上海交通大学 生物技术与人类论文 MM SHANGHALIIAO TONG UNIVERSTY 院（系)机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 姓名 薛继鹏 学号 5100209359
生物技术与人类论文 院（系） 机械与动力工程学院 专业 机械工程与自动化 姓名 薛继鹏 学号 5100209359
上浒文通大辛 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 生物技术与人类 基因治疗 薛继鹏 (上海交通大学机械与动力工程学院，上海市) 摘要：随着科学技术的发展，越来越多的新事物走进我们的生活。其中生物技术在生命科学领域扮演着越来越重要的角 色。基因治疗从基因角度是用正常有功能的基因置换或增补缺陷基因的方法，从治疗方面是将新的遗传物质转移至某个体 的细胞内使其获得治疗效果。基因治疗作为治疗疾病的一种新手段，正越来越受到人们的重视和关注。 关键词：基因治疗基因工程基因应用 Gene Therapy Xue Jipeng (ME,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai) Abstract:With the development of science and technology,more and more new things come into our lives.The biotechnology plays a more and more important role in the field of life science.Gene therapy Gene angle from the normal functional gene replacement or supplement defective genes to the method of treatment of the new genetic material is transferred to an individual's cells to obtain therapeutic effect.Gene therapy as a new means of treating diseases that are more and more get the attention of people and attention Key Words:gene therapy;genetic engineering;applied genomics 0引言 2 基因治疗的基本程序 基因疗法兴起于上个世纪90年代，基因疗 法，就是利用健康的基因来填补或替代基因疾病 1、治疗性基因的获得 中某些缺失或病变的基因，目前的基因疗法是先 2、基因载体的选择 从患者身上取出一些细胞，然后利用对人体无害 3、 靶细胞的选择 4、 的逆转录病毒当载体，把正常的基因嫁接到病毒 基因转移方法 上，再用这些病毒去感染取出的人体细胞，让它 5、 转导细胞的选择鉴定 们把正常基因插进细胞的染色体中，使人体细胞 6、回输体内 就可以“获得”正常的基因，以取代原有的异常 基因。 3基因治疗的方法 3.1基因转移方法 1基因治疗必须具备的条件 (1)特异正常基因的分离与克隆：应用重组 1、选择适当的疾病，并对其发病机理及相应 DNA和分子克隆技术结合基因定位研究成果，已 基因的结构功能了解清楚： 有不少基因并将会有更多人类基因被分离和克 隆，这是基因治疗的前提，在当代分子生物技术 2、纠正该病的基因己被克隆，并了解该基因 条件下，一般来说，只要有基因探针和准确的基 表达与调控的机制与条件： 因定位，任何基因都可被克隆。除此，现在既可 3、该基因具有适宜的受体细胞并能在体外有 人工合成DNA探针，还可用DNA合成仪在体外人 效表达： 工合成基因，这些都是在基因治疗前，分离克隆 4、具有安全有效的转移载体和方法，以及可 特异基因的有利条件。 供利用的动物模型。近三年来，已对若干人类单 (2)外源基因的转移：基因转移是将外源基 基因遗传病和肿瘤开展了临床的基因治疗。 因导入细胞内。 3.2靶细胞 1/3
