1、酶工程技術(shù)極其在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，酶工程在生物工程中的核心地位得到了更好的體現(xiàn)。酶工程作為一種高新技術(shù)，已在醫(yī)藥、食品、輕工業(yè)、紡織等行業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文將從酶的固定化技術(shù)、酶催化技術(shù)、酶的化學(xué)修飾、脫氧核酶、抗體酶和酶學(xué)診斷等幾個方面來對酶工程在醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用進行綜述。關(guān)鍵詞：酶工程；醫(yī)藥；應(yīng)用Enzyme engineering technology and its application in the medical fieldAbstract: With the rapid development of biotechnology, enzyme

2、 engineering as a hard core of biological engineering has been better reflected. Enzyme engineering, as a new high-tech, has been widely used in medicine, food, light industry, textile and other industries. This article told the application of enzyme engineering in the medical industry from these as

3、pects ,Enzymes Immobilization, Enzyme Catalysis, Enzymes Modification, Deoxyribozyme, Catalytic Antibody and Enzymatic diagnosis. Key words: Enzyme Engineering; Medicine; Application 1 引言：回顧20世紀，生物科學(xué)與生物工程在全球崛起并迅速發(fā)展，已經(jīng)從整體水平發(fā)展到細胞水平和分子水平，在基礎(chǔ)與應(yīng)用研究領(lǐng)域取得了舉世矚目的成果。酶工程作為生物工程的重要組成部分，其作用之重要、研究成果之顯著已為世人所公認。展望21世

4、紀，生物科學(xué)與生物工程將以更快的速度發(fā)展，在世界科技與經(jīng)濟的發(fā)展中起支柱和骨干作用1。 酶作為一種高效生物催化劑，具有高度的特異立體選擇性及區(qū)域選擇性，并在常壓、常溫和pH值中性附近條件下具有十分高效的催化活力。利用酶的高效選擇性催化作用可制造出種類繁多的目的產(chǎn)物，避免了化學(xué)法合成中的許多不足。目前，酶催化技術(shù)在醫(yī)藥方面的應(yīng)用是當前最為關(guān)注的領(lǐng)域之一，這主要是因為醫(yī)藥產(chǎn)品一般附加值高，且大多是光學(xué)活性物質(zhì)，作為十分優(yōu)良的手性催化劑酶，用于多種高效手性藥物的合成及制備將十分有效，潛力巨大。2 幾種酶工程技術(shù)極其在醫(yī)藥中的應(yīng)用 2.1 酶的固定化技術(shù) 酶的固定化(enzyme immobiliza

5、tion)是指采用有機或無機固體材料作為載體(carrier or support)，將酶包埋起來或束縛、限制于載體的表面和微孔中，使其仍具有催化活性，并可回收及重復(fù)使用的酶化學(xué)方法與技術(shù)不使用固體材料作為載體，通過酶分子之間的相互交聯(lián)形成聚集體，也可將酶固定化，稱為無載體酶固定化。由于酶的蛋白質(zhì)屬性，進人人體后產(chǎn)生免疫反應(yīng)，因稀釋效應(yīng)，而無法集中于靶器官組織，常不能保持最適合的治療濃度，而固定化酶則很好的克服了游離酶的這些缺點，應(yīng)用于治療鎂缺乏癥、代謝異常癥及制造人工內(nèi)臟方面，如固定化L-天冬酰胺酶用于治療白血病。葡萄糖氧化酶被固定化在納米微帶金電極上可用于活體檢測的微生物傳感器2。固定化酶

6、技術(shù)可用于治療一些代謝障礙疾病。已知人類關(guān)于新陳代謝的疾病已過120余種，很多病因歸結(jié)為人體缺乏某種酶的活性，一種可能的治療方法就是通過某種方式給病人提供他所缺乏的酶。其提供的方式主要有：將固定化酶用于體內(nèi)作為治療藥物；將固定化酶組裝成體外生物反應(yīng)器，通過體外循環(huán)作為臨床治療劑。將固定化酶用于臨床診斷的例子很多，如各種酶測試盒層出不窮，采用固定化酶柱反應(yīng)器的FIA(流動注射法)可用于臨床診斷檢測尿酸、葡萄糖、氨、尿素、膽甾醇、谷氨酸、乳酸、無機磷等。2.2 酶催化技術(shù) 此處主要介紹非水相介質(zhì)中的酶催化，傳統(tǒng)的酶催化反應(yīng)主要在水相中進行，但自1987年Kilibanov等3用脂肪酶粉或固定化酶在

