基因技术与生物制药前景展望

基因技术与生物制药前景展望作者：申银万国证券研究所主要结论:（1）生物工程领域目前正处于技术变革的重大时期，基因技术产业是新经济的重要组成内容。（2）基因组和后基因组的研究导致生物制药业产生重大变革，人类由此步入基因诊断、基因药物和基因治疗的时代。（3）国外大型制药企业的新药开发已始于基因组研究，使得从事基因组和后基因组研究的基因技术公司在美国NASDAQ市场表现突出。（4）国内由于制药企业在新药研究开发方面的落后和基因工程产业化分离提纯技术的薄弱，基因技术产业尚处于萌芽状态。（5）以功能基因组研究为重点，以基因组药物开发为目标，从我国自主克隆的人类基因和公共数据库的人类基因中寻找新药，开发出具有自主知识产权的基因组药物，成为我国生物制药业摆脱困境的可行方案。主题词：生物制药，行业研究前言2000年6月26日，是人类历史上一个纪念的日子，在世界各国科学家的通力合作下，人类基因组计划第一阶段性工作－工作框架图正式公布，这标志人类基因组计划取得了巨大的阶段性成果。同时，后基因组研究取得很大的进展，深刻地影响着制药领域，并且导致医药产业的结构和内容发生许多变化，这些变化在美国资本市场已经有所表现，本文进一步分析国内的基因组和后基因组研究的进展，并对国内生物制药的前景和涉及这一领域的上市公司进行探讨。一、基因组和后基因组研究概况1、人类基因组计划(HGP)人类基因组计划(HumanGenomeProject，HGP)是由美国科学家率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿碱基对的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，并破译人类全部遗传信息的全球范围内的科学计划。该计划于1989年开始组织实施，准备用15年的时间，耗资30亿美元，目标是在2005年完成绘制人体全部基因图谱和核苷酸测序工作。目前的进展已经出现提前实现的趋势。在去年底，国际上的科学家已对人体23对染色体里的30亿个碱基对中的10亿个完成了识别和测序工作，并已将这10亿个碱基对的测定结果公开发表。国际人类基因组于今年6月完成全部30亿个碱基对的人类基因组草图。在此基础上，再对测定的基因序列进行仔细核实，预计能在明年6月绘制出最后的精确的人类基因组图谱。这个图谱就像是一张构成一个人体细胞DNA（脱氧核糖核酸）的30亿个碱基对精确排列的地图，这些碱基对以一种特殊方式排列形成人体的10万个基因。人类基因组是所有染色体或基因位点的总合，含有有关生、长、老、病、死的全部遗传信息。因为人类个体的基因位点是相同的，因而人类只有一个基因组，不同个体之间差异的根本原因是每一基因位点上的等位基因并不是完全相同的，如果基因结构变异导致关键蛋白质数量或质量的异常，则可引起疾病。因此HGP的实施极大地带动了人类疾病相关基因的定位、克隆与结构、功能等的研究，通过对每一个基因的测定，可以找到它的准确位置，从而为预防、诊断、治疗6000多种人类单基因遗传病和一批多基因病（如恶性肿瘤、心血管疾病）提供了准确依据。目前已有大约500个基因用于药物开发，到HGP完成时，这一数字将增加6～20倍，达到3000～10000个。2、后基因组研究人类后基因组研究是在已知基因序列的基础上进行基因功能的研究，即收集、整理、检索和分析基因序列中表达的蛋白质的结构与功能等信息，找出规律，发现重要功能基因，使其具有经济用途。后基因组的研究重点将从揭示生命的所有遗传信息转移到在整体水平上对功能的研究，从基因组整体水平上对基因的活动规律进行阐述。后基因组学所要解决的核心问题就是如何破译天文数字般的DNA信息所编码的蛋白质功能以及占人基因组序列95％以上的非编码区的调控功能。如检测基因表达水平即检测基因的差别表达进而找出与疾病相关基因和变异的基因；检测基因多型性；从整体基因组水平上考察生物代谢途径，如细胞分化发育阶段转换的关键时刻基因表达的差别和特点等方面。同时，人们尽管对约占人类基因组95%的非编码区的作用还不太了解，但从生物进化的观点看来，这部分序列必定具有重要的生物功能，它们与基因在四维时空的表达调控有关。