上海干部在線學習城講義之生物技術對人類健康的影響生物技術的發展現狀大綱一、生物技術的概念與產生1．生物技術和健康的概念2．生物技術的產生與發展二、現代生物技術的進展1．現代生物技術發展史上的重要事件2．現代生物技術的研究方向三、各國生物技術的現狀1．美國2．英國3．法國4．德國5．瑞典6．巴西7．日本8．印度9．新加坡10．中國知識點匯總概念C01：技術C02：生物技術C03：健康原理K01：生物技術的起源K02：近代生物技術的誕生K03：現代生物技術的發展K04：現代生物技術發展史上重要事件K05：現代生物技術進展的主要方面K06：美國的生物技術現狀K07：英國的生物技術現狀K08：法國的生物技術現狀K09：德國的生物技術現狀K10：瑞典的生物技術現狀K11：巴西的生物技術現狀K12：日本的生物技術現狀K13：印度的生物技術現狀K14：新加坡的生物技術現狀K15：中國的生物技術現狀信息I01：1802年,生物學從博物學中獨立出來，是法國科學家拉馬克（Lamarck）命名的，以瑞典的林奈（Linnaeus）創立雙名法分類系統為基礎I02：生物技術作為專業名詞在1917年由匈牙利工程師KarlEreky提出I03：1990年，人類基因組計劃在美國正式啟動，2003年4月14日，中、美、英、日、法、德六國科學家宣布：人類基因組序列圖繪制成功I04：2002年中國獨立完成水稻基因組研究，使其雜交水稻處于世界領先水平正文一、生物技術的概念與產生1．生物技術和健康的概念技術，泛指人類基于實踐經驗和知識而形成的操作方法、工藝或技能。在各個領域均有體現，宏觀的如科學技術、工程技術、農業技術；微觀的如開車技術、修理技術、種菜技術等。生物技術屬于宏觀到中觀層面的技術。（1）生物技術概念生物技術（biotechnology）是應用自然科學和工程學的原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應器將物料進行加工，以提供產品來為社會服務的技術（1982年，OECD）。具體來說，生物技術就是應用生命科學研究成果，以人們意志設計，對生物或生物的成分進行改造和利用的技術。現代生物技術綜合分子生物學、生物化學、遺傳學、細胞生物學、胚胎學、免疫學、化學、物理學、信息學、計算機等多學科技術，可用于研究生命活動的規律和提供產品為社會服務。它包括基因工程、細胞工程、發酵工程和酶工程等。生物技術有時（不嚴格地）也稱生物工程，是指人們以現代生命科學為基礎，結合其他基礎科學的科學原理，采用先進的科學技術手段，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種研究目的。現代生物技術已發展到高通量組學（omics）芯片技術、基因與基因組、人工設計與人工合成生物學等系統生物技術。（2）健康概念以前，人們習慣認為“沒有疾病就是健康”；1977年，世界衛生組織將健康概念確定為“不僅僅是沒有疾病和身體虛弱，而是身體、心理和社會適應的完滿狀態”；20世紀90年代，健康的含義注入了環境的因素，即健康為：“生理—心理—社會—環境”四者的和諧統一；進入21世紀，還有人提出“健、康、智、樂、美、德”組成所謂“大健康”概念，大健康成為幸福人生的更佳境界。人類健康是指建立在個體健康基礎上的人類總體宏觀健康概念，是個體健康的集中體現。2．生物技術的產生與發展生物學起源于西方的博物學，歷史上指對大自然的宏觀觀察和分類，范圍廣泛，包括對植物、動物、礦物的研究，還包括現代意義上的地理、天文學,甚至人類學等。1802年，生物學從博物學中獨立出來，由法國科學家拉馬克（Lamarck）命名，以瑞典的林奈（Linnaeus）創立雙名法分類系統為基礎。