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