生物技术与人类 1 / 3 基因治疗 薛继鹏 （上海交通大学机械与动力工程学院，上海市） 摘 要：随着科学技术的发展，越来越多的新事物走进我们的生活。其中生物技术在生命科学领域扮演着越来越重要的角 色。基因治疗从基因角度是用正常有功能的基因置换或增补缺陷基因的方法，从治疗方面是将新的遗传物质转移至某个体 的细胞内使其获得治疗效果。基因治疗作为治疗疾病的一种新手段，正越来越受到人们的重视和关注。 关键词：基因治疗 基因工程 基因应用 Gene Therapy Xue Jipeng (ME, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai) Abstract: With the development of science and technology, more and more new things come into our lives. The biotechnology plays a more and more important role in the field of life science. Gene therapy Gene angle from the normal functional gene replacement or supplement defective genes to the method of treatment of the new genetic material is transferred to an individual's cells to obtain therapeutic effect. Gene therapy as a new means of treating diseases that are more and more get the attention of people and attention Key Words: gene therapy; genetic engineering; applied genomics 0 引 言 基因疗法兴起于上个世纪 90 年代，基因疗 法，就是利用健康的基因来填补或替代基因疾病 中某些缺失或病变的基因，目前的基因疗法是先 从患者身上取出一些细胞，然后利用对人体无害 的逆转录病毒当载体，把正常的基因嫁接到病毒 上，再用这些病毒去感染取出的人体细胞，让它 们把正常基因插进细胞的染色体中，使人体细胞 就可以“获得”正常的基因，以取代原有的异常 基因。 1 基因治疗必须具备的条件 1、 选择适当的疾病，并对其发病机理及相应 基因的结构功能了解清楚； 2、 纠正该病的基因已被克隆，并了解该基因 表达与调控的机制与条件； 3、 该基因具有适宜的受体细胞并能在体外有 效表达； 4、 具有安全有效的转移载体和方法，以及可 供利用的动物模型。近三年来，已对若干人类单 基因遗传病和肿瘤开展了临床的基因治疗。 2 基因治疗的基本程序 1、 治疗性基因的获得 2、 基因载体的选择 3、 靶细胞的选择 4、 基因转移方法 5、 转导细胞的选择鉴定 6、 回输体内 3 基因治疗的方法 3.1 基因转移方法 （1）特异正常基因的分离与克隆：应用重组 DNA 和分子克隆技术结合基因定位研究成果，已 有不少基因并将会有更多人类基因被分离和克 隆，这是基因治疗的前提，在当代分子生物技术 条件下，一般来说，只要有基因探针和准确的基 因定位，任何基因都可被克隆。除此，现在既可 人工合成 DNA 探针，还可用 DNA 合成仪在体外人 工合成基因，这些都是在基因治疗前，分离克隆 特异基因的有利条件。 （2）外源基因的转移：基因转移是将外源基 因导入细胞内。 3.2 靶细胞
上浒充通大辛 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 生物技术与人类 这里所指的靶细胞是指接受转移基因的体细 在发病率和死亡率中所占比例日益突出，对人类 胞。选择靶细胞的原则是： 本身的危害也更为明显。特别是一些严重的遗传 ①必须较坚固，足以耐受处理，并易于由人体分 性疾病，例如重型地中海贫血等，往往使现代医 离又便于输回体内： 学亦束手无策。虽然产前诊断，早期人工流产是 ②具有增殖优势，生命周期长，能存活几月至几 使家庭避免养育严重的基因疾患后代的好方法， 年，最后可延续至病人的整个生命期： 但仍然不能认为是处理遗传病的完善措施，基因 ③易于受外源遗传物质的转化： 治疗才是人类征服遗传性疾病最有希望的手段。 ④在选用反转录病毒载体时，目的基因表达最好 以下是基因治疗常应用的几方面： 具有组织特异性的细胞。 1、恶性肿瘤：肿瘤的发生是由于化学毒物、 目前使用得较多的是骨髓干细胞、皮肤成纤 射线等环境因素诱发细胞的基因调控异常所致的 维细胞、肝细胞、血管内皮细胞和肌细胞等。许 疾病，通常伴有多种基因的改变。恶性肿瘤是危 多遗传病与造血细胞有关，故可用于如B地贫、 害人类健康最为严重的疾病之一。