這一階段稱為經典生物學時期，主要研究生物的分類和部分功能。第二階段以從1838年開始的細胞學說和1900年建立的經典遺傳學作為主要代表，這一階段稱為實驗生物學階段，一直延續到1953年。第三階段從1953年華生（Watson）和克里克（Crick）發現DNA雙螺旋結構為起點的分子生物學時期開始，直到今天。這三個階段對應了現代生物學發展的三階段。（1）生物技術的起源——古老生物技術生物技術是最古老的技術，可追溯到一千多年前。其實，農業活動的開始便是生物技術的發端：當我們的祖先最早懂得制醬、釀酒、造醋等，這便是最初的發酵工程。但直到微生物的發現和微生物學的產生，經典遺傳學的建立及相關化學理論和技術的出現，古老的生物技術逐步吸收并運用這方面的知識，才被納入科學技術的軌道。古老生物技術的起源和生物學的起源發展有直接關系。（2）近代生物技術的誕生——傳統生物技術生物技術作為專業名詞在1917年由匈牙利工程師卡爾·艾瑞克（KarlEreky）提出，原意是指用甜菜作為飼料大規模養豬，含義是利用生物將原材料變成產品。經典遺傳學的應用產生了遺傳育種；細胞學的理論被用于生產便出現了細胞工程；酶學理論與化工技術的結合便產生了酶工程；半個世紀前，抗菌素工業的突起，標志著發酵工業已進入工程技術領域。但隨著科學技術的發展，用現代科技的眼光來看，上述發展只能稱為傳統的生物技術，其地位在各類其他技術領域面前仍顯得渺小，其原因在于它的價值尚不足以影響國計民生。只有當它演變成現代生物高技術時，才具備了劃時代的意義和戰略價值。（3）現代生物技術的發展——高科技生物技術生物技術從傳統技術演變到高技術的最主要因素是生物學，特別是分子生物學的最新理論成就和當代主要的尖端技術，如微電子高技術和電子計算機技術的相互滲透，在現代生物學諸領域中大量地使用高精尖儀器，如：超速離心機、液體閃爍計數儀、電子顯微鏡、高壓液相色譜儀、DNA合成儀、DNA順序分析儀、多肽序列儀等，這些儀器多由微機控制。這種滲透使得生物學研究得以深入到分子水平，從而才為各個生物工程的出現奠定了理論基礎。特別是基因工程，若沒有華生（Watson）和克里克（Crick）的DNA模板學說（中心法則）及雅各布（F.Jacob）和莫諾（J.Monod）的操縱子學說，沒有限制性核酸內切酶的發現等分子生物理論上的突破，就不可能有當今基因工程高技術的出現。沒有微生物營養缺陷型強迫雜交導致基因重組的微生物遺傳學上的突破，便不會有今日的雜交瘤技術，當然就不會有單克隆抗體技術的出現。同樣，沒有細胞遺傳學一系列技術方法的進步，也不會有今日細胞工程的出現。如果沒有蛋白質晶體化學和蛋白質三維結構的深入分析，以及化工技術的進步，便不會有今日蛋白質工程和酶工程的產生。抗菌素工業本是發酵工程中的規模最大且工藝較先進的發酵工程，但唯有在引入計算機控制及傳感器檢測等技術后，才真正稱得上發酵工程高技術。1982年，世界經濟合作及發展組織（OECD）對生物技術名詞重新定義：生物技術是應用自然科學和工程學的原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應器將物料進行加工以提供產品來為社會服務的技術。在上述技術的發展過程中，社會的需求產生了在競爭機制作用下的橫向聯合。為求生存、求發展使人們渴求技術進步的主動性達到空前的強烈，從而使技術知識的傳播及相互滲透以空前的深度和廣度迅速進行。如：第一個DNA體外重組實驗的成功，至今不到30年，但已有大批基因工程產品問世；而基因工程技術也早已滲透到細胞工程、酶工程、發酵工程等領域中去了，出現了一大批用傳統技術方法無法研制的新產品。