分子生物技术在生物医学工程中的应用

分子生物技术在生物医学工程中的应用

【摘要】分子生物技术近年来发展迅速, 已成为推动分子医学发展的重要工具。本文对分子生物技术的内涵、在医学中主要应用、相关仪器及前景作简要综述, 具体探讨了分子生物学中的分子生物传感器技术、分子生物芯片技术、分子生物纳米技术在医学和制药中的应用, 指出了其在医学发展中的重要性, 并且提出了展望。

【关键词】分子生物学分子生物技术生物医学工程

二十一世纪医学发展的主要特点之一是对生命现象和疾病本质的认识逐渐向分子水平深入。随着基因克隆技术趋向成熟和基因测序工作逐步完善, 后基因时代逐步到来。人们逐渐认识到, 无论健康或疾病状态都是生物分子的相互作用的结果, 生物分子起关键性作用。最近十年, 分子生物技术已成为医学领域极其有力的研究工具, 基因工程技术、人类基因组计划与核酸序列测定技术、基因诊断与基因体外扩增技术、生物芯片技术、分子纳米技术在医学研究中,如了解疾病的发生发展机制、疾病诊断和药物研制与开发中得到广泛应用。同时, 在结构基因组学、功能基因组学和环境基因组学逢勃发展的形势下, 分子生物医学技术将会取得突破性进展, 也给医学带来了崭新的局面, 为医学事业的发展提供了新的机遇。分子生物技术已经成为现代医学的前沿和热点。

1 . 分子生物技术概述

分子生物技术也称之为生物工程, 是现代生物技术的主要标志, 它是以基因重组技术和细胞融合技术为基础, 利用生物体( 或者生物组织、细胞及其组分) 的特性和功能, 设计构建具有预期性状的新物种或新品系, 以及与工程原理相结合进行生产加工, 为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系, 其内容包括基因工程技术、细胞工程技术、DNA 测序技术、DNA 芯片技术、酶工程技术等。现代分子生物技术的诞生以70 年代DNA 重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用为标志, 迄今已走过了30 多年的发展历程。实践证明在解决人类面临的粮食、健康、环境和能源等重大问题方面开辟了无限广阔的前景, 受到了各国政府和企业界的广泛关注, 是21 世纪高新技术产业的先导。医学领域是分子生物技术最先登上的舞台, 也是目前现代分子生物技术应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。据统计, 国际上分子生物技术领域所取得研究成果的60%以上集中在医学领域。

2 . 分子生物技术在生物医学工程中的重要应用及实例

2.1 分子生物传感器在医学中的应用

分子生物传感器是利用一定的生物或化学固定技术, 将生物识别元件( 如酶、抗体、抗原、蛋白、核酸、受体、细胞、微生物、动植物组织) 固定在换能器上, 当待测物与生物识别元件发生特异性反应后,通过换能器将所产生的反应结果转变为可以输出、检测的电信号和光信号等, 以此对待测物质进行定性和定量分析, 从而达到检测分析的目的。分子生物传感器可以广泛地应用于对体液中的微量蛋白、小分子有机物、核酸等多种物质的检测。在现代医学检验中, 这些项目是临床诊断和病情分析的重要依据。能够在体内实时监控的生物传感器对于手术中或重症监护的病人都很有帮助。

2.2 分子生物纳米技术在基因诊断中的应用

基因诊断是利用分子杂交及荧光技术检测DNA 片段, 已经为基因诊断在临床上的应用带来了巨大的发展前景。研究表明, 利用纳米技术, 如利用金纳米微粒结合杂交DNA 片段, 很容易进入机体细胞核, 并与核内染色体组合, 具有较高的特异性, 可以克服目前基因诊断所面临的一些困难和问题, 进一步提高了基因诊断在实验室中的地位。科学家通过超顺磁性氧化铁纳米粒脂质体对肝癌的研究, 提高了直径3 mm 以下的肿瘤检测率。结论表明, 纳米微粒对肿瘤早期发现、早期诊断具有重要意义。

