医生办公室，通过个人 健康资料的全面分析，采取相应的处理措施。可以设想，将来通过医学互联网，不仅可以实 现远程诊断，还可以做远程手术和其他治疗。
3 基因组学(Genomics)
基因组学研究基因的结构和功能及在健康和疾病状态中的作 用[11] 。基因 组学的出现标志着医学的发展开始进入到分子医学阶段，以基因分析为基础的更加复杂和精 细的疾病分类方法将逐步取代传统的疾病分类方法；以基因诊断为代表的分子诊断技术不仅 为疾病的诊断和治疗提供准确的依据，而且将医疗保健的重点从疾病的诊断和治疗逐步转移 到疾病的预测和预防上；以个体基因型为基础的药物遗传学将使药物预防和治疗更具针对性 。此外，基因组学的发展将为药物开发提供强大的动力。基因组学及相关技术的发展不仅要 求医学从业人员不断地更新知识，也将推动整个医学教育体系的改革。
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3.1 基因诊断(Gene Diagnosis)
几十年来，医学遗传学在疾病的诊断中发挥了重要的作用。随着遗传学的研究进入基因组学 时代，相应的诊断技术也发展到对DNA分子进行直接分析的基因诊断技术阶段。这是医学领 域近年出现的最先进的诊断技术，目前主要是检测单个基因突变所导致的疾病。实际上，几 乎所有已知的疾病都与患者基因组中的基因突变或多态性有直接或间接的关系。因此，基因 诊断在医学领域中的应用潜能是巨大的。但这种诊断技术的发展将受到一些因素的影响，包 括对人类基因组的认识程度、相关技术的发展以及相关的社会、道德和法律准则的制定 [9, 12]。
基因诊断的基础在于我们对导致或改变疾病风险的单个或多个基因的DNA序列改变 的认识。人类基因组工程在这方面扮演着重要的角色[13]。通过鉴定基因编码区DN A多态性 和其他突变，并揭示这些变化对基因表达产物的影响，将能鉴定与几乎所有疾病相关的基因 背景，从经典的遗传疾病到多基因疾病，如心血管疾病、关节炎和精神分裂症等[9, 1 3]。
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目前，基因诊断主要用于证实临床诊断、婚前诊断(常染色体隐性疾病，如囊性纤 维变性)、产前诊断(如泰-萨病)、鉴定遗传疾病(如亨廷顿舞蹈病)的易感性以及预测成年 癌 症的风险[12]。最近，美国约翰霍普金斯大学的研究人员开发的基因诊断技术可以 通过对唾 液和尿液的检测，及早诊断出某些癌症，包括口腔癌、咽喉癌、肺癌和膀胱癌等，据说准确 率达100%。
将来，基因诊断能否成为临床实验室的常规检测取决于相关技术的发展，包括前述 的检测基因表达水平、DNA多态性及基因突变的基因芯片技术；用于DNA序列分析的质谱、高 效液相和毛细管电泳技术，以及检测程序的自动化技术等[9]。当基因诊断成为医 学常规检 测后，相应的管理、道德、法律和社会问题也必须予以解决。基因诊断的结果能否得到有效 的保护，将影响到个人就业、保险、家庭关系以及自我形象等问题。
基因诊断技术的发展也要求医疗人员不断地更新知识，以便向患者准确地传达基因 诊断的结果。例如，在进行疾病易感性分析时，在不引起过分焦虑的情况下，说服患者调整 个人的生活方式，如坚持药物治疗、改变饮食习惯和加强身体锻炼等，以尽量降低发病的风 险。此外，医疗人员还必须向患者提供有关检测的法律、道德、家庭和生活问题的咨询服务 [12]。
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3.2 药物遗传学(Pharmacogenetics)