總之，在競爭機制下，同行或不同行的科學家、企業家之間的橫向聯合，是生物技術從傳統技術轉化為高技術的主要社會因素。二、現代生物技術的進展1．現代生物技術發展史上的重要事件1917年，首次使用生物技術名詞；1943年，大規模生產青霉素；1944年，實驗證明DNA是遺傳物質；1953年，華生－克利克闡明DNA雙螺旋結構；1961—1966年，破譯遺傳三連體密碼；1977年，分離成功第一個限制型內切酶；1972年，首次合成完整tRNA基因；1973年，建立DNA重組技術；1975年，建立單克隆抗體技術；1976年，DNA測序技術誕生；1978年，美國基因公司在大腸桿菌中成功表達胰島素；1980年，美國最高法院裁定，基因工程操作的微生物可獲專利；1981年，第一個單克隆抗體診斷試劑盒在美國批準使用；1982年，第一個用DNA重組生產的動物疫苗在歐洲批準使用；1983年，基因工程Ti質粒用于植物轉化；1988年，美國授予對腫瘤敏感的基因工程鼠專利；1988年，PCR方法問世；1990年，美國批準第一個體細胞基因治療方案；1997年，英國培養出第一只克隆綿羊多利；1998年，美國批準艾滋病疫苗人體試驗；1998年，日本培養出克隆牛，英國、美國培養出克隆鼠等；1999年，美國首次發現小鼠肌肉組織成體干細胞可橫向轉變成血液細胞；2003年，人類基因組測序計劃完成；2007年，胚胎肝細胞研究獲重大突破。在生物技術發展的歷史中，值得一提的是各國的諾貝爾獎獲得比例。從1901年到2010年，除了二次世界大戰之外，每年一次評獎，共產生了608項各種諾貝爾獎，其中美國獲284項，英國83項，德國66項，法國31項，瑞典18項，瑞士15項，荷蘭14項，俄國14項，日本13項，奧地利11項。共有27個國家獲得過諾貝爾獎，除了日本之外，全為歐美囊括。整個110年歷史中，有7位美籍華人獲獎，包括楊振寧、李政道、丁肇中、李遠哲、朱棣文、崔琦等，我國本土還沒有實現諾貝爾獎零的突破。我國在生命技術發展歷史上，離諾貝爾獎最近的一次是1965年的人工合成結晶牛胰島素，但是后來由于政治環境的變動，到1978年底才正式為此提出申請。我國這一項目在1965年的水平是很高，處于世界領先地位，但是到1978年的時候已經被歐美一些國家趕超了。所以，雖然瑞典皇家科學院接受了中國的申請，但是最后評審結果還是失敗了。這一年的化學獎由美國和德國獲得。從這個生物技術發展史來看，我國近年來在生物技術的研究上有很大發展和突破，但是離國際領先水平還有很大差距。2．現代生物技術的研究方向隨著人類基因組、水稻基因組、擬南芥基因組以及其他重要微生物等50多種生物基因組全序列測定工作的完成，目前國際基因組研究開發的總體趨勢已發生了新的變化，轉入了對基因組功能的研究。進入后基因組時期，功能基因組和蛋白質組研究成為主要研究熱點。（1）生物制藥方面單克隆抗體藥物正在興起，全世界正在研制的生物技術藥品中，四分之一為各類單克隆抗體。2010年，世界單克隆抗體藥物的銷售額已達200億美元。（2）農業生物技術方面轉基因農作物的研究和應用已有很大增長，四大轉基因農作物已在全世界種植；澳大利亞研究者利用生物技術培育的水芹中含有Ω-3油脂，這種油脂能夠降低心臟疾病的發生率。同時，轉基因技術開發出含有乙型肝炎疫苗的馬鈴薯。（3）動物生物技術方面美國農業部生物技術研究者開發出能夠自然抵抗乳腺炎的奶牛；阿根廷科學家利用生物技術，使乳牛產出的奶中具有足夠的人類垂體生長素，以滿足人類對該種激素的需求。（4）器官移植技術方面器官移植技術向異種移植方向發展，即利用現代生物技術，將人的基因轉移到另一個物種上，再將此物種的器官取出來置入人體，代替人的生病的“零件”。