它不仅给人们 严重复合免疫缺陷病等的基因治疗。皮肤成纤维 的精神上造成极大痛苦，并给社会造成巨大的经 细胞易于移植和从体内分离，又可在培养中生长， 济负担。因此，恶性肿瘤长期以来一直是医学界 并易存活，故有人用之于乙型血友病的基因治疗。 关注的焦点、力图攻克的难关。至1999年上半年， 有不少遗传病表现了肝细胞功能缺陷，因此，在 全世界已有380个基因治疗临床草案，其中百分 家族性高胆固醇血症的治疗中，有将低密度脂蛋 之七十为肿瘤基因治疗。 白(LDL)受体基因转移至肝细胞的尝试。在动物 2、心血管疾病：随着人们生活水平的提高， 实验中己证明：B一半乳糖苷酶基因、ADA基因、 心血管疾病的死亡率逐年增高。随着研究的不断 小肌营养不良蛋白(minidystrophin)基因都已 深入，人们发现心血管疾病是一种多基因遗传病。 证明能在肌细胞中表达。 心血管病的基因治疗越来越引起人们的关注，成 为继肿瘤基因治疗之后的又一热点。 4 基因治疗需要满足的条件 3、腺苷脱氨酶(ADA)缺乏症：腺苷脱氨酶 (ADA)缺乏症是一种很少见的基因疾病。正常的 1、有问题的基因，有些必须确定它如何在混 腺苷脱氨酶(ADA)基因可以产生一种叫做腺苷脱 乱的状况或结果的信息必须是己知的，这样可以 氨酶的酶，而这种酶是人体免疫系统有效运行的 改变基因载体的使用和相应的细胞或组织可以有 基础。患有腺苷脱氨酶(ADA)缺乏症的病人没有 针对性。 这种基因完整无缺的复制品，而他们有缺陷的复 制品不能产生有效的腺苷脱氨酶(ADA)。腺苷脱 2、该基因被克隆也必须如此，它可以插入到 载体。 氨酶(ADA)缺乏的孩子一生下来，就患有严重的 3、 一旦该基因转移到新的细胞，其表达（无 免疫缺陷，很容易被严重感染。即使是最轻微的 论是打开或关闭)需要加以控制。 病菌性疾病，也会引起可怕的后果。如果不及时 4、必须有在治疗与基因治疗的条件或障碍足 治疗，这种疾病会导致小生命天折。虽然可以替 够的价值一也就是，有没有简单的方法来对待 换腺苷脱氨酶(ADA),但效果很有限。脐带血含 它？ 有丰富的干细胞。目前，研究人员正在用取自脐 5、该风险和混乱的状况或基因疗法的好处有利于 带血液并己改变了基因的干细胞，对三个刚出生 平衡必须比较其他现有的治疗方法。 不久的患有腺苷脱氨酶(ADA)缺乏症的婴儿进行 6、从细胞和动物实验所需的足够的数据表明， 治疗。 工程和过程本身是安全的。 4、其他：如遗传病，AIDS,类风湿等。此外， 7、一旦上述得到满足，研究人员可获准启动 对一些遗传病如血友病，地中海贫血、高雪氏病 的程序，这是由机构密切审查委员会和政府机构 的治疗等正在探索中。 的安全监测的临床试验。 6基因治疗应用与实践方面发展缓慢的 5 基因治疗的应用 原因 近年来，由于医学的进步，诊断和治疗的水 基因治疗作为一项全新的疾病治疗手段己经 平不断提高，从前严重威胁人类生命的一些疾病， 显现出强大的发展势头，其前景是巨大的，但又 如天花、霍乱、鼠疫、结核等传染病已渐趋绝迹 由于现在某些技术的因素的限制基因治疗应用与 或基本得到控制，发病率大幅度下降，而与此相 实践方面发展比较缓慢的，原因有以下几点： 比，一些同遗传因素密切相关的人类遗传性疾病 1、从基础研究到临床实践需要分子生物学家 2/3
生物技术与人类 2 / 3 这里所指的靶细胞是指接受转移基因的体细 胞。选择靶细胞的原则是： ①必须较坚固，足以耐受处理，并易于由人体分 离又便于输回体内； ②具有增殖优势，生命周期长，能存活几月至几 年，最后可延续至病人的整个生命期; ③易于受外源遗传物质的转化； ④在选用反转录病毒载体时，目的基因表达最好 具有组织特异性的细胞。 目前使用得较多的是骨髓干细胞、皮肤成纤 维细胞、肝细胞、血管内皮细胞和肌细胞等。许 多遗传病与造血细胞有关，故可用于如β地贫、 严重复合免疫缺陷病等的基因治疗。皮肤成纤维 细胞易于移植和从体内分离，又可在培养中生长， 并易存活，故有人用之于乙型血友病的基因治疗。 有不少遗传病表现了肝细胞功能缺陷，因此，在 家族性高胆固醇血症的治疗中，有将低密度脂蛋 白（LDL）受体基因转移至肝细胞的尝试。在动物 实验中已证明：β－半乳糖苷酶基因、ADA 基因、 小肌营养不良蛋白（minidystrophin）基因都已 证明能在肌细胞中表达。 4 基因治疗需要满足的条件 1、 有问题的基因，有些必须确定它如何在混 乱的状况或结果的信息必须是已知的，这样可以 改变基因载体的使用和相应的细胞或组织可以有 针对性。 2、 该基因被克隆也必须如此，它可以插入到 载体。 