1.3 生物制药发展的历史

匈牙利的K.埃赖基在1919年首次使用了“生物技术”一词。科学家们应用生物科学以及工程学，从生物原料中创造新产品。这也是生物技术的一个比较容易理解的定义。生物技术并非突然出现，而是和很多科学技术一样，都有一个发展的过程。新的发现以前人的发现为基础，并在不同的想法、技术、工程原理以及生物原理之间有新的发现和协同。

1.3.1 微生物的应用

很早以前，人类就开始使用微生物制作奶酪，使用酵母做馒头或面包以及利用发酵制造醋、酱油以及美酒。那时我们就学会了如何保存、处理食物和水，所有这些都是为了让我们的生活更加美好。

1.3.2 进化论

1835年，一个26岁的英国年轻人跟随一艘名叫“小猎犬”的英国海军测量船第一次来到加拉帕戈斯群岛。年轻人在岛上花了一个多月的时间搜集标本，岛上一些物种间的差异和相似之处让他百思不得其解。回到英国后，他继续生态方面的研究，但在加拉帕戈斯群岛上观察到的生态现象增强了他对自己提出全新生物理论的信心。1859年，他出版了《物种起源》一书，把生物学带入了一个崭新的领域。这个年轻人便是查尔斯·达尔文。《物种起源》自上架那一刻起就备受争议，直到现在仍然如此。

进化其实很简单，因为单个生物体的存活和繁殖能力各不相同。比如，突然一阵寒流，某些种类的鸟大多会死亡，因为它们不能忍受温度的突然下降；但是能够忍受突发寒流的同一物种的个体得以生存和繁殖。只要能够应对快速降温的能力可以遗传，这种特质就会传给子孙后代。

达尔文的结论是，地球上所有的生命都遵循遗传这种方式，因此有一个共同的起源。达尔文在对全世界的植物和动物进行多年的研究之后得出了这个结论。但是，他缺乏一个令人信服的解释来说明个体如何遗传对其有利的特质。

即使不知道遗传是如何运作的，达尔文也准确地总结了遗传学已证实的三项原则：

1）变异是随机的、不可预知的；

2）变异是可以遗传的，可以从一代传给下一代；

3）变异的频率随时间的变化而改变。

《物种起源》的出版在遗传学史上至关重要。如果没有基因变异存在，地球上所有的生命将会完全相同。变异赋予了世界丰富的质感和复杂性，它让你独一无二。

1.3.3 基因的发现

19世纪50年代，奥地利遗传学理论学家格雷戈·门德尔进行了植物育种实验，并推导出著名的遗传学定律。他发现所有的生物体内都存在着基本单位，今天我们称为基因，遗传特征就是通过基因从亲代传给子代的。在门德尔研究的植物里，每项个体特征都是由一对基因决定的。一株个体植物通过遗传获得一对基因，这对基因分别是两株亲代每对基因中的一个。门德尔还发现，如果两个通过遗传获得的具有一种给定特征的基因不相同（例如，一个代表绿色种子，一个代表黄色种子），那么在通常情况下只有显性基因（在这种情况下指黄色种子）才能在个体植物中表达出来。但是隐性基因并没有消失，可能会传给这个植物的后代。门德尔指出，每一个生殖细胞只含有每一对基因中的一个。他还指出，至于一对基因中的哪一个出现在一个个体配子内，并且传递给个体的后代，这完全是一个概率问题。

门德尔的发现对我们理解遗传学在医学领域所起的作用产生了巨大的影响。

1.3.4 核酸的发现

1831年，苏格兰植物学家罗伯特·布朗命名了细胞核，虽然细胞核并不是他第一个发现的，但是他证实了细胞核的普遍存在。1869年，瑞士生物学家弗雷德里希·米歇尔首先从白细胞的细胞核中，分离出一种他称为“核酸”的化合物。这两个发现最终成为分子生物学的基础。

1.3.5 《基因论》的出版

美国生物学家托马斯·亨特·摩尔根利用果蝇进行了遗传学研究，发现了染色体是基因的载体，确立了伴性遗传规律，并发现了位于同一染色体上的基因之间的连锁、交换和不分开等现象，建立了遗传学的第三定律——连锁交换定律。他把400多种突变基因定位在染色体上，制成了染色体图谱，即基因的连锁图。1928年他出版了《基因论》，对基因这一遗传学基本概念进行了具体而明确的描述。