药物反应的个体差异是医学上一个亟待解决的问题。基因组学研究使一门较老的学科--药 物遗传学获得新生。它研究人们对药物产生不同反应的基因背景。目前已知，药物的吸收与 代谢以及药物靶位的多态性均由个体基因类型决定。例如，药物代谢酶系统中细胞色素P450 家族的基因变化决定了药物遗传学多态性。当人们对不同基因型如何对药物产生不同反应有 足够的认识后，就可以针对个体基因型给患者应用最恰当的药物治疗，这样不仅可以提高疗 效，减少副作用，还可以节约医疗成本。这种以个体基因型为依据的“个体医疗”将是未来 医疗技术发展的趋势。
目前的研究也表明，药物代谢酶类的活性存在着明显的种族差异。这对我国的药物 引进和药物开发来讲非常重要。由于我国大多数的药品均移植于西方国家，鉴于东西方人种 在药物代谢酶类的表达上存在明显的差别，今后在引进药品时，应该根据种族及个体基因型 来组织新药临床试验；另一方面，今后也应根据本民族的基因背景来开发新药。此外，由于 药效或安全性问题，以往在西方国家无法通过临床试验的“旧药”可能对东方人种具有明确 的疗效。因此，药物遗传学也可以为“旧药”的开发带来生机。
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3.3 新药开发
基因组学的研究不仅将加速新药开发的过程，同时也将改变新药开发的方式。传统的方法是 先分析与某种疾病相关的生理过程，鉴定药物靶位，然后再筛选能改变这种生理过程的药物 。目前人们正逐步应用生物信息学工具来分析基因序列数据库，以鉴定与某种疾病相关的新 基因[14]。此外，基因组学的发展亦将揭示更多的药物靶位。目前市场上所有药物 所针对的 基因或蛋白质靶位仅有400余种，这说明为什么目前许多药物的疗效很相似。当人类基因组 工程完成后，在人类约10万个基因中，可以鉴定出3000 至10000个药物靶位[14, 15] 。
细菌的抗药性是一个日益严重的问题。通过细菌的基因组学研究，阐明细菌致病作 用的分子机理，可以寻找和鉴定疫苗和药物靶位，以开发新型疫苗和药物来预防和治疗抗药 性细菌引起的疾病[11]。
3.4 医学教育和培训
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鉴于基因组学及相关技术的发展对医学领域产生的巨大影响，西方国家已呼吁所有医疗从业 人员对已经来到的“基因革命”做好认真准备[16]。但是从目前来看，许多医疗从 业人员对 人类遗传学及相关学科的了解比较肤浅[12]。因此，在职医疗人员接受继续教育和 培训已变得日益重要。
另一方面，医学教育有必要对现行的医学课程结构、教学内容和教材做出调整。例 如，分子生物学和遗传学应该贯穿整个医学课程；由分子生物学、临床遗传学、病理学、流 行病学和计算机科学综合组成的新型交叉学科将变得日益重要；特别是由基因组学和信息学 融合形成的新学科将开创一个生物医学教育和研究的新时代[17]。
3.5 蛋白质组学(Proteomics)
基因组学虽然受到广泛关注，但是它只在转录水平上对基因表达状况进行分析。由于某些因 素的限制，如在mRNA的转录后拼接、蛋白质的翻译后修饰等过程，mRNA浓度并不能完全反映 出蛋白质浓度，因此，基因表达和蛋白质表达并不完全相关。蛋白质组学利用双向电泳和质 谱技术来分析细胞或组织中蛋白质表达图谱，在翻译水平上分析基因表达情况，这种蛋白质 分析更精确地反映组织和细胞的功能。因此，蛋白质组学是基因组学研究有力的辅助工具， 实际上它就是蛋白质水平上的功能基因组学[18]。
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目前蛋白质组学最主要的应用是在医学领域。在已发现的所有疾病中，只有2%的疾 病是单基因疾病，其余绝大多数疾病及其治疗都体现在蛋白质水平。利用蛋白质组学可以直 接研究蛋白质之间的相互作用，为这些疾病的诊断和治疗提供线索。
