分子生物学技术是生命科学研究中最先进、最前沿的技术,而医学是生命科学最重要的组成部分,医学的发展需要分子生物学技术来推动.现代医学在基本解决常见疾病防治的基础上,逐渐转变研究方向,向生命和疾病的本质去探究.医学研究从宏观走向微观,从细胞水平发展到分子水平,都是为了更好地阐明生命和疾病的本质是什么.本文主要介绍一些最新的分子生物学技术在医学中的应用及发展趋势.
1 医学诊断中的放大镜---PCR 技术
群体性疾病在我国多次爆发---甲型 H1N1 流感、H7N9型禽流感等,给社会造成了一定的恐慌.这一方面是由于疾病的自身特点,另一方面是由于缺少快速有效的检测手段.换句话说,这些病毒太小,我们用一般方法不能分辨.PCR 技术是体外酶促合成特异 DNA 片段的一种方法,只需要很少量的样本就可以把需要分析的 DNA 数量迅速扩大到数百万倍,从而进行病原微生物的诊断.在这个过程中,PCR 技术如同放大镜一样,使微小的病原微生物立刻现身.当然,这仅仅是其中的一项应用,该技术还用于产前诊断、癌基因检测与诊断以及亲子鉴定中.PCR 技术发展迅速,特别是实时荧光定量 PCR 的出现,可以更加快速地得到准确检验结果.研究表明,用实时荧光定量 PCR 的方法来检测骨髓移植患者体内的巨细胞病毒感染比传统方法更敏感.此外,该方法还可以对 HIV、乙肝、丙肝、人乳头瘤病毒等病毒性病原体进行准确的定量检测[1].当然,由于仪器昂贵、操作复杂及环境要求较高,该方法的推广受到一定限制.相信随着 PCR 仪器的小型化和手提式化,这种仪器将不仅仅存在于高校实验室中,还可以像血糖仪一样出现在人们的生活中.
2 人类基因组计划---了解人类的"蓝图"
人类基因组计划从 DNA 角度揭示了人类的"蓝图"---23对染色体,31.647 亿碱基,3 万左右的基因.通过将患者的 DNA与"蓝图"进行比较,可以发现疾病相关基因是否发生变异,从而进行常见疾病的遗传风险预测以及个体化用药指导等.这是因为人类"蓝图"能告诉科学家正常或在一定条件下表达的全基因的时空图.通过这个"蓝图",科学家可以了解某一基因在不同组织、不同水平、不同时间的表达情况.有了正常的人类"蓝图",就可以知道特定生理条件下(如受病原体、药物、食物、外界刺激)和异常、病理情况下基因表达的差异,从而为医学研究提供指导.
3 疾病治疗的新思路---基因治疗
美国已有多例基因治疗的成功范例,例如 4 岁的谢尔德[2]由于遗传原因缺乏一种与先天性免疫功能相关的酶,导致免疫功能丧失,只能生活在无菌隔离帐里.科学家将她缺乏的酶的基因通过基因治疗方法导入其基因组中,弥补了遗传缺陷,经过治疗,其免疫功能日趋健全,最终过上了正常人的生活.1995年,全球有 100 多个基因治疗临床方案,到了 2004 年这一数据增加到了 987 个.经过医生和科学家对基因治疗中的关键基础问题的研究以及政府监管力度的加大,基因治疗更加规范化和理性化.日益增多的临床方案表明基因治疗具有良好的应用前景.我国在基因治疗基础研究和临床试验方面与国际并行,对血友病、单基因遗传病、恶性肿瘤、心血管疾病、神经性疾病和HIV 等开展了基因治疗基础和临床试验研究,并建立了国家"863"计划生物领域病毒基因载体研发基地,主要开展腺伴随病毒载体研发和产业化.