3、 一旦该基因转移到新的细胞，其表达（无 论是打开或关闭）需要加以控制。 4、 必须有在治疗与基因治疗的条件或障碍足 够的价值 - 也就是，有没有简单的方法来对待 它？ 5、该风险和混乱的状况或基因疗法的好处有利于 平衡必须比较其他现有的治疗方法。 6、从细胞和动物实验所需的足够的数据表明， 工程和过程本身是安全的。 7、 一旦上述得到满足，研究人员可获准启动 的程序，这是由机构密切审查委员会和政府机构 的安全监测的临床试验。 5 基因治疗的应用 近年来，由于医学的进步，诊断和治疗的水 平不断提高，从前严重威胁人类生命的一些疾病， 如天花、霍乱、鼠疫、结核等传染病已渐趋绝迹 或基本得到控制，发病率大幅度下降，而与此相 比，一些同遗传因素密切相关的人类遗传性疾病 在发病率和死亡率中所占比例日益突出，对人类 本身的危害也更为明显。特别是一些严重的遗传 性疾病，例如重型地中海贫血等，往往使现代医 学亦束手无策。虽然产前诊断，早期人工流产是 使家庭避免养育严重的基因疾患后代的好方法， 但仍然不能认为是处理遗传病的完善措施，基因 治疗才是人类征服遗传性疾病最有希望的手段。 以下是基因治疗常应用的几方面： 1、 恶性肿瘤：肿瘤的发生是由于化学毒物、 射线等环境因素诱发细胞的基因调控异常所致的 疾病，通常伴有多种基因的改变。恶性肿瘤是危 害人类健康最为严重的疾病之一。它不仅给人们 的精神上造成极大痛苦，并给社会造成巨大的经 济负担。因此，恶性肿瘤长期以来一直是医学界 关注的焦点、力图攻克的难关。至 1999 年上半年， 全世界已有 380 个基因治疗临床草案，其中百分 之七十为肿瘤基因治疗。 2、 心血管疾病：随着人们生活水平的提高， 心血管疾病的死亡率逐年增高。随着研究的不断 深入，人们发现心血管疾病是一种多基因遗传病。 心血管病的基因治疗越来越引起人们的关注，成 为继肿瘤基因治疗之后的又一热点。 3、 腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症： 腺苷脱氨酶 （ADA）缺乏症是一种很少见的基因疾病。正常的 腺苷脱氨酶（ADA）基因可以产生一种叫做腺苷脱 氨酶的酶，而这种酶是人体免疫系统有效运行的 基础。患有腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症的病人没有 这种基因完整无缺的复制品，而他们有缺陷的复 制品不能产生有效的腺苷脱氨酶（ADA）。腺苷脱 氨酶（ADA）缺乏的孩子一生下来，就患有严重的 免疫缺陷，很容易被严重感染。即使是最轻微的 病菌性疾病，也会引起可怕的后果。如果不及时 治疗，这种疾病会导致小生命夭折。虽然可以替 换腺苷脱氨酶（ADA），但效果很有限。脐带血含 有丰富的干细胞。目前，研究人员正在用取自脐 带血液并已改变了基因的干细胞，对三个刚出生 不久的患有腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症的婴儿进行 治疗。 4、 其他：如遗传病，AIDS，类风湿等。此外， 对一些遗传病如血友病，地中海贫血、高雪氏病 的治疗等正在探索中。 6 基因治疗应用与实践方面发展缓慢的 原因 基因治疗作为一项全新的疾病治疗手段已经 显现出强大的发展势头，其前景是巨大的，但又 由于现在某些技术的因素的限制基因治疗应用与 实践方面发展比较缓慢的，原因有以下几点： 1、 从基础研究到临床实践需要分子生物学家
上浒文通大辛 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 生物技术与人类 和临床医生的很好结合，目前的临床试验方案都 [参考文献] 还太复杂。基因治疗的成功应用还有待于基础科 学研究的加强。还有很多基础科学家和医生怀疑 [1]宋婕 基因治疗及其研究现状中学生物教 基因治疗。因为科学上出现的一些挫折往往影响 学 了将基因治疗转入临床应用的热情，为了吸引这 Biology Teaching in Middle Schools 批人，必需保证科学的解释问题并不成为临床评 [2]王永芬，庸磊 现代生物技术的应用与展 价的依据。科学的成就是事实和它的一致性，而 望. 不能靠中间调停的手段解决问题。 [3]学报，张树庸我国基因工程研究概况.实 2、长期安全性的问题还是存在，也限制了临 验动物科学与管理，2001,18 床应用的发展，这需要社会公众的支持和合作。 [4]张锐，孙美榕，张正等基因治疗与人类健 3、伦理道德方面的争论也是影响因素之一。 康.中国生物工程杂志，2004 4、简单的基因缺失一般通过基因转移技术在 [5]李洪军基因诊断与基因治疗浅谈.