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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇生物信息學的前景，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
摘要：師范教育改革下高師院校課程的重新建設已成為重中之重。如何在改革的新背景下建構合適的課程體系，成為高師院校要解決的問題。本文立足于師范教育改革背景下的需求，針對《生物信息學》課程的特點和教學中存在的問題進行初步探討，就其在教學方法的更新、教學標準的編寫、考核方法的改進等方面提出了一些思考，希望通過不斷的完善從而提高《生物信息學》課程的教學質量。
關鍵詞：師范教育改革；生物學信息學；課程建設
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）21-0102-02
隨著教育的發展，教師體制也不斷發生改變，順應發展的趨勢，教師資格證的改革開始不斷推進與完善。2012年《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》精神和教育部部署啟動全國中小學和幼兒園教師資格證改革試點工作，2013年《中小學教師資格考試暫行辦法》出臺并規定：試點啟動后入學的師范專業學生申請中小學教師資格應參加教師資格考試。2015年我國正式實施教師資格證國考制度，并實行五年一個周期的注冊制度。教師資格證制度的變革是對高師院校實施教學改革的促進同時也是對師范生的挑戰。改革制度下更要求提高教師的綜合素質和學生能力的培養，而《生物信息學》所具備的專業性與前沿性正是師范教育對學生著重培養的方向與目標。
《生物信息學》是一門交叉學科，包含了對生物信息的獲取、加工、存儲、分配、分析、解釋等在內的所有方面，運用數學、計算機科學和生物學的各種工具闡明和理解大量數據所包含的生物學意義。隨著大規模的基因組測序工作的開展，生物學數據獲得了大量的積累，生物信息學悄然興起并得以蓬勃發展。生物信息學使學生了解學科前沿和新技術進展，同時培養學生綜合運用知識的能力。但目前多數院校只將其設為選修課程，重視程度很低，而且在教學內容、方法等方面存在一些問題。由于師范教育改革對師范生要求不斷提高，課程的學法和內容也要與時俱進，怎樣建構新的課程體系是高師院校需要解決的問題。
一、課程教學現狀
1.師資力量薄弱。生物信息學不僅對教師專業知識要求高，同時也需要有計算機理論基礎的教師來授課。但目前教授生物信息學課程的教師大多都為其他生物學課程的教師，這些教師往往缺乏專業的生物信息學分析軟件操作訓練和計算機基礎，不能將各學科更好融合。
2.教學方法滯后。生物信息學是一門交叉學科，但教師在教學過程依舊采用傳統教學方法，計算機輔助教學不常見，這種授課方式不僅效果欠佳也沒有發揮此學科的優勢。而且在教學過程中不注重培養學生對生物信息學的重要性的認識，所以學生認為該課程只是理論學科，認識不到其對實踐操作能力的重要和生物數據分析的意義。
3.實踐教學不足。受傳統的教學觀念影響，教師在教學過程中只注重理論教學忽視實踐教學，導致學生所學的理論知識與實踐脫節。因為生物信息學對于網絡高度依賴，但由于受學時限制，課堂教學的內容有限，實踐教學課時數較少，內容也比較簡單，缺乏完善的實踐教學過程，學生也缺乏實際動手操作的能力。
4.考評方案簡單。生物信息學的考核重點是學生對生物信息基本概念的理解，軟件操作的掌握程度及生物數據分析解釋的能力。但一些學校的考試形式還全部是理論知識，缺少實際操作能力的檢驗，這種考評辦法的評價效能差，而且不能體現學科的特點。
二、課程體系建設優化
1.提高教師素質。教師是教學的核心資源，其知識水平和操作技能都會影響教學的效果。提高教師素質首先要對任課教師開展《生物信息學課程教學改革和實踐》專題講座，其次鼓勵教師通過查閱相關文獻，了解課程的特點及發展，組織大家進行討論，再次，也要積極組織教師參加科研活動，提高科研新能力，在科研過程中進一步了解本學科的前沿內容。
2.編寫教學標準。如今的教師專業化不只是強調教師要有扎實的理論知識，更要有實踐能力。所以生物信息學的課程建設改革要組織新的教學內容，合理安排理論學時特別是實驗學時。課程標準對生物信息學的研究內容、現狀和發展前景做具體的介紹，主要對生物信息學的基本概念和基本方法進行講解，重點是分析軟件的操作方法和生物學數據庫的使用方法的講解。
3.改進教學方法。師范教育改革意味著對師范生各方面要求的逐漸提高，學生不能只被動接受知識，所以教師在教學中要利用多媒體輔助進行直觀教學，演示生物學數據庫的瀏覽與檢索，軟件的使用，基因序列的檢索、基因閱讀框架的找尋、序列比對、進化樹的構建等操作。教師也可以提供課件和DNASTAR、DNAMAN、MEGA、BIOEDIT等軟件安裝程序及使用手冊等擴大學生的自學空間，使學生的被動學習變為主動學習，也符合師范教育對學生創造能力、應用能力的培養。
4.教學科研結合。生物信息學教學強調能力的培養，且學科的交叉性也能使學生將所學知識與之結合。教師可以鼓勵學生參與相關課題研究，學校也可以提供機會讓學生參與到創新創業性研究的科研項目中，這樣的學習方式可以激發學生對科研的興趣，鞏固課程中所學到的知識，使學生掌握生物信息學課程的實踐技能，也更好的體現對師范生創新能力培養。
5.優化理論課結構。師范教育提倡以學生為主體的授課方式，所以課堂可以采取不同的學習方式如小組合作或學生講述等以此豐富理論課的教學模式。教師可以提出問題由小組成員討論研究學習，課堂也可以以自講的方式進行學習，學生通過查閱資料了解學科在臨床醫學、藥物產業等方面的應用以及在后基因組時代的主要研究內容等，不僅掌握了前沿知識同時也鍛煉教師技能，對于師范教育培養有很好的促進作用。
6.加強實驗課建設。師范教育在強調師范生理論知識的同時更注重實際的操作能力，所以實驗教學起著越來越重要的作用，在學習中通過生物數據庫的使用，可以提高學生處理生物信息的能力。生物學數據庫均可以通過網絡提供數據檢索服務，學生可以根據理論知識進行相應的實際操作。學院可以進一步開放實驗室，為學生創造動手操作的自學實驗環境。
7.改革考核方法。考試是檢測教學效果的方法，也是促進學生學習的有力手段。如何考核需要制定詳細的評價指標體系。生物信息學的考核改革是在基礎考核之上增加了小組答辯和論文成績。小組答辯以生物信息學在疾病研究中的應用為擬設計命題，培養學生協作收集整理相關文獻并展示其整合分析結果的能力。論文以蛋白質生物信息學分析在藥物靶點挖掘和藥物設計中的應用為題。最后根據論文結構完整性和內容獨創性、條理邏輯性和學術水平進行評分。
三、課程體系構建的進一步設想
進一步利用網絡學習平臺慕課擴展生物信息學的理論深度與新技術發展，學生可以進一步接觸并利用云計算等技術對大數據進行處理，或基于手機客戶端讓學生隨時可以查詢及學習，這樣的構建既是生物信息學課程建設的發展，也是培養學生能力的體現。生物信息學課程建設改革對學生綜合運用知識的能力起到了促進作用，也加強了理論聯系實踐的操作能力。生物信息學能夠培養學生全面掌握生物學知識，對今后選擇生物學科領域的工作有推動作用，也是師范生成為合格人民教師的理論基礎。
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收稿日期：2016-11-21
醫學信息學與臨床醫學等其他醫學專業的結合與發展:1998年在漢城召開的第9屆世界醫學信息學大會(MEDINFO．98)期間，國際醫學信息學會(IMIA)主席vanBemmelJH教授曾向中國醫學信息學分會主任委員歐陽軹能先生詢問:“中國的醫科大學是否也在培養一批從醫學本科畢業，當過幾年醫師，又回到大學攻讀醫藥信息處理的研究生”［3］。vanBemmelJH教授的這個問題說明了臨床醫學專業學生應該學習醫學信息學專業的知識以提高他們今后成為醫師的醫藥信息處理能力。而在醫院信息化高速發展的今天，以電子病歷為核心的臨床信息系統(clinicalin-formationsystem，CIS)等迅速發展，掌握了醫藥信息技術的臨床醫師將會在他們的從醫工作中做得得心應手。除了臨床專業外，其他醫學專業像檢驗、藥學、預防等專業，在信息化的今天同樣要跟醫藥信息技術密切接觸，比如信息系統、決策系統、影像信息資料等的處理都離不開醫藥信息技術。現在的醫院需要的是具有綜合素質的復合型人才，因此，筆者認為，開設了醫學信息學專業的高校為其他醫學專業學生開設醫學信息學專業課程是非常有必要的。醫學信息學與生物信息學的結合與發展:跟醫學信息學相似，生物信息學(Bioinformatics)同樣是一門前沿的交叉學科。生物信息學包含了生物信息的獲取、加工、存儲、分配、分析、解釋等在內的所有方面，它綜合運用數學、計算機科學和生物學的各種工具來闡明和理解大量數據所包含的生物學意義。生物信息學不僅是一門新學科，更是一種重要的研究開發工具。從工具的角度上來講，生物信息學幾乎是今后有關生物(醫藥)研究開發所必須的工具。著名的人類基因組計劃的目的之一在于闡明人類約10萬種蛋白質的結構、功能、相互作用及其與人類疾病之間的復雜關系，尋求各種治療和預防方法［4］。如今，生物信息學的許多技術已經成功應用于臨床實踐，其基因診斷、基因治療等技術以其高靈敏度、高特異性將在醫藥行業取得長足發展。
