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1、酶工程技术极其在医药领域的应用摘要： 随着生物技术的迅速发展， 酶工程在生物工程中的核心地 位得到了更好的体现。酶工程作为一种高新技术，已在医药、食品、 轻工业、纺织等行业中得到越来越广泛的应用。 本文将从酶的固定化 技术、酶催化技术、酶的化学修饰、脱氧核酶、抗体酶和酶学诊断等 几个方面来对酶工程在医药行业中的应用进行综述。关键词： 酶工程；医药；应用Enzyme engineering technology and it s application in themedical fieldAbstract: With the rapid development of biotechnology
2、, enzyme engineering as a hard core of biological engineering has been better reflected. Enzymee ngineering, 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
3、these aspects ,Enzymes Immobilization, Enzyme Catalysis, Enzymes Modification, Deoxyribozyme, Catalytic Antibody and Enzymatic diagnosis.Key words: Enzyme Engineering; Medicine; Application1 引言：回顾 20世纪，生物科学与生物工程在全球崛起并迅速发展，已经从整体水平发展到细胞水平和分子水平， 在基础与应用研究领域取得了举世瞩目的成果。酶工程作为生物工程的重要组成部分， 其作用之重要、研究成果之显着已为世人
4、所公认。展望 21世纪，生物 科学与生物工程将以更快的速度发展， 在世界科技与经济的发展中起 支柱和骨干作用 1 。酶作为一种高效生物催化剂，具有高度的特异立体选择性及区 域选择性，并在常压、常温和 pH值中性附近条件下具有十分高效的催 化活力。利用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多的目的产 物，避免了化学法合成中的许多不足。目前，酶催化技术在医药方面 的应用是当前最为关注的领域之一， 这主要是因为医药产品一般附加 值高，且大多是光学活性物质，作为十分优良的手性催化剂酶， 用于多种高效手性药物的合成及制备将十分有效，潜力巨大。2 几种酶工程技术极其在医药中的应用酶的固定化技术 酶的固定化
5、(enzyme immobilization) 是指 采用有机或无机固体材料作为载体 (carrier or support) ，将酶包埋 起来或束缚、限制于载体的表面和微孔中，使其仍具有催化活性，并 可回收及重复使用的酶化学方法与技术不使用固体材料作为载体， 通过酶分子之间的相互交联形成聚集体， 也可将酶固定化， 称为无载 体酶固定化。由于酶的蛋白质属性，进人人体后产生免疫反应，因稀 释效应，而无法集中于靶器官组织，常不能保持最适合的治疗浓度， 而固定化酶则很好的克服了游离酶的这些缺点，应用于治疗镁缺乏 症、代谢异常症及制造人工内脏方面， 如固定化 L- 天冬酰胺酶用于治 疗白血病。葡萄糖氧
6、化酶被固定化在纳米微带金电极上可用于活体检 测的微生物传感器 2固定化酶技术可用于治疗一些代谢障碍疾病。 已知人类关于新陈 代谢的疾病已过 120余种，很多病因归结为人体缺乏某种酶的活性， 一种可能的治疗方法就是通过某种方式给病人提供他所缺乏的酶。 其 提供的方式主要有： 将固定化酶用于体内作为治疗药物； 将固定 化酶组装成体外生物反应器， 通过体外循环作为临床治疗剂。 将固定 化酶用于临床诊断的例子很多， 如各种酶测试盒层出不穷， 采用固定 化酶柱反应器的 FIA（流动注射法 ）可用于临床诊断检测尿酸、 葡萄糖、 氨、尿素、胆甾醇、谷氨酸、乳酸、无机磷等。酶催化技术 此处主要介绍非水相介质中