1.3.6 青霉素和接种疫苗的发现

1928年，英国细菌学家亚历山大·弗莱明首先发现了世界上第一种抗生素——青霉素，这也是后来临床应用抗生素的基础。英国内科专家爱德华·詹纳用从一个奶场女工手上的牛痘脓包中取出来的物质给一个八岁的男孩詹姆斯·菲普斯注射，从而发明和普及了一种预防可怕的天花病的方法——接种疫苗法。

1.3.7 脱氧核糖核酸双螺旋结构的发现

半个多世纪前，我们对人类疾病的遗传因子了解甚少。直到1953年，英国物理化学家罗莎琳·富兰克林、詹姆斯·沃森以及弗朗西斯·克里克解出脱氧核糖核酸（DNA）结构的关键线索，用DNA双螺旋结构描述了构建、运行和维护生物体的遗传指令机制。

詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在发表于《自然》上一篇文章的最后一句中描述了DNA双螺旋结构，并提到非常重要的一点：“我们注意到，我们假设的具体配对表明了遗传物质的一个可能的复制机制。”这句话对彼时尚未实现的生物技术领域有着深远的影响。

1.3.8 破译遗传密码

当富兰克林、沃森和克里克提出DNA双螺旋结构，从而确立了作为遗传信息载体的DNA成为分子生物学研究的基础时，DNA如何发挥生物学功能尚不得而知。1958年，克里克提出著名的中心法则，认为DNA中的遗传信息最终会转化为蛋白质的结构信息。

DNA是一种被归类为核酸的长分子，因为它是由被称为核苷酸的重复亚单位组成的。核苷酸由三部分组成：糖、磷酸盐以及碱基。在所有生物中发现的所有DNA使用相同的五种碱基：胸腺嘧啶（T）、腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）、尿嘧啶（U）以及相同的糖和磷酸盐分子。令人难以置信的是，所有生命形式遗传物质的核苷酸构建都是相同的。

虽然所有生物体的DNA都具有相同的五种核苷酸碱基，但是碱基的排序方式是不同的。每一个生物体都有独特的碱基顺序。“碱基顺序决定氨基酸顺序”这一特性就是遗传密码，但具体对应关系未知，这是20世纪50年代末分子生物学领域迫切需要解决的重大问题之一。

1961年，美国分子生物学家尼伦伯格破译了第一个遗传密码，在随后五年中，他领导的研究小组破译了所有20种氨基酸对应的遗传密码，确定了DNA和蛋白质之间的信息关联，极大地推动了整个生命科学的发展。

1.3.9 克隆技术

克隆是利用生物技术，无性生殖产生与原个体有完全相同基因组织后代的过程。科学家把人工遗传操作动物繁殖的过程叫克隆，也就是无性繁殖，这门生物技术叫克隆技术。克隆技术在现代生物学中被称为“生物放大技术”。1996年7月5日，科学家克隆出一只基因组织与供体完全相同的小羊“多利”（Dolly），世界舆论为之哗然。“多利”的特别之处在于其生命的诞生没有精子的参与。为什么其他克隆动物并未在世界上产生这样大的影响呢？这是因为其他克隆动物的遗传基因来自胚胎，且都是用胚胎细胞进行的核移植，严格地说不是“无性繁殖”。而“多利”的基因组全都来自单亲，这才是真正的无性繁殖。因此，从严格的意义上讲，“多利”是世界上第一只真正克隆出来的哺乳动物。

1.3.10 单克隆抗体

1975年，分子生物学家G.J.F.克勒和C.米尔斯坦在自然杂交技术的基础上，建立了杂交瘤技术。他们把可在体外培养和大量增殖的小鼠骨髓瘤细胞与经抗原免疫后的纯系小鼠B细胞融合，成为杂交细胞系，既具有瘤细胞易于在体外无限增殖的特性，又具有抗体形成细胞能合成和分泌特异性抗体的特点。将这种杂交瘤当作单个细胞培养，可形成单细胞系。利用培养或小鼠腹腔接种的方法，便能得到大量高浓度、非常均一的抗体，即单克隆抗体，其结构、氨基酸顺序、特异性等都是一致的，而且在培养过程中，只要没有变异，不同时间分泌的抗体都能保持同样的结构与机能。G.J.F.克勒和C.米尔斯坦因发明杂交瘤技术获得了1984年诺贝尔生理学或医学奖。