另外，還可以利用克隆技術，制造出完全適合于人體的器官，來替代人體“病危”的器官。韓國的異種移植研究，通過生物技術使乳豬具有LAG基因，這種基因可以提高器官異種移植的耐受力，減少免疫排斥反應。（5）能源方面能源緊張已經是全球面臨的關鍵性難題，近年來生物能源尤其受到重視，各國都在大力發展生物能源（包括生物乙醇、生物柴油和生物制氫等）、生物基化學品和生物材料等領域，并加大以工業微生物為代表的新型催化、轉化過程的應用，以節能、減排、增效。生物技術在上述工業領域的作為，有可能為綠色循環經濟提供根本性的解決方案，實現新的工業革命。（6）人類基因組方面1990年，人類基因組計劃在美國正式啟動，2003年4月14日，中、美、英、日、法、德六國科學家宣布：人類基因組序列圖繪制成功。人類基因組計劃的完成，有助于人類認識許多遺傳疾病以及癌癥的致病機理，將為基因治療提供必要的理論依據。2006年5月18日，人類1號染色體的基因測序圖正式公布，1號染色體中的3141個基因全部測序完成，這些基因的缺陷涉及350多種疾病，如癌癥、帕金森病和阿爾茨海默病等。至此，人類基因組計劃圓滿完成。三、各國生物技術的現狀1．美國美國在生物技術領域處于全球領導地位，無論是在研究水平和投資強度上，還是在產業規模和所占市場份額上都是如此。目前，美國在艾滋病研究、基因組測序、克隆和干細胞研究等廣泛領域均占據了領先地位，啟動了基因變異鑒別工程，目的是尋找出20萬個與人類疾病有關的變異基因，這方面的成果將有助于開發更有效、副作用更小的藥物。聯邦衛生部門還在著手進行“臨床蛋白質組學計劃”，開發以蛋白質組研究為基礎的癌癥診療技術。2006年，美國伊利諾斯大學和加利福尼亞大學的科學家采用世界上功能最強和運算速度最快的計算機，首次對衛星狀煙草花葉病毒進行了其完整生命形態的數字仿真，模擬仿真了單個衛星狀煙草花葉病毒所含的全部原子和在病毒周圍的一個小水滴，兩者加起來共有駁陸離100多萬個原子。由于計算量巨大，該數字仿真病毒僅“存活”了50ns（1ns=10-9s）。該成果是在“飛速測試”生命有機體方面首次獲得的重要進步，將有助于更好地了解病毒的工作機制。美國科學家安德魯·菲爾和克雷格·梅洛因發現RNA干擾機制獲2006年諾貝爾獎，科學家認為RNA干擾技術不僅是研究基因功能的重要工具，也可以使致病基因“沉默”用以治療癌癥和艾滋病等，還可用于農業。RNA干擾的應用前景令人興奮不已。2．英國英國的生物技術產業僅次于美國，居世界第二，迄今英國在生物和醫學領域已獲得了80多個諾貝爾獎。DNA結構及單克隆抗體構造的發現，DNA指紋印的發明，以及抗體工程的進展等為產業的發展創造了十分有利的條件。英國是“人類基因組”計劃的重要參與者，承擔了約1/3的測序工作。英國又是世界上第一只克隆羊“多莉”的誕生地。此外，它在基因治療等方面也有不俗的表現。英國紐卡斯爾大學達勒姆生物干細胞研究所的納耶尼亞博士領導的研究小組，首次成功地用胚胎干細胞制造的人造精子培育出了生命。研究人員從老鼠的胚胎中分離出精原干細胞（可發育成早期精子細胞的干細胞）進行培養，最終培育出7只老鼠。這項研究成果有助于深入了解精子生成的生物過程，也為科學家研究生命如何孕育提供了動物模型。更重要的意義在于首次表明由人類培育出的精子可以最終形成完整的生命個體，這為研究遺傳學、癌癥或細胞重組等學科提供了思路，也為解決人類不育癥帶來了新的希望。英國紐卡斯爾大學的學者首次利用臍帶血干細胞培育出微型人造肝臟。他們首先從嬰兒臍帶血中提取干細胞，然后將干細胞放入生物反應器，并添加激素和化學物質，刺激干細胞形成肝臟組織。這些微型肝臟已可用來測試新藥。