寻找这些区域编码特征，信息调节与表达规律是未来相当长时间内的热点课题。在后基因组时代，生物学家面对的不仅是序列和基因而是越来越多的完整基因组，对这些完整基因组研究所导致的比较基因组学必将为后基因组研究开辟新的领域。随着人类基因组计划的执行，找到人类10万个基因的碱基序列是指日可待的事，因而确定人的上千个原癌基因和几万个与疾病相关基因表达产物的氨基酸顺序也会逐步实现，然而要找到这些蛋白质致病的分子基础，只有氨基酸顺序的知识是不够的，必须知道它们的三维结构，因此蛋白组学(Proteomics)的研究显得异常重要，基于蛋白质的结构与功能的药物设计将成为后基因组研究的重中之重。另外医药基因组学也是一个重要方向，揭示人的基因多样性和变异性是如何影响药物效果和安全性，一方面可根据病人的基因检测结果因人施药，另一方面，在新药整个开发过程中，很多环节都需要医药基因组学的研究与开发，如影响药物作用的是哪些基因？这些基因变异的类型如何？通过医药基因组学的研究可以发现相关基因功能新药靶，并在鉴定与药物分布、活化、代谢等有关的基因及其变异等情况下，预测新药在不同个体内的效果和安全性。3、生物信息学生物信息学就是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一。随着HGP的逐步实施和基因组研究的不少进展，基因序列数据正以前所未有的速度迅速增长，建立新型杂交和测序方法以对大量的遗传信息进行高效、快速的检测、分析就显得极其重要，生物信息学的基因芯片技术就是顺应这一科学发展要求的产物。该技术系指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于400）探针分子固定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。在1980年左右，有人曾经就将短的DNA片断固定到支持物上，借助杂交方式进行序列测定。但基因芯片从实验室走向工业化却直接得益于探针固向原位合成技术和照相平板印刷技术的有机结合、计算机以及激光共聚显微技术的引入。它使得合成、固定高密度的数以万计的探针分子切实可行，而且借助激光共聚焦显微扫描技术使得可以对杂交信号进行实时、灵敏、准确的检测和分析。基因芯片技术由于同时将大量探针固定于支持物上，所以可以一次性对样品大量序列进行检测和分析，从而解决了传统核酸印迹杂交技术操作繁杂、自动化程度低、操作序列数量少、检测效率低等不足。目前已有多种方法可以将寡核苷酸或短肽固定到固相支持物上，这些方法总体上有两种，即原位合成与合成点样两种。基因芯片技术研究重点主要体现在基因组学(Genomics)和蛋白组学(Proteomics)两方面，具体说，是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的结构与功能的生物信息。目前基因组学的研究出现了几个重心的转移：一是将已知基因的序列与功能联系在一起的功能基因组学研究。二是从作图为基础的基因分离转向以序列为基础的基因分离。三是从研究疾病的起因转向探索发病机理。四是从疾病诊断转向疾病易感性研究。生物芯片(Biochip)的应用将为上述研究提供最基本和必要的信息及依据，将成为基因组信息学研究的主要技术支撑。生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。高密度基因芯片是最重要的一种生物芯片，芯片上集成的成千上万的密集排列的基因探针，能够在同一时间内分析大量的基因，使人们可迅速、准确、高效地破译遗传密码。这将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。它可应用于基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。1998年底美国科学促进会将基因芯片技术列为1998年度自然科学领域十大进展之一，足见其在科学史上的意义。