中学生 细胞培养中便可纠正，但临床应用上却是另一回 物学，2004 事，反映出in vitro和in vivo,基础技术 [6]顾健人基因治疗的昨天、今天与明天.生 和临床应用间的差异性。 物工程进展，1997,17 7基因治疗的前景 一个广阔的应用前景的基因治疗是治疗I型 糖尿病。在美国研究人员利用作为载体，提供了 肝细胞生长因子基因（肝细胞生长因子），以从大 鼠胰岛细胞的腺病毒删除。他们注入糖尿病大鼠 改变的细胞，并在一天之内，老鼠正在控制他们 的血糖水平比对照组好。该模型模拟了人类，并 显示胰岛细胞移植的肝细胞生长因子的基因加 入，大大增强了胰岛细胞的功能和生存。在加拿 大，研究人员在埃德蒙顿，阿尔伯塔省还制定了 协议来治疗I型糖尿病。医生用超声波引导到上 腹部和肝脏有小导管。胰岛细胞，然后注入通过 导管进入肝脏。随着时间的推移，小岛是建立在 肝脏，并开始释放胰岛素。另一种基因治疗中的 应用是治疗X-连锁严重联合免疫缺陷（的X- SCID鼠)，这种疾病在婴儿缺乏T和免疫系统B 细胞很容易受到感染。目前的治疗是从一个匹配 同胞，这并不总是可能或长期有效的骨髓移植。 在法国和英国的研究人员，了解这种疾病是由于 X染色体上的处理通过更换缺陷基因体外14名儿 童，缺陷基因。在接受改变的细胞，患者表现出 他们的免疫系统功能大大改善。不幸的是，两个 孩子制定了治疗白血病后几年的形式。进一步的 调查表明，载体，插入附近的原癌基因，进而导 致T细胞不受控制的生长基因。临床试验中被搁 置，直到一个更安全的方法可以设计和测试。 基因治疗前景是光明的。但是投资者关注基 因项目。可能使得基因治疗变得商业化。基因治 疗为我们全人类带来了希望。 3/3
生物技术与人类 3 / 3 和临床医生的很好结合，目前的临床试验方案都 还太复杂。基因治疗的成功应用还有待于基础科 学研究的加强。还有很多基础科学家和医生怀疑 基因治疗。因为科学上出现的一些挫折往往影响 了将基因治疗转入临床应用的热情，为了吸引这 批人，必需保证科学的解释问题并不成为临床评 价的依据。科学的成就是事实和它的一致性，而 不能靠中间调停的手段解决问题。 2、 长期安全性的问题还是存在，也限制了临 床应用的发展，这需要社会公众的支持和合作。 3、 伦理道德方面的争论也是影响因素之一。 4、 简单的基因缺失一般通过基因转移技术在 细胞培养中便可纠正，但临床应用上却是另一回 事，反映出 in vitro 和 in vivo, 基础技术 和临床应用间的差异性。 7 基因治疗的前景 一个广阔的应用前景的基因治疗是治疗 I 型 糖尿病。 在美国研究人员利用作为载体，提供了 肝细胞生长因子基因（肝细胞生长因子），以从大 鼠胰岛细胞的腺病毒删除。他们注入糖尿病大鼠 改变的细胞，并在一天之内，老鼠正在控制他们 的血糖水平比对照组好。该模型模拟了人类，并 显示胰岛细胞移植的肝细胞生长因子的基因加 入，大大增强了胰岛细胞的功能和生存。在加拿 大，研究人员在埃德蒙顿，阿尔伯塔省还制定了 协议来治疗 I 型糖尿病。医生用超声波引导到上 腹部和肝脏有小导管。 胰岛细胞，然后注入通过 导管进入肝脏。 随着时间的推移，小岛是建立在 肝脏，并开始释放胰岛素。另一种基因治疗中的 应用是治疗 X -连锁严重联合免疫缺陷（的 X - SCID 鼠），这种疾病在婴儿缺乏 T 和免疫系统 B 细胞很容易受到感染。目前的治疗是从一个匹配 同胞，这并不总是可能或长期有效的骨髓移植。 在法国和英国的研究人员，了解这种疾病是由于 X 染色体上的处理通过更换缺陷基因体外 14名儿 童，缺陷基因。 在接受改变的细胞，患者表现出 他们的免疫系统功能大大改善。 不幸的是，两个 孩子制定了治疗白血病后几年的形式。进一步的 调查表明，载体，插入附近的原癌基因，进而导 致 T 细胞不受控制的生长基因。临床试验中被搁 置，直到一个更安全的方法可以设计和测试。 基因治疗前景是光明的。但是投资者关注基 因项目。可能使得基因治疗变得商业化。基因治 疗为我们全人类带来了希望。 [参 考 文 献] [1] 宋婕 基因治疗及其研究现状中学生物教 学 Biology Teaching in Middle Schools [2] 王永芬，庸磊 现代生物技术的应用与展 望. [3] 学报，张树庸 我国基因工程研究概况.实 验动物科学与管理，2001,18 [4] 张锐，孙美榕，张正等 基因治疗与人类健 康.中国生物工程杂志，2004 [5] 李洪军 基因诊断与基因治疗浅谈.中学生 物学，2004 [6] 顾健人 基因治疗的昨天、今天与明天.生 物工程进展，1997,17