7、幾乎無水的有機溶劑中成功地催化合成了肽以及手性的醇、脂和酰胺以來，對酶在非水相介質(zhì)的催化反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)及研究報道迅速增加，特別在手性藥物的不對稱合成及手性藥物拆分的生物技術(shù)開發(fā)中得到了很多應(yīng)用。目前非水相中的酶催化技術(shù)已衍生出以下幾類體系：水與有機溶劑的互溶均相體系；水與有機溶劑形成的兩相或多相體系；單相有機溶劑體系；反膠束體系；超臨界液體；低溫體系等。不同的介質(zhì)體系都有各自的適用范圍，研究在不同介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)動力學(xué)及熱力學(xué)平衡以及酶催化機制將對某一特定催化反應(yīng)所需介質(zhì)的篩選和使用起到十分重要的指導(dǎo)意義，樊可可和歐陽平凱在兩相體系酶催化反應(yīng)介質(zhì)的選取方面做了很多的實驗及理化研究，已初步歸納

8、出經(jīng)實驗驗證行之有效的兩相體系中酶促肽鍵合成反應(yīng)介質(zhì)的篩選原則。目前酶催化技術(shù)主要應(yīng)用于制藥領(lǐng)域，應(yīng)用酶催化技術(shù)可以生產(chǎn)許多成品藥及醫(yī)藥中間體。它是通過以制造初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物及催化轉(zhuǎn)化和拆分等形式來進行的。這已成為當今新藥開發(fā)和改造傳統(tǒng)制藥工藝的重要手段，特別在手性藥物及中間體的生產(chǎn)中更有廣泛的應(yīng)用前景。以下重點介紹幾個制藥領(lǐng)域中酶催化技術(shù)的應(yīng)用：生產(chǎn)醫(yī)藥用的氨基酸（如L-丙氨酸）、有機酸（檸檬酸、L一蘋果酸、L-酒石酸）、抗生素（如6一氨基青霉烷酸、氨芐青霉素和羥氨青霉素）、肽類藥物（如胰島素、環(huán)孢菌素A）以及廣泛應(yīng)用于多種維生素(VB2、VB12)、甾體藥物(氫化可

9、的松、脫氫潑尼松、睪丸激素等)及核苷酸類藥物(5-核苷酸，3-核苷酸)等的生產(chǎn)4。2.3 酶的化學(xué)修飾 酶的化學(xué)修飾是指利用化學(xué)手段將某些化學(xué)物質(zhì)或基團結(jié)合到酶分子上，或?qū)⒚阜肿拥哪巢糠謩h除或置換，改變酶的理化性質(zhì)，最終達到改變酶的催化性質(zhì)的目的。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中化學(xué)修飾可以提高醫(yī)用酶的穩(wěn)定性，延長它在體內(nèi)的半衰期，抑制免疫球蛋白的產(chǎn)生，降低或消除酶分子的免疫原性，確保其生物活性的發(fā)揮。修飾劑作為一種屏障，將蛋白質(zhì)表面的抗原決定簇掩蓋起來，使得蛋白質(zhì)分子不能與各種細胞表面受體結(jié)合，不被機體的免疫系統(tǒng)識別，避免了相應(yīng)抗體的產(chǎn)生，這是化學(xué)修飾降低藥用蛋白免疫原性的基本原理。同時由于修飾劑的屏障效應(yīng)

10、，使蛋白質(zhì)不易受到各種蛋白酶的攻擊，降解速率明顯降低。有利于藥用蛋白活性的發(fā)揮。目前研究表明。PEC、人血清蛋白、聚丙氨酸在消除或降低酶抗原性上效果明顯。另外，PEC修飾超氧化物歧化酶活力保持51，在血液中停滯時間延長，抗炎活性提高5。2.4 脫氧核酶 脫氧核酶在結(jié)構(gòu)上具有生物酶的一般特征，包含結(jié)合部位和催化部位。一般來說，脫氧核酶由突環(huán)和臂兩部分構(gòu)成，突環(huán)為其催化部位，臂為結(jié)合部位。Santoro等6從包含約l1014個DNA文庫中篩選出兩類高效、通用的脫氧核酶：817型脫氧核酶(817DRz)和1023型脫氧核酶(1023DRz)。這兩種脫氧核酶由催化核心和兩側(cè)的底物識別結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。脫氧核

11、酶具有高效催化降解靶RNA酶能力，因此其應(yīng)用從基礎(chǔ)生物技術(shù)領(lǐng)域擴展到了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在序列特異性RNA降解方面具有廣闊的應(yīng)用前景，在生物體外可以作為RNA的限制性內(nèi)切酶，在體內(nèi)可在mRNA水平上關(guān)閉基因表達。惡性腫瘤的基因治療，Cairns等7研究表明有5種針對c-myc的脫氧核酶可以顯著抑制細胞中cmyc的表達，并抑制平滑肌細胞的增殖。Sioud等8研究表明。DRz4在納摩爾濃度就能顯著抑制細胞中異常的PKC。mRNA的表達，使異常PKC。蛋白減少，進而減少細胞存活蛋白Bel2XL的生成，促進多種敏感的惡性腫瘤細胞凋亡。血管生成在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用，抗血管生成是目前腫瘤治療的熱點之一。

