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转基因动物在医药领域的应用

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年6月作者：杨吉

[导读] 应用先进的转基因技术，科学家可以高效地修饰动物的基因组，制作转基因动物。在医药领域，转基因动物有着广泛的应用。

上海市莘庄中学杨吉 201199

摘要：应用先进的转基因技术，科学家可以高效地修饰动物的基因组，制作转基因动物。在医药领域，转基因动物有着广泛的应用。科学家可以应用转基因动物研究疾病的发生机制，生产许多结构复杂的药物，评估药物的疗效。本文详细探讨了转基因动物在医药领域的应用，以期为相关人员提供参考。
关键词：转基因动物；医药领域；生物制剂；动物模型；应用
        1 引言
        转基因技术是一种诞生于上世纪中后叶的技术。它可以改变动物、植物、微生物的性状。转基因技术在改良现有的家畜品系、开发新的动物品系等方面有许多潜在的应用。转基因技术可以提高牲畜提高繁殖力和牲畜的后代的质量，提高饲料利用率，提高牲畜的生长速度。此外，转基因技术还可以提高牛奶的产量，提高牛奶中特定的营养成分的含量。例如，上个世纪的科学家成功地生产出能够分泌高蛋白、高钙的乳汁的奶牛，这些奶牛在一定程度上推动了乳品生产的发展。不过，转基因动物的生长特点、繁殖特点、易患疾病可能与野生型动物有一定的差异。在养殖转基因动物的过程中，饲养者需要关注转基因动物的特点，提供真正适合转基因动物的饲料，营造适合转基因动物生长的环境。
        在医药领域，科学家可以通过制作转基因动物、分许动物体内特定基因的表达特征，判断基因的功能以及疾病的发病机制。此外，人们可以应用转基因昆虫、转基因鱼、转基因反刍动物高效地生产大量结构复杂的药用蛋白质。可以说，转基因动物在医学研究和药物生产领域发挥着重要的作用。
        2 转基因技术与转基因动物
        一般而言，术语“转基因技术”表示通过引入新基因、修饰现有的基因、或改变基因的表达水平，改变动植物的性状的一系列技术。这种操作通常是在体外进行的，它可以用于修饰生殖细胞（卵和精子）和体细胞的基因组发生变化，这种突变能够被传递给动植物的后代。
        欧洲实验动物协会联合会（FELASA）将转基因动物定义为基因组被有意地修改的动物[1]。应用前沿的转基因技术，科学家可以有效地将新基因引入动物基因组的特定位置，使动物表现出特定的性状。转基因动物在许多领域有着广泛的应用。在农牧领域，转基因动物的产奶量更高，瘦肉率更高；在医疗领域，人们可以建立患有某些疾病的转基因动物模型，研究疾病的发病机制；在制药领域，人们可以应用转基因动物高效地生产生物制剂。
        3 转基因动物的制作方法
       在制作转基因动物的过程中，如何高效地实现基因转移，是一个非常重要的问题。人们需要研究能够有效地修饰动物基因组的途径。应用现代生物技术，人们可以精准地将目的基因引入动物基因组的特定位置，使目的基因在动物体内高效地表达。目前，用于生产转基因动物的方法是多种多样的。常用的技术主要包括：（1）通过逆转录病毒进行DNA转移；（2）在显微镜下将目的基因注射到受精卵的原核中；（3）将先前暴露于外源DNA的胚胎干细胞和/或胚胎生殖（EG）细胞注射到胚泡腔中；（4）在体外受精过程中实现精子介导的外源DNA转移；（5）脂质体介导的DNA转移，此种方法可以高效地将基因转移到细胞和胚胎中；（6）应用电穿孔技术，将DNA导入精子、卵子或胚胎中；（7）应用核转移（NT）技术，将目的基因导入体细胞、ES或EG细胞中[2]。
        4 转基因动物在医药领域的应用
        4.1 生产多种生物制剂
        应用转基因动物，人类可以高效地生产许多种类的药物。十九世纪和二十世纪的科学家大多将植物提取物作为药物。这些药物一般不含有蛋白质，这是因为，蛋白质在提取的过程中会变性，并且蛋白质类药物通常不能口服给药。第一种用作治疗性药物的蛋白质是从猪胰腺中提取的胰岛素。后来，科学家又研发了许多蛋白类药物。几十年来，人们不断改进蛋白类药物的生产方法，这些药物在临床医学领域得到了广泛的应用。
        在二十世纪八十年代初期，人们尝试应用转基因技术生产药物。当时，药用胰岛素是从重组细菌中获得的。这种蛋白质的治疗效果比传统胰岛素制剂的治疗效果更好。不久之后，科学家以同样的方式制备了人生长激素。从组织提取物中获得的胰岛素和人生长激素的量是非常有限的，但是应用重组细菌，人们可以大量生产激素。但是，由于细菌合成结构复杂的蛋白质的能力较弱，人们只能应用细菌生产结构比较简单的蛋白质。此外，由于细菌合成某些蛋白质的速度过快，这些蛋白质会在细菌中形成聚集体，人们很难从细菌培养物中分离出目标蛋白，并且保证目标蛋白在分离的过程中不变性。细菌不能高效地折叠蛋白质、组装蛋白质的亚基，无法形成具有生物活性的分子。细菌也不能对蛋白质进行翻译后修饰，只有动物细胞才能完成糖基化、γ-羧化、磷酸化、硫酸化等翻译后修饰，但是培养动物细胞的成本是非常高的。因此，人们尝试应用转基因动物，批量地生产具有正确的生化结构的、具有较高的生物学活性的蛋白质[3]。