单克隆抗体自问世以来，在临床上就被广泛应用，主要是在三个方面：

1）用于疾病诊断，包括鉴定病原体、肿瘤和体内激素。当我们去做乙肝检测时，就可利用乙肝病毒单抗来检测是否有乙肝表面抗原和乙肝表面e抗原。

2）用于科学研究，包括蛋白的分析纯化、蛋白质相互作用位点的鉴定、细胞的分选、免疫组化、诊断技术和酶抑制剂的研究等。

3）用于疾病的治疗，包括抑制免疫反应、抗血小板治疗、抗感染和抗肿瘤等。比较典型的有针对细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4（CTLA-4）和PD-1/PD-L1的单克隆抗体在抗肿瘤领域里的应用。

2020年3月17日，美国生物制药公司再生元制药宣布，其开发出的单克隆抗体药物REGN-COV2（由两种单克隆抗体REGN10933和REGN10987构成）可以在暴露于新型冠状病毒肺炎之前起到预防作用或对已感染者进行治疗。当美国前总统特朗普由于感染新型冠状病毒肺炎而健康状况恶化时，他的医生给他使用了该药物。这种药物出奇地快速发挥了作用，仅用了几天的时间，这位美国前总统便得以重返白宫。

1.3.11 合成胰岛素的突破

1982年，基因泰克公司推出重组人胰岛素，在此之前，我们都是从动物身上采集胰岛素的，不仅价格昂贵，而且效率低下。对胰岛素的需求远超我们生产的能力。重组人胰岛素的生产是基因工程的巨大突破，它被用来直接改善人类健康。

1.3.12 聚合酶链式反应

聚合酶链式反应（PCR）是一项利用DNA双链复制的原理，在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。透过这项技术，可在短时间内大量扩增目的基因，而不必依赖大肠杆菌或酵母菌等生物体。PCR由美国生物化学家凯利·穆利斯于1983年开发，穆利斯的想法是，利用一种人工方法，和重复相同程序的方法，并利用一种特殊的酶（即DNA聚合酶）来扩增特定的DNA片段。PCR是一种简单、廉价和可靠的方法，这个概念适用于现代生物学和相关科学的许多领域。PCR可能是分子生物学中使用最广泛的技术，被广泛运用在医学和生物学的实验室，例如用于判断检体是否会表现出某种遗传疾病、传染病的诊断、基因复制以及亲子鉴定。PCR在医学检验学中最有价值的应用领域就是对感染性疾病的诊断。理论上，只要样本中有一个病原体存在，PCR就可以检测到。对于肿瘤诊断，PCR不但能有效地检测基因的突变，而且能准确检测癌症基因的表达量，可据此进行肿瘤早期诊断、分型、分期和预后判断。

2020年，PCR在诊断检测新型冠状病毒肺炎的战役中功绩显著。针对新型冠状病毒肺炎的诊断检测旨在检测致病性病毒SARS-CoV-2，核酸检测是其中一个主要的病毒检查方式之一。有多种类型的核酸检测可用于检测出SARS-CoV-2病毒的RNA，而PCR检测通常被认为是最好的方法，也是诊断新型冠状病毒肺炎的黄金标准。

1.3.13 重组DNA技术的发展

1970年，汉密尔顿·史密斯发现了限制酶。这种酶充当了化学切割剂，在特定的序列中将DNA切成碎片。作为其他研究的一部分，史密斯将细菌以及一种细菌攻击病毒放在一起。细菌没有不战而胜，相反，它产生了一种酶，将病毒DNA切成碎片，有效地摧毁了入侵的病毒。史密斯确定这种酶每次发现某些碱基时都会切割DNA，并且每次都在同一碱基处切割。

这个偶然的发现正好是引发DNA研究革命所需要的。一些限制酶在DNA中进行偏倚切割，留下单链末端。这个DNA单链让遗传学家以新颖的方式将DNA片段剪切和粘贴在一起，从而形成现在所谓的重组DNA技术的全部技术。