12、 Liu等9設(shè)計了針對腫瘤血管生成相關(guān)的人血小板型12一脂加氧酶的脫氧核酶，導(dǎo)入紅白血病細胞中，能顯著抑制12一脂加氧酶的表達，有可能成為12一脂加氧酶基因敲除的特異性工具和抑制腫瘤生長的新策略。Santiago等10設(shè)計的1023DRz可特異性剪切Egr一1Mrna，抑制培養(yǎng)體系中細胞的增殖和損傷修復(fù)；也能抑制大鼠頸總動脈壁氣球樣損傷后Egr-1蛋白的誘導(dǎo)性表達和新生血管內(nèi)膜的形成。因此，脫氧核酶有望成為抗血管生成的又一新型藥物11。 2.5 抗體酶 抗體酶(abzyme)，又稱催化抗體(catalytic antibody)，是指通過一系列化學(xué)與生物技術(shù)方法制備出的具有催化活性的抗體，它既

13、具有相應(yīng)的免疫活性，又能像酶那樣催化某種化學(xué)反應(yīng)。 利用抗體酶催化藥物在體內(nèi)的還原，有利于機體對藥物的吸收，并降低藥品的毒副作用：將抗體酶技術(shù)和蛋白質(zhì)融合技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計出既有催化功能又有組織特異性的嵌合抗體，用于切割惡性腫瘤；將抗體酶直接作為藥物，以治療酶缺陷癥患者凹?？贵w酶還可以水解清除血液中的毒素，如分解可卡因、有機磷毒劑等。抗體酶可以拮抗可卡因等麻醉劑的成癮性，使可卡因失去刺激功能，以幫助癮君子戒除毒癮。前藥(prodrug)是指為降低藥物毒性而設(shè)計的一類自身無活性或活性較低，需在體內(nèi)經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化為活性藥物以發(fā)揮作用的化合物?？贵w酶在正在發(fā)展的ADEPT體系中成功地對前藥進行活化，提

14、高了腫瘤治療的選擇性，顯示出很好的應(yīng)用前景ADEPT體系：即抗體靶向的酶前藥治療(antibody directed enzyme prodrug therapy ADEPT)體系。將能催化前藥轉(zhuǎn)化為腫瘤細胞毒劑的酶，與腫瘤細胞專性抗體相偶聯(lián)，酶通過與腫瘤抗體的結(jié)合而存在于腫瘤細胞表面，當前藥擴散至腫瘤細胞表面或附近時，抗體酶就會將前藥迅速水解，釋放出抗腫瘤藥物。這樣大大提高了腫瘤細胞附近局部藥物的濃度，增強對腫瘤細胞的殺傷力，減少對正常細胞的殺傷作用。經(jīng)過科學(xué)家們的不斷努力，抗體酶在 ADEPT 體系中的應(yīng)用將日益完善，將會成為癌癥化療的重要武器12。2.6 酶學(xué)診斷 酶除了直接作為藥物用作

15、常規(guī)治療，以及利用其特異性生產(chǎn)其它酶類或非酶類藥物外，酶還作為臨床檢測試劑，可以快速、靈敏、準確地測定體內(nèi)某些物質(zhì)的理化性質(zhì)，從而對某些疾病做出診斷。酶學(xué)診斷方法包括兩個方面，一是根據(jù)體內(nèi)原有酶活力的變化來診斷某些疾病，如利用葡萄糖氧化酶活力變化，可以測定血糖含量，診斷糖尿??；二是利用酶來測定體內(nèi)某些物質(zhì)的含量，從而診斷某些疾病，如利用尿酸酶測定血液中尿酸的含量診斷痛風(fēng)病，又如利用膽堿酯酶或膽固醇氧化酶測定血液中膽固醇的含量診斷心血管疾病或高血壓等。這也是酶工程在醫(yī)療上一個重要的應(yīng)用13。3 前景：酶工程作為生物工程的重要組成部分，其作用之重，研究成果之顯著以為世人所公認。在未來的年間, 酶工

16、程不應(yīng)重履前人之程序,應(yīng)銳意創(chuàng)造一代新酶,研制高混合率及傳質(zhì)性能優(yōu)良的酶反應(yīng)器, 制造出可進行滅菌、靈敏度高及應(yīng)用范圍廣泛的生物傳感器探頭, 同時加速開發(fā)生化工程, 提高產(chǎn)品收率。另外,須研制穩(wěn)定性高而分泌性能良好的基因工程細胞及雜種細胞。現(xiàn)代酶工程最終目標是通過重組或雜交技術(shù)制造出各種特異功能的催化劑,并制造出具有不同特異功能的人工細胞,并將具有不同功能的人工細胞組合成不食人間煙火而有思維能力的生物機器人,取代各種類型酶反應(yīng)器, 通過自動控制投入相應(yīng)原料,令其排出各種有效藥物,提高醫(yī)藥生產(chǎn)技術(shù),創(chuàng)造更先進生產(chǎn)力。因此,酶工程在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用前景無比燦爛14。參考文獻1 郭勇.酶工程研究進展

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