无处不在的转基因产品已经或正在改变我们的生活

2016-08-15 | 作者: towersimper | 标签: 转基因 医学

寨卡病毒的幽灵盘旋在巴西里约奥运会的上空。游客,甚至知名的运动员,以对寨卡病毒的担忧作为逃避的理由(即便这种感染风险很可能是比较低的)。公众的担忧突出说明了需要快速抵御新出现的传染病。

在抵抗寨卡病毒时,公共卫生专家已寻求听起来像是一个不太可能的盟友的帮助:转基因生物(genetically modified organism, GMO),即经过基因修饰的生物。

消费者习惯于听到粮食作物中的GMO,但是可能并没有意识到GMO在医学中发挥着至关重要的作用。大多数现代生物医学进步,特别是用来根除疾病和抵抗寨卡病毒、埃博拉病毒和流感病毒等流行病的疫苗,依赖于相同的用来制造GMO的分子生物学工具。为了保护大众,科学家们采用GMO技术快速地研究新的健康威胁,生产足够数量的保护性疫苗,监控和甚至预测新的流行病爆发。

疫苗,遇上分子生物学


疫苗与免疫系统合作,强化人体自身的自然防御。疫苗预演一种潜在的感染,能够让免疫系统作好准备以便在真正的威胁出现时发起攻击。

最早的疫苗是比较原始的---想一下十八世纪九十年代Edward Jenner通过将未感染的病人的裸露伤口与感染上牛痘的那些人的伤口相互接触来接种牛痘抵抗天花。但是很多年以来,医学技术的进步使得疫苗得以改进。现代的疫苗起始于二十世纪七十年代引入的分子生物学工具,这些工具极大地改善了我们研究和操纵病毒的能力。

在显微镜下,病毒看起来像是带刺的球,它内部的货舱容纳着它的遗传物质。“分析”一种病毒意味着利用分子生物学工具近距离地研究它的基因(不论是通过DNA还是RNA编码的)。比如,研究人员能够对基因进行“剪切和粘贴”来孤立地研究它们和发现它们所发挥的作用。或者研究人员能够导致基因突变,然后观察一种有机体如何作出反应。

当将DNA从它初始来源的细胞转移到不同的细胞内进行修饰或研究时,这就是“重组DNA(recombinant DNA)”。携带重组DNA的有机体就被认为是GMO。

比如,GMO开发者利用分子生物学技术操纵基因来研究和改变植物DNA以便培育出能够在少水或使用较少杀虫剂的情形下茁壮成长的新品种。

对疫苗研究人员而言,分子生物学是万事通。这些工具允许科学家们通过一种病毒的DNA找出它存活的关键所在,设计新的疫苗,廉价而又快速地制造这些疫苗,以及监控野外哪些病毒可能变成公共健康威胁。根据美国马里兰大学医学院教授和全球病毒网络(Global Virus Network, GVN)---编者注:2012年成立的一个医学病毒学家国际联盟---主席José Esparza博士的说法,“若没有分子生物学,就不可能开展生物医学研究。”

GMO推动疫苗科学发展

借助分子生物学技术当前正在解决的一种疾病是由乙肝病毒(HBV)感染导致的乙型肝炎(即乙肝)。在全世界,乙肝每分钟杀死一个人,尽管我们确实有有效的乙肝疫苗。

在二十世纪六十年代,病毒学家意识到触发HBV感染者产生免疫反应的乙肝抗原---来自HBV病毒外壳的蛋白---出现在乙肝患者的血液中。令他们吃惊的是,将这种纯化的抗原注射到健康人体内会抵抗未来的HBV感染。首个乙肝疫苗是1981年批准的,是通过收集来自HBV携带者(包括静脉吸毒者)血液的这种抗原制造出来的。

自从重组DNA技术出现以来,研究人员能够分离出HBV病毒抗原蛋白的编码基因,从而允许在实验室中利用该基因而不是来自感染者血液的纯化抗原,制造乙肝疫苗。当前,FDA批准的两种乙肝疫苗就包括该抗原的重组版本。

分子生物学技术能够被用来加快新疫苗的开发。比如,在今年6月下旬,一种“DNA疫苗”首次被批准开展抵抗寨卡病毒的人体临床试验。这种疫苗含有病人体内能够产生的寨卡病毒抗原的编码基因,但不含有这种寨卡病毒抗原本身。

这种突破是在世界卫生组织将寨卡病毒流行病宣布为一种“国际公共卫生紧急事件”不到5个月后取得的。Esparza博士注意到,若没有这些修饰和分离DNA片段的工具,“我们将不能够足够快速和高效地做到这一点。”