基因疗法以及遗传学领域几乎所有的进步，都基于将DNA切割成碎片，然后将其置入新地方的能力。这一进步得益于限制酶的发现。

研究人员使用数千种限制酶帮助绘制染色体上的基因图谱，研究基因功能，并操纵DNA诊断和治疗疾病。1978年，史密斯与另外两位遗传学家丹尼尔·内森斯和沃纳·亚伯分享了诺贝尔生理学或医学奖。

1986年，第一个重组DNA疫苗被FDA批准用于治疗乙型肝炎。这种疫苗的开发方法成为许多疫苗的标准，包括处理HPA[1]、百日咳以及带状疱疹的疫苗。这种方法最终替代传统的细菌类毒素疫苗，不仅因为安全，还因为生产容易，成本也低。

1.3.14 转基因技术

转基因技术是指利用DNA重组、转化等技术将特定的外源目的基因转移到受体生物中，并使之产生可预期的、定向的遗传改变。1983年，世界上第一例转基因植物，一种含有抗生素药类抗体的烟草在美国成功培植。在医学中，转基因技术的应用范围很广。动物转基因技术可以创造诊断和治疗人类疾病的动物模型，可克服单纯依靠自然突变体的局限。转基因技术还应用于蛋白质多肽药物的生产，如生产胰岛素、干扰素、免疫球蛋白、促红细胞生成素、尿激酶、人血红蛋白、人表皮生长因子、粒细胞等；还可应用于利用动植物生产疫苗，主要包括乙肝表面抗原基因、口蹄疫病毒蛋白基因、狂犬病病毒G蛋白基因等。转基因植物还可以生产功能性抗体以及生产工业上常用的糖类、工业用酶和脂肪等。

1.3.15 人类基因组计划

1990年，一项国际协作项目开始努力测定组成人类染色体中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的。这就是著名的人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）。人类基因组计划是人类为了探索自身的奥秘所迈出的重要一步。

自从绘制基因组图谱以来，我们已经发现了1800多个致病基因。拥有人类基因组的完整序列就如拥有制造一辆汽车的技术图纸，序列会告诉我们人体如何运作。绘制人类基因组图谱只是开始，我们今天的挑战是了解所有复杂的因素如何在人类健康和疾病中协同工作。人类基因组的测序只是第一步，但也是最重要的一步。

我们可以从人类基因组计划中学到跨学科思维的重要性，基因组将团队和协作的想法带到了生物学领域，今天的生物学汇集了具有伦理学、计算机科学、物理学、化学、医学、艺术以及数学等学科背景的人，这在该项目之前是不可想象的。基于个体的观念已不再适应基因组学时代的集体和协作思维，聪明的想法可以来自世界任何地方。人类基因组计划要完成，需要跨学科的思考和国际合作，这一努力向全世界表明了大规模科学合作的重要性，这样的努力对改善我们的医疗卫生系统和药物开发至关重要。

人类基因组计划也影响了当代数据共享的观点。数据共享的意义不仅是让我们能够更好地做出决策，更重要的是可以改变生死。2020年初，新型冠状病毒肺炎肆虐全球。面对全球范围内逐渐严重的疫情，中国一直保持与世界卫生组织和国际社会的沟通协调。中国科学家第一时间向全球分享新型冠状病毒全基因组序列、引物和探针的病毒基因测序技术，由中国基因测序上游供应商给出了“中国方案”，面向全球分享中国抗疫经验（见图1-2）。

现今，有不少人对基因测序表示恐惧和犹豫，他们担心自己的基因组信息被泄露会在某种程度上对自己不利。但是，人类基因组计划告诉我们，在向科学迈进时，需要勇气。许多科学家相信，使用基因组信息对患者进行治疗，将是一个伟大的成就。基因组信息能应用于患有癌症、罕见遗传性疾病、高血压、糖尿病以及阿兹海默症等疾病的患者。随着我们了解更多，我们会将基因组信息应用于治疗更多疾病。

