基因工程与医学
基因工程与医学
基因工程与基因诊断
基因诊断是利用生物体内控制遗传性状的基因作为探针，即基因探针来诊断疾病的一种新型诊断技术。用基因探针诊断疾病，好比军队工程兵用探雷针探测地雷一样，灵敏度和准确均佳，又简单快速，为疾病诊断解决了许多难题。
基因诊断的一个重要用途是诊断感染性疾病。例如，有一种巨细胞病毒，是造成人类胎儿先天畸形的原因之一，孕妇一旦感染了这种病毒，就容易生出畸形儿。过去检测这种病毒的方法是把病人的尿液或唾液进行培养，以检查培养物中是否有这种巨细胞病毒，需历经数月，才能最终确定是否受到感染。这种方法不仅繁杂费时，还往往易把病人耽误。
基因探针解决了这一问题。我们知道，病毒体内有1条核酸分子，其基因就在这一条核酸分子上。科学家们把巨细胞病毒的基因结构搞清楚后，用这种基因做成探针，用它直接检查病人样本(如尿液或唾液)，若样本中有基因与探针基因结合，则病人受到了巨细胞病毒的感染，否则，病人就没有受到巨细胞病毒的感染。根据同样的原理，科学家们已研制出探测多种病毒的基因探针，如人类乳头状瘤病毒、乙型肝炎病毒等。实际上，所有的由致病微生物和寄生虫产生的疾病，都可用相应的基因探针进行诊断。
基因诊断的另一个重要用途是诊断遗传性疾病。有许多遗传病是由于一个正常基因突变成一个缺陷基因所致。例如，正常人类的血液中有一种蛋白质——抗胰蛋白酶，儿童缺少这种酶，易患肝病;成人缺少这种酶，易患肺气肿。缺少这种酶的人，是因为其体内控制合成该酶的基因发生了突变，但这种遗传疾病，难以与非遗传性肝病和肺气肿病区别开来。现在，科学家已用这种缺陷基因做成了探针，用它可以简单快速地筛选出这类遗传病患者。此外，如镰刀形细胞贫血病、苯丙酮尿症和血友病等的基因探针都已用于相应遗传病的诊断。
现在，可把这些基因探针组合在一个生物芯片内(相当一个试剂盒)，一个芯片的大小如同一个指甲，可装约40万个基因探针。只要患者中的基因与某种基因探针结合，就可知患了某种疾病。
基因工程与基因治疗
遗传疾病诸如肌肉营养不良症(患者肢体僵硬，肌肉消瘦无力，未老先衰)和软骨发育不全症(表现短肢侏儒，特别是肱骨和股骨过短;头大，需剖腹取胎)等，每年使千万个家庭造成了沉重的经济和精神负担。对这样的遗传病，原来没有什么好的治疗方法，但基因工程的发展，基因治疗为遗传病的治疗提供了诱人的前景。
所谓基因治疗，是指往具有缺陷基因的患者的细胞中插入相应的正常基因，而达到治疗遗传病的方法。
基因治疗成功的事例，最早见于1990年。美国一个4岁女孩患有一种遗传疾病，叫严重型综合免疫缺陷病。这是因为其免疫系统中的一类白血细胞——T细胞不能正常工作，从而不能抵御细菌和病毒的感染所产生的疾病。从病情看，它与艾滋病极为相似，但病因却不同——它是由基因突变引起的，艾滋病是由病毒引起的。正常时，其个体的显性基因能编码腺苷脱氨酶，使T细胞执行免疫功能;异常时，相应的隐性基因为纯合态，个体不能产生腺苷脱氨酶，从而其免疫系统不能预防感染而死亡。
对该女孩的基因治疗法大致过程如下:首先，抽取她的部分血液，并在体外进行T细胞培养。然后，把含有能产生腺苷脱氨酶的基因(即ADA基因)的无毒病毒，添加到T细胞培养液中感染T细胞，以使ADA基因整合到T细胞染色体上。再后，对含有ADA基因的T细胞在体外进行培养繁殖，使其数量达到以亿万计的水平后，重新注入(手臂静脉注射)女孩体内。经过这样的基因治疗后，由于女孩体内有足够的含有的ADA基因的T细胞，能产生足够的腺苷脱氨酶，从而使原来衰弱的免疫系统功能得到全面恢复，可像正常人那样生活和学习。
这种基因疗法即“缺什么基因补什么基因”的疗法的成功，为类似遗传疾病的基因疗法提供了借鉴。例如，一种肺癌是由一种叫P53基因的突变引起的，正常时它能抑制癌的发生，突变时则会诱发癌。因此，把含抑癌P53基因的细胞引入癌部时，就能抑制肺癌的增长，使癌变小直至消失。
又如，癌症的化疗就是用化学药物杀死癌细胞，但药物在杀死癌细胞的同时，也会杀死产生红血细胞和白血细胞的骨髓干细胞。若化疗杀死全部癌细胞，则可能导致患者因缺少红、白血细胞而致命，若要维持足够量的红、白血细胞，又难以杀死全部癌细胞。如果患者在化疗前取出其部分骨髓干细胞(能产生红、白血细胞)，把抗药物基因整合到这些细胞染色体上并加以繁殖，待患者化疗一定时间后，把含有抗药基因的骨髓干细胞输入患者体内。那么在以后的化疗中，药物就只能杀死癌细胞，而不会杀死红、白细胞了。这种基因疗法，已用于乳腺癌、骨癌和卵巢癌等的治疗中。
上述这些基因治疗都属于体细胞基因治疗，因为经治疗的是患者的体细胞。由于体细胞中的正常基因不能传给子代，所以体细胞基因治疗的效果只表现在患者本身，传给子代的(通过生殖细胞)仍是缺陷基因。
与体细胞相对应的基因治疗是生殖细胞基因治疗。在这一过程中，是用正常基因插入有遗传缺陷的精细胞或卵细胞中，经过校正的精、卵细胞的结合，就可把正常基因由亲代传给子代，而使子代表现正常。
基因治疗的成功事例，预示着人类有着更美好的明天。在明天，科学家有可能改变人类基因组，使人们更漂亮、更健康和更聪明!
