基因工程药物的综述

摘要：20世纪70年代，随着DNA重组技术的成熟，诞生了基因工程药物，高产值、高效率的基因药物给医药产业带来了一场，推动了整个医药产业的发展，医药产业进入了新的历史时期。本文以基因工程药物的发展为导向，简要的介绍了国内外基因工程药物的发展概况、研究现状、研究方向、发展方向。

关键词：基因工程，药物，现状，发展

1 基因工程药物的发展概况

20世纪70年代，随着DNA重组技术的成熟，诞生了基因工程药物，高产值、高效率的基因药物给医药产业带来了一场，推动了整个医药产业的发展，医药产业进入了新的历史时期。

基因药物经历了三个阶段：第一阶段是把药用蛋白基因导入到大肠杆菌等细菌中，通过大肠杆菌等表达药用蛋白，但这类药物往往有缺陷，人类的基因在低等生物的细菌中往往不表达或表达的蛋白没有生物活性。第二阶段是人们用哺乳动物的细胞代替细菌，生产第二代基因工程药物。但由于哺乳动物细胞培养条件相对苛刻，生产的药物成本居高不下。第一、二代基因药物的研制和生产已经成熟。从第一个反义核酸药物Vitrovene于1998年和1999相继在美国和欧洲上市以来，发展迅速。第三阶段是到了80年代中期，随着基因重组和基因转移技术的不断发展和完善，科学家可以将人们所需要的药用蛋白基因导入NN-~L动物体内，使目的基因在哺乳动物身上表达，从而获得药用蛋白。携带外源基因并能稳定遗传的这种动物，我们称之为转基因动物。由于从哺乳动物乳汁中获取的基因药物产量高、易提纯，因此利用乳腺分泌出的乳汁生产药物的转基因动物称为“动物乳腺生物反应器”。90年代中后期，国际上用转基因牛、羊和猪等家畜生产贵重药用蛋白的成功实例已有几十种，一些由转基因动物乳汁中分离的药物正用于临床试验，但还没有一例药品成功上市。

2 基因工程药物的研究现状

2.1国外基因工程药物研究现状

随着1971年第一家生物制药公司Cetus公司在美国的成立，1973年重组DNA技术的出现，生物医药即已显示出巨大的应用价值和商业前景。1976年，世界第一家应用重组DNA技术开发新药的公司Genentech建立，l982年第一个基因重组药物——基因重组人胰岛素在美国投放市场以来，生物医药产业以一种前所未有的速度迅猛发展。如在基因重组制药产业中做出过卓越贡献的Genentech和Amgen公司，早期的几个“重型”的基因重组药物人胰岛素、人生长激素、红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子都出自于Genentech和Amgen公司．为推动世界生物技术产业的迅速发展起到了积极的作用。20世纪90年代以来，全球生物药品销售额以年均30％的速度增长，大大高于全医药行业年均不到10％的增长速度。现在美国已发展有2000多家生物技术企业，在世界生物技术的舞台上处于绝对的位置。在激烈的市场竞争中，一大批优秀的基因工程制药公司脱颖而出，在某一领域拥有无可比拟的优势。经过多年的发展和市场竞争．美国已形成了旧金山、波士顿、华盛顿、北卡、圣迭戈五大生物技术产业区。现在已经通过美国FDA批准应用于临床的生物制剂就有120多种．2006年就有400多个生物技术药物进行临床试验，其中用于癌症研究的210个，感染性疾病的50个，自身免疫性疾病的44个，艾滋病的22个。在亚太地区，日本、中国、印度、韩国等都是基因工程制药行业相对发达的地区，尤其是日本有相当强的生物技术研究、产业化实力，生物技术公司的数量占亚太地区的6l％，其中麒麟公司、协和发酵工业株式会社等在生物医药方面属世界前列。印度的基因工程制药行业虽然起步晚，但增长速度却处于世界领先地位，已成为亚太地区生物技术投资方面最有力的竞争者之一。韩国、新加坡等国家都制定了生物技术发展计划，将生物技术发展列为国家重点投资项目。另外，在拉美地区，古巴的基因工程制药在世界上占有一席之地。