它通过使用半导体工业中的微加工和微电子技术和其他相关的技术，将现在庞大的分立式生物化学分析系统缩微到半导体硅芯片中，从而具有高速度、分析自动化和高度并行处理能力。用生物芯片所制作的具有不同用途的全功能缩微芯片实验室可使分析过程全自动化，分析速度可获得成千上万倍提高，而且体积小、重量轻、便于携带。它的出现将会给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器、食品和环境科学等领域带来一场革命。据此预计人们今后可以通过自己拥有的个人化验室，在地球上任何地方，随时对自己的身体健康状况进行监测，并通过环球通讯系统将结果传回到居住地的家庭医生处，通过其分析，开出医嘱，再立即送回给我们。可以设想，届时通过医学互联网，不但可以做远程诊断，还可以做远程手术和其他治疗。国外科技人员正设计一种可同时进行多种肿瘤（包括肝癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、前列腺癌等高发肿瘤）早期诊断的生物芯片，在患者还没有明显身体不适时进行普查。这可以极大地提高肿瘤病人的生存率，并产生巨大的市场。由于基因芯片技术能百分之百准确地快速解读基因密码，把生物芯片与机器人和计算机结合起来，就能在两秒钟内从300万种基因中找出一个变种基因。而使用常规的方法则需要花几天的时间。如果能实现预期目标，那么医学研究人员和医生将能在几分钟内完成对人体的检测，确定基因或使易病变基因（如癌基因）消亡。这项技术还能够用来探测人类的非基因疾病、农作物疾病和环境污染，也有可能用来选定每个病人确切需要哪一种药，真正做到对症下药。二、基因组和后基因组研究与生物医药产业长期以来，困扰着医学界的一个课题是：一些在疾病诊断、预防和治疗中有着重要价值的人体活性多肽（如激素，神经多肽，淋巴因子，凝血因子等）由于材料来源困难或技术方法问题而无法大量合成，只能勉强沿用传统技术从动物中提取。但由于原料来源短缺，制成品各批次质量参差不齐以及毒副作用较大等而限制其在临床上的应用。1973年美国首先成功地将基因在体外重组并通过质粒转入细菌内，进行无性繁殖，基因工程从此应运而生。同时基因工程等高技术的异军突起也预示了医药工业体系的划时代变革，基因工程在医药研制和生产方面的应用展示了广阔的前景，许多人体中的活性多肽都可以通过重组DNA产生的工程菌来大量高效地合成。基因工程是将不同生物的基因在体外人工剪切组合并和载体DNA连接，然后转入微生物或细胞内，进行扩增，并使转入的基因在细胞内表达，产生所需的蛋白质。现已成功地用大肠杆菌和酵母生产各种干扰素、白细胞介素、集落刺激因子、激素等，用动物细胞生产EPO和组织纤维蛋白元激活因子等药物，并在转基因动物系统成功地表达了抗胰蛋白酶等。基因工程产品的技术含量高，从目的基因的取得到表达载体的构建均是非常复杂的工作，必须在实验室进行大量的工作，因此基因工程产品的前期研究和开发投入较高，如国外新药研究开发费用一般占销售额的10－15％左右，但是基因工程产品的直接生产成本却非常低，且对生产的设备要求也不是很高，尤其是对细胞因子和重组药物的生产只要取得高表达量的生产菌株，掌握分离和纯化技术，利用普通发酵罐即能生产。基因工程产品的这一特点决定生物工程领域的进入壁垒不象其它产业存在于直接生产环节，而是在研究开发环节。在传统的药物研究开发过程中，大多数是从病理生理学过程中的某一生物化学途径开始的，通常先从动物组织中确证和纯化得到适当活性的酶，而且该酶最好是参加生化途径的限速步骤。纯化的酶用来筛选结构多样的小分子化合物，有时可以很清楚地了解药物的作用机理及酶对结合小分子的结构要求，然后药物化学家对先导化合物进行结构优化得到具有合适生物利用度及对目标酶有较高特异性的化合物。受体的确证及作为靶标来开发药物具有类似的过程。基于生物化学的药物研究开发方法在制药工业中发挥了重要作用，为许多疾病提供了多种有效药物。分子生物学及基因克隆技术的出现改变了药物研究的途径，具体表现在（1）基因克隆和体外表达技术可用来产生人体靶标，当人体组织的来源受到限制甚至变得不可能时，这种方法显得尤为重要；人源蛋白靶标代替动物蛋白来进行药物筛选具有重要意义，已有