2.3 分子生物技术在医学制药中的应用

分子生物技术发展的一个重要方向是医学制药的研究与开发。与传统的化学合成制药相比，它不仅具有针对性强、疗效好、副作用较小的优点，同时对蛋白质药物改造、提高疗效、降低毒性、提高稳定性具有重要作用，并且能够利用生物系统，将自然界中存在的含量极低的有效生物活性物质进行大规模生产以及建立起高效、快速、准确、简便的分子诊断技术和开发出新药，更重要的是可以预防和治疗一些应用传统治疗方法无法克服的疾病。目前这一领域的应用主要包括以下几个方面：生产基因工程药物；生产发酵工程药物；生产核酸类药物；利用生物系统加工天然药物；从海洋生物中纯化提取药物。

2.4分子纳米技术在基因疗法中的应用

基因治疗是临床治疗学上的重大发展，其基本原理是：质粒

ＤＮＡ进入目的细胞后，可以修复遗传错误，或可产生治疗因子，如多

肽、蛋白质、抗原等，纳米技术能使ＤＮＡ通过主动靶向作用定位于细胞。将质粒ＤＮＡ缩小到５０～２００ｎｍ，带上负电荷进入到细胞核，插入到细胞核ＤＮＡ的确切部位，起到对症治疗效果。同时分子纳米技术能够快速有效地确定基因序列、基因和药物的体内走向、传送和定位传递，使临床诊断和治疗过程效率得以提高。同时无机纳米颗粒体积小，可在血管中随血液循环，透过血管壁进入各个脏器的细胞中，作为新型非病毒型基因载体能有效介导ＤＮＡ的转导，并使其在细胞内高水平的表达，从而为基因表达、功能研究及基因治疗提供了新的技术和手段。

2.5分子生物芯片技术在医学检验中的应用

随着分子生物学的发展及人们对疾病过程的认识加深，传统的医学检验技术已不能完全适应微量、快速、准确、全面的要求。所谓的生物芯片是指将大量探针分子固定于支持物上（通常支持物上的一个点代表一种分子探针），并与标记的样品杂交或反应，通过自动化仪器检测杂交或反应信号的强度而判断样品中靶分子的数量。在检测病原菌方面，由于大部分细菌、病毒的基因组测序已完成，将许多代表每种微生物的特殊基因制成１张芯片，通过反转录可检测标本中的有无病原体基因的表达及表达的情况，以判断病人感染病原及感染的进程、宿主的反应。由于Ｐ５３抑癌基因在多数肿瘤中均发生突变，因此其实是重要的肿瘤诊断靶基因。

3. 分子生物技术的最新进展

分子成像：分子成像作为一个近些年发展起来的崭新学科领域，是许多技术的简称，这些技术能够让研究人员看到身体内的基因、蛋白质和其他起作用分子，使疾病在基因水平上

的早期诊断和监测以及更进一步地微观评价疗效成为可能。同时，体内分子成像可在机体完整的微环境状态下观察生物系统的病理过程。此外，与现今费时耗力，且有创的检查技术如组织活检分析技术相比，分子成像还可提供更为优越的三维信息。未来10年内分子成像可能取代乳房X线照片、活体检查和其他诊断技术。

分子成像关键技术包括：

（1）合适的分子探针技术，即探针必须有生物活性、高特异性、并且活体内存活运载无障碍；

（2）有效的组织和细胞内靶向技术，当研究人员注入一个缚在分子上的标记时，他们面临着区分已经缚上和额外的没有缚上的标记的问题，因此成像专用探针必须有高度的靶向性；（3）有效的放大技术，因为靶向浓度在微微（pico-）或毫微（nano-）水平，必须通过放大技术才能进行信息的提取；

（4）具有高空间分辨率及高敏感性的成像系统，目前，提取分子信息最常用的显像方法有核医学成像技术、磁共振成像技术（MR）和光学成像技术，当底物能够轻易地被正电子发射器标记而作为靶向时，通常采用正电子发射体层射影（PET）成像技术，当跟踪小剂量标记的治疗药物时，通常选择核医学成像技术，当需要同时获得较高的空间分辨率（微米级）和生理、解剖信息时，通常选择MR技术。