1.3.16 干细胞重编程的iPS技术

2006年，日本科学家山中伸弥教授引进了诱导性多能干细胞（iPS）技术。他的团队从小鼠中分离出成纤维细胞，通过四种遗传因子混合，将它们重新编程为干细胞状态。这些iPS可以分化成研究人员希望研究的任何细胞类型。2007年，山中教授研究组再度出击，发布了利用人体皮肤细胞成功诱导生成类似胚胎干细胞性质的全能干细胞的研究成果。该研究成果在权威的《科学》和《细胞》杂志上刊登后，引发了全球学术界和舆论的轰动，这项惊人的突破是干细胞技术在医学上广泛应用的基础。

在很多疾病治疗中，器官移植可以起到根治的效果，但人体器官移植经常面临组织移植后产生的排异反应而导致死亡。如果能利用患者本身的个体细胞逆转出iPS，再发育成为所需要的组织，那器官移植的排斥问题就会迎刃而解。这正是为何众多生物医学研究者获知iPS成功后感到振奋的最主要原因。

1.3.17 合成生命

2010年，美国科学家克雷格·文特宣布成功合成了支原体染色体，这是世界上第一例由人类制造并可以自我复制的新物种，标志着人类正式推开了合成生物学的大门。这项革命性成果证明了生命是可以合成的，这将应用在遗传学的很多领域里。

1.3.18 CRISPR[2]-CAS9基因编辑技术

基因编辑并不是一个新的想法，然而，直到2012年CRISPR-CAS9基因编辑技术出现，我们才可以大规模、高效以及精确地执行基因编辑。这意味着我们可以通过基因编辑来研发新药以及治疗疾病。我们将CRISPR-CAS9视为一个系统，它可以直接切割DNA，然后插入新的基因。除了切割DNA以及插入新基因外，CRISPR还可以同时编辑多个基因，这也是一个重大突破。

CRISPR-CAS9已经在多种情况下应用，比如，通过细菌的免疫反应破坏入侵病毒以及获得免疫力；用于编辑人类基因组本身，用另外一个基因取代现有基因。CRISPR-CAS9基因编辑技术还可以用来直接测试与人类疾病相关的基因变异。我们可以扫描基因组里的所有基因，新的候选基因将为抗击疾病的新策略提供信息。今天，CRISPR-CAS9基因编辑技术已经被用来治疗癌症、对抗体重增加等。2018年，应用CRISPR-CAS9基因编辑技术治疗地中海贫血的人体临床试验开始了。如果试验成功，它有可能终结镰状细胞贫血症。

1.3.19 癌症治疗

生物技术的一些最重要的进展正在应用于癌症治疗。新的癌症治疗浪潮已经出现，它应用了基因组学：嵌合抗原受体T细胞（CAR-T细胞）免疫疗法、免疫疗法以及基因疗法等。CAR-T细胞免疫疗法利用人体自身的自然免疫力来检测变异细胞。免疫疗法使用患者免疫系统来摧毁肿瘤，基因疗法在癌症治疗的精准方法上取得了进步。在癌症治疗方面，我们变得更加精准，但是我们还有很长的路要走。

1.3.20 科技与基因组学的结合

现代科技为我们提供了一种新的方法对生命进行分类。系统生物学的兴起是人类基因组计划提供的遗传学目录的结果。系统生物学已经影响了新一代科学家，通过互联网的辅助，提高了存储和分发大量信息的能力。结合计算能力的进步、新的研究技术，以及其他学科（诸如计算机、数学、物理、工程等）科学家的参与，系统生物学成为一门跨学科的科学。

科技公司也将手伸进遗传学领域，它们期望将遗传密码和计算机代码联结起来。一些世界上最强大的公司正在投资这个领域。微软、亚马逊、谷歌等巨头现在都拥有基因组学、健康和生命科学项目，并投资了亿万资金给生物大数据。它们谈论的是技术速率、数据爆炸以及人工智能能力的提升，这些举措的共同目的是了解遗传、行业以及环境对人类健康的影响程度，实施针对患者和特殊人群的治疗干预。如果没有强大的智能计算能力，以及将我们的想法和发现联结起来的话，我们就无法成功。

未来发展的关键领域将包括：更好的给药机制，以更有效地将药物送到体内需要的地方；加速药物研发的工具，比如微流体和机器人实验室自动化；诊断和早期检测工具；类器官和组织芯片技术，以提高我们模拟生物现象的能力。