基因工程与医药生产
胰岛素、生长激素、尿激酶和干扰素等都是由人或动物有关脏器、组织、血液或尿等排泄物中提取出来的生物制剂。由于这些物质在生物体内的含量甚微，或者提取困难，产量低，价格昂贵，远远不能满足社会需要。应用基因工程生产它们，可成百倍、成千倍地提高产量，从而可大大降低成本。
例如，人的生长激素是治疗侏儒症的唯一有效药物，但这种激素需从人的脑下垂体提取。治疗一名患儿一年所需的生长激素，需50具新鲜尸体的脑下垂体提取，其来源的困难可想而知。而且，由于尸体细胞中可能存在的其他病原因素，应用这种来源的生长激素还存在着感染另一些严重疾病的可能性。相反，通过基因工程技术把人的生长素基因整合到细菌染色体上，从1～2升工程菌培养液中提取到的生长激素的量，就相当于从50具新鲜尸体的脑下垂体提取的生长激素的量，而且产品还绝对安全。
干扰素是细胞分泌的一类蛋白质，它具有抗病毒、免疫调节和抗肿瘤等功效。一般是用病毒等感染人血中的白血球或成纤维细胞，以诱导其产生干扰素。1升血液通常只能获得3×106单位的干扰素，价钱昂贵，供应紧张。应用基因工程却可以从1升细菌培养液中获得2．5×108单位的干扰素，相当于100升人血液的获得量，从而使治疗一个肝炎患者的费用，在美国由原来的2～3万美元降低到200～300美元。
胰岛素是治疗糖尿病的良药。过去用传统工艺生产10克胰岛素，需要约500千克的猪或牛的胰腺，如今用200升基因工程菌培养液就可生产出来。
用基因工程方法不仅能使微生物，还可使高等生物，如在哺乳动物产品中含有所需要的药物。患病不用打针吃药，只要喝些牛奶或羊奶就可医治疾病，这已不是科幻小说的幻想，而是基因工程的现实。苏格兰科学家把含有可治疗肺气肿的活性蛋白质基因，转移到绵羊胚胎细胞的染色体上后，胚胎在羊体内发育成为新个体。在这个新个体——转基因羊分泌的乳汁中，便含有可治疗肺气肿的活性蛋白质。用同样的方法，英格兰科学家还培育一种奶牛，其奶中含有可医治免疫系统疾病的蛋白质。患有关这些疾病的人，只要喝这样一些羊奶和牛奶就可以了。看来，通常说的“良药苦口利于病”该改为“良药可口利于病”了。
高等植物中的药用植物成千上万。如果用基因工程法把药用植物中的产药基因植入某些食用植物，如粮食、蔬菜或水果中，吃起来不仅可口，而且还可防病。
海洋深处的一些生物也是科学家关注的“生物制药厂”。有一种叫海鞘的生物的体内有一种能杀死癌细胞的物质，如果把它的杀癌基因研究清楚了，获得杀癌基因后，再导入其他生物体内，让其编码、复制和表达，便可开辟一个生物制药的新天地。
建立在微生物、动物和植物体内的“制药厂”，没有高大的厂房，没有轰响的机器，也没有冒烟的烟囱，全部“设备”就是一个个体，甚至就是一个细胞。因此，利用生物制药的成本低和产量高，预计在不久的将来，由生物“制药厂”生产的产品，会成为人类主要的医疗药品。
基因工程与免疫避孕
现在，人们采用避孕法，一般是通过阻止精子和卵子的结合实现的。由于妇女的排卵时间难以准确掌握，加上其他一些因素，这种避孕法的可靠性受到一定影响。其他方法，如结扎术，可靠性虽高，但在需要孩子时又不能恢复生育能力，能否设法使卵子受精后不能正常发育，以达到避孕的目的呢?经过试验，利用所谓的“免疫避孕”法可安全可靠地实现避孕。
大家知道，卵子受精后要分裂成胚胎。一两周后，胚胎中的滋养层逐渐长出密密麻麻的绒毛(图8—6)。绒毛合成一种激素——绒毛促性腺激素，可为胚胎的发育提供足够的营养。
研究发现:这种激素是由两条多肽链组成的蛋白质分子;如果把链接到某种蛋白质载体上，就可形成一种免疫抗原;把这种抗原注射给孕妇，在体内产生相应的抗体;这种抗体可中和绒毛促性腺激素，使后者丧失为胚胎的发育提供营养的能力，从而可终止胚胎发育;这种免疫抗原还能在体内产生致敏淋巴细胞，可把胚胎全部吞噬干净，从而达到终止妊娠目的。妇女只要注射一次这种免疫抗原，就可保证在约一年的时间内没有生育能力，一年后，若不继续注射，即可恢复生育能力，这是目前采用的避孕方法所不能比拟的。