目前分子成像技术主要应用于以下方面:

（1）内源基因的表达成像：多数哺乳动物的内源基因的表达及调节仅限于体外而不能反映体内情况,而分子成像研究可以直接记录启动子活动成像。例如利用血管内皮细胞生长因子启动子激活体内绿色荧光蛋白表达，并与钛99诊断标记物结合成像，然后可借助核医学成像技术进行检测，有助于人们了解关酶调节基因的作用以及它们在体内的表达。

（2）分子特性早期检测：分子成像的应用可使疾病的诊断水平提前至早期的分子异常阶段，例如对乳腺癌或前列腺癌可信赖肿瘤相关酶的肿瘤化表达，以及老年痴呆进行早期诊断，但目前成功的病例尚不多见。

（3）药物治疗的成像：药效的体内测定是传统药效检测的一个瓶颈，分子成像的应用可有助于新药品开发中的药物动力学和动态学分析，促进药品的早期开发，即在表型变化发生之前对早期、客观的标记物进行研究。可以使得研究人员在几天之内而不是几个月就能知道某种药物是否有效，因为利用该技术可以跟踪药物对病人体内细胞产生的直接作用。总之，细胞标记技术的发展已使得在单个细胞水平上的体外跟踪干细胞、原始细胞或细胞系统表达的转基因成为可能。

4. 分子生物技术与生物医学工程的关系

分子生物学的发展是基于我们对生物大分子的了解,尤其是DNA和RNA,DNA和RNA是生命体中遗传信息的载体,生物学中的许多秘密就隐藏于DNA的核苷酸序列中。但是要得到一段较长的DNA序列,在70年代初期以前似乎还只是一个幻想,更不用说现在随处可见的任意改变DNA的序列这样一类实验。然而,随后的技术上的进步迅速改变了这一状况。首先,能够用酶在特定位点切割DNA,并将其断裂成可重复的不同大小的片段,这些现在称之为限制性内切酶的应用,使两种非常重要的技术,即DNA克隆和DNA序列分析得到了极大发展

现在的分子生物学技术,还能够把任何DNA,无论是天然的还是经过改造的,甚至是完全人工合成的,送回到细胞中,以鉴定其生物学活性。如果一段编码蛋白质的基因被送回到细菌或其它细胞中时,它将指导所编码的天然的或突变的蛋白质的合成。

分子生物学的发展,已经产生了一整套分子生物学技术。几乎在一夜之间,这一技术已经成了研究许多基本生物学问题的重要手段。通过对DNA或RNA的提取,基因的分离,核苷酸序列的测定,人们将了解到基因及其所编码的蛋白质的结构,进而对其功能也有所认识。通过对基因的表达的研究,我们能了解基因的表达调节过程,进一步认识生命活动的规律。通过对基因进行突变和改造,我们将深入了解基因及其产物的结构和功能的关系,基因在生长发育过程中的作用等。总之分子生物学技术在生命科学各个方面的渗透,使我们掌握有效的手段,为进一步认识生命活动的本质,更好地利用其规律为人类服务提供了帮助。

5. 分子生物技术在生物医学工程中的未来发展趋势

纵观现代医学分子生物技术及产业的发展, 其前景是美好的。专家预测, 伴随人类基因组计划的进程, 现代生物技术将会使现代医学在高技术的平台基础上飞速发展, 像当年工业革命一样, 使人类的生活发生根本性的变化。21 世纪是分子生物学继续发展的阶段,还有不少技术热点正在成熟, 如用转基因动植物来生产生物工程产品; 基于基因芯片技术中缩微芯片实验室等; 随着分子生物技术研究的不断进步和应用, 随着多学科交叉大科学时代的到来, 分子生物技术将日臻完善。可以预见, 在未来的几年或几十年内, 分子生物技术将改变医学的研究方式, 革新医学诊断和治疗, 从而进一步促进人类健康水平的提高。

参考文献

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