而國內傳統意義上的醫學信息學的發展側重于對文獻型信息的管理、分析研究的發展。現代意義上的醫學信息學，其重點是將計算技術和信息科學應用于醫藥衛生領域。現在的醫學信息學與向醫療方向發展的生物信息學在課程設置上有許多是重疊的，比如分子生物學、細胞生物學、數據結構、數據庫技術等。而且，隨著學科間的交叉互補，一些醫學信息學專業畢業的本科生攻讀生命科學院的碩士研究生，優勢互補，卓有成效［5］。對國內醫學信息學專業人才培養模式的研究目前，各個開設有醫學信息學專業的高校都有他們獨特的人才培養方案，現就本校醫學信息學專業本科培養方案進行初步剖析:根據中南大學湘雅醫學院醫學信息學專業2012版本科培養方案，其培養目標是:培養具有醫學專業基礎知識、管理學和信息科學基礎知識與基本技能、計算機技術及應用能力的應用型、復合型醫學信息專門人才。學生畢業后能從事以醫藥衛生領域為主，并覆蓋其他行業領域的信息處理、信息服務、信息資源開發和利用、信息研究與咨詢、信息教育以及信息系統開發與管理維護等各方面工作。筆者認為要在學制為4年或5年的時間內將學生培養成為符合要求的復合型醫學信息專門人才實在是免為其難。理由如下:目前本專業培養模式由四大模塊組成，即通識教育、學科教育、專業教育、個性培養。而現階段本專業主干課程和特色課程全是醫學信息學的專業課程，即專業教育，包括計算機專業課及圖書情報專業課，然而，要成為復合型醫學信息專門人才還需要學習醫學、外語，醫學包括基礎醫學、臨床醫學、預防醫學、藥學等課程，英語還需包括公共英語和醫學英語，這些眾多的課程要真正學好不是那么容易，都是需要花時間和精力去鉆研的。再者，醫學信息學專業的學生畢竟還是本科生，社會科學、人文科學、自然科學、全校性選修課等公共課程又是必不可少的，暫不說出于個人興趣或對大學生活的豐富，比如參加各種社團活動、黨校培訓等，這么多課程已經讓醫學信息學專業的學生沒有時間去考慮其他了，對于搞課題研究等其他自主探究性學習項目來提升學生的綜合素質更是難于擠出時間來做。相對于國外，比如美國斯坦福大學，他們的醫學信息學學生在第一個兩年中一半時間學習正規課程，其余時間用于做研究課題。對培養醫學信息學專業人才的幾點建議:醫學信息學畢竟是一門新興的交叉學科，目前還不被許多高考考生和家長耳熟能詳，許多考生和家長在查詢各大高校信息專業的相關信息時看到“醫學信息學”或“醫藥信息學”都很疑惑，不知道這個專業是干什么的，有什么發展前景，出于好奇或為了解決這一疑惑，許多考生和家長便采取普遍的“百度百科”查詢，然而，“百度百科”的資源畢竟有限，無法在很大程度上解決考生和家長的疑惑。因此在一些設置有醫學信息學專業的高校里，醫學信息學專業相對于醫學院的許多其他專業來說總不那么“熱門”。
據不完全統計，那些進入醫學信息學專業學習的考生多是因為填報了其他醫學專業像臨床、檢驗、預防未被錄上而被調劑到本專業就讀的。由于這個原因，再加上學生本身對醫學信息學專業的不了解，直接導致了一些學生尤其是一些男同學剛入學便失去了學習的興趣，沉迷于網絡虛擬世界而浪費了寶貴的學習機會。為此，筆者認為，為了培養醫學信息學專業人才，應從下面幾個方面入手:①從“源頭”－醫學信息學專業的招生把關:優質的生源是培養醫學信息學專業人才的基礎。在招生錄取工作中，為了使眾多考生和家長充分了解醫學信息學專業，學校在專業信息查詢處、招生咨詢處必須開設專欄，詳細介紹本專業的專業特色、師資力量、培養目標、課程設置及就業前景等，讓考生和家長詳細深入了解本專業，解決了考生和家長對本專業的疑惑，才能吸引真正對本專業感興趣的、有這方面意向和特長的考生積極主動地報考本專業。②專業引導和專業啟蒙，激發學生的學習興趣:針對剛入學學生出于對專業的不了解而荒廢學業的問題，各院校開設由各專業領域內的權威教授主講的“專業導論”課程的措施值得進一步推廣，讓學生詳細了解本專業的發展方向和前景，對學生進行專業引導和專業啟蒙，激發學生的學習興趣。
例如，中南大學湘雅醫學院在第一學期便對2012級醫學信息學本科生開設了“新生課”，學生的學習熱情濃厚。③解決因課程涉及領域繁多導致學生學習“多而不精”、缺乏自主探究學習的問題:針對醫學信息學專業學生的課程繁多，學生學習面面俱到但多“學而不精”的問題，各高校可對現行的醫學信息學教育模式稍作改革。例如，可以考慮將專業劃分為幾個培養方向，調節學科領域側重點，使學生在第二年確定自己擅長的感興趣的方向，將各個方向上的學生組織起來分別培養，調整課程結構，鼓勵學生自主研究學習;可以考慮延長學制，將各個專業課程合理安排到各個學期，加強各領域課程之間的聯系，培養更高層次的醫學信息學復合型人才。各高校還可以加強碩士點、博士點的創建工作，讓一批批接受了本科教育的醫學信息學專業學生進行深造;有條件的高校還可以積極與國外醫學信息學專業發展迅速的知名品牌大學建立長期的交流與合作，制定人才培養計劃等。
作者：陳超 單位：中南大學湘雅醫學院醫藥信息系12級醫學信息學1201班
【摘要】
目的 應用生物信息學分析軟件預測分析結核分支桿菌ESAT-6基因及相關蛋白的特性。方法 應用NCBI、Expasy等在線生物信息學網站及DNAstar、Rasmol等軟件包分析ESAT-6并進行同源比對；預測二級、三級結構，以及預測主要抗原表位等。結果 結核分支桿菌重組抗原ESAT-6與已發表氨基酸序列同源性為90%。預測該蛋白分子質量約為9885.7Da，PI為4.6，4個抗原表位，其結構域位于56-87位。結論 生物信息學技術在結核分支桿菌ESAT-6重組抗原研究中有一定的理論和應用價值。
【關鍵詞】 生物信息學；結核分支桿菌；ESAT-6；重組抗原
Abstract: Objective To predict the structure and function of recombinant antigen ESAT-6 of Mycobacterium tuberculosis using bioinformatics method. Methods By online analysis at bioinformatics websites such as NCBInibi.nlm.nih.gov/)and Expasy (cn.expasy. org/)， and employing software packages such as DNAstar and Rasmol to do multi-sequence homological alignment， secondary structure and tertiary structure，antigenic epitope analysis，etc. Results Compared with the amino acid sequence of ESAT-6 of Mycobacterium tuberculosis published ， the homologies was 90%. Analysis of the predicted protein indicated a molecular mass of 9885.7 KDa， PI was 4.6， function sites and four antigen pitope were found. Conclusion Bioinformatic is valuable to the study ESAT-6 of Mycobacterium tuberculosis.
Key words：bioinformatics； mycobacterium tuberculosis；ESAT-6；recombinant protein
生物信息學是在生命科學的研究中， 以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索和分析的科學。它是當今生命科學和自然科學的重大前沿領域之一， 同時也是21 世紀包括臨床醫學在內的自然科學的核心領域之一。對于感染性疾病中病原體、生物傳播媒介、宿主的整體基因信息分析， 抗感染藥物的設計， 耐藥機制的闡明， 疫苗的研發、個體化的預防策略等均有著日益重要的作用［1］。本文通過生物信息學方法對本室已獲得的ESAT- 6( 6KDa Early Secretory Antigenic Target)基因進行進一步預測分析，希望從中盡可能多地搜索和了解該基因的特性及相關蛋白的結構與功能的信息，以便為結核病防治篩選新的診斷抗原分子，為實驗研究和應用前景分析提供信息。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 ESAT-6 DNA序列
全長基因序列為本實驗室從結核分支桿菌標準菌株H37Rv中通過PCR方法獲得并亞克隆于pGEM-T中，經BamH I、Xohl I雙酶切初步鑒定為陽性克隆菌株送往上海生物工程公司進行核苷酸測序。將克隆基因測序結果輸入DNAStar /EditSeq，查找開放閱讀框，并對其所編碼的氨基酸序列用DNAStar /Protean軟件進行分析。
1.1.2 分析軟件
DNAStar（V5.01），下載網址：dnastar.com； RasMoL Windows2.7.3，下載網址：Berns tein-plus-so ns. Com/ software/ RasMol-2.7.3/。
1.2 方法
通過NCBI網站(ncbi.nlm.nih.gov/)ORF finder 以及Prot Param（ca.expasy.org/tools/protparam/html）對序列與GenBank中的序列進行在線比對、確定其完整編碼序列并預測蛋白質理化性質。通過蛋白質分析專家系統Expasy（ca.expasy.org/）所提供的蛋白質組學和序列在線分析工具：PredictProtein (http:cubic.bioc. columbia. edu/predi ctprotein/)預測氨基酸序列的跨膜區和二級結構；通過SMART（http: //smart. embl-heidelberg.de/smart/show_motifs.pl）預測其結構域；通過Mobyle (mobyle. pasteur.fr/cgi-bin/portal. py?form= psort)進行亞細胞定位；利用SWISS-MODEL（swissmodel.expasy.org/）進行二級三級結構的預測分析，用Rasmol軟件包中的三維分子視屏顯示。
2 結果
2.1 ESAT-6核苷酸及編碼的氨基酸序列及理化特性
ESAT-6基因序列由288個bp組成，編碼95個氨基酸，氨基酸序列為：