例如，应用蛋白质组学对体液和活体组织进行分析，不仅可以鉴定体液或活体组织 的来源，还可以监测疾病发展过程和蛋白质表达情况(感染、早期肾功能或肝功能不全和营 养不良等)[19]；通过比较健康和疾病状态的细胞或组织的蛋白质图谱，找出其中 的蛋白质 差别，不仅可以发现新的疾病标志，也可以帮助寻找新药靶位；通过药物治疗前后的正常或 疾病状态的蛋白质图谱的对比分析，可以检测新药的药理和毒理作用[20]；此外， 通过致病 菌的蛋白质组学分析，可以鉴定致病菌毒力因子，促进诊断试剂、新药和疫苗的开发 [21]。
基因组学和蛋白质组学构成了生物信息学的主要部分。生物信息学就是以计算机为 主要工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。就人类基因组来讲，获得基因序列仅仅 是第一步，其次是收集、整理有关数据，并分析决定人类健康和疾病状态的基因之间和基因 表达产物之间复杂的相互作用。生物信息学在其中将扮演主要的角色。
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4 生物技术药物(Biopharmaceuticals)
生物技术药物主要包括蛋白质药物和核酸药物。第一个生物技术药物是1982年在美 国上市的重组人胰岛素。截止1999年，总共有59种生物技术药物获得美国食品与药物管理局 (FDA)批准上市。根据调查，目前至少有500种生物技术药物正在试验之中，其中350多种已 进入临床试验阶段，而这其中又有151种是针对癌症及相关疾病，其余的主要针对传染疾病 、心血管疾病、艾滋病等[22] 。由于生物技术药物针对的适应证很难用其他方法 治疗，这类药物的销售额每年以25%的速度增长，而传统药物的增长率只有5%～7%。
与传统制药方法相比，运用现代生物技术不仅可以开发更加精确有效、副作用更小 的新药和新型疫苗，而且可以预防和治疗更多的疾病，特别是一些应用传统治疗方法无法克 服的疾病。此外，运用现代生物技术不仅能够生产用其他方法无法获得的大量蛋白质药物用 于替代治疗，如治疗糖尿病的重组胰岛素，治疗癌症的重组促红细胞生成素，而且可以避免 采用人和动物器官作原材料来提取药物，从而消除了病原菌的污染，如治疗血友病的重组第 VIII因子，治疗儿童侏儒症的重组生长激素。
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4.1 蛋白质药物
由于遗传信息是从DNA到mRNA再到蛋白质这个方向传递，因此生物技术药物可以在这三个分 子水平发挥作用。在已经上市和正在开发的生物技术药物中，蛋白质药物占绝大多数。蛋白 质药物可以分为以下主要几类[23] ：
.细胞因子：干扰素系列；白细胞介素系列和肿瘤坏死因子等。
.造血生长因子：粒细胞和/或巨噬细胞集落刺激因子(G-, M-, GM-CSF)；促红细胞生成 素(EPO) 和促血小板生成素(TPO)等。
.生长因子：胰岛素样生长因子(IGF)；转化生长因子(TGF)；表皮生长因子(EGF)；成纤 维细胞生长因子(FGF) 和神经营养因子等。
, 百拇医药 .激素：生长激素(GH)；胰岛素；性腺激素(FSH, LH, hCG)。
.血液制品和治疗酶： 血液替代品(白蛋白，明胶 等)；止血剂(第Ⅷ因子，第 Ⅸ因子 ，抗凝剂如肝素和水蛭素)；溶栓剂(组织型纤维蛋白溶酶原激活剂，链激酶，尿激酶，葡激 酶，α-抗胰蛋白酶)；治疗酶(脱氧核糖核酸酶，门冬酰胺酶等)。
.抗体、疫苗和佐剂：多克隆和单克隆抗体；嵌合抗体；人源化抗体；抗体片断；免疫 毒素；疫苗(传统减毒疫苗，类毒素，重组疫苗和DNA疫苗等)。