2．2我国基因工程药物研究进展

我国基因工程药物的研究起于20世纪80年代初，1986年，为跟踪世界生物技术的前沿研究，发展我国的生物技术，生物技术的研究主题研究被列入“863”计划。经过近30年的发展，在技术上有了一定储备，基础设施有明显改善，建成了一批重要的研究、中试和产业化基地，主要的技术平台已经建立，特别是系统化的研发能力处于发展中国家的前列。建立了一批国家级的技术平台和基地，如国家人类基因组南方中心、国家人类基因组北方中心、国家组织工程中心、生物芯片中心、基因工程药物研究中心等，这些平台和基地已在我国基因工程药物的研发过程中发挥了重要作用。我国是继美国、欧共体之后，能够生产较多品种、各类细胞因子及疫苗的国家。作为唯一的发展中国家，我国加入国际公共领域人类基因组测序协作组，并如期完成了所承担人类基因组1％的测序任务，这为我国生物医药技术在源头上创新和参与国际竞争奠定了良好基础。目前全国有200多家生物技术药物企业从事生物技术药物的生产与开发，但真正具有从事基因重组药物生产的企业也只有60多家，真正具有从事研究、开发和生产能力的生物技术企业更加凤毛麟角。经过8年努力，中国第一个基因重组人源化单克隆抗体药物——泰欣生(尼妥珠单抗)已投入批量工业化生产。泰欣生由中国和古巴合资合作兴建的百泰生物药业有限公司研制，是两国在生物医药领域长期合作的一项重大成果。此前，基因重组人源化单克隆抗体药物的技术和工艺主要被少数几个发达国家掌握，尤其是抗体人源化技术和哺乳动物细胞规模化培养技术。泰欣生的研制成功，中国第一次在大规模哺乳动物细胞培养药物生产领域拥有了自主1业技术产权，必将大大提升中国牛物医药的产业化水平。

2．3 基因工程药物的研究方向

基因工程药物最理想的靶标体现细胞功能的蛋白质既是传统药物作用的靶标，时至今日仍然是蛋白质组计划寻求的药物靶。然而，人体细胞约有10万种功能基因，能产生约100万种蛋白质，鉴于阐明如此浩大数量的蛋白质，和动态变化的蛋白质组以及网络式关联的蛋白质问相互作用非常困难，以蛋白质为药物靶标、从蛋白质的相互作用中遴选出功能蛋白作用靶，研发生物药物面临着巨大挑战。基因工程药物则主要针对功能基因组、和基因转录本mRNA等两类生物大分子。从基因DNA和转录本mRNA结构上看，基因DNA和组蛋白等因为形成复杂结构，使得小分子药物可及性差；另外反基因技术中，基因剔除方法目前还仅仅处在实验室的细胞株以及动物模型实验阶段，尚不能预见未来是否能应用于疾病治疗；三螺旋成寡核苷酸(TFO)和针对启动子区序列的诱骗(decoy)序列寡核苷酸，虽然可以阻止转录因子同基因启动子结合，从而阻止基因转录表达，但因为启动子序列一般为细胞功能基因所共有，所以他们不能特异消除某种基因表达，因此，以反基因组DNA为药物靶标的反基因药物离应用尚有较大差距。相比之下，基因转录本mRNA的结构最为简单，同时在数量上又远远少于蛋白质，目前所见的基因药物大多数为反mRNA药物。在此领域的研究日新月异，新思路、新技术方法不断涌现。研究功能基因mRNA的结构，发展针对mRNA的各种核酸药物：即反义寡核苷酸、特异水解基因mRNA的核酸酶以及具有干扰作用的双键RNA(siRNA)是目前研究基因药物的最佳策略之一。

2．4 基因工程药物的开发方法

现有研制和生产基因工程药物的方法，是利用DNA重组技术生产蛋白质，对于蛋白新药的发现仍然局限于常规药物的发现模式，一个基因工程新药的产生是依靠对天然蛋白因子的结构改造后得到，只有那些人体内较高表达的蛋白质才较大可能地被发现和生产。过去新药发现过程大多数是随机的、偶然的和被动的，如阿司匹林、磺胺及青霉素药物等。分子生物学及基因克隆技术的出现改变了药物研究的途径，具体表现在：(1)基因克隆和体外表达技术可用来产生人体靶标，当人体组织的来源受到甚至变得不可能时，这种方法显得尤为重要。人源蛋白靶标代替动物蛋白来进行药物筛选具有重要意义。(2)克隆方法可用来产生那些从天然途径分离较为困难或危险的靶标，如从HIV中分离蛋白酶，病毒颗粒中其含量很少，而以生物化学方法分离则需要大量培养这种致命的病原体；(3)用克隆序列进行交叉杂交是确证相关靶标的一种快速方法，考察受试化合物对相关靶标的选择性有助于将药物的不良反应降至最低；(4)定点诱变可用来验证药物相互作用的假设，为药物化学家指出努力方向。