MTEQQWNFAGIEAAASAIQGNVTSIHSLLDEG
KQSLTKLAAAWGGSGSEAYQGVQQKWDATATELN
NALQNLARTISEAGQAMASTEGNVAGMFA。用DNAStar軟件及ExPASy Protemics Server protparam 預測氨基酸序列的分子質量、等電點、穩定性指數等。綜合二者結果如下：ESAT-6分子質量單位為9885.7KDa，理論等電點為4.6，堿性氨基酸殘基（Arg+Lys）百分比為4.3%，酸性氨基酸殘基（Asp+Glu）百分比為9.5%，在哺乳動物、酵母、大腸埃希菌中的半衰期分別為30h（體外）、＞20h（體內）和＞10h（體內），不穩定指數為53.37，脂溶性指數為69.05，兩親性指數為-0.359。
2.2 ESAT-6氨基酸序列的同源性分析
與NCBI/GenBank上發表的ESAT-6（GenBank序列號：pdb|1WA8|B）氨基酸序列進行比較分析，結果發現同源性為90%（圖1）。
2.3 ESAT-6二級結構預測
用DNAStar /Protean分析重組蛋白特性及二級結構見圖2(封3)。結果顯示ESAT-6的二級結構中含有較多的α-螺旋結構（占78%），β-片層、轉角（Turn）、無規則卷曲（Coil）依次為1%、5%和16%。
2.4 ESAT-6的跨膜區域、結構域預測及亞細胞定位
跨膜區域如圖3所示（封3），該蛋白位于細胞外，說明為分泌性蛋白。SMART預測結果顯示ESAT-6的結構域位于56-87位（QKWDATATELNNALQNLARTISEAGQAMASTE）。存在于細胞核的可能性為26.1%，在線粒體上存在的可能性為39.1%，在胞漿的可能性為34.8%。
2.5 ESAT-6的親水性及疏水性分析
根據ProtScale軟件預測結果（分值越高，其疏水性越強，分值越低，親水性越強），與跨膜區域的推測結果一致，其疏水性較強。就整體而言，親水性氨基酸分布在整條鏈上，為兩親性蛋白，見圖4（封3）。
2.6 ESAT-6的抗原表位肽段的預測
用Predicting Antigenic Peptides對ESAT-6抗原表位進行預測，結果表明該蛋白有4個抗原位點，見圖5（封3），分別為：10-16（GIEAAAS）、18-30（IQGNVTSIHSLLD）、35-41（SLTKLAA）、50-56（AYQGVQQ）。
2.7 ESAT-6的三維結構預測
Internet/SW ISSMODEL /EXPASY/ swiss2spdbv37 sp5分析模擬ESAT-6重組蛋白質三維結構見圖6（封3）。
3 討論
近年來研究表明，重組蛋白抗原研究是結核病血清學診斷研究的熱點。重組蛋白抗原的獲得為結核病診斷提供了極大的方便。利用基因工程技術可獲得質量更好，純度更高的蛋白抗原，為結核病血清學診斷方法及蛋白質芯片檢測技術的建立奠定了堅實的基礎。目前發現的結核分枝桿菌蛋白抗原主要有14KD、16KD、38KD、mtb81和ESAT-6等［2-6］。其中，ESAT-6抗原是早期分泌抗原，是區別結核桿菌和非結核桿菌的最佳候選蛋白抗原，也是目前研究蛋白抗原中較為敏感和特異的一種較為理想的免疫診斷蛋白抗原。
傳統生物學認為，蛋白質的序列決定了它的結構，也就決定了它的功能［7］。蛋白質的功能不僅取決于其氨基酸組成順序決定的一級結構，在很大程度上生物學活性取決于其高級結構。然而通過實驗方法獲得蛋白質結構不僅成本高而且速度慢。因此，隨著近10年來生物學分子序列信息的發展，目前已經可以用理論預測的方法獲得大量的結構和功能信息，用生物信息學的方法，通過計算機模擬相關的輔助信息，可以用較低的成本和較快的時間就能獲得可靠的結果［8］。DNAStar軟件是一個常用的功能強大的基因和蛋白質綜合分析軟件。
本研究中我們利用生物信息學技術對獲得的重組ESAT-6基因所編碼蛋白分子在一級結構分析的基礎上，又進行了蛋白特性及高級結構的初步分析。根據對ESAT-6蛋白氨基酸序列的一、二級結構分析預測， 我們對此新基因有了一定的了解：該基因開放閱讀框長度為288bp，推導編碼95個氨基酸，分子量約為9885.7Da，理論等電點為4.6，不穩定指數為53.37，脂溶性指數為69.05，兩親性指數為-0.359。同源性比對發現其基因序列與Genbank公共數據庫檢索出的ESAT-6基因序列的同源性比較發現，它們的基因幾乎完全相同（同源性達99%）。提示該蛋白具有較好的遺傳學穩定性，適合作為結核病診斷抗原研究的候選分子。一般來說，由于在有機體內部親水性殘基位于表面，因此蛋白質的親水部位與蛋白質的抗原位點有密切的關系。而無規則卷曲區域除了決定蛋白質的功能外， 與抗原表位也有關［8］。經分析，該序列中α螺旋和無規則卷曲的比例為94%，提示該蛋白有很好的可塑性，可能與其功能有關。SMART預測結果顯示ESAT-6的結構域位于56-87位。亞細胞定位表明該蛋白存在于細胞核的可能性為26.1%，在線粒體上存在的可能性為39.1%，在胞漿的可能性為34.8%。綜合本研究的親水性、疏水性、二級結構等預測結果發現：ESAT-6親水性和可塑性較大、抗原性指數較高，這為ESAT-6抗原表位的確定提供有力的證據。此外，通過專業分析軟件明確了ESAT-6蛋白抗原表位位點有4個，抗原表位的肽段序列的確定，為將來進一步開展的結核病診斷血清價值的研究提供理論依據，并為其他蛋白質抗原表位的分析提供了一種可借鑒的手段。ESAT-6重組蛋白的三級結構模擬能夠直接提供更多的蛋白質立體構象信息，這對ESAT-6進一步的研究和應用提供很好的線索及數據平臺。
對ESAT-6基因的生物信息學分析為研究該基因的功能和其在診斷、治療及預防方面的應用價值研究提供了信息。
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準確地說：自20世紀80年代以來，我們已是處在一個信息爆炸的時代、一個知識經濟的時代。有人還更形象地說：這是一個一“網”情深的時代；一個“網”事如歌的時代；一個無“網”而不勝的時代。的確，進入20世紀的后期，我們已實實在在地處在了一個信息網絡化的時代中。未來學家們又進一步預言說：21世紀將是生物科技的時代，或者說是生命科學的時代。因為生物技術和信息技術的迅猛發展已向人們展現出了更加誘人前景，并使得將生物學和信息學結合起來的生物信息學的研究成為可能。運用生物信息學的原理或機制去提示生命的奧秘，認識和探討人類疾病的發生和發展及至康復等醫學問題，將是一個全新的課題，并有望開啟一個嶄新醫學時代。生物信息醫學的時代。這是一個將“物質、能量和信息”三基元的思想用來指導醫學的研究和發展的新階段，是對現代醫學僅從人體的物質結構和功能(能量)或者注重從生物物理和生物化學的角度去認識疾病和防治疾病方法的一種進步和完善。換句話說：我們將從生理、生化和生物信息三方面去看待機體和生命，去認識和防治疾病。這不正是我們傳統中醫學的“形、氣、神”理論的現代體現嗎?所以，我們認為，21世紀的醫學發展趨勢將是以生物信息為主導的醫學新時代。
下面我想從4個方面來分析和探討一下，我們所提出的“生物信息醫學”形成的可能性或可行性。即：①現代高新科技發展所提供的時代科技背景；②信息時代新的哲學思想原則為之提供的認識論和方法論；③生物信息醫學已存在的歷史和發展現狀；④生物信息醫學未來的發展前景展望。
1生物信息醫學形成的時代背景――現代高新科技
現代醫學科學的每一個新進展都與當時的科學研究和技術的支持是分不開的，在當今蓬勃發展的醫學背后有現代高新技術強有力的支撐。
現代高新科技來自現代尖端科學的研究，所謂尖端科學就是人類探索自然界規律，攀登科學知識高峰的前沿。當前，科學研究的最前沿主要可以歸結為以下幾個方面的問題，即物質的組成或結構，生命的本質和演化，人類生存的環境，宇宙的起源和人類智力的奧秘。正是對在這些問題探索研究的過程中，人們不斷獲取尖端科學知識，并應用這些知識，又進一步開發出了如下高新科學技術，即：①生命科學技術(或稱生物科學技術)――對生命的本質和演化的探索；②信息科學技術――對人類智力的探索；③軟科學技術(或稱管理科學)――對人類智力的探索；④海洋科學技術――對生存環境的探索；⑤空間科學技術(或稱航空航天技術)――對宇宙空間的探索；⑥環境科學技術――有益于環境的高新技術；⑦新材料科學技術――對物質的組成或結構的探索；⑧新能源和可再生能源科學技術――對物質的組成或結構的探索。
這高新技術中，其中信息科學技術、生命科學技術和軟科學(管理科學)是與人的生命和智力的探索直接相關的。自然也是與醫學是密切相關的科學和技術。海洋科學和空間科學及環境科學，主要研究人類生存空間的拓展和生存環境的保護，也是以人為本的。新材料科學和新能源及可再生能源科學則主要是為人類尋找更好的使用工具和動力資源，提高人類勞動效率和生存生活質量。同時，其新材料科學技術還將會為我們的醫學提供更精細和精密的診療儀器或技術手段。例如：納米技術可使我們造制出更加精細的檢測儀器，如：纖維鏡、胃鏡等，也可提供更精細手術器械等。
在現代高新科學技術的基礎上，現代醫學科學研究方法的特點：一是研究更為深入，利用現代生物學先進技術，在核酸、蛋白質等生物大分子水平上闡述生命體的結構和功能特征，并且利用基因技術使人們能夠設計和改變生物體特征；二是研究技術的綜合應用，以往各學科單一的研究方法、系統正在被跨學科多水平的實驗體系所取代，高水準的研究一般都在整體、離體組織、細胞、分子多種水平上證實一種論點；三是高新技術的發展完善，使得元損傷非侵入式研究越來越廣泛被采用，不僅可以在實驗動物上得出與人更接近的結果，還能直接用于人體的研究；四是信息科學技術又為現代醫學科學的研究提供了新的思路和方法。它使我們對生命體的認識不再只考慮其物質結構和能量代謝兩個方面的問題，而是將生命體內物質、能量和信息三個基本要素都考慮進來。目前，對于人體信息系統的組成、信號轉導及有關的分子家族、信號轉導過程、細胞內信號轉導、細胞間通訊、神經信息的傳遞、大腦信息的加工、處理等有了前所未有的詳細認識。