将GMO作为制药厂

小心翼翼地避免吃转基因食品的消费者可能吃惊地了解到他们信赖的许多药物和疫苗是GMO的产物。

很多疫苗和最畅销的药物含有作为主要组分的蛋白。从头制造蛋白过于昂贵和精致。但是活细胞必须制造蛋白才能存活,而且它们能够经人为诱导后大量地产生医用蛋白,所需的不过是编码这种蛋白的DNA片段和作为养料的含糖培养基。鉴于要制造这些医用蛋白,就必须要将这些基因蓝图插入细胞中,因此,从技术上讲,很多疫苗和药物就是GMO的产物。

转基因细菌、转基因酵母和甚至经过基因修饰的中国仓鼠卵巢细胞(CHO)是药物和疫苗行业默默无闻的制药厂。2014年,前25大畅销药中的10种是“生物制剂”---由重组产生的蛋白组成的药物,包括用于治疗关节炎、癌症和糖尿病的重磅炸弹药物。在美国疾病控制与预防中心(CDC)推荐新生儿接种的10种疫苗当中,有3种是以重组蛋白形式出现的:比如,乙肝疫苗是由转基因酵母产生的。最早的重组疫苗和药物已经使用了30年。

GMO在医学中使用的可能最有戏剧性的一个例子发生于2014年在西非爆发的埃博拉病毒流行病。当时美国医生Kent Brantly和其他的西方志愿者感染上埃博拉病毒,他们当中的几个人被一种被称作Zmapp的“神秘血清”治愈了。它是攻击埃博拉病毒的几种蛋白(具体而言是抗体)的混合物,其中这些抗体是由转基因烟草植物制造出来的。

在转基因植物中制造药物的技术是Charles Arntzen在二十世纪九十年代早期开发的,被称作为“嫁接(pharming,有时也译作基因工程)”。就Zmapp而言,这些抗体是在转基因烟草的叶子中制造的。当收集这些叶子时,将它们的细胞裂解,从而收集这些抗体药物,研究人员将这种技术称作为药物制造领域的一大变革。

生物技术公司应用生物技术研究所(Applied Biotechnology Institute)已采用这种技术制造下一代基因工程疫苗(pharmed vaccine)。它正在开发一种转基因玉米植物来产生乙肝抗原。这种植物经收集后可能能够变成一种看起来像是小型晶片的口服疫苗片剂(oral vaccine tablet),这就与必须冷冻和注射的液体疫苗截然不同。人们所希望的是一种口服疫苗能够降低发展中世界的乙肝发病率,在那里,当前的疫苗所依赖的冷供应链、清洁的针头和训练有素的医务人员要么是缺乏的,要么是过于昂贵的。

诊断的未来

除了改进的疫苗之外,对公共健康的未来同样迫切的将是解决迄今为止还未开始发生的流行病。Esparza博士统计了过去14年发生的11种流行病,包括埃博拉病、H1N1(猪)流感和中东呼吸综合症(MERS),除了一种之外其他都是由病毒导致的。他说,“还有其他的流行病是完全可预知的。比较困难的问题是预测哪种流行病发生。两年前,没有人能够预测寨卡病毒流行病会发生。”

在流行病的前线,人们经常发现分子生物学技术出现在廉价的并不需要太多设备或培训的诊断工具之中。比如,来自哈佛大学的一个团队近期披露一种类似于妊娠试验的基于试纸的测试方法:使用CRISPR/Cas9基因编辑工具将寨卡病毒与密切相关联的登革热病毒区分开来。如果这种Cas酶遇到一滴血液中的寨卡病毒特异性DNA序列,那么它启动一种链式反应,最终产生一种彩色读出值。

除了诊断单个病人之外,分子生物工具也将赶在未来会出现但目前仍不清楚的流行病威胁出现之前使用。公共卫生官员正在要求在新的疾病频发出现的地方监控感染。快速和准确的测试是确定哪些病毒已正在流通的关键,也会允许研究人员预测新的流行病,开发和储存疫苗。

Esparza博士说,“迄今为止,我们非常被动地应对”寨卡病毒和埃博拉病毒等威胁。在GMO的帮助下,传染病专家有办法在下一次流行病爆发之前,不只是开展快速检测、抑制和甚至预防。

参考资料:
【1】GMOs lead the fight against Zika, Ebola and the next unknown pandemic
【2】Smallpox-The Speckled Monster
【3】Basic Methods in Cellular and Molecular Biology
【4】10 Reasons We Need Biotech Foods and Crops
【5】Hepatitis B
【6】The hepatitis B story
【7】WHO Director-General summarizes the outcome of the Emergency Committee regarding clusters of microcephaly and Guillain-Barré syndrome
【8】Recombinant protein expression in Escherichia coli: advances and challenges
Frontiers in Microbiology, 17 April 2014, doi:10.3389/fmicb.2014.00172
【9】Reversion of advanced Ebola virus disease in nonhuman primates with ZMapp
Nature, 02 October 2014, doi:10.1038/nature13777
【10】Rapid, Low-Cost Detection of Zika Virus Using Programmable Biomolecular Components
Cell, 19 May 2016, doi:10.1016/j.cell.2016.04.059 

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来源:生物谷

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