基因组学、蛋白质组学及相关技术，尤如组合化学和高通量筛选技术的迅速发展， 为新型蛋白质药物的鉴定和开发提供了强大的动力。此外，在制药公司看来，除了加速开发 新型蛋白质药物之外，另一个方法就是增加已有的蛋白质药物的适应证[24]。例 如，干扰 素α-2A在1986年首先被批准用于治疗毛细胞白血病；其后在1988年用于治疗与艾滋病相关 的卡波西肉瘤；1991年用于治疗非甲非乙/丙型肝炎；1992年用于治疗慢性乙肝；1993年与 其他药物共同使用治疗尖锐湿疣；1995年用于治疗周身复发的黑素瘤。其他的蛋白质药物如 干扰素2A, TPA, EPO, GM-CSF, G-CSF, hGH 和单克隆抗体OKT3等，都具有两种或两种以 上的适应证[24]。
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为了改良蛋白质药物的药理学和药代动力学性质，研究人员应用基因工程方法改变 蛋白质药物的氨基酸组成来开发第二代产品，以提高蛋白质药物的半寿期和生物活性。例如 TPA有三种形式的第二代产品已进入后期开发阶段[24]。
4.2 核酸药物
蛋白质药物是在蛋白质水平对疾病进行诊断，预防和治疗，而核酸药物是在核酸水平(DNA 和RNA)上发挥作用。一般认为，核酸药物包括 反义RNA和DNA疫苗。
反义RNA是指体外合成的寡核苷酸，它能与mRNA互补，从而抑制与疾病发生直接相 关的基因的表达。反义RNA只阻断靶基因的翻译表达，具有特异性强，操作简单的特点，可 用于治疗由于基因突变或过度表达导致的恶性肿瘤以及严重感染性疾病等。
DNA疫苗是近年来迅速发展起来的疫苗技术。这种技术是将编码外源性抗原的基因 插入到含真核表达系统的质粒上，然后将质粒直接导入人体肌肉或皮下细胞，让其在宿主细 胞中表达抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答[25～27] 。与传统的疫苗(如死疫苗 ，减毒活疫苗和重组疫苗)相比，DNA疫苗具有明显的优越性：
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.通过MHC-I 和II 类途径，DNA疫苗能同时诱导机体产生细胞和体液免疫应答；
.抗原基因在体内持续表达产生抗原，不断刺激机体免疫系统产生长程免疫；单次接种就 可以获得长期免疫力，不需多次注射和加强免疫；
.每个质粒可插入多个抗原基因，组成多价疫苗，不必多次注射就可产生对多种疾病的免 疫能力；
.质粒DNA无免疫原性，不需病毒载体传递，因此更加安全；
.使用方便，制备简单，成本低，容易大量生产；质粒DNA很稳定，易于储存和运输。
目前，许多 DNA疫苗已进入临床试验阶段，它们主要针对癌症和传染疾病，如艾滋 病、乙肝、丙肝和疟疾等[26, 27] 。实际上，针对传染疾病的DNA疫苗与癌症的预 防也有密 切的关系，例如乙肝和丙肝引起的肝癌，HTLV1引起的成人T细胞白细胞以及EB病毒引起的非 霍奇金淋巴瘤等[27] 。
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5 基因治疗(Gene Therapy)
每个基因不仅是基本的遗传单位，也负责编码某一特定的蛋白质。许多疾 病其实并不是由病原体引起的，而是某个或某些基因突变的结果，它导致某一特定基因产生太少、太 多或根本不产生某种蛋白质。基因突变不仅是许多遗传疾病的根源，同时也是许多获得性疾 病产生的原因。例如，许多癌症并不是遗传的，而是后天基因损伤累积的结果。