3 基因工程药物的研究热点

3．1 基因疫苗

基因疫苗基因疫苗指的是DNA疫苗，即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，然后将质粒直接导人人或动物体内，让其在宿主细胞中表达抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答。抗原基因在一定时限内的持续表达，不断刺激机体免疫系统，使之达到防病的目的。基因疫苗目前主要应用于传统疫苗无法对付的病毒性疾病和恶性疾病，如艾滋病、乙型肝炎、癌症等疾病的治疗和预防。世界上第一例基因疫苗是用于治疗艾滋病的HIV基因疫苗。1996年批准在健康人身上进行预防艾滋病的基因疫苗的I期临床试验。乙肝病毒表面抗原基因疫苗、包膜蛋白基因疫苗均可诱发机体产生免疫应答。基因疫苗还被用于其他病毒性疾病的预防，如单纯疱疹病毒、狂犬病病毒、丙肝病毒感染等。

3．2 反义RNA

反义RNA指与mRNA互补后，能抑制与疾病发生直接相关基因的表达的RNA。它封闭基因表达，具有特异性强、操作简单的特点，可用来治疗由基因突变或过度表达导致的疾病和严重感染性疾病。反义RNA目前主要用于恶性肿瘤、病毒感染性疾病等。用反义K—ras封闭胰腺痛、肺癌的K—ras癌基因，对癌细胞具有明显的抑制作用。反义RNA 对麻疹病毒也有显著的拮抗作用。

3．3 三链DNA 

脱氧寡核苷酸能与双螺旋双链DNA专一性序列结合，形成三链DNA，来阻止基因转录或DNA复制，此脱氧寡核苷酸被称为三链DNA形成脱氧寡核苷酸f TFO1。为了与作用在mRNA翻译水平的反义RNA 的反义技术相区别，将三链DNA技术称之为反基因技术。其基本方法与机理为：设计合成l5—4O个碱基的脱氧寡核苷酸，按TAT、c+GC、G GC、A (A 三碱基体规律与双链DNA结合，通常结合在蛋白识别位点处，形成三链DNA，干扰DNA与蛋白质的结合，如转录激活因子，从而阻止基因的转录与复制。由于TFO 的稳定性问题没解决，故其应用研究尚处于实验阶段，如抑制淋巴瘤的bcl一2基因、乳腺癌的HER2基因。．

4.基因工程制药发展的趋势

随着l973年Cohen和Boyer发明了DNA重组技术，人类基因组、蛋白质组和生物芯片等研究进展迅速．大量的疾病相关基因被发现；高通量筛选技术、基因敲除或转基因技术的应用，加速了基冈重组技术在生物制药中的进一步发展。计算机和信息科学等学科与基因工程药物研究的交叉、渗透与结合日益加强，使得基因工程药物的研究面貌发生了重大变化。通过分子模拟药物设计技术或蛋白工程技术。可以设计出更多的新药。随着人类基因组计划和基因组药物研究的推进，将有更多的基因工程药物面世。目前基因工程药物研制的最新发展趋势突出表现在以下几个方面，很多已取得实质性进展。

4.1基因重组技术促进老品种的更新换代

在欧美市场上．针对现有的重组药物进行分子改造的某些第二代基因药物已经下市，如甘精胰岛素、高糖基化促红细胞生长素、复合干扰素等。通过定点突变技术、DNA重组技术、基因插入及基因打靶等技术使基因重组药物新品种不断增加，提高重组蛋白的活性．改善制品的稳定性，提高生物利用度及靶向性，延长在体内的半衰期。降低制品的免疫原性等。

4.2人源化治疗性抗体上升势头明显

抗体类药物是最有发展前途的基因工程药物之一，治疗性抗体已成为品种最多的一类基因工程药物，目前市售的基因工程药物有1／3以上是抗体类药物，从长期趋势看，这一比例还会大幅度提高。治疗性抗体发展源于鼠源性单克隆抗(()KT一3)，由于鼠源性抗体产生人抗鼠免疫反应而在临床应用，主要应用于体外诊断。后来发展成为嵌合抗体，即抗体可变区来源于鼠，抗体恒定区来源于人，人源化程度约60％～7()％。FDA批准的主要品种有英夫利昔单抗(商品名Remicade。下同)、利妥昔单抗(Rituxan)、阿昔单抗(ReoPro)等，临床上大多数应用于肿瘤的治疗，但人抗鼠免疫反应依然是一个突出的问题。随着基因工程技术和蛋白质空问结构模拟技术的提高，人源化程度进～步提高，可达90％～95％。