因此，在這里我將重點介紹一下信息科學技術和生物科學技術。因為，這兩項技術與我所提出的生物信息醫學是緊密相連的。
1．1信息科學技術
1．1．1信息的定義及本質的討論：從20世紀中葉開始，對于信息的定義及其本質的問題在世界范圍內已引起了非常廣泛的討論，但仍未有一個定論。
其實，信息現象十分古老，早在人類歷史發端以前，信息已存在于物質世界。如陽光普照，星光燦爛，就是宇宙天體發出的信息，在人類社會誕生以后，信息不僅來自物質世界，而且來自精神領域。人類認識和改造客觀世界的過程，實質上就是一個信息過程。所以，人類自誕生以來，一直是在不斷地進行信息的加工、傳遞、交流和利用等過程。
人類雖然很早并一直在接觸和利用信息，但對信息進行有意識的科學闡析，都是20世紀以后的事。在此之前，我們對信息的認識和理解，主要是指一些通知、報告、新聞消息、報道、情報、知識見聞、資料等，進一步指思想、事實、思維、意念、資訊等，在通信科學發展的時代中是指信號、指令、代碼、數據、圖像等等。這些都是我們的日常可能接觸到的一些信息。。然而，從哲學的角度去深究信息的本質，是相當艱難的，在學術上也一直是爭論不休的。這些爭論，始終是圍繞著信息同物質、能源的關系，同認識、意識的關系問題展開的。由于人們認識上的差異以及觀察角度和采用方法的不同，各國學者在探索過程中，給“信息”下的定義已有四五十個之多，每種定義都有理性的面，但還沒有一個是定義在世界范圍內得到公認。不過，從這些討論中可以肯定的是：信息與物質和能量一起共同構成了人類可利用的三大基本資源要素。換句話說：整個世界(包括人體)是由物質、能量和信息三大資源構成的。信息論的創始人之一，美國學者唯納說過一句有名的話，他說：信息就是信息，它不是物質也是能量；不承認這一點的唯物論，在今天就不能存在下去。
隨著信息科學和技術的發展與完善，相信人們一定會對信息的本質作出一個比較全面的科學闡析。目前，對信息的單位已確定了用“比特”來表示。所謂的信息流也就是比特流。美國麻省理工學院媒體實驗室主任尼古拉•尼葛洛龐帝先生說過：信息社會的基本要素不是原子，而是比特。比特與原子遵循著不同的安全法則。比特沒有重量，易于復制，可以以極快的速度傳播。它在傳播時，時空障礙完全消失。而原子只能由有限的人使用，使用的人越多其價值越高。尼葛洛龐帝還說：“我覺得我們的法律就仿佛在甲板上吧達吧達掙扎的魚一樣。這些垂死的魚拼命喘著氣，因為數字世界是個截然不同的地方。大多數法律都是為了原子的世界而不是比特的世界而制定的”。可見信息與物質和能量有著本質的不同。另外信息網絡帶來的挑戰，可能會更超出我們所有人的想象。所有這些都將有助于我們對“信息”的進一步理解。對于信息的定義值得一提的有：《中國新聞實用大辭典》(人民日報出版社)從“實用”的角度，把“信息”表述為：一切事物的狀態和特征的反映。它普遍存在于自然界、人類社會以及人們的認識和思維過程中。人類生活的世界是一個充滿信息的世界。另有一個比較通俗的說法：即認為凡是人和動物通過眼睛、耳朵、鼻子、舌頭、身體、大腦接受到的外界事物及其變化，統統都含有信息。如五彩濱紛的圖畫、火車的鳴叫、香水的芬芳、蘋果的酸味、棒擊的疼痛、靈感的觸發等等。據專家統計，一般來說，人類通過視覺獲得的信息占83％，通過聽覺獲得的信息占12％，而其余6％的信息通過嗅覺、觸覺和味覺獲得。然而，這些也只不過是指人體從外界接收或獲取的體外信息，只是機體信息中一個方面。而另一方面在生物體內自身還有其信息的加工、處理、發出、傳輸、儲存和利用等過程。如大腦的思維、心理活動、神經反射、激素調節、體液傳導、遺傳變異、氣功意念、經絡傳感、細胞、組織的新陳代謝等等，都是一些重要的生物信息過程。可見，“生物信息”的過程要比現在我們了解的“電子信息”處理的過程更為復雜。
現代醫學是建立在分子生物學、細胞學、組織胚胎學、解剖學、生理學和生物化學的基礎上的。它注重的是機體不同部分之間的差異性，即每發現一個部分在結構和功能上的不同，就給予這個部分一個命名，就成為一種新發現。這也正是科學界歷來所信奉的“結構決定功能”的理論觀念。由于這種思想觀念的指導，使人們對機體內部各個部分都有了深刻的研究和了解，便于得到各部分之間的結構方式和本質差別，進而了解其功能特征。然而，這種只從物質結構狀態和功能(或能量)特征去認識機體是不全面的，它忽視了生物體不同部分之間還有其信息的聯系和控制調節等特點，即生物體內的“信息調控機制”問題。因而，現代醫學也就遇到了許多理論難題和臨床疑點問題，這些問題也正是影響醫學和生命科學全面發展的主要因素。因此，未來醫學則必須是建立在生物物理學(物質結構功能，即分子生物學、細胞學、組織胚胎學、解剖學、生理學等)、生物化學(物質和能量代謝)和生物信息學的基礎上。
1．1．2信息技術的發展歷程：在人類誕生之初――即最原始的人類，其信息交流可能主要是靠叫聲和動作手勢，進而就有語言的產生，最后又有了文字符號，并進一步又有印刷術的出現。緊接著又有書報、信件、郵遞員、信鴿等信息傳播工具或媒體，這些是古代信息傳播技術發展的一個基礎過程。到了近代，隨著電的發明和發展，利用電來傳遞信息的技術得以研究和發展。最初是電報、電傳，到了1876年3月10日，貝爾運用電聲轉換技術發明了電話，隨后又是有了無線電廣播、電影、電視的發睨。這些使人類的信息傳播技術產生的一個飛躍，是一次信息革命
進入20世紀后，電話、無線電廣播、電影和電視得到了極大的發展和應用。更有意義的是：20世紀上半葉又有了電子計算機的出現，計算機改變了人類對信息儲存、加工、處理和復制的基本方式，也使傳統的印刷術發生了一場革命。使之告別了鉛與火，代之以光和電。進入20世紀90年代以后，以Intemet為代表的計算機網絡得到了飛速的發展。它從最初的教育科研網絡，逐漸發展成為商業和民用網絡，并正在改變著我們工作和生活的各個方面。可以毫不夸大地說，Intemet是自印刷術以來人類通信方面最大的變革。目前，Intemet與電話和電視并稱為三大通信網絡。從計算機網絡(Intemet)的發展速度和趨勢來看，有可能以它為核心將“三網合而為一”。
1993年9月15日，美國政府了一個在全世界引起很大反響的文件，其文題是“國家信息基礎結構行動計劃”。后來人們又通俗、生動而形象地把這個“行動計劃”稱作“信息高速公路”。緊接著全世界所有的工業發達國家和很多發展中國家都紛紛研究和制訂本國建設信息基礎結構的計劃。這就使得計算機網絡(Intemet)的發展進入了一個新的歷史階段。應該說，這正是我們進入信息化時代的一個標志。當然，這個時代是經歷了由信息科學研究一信息技術革命一信息產業化、商品化一信息的社會化一信息化時代的過程，也差不多是經歷了一個世紀的發展歷程。
在這個信息化時代，我們所有的人都可以感受它給我們帶來的快捷和便利。也更驚嘆它的發展速度以及其社會變化竟是如此變幻莫測。有一個著名的定律是美國貝爾電話實驗室的穆爾提出的，叫穆爾線性定律：他說一個硅片上的晶體管數量，按每18個月增加1倍的集成度的速度增長。目前，一塊計算機芯片上晶體管的集成度已達幾億個以上。據估計，到2007年將達到2000億個晶體管。所以，有些學者說，在信息化時代，我們只能預測到5年(最多10年)以內的發展情形，10年以后是很難以預料的，因其發展太快了。如果說20世紀末的信息時代是那么地變幻莫測，那么21世紀的生物科技時代，就更難以預測了。因為，21世紀人類的生存、生活、婚姻、家庭以及倫理、道德等方式都將有可能被重新定義或定位。你想想，可以將人進行復制，并使生命延續的克隆技術已予示著將打破一切條條框框(這正是下面我將要介紹的生物科學技術的發展及態勢)。
1．2生物科學技術的發展態勢：生物技術應該說不完全是一門新興學科，它包括傳統生物技術和現代生物技術兩部分。傳統的生物技術是舊有的制造醬油、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品等傳統工藝。現代生物技術則是指20世紀70年代末80年代初發展起來的，以基因工程為核心，以DNA重組技術的建立為標志的新興學科。目前我們所提的生物技術基本上是指現代生物技術。
現代生物技術包括：基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程、蛋白質工程以及生化工程等。．不久的將來也許還將有生物信息工程的誕生。
1．2．1基因工程：1944年Averg等科學家闡明了DNA是遺傳信息的攜帶者；1953年Wats。n和Crick提出了DNA的雙螺旋結構模型，闡明了DNlA的半保留復制模式，從而開啟了分子生物學研究的新紀元；1961年M•Nirenberg等破譯了遺傳密碼，揭示了DNA編碼的遺傳信息如何傳遞給蛋白質這一秘密；1972年Berg首先實現了DNA體外重組技術，這標志著生物技術的核心技術――基因工程技術的開始，它向人們提供了一種全新的技術手段，使人們可以按照意愿在試管內切割DNA，分離基因，并經重組后導人其他生物或細胞，藉以改造農作物或畜牧品種；也可以直接導人人體內進行基因治療。基因治療主要包括制備正常基因取代遺傳缺陷的基因，或者關閉異常表達的基因，或者降低異常基因的表達強度。這樣可以對一些由于基因突變、缺失和異常表達所引起的疾病，如遺傳病、惡性腫瘤等有望達到較理想的治療效果。
根據基因工程技術而進行的基因工程藥物的研究自20世紀70年末也已經開始，如人工胰島素、干擾素、生長素類、白細胞介素類和肝炎疫苗等。一還有轉基因技術對人工選育優良品種也取得了成功。其中克隆羊的成功為動物轉基因研究揭示了廣闊的前景(有關克隆技術在下面的細胞工程中介紹)。