7、的酶催化，传统的酶 催化反应主要在水相中进行，但自 1987年Kilibanov 等3 用脂肪酶粉 或固定化酶在几乎无水的有机溶剂中成功地催化合成了肽以及手性 的醇、脂和酰胺以来， 对酶在非水相介质的催化反应技术的开发及研 究报道迅速增加， 特别在手性药物的不对称合成及手性药物拆分的生 物技术开发中得到了很多应用。 目前非水相中的酶催化技术已衍生出 以下几类体系： 水与有机溶剂的互溶均相体系； 水与有机溶剂形 成的两相或多相体系；单相有机溶剂体系；反胶束体系；超临 界液体；低温体系等。不同的介质体系都有各自的适用范围，研究 在不同介质中的酶催化反应动力学及热力学平衡以及酶催化机制将 对某一特定
8、催化反应所需介质的筛选和使用起到十分重要的指导意 义，樊可可和欧阳平凯在两相体系酶催化反应介质的选取方面做了很 多的实验及理化研究， 已初步归纳出经实验验证行之有效的两相体系 中酶促肽键合成反应介质的筛选原则。目前酶催化技术主要应用于制药领域， 应用酶催化技术可以生产 许多成品药及医药中间体。 它是通过以制造初级代谢产物、 中间代谢 产物、次级代谢产物及催化转化和拆分等形式来进行的。 这已成为当 今新药开发和改造传统制药工艺的重要手段， 特别在手性药物及中间 体的生产中更有广泛的应用前景。 以下重点介绍几个制药领域中酶催 化技术的应用：生产医药用的氨基酸（如 L- 丙氨酸）、有机酸（柠檬 酸、
9、L一苹果酸、 L- 酒石酸）、抗生素（如 6一氨基青霉烷酸、氨苄青 霉素和羟氨青霉素）、肽类药物（如胰岛素、环孢菌素 A）以及广泛 应用于多种维生素 （VB2、VB12） 、甾体药物 （氢化可的松、脱氢泼尼松、 睾丸激素等 ）及核苷酸类药物 （5 -核苷酸， 3-核苷酸）等的生产 4。 酶的化学修饰 酶的化学修饰是指利用化学手段将某些化学物 质或基团结合到酶分子上， 或将酶分子的某部分删除或置换， 改变酶 的理化性质，最终达到改变酶的催化性质的目的。在生物医药领域中化学修饰可以提高医用酶的稳定性， 延长它在 体内的半衰期， 抑制免疫球蛋白的产生， 降低或消除酶分子的免疫原 性，确保其生物活性的
10、发挥。修饰剂作为一种屏障， 将蛋白质表面的抗原决定簇掩盖起来， 使 得蛋白质分子不能与各种细胞表面受体结合， 不被机体的免疫系统识 别，避免了相应抗体的产生， 这是化学修饰降低药用蛋白免疫原性的 基本原理。同时 由于修饰剂的屏障效应，使蛋白质不易受到各种蛋 白酶的攻击，降解速率明显降低。有利于药用蛋白活性的发挥。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显。另外， PEC修饰超氧化物歧化酶活力保持 51，在血液中停滞时间延长，抗炎活性提高 。脱氧核酶 脱氧核酶在结构上具有生物酶的一般特征，包含结 合部位和催化部位。一般来说，脱氧核酶由突环和臂两部分构成，突 环为
11、其催化部位，臂为结合部位。 Santoro等6从包含约 l 1014个DNA 文库中筛选出两类高效、通用的脱氧核酶： 817型脱氧核酶 (8 17DRz)和10 23型脱氧核酶 (1023DRz)。这两种脱氧核酶由催化核 心和两侧的底物识别结构域构成。脱氧核酶具有高效催化降解靶 RNA酶能力，因此其应用从基础生 物技术领域扩展到了医学领域，在序列特异性 RNA降解方面具有广阔 的应用前景，在生物体外可以作为 RNA的限制性内切酶，在体内可在 mRN水A 平上关闭基因表达。恶性肿瘤的基因治疗， Cairns 等 7 研究表明有 5种针对 c-myc的脱 氧核酶可以显着抑制细胞中 c myc的表达