還可以培育出修復肝臟損傷的人造肝臟組織，甚至有可能用這一方法培育出人造肝臟用于器官移植。3．法國法國生物技術水平不低。法國功能基因組公司（genOwaySA）克隆出世界上第一個大鼠胚胎，為未來干細胞治療的發展鋪平了道路。4．德國德國歷史上就是科技強國。德國科學家開發出新的顯微技術——受激發射減損（STED），它克服了傳統光學顯微鏡分辨率的衍射限制（200nm），使科學家觀察到40nm的結構。這為了解細胞和蛋白質精細結構提供了更清晰的視野。5．瑞典瑞典的生物技術在基礎研究、應用研究和產業化等方面都已躋身于世界先進行列，并在某些領域居世界前沿水平。生產的霍亂疫苗則被世界衛生組織認為是世界上最有效的疫苗，并已在若干國家登記注冊。6．巴西巴西高度重視生物技術，大力實施基因組計劃。在破譯和繪制人類癌細胞基因組圖譜方面的世界排名僅次于美國。2001年4月，巴西完成了112萬個癌細胞基因片段的測序工作。到2002年，他們完成了一個乳腺癌腫瘤細胞的完整基因組圖譜。7．日本日本生物技術原來開發方面落后于歐美，但近年來日本生物技術研究發展很快，在某些方面具有一定優勢，如日本岡崎國立研究所的水稻基因研究、京都大學的再生醫療研究、東京工科大學片柳研究所的生物探測裝置研究、田中耕一的蛋白質和糖鏈研究等均位居世界領先水平。此外，日本科學家在解析各種疑難病的基因和腦科學研究方面也不斷取得突破性進展。在尖端生物技術領域——干細胞研究中，日本是站在世界上最前列的國家之一。由4個皮膚細胞培育出干細胞功能的IPS細胞，干細胞為基礎，開展培育骨髓移植和人工器官的研究。8．印度印度科研人員在生物技術的某些方面，如動植物DNA的重組、生物信息技術、對微生物和動物細胞的基因控制技術等已經確立了自己的競爭地位。在干細胞研究領域，經美國國立衛生研究院鑒定的世界上僅有的64所培養實驗室中，印度就占到了10所。這使印度進入世界胚胎細胞菌采集最先進的十大研究中心之列。疫苗是印度生物制藥的一個亮點。9．新加坡新加坡基因組研究院科學家宣布成功繪制了4000多個基因開關位置圖譜，這如同基因組圖譜有了“全球定位系統”。醫學界的科學家一直希望能以干細胞療法治療諸如糖尿病、阿爾茨海默病、先天性肌肉萎縮癥等疾病，基因開關位置圖譜的成功繪制，有望為干細胞療法帶來突破，使科學家有可能按圖索驥，對癥進行藥品開發和基因修正。10．中國從總體上看，我國生物技術在第三世界處于領先地位。1999年，我國作為唯一的發展中國家加入國際公共領域人類基因組計劃，2000年6月如期完成所承擔的百分之一的測序任務；2002年獨立完成水稻基因組研究，使中國的雜交水稻處于世界領先水平；同時我國克隆技術研究領域和干細胞研究，已步入世界先進行業。我國基因工程多肽藥物、單抗和新型診斷試劑在仿制的基礎上向創新發展，已能生產目前國際上市的大多數基因工程多肽藥物，基因工程干擾素α-1b系國際首創，重組人腫瘤壞死因子、重組蛋白檢測抗體已申請專利，首創的免疫PCR胃癌診斷試劑已獲得新藥證書，有望開發出一系列的高靈敏度癌癥診斷試劑。基因工程疫苗的研制取得明顯進展，基因工程乙肝疫苗投放市場，對乙肝的預防起到了非常重要的作用。基因治療取得突破，研制成功具有高效導入功能的靶向性非病毒型載體系統，獲得了一批轉基因動物，通過研究出現一批創新性成果，克隆了大量人、動物、植物的新基因，創造了具有多種用途的新型表達載體等。我國已成為世界上轉基因作物推廣面積最大的國家之一，如東北大豆已被轉基因大豆大部分替代。轉基因水稻還沒有被農業部批準大規模使用，我國雜交水稻還守住陣地，在世界上處于領先水平。返回頂端疾病診斷與生物制藥中的生物技術大綱一、生物技術與疫苗1．疫苗的作用與傳染病2．疫苗的發展歷程二、生物技術與疾病診斷1．