4 长生不老,可能不是传说
人类的寿命也掌握在人类基因组的"蓝图"之中.在人类基因组中,科学家发现一些影响寿命的基因,例如 clock-1 基因在线虫中具有同源基因,如果破坏该基因,线虫的寿命延长 1.5 倍[3].
另外,科学家还发现 age-1、daf-2 等基因受损也会延长寿命,而在人类基因组中就含有这些基因,但其却没有发挥功能,通过分子生物学技术活化该基因,从而可以延缓衰老.随着细胞凋亡研究取得突破性进展,特别是人类线粒体基因组序列测序,科学家的注意力从核内转移到核外.一种关于线粒体影响寿命的假说指出,线粒体 DNA 发生剧烈变化---凋亡,会影响寿命[4].这将是人类长寿研究的新热点.
5 有了干细胞,人类就可以像机器人更换零件一样更换器官
干细胞是人体组织、器官的细胞之祖,换句话说,这种细胞可以分化为各种人类器官.由于各种原因,患者某些器官发生衰竭,也就是关键"零件"坏了,需要更换,移植他人的或其他动物的器官,都可能发生排异---这些"零件"并不是那么配套.
运用分子生物学技术,将患者细胞转化为干细胞,再使干细胞分化为相应的组织或器官,从而替代衰竭的身体"零件".英国首次将 3D 打印拓展到人类胚胎干细胞上,并使得打印的胚胎干细胞仍保持细胞活性,也就是说不远的将来,我们可以像定制衣服一样,定制我们的器官.
6 喝着克隆羊的奶治病
克隆羊"多利"是分子生物学发展的里程碑,不仅给科学家带来了荣耀,也为该公司带来了巨大的经济效益."多利"这只克隆羊价值 50 万英镑---因为其羊奶中含有能够治疗囊性纤维变性的人体蛋白.这种囊性纤维变性的遗传病患者寿命不超过 31 岁,且生前备受煎熬---体内产生的粘稠的液体会阻塞很多器官的内部通道,而服用"多利"的奶,既治疗了遗传病,又补充了营养.
7 分子生物学技术的发展趋势
60 年前分子生物学先驱 Watson 和 Crick 向世人展示了DNA 的双螺旋结构,分子生物学研究突飞猛进---中心法则,基因重组,表达调控,蛋白质翻译后加工、折叠、组装、转运,生物大分子相互作用、识别、信号转导等界碑式的工作搭建了分子生物学"大厦".人类基因组计划的完成,标志着生命科学研究转向对人类生命的探究.要解决人的问题,分子生物学应与基础医学、临床医学、预防医学、检验医学等密切结合,研究人体各种生理和病理状态下的分子机制.正因为有了坚实的基础研究作后盾,才有效推动了新的诊断、治疗、预防方法的出现以及新的健康理念的发展.PCR 技术作为分子生物学最常见且常用的技术,应用于医学检验中,缩短了诊断时间,提高了诊断精确度,为患者争取了宝贵的治疗时间.人类基因组计划不只是告诉我们 DNA 的排列是什么样的,而且告诉我们疾病、癌症以及生命的本质.虽然药物繁多,但是都面对着治标不治本的难题,基因治疗给我们带来了一线曙光,尽管仍存在各种缺陷,但是相信随着分子生物学技术的发展,各种问题都是可以解决的.
参考文献:
[1]曹芳芳,徐德顺,沈樟.实时荧光定量 PCR 法与常规 PCR 法检测沙门菌的比较[J].中国卫生检验杂志,2008,18(12):2775-2777.
[2]AndersonW F,Blaese R M,Culver K,et al.The ADA human gene hera-py clinical protocol:points to considerresponse with clinical protocol[J].Hum Gene Ther,1990(1):331-362.
[3]Johnson F B,Sinclair D A,Guarente L.Molecular biology of aging [J].Cell,1999(96):291-302.
[4]Tang J,Zhang K C.Mitochondria and aging [J]. China Journal of ModernMedicine,1998,8(1):20-22.