当前，我们还无法有效地纠正蛋白质合成过程中的偏差。从传统的中草药到最 新的特效药，所有的治疗仅仅是干预基因突变所导致的生物过程而不是突变本身。基因治疗 的意义在于治“本”而不是治“标”，它通过纠正突变的基因并使之重新获得适当的功能来 治疗或预防疾病。基因治疗的特点是，能将基因表达产物的作用局限于病变组织周围，从而 使治疗更具针对性；只要转化的细胞不被清除，转化的基因不被抑制，基因表达产物可以持 续发挥作用。对于那些目前难以克服的疾病，基因治疗可能是重要的治疗手段。
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因此，早在二十多年前，当科学家开始意识到这种可能性时，曾对这种方法寄予极 大的期望。但后来的事实证明，实施基因治疗所需的技术是非常困难的。基因治疗的确是医 学史上一个划时代的突破，它甚至可以和显微镜，麻醉技术，预防接种以及抗生素的出现相 提并论。但是，过去十年的经验表明，人们对基因治疗效果的期望过高。实际上，直到近年 ，基因治疗确切的临床效果才被肯定[28]。
虽然如此，这项技术还是在迅速地发展。目前有300多种基因治疗获准进入临床试 验，其中70% 是针对癌症，其余的适应证包括遗传单基因疾病(尤其是囊性纤维变性)， 传 染病(主要是艾滋病)，心血管疾病和类风湿性关节炎等[29]。可以预测，在今后的 几年里， 针对癌症的基因治疗将获得实质性突破。这方面的基因治疗措施包括：“自杀”基因治疗； 肿瘤抑制基因的传递；应用反义技术抑制活化的癌基因；细胞因子基因传递以及肿瘤细胞接 种等 [30]。
, 百拇医药 基因治疗的一个关键技术是如何将质粒DNA有效地传递到靶细胞中。这意味着不仅 要把质粒DNA传递到正确的细胞，还需将DNA从细胞质中传递到细胞核中。一般来讲，基因 传递载体可以分为两类：病毒载体和非病毒载体。
病毒载体主要包括逆转录病毒、腺病毒及腺病毒相关病毒。这些病毒由于具有天然转染机制 ，转染效率高，因此在基因治疗中，病毒载体从一开始就倍受青睐。在目前被批准进入临床 试验的基因治疗中，有75%是利用病毒载体来传递基因[29]。这类载体的主要缺点 在于它们的免疫原性和细胞毒性较强并受插入片段大小的限制，由于插入突变而带来安全性 问题。
与病毒载体相比，非病毒载体的传递效率要差得多，而且表达效果也不理想。但 是， 非病毒载体不受插入片段大小的限制，使用简单，容易规模生产和储存，免疫原性低 ，安全性好，因此这类载体越来越受重视。它们主要包括三类：“裸”DNA、阳离子脂类与D NA形成的复合物以及阳离子聚合物与DNA相互作用形成的压缩颗粒[31]。
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在非病毒传递系统中，最简单的方法是通过“基因枪”或电穿孔方法直接将“裸” DNA导入组织中。这些物理方法可使DNA直接穿过细胞膜而绕过溶酶体/内吞小体，从而避免 被酶降解。利用阳离子脂类或聚合物与带正电的质粒DNA通过静电作用结合形成复合物， 或 形成压缩的纳米结构，从而保护DNA不受降解，提高质粒DNA的稳定性以及靶细胞的吸收效果 [31]。近年出现的一种叫树状聚合物(dendrimer)的新型合成分子是一种理想的质 粒DNA载 体。这种材料具有精确的纳米结构，其表面可以形成致密的分子基团以便与质粒DNA分子紧 密结合。这种非生物材料一方面不会引起免疫反应，在质粒DNA的传递过程中不易被免疫细 胞清除；另一方面，在进入细胞后也容易与内吞小体解脱，进入细胞质再递进到细胞核。
因此，要提高基因治疗的效果，必须改造病毒载体以降低其免疫原性和毒性，增加 安全性；提高非病毒载体的传递效率和转基因表达效率。今后几年内，有可能开发出一种通 用的基因传递系统用于所有疾病的基因治疗，这种通用的载体将是结合了不同传递系统优点 的杂合载体。