12、，并抑制平滑肌细胞的增 殖。 Sioud等8研究表明。 DRz4在纳摩尔浓度就能显着抑制细胞中异 常的PKC。mRN的A 表达，使异常 PKC。蛋白减少，进而减少细胞存活蛋 白 Bel2XL的生成，促进多种敏感的恶性肿瘤细胞凋亡。 血管生成在肿 瘤的发生发展中具有重要作用， 抗血管生成是目前肿瘤治疗的热点之 一。 Liu 等9 设计了针对肿瘤血管生成相关的人血小板型 12一脂加 氧酶的脱氧核酶， 导入红白血病细胞中， 能显着抑制 12一脂加氧酶的 表达，有可能成为 12一脂加氧酶基因敲除的特异性工具和抑制肿瘤生 长的新策略。 Santiago 等10 设计的 1023DRz可特异性剪切 Egr
13、一1Mrna，抑制培养体系中细胞的增殖和损伤修复；也能抑制大鼠颈总 动脉壁气球样损伤后 Egr-1 蛋白的诱导性表达和新生血管内膜的形 成。因此，脱氧核酶有望成为抗血管生成的又一新型药物 11 。抗体酶 抗体酶 (abzyme) ，又称催化抗体 (catalytic antibody) ，是指通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化 活性的抗体， 它既具有相应的免疫活性， 又能像酶那样催化某种化学 反应。利用抗体酶催化药物在体内的还原，有利于机体对药物的吸收， 并降低药品的毒副作用：将抗体酶技术和蛋白质融合技术结合在一 起，设计出既有催化功能又有组织特异性的嵌合抗体， 用于切割恶性 肿瘤；
14、将抗体酶直接作为药物，以治疗酶缺陷症患者凹。抗体酶还可 以水解清除血液中的毒素，如分解可卡因、有机磷毒剂等。抗体酶可 以拮抗可卡因等麻醉剂的成瘾性， 使可卡因失去刺激功能， 以帮助瘾 君子戒除毒瘾。前药 (prodrug) 是指为降低药物毒性而设计的一类自身无活性或 活性较低， 需在体内经代谢转化为活性药物以发挥作用的化合物。 抗 体酶在正在发展的 ADEP体T 系中成功地对前药进行活化，提高了肿瘤 治疗的选择性，显示出很好的应用前景 ADEP体T 系：即抗体靶向的酶 前药治疗 (antibody directed enzyme prodrug therapy ADEPT体) 系。 将能催化前
15、药转化为肿瘤细胞毒剂的酶，与肿瘤细胞专性抗体相偶 联，酶通过与肿瘤抗体的结合而存在于肿瘤细胞表面， 当前药扩散至 肿瘤细胞表面或附近时， 抗体酶就会将前药迅速水解， 释放出抗肿瘤 药物。这样大大提高了肿瘤细胞附近局部药物的浓度， 增强对肿瘤细 胞的杀伤力，减少对正常细胞的杀伤作用。 经过科学家们的不断努力， 抗体酶在 ADEPT 体系中的应用将日益完善，将会成为癌症化疗的重 要武器 12。酶学诊断 酶除了直接作为药物用作常规治疗，以及利用其特 异性生产其它酶类或非酶类药物外， 酶还作为临床检测试剂， 可以快 速、灵敏、准确地测定体内某些物质的理化性质，从而对某些疾病做 出诊断。酶学诊断方法包括
16、两个方面， 一是根据体内原有酶活力的变 化来诊断某些疾病， 如利用葡萄糖氧化酶活力变化， 可以测定血糖含 量，诊断糖尿病； 二是利用酶来测定体内某些物质的含量，从而诊断 某些疾病， 如利用尿酸酶测定血液中尿酸的含量诊断痛风病， 又如利 用胆碱酯酶或胆固醇氧化酶测定血液中胆固醇的含量诊断心血管疾 病或高血压等。这也是酶工程在医疗上一个重要的应用 13 。3 前景：酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用之重，研 究成果之显着以为世人所公认。 在未来的年间 , 酶工程不应重履前人 之程序,应锐意创造一代新酶 , 研制高混合率及传质性能优良的酶反 应器, 制造出可进行灭菌、 灵敏度高及应用范围广泛的生物传感器探 头 , 同时加速开发生化工程 , 提高产品收率。另外 , 须研制稳定性高 而分泌性能良好的基因工程细胞及杂种细胞。 现代酶工程最终目标是 通过重组或杂交技术制造出各种特异功能的
