生物技术在医药和农业领域的应用

基因诊断是继生化指标诊断、免疫学诊断之后的第三 代诊断技术。
2.2 主要的基因诊断技术
2.2.1基因探针杂交技术
基本思路：将已知序列的 特定基因（微生物、遗传 病的特异基因片段）用同 位素、荧光素等标记，制 备成一种诊断试剂，即基 因探针。由于其在适当条 件下可与同源序列互补形 成杂交体，因此使基因探 针与待检测组织细胞内的 基因片段发生杂交反应， 通过探针上的标记观察探 针是否与标本DNA结合， 从而判断标本是否有与探 针一致的片段，再对是否 有遗传病或病原物感染作 出诊断。
第三代疫苗 ：核酸疫苗（DNA疫苗、基因疫苗）。 指将含有编码病原体抗原基因序列的质粒载体， 经肌肉注射或微弹轰击等方法导入体内，通过 宿主细胞表达系统表达抗原蛋白，诱导宿主产 生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治 疗疾病的目的。
特点：用含有病原体抗原基因序列的质粒载体直接 作为疫苗，当引入机体后并不与宿主CS整合，而是 通过宿主细胞的转录系统表达蛋白抗原，诱导宿主 细胞产生特异性免疫应答。
生物技术的定义：
以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段（基因工程、 细胞工程）和其它基础学科的科学原理，按照预先的设计，改造生 物体，为人类生产出所需的产品（医药、高产优质粮食）或达到某 种目的（预防、诊断和治疗疾病）的技术。
生物技术特点：
高技术（精细和密集）、高投入、高利润
☆ 1982年，国际合作与发展组织的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学的 原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社 会服务的技术。 ☆ 美国政府技术顾问委员会 (OAT) 的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造 或改进一种商品的技术，其还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微 生物改良环境的技术。
底物 产物 酶标AbⅡ
酶标AbⅡ
待检样本（特异AbⅠ）
用抗原免疫另一动物 获得的特异Ab I
受检样品中的抗原
已知病原物特异Ag
用被检抗原免疫动物 获得的Ab I
测定抗体的间接ELISA法
测定抗原的双抗体夹心法
基因工程抗原
传统的抗原制备方法一般有两种：
间接ELISA法测定抗体必 需首先制备大量的抗原， 并将之包被于微孔板上。
一是体外培养病原体，再将病原体收集，经一系列处理后制成；二是对于 不能进行体外培养的病原体，只能从受感染的动物或病人的组织分离收集 病原体，再经一系列的处理后制成。
危险、质量难以控制，难以标准化。

基因工程抗原：如疫苗生产一样，将抗原基因克隆在细菌或 真核细胞表达系统中，由这些表达系统生产大量的抗原。 生产过程不必接触病原体，也便于标准化生产，成本低廉。
1.1 酶联免疫吸附检测（ELISA）技术
ELISA原理：将酶与抗体（原）交联形成酶-抗体(原)复
合物 （常用的酶有 辣根过氧化物酶 (HRP) 、 碱性磷酸酯酶 (AP)或脲酶等）；另外将抗原（体）吸附在以聚苯乙稀制成 的微孔滴定板上，使之固相化，免疫反应和酶促反应均在其
中进行。利用抗原与抗体的特异结合以及酶将无色底物催化 成有色底物，根据底物颜色的有无以及颜色的深浅判断阴性 或阳性反应以及反应强度。
单克隆抗体
杂交瘤
○ ○ ○ ○ ○
免疫淋巴细胞和骨髓瘤细胞的制备 两种细胞的融合 从融合细胞中筛选出杂交瘤细胞 特异杂交瘤细胞的克隆化 特异杂交瘤细胞生产特异抗体（单克隆抗体）
单克隆抗体的应用范围