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早期的基因治疗研究一般是在体外转染细胞，但是目前进入临床II期的绝大多数基 因治疗是在体内传递基因[29]。随着病毒载体在体内传递效率的提高，这种趋势还 将继续。 此外，由于技术的限制，目前的基因治疗主要是基因插入治疗，在将来，基因替代治疗和基 因纠正治疗也是重要的发展趋势。
6 转基因和克隆技术(Transgenic and Cloning Technology)
将外源基因与动物乳蛋白的重组载体通过显微注射导入受精的胚胎中，再将胚胎植入雌性动 物中孕育，就可以产生转基因动物。选择的外源基因通常是编码具有某种生物活性的蛋白质 的基因，因此，利用转基因动物可以生产用其他方法难以大量生产的蛋白质药物。在第一个 基因工程药物问世的六年时间里，利用转基因动物生产重组人蛋白质便获得成功[32] 。在过 去十几年里，人们利用转基因动物生产了至少17种重组人蛋白质，其中三种--转基因山 羊 的抗凝血酶III、转基因绵羊的α1-抗胰蛋白酶和转基因兔的α-葡糖苷酶已进入临床试验 ，用于治疗囊性纤维变性和先天性肺气肿等疾病[33]。
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目前可利用转基因动物来生产具有生物活性的不同大小和复杂程度的重组蛋白质。但是，如 果进行商业化生产，在技术上还有许多需要改进的地方，主要是尽量提高外源蛋白的表达水 平和制造转基因动物的效率。目前常用的转基因显微注射方法仅能使外源基因在宿主基因组 上随机插入，因此转基因效率低，而且转基因动物的生产周期很长。若能在体外培养和筛选 细胞，就可以利用选择性“击倒”(knock-out)技术或替代方法对目的基因进行改造。胚胎 干细胞就是一种可以在体外未分化状态下培养繁殖的全能干细胞。如果与早期的宿主胚胎结 合，这种细胞就可以沿着不同的发育途径在体外进行诱导分化，从而促进嵌合动物的发育。 然而，除小鼠外，在其他动物中并尚未获得这种细胞系。
另一种切实可行的方法就是细胞核转移技术。一般通过供体细胞与去核的卵母细胞 融合，将原始细胞或经过培养的细胞的细胞核转移到去核的卵母细胞中，通过化学或物理方 法来激活融合细胞，以刺激静止的卵母细胞的细胞分化，然后将看似正常的胚泡转移到同步 分化的母体中孕育。这样获得的子代动物其基因背景与供体细胞的动物完全相同。1997年， 英国科学家将培养的乳腺细胞的细胞核转移到未受精的卵细胞克隆出绵羊多莉[34] ，整个世 界为之轰动，使克隆技术成为近年来的热门话题。到目前，科学家已经成功地克隆出多种哺 乳动物，包括绵羊、山羊、小鼠、猪和牛等[33]。
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从商业的角度来看，经基因工程改造，特别是针对宿主细胞基因组预先设定位点进行基 因改造后的体细胞，若能成为细胞核供体细胞，将是克隆技术的重要突破。绵羊波莉的诞生 标志着这种技术已获得成功。与多莉绵羊不同的是，波莉绵羊的基因组中含有一种人基因， 负责编码第IX因子--一种预防和治疗血友病的蛋白质[35]。
克隆技术在医学领域具有广泛的应用前景[36]。利用克隆动物可以生产大量的 重组 蛋白质药物，用于传染疾病，癌症和自身免疫病等疾病的治疗[33]。此外，利用克 隆技术还 可以制造具有相同基因背景的实验动物供医学研究；通过转基因或击倒技术来控制动物的某 个或多个基因的开启和关闭，为研究基因功能异常导致的复杂疾病提供极好的动物模型。从 长远来看，利用转基因动物和治疗性克隆技术，可以为人类提供移植器官，以降低免疫排斥 反应[37]。