1．2．2細胞工程技術：所謂的細胞工程是指以細胞為基本單位，在體外條件下進行培養、繁殖，或人為地使細胞某些生物學特性按人們的意愿發生改變，從而達到改變生物品種和創造新品種，加速繁育個體，或獲得某種有用的物質的過程。在這里我重點介紹一下細胞核移植技術-克隆技術。進入20世紀90年代，利用幼胚細胞核克隆哺乳動物的技術接近成熟。世界上許多國家和地區，如美國、英國、新西蘭、中國、臺灣等紛紛報道成功克隆猴子、豬、綿羊、牛、山羊、兔等。不過最讓生物學家和全世界震驚的重大突破是英國PPL生物技術公司羅斯林(R。slin)研究所的維爾穆特(Wilmut)博士于1997年2月27日在世界著名權威雜志《Nature》上宣布的用乳腺細胞的細胞核克隆出一只綿羊“多莉”(D。lly)的消息，“多莉”的誕生，既說明了體細胞核的遺傳信息的全能性，也翻開了人類以體細胞核竟相克隆哺乳動物的新篇章。僅僅過了一年半，1998年7月5日，日本人就喜迎來了叫作“能都”和“加賀”的兩頭克隆牛犢的降生。它們是用母牛輸卵管細胞的細胞核克隆成功的，幾乎與此同時，一組科學家在美國檀香山宣布，他們已經采用卵泡細胞的細胞核克隆成功的小鼠“卡繆麗娜”再克隆出了下一代。祖孫三代22只克隆鼠組成的大家庭具有完全一致的遺傳基因和信息。隨后，德國和韓國的科學家也相繼宣布用體細胞成功克隆出哺乳動物的消息。可見，幾個世紀以來人類夢寐以求的快速、大量繁殖純種動物的夙愿，在20世紀快要結束之前正在變成現實。
如果說1997年2月克隆“多莉”羊的新聞轟動了世界，一些人還是持懷疑態度的話，那么隨著“能都”和“加賀”等多頭克隆牛的問世以及克隆老鼠的再克隆成功，用體細胞而不是用早期胚胎細胞的細胞核克隆的哺乳動物，已經成了廣為科學界和普通群眾接受的事實。在此基礎上，克隆人已經不再是科幻小說中的故事了。1998年初，美國哈佛大學的理查德•希德宣布了他的克隆人計劃，立即招來了全世界一浪高過一浪的反對呼聲，緊接著歐洲19國聯合簽署了禁止克隆人的協議，我國政府以及美、英、德、日也已明確表示反對。然而這位69歲的博士稱：克隆人“只不過是人類生育的另一項先進技術”。他計劃把自己的體細胞核與捐獻者的卵相結合后，再將這個胚胎植入他妻子格洛麗亞的子宮中，以期生下他的復制品。目前全世界都以關切的目光注視著希德的舉動和美國政府的一些反應。另據報道，韓國科學家已于最近克隆成功了人的早期胚胎，但攝于法律的約束，又主動將她銷毀了。正象核能的開發具有截然相反的作用那樣，人類對克隆自身已采取了十分慎重的嚴肅態度。
但是，科學的發展是無法阻擋，即便是法律最終也可能無能為力，它也只能為順應科學的發展而變化或制訂新的條文，以此來對新生事物加以規范或約束，強制阻撓是愚蠢的。正如信息時代一樣對信息犯罪必須重新修訂法律條文。所以，克隆人最終還是會變成現實的。據了解，目前在醫學領域是允許可以克隆器官的，以便提供被人體易接受的一模一樣的器官移植。
總之，這項技術必將對21世紀的醫學科學、生命科學以及農學等諸多領域產生重大的影響和變革。如果一旦被允許可以克隆人時，那么，整個社會的形態，生存和生活的方式都將發生變化，人與人之間的關系、婚姻、家庭和倫理道德等概念都將會被重新改寫或定義，因為，一種新的生育方式將改變這一切。因此，21世紀的生命科學時代的確是人們難以預料的。
1．2．3生物信息學的萌生：隨著人類基因組計劃等大型國際項目的實施，以及生物技術和信息科學技術的進一步研究和發展，一門新興的邊緣學科――生物信息學已應運而生。因為，生物科技和信息科技等高新技術的發展已為生物信息學的研究、開發和利用提供了可能，并已成為當前一個前沿領域和研究的熱點。
生物信息學是以核酸(DNA分子)、蛋白質等生物大分子的信息密碼；細胞間的通訊；腦科學和神經網絡；內分泌激素的信使作用和免疫調節，以及中醫的經絡學說和精氣神理論為主要研究對象。以數學、信息學、計算機科學和仿生學為主要手段，以計算機硬件、軟件和通信網絡為主要工具，對浩如煙海的原始數據和紛繁復雜的生命信息進行存儲、管理、注釋、加工、解讀，使之成為具有明確生物意義的生物信息。通過對生物信息的查詢、搜索、備份、比較、分析，從中獲取基因編碼、基因調控，核酸和蛋白質的翻譯和其結構功能關系，大腦的信息加工、處理機制、神經信息的傳輸原理等等知識。在弄明白這些大量的生物信息的基礎上，再結合已有的生理、生化知識去探索生命的起源、生物的進化、生命信息的傳輸調控機制、大腦的思維和神智；人類的疾病與康復，以及細胞、器官和個體的發生、發育、衰亡等生命科學中的重大問題，搞清楚它們的基本規律和內在聯系，是完全可能的。因此，生物信息學對21世紀的醫學科學和生命科學具有不可估量的奠基和推動作用。
高新技術的重要特征之一是學科的橫向滲透、縱向加深、綜合交錯、發展迅速。所以，我們所提出的生物信息學也正是在現代多學科發展的基礎上橫向結合而產生的。它是生物學與信息學，信息學與生物醫學工程學等學科之間的相互交叉、相互滲透的一門邊緣學科。同樣，生物信息學又將與生命科學和醫學科學進行交叉和滲透，并進一步形成生物信息醫學這門新興分支學科。它將促進醫學科學的發展，并有可能引發一場醫學革命，使我們步入生物信息醫學時代。雖然，我們目前尚不能作出一個比較完善的定義或解釋，但是，今天我們大家大概都不會否認，信息過程是生物體(人體)的一個重要過程。這一過程從根本上來說，是個體為了適應機體內、外瞬息萬變的各種環境。事實上，現代生物遺傳工程、轉基因技術、細胞工程學和克隆技術，還有現代醫學的腦科學研究、神經生理學、內分泌激素、免疫學、心理醫學和思維醫學，以及我們祖國傳統醫學中的針灸學、經絡學說、氣功和推拿按摩學等等，這些都已不同程度地揭示了機體內的一些信息過程中內涵。這些探討生命過程中的信息問題，對于了解生命的本質、演化以及疾病的發生、發展和轉歸等無疑是十分重要的。因此，我們有理由相信，生物信息醫學將成為21世紀醫學科學研究和發展的主流。
2信息時代的哲學思想原則與方法
19世紀和20世紀初，我們把它稱為工業化的時代。在工業化時代，牛頓力學有力地支撐了對立統一的哲學思想原則，也使我國古代就已形成的“物生有兩，體分左右，皆有二也”的樸素“二元論”辯證法觀念找到了近代科學的解釋。然而，牛頓力學觀察的是兩個物體之間的相互作用，是以質量和能量作為物質的兩個本源特質的。人們很容易理解，任何事物都有正反兩個方面，非此即彼，非我即敵的機械認識論觀點就是這種思想方法的極端體現。
進入20世紀后半葉，現代科學技術發展把人們推進到了信息化時代，人們遇到的諸多問題已經不可能在牛頓力學的單一因果鏈的思維平臺上獲得滿意的答案，除了對立雙方之間的力學作用之外，還必須考慮介質或者環境變化的信息作用問題。對立雙方長期斗爭的結果并不總是一個吃掉另一個，而往往是兩敗俱傷，由第三者或第三態主導局面。因此，信息時代的哲學思想原則應該是至少要考慮三個最基本的要素而不是兩個。比如：物質、能量和信息；元序、有序和自序；整體、局部和媒介；主體、對象和環境；正態、負態和零態；宏觀、微觀和中觀等等。現已知曉：物質、能量和信息是人類可利用的三大基本的戰略資源。整個世界包括我們的人體，是由物質、能量和信息三者所共同構成的。因此，一位美國科學家曾經說過這樣一首詩，他說：“沒有物質的世界是一個虛無的世界；沒有能量的世界是一個死寂的世界；沒有信息的世界則是一個混亂的世界”。可見，物質、能量和信息這三者是缺一不可。物質可以被加工成材料，為工具準備形體；能源可以被轉換為動力，為工具注入活力，驅動機器運轉；信息則可以被提煉成為知識和智慧，為工具和機器提供智能指令。在這三種資源之中，物質相對直觀；信息資源相對抽象；而能量資源則介于兩者之間：人類認識世界的規律是由直觀而至抽象，這就決定了一個極為有趣的生產力發展進程。在農業時代，人們主要利用物質一種資源來制造人力工具(稱為一維工具、死工具)，這種“物質”又全部取之于自然環境；在工業時代，人類進一步學會了高效地利用能量資源，并把它與材料結合起來制造動力工具(稱為二維工具、活工具)物質和能量大顯身手、大出了風頭，使我們看到了電燈代替油燈，汽車代替了馬車。到了信息化時代，人類又學會了利用信息資源，并把它與物質和能量結合起來制造智能工具(稱為三維工具、聰明工具)，也使我們看到計算機代替生產線上的工人。也因此在信息時代，大量的下崗和失業是在所難免的。
由此可見，人類的生產活動，實際上是通過能源的開采、運輸和變換，作用于各種物質，使之發生物理的和化學的種種變化，使之成為人們所需要的各種產品。這種能量流和物質流的結合程度，取決于信息流的注入程度。我們人類的醫療實踐活動似乎也遵循了這一發展規律，在原始的農業時代，人們的醫療手段主要是靠自然醫療和天然藥物醫療。那時只能憑借自然界的現有條件來同疾病作斗爭。到了工業時代，人類也就掌握了運用化學藥物和切開手術醫療手段來戰勝疾病，這些正是將物質和能量的結合利用。那么，到了信息化時代，人類也將會把信息導入醫療實踐活動，并把他作為一種新的診斷和治療手段，或與藥物和手術結合起來應用，使其醫療手段更加先進和完善。在工業化時代，人類對自然資源的過度開采和大量索取，造成了有些資源短缺、物種的滅絕和環境的嚴重污染或破壞等，已使人類飽償大自然對人類的懲罰。同樣，現代醫學由于大量使用化學藥物和手術切除或置換修補，致使藥源性和醫源性疾病的發生和泛濫。也使人們也償到苦頭，并感到了恐慌。把生物信息資源導入醫療實踐，將很有可能改變這一不利局面。
我們知道，在生產力體系中，物質、能量為實體因素，而信息是非實體因素。信息對物質和能量起著結合和控制作用。沒有信息的參與，物質和能量無法正常發揮作用，生產就混亂而無法進行，除了這種“結合”和“控制”作用外，信息還起到放大或倍增作用――即信息可以憑借它“攜帶”的科技和經濟知識、管理智慧，使物質和能量十倍、百倍甚至千倍地產生效益。一旦人們掌握了新的技術信息和管理知識，就可以創造發明新的工具；利用新的能源，掌握控制先進的生產程序，就可以十倍、百倍地提高勞動生產率。同樣的道理，將信息作為一種診斷和治療手段或要素參與醫療實踐，無疑將可以降低化學藥物的用量和手術的創傷使療效成倍的提高；甚至可以免去不必要的手術和化學藥物的應用，使治療效果更加穩定、可靠，副作用也更小。