□ 鉴定微生物病原体 包括临床诊断以及食品、环境等可 能污染物的病原体检验。 □ 确定激素水平 用于评价内分泌功能以及妊娠试验，特 别是早孕的检验。 □ 检测肿瘤相关蛋白质 通过检测与肿瘤相关的蛋白质， 如癌胚抗原、甲胎蛋白等。对肿瘤进行早期诊断以及治疗后 的疗效评价。 □ 检验血液中的药物含量 包括检测违禁药物，检测治疗 药物如庆大霉素、环孢素等的浓度以确定最佳用药量。 □ 肿瘤治疗 将肿瘤治疗药物结合到抗肿瘤的特异单克隆 抗体上，制成所谓的生物导弹，利用抗体与肿瘤的特异结合 能力，使药物集中到肿瘤部位，减少药物的副作用。
核酸疫苗（DNA疫苗、基因疫苗）
1990年，Wolff首先 报道了小鼠肌肉注射质粒 DNA，质粒及其携带的 基因可以被细胞摄取并表 达。 所谓核酸疫苗是将含 有编码蛋白质基因序列的 质粒载体，经过肌肉注射 或微弹轰击等导入体内， 通过宿主细胞表达系统表 达抗原蛋白，诱导宿主对 该抗原的 免疫应答，达 到预防和治疗目的。 这种疫苗兼有基因工 程疫苗的安全性和减毒活 疫苗激发机体强免疫反应 的双重性，且免疫效果持 久、制备简单、低廉等优 点。
众所周知,利用疫苗主动预防 传染性疾病的最有效手段之一. 疫苗对人类健康作出巨大贡献.
2. 疫苗的作用原理
致敏淋巴细胞
被感染细胞
攻击
带有致病原信息的抗原成分, 进入机体后被机体识别,继而 加工成抗原信息„„
静止TH 细胞 刺激
消灭病原物
细胞免疫
Ag (疫苗) 递呈 激活 辅佐细胞 （树突状细胞）
文化素质教育课程
“生命科学导论”系列讲座（9）
生物技术在医药和农业领域的应用
学习目的
了解现代生物技术的原理和方法及其在农业和医药领域的 广泛运用。认识医学领域是现代生物技术应用最广泛、成绩 最显著、发展最迅速的领域。了解生物技术对疫苗生产、疾 病诊断和治疗、生物制药等领域的影响；了解生物技术对人 类健康、延长人类寿命、提高生活质量所具有的不可估量的 作用。 认识生物技术在培育高产、抗病、抗逆植物新品系以及在 培育优良生产性能动物新品系、动物快速繁殖、生物反应器 等领域的应用。
主要缺点： ■ 特异性较低：不同病原体间可能会有相似的抗原决定簇，假阳性率较高 ；
■ 质量难于控制：被免疫的动物的个体差异 ，各批次的抗体间有差异 ； ■ 成本高。
单克隆抗体
单克隆抗体是利用细胞融合技术，在体外大量培 养融合细胞，由融合细胞产生大量的抗体。 由于单克隆抗体只识别某一特定的抗原决定簇， 所以它具有特异性强、成分均一、灵敏度高、产 量大、容易标准化生产等优点而明显优于多克隆 抗体。
2.3 遗传性疾病的诊断
例如，一种由基因点突变导致常染色体退化的 遗传病——镰状红细胞贫血症的检测。
临症诊断：指遗传病出现临床症状后所作的诊断。 症状前诊断：指临床症状出现前所作的诊断。 产前诊断：胎儿出生前所做的诊断(性别、单基因病、CS异常)。
目前大多数遗传病无有效的治疗方法，因此产前诊断对于降低遗传病的 发病率，提高人口素质具有重要的意义。
（二）生物技术与疾病诊断
要求：早期、特异、快速、灵敏、操作简便