由于器官来源有限、费用昂贵以及免疫排斥反应等因素，器官移植一直是医学界的 难题。克隆技术很可能在这方面取得突破。曾参与克隆绵羊多莉的英国生物制药企业PPL公 司最近利用细胞核移植技术培育出克隆猪。由于猪器官在体积和生理结构上和人体器官很相 似，该公司希望通过大量繁殖转基因克隆猪，为人类提供移植用器官。由于猪器官表面普遍 存在一种糖类物质，研究人员正在利用“击倒"技术使有关基因失去活力，以进一步降低异 种移植产生的免疫排斥反应。
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另一种有望应用于器官移植和修复的克隆技术称为“治疗性克隆”[37]。与 常规的 细胞核移植不同，在治疗性克隆中，体细胞的细胞核不是注入去核卵细胞，而是与去核的胚 胎干细胞进行融合，由此形成的新细胞不需经过胚胎阶段，而直接分化发育成所需的组织或 器官。从理论上来讲，新技术只需要一个胚胎作为原始的干细胞源，就可以无限地进行治疗 性克隆操作，因而可极大地减少克隆过程中产生的胚胎数量，从而减轻“克隆疗法”所面临 的社会和伦理等方面的压力。
人们最关心的还是人类本身的克隆问题。最近美国科学家利用胚胎分割技术成功地 克隆出猴子[38]，因此，从技术上来讲，人类本身的克隆并没有太多的障碍。不过 ，这是一 个争议非常大的问题，涉及道德、社会和法律问题，世界上绝大多数国家都通过立法来 禁止这类研究。但是，如果合理应用克隆技术，则会产生巨大的医学效益。例如治疗性克隆 技术可用于组织器官的移植和修复。从另一方面来讲，细胞核移植技术至少表明， 高度分化后的体细胞基因还可以“重新程序化”。如果对这个过程有深刻的理解，最终可在 不经过核移植的情况下，将一种分化后的细胞变成另一种细胞，从而以一种容易接 受的方式来实现人类克隆的医学价值。
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7 纳米技术(Nanotechnology)
纳米(natometer)是一种长度单位，1纳米(毫微米)为十亿分之一米。纳米结构通常是指大小在100纳米以下的超微结构，在这种水平上对物质和材料进行研究处理的技术通常称 为纳米技术。当某种物质被分割至纳米尺寸时，其物理性能会发生明显改变。简单的纳米技 术实际上就是纳米颗粒技术，它在医学保健领域已有广泛的应用。
例如，将制成纳米颗粒的金属银附着于棉织物上，由于表面积极大增加，表面结构 也发生根本性变化，其杀菌能力可提高200倍左右；制成纳米颗粒的药物和保健产品在人体 内的运输和吸收效率更高；在人工器官表面涂上纳米颗粒可以减轻移植后的排斥反应；运用 纳米颗粒可以使医学诊断更加简单和精确；而纳米颗粒本身也可以作为药物定点释放和基因 治疗的载体，以提高特异性和降低副作用[39]。
纳米技术的进一步研究是如何自由地操纵原子和分子来制造新材料。由于原子的排 列方式不一样，材料的性质也会完全不一样。例如，同样由碳原子组成的石墨和金刚石，在 性能和价格上有天渊之别。因此，如能以低廉的成本自由并精确地操纵原子，不仅能 够改造这个世界上人们熟悉的几乎所有的产品，而且可能创造具有全新性质的新材料。例如 ，可以制造分子大小的精确的外科手术工具，直接纠正病变的细胞[40]。
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但是，真正意义上的纳米技术是在纳米水平上开发的精确到原子的功能机械系统[4 1] 。创造这种分子机械系统的关键在于建造一个“通用装配器”。这种装配器是一种由计算机 控制的带有纳米机械臂的装置，它能抓住单个原子，从基层开始，按原子与原子、分子与分 子的排列来组装物体。如果这种装配器开发成功，最先的装配器按照程序自我复制出亿万个 装配器，它们拥有的无数个机械臂可以迅速地平行处理。从理论上讲，它们可以制造任何物 体，从超微机器到摩天大楼。