總之，在信息時代，人們對信息的本質和作用的認識也越來越深刻。并受到廣泛的重視，傳統哲學的二元論思想原則已受到挑戰。一種以“物質、能量和信息”三基元的哲學指導思想正在起著主導作用。這種新的哲學思想認為：任何事物都是由三個具有正交完備性的最基本的要素構成的，比如熱力學有三定律，機械學有三定律，生物學也有三定律(遺傳、變異、自然淘汰)，現代交叉科學有老三論(控制論、信息論、系統論)，新三論(協同論、突變論、耗散結構論)，有三個基本原理，彩色電視中有三基色原理，任何事物可能都是由物質、能量和信息三個基本要素的完整體現，任何事物(包括機體)的組織形態也可能都存在著無序、有序和自序這三種極端模式等等。這種“三基元論”的哲學指導思想原則，無疑將改變我們對所有自然科學的研究方法和認識論觀點。
我們知道，西方近、現代自然科學受英國啟蒙科學家培根(R．Bac。n，1220～1292)的巨大影響，拋棄了古代科學家習慣使用的思辯方法，強調“實驗方法”和“數學”的偉大作用，倡導一種直觀形象的思維方法或模式，采用一種實證方法來進行驗證。也就是我前面所提到的科學界所信奉的“結構決定功能”科學思想觀念。因此，在18世紀以來，實驗和觀察成為所有自然科學的主要研究途徑和人類認識客觀世界的第一位的最重要實踐活動。并進而將現代科學技術推進到一個很高的水平。
現代醫學(西醫)正是在這種哲學指導思想和科學發展的背景下得以取得了巨大發展的。其思維模式是以具體(個體)的形象思維為主導的，即將其分割后進行驗證，運用形象的邏輯推理的方式，來找到或發現有可能的因果關系。因此現代醫學(西醫)較偏重于局部的組織結構和功能的研究，而對于整體的宏觀信息調控的考慮則相對較少，如解剖學、細胞學、組織胚胎學、分子生物學、病理學、細菌學、生物化學等，這些學科都是從不同的角度，通過實驗方式進行研究和觀察。它注重和強調具體的人體物質結構和形態的存在形式。與此正好相反，我們傳統的中醫學卻仍然堅守著古代哲學的思辯方法，即是從復雜的整體環境和現象中尋找規律，通過比類取象的方法，對物質世界進行一種抽象的概括或綜合歸納。因此，中醫學偏重于整體的宏觀研究和經絡信息網絡的調節機能，是以整體的、運動的、辯證的觀點在活的機體上來認識人體，依據“天人同理” 原理，采取比類取象的方法，以自然和社會的規律及現象來類比觀察人體與疾病。如中醫的陰陽五行學說、形氣神理論、天人合一理論、五運六氣和臟象學說等，都是我國勞動人民在長期的生產和生活實踐中測天觀地、比類取象，并引伸到人體的生老病死中，以整體的抽象思維方式概括而成的。同樣，針灸學中的經絡學說也是古人根據人體復雜的“氣”感和穴位效應等機體信息變化現象而抽象概括描述出來的。
這兩種不同的思維模式也就導致中西醫兩種截然不同的理論體系。現代醫學因拋棄了抽象的思辯方法，因而在認識上就不夠全面了，這也是現代醫學不能完全取代傳統中醫學的原因。信息時代的“物質、能量和信息”三基元論的哲學指導思想原則將使我們重新調整對人體的認識方法和醫學的研究方法。前面說過，物質是具體而形象，而信息相對抽象；能量則介于兩者之間。因此，西醫的形象思維和中醫的抽象思維模式都只能是認識論的一個方面的，都有一定的片面性或局限性。如果將它們結合起來作為醫學的一種新的認識研究方法，即形成第三種思維方法――維象思維模式，我想我們醫學的發展就會有較大的突破，中西醫兩種醫學也就可能真正結合到一起。我們所提出的生物信息醫學正是以這種新的哲學指導思想原則和維象思維模式為指導，它將會使我們傳統中醫學的一些抽象理論和神奇的治療方法得以挖掘和科學的闡析。因此可以說，信息科技時代將是我們傳統中醫學得以振興和科學解析的時代。
3生物信息醫學存在的歷史和發展現狀
3．1傳統中醫學中的信息醫療方法和思想：《靈樞•官能篇》日：“語徐而安靜，手巧而心審諦者，可使行針艾……緩節柔筋而心和調者，可使導引、行氣”。這就是說在傳統的針灸和按摩治療中，已體現出了一種樸素的信息醫療思想觀念。它對從事針灸的施術者(醫生)提出了要修心養性，語言和藹，施術時要安靜，注意意念集中，以便達到最佳的信息調節治療效果。對從事氣功推拿的要求是：應加強修煉，使動作柔緩、心理調和，這也是強調意念信息的調理作用。還有針灸針的針柄也給了我們一個很好啟示，針柄上的“線圈”不應單單只是為提插捻轉的方便而設計。這種金屬“線圈”還當然具有接收和傳導生物信息的功能，它可接收術者的意念信息或外界環境的某些信號并傳導給被施術的病人體內。從而達到一種生物信息的調節治療，因此針灸療法實質上是一種信息刺激調節療法。所以，我們可以這樣來認為：藥物治療主要是給機體補充“能量”以增強機體的抗病能力，是一種“能量”治療，而手術的切除、修補或置換是對機體物質結構形態的改變，是一種物質治療方法。那么，針灸、推拿治療則主要是運用信號刺激和傳輸而達到調節生物“信息”節律為目的的信息醫療思想和方法。這也正是這類療法的抽象神奇之所在，因信息的調控機制尚未被揭示，所以，只知其然而暫時不知其所以然。盡管針灸早已引起世界各國科學家的關注并成為研究的熱點，但從信息論的角度來研究還只是近幾年的事。例如：隨著山東大學張穎清教授對生物全息律的發現和全息生物學的創立。針刺療法的信息映射傳輸反應也從一定的程度上得到一些提示和發展，隨之也就有全息胚針灸學的出現。我們堅信，隨著生物信息學的研究深入，針刺的治病和鎮痛機制將會得到科學的解釋和進一步的發展。
不僅僅如此，我國勞動人民在醫療養生保健活動中，還積累和創造了其它很多寶貴的“信息療法”。如：心理療法、思維療法、物境療法、生物鐘療法、生理饑餓療法、睡眠療法、想象療法、信念療法、靜思療法、善美療法、閱讀療法、技藝療法、音唱療法、笑罵療法、暗示療法、音樂療法、幽默療法、認識行為療法、精神分析療法。還有在臨床上經常使用的氣功療法、埋線療法、刮痧療法、灸法等等。另外，在中醫診斷學中的切脈就是一種很抽象的“信息”診斷法，它是通過對脈搏的動態信息變化來進行分析、推測和辯證診斷的。在中藥治療學中，是很強調中藥性味的歸經和配伍的，其中藥味的甘、辛、苦、寒，其實就是一種可以傳輸給機體的信息，并通過經絡信息網絡傳遞給所要治療的臟腑器官。而現代的中成藥幾乎是完全去掉了中藥的味，只取其性，因而其效果大打了折扣，所以對中藥進行化學提純或深加工，并不一定是很理想的選擇。
中醫的經絡學說一直是科學界關注和廣泛研究的課題，科學家一直試圖想找到它的物質結構形態。可最終所得到的不是神經，就是血管，要不就是網織的膠原纖維組織，根本沒有屬于經絡自身的物質結構或組織，其實，如果我們按照中醫學“天人同理”思想，將經絡與現代的信息網絡類比，就不難明白，現代通信網絡是由不同的地域(局域網)、系統網、有線網和元線網等通信子網互聯而成的一個很大而且開放的通信網絡。并且還有電信網、廣播電視網和計算機網等三大異質網絡系統。它們的傳輸途徑和媒介有光纖傳輸、電纜傳輸、衛星傳輸、地面微波接力傳遞等等，還可以互相轉換信號，如：模數或數模轉換等。我們的神經系統、血液循環系統，就如同有線通信子網，機體還存在一個無線通信子網，如：內分泌激素、免疫系統等。這些機體通信子網的互聯通訊就構成了一個人體完整的信息網絡系統。所以，我們可以把經絡系統理解為神經系統、血液循環系統、內分泌激素、免疫系統、細胞間的聯系等組織、器官和系統的信息子網的互聯，即人體信息的互聯網絡。
中醫的相生相克理論認為，機體的五臟六腑、四肢百骸都存在著相互化生和相互制約的關系。中藥的配伍也存在其相生相克的關系。世界的萬事萬物都存在著相生相克的關系。所以，機體(個體)與機體之間也有一個相生相克的關系。這種相生相克其實就是一種生物信息的相互生成或互相沖突(干預)。因而，在臨床醫療過程中，我們可能會發現這樣的一個現象：對同樣一個人，兩個針灸師采用的是同樣的施針方法，選擇的也是同樣的穴位，可是達到的效果卻不一樣。這種情況一般認為是由于針灸師的臨床經驗不同而造成的。其實這里面也應該存在一個機體之間生物信息的相生相克機制問題。如果一個針灸師的生物信息場與病人的信息場是相克的關系，那么他對病人進行針刺信息調節治療，其效果肯定是不理想，甚至可能還會加重病情。同樣，施行氣功導引和推拿的醫師也存在這種現象。還有，同一名醫師，他在不同的時期行醫，也可能表現出在不同時期雖然采用的診治方法一樣，但臨床診治效果卻不同。這可能是這名醫師在不同時期，因自身的身體狀況和精神因素變化而造成的生物信息動態變化所致。其一定時期的生物信息可能剛好與那些病人的生物信息場相生，所以治療效果好。而另外某一個時期的生物信息場不好，正好與病人相克，所以治療效果不佳。其實，這也反應了中醫學要求行醫者必需注意個人修練，保持心靜、氣調、神清的醫德思想境界。
中醫的臟象學說中的“象”是指什么?所謂“象”就是臟腑所表現出的動態的時空信息變化，即“時空信息花樣”。中醫學的“形、氣、神”正好與我們所說“物質、能量和信息”是一一對應的。只是中醫學缺乏對現代科學知識的引入，加之信息科學發展較晚，以致無法揭示“神志”的內涵致使中醫學顯得有些神秘摸測，甚至有的人還對他的科學性表示懷疑。隨著生物信息學的研究和發展并逐步引入中醫學的研究中，相信一定會使中醫學重新大放光彩。
中國的氣功科學盡管還有不少疑點，但確能強身治病，這是舉世公認的。氣功強調“調心”、“調神”、“調息”、“以意領氣”、“意念觀想”等。這可能都是強調用意念和精神因素來調節或控制神經、免疫、內分泌等信息經絡系統，使其達到健身、治病和提高生活質量的目的。在氣功文獻和氣功醫學實踐中，有跡象表明(當然還不是證實)大腦中想象的愿望、狀態、圖景、符號、口決、童趣，以及想象的動作、行為、刺激、過程等，都可通過經絡信息系統的調控作用而影響人體生理活動，并可強身治病。這與西方醫學和心理學中的“摸擬情緒”影響免疫和內分泌功能有著異曲同工之妙。
3．2現代醫學中所體現出的信息醫療思想和方法：過去人們流行的觀點是“生命在于運動”，并把死亡的標志確定為以呼吸的停止、心臟的停跳為標志。隨著近幾十年來腦科學的研究與發展，人們對于腦在整個機體中的重要地位的認識已日益深刻。腦是人體的信息中樞，人體的各個組織、器官和系統都受它的調節和控制。科學研究顯示，人類大腦工作時，大腦的神經細胞會從大腦以外的細胞那里搜集信息，并把這些信息綜合起來作出判斷，然后再輸出指令，讓人體的某些部位做出相應的反應。對于端起一杯咖啡這一簡單的動作，就需要幾百萬個神經細胞的協調工作。美國國立老年研究所使用計算機控制的電子顯微鏡測定，經常用腦的老年人腦細胞比一些中年人還多。國外學者通過調查5000名已故的運動員后發現，他們當中多數人的壽命短于一般人。美國學者馬勞斯在研究不同職業者的壽命時也發現，超級球星和優秀拳擊運動員的壽命比學術上有成就的學者、專家平均短8~83歲，究其原因是因為長時間進行劇烈運動會使人體的新陳代謝長期處于旺盛狀態，縮短了人體細胞分裂的周期，從而加快了機體器官組織的磨損與衰老。而經常使用大腦的人，由于大腦的信息調控作用，使機體各部位的協調運動，保持動靜平衡，進而達到延年益壽。據此，有人將“生命在于運動”的命題引伸為“生命在于腦運動”。并且現代醫學對死亡標志作了新的認定，即腦死亡是人死亡的主要標志。因此，人體健康首先是應該腦的健康和運動。