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        在将目的基因导入哺乳动物体内之后，目的基因通常会出现在转基因动物的血液、乳汁、蛋清、精液、尿液中。一些鱼类也是良好的生产目的蛋白的“工厂”。一些初步结果表明，转基因罗非鱼的不同组织中含有高活性的VII因子，不过，科学家尚不确定，转基因鱼是否可以用作批量生产高纯度的VII因子的“工厂”。如果人们在血液中表达目的蛋白，那么目的蛋白可能会被血液中的蛋白酶降解，人们将无法获得高水平的动物蛋白。此外，血液中的大量具有较高生物活性的蛋白质可能会影响动物的健康。一般而言，如果转基因动物的乳汁中含有目的蛋白，那么这些蛋白可以稳定地存在于乳汁中，人们可以无创地获得这些蛋白质，高效地提纯这些蛋白质。        目前，人们正在研究几种哺乳动物（如兔、猪、绵羊、山羊和牛）的乳腺结构，分析如何提高乳汁中目的蛋白的含量。转基因兔具有许多优势：转基因兔的繁殖能力强，产奶量高，对多种动物病毒不敏感，不会将严重的疾病传播给人类。养殖转基因猪的成本高于养殖转基因兔的成本，但是转基因猪的产奶量高。一些科学家发现，反刍动物是最理想的生产大量蛋白质的物种，但是它们的生产过程是非常复杂的。人们需要应用克隆技术生产转基因反刍动物，或者应用慢病毒载体整合外源基因，因此，转基因反刍动物的生产成本通常非常高。此外，转基因反刍动物的繁殖速度通常是相对较慢的，它们也不像兔子和猪那样，具备生产糖基化蛋白质的能力。转基因反刍动物对病毒性疾病也是非常敏感的，这导致它们很容易患病。人们需要提高转基因反刍动物的繁殖能力和抗病能力，使其应用更加广泛[4]。
        转基因禽类也是一类可以用于生产生物制剂的转基因动物。科学家可以借助慢病毒载体，将目的基因导入禽类的基因组中，使目的蛋白在蛋清中高效地表达。目前，科学家已经建立了来自鸡的原始生殖细胞（PG细胞）的多能细胞系。这些带有外源基因的细胞可以被引入早期胚胎中，参与嵌合转基因鸡的发育。一些研究人员发现，使用非多能细胞产生的嵌合转基因鸡生产的鸡蛋的蛋清中，含有浓度较高的单克隆抗体。在未来的几十年中，蛋清可能会成为重组蛋白的重要来源。
        近年来，随着基因工程技术的发展，转基因动物的制作技术逐渐变得成熟。许多科学家致力于研究转基因动物的生产技术，他们尝试改进转基因家禽、转基因鱼、转基因反刍动物的生产技术，提高特定基因的表达效率。这些转基因动物可以用于研究疾病的发病机制，生产多种生物制剂，改良动物品种。可以预见的是，在未来的数十年中，转基因动物的生产技术将会更成熟，其生产成本将会大幅降低，其应用将会更加广泛[5]。
4.2 研究疾病的发病机制
应用转基因动物，人们可以高效地研究某些人类疾病的发病机制，研究特定药物或特定疗法是否可以发挥作用。例如，如果人们想要研究肺癌是否与某些基因的过度表达相关，那么他们可以尝试构建过度表达这些基因的动物模型，分析这些转基因动物患肺癌的概率是否与普通动物患肺癌的概率相同。此外，人们还可以尝试敲除这些基因，分析这些转基因动物是否更不易患肺癌。
        在成功地应用转基因技术构建特定疾病的动物模型后，科学家可以分析转基因动物的目标组织中特定基因的表达特征和特定蛋白的水平。这种分析的结果有助于科学家理解相应疾病的发生发展过程。此外，科学家还可以应用转基因动物评估新药的疗效。应用转基因技术生产的动物模型的病理生理特征与患该种疾病的患者的病理生理特征通常有一定的相似性，如果药物对动物模型有效，那么它对患者可能也是有效的。因此，科学家可以应用转基因动物，高效地筛选药物，分析药物的作用原理。可以说，能够高度还原疾病特征的转基因动物是非常重要的研究疾病的发病机制和药物的作用机制的“材料”。不过，得到这样的动物通常是很难的。这是因为，许多发病机制不明的慢性病的发生涉及多个基因的异常表达，如果人们只过表达或敲除其中的一个或者两个基因，那么他们建立的动物模型可能不具有患有该病的患者的所有特征，这种动物模型的参考价值是非常有限的[6]。
        5 结语
        转基因动物在农业、工业、医药等领域有着广泛的应用。在医药领域，转基因动物是研究疾病发病机制的珍贵材料，也是生产药物的重要“工厂”。在制作转基因动物的过程中，人们需要关注如何提高基因的表达效率，使转基因动物更快地生长、繁殖，更快地生产药用蛋白。可以预见的是，随着转基因技术的发展，转基因动物的制作成本将会进一步下降，转基因动物在医药领域的应用将会更广泛。
参考文献
[1] 葛良鹏,邹贤刚,刘作华.人源化抗体转基因动物的研究进展与趋势[J].生物产业技术,2016(06):52-56.
[2] 张芳.转基因动物及其产品检测技术研究进展[J].中国动物检疫,2020,37(12):73-80.
[3] 李红,韩瑞丽,孙桂荣.混合式教学在转基因动物进展课程教学中的应用探讨——以动物克隆技术章节教学为例[J].河南教育(高教),2019(12):113-115.
[4] 付建蒙.转基因动物的应用概述[J].农村科学实验,2019(08):97+99.
[5] 杜小燕,陈柏安,仵毅,等.医学院校研究生开设转基因动物技术课程的意义和教学体会[J].实验动物与比较医学,2018,38(06):459-462.
[6] 肖佳佳. SIRT2对牛体细胞转基因效率的影响及其作用机制[D].西北农林科技大学,2017.