在自然界，细胞本身就是“纳米技术大师”。细胞中所有部分都是能完成独特任务 的“纳米机器”，它们在超微世界里极其精确地制造构成生命的基本物质。例如DNA分子就 是在纳米水平上旋转的双螺旋结构，它不仅能自我复制，同时也指导RNA和蛋白质的合成； 核糖体在mRNA的指导下以精确的序列将游离氨基酸连接起来，合成成千上万种蛋白质。
通过揭示和模仿细胞在长期进化过程中形成的“纳米技术”，生物技术(尤其是蛋 白质和DNA工程技术)将为纳米技术，特别是装配器纳米技术的发展提供关键的技术基础。例 如，通过模仿核糖体合成蛋白质的原理，可以设计分子机械系统，利用非生物单体来制造高 度均一的功能产品[42]；一些生物大分子，特别是蛋白质和核酸分子，由于具有复 制、自我 装配和分子识别能力，将为纳米技术提供结构概念和实际材料[43]。前面提到的在 纳米水平 根据生物膜结构设计的离子通道生物传感器就是一个例子[1]；细菌表层蛋白和RNA 分子开关 可以用于新型生物传感器的开发[3, 4]；而DNA分子本身也可以用于制造任何形状 的产品[44]。
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纳米技术的发展意味着未来的医学将进入超微时代，而纳米技术在医学领域的应用 将开始形成一门新兴科学--纳米医学(nanomedicine)。今后若干年里，如果生物技术及相 关技术的发展在通用装配器的开发上取得突破，未来的医疗技术将发生革命性变化。“免疫 机器”将是未来纳米医学中最重要的潜在应用之一。这种机器比红细胞小得多，但它所具有 的数据库和强大的计算识别能力不亚于当今最强大的电脑主机。它能识别生物表面特征，并 能摧毁外来细菌、病毒或其他致病物质。天然的免疫系统必须通过与外来致病菌接触才能建 立防御体系，而通过程序控制的免疫机器则可以抵御目前医学上发现的任何一种致病菌。
另一种称为“细胞聚集器”的装置可以刺激和加强体内组织生长和修复过程，促进 伤口的快速愈合。这种超微机器可用于清理血管，加强血管结构；修复关节，加强骨骼；去 除结疤组织；甚至用牙质和釉质来修补牙洞[45] 。
纳米技术的继续发展，将使它从细胞修复水平进一步深入到细胞内运行水平。“细 胞修复器”将是一种比红细胞小得多的超微手术器，它可进入细胞，搜索到受损部位，完成 修复后关闭细胞，然后再移向其他受损的细胞。由化学或辐射产生的细胞损伤可以被修复， 诸如艾滋病病毒之类的整合在遗传物质上的外来病毒也可以被清除。将来，也许只需让患者 服一粒药片就可以进行这样的基因手术。届时，人体许多衰老过程可以被遏制或修复， 而 人的寿命亦将明显地延长。
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这些奇妙的纳米技术究竟何时能够实现？一般认为，制造原始装配器所需要的分 子操作技术将是关键因素，而跨越这个技术难度可能需要几十年时间。然而，目前对装配器 纳米技术本身是否可行还存在争议，一些技术问题，如怎样给装配器供能、它如何识别原子 的类型和位置以及怎样为其编程等，目前都无法解决。因为有这么多的不确定性， 所以很 难估计这些纳米技术具体何时能出现。但是，装配器纳米技术是如此重要，它一旦出现，势 将改变所有事物。
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(收稿 2000-03-11), http://www.100md.com