單克隆抗體技術2．DNA診斷技術3．生物芯片技術三、生物技術與生物制藥1．抗生素2．其他天然藥物3．基因工程藥物四、生物技術與生物療法1．基因治療2．基因療法3．人類基因組計劃知識點匯總概念C01：單克隆抗體及技術C02：生物芯片技術C03：基因治療C04：基因療法C05：遺傳病C06：人類基因組原理K01：疫苗的作用K02：傳染病的三種分類K03：疫苗的發展歷程K04：單克隆抗體技術的應用K05：DNA診斷技術的應用K06：生物芯片技術的應用K07：抗生素的濫用現象K08：基因工程技術生產蛋白質藥物的優越性K09：基因療法的現狀和困難K10：人類對人類基因組的了解信息I01：19世紀中葉，法國科學家巴斯德（Pasteur）首先發明了細菌的純種培養技術及減毒疫苗的制備技術I02：1978年，坎（Kan）和杜齊（Dozy）首先應用羊水細胞DNA限制性片段長度多態性（RFLP）作鐮狀細胞貧血癥的產前診斷I03：1928年，Fleming發現一種被稱為點青霉（Penicilliumnotatum）的真菌能產生一種被稱為青霉素的物質I04：1972年，重組DNA技術的問世宣告了現代生物技術的誕生正文據不完全統計，目前生物技術的實際應用，約60%是在醫藥衛生方面，與人類健康直接或間接有關的高達90％以上。生物技術在醫藥衛生領域的主要產品包括：疾病預防的疫苗、疾病診斷的單克隆抗體、基因探針、疾病治療的生物藥品及其他一些新的治療手段。隨著醫藥生物技術的發展，生物芯片、基因診斷、免疫診斷等高技術病原體檢測與疾病診斷等技術已經邁上了一個新臺階；基因治療、干細胞治療等生物治療技術將開辟疾病治療技術的新領域；一批基因治療方案、藥物將逐漸進入應用階段。一、生物技術與疫苗1．疫苗的作用與傳染病利用疫苗對人體進行主動免疫是預防傳染性疾病的基本手段之一。人類接受疫苗之后，可以在體內建立起對入侵物質感染的免疫抗性，從而使自己免受相應病原體的侵染。如果以后再遇到相應的侵入，人類的免疫系統也會被激活，使入侵的病原體被中和失活或致死而排出體外，使致病性降低或消失。傳染病是人類健康的殺手，傳染病感染人有三個傳播環節：第一，傳染源，指各種病原體，包括細菌、病毒、寄生蟲等；第二，傳播途徑，包括空氣、病原生物；第三，易感人群。按照管理控制的要求，傳染病可以分三類：（1）甲類傳染病，也稱為強制管理傳染病。例如，鼠疫、霍亂。對此類傳染病發生后報告疫情的時限，對病人、病原攜帶者的隔離、治療方式以及對疫點、疫區的處理等，均須強制執行。（2）乙類傳染病，也稱為嚴格管理傳染病。包括：傳染性非典型肺炎、艾滋病、病毒性肝炎、脊髓灰質炎、人感染高致病性禽流感、麻疹、流行性出血熱、狂犬病、流行性乙型腦炎、登革熱、炭疽、細菌性和阿米巴性痢疾、肺結核、傷寒和副傷寒、流行性腦脊髓膜炎、百日咳、白喉、新生兒破傷風、猩紅熱、淋病、梅毒、鉤端螺旋體病、血吸蟲病、瘧疾等。對此類傳染病要嚴格按照有關規定和防治方案進行預防和控制。其中，傳染性非典型肺炎、炭疽中的肺炭疽、人感染高致病性禽流感這三種傳染病雖被納入乙類，但可根據實際情況，直接采取甲類傳染病的預防、控制措施。（3）丙類傳染病，也稱為監測管理傳染病，包括：流行性感冒、流行性腮腺炎、風疹、急性出血性結膜炎、麻風病、流行性和地方性斑疹傷寒、黑熱病、包蟲病、絲蟲病，除霍亂、細菌性和阿米巴性痢疾、傷寒和副傷寒以外的感染性腹瀉病。對此類傳染病要按國務院衛生部的監測管理方法進行管理。目前，已有幾十種用于人類主要傳染性疾病的疫苗。在我國，兒童方面已有七種疫苗列入計劃免疫（卡介苗、小兒麻痹疫苗、百白破、麻疹疫苗、乙型肝炎疫苗、乙型腦炎疫苗、流行性腦炎疫苗），由國家免費提供疫苗。2．疫苗的