現代醫學也已充分地注意到了心理、精神和社會因素對健康和疾病的影響，例如：心理和精神因素對心臟病、高血壓、胃潰瘍、糖尿病和癌癥等均有很大影響。于是，就有了心理醫學、思維醫學和身心醫學的提法，并運用心理療法來配合這些疾病的治療。對癌癥的病人一般不直接告知患者本人的患病情況，只告知其家人――這在醫學上稱為“善意的謊言”，目的是不要讓患者的心理負擔過重，否則，精神就會夸掉。身心醫學就是研究社會、心理和精神等因素與疾病發生與發展關系的一門醫學新學科。國外已有人證明，心理刺激可通過氧化自由基而損傷DNA。
人類文明在進步的同時也給人類帶來了許多新的文明病。其中以“大腦信息”失控或失調所致的精神心理障礙性疾病最為突出。據世界衛生組織的統計數字，全世界約有5億人患者有不同程度的精神錯亂，有5200萬人患有嚴重精神病，約有1．5億人患神經官能癥，3000萬人患癲癇。加上患有精神過敏癥和其它心理障礙的人數，估計已占到總人口的20％以上。對于這些精神心理性疾病，現代醫學的藥物或手術療法已顯得力不從心了，只能采用心理療法或思維療法等信息調適方法，也有人把目光投向傳統的中醫、針灸、氣功等信息療法。從而也使我們看到了這些樸素的信息醫療方法對于現代文明病的攻克，顯示出了廣闊的發展前景。
在現代醫學的診斷學中，心電圖和腦電圖的檢測技術，其實就是一種探觸大腦和心臟動態信息的檢測技術；現代分子生物學已揭示了基因遺傳信息的編碼和控制蛋白質合成的信息鏈板；腦科學的研究也從一定程度上揭示了大腦進行信息搜集、加工、分析、處理并發出信息指令的部分原理；神經生物學、內分泌和免疫學則揭示了一部分機體信息交換、傳輸和產生反應的機制。隨著生物信息學的研究和發展，現代醫學在上述這些研究領域一定會取得更大突破和進展。
4生物信息醫學的發展前景
“電腦”是人們對電子計算機的俗稱，表現了人們的一種愿望――使計算機像人類大腦一樣工作。這種仿生技術的發展和應用，必將對腦科學和機體信息調控機制的研究產生巨大促進作用。
迄今為止，科學家們已經模擬出了神經系統的一連串的活動規律，并據此編制出了相應的計算機程序；美、英科學家已合作成功研制出了世界上第一個硅神經元――一種能夠模仿生物大腦細胞信息處理功能的微型芯片。這種面積只有01平方毫米的芯片的工作速度，比同樣大小的生物神經細胞的工作速度還要快l00萬倍；與此同時，日本三菱電機公司也已開發出了每秒可達800億次的神經元芯片，這一成果把神經元芯片記憶一個字符所需的時間縮短到了萬分之三秒。神經細胞是神經系統的基本單元，它采用電子工作方式。硅神經元在模擬神經細胞時，其電子特性和神經細胞一樣能夠獨立運行，有自己的“行為規范”，不受控制者的“指揮”。因此，從理論上說，幾百萬個芯片就可以組成一個功能強大的“人造大腦”，科學家還研制成了生物芯片，生物芯片傳遞信息的速度比人類大腦還要快l00萬倍。同時，當芯片出現故障時，它可以自我修補，成為一種半永久性的器件。
神經元芯片和生物芯片的獲得，為生物計算機――仿生電腦研究帶來了勃勃生機。而與之相關的神經元網絡研究上的突破，更使生物計算機的研究大大向前推進了一步。神經元網絡是科學家們在神經科學、心理生理學研究的基礎上發展的，它具有聯想記憶、相似性識別和分類、誤差較正、時序保留和概括等功能。當神經元網絡之間高度連接時，會引起并行機制而使神經元集團具有獨特的計算性質，如同人腦的一些高級思維和信息處理或控制功能。試想，生物計算機技術對揭示人類的大腦和生物信息節律的調控機制將會起到多么關鍵的作用，對于大腦疾病、神經官能癥、精神和心理障礙以及癲癇等疾病的有效診治，其為期難道還遠嗎?
如今人們常常是，“談癌色變”因為癌癥的確困擾醫學很久了，盡管有了很多新藥的研究開發以及手術的改進，但這些并非是醫治癌癥的良方或萬全之策。在生物信息醫學時代，我們很有可能找到醫治它的良方，比如：依據生物信息原理，我們可以研究“修復”癌細胞缺損或變異的信息密碼技術，也就是對癌細胞進行“重新教育”使之“改邪歸正”，或者是恢復對癌癥等病灶的正常生物信息指令控制。這就好比怎樣平息一個“地區”的“獨立判亂”一樣，其武力解決(病灶切除)并非是上策，通過說服教育，使人心歸順，才能算得上對該地真正收復。另外，對于一些組織器官或系統的功能紊亂，可以使用模擬相應的生物信息(信息編程)儀器或電子信息藥丸，并設法讓它進入該信息系統進行調節控制，使之恢復其生物信息節律的平衡。這種同疾病作斗爭的方式的確如同“現代戰爭”(大家可能看過電視劇《突出重圍》……)。在現代戰爭中，“電子信息戰”已越來越突出而重要，與常規武器和生化武器等的協同作用威力也是越來越大。《孫子兵法》中云：“不戰而屈人之兵，乃上之上策也”。這不正是信息戰的偉大之處嗎。同樣，我們未來的醫療實踐，也必將是以生物信息調節為先導，或將信息調控、藥物治療及手術治療結合起來以達到協同作戰的最佳效果。所以，我們不難預想21世紀的醫療實踐將是一個更加先進和完美的生物信息化的醫療時代，或者可以簡稱之為“信息醫學”時代。
[關鍵詞]生物 制藥 新技術 探析
中圖分類號：TQ460.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）01-0274-01
生物技術藥物（biotechdrugs）或稱生物藥物（biopharmaceutics）是集生物學、醫學、藥學的先進技術為一體，以組合化學、藥學基因（功能抗原學、生物信息學等高技術為依托，以分子遺傳學、分子生物、生物物理等基礎學科的突破為后盾形成的產業。
一 生物制藥技術
目前生物制藥主要集中在以下幾個方向：
1、腫瘤。在全世界腫瘤死亡率居首位，美國每年診斷為腫瘤的患者為100萬，死于腫瘤者達54.7萬。用于腫瘤的治療費用1020億美元。腫瘤是多機制的復雜疾病，目前仍用早期診斷、放療、化療等綜合手段治療。今后10年抗腫瘤生物藥物會急劇增加。如應用基因工程抗體抑制腫瘤，應用導向IL-2受體的融合毒素治療CTCL腫瘤，應用基因治療法治療腫瘤（如應用γ-干擾素基因治療骨髓瘤）。基質金屬蛋白酶抑制劑（TNMPs）可抑制腫瘤血管生長，阻止腫瘤生長與轉移。這類抑制劑有可能成為廣譜抗腫瘤治療劑，已有3種化合物進入臨床試驗。
2、神經退化性疾病。老年癡呆癥、帕金森氏病、腦中風及脊椎外傷的生物技術藥物治療，胰島素生長因子rhIGF-1已進入Ⅲ期臨床。神經生長因子（NGF）和BDNF（腦源神經營養因子）用于治療末稍神經炎，肌萎縮硬化癥，均已進入Ⅲ期臨床。美國每年有中風患者60萬，死于中風的人數達15萬。中風癥的有效防治藥物不多，尤其是可治療不可逆腦損傷的藥物更少，Cerestal已證明對中風患者的腦力能有明顯改善和穩定作用，現已進入Ⅲ期臨床。Genentech的溶栓活性酶（Activase重組tPA）用于中風患者治療，可以消除癥狀30%。
3、自身免疫性疾病。許多炎癥由自身免疫缺陷引起，如哮喘、風濕性關節炎、多發性硬化癥、紅斑狼瘡等。風濕性關節炎患者多于4000萬，每年醫療費達上千億美元，一些制藥公司正在積極攻克這類疾病。
4、冠心病。美國有100萬人死于冠心病，每年治療費用高于1170億美元。今后10年，防治冠心病的藥物將是制藥工業的重要增長點。Centocor′sReopro公司應用單克隆抗體治療冠心病的心絞痛和恢復心臟功能取得成功，這標志著一種新型冠心病治療藥物的延生。
基因組科學的建立與基因操作技術的日益成熟，使基因治療與基因測序技術的商業化成為可能，正在達到未來治療學的新高度。轉基因技術用于構造轉基因植物和轉基因動物，已逐漸進入產業階段，用轉基因綿羊生產蛋白酶抑制劑ATT，用于治療肺氣腫和囊性纖維變性，已進入Ⅱ，Ⅲ期臨床。大量的研究成果表明轉基因動、植物將成為未來制藥工業的另一個重要發展領域。
二 生物制藥發展分析
未來生物技術將對當代重大疾病治療劑創造更多的有效藥物，并在所有前沿性的醫學領域形成新領域。
生物學的革命不僅依賴于生物科學和生物技術的自身發展，而且依賴于很多相關領域的技術走向，例如微機電系統、材料科學、圖像處理、傳感器和信息技術等。盡管生物技術的高速發展使人們難以作出準確的預測，但是基因組圖譜、克隆技術、遺傳修改技術、生物醫學工程、疾病療法和藥物開發方面的進展正在加快。
除了遺傳學之外，生物技術還可以繼續改進預防和治療疾病的療法。這些新療法可以封鎖病原體進入人體并進行傳播的能力，使病原體變得更加脆弱并且使人的免疫功能對新的病原體作出反應。這些方法可以克服病原體對抗生素的耐受性越來越強的不良趨勢，對感染形成新的攻勢。
除了解決傳統的細菌和病毒問題之外，人們正在開發解決化學不平衡和化學成分積累的新療法。例如，正在開發之中的抗體可以攻擊體內的可卡因，將來可以用于治療成癮問題。這種方法不僅有助于改善癮君子的狀況，而且對于解決全球性非法貿易問題具有重大影響。
各種新技術的出現有助于新藥物的開發。計算機模擬和分子圖像處理技術（例如原子力顯微鏡、質量分光儀和掃描探測顯微鏡）相結合可以繼續提高設計具有特定功能特性的分子的能力，成為藥物研究和藥物設計的得力工具。藥物與使用該藥物的生物系統相互作用的模擬在理解藥效和藥物安全方面會成為越來越有用的工具。例如，美國食品藥物管理局（FDA）在藥物審批的過程中利用DennisNoble的虛擬心臟模擬系統了解心臟藥物的機理和臨床試驗觀測結果的意義。這種方法到2015年可能會成為心臟等系統臨床藥物試驗的主流方法，而復雜系統（例如大腦）的藥物臨床試驗需要對這些系統的功能和生物學進行更為深入的研究。