图8—6 胎儿在子宫内的发育
“免疫避孕”法尚未推广，是因为目前生产这种免疫抗原的产量还很少，远远不能满足需要。
现在，科学家想用基因工程方法来生产这种免疫抗原，这就是根据这种免疫抗原的氨基酸顺序，确定其基因的核苷酸顺序，进而人工合成这种免疫抗原基因。把这一基因转移到细菌中，让细菌生产这种抗原。这一工程实现后，就可大量获得免疫抗原了，也就可以迅速推广“免疫避孕”了。
基因工程与器官移植
《聊斋志异》里有一个《画皮》的故事，说的是王生被化装成美女的妖魔挖心之后而死，王生善良的妻子希望丈夫起死回生，央求一个有换心术的道士帮忙，道士为她的诚意感动，给了她一颗人心，王生因重获心脏而复活。《西游记》中的孙悟空，更是其头被刚砍下来马上又长出了新头。这些都是我国古代人民对器官缺损或器官疾患能够得到医治的一个美好幻想。
人们为使这种美好幻想变为现实，一直在思索着:在通常情况下，人的死亡往往是由于某些或某一器官发生了致命性的病变所致，而其他器官的结构和功能仍是正常的。既然机器坏了，可以换零件修好，那么为什么不能把病人的病变器官去掉，换上相应的正常器官而使患者康复呢?
经过科学家的潜心研究和临床试验，这个美好的愿望已经变成了现实。这种更换个体器官的技术，就称器官移植，如现在在一般的新闻广播中，也经常听到人类“心脏移植”和“肾脏移植”等成功的报道。
但是，现在的器官移植还存在不少的问题，如“异体排斥”就是其中之一。所以，在器官移植前，就要像输血前做好“血型匹配”那样，做好“器官匹配”工作。为了拯救病人，需要输血时，可以动员人们输血。献血者都是健康人，献出一定的血量并不影响他们的健康，而且能够很快地造出血来，所以一个人可以多次献血。人体的器官一般只有一个，不能再造，所以移植的器官一般不可能靠活人捐献，必须从刚死亡的人身上摘取(如生前自愿者或判死刑的犯人)。可见，要得到一个与患者匹配的健康器官实属不易，而要得到一个与患者匹配的健康器官就更是难上加难了。据报道，一位母亲为了拯救自己患肾癌的女儿，献出了自己的一个肾脏。这种母爱是伟大的，但这种行动确属无奈之举。
几十年来，科学家一直在探索用动物器官代替病人器官的途径。大多数科学家认为，猪的器官与人的器官大小接近，而功能也一样，所以猪应该是最为理想的器官供应者，比狒狒和其他灵长类还要好，特别是50～100千克的小品种猪更好，它的器官大小适合于人体器官移植所需要的大小范围。
当然，猪最终能否成为人体器官的供应者，关键是能否培育出含有人体基因的新类型。在这一方面，英国科学家做了开创性的工作。他们把人体抑制排斥异体组织的基因注射到猪的受精卵内，人体的基因与猪的DNA结合，培育出含有人体基因的新类型猪。新类型猪长到一定大小后，把猪心脏取出，移植到狒狒身上。结果，此心脏持续跳动了30小时，而不带人体基因的猪心脏只持续跳动了1．5小时。心脏持续跳动时间前者为后者的20倍，这一结果至少给我们带来了希望的曙光。
克隆绵羊的问世，把人们的注意力引向到器官克隆上。1997年4月3日，《文汇报》报道了上海第二医科大学在老鼠身上培育出人耳。他们把人的软骨细胞进行体外培养，以获得形同耳朵的软骨，再把软骨移植到小鼠身上，使小鼠长出人耳朵。这一成果预示着将来通过体外细胞繁殖，可形成人体的各个器官，如骨头、气管、关节和皮肤等。这样，医生就可根据病人某器官的缺损情况，提取残余器官的少量正常细胞进行体外细胞繁殖，获得克隆器官。由于器官来自同一个体，所以这样的器官移植不会有排斥现象。