1. ELISA技术 2. DNA诊断技术 3. 生物芯片与疾病诊断
疾病的诊断对其治疗起决定作用。传统的 传染病诊断技术是依据临床症状的表现来判断， 有一定局限性；通过微生物培养、形态检查、 生理生化检测确定病原物，费时。
1. 免疫学诊断
医药生物技术、农业生物技术、环境生物技术、
海洋生物技术等。
一、生物技术在医药领域的应用
（一）生物技术与疫苗
1. 疫苗的定义
将病原物（如细菌、立克次体、病毒等）及其代 谢产物，经过人工减毒、灭活或利用基因工程 等方法制成的，可以通过注射或黏膜途径接种， 并诱导机体产生针对特定致病原的特异抗体或 细胞免疫，从而使机体获得消灭该病原能力的 生物制品统称为疫苗。包括蛋白质、核酸、活 载体或感染因子等。
需要进行产前诊断的对象
● ● ● ● ● ● ● ● ● 夫妇之一有染色体畸变。 35岁以上的高龄产妇。 夫妇之一有开放性神经管畸形。 夫妇之一有先天性代谢缺陷。 X-连锁遗传病基因携带者孕妇。 有原因不明的习惯性流产的孕妇。 羊水过多的孕妇。 夫妇之一有致畸因素接触史的孕妇。 有遗传病家族史，又系近亲结婚的孕妇。
◎
亚单位疫苗：去除病原体中有害成分，保留能引起特异性免 疫反应的有效成分（蛋白质、多肽和多糖等）制成的疫苗。
安全、无不良反应；分子量小，免疫原性较弱。如流感病毒血凝素疫苗, 脑膜炎球菌夹膜多糖疫苗。
第一代疫苗特点：以减毒、弱化或灭活的病原体做疫苗。
法国首先用基因工 程方法在细菌和小鼠细 第二代疫苗：基因工程疫苗。将病原体的抗原 胞中诱导产生乙肝病毒 （某种蛋白质）基因克隆在细菌或真核细胞内， 的蛋白质，并证明有免 使病原体的主要抗原基因在细菌或真核细胞中 疫原性。后克隆乙肝表 面抗原（HBsAg）基因， 表达，利用表达的蛋白质或多肽作为疫苗。 并获得大量的表面抗原。 特点：利用病原体的某些抗原成分作为疫苗。用于 1986年美国FDA首先 不能或难培养的、危险性大的病原物。制备成本低 批准Merck公司基因工程 廉，易发展多价疫苗。 疫苗（酵母表达系统） 上市。
根据病原物特异 DNA序列合成探针
病人
病原物 分离 标本
提取病原物DNA
用荧光素标 记探针 探针与膜上 DNA退火
Leabharlann Baidu
DNA固定在硝酸纤维膜
诊断试剂
检测
根据是否检测到荧光来判断是否 有探针所代表的病原物
2.2.2 利用PCR或PCR与 分子杂交标记结合技术
基本思路：寻找病原体的特 异DNA序列，以该段DNA序列 作为靶序列设计特异性引物； 对待测样品进行PCR扩增，然 后检测相应的扩增条带，有 则为阳性反应。 应用：已经应用于结核杆菌、 淋球菌、多种致腹泻的肠道 传染细菌、人类免疫缺陷病 毒、乙肝病毒等的检测。产 前诊断、血源筛查、肿瘤基 因诊断。 PCR（聚合酶链反应）技术： 体外扩增特异DNA片段的技术。 用于基因工程的基因制备， 还用于某些疾病的诊断。
2. 基因诊断
2.1 基因诊断概述
基因诊断（DNA诊断）的概念：根据
DNA分子碱基互补配对及变性、复性的原 理，利用基因探针杂交、基因体外扩增 （PCR）、电泳、DNA测序以及差异显示等 分子生物学技术，通过直接检查基因的存在 状况及其功能（基因型的改变）对疾病作出 判断的诊断技术。
• 蛋白质是生命的体现者，DNA 是遗传的物质基础，基因是DNA 分子上的功能片段，是遗传的基 本单位。 • 人类患各种疾病很大程度是 由于执行某一功能的蛋白质分子 出现异常。而这种不同和异常取 决于控制其合成的基因的不同和 异常。 • 传统的疾病诊断是以疾病 或病原物的表型为依据。 • 如果能够在基因水平直接检 测与某种疾病相关的基因序列， 或病原物的特异性基因片段，则 可以克服传统诊断的不足，从根 本上对疾病作出诊断。
体液免疫 激活 分化成熟 Ab(抗体)
免疫系统的“信号处 理器”，捕获抗原、 加工抗原信息、传递 抗原信息。
静止B细胞
浆细胞
3. 疫苗的种类和特点
◎
1982年，乙肝疫苗首次在美国上市， 为灭活疫苗。受血液来源和技术的限 制，数量少、价格高，难于推广。由 于是血源制品，安全也无保障。
灭活疫苗：主要成分是经过灭活的病毒颗粒、细菌或寄生虫。 病原完全丧失感染性但保留部分免疫原性。
免疫原性稳定，易于制备多价疫苗，工艺简单。但对机体刺激时间短、免疫持续时间较短；有发热 过敏反应等。如：百白破疫苗、伤寒疫苗、脊髓灰质炎疫苗、霍乱疫苗、狂犬疫苗等。
◎
减毒活疫苗：用毒力弱或基本无毒的活微生物制成。接种后 在体内可生长繁殖，免疫力持久。
原理：接种疫苗后使人产生亚临床症状，模拟自然感染后的免疫过程。持久，广谱免疫应答，工 艺简单，低廉。残余毒力和减毒不足后果严重，需要低温保存。如卡介苗（BCG）、麻疹疫苗、脊髓灰质 炎疫苗、乙型脑炎减毒疫苗等。
生物技术的主要内容：
◎
基因工程、细胞工程、微生物工程、蛋白质（酶）工程： 此外，基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片 技术、生物材料技术、生物能源技术等。 直接相关联的学科： 分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、 化学工程学、医药学等。
◎
◎
对人类和社会生活各方面影响最大的生物技术领域：
多克隆抗体与单克隆抗体
ELISA 技 术 除 了 要 制 备 抗原检测抗体外 ，有时 还需制备抗体，用于检 测抗原。


抗体的制备可以将上述制备的抗原直接免疫动物，在被免 疫的动物的血清中将会含有相应的抗体，通过一系列的纯 化技术就可获得相应的抗体。 由于一个抗原往往会有多个抗原决定簇，故由此方法制备 的抗体是一种含有可分别与多个抗原决定簇结合的多种抗 体的混合物，这种混合物称之为多克隆抗体。