生命科学导论本科生物医学进展

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1、生物医学进展,生命科学学院 洪梅 2015.4.15,现代医学 生物医学-现代医学的重要组成部分 生物医学的研究对象 癌症机理的研究 传染性疾病的研究 代谢疾病的研究 神经性疾病的研究 药物研发过程,提纲,生化与分子生物学专题,史前医术 在法国拉斯科克斯的山洞中发现的岩画显示，在公元前13，000与25，000年之间， 人类就已经使用植物作为治疗剂。,植物材料 泥土疗法 外科手术 巫师和巫术,迷迭香,檐状菌,生化与分子生物学专题,中世纪和早期现代欧洲医学 从12世纪开始，在意大利和西方许多地方， 现代医学的萌芽 外科技能在中世纪得到了极大的提高 发展起了由生理学，卫生学，营养学，病理学，药理学

2、所组成的统一体系。许多大学开始设立了医学科目，必需经过多年的训练才能取得行医资格 但是当时有效的药物很少，主要是鸦片和奎宁，还有一些有毒的金属类物质,生化与分子生物学专题,现代医学 由于化学和实验室技术和仪器的发展，19世纪医学发生了革命性的剧变： 1676 年列文虎克第一次利用显微镜观察到细菌和微生物，开创了微生物学科 1865 年孟德尔发表了他的有关豌豆遗传性状的书籍，阐述了孟德尔规律，奠定了传统遗传学的基础 1865 年 Claude Bernard 发表了实验医学研究入门 一书， 以此开始用科学的方法对医学进行研究,生化与分子生物学专题,20世纪开始， 科学方法和手段使医学研究取得了大

3、量重要的进展，特别是在药理学和外科术方面 1895 年伦琴首先发现了X-射线，在一战期间X-射线得到了广泛的应用，使人们可以观测到人体内部的功能结构。 二战期间，由于青霉素的发现以及战争的需求，英国科学家和美国药厂合作，开始大批量生产广谱高效的抗生素药物 1953 Watson 和Crick发现了DNA 双螺旋结构，奠定了分子生物 学和现代遗传学的基础. 二十世纪见证了临床医学和研究 医学的发展与改进。现代生命科 学的发展为医学提供了更多的理 论依据，如人类基因组计划将为 临床和实验医学研究提供大量的 研究目标。,生化与分子生物学专题,From Genes to Proteins. Knowl

4、edge of a genome unlocks the secrets of what DNA is making which proteins. This will ultimately help scientist to better understand the inner workings of biology.,生化与分子生物学专题,现代医学是一门使用公共卫生学，生物医学研究，医学技术的手段，通过药物，外科手术或者其他形式的治疗方法去诊断和治疗损伤和疾病的学科。,现代医学,生化与分子生物学专题,生物医学（ Biomedicine, 也叫实验医学 experimental medic

5、ine）,是一门把基础生命科学研究和应用研究结合在一起，帮助我们了解和解决医学中的问题，丰富我们对医学的认识的学科。其中的基础生命科学包括生物化学，分子生物学，生物学，遗传学，植物学，微生物学等学科。 生物医学能够让我们更深一步地了解许多疾病的分子生物学和细胞学的机理，从分子的角度了解药物作用的机制，从而为药物的设计开发，疾病的诊断和防治起着重要的作用。 这个领域的研究大部分是由生物医学家和分子生物学家合作完成的。,生化与分子生物学专题,药物研发的基本步骤： 基础研究(basic research)：利用in vitro 和 in vivo的模型研究疾病机理，寻找药物作用的可能目标以及分析药物

6、对机体的作用 药物开发(drug discovery)：利用HTS（high throughput screening)的方法，寻找有治疗潜力的，具有高药效，低毒性的化合物 药物的合成与优化 临床前试验 (preclinical trial):对药物的病理，毒理，药物的吸收，分布，代谢和排除(ADME)进行in vitro和 in vivo 的测试 临床试验(clinical trial):人体试验 药物安全性评价：药厂和生化公司必须提供药物的生物药效，安全性等数据以获得药物监管机构的批准 药物的生产：提供高效，安全和均一的生产途径,生化与分子生物学专题,生物医学研究的应用,I. 有关疾病的生