4.3高分子量复杂蛋白的市场优势

随着真核表达系统的成熟和大规模动物细胞培养技术的进步，近年来高分子量的复杂蛋白药物逐渐增多，这些药物在治疗人类罕见病、遗传病，如J血友病、戈谢病、法布莱氏病、黏多糖病等方面发挥了关键作用。虽然病例较少，但由于没有其他替代药物，又几乎不存在同类竞争，临床和市场表现都很良好。

4.4新型蛋白质药物剂型的研究

多肽与蛋白质类药物易受胃酸和消化酶的降解破坏．不能口服给药，需频繁注射，造成患者心理与身体的痛苦。即使皮下或肌内注射，生物利用度也较低，半衰期普遍较短。另外多数多肽与蛋白质类药物不易被亲脂性膜所摄取，很难通过生物屏障。因此新型制剂发展十分迅速，如对药物进行化学修饰，制成前体药物，应用吸收促进剂、添加酶抑制剂、增加药物透皮吸收及设计各种给药系统等。

4.5RNA技术药物的突破

RNA药物是继基因重组药物、单抗药物后，又一新药研发热点。以RNA为基础的治疗方法，将带来数量巨大的药物靶标，药用RNA包括反义RNA、小分子干扰RNA(siRNA)、核酶(Ribozyme)等。到目前为止，唯一获准上市的RNA反义药物是福米韦生(fomivirsen、Vitravene)，该药主要用来治疗艾滋病人的巨细胞病毒性视网膜炎。福米韦生的上市，预示着反义技术在药物领域已经结出是药物发展的一里程碑，从而将促进更多的反义药物产生。

4.6新型疫苗的研究将成为人类控制疾病的有效手段

新型疫苗主要包括：①重组活载体疫苗。应用无病原性或弱毒疫苗株病毒和细菌作为载体，插入外源性保护基因，构建重组活载体疫苗。由于外源基因已是载体病毒或载体细菌“本身”成分，其所引起的免疫应答，常不低于完整病毒或细菌相应成分引起免疫强度，而且各成分之间一般不发生相互干扰或排拆现象，又因可以同时插入几个外源基因，一种疫苗能够预防多种疾病。②基因缺失疫苗。构建缺失某一毒力基因的所谓基因缺失疫苗，亦有明显进展，其突出优点是疫苗株不易返祖而重新获得毒力。③非传染性疾病疫苗。传统的疫苗主要针对传染性疾病，目前非传染性疾病疫苗的研究已有很大进展，如糖尿病疫苗、高血压疫苗、肿瘤疫苗等。Canvaxin(TM)疫苗是CancerVax公司的主要产品，它是一个异源性的全细胞疫苗，其上表达的肿瘤相关抗体至少有20多种，其中14种与结肠癌特异相关。与化疗不同的是，Canvaxin(TM)可对机体自身的免疫系统进行全面，从而使得机体能够针对癌症产生细胞免疫(由T细胞介导)和体液免疫(由抗体介导)两大效应。④治疗性疫苗。传统的疫苗主要起预防作用，对于已经感染的病人，一般不起作用。治疗性疫苗的设计，则是构建一个不同于但又类似于疾病病原的基因重组体，注入疾病患者的体内，以重新唤醒患者体内对该病原的免疫反应，使患者的免疫系统在对新的基因重组体产生反应的同时，也同时排斥打击自身类似的病原，从而达到治疗效果。 

4.7组织工程治疗正逐步应用于临床之中

组织工程指在体外将细胞附着于一定的支架上，在信息因子的诱导下，让细胞生长分化为有功能性的组织或器官。组织工程皮肤、组织工程软骨和组织工程骨等在美国、德国、英国、法国、荷兰、意大利等国家都有多种产品上市，FDA批准了6种组织工程皮肤产品，如Apligraf、Dermagraft等，以及一种组织工程软骨Carticel，还有多种产品处于临床试验之中。应用组织工程培养出来结构和功能较简单的脏器如膀胱，有成功的临床报道，而对于结构和功能较复杂的脏器，如心脏、肝脏等，尚未见临床报道。目前，生物技术药物还处于成熟和发展期，世界大型的制药公司正与生物技术企业组成创新联盟，加大生物技术药物的研发投入，分子生物学技术在药物的研发过程中逐渐成为主要的技术手段得到广泛的应用。

【参考文献】

[1] 宋礼华.《生物工程制药研究与实践》2009

[2] 金洪峰 聂飞.《基因工程药物研究进展》2009

[3] 辛秀兰.《现代生物制药工艺学》2006