7、物学原理，以此选择药物的有效目标,是药物开发的第一个步骤 通过不同学科包括生物化学，分子生物学，生物信息学等的共同合作寻找与疾病相关的特异性，高效的目标,生化与分子生物学专题,近年来的几个研究热点：,癌症研究 传染性疾病 代谢性疾病 神经退行性疾病,生化与分子生物学专题,癌症研究,癌症仍是我们面临的巨大挑战，癌症就全球人口与先进各国来说，均居国民死亡原因之第二位。 癌症在不同年龄的人中都会发生，甚至是胚胎。随着年龄的增大，得到癌症的几率就越高。 在中国，据国家卫生部信息中心的报道，20世纪90年代中国肿瘤发病率已上升为127例/10万人，近年来每年新增肿瘤患者达160-170万人，总数估计在4

8、50万人左右 主要癌症类型依次为胃癌(21.76%)、肝癌 (17.83%)、肺癌(15.19%)、食管癌(15.02%)、结直肠癌(含肛门肿瘤，4.54%)、白血病(3.53%)、子宫颈癌 (1.64%)、鼻咽癌(1.53%)和乳腺癌(1.49%)。 由于发展中国家和发达国家的人口日益老龄化，当今吸烟的流行和不健康生活方式日益增多造成 癌症的发病率还在上升，预计到2020年全球癌症发病率将上升50%，发病人数将达到1500万。,生化与分子生物学专题,癌症的主要致病因素,I. 由化学物质引起的突变 ： 吸烟与许多癌症的发病都有关系， 是90%肺癌的诱因。 石棉接触会造成间皮瘤。,The inc

9、idence of lung cancer is highly correlated with smoking.,Asbestos, predominantly building materials during 1900s mid 1970s.,Asbestos fiber in human lung,stimulating chronic inflammatory responses,生化与分子生物学专题,II. 由电离辐射引起的突变： 建筑材料，地质层含有放射性物质，如氡气 长期暴露在太阳紫外辐射下，会导致黑色素瘤和其他皮肤恶性肿瘤,Exposure to radon can cause

10、 DNA damage,生化与分子生物学专题,III. 病毒感染 世界上有15%的癌症是由病毒感染引起的， 最常见的引起癌症的病毒包括B型肝炎病毒，C型肝炎病毒， EB病毒，乳头状瘤病毒(HPV)，和人类嗜T淋巴细胞病毒等,Hepatitis B distribution,生化与分子生物学专题,IV 内分泌失调 例如，雌性激素过量引起的子宫内膜癌 V 免疫系统功能紊乱 HIV与许多恶性肿瘤的产生都有关系，Kaposis 肉瘤，淋巴瘤等 VI 遗传因素 由于某些抑制肿瘤生成的基因缺失,生化与分子生物学专题,生化与分子生物学专题,肿瘤是由一系列的突变造成的。 每一个突变都在某一方面改变了细胞的行为

11、，最后造成了细胞的无节制的生长。,起始(initiation),增长(promotion),扩散 (spread),生化与分子生物学专题,肿瘤中的基因性状异常一般是影响两类基因： 在癌细胞中致癌基因通常被激活，使这些细胞获得了新的性状，如具有过强的生长和分裂的能力，抗程序性细胞死亡，失去正常的组织分界界限，以及在不同组织中分别存在等。 而癌症抑制基因在癌细胞中则被失活，因此癌细胞失去了正常的控制，如无法进行正确的DNA复制，没有正常的细胞周期控制等。,生化与分子生物学专题,基因的突变造成了不正常的蛋白表达,生化与分子生物学专题,许多癌症抑制基因影响与细胞凋亡相关的信号传导途径,生化与分子生物学

12、专题,随着后基因组时代的到来，人们对基因及其功能的认识逐渐深入，恶性肿瘤细胞内的信号转导、细胞周期的调控、细胞凋亡的诱导、血管生成以及细胞与胞外基质的相互作用等各种分子水平上的机制研究得越来越清楚。随着肿瘤细胞增殖、凋亡等信号传导通路的阐明，过去那种以统一制式的疗法进行的癌症治疗，由于产生了许多副作用，这些副作用包含身体的不适，有些甚至威胁到生命安全。 靶向治疗方式以杀死癌细胞为主要目标。靶标抗癌药物直接针对的是分子靶点，就象击靶，将能有效克服目前临床上常用的细胞毒类抗肿瘤药物具有难以避免的选择性差、毒副作用强、易产生耐药等缺点。,生物医学研究对癌症治疗的意义：,生化与分子生物学专题,创新药品

13、如：血管生成抑制剂(Angiogenesis inhibitors)、 癌症疫苗(Cancer vaccines)、基因治疗药品(Gene therapy)以及新单克隆抗体。 抗癌药物在2000年市场价值估计为15.8亿美元，年平均成长率为40.2%，到2005年其市场价值达到约86亿美元。在中国，短短的五年间，国内肿瘤医院用药的市场已经从1999年的32亿元，猛增到2005年的78亿元，年均增幅20.1%。,生化与分子生物学专题,传统癌症治疗,癌症干细胞目标治疗,肿瘤退化,肿瘤复发,肿瘤干细胞 （Cancer Stem Cell),Targeting Cancer Stem Cells,20

14、08 data,生化与分子生物学专题,传染性疾病研究,由于病原性微生物的存在而导致的疾病，包括病原性病毒，细菌，真菌，原虫和多细胞的寄生虫，以及蛋白质侵染因子 (朊病毒，prion),对各种理化作用具有很强抵抗力，传染性极强，分子量在2.7万-3万的蛋白质颗粒，它是能在人和动物中引起可传染性脑病(TSE)的一个特殊的病因,生化与分子生物学专题,每年世界上有一千四百万到一千七百万人死于传染性疾病-大部分都是在发展中国家。 关于传染性疾病的区域性的进展包括： 2000-2006 年间， 非洲由于麻疹死亡的人口下降了91% 2005 年，在西太平洋地区和东南亚， 取得了结核病的治愈率85%的成绩 在

15、世界范围内，几乎完全消灭了小儿麻痹症和麦地那龙线虫疾病； 而在过去的几个世纪，几种热带疾病的流行爆发率达到降低。 但是在最近几年，对传染性疾病的研究又成为热点。,传染性疾病,生化与分子生物学专题,Worldwide mortality due to infectious diseases,生化与分子生物学专题,引起世界性的疫疾：,1347-1352年 黑死病，五年内在欧洲造成二千五百万人死亡 （当时世界人口是五亿） 1556-1560年 欧洲的第一次流行性感冒，死亡率20% 18世纪，天花造成每年四百万人口的死亡，死亡率达到30%，五岁以下儿童死亡率达到80%。 19世纪，结核病造成欧洲四分之

16、一的人口死亡。 1918年的世界性流感，造成了两千五百万到五千万人口的死亡， 为当时世界人口的2%。 现在，每年流感都在世界上造成二十五万到五十万人口的死亡。,生化与分子生物学专题,H5N1致死率,2009 H1N1流感,生化与分子生物学专题,流行性感冒病毒,由流感病毒A，B或C造成 流感病毒A主要造成鸟类和一些哺乳动物的流感。会从野生鸟类传染到家禽，从而造成人类的感染率增加。 流感病毒A是一类反转录，单链的RNA病毒。有多种亚型，以H (hemagglutinin 红血球凝集素的种类) 带一个数目和N (neuraminidase 神经氨酸酶的种类 )带一个数目命名，如禽流感病毒H5N1，猪流感病毒H1N1，季节性流感H2N1等。迄今为止，有17种不同的H抗原和9种不同的N抗原。,H5N1,H1N1,病毒周期,咳嗽，打喷嚏，鸟类的排泄物等,流感病毒在人体体温下其传染性能持续一周，0C下能持续30天，在极低温下，能持续很长时间。 由于病毒RNA不具有复制纠错的功能，其RNA转录酶的错配率是每一万个核苷酸出现一个错配，因此，几乎所有新合成的流感病毒在其基因组中都会至少带有一个突变。,