藥物的研究開發成本目前已經高到難以為繼的程度，每種藥物投放市場前的平均成本大約為6億美元。這樣高的成本會迫使醫藥工業對技術的進步進行巨大的投資，以增強醫藥工業的長期生存能力。綜合利用遺傳圖譜、基于表現型的定制藥物開發、化學模擬程序和工程程序以及藥物試驗模擬等技術已經使藥物開發從嘗試型方法轉變為定制型開發，即根據服藥群體對藥物反應的深入了解會設計、試驗和使用新的藥物。這種方法還可以挽救過去在臨床試驗中被少數患者排斥但有可能被多數患者接受的藥物。這種方法可以改善成功率、降低試驗成本、為適用范圍較窄的藥物開辟新的市場、使藥物更加適合適用對癥群體的需要。如果這種技術趨于成熟，可以對制藥工業和健康保險業產生重大影響。
三 結語
總之，綜合多學科的努力，通過新技術的創立可以大大拓寬發明新藥的空間，增加發明新藥的機遇與速度。因為這些手段可以尋找快速鑒定藥物作用的靶，更有效地發現更多新的先導物化學實體，從而為發明新藥提供更加廣闊的前景。
關鍵詞：中西醫結合療法;腎臟疾病; 體會
【中圖分類號】R692.505 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-3783(2012)05-0086-01
1 中西醫結合治療慢性腎臟病的優勢
1.1 “中西醫結合要源于中醫，而高于中醫;源于西醫，而高于西醫”。這才是中西醫結合的目標，也是中西醫結合的優勢所在。如難治性腎病綜合征在使用潑尼松、細胞毒劑、血管緊張素轉化酶抑制劑、血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑等治療的同時，再結合雷公藤多苷、火把花根片或中藥湯劑等中西醫結合療法，其療效較單純中醫或西醫療法顯著提高。中藥還可明顯減輕大劑量激素引起的醫源性柯興綜合征副反應，減輕環磷酰胺引起的消化道反應及骨髓和性腺功能的抑制。中西醫對疾病不同階段的治療，各有優勢和劣勢，中西醫結合能取長補短，使病人得到一體化的治療。如IgA型腎病表現為單純性血尿時，西醫無特異性療法，中醫湯劑加火把花根或雷公藤多苷有比較好的療效;在表現為中等蛋白尿和血尿時，以小劑量激素、ACEI加中藥湯劑或雷公藤多苷有比較好的療效;在大量蛋白尿時，則以大劑量激素、ACEI加中藥湯劑、雷公藤多苷或火把花根治療;出現細胞性新月體時，則以大劑量激素沖擊治療;出現慢性腎衰竭(CRF)1、2期時，以中藥湯劑口服、中藥保留灌腸及中藥熏洗，同時配合減輕腎臟“高灌注、高濾過、高壓”的ACEI和ARB等治療;到尿毒癥期以替代治療為主，中藥配合改善營養等中西醫結合治療為輔。中西醫結合在疾病各個不同階段切入，各施所長才能得到最佳的一體化治療。
1.2 判斷疾病預后，提高治療敏感性。例如，腎病綜合征不同的病理類型都可以表現脾腎陽虛證型，而微小病變的脾腎陽虛證對治療反應好，預后好，局灶節段硬化的脾腎陽虛證對治療反應差，預后差。西醫診斷下的中醫辨證，提高了中醫對腎病預后的認識。中西醫結合治療慢性腎臟病同時也存在的問題和困惑：中藥的成分復雜，經過炮制、配伍、煎煮和體內代謝后，成分的變化更是不得而知。因此，中藥很難用單一指標去考察其療效，作用機制不明。中醫學的特點是辨證論治，其“證”的研究是中醫基礎理論的核心，是中醫現代化的瓶頸。
2 中西醫結合治療慢性腎臟病的前景
2.1 中西醫結合治療腎病的報道很多，療效也比較好，但現在還沒有中西醫結合治療CKD的優化方案出臺。國家“十一五”科技支撐計劃已經開始資助中醫腎病臨床優化方案的研究，另外，建議政府衛生行政部門、科技部門以及企業以各種形式支持中西醫結合腎病優化方案的研究，為編寫中西醫結合防治腎病指南提供證據，為政府和衛生行政部門的決策提供依據，為行業診治CKD提供最有效的方法，提高腎病的診療水平。研究優化方案時，需注意以下問題。為使臨床試驗信息透明化，提高研究的社會公信度，請在臨床試驗開始前，在世界衛生組織的國際臨床試驗注冊平臺認證的臨床試驗注冊中心注冊;為優化出最佳的方案，請在做優化方案時，先將專家的經驗在協作組內討論，并在協作組外征求中醫腎病專家、西醫腎病專家、腎臟病理專家、免疫學專家、藥理學專家、統計學專家、醫學經濟學專家、倫理委員會以及護理學專家的意見。
2.2 優化方案制定后，進行多中心、大樣本、隨機盲法對照臨床試驗，客觀評價其方案的療效和安全性。第一次臨床試驗結果出來后，針對臨床試驗存在的問題，將方案再優化再試驗直至優化出滿意的方案;CRF應按原發病進行單病種優化研究。CRF是多種病因引起的臨床綜合征，病因不同，其進展的機制和速度不一樣，臨床療效和預后也存在差異。因此，CRF應按其原發病分類進行優化研究。另外，原發性腎病綜合征和慢性腎小球腎炎也要按病理類型進行單病種優化方案的研究。利用系統生物學的方法，探索中醫腎本質的研究 。
2.3 系統生物學是由基因組學、蛋白質組學、代謝組學、相互作用組學、表型組學及生物信息學等組成，通過生物信息學把基因、蛋白質、代謝產物及表型等橫向的研究結果整合起來，采用系統綜合的思路和手段從整體水平上動態地對一個集合體的存在特征、活動規律和相互聯系加以描述。中醫傳統理論最具特色的就是整體觀和辨證觀，與現代的系統生物學思路不謀而合。以功能基因組學和蛋白質組學為核心的系統生物學方法，將為中醫腎虛證本質的研究提供科學的手段。
3 結論
中華醫學會腎臟病分會已經在媒體開展宣傳，舉行講座，組織普查，但還有待其他相關學會及政府部門積極行動起來，加大宣傳，引起社會的廣泛重視，并組織專業人士參與大規模尿常規普查。建議及早建立我國在臨床廣泛應用檢測腎小球濾過率的方法，對可能引起慢性腎臟病的住院病人和體檢者進行GFR評價;對高血壓病、糖尿病、痛風等引起繼發性腎臟病的因素及早進行預防;對已有腎臟病要積極干預治療，防止腎損害的進展。
生物化學工程（又叫生化工程或生物化工）是化學工程與生物技術相結合的產物。生物化工是生物技術的重要分支。與傳統化學工業相比，生物化工有某些突出特點：①主要以可再生資源作原料；②反應條件溫和，多為常溫、常壓、能耗低、選擇性好、效率高的生產過程；③環境污染較少；④投資較小；⑤能生產目前不能生產的或用化學法生產較困難的性能優異的產品。由于這些特點，生物化工已成為化工領域重點發展的行業。
1.世界生物化工行業的現狀
生物化工發展至今已經歷了半個多世紀，最早主要是生產抗生素；隨后，是為氨基酸發酵、舀體激素的生物轉化、維生素的生物法生產、單細胞蛋白生產及淀粉糖生產等工業化服務。自20世紀80年代起，隨著現代生物技術的興起，生物化工又利用重組微生物、動植物細胞大規模培養等手段生產藥用多肽、蛋白、疫苗、干擾素等。而且，生物化工的應用已涉及到人民生活的方方面面，包括農業生產、化輕原料生產、醫藥衛生、食品、環境保護、資源和能源的開發等各領域。隨著生物化工上游技術——生物工程技術的進步以及化學工程、信息技術（IT）和生物信息學（bioinformatics）等學科技術的發展，生物化工將迎來又一個嶄新的發展時期。
生物化工行業經過50多年的發展，已形成了一個完整的工業體系，整個行業也出現了一些新的發展態勢。下面簡要描述生物化工行業的現狀。
1．1工業結構
由于生物化工涉及面廣，涉及的行業多，所以從事生物化工的企業較多。據報道，90年代中期，美國生物化工企業有：000多家，西歐有580多家，日本有300多家。近年來，雖然由于行業競爭日趨激烈，生物化工企業有較大幅度減少，但與生命科學（主要指醫藥和農業生化技術）諸侯割據的局面相比，生物化工行業依然是百花齊放，百家爭鳴。既有象諾華、捷利康等從事生命科學的世界性大公司，也有象DSM、諾和諾德等大型的精細化工公司，當然也有在某一方面有專長的小公司如Altus等。而且，由于世界大公司正把注意力向生命科學部分轉移，生物化工行業百花齊放的局面在很長一段時間內不會有什么改變。
1．2產品結構
傳統的生物化工行業主要是指抗生素（如青霉素等）、食品（如酒精、味精等）等行業，而在目前，它已幾乎滲透到人民生活的各方面如醫藥、保健、農業、環境、能源、材料等。同時，生物化工產品也得到了極大的拓展：醫藥方面有各種新型抗生素、干擾素、胰島素、生長激素、各種生長因子、疫苗等；氨基酸和多肽方面有賴氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、蘇氨酸、脯氨酸等以及各種多肽；酶制劑有160多種，主要有糖化酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、青霉素酶、過氧化氫酶等；生物農藥有Bt、春日霉素、多氧霉素、井崗霉素等；有機酸有檸檬酸、乳酸、蘋果酸、衣康酸、延胡索酸、已二酸、脂肪酸、卜酮戊二酸、l亞麻酸、透明質酸等。還有微生物法1，3．丙二醇、丙烯酞胺等。
目前，全球生物化工年銷售額在400億美元左右，每年約以7％～8％的速率增長。從產品結構來看，生物化工領域生產規模范圍極廣，市場年需求量僅為千克級的干擾素、促紅細胞生長素等昂貴產品（價格可達數萬美元／g）與年需求量逾萬噸的抗生素、酶、食品與飼料添加劑、日用與農業生化制品等低價位產品（部分價格不到：美元／g）幾乎平分秋色。高價位的產品市場份額在50％～60％，低價位的產品市場份額在40％～50％。而且，根據近年來生物化工的發展趨勢及人們對醫藥衛生的重視來看，高價位產品的發展速率高于低價位產品。
1．3技術水平
生物化工經過80年代以后的蓬勃發展，不僅整個行業技術水平有大幅度提高，而且許多新技術也得到廣泛應用。
1．3．1發酵工程技術已見成效
據估計，全球發酵產品的市場有120～130億美元，其中抗生素占46％，氨基酸占16.3％，有機酸占13．2％，酶占10％，其它占14．5％。發酵產品市場的增大與發酵技術的進步分不開。現代生物技術的進展推動了發酵工業的發展，發酵工業的收率和純度都比過去有了極大的提高。目前世界最大的串聯發酵裝置已達75m＼許多公司對發酵工藝進行了調整，從而降低了生產成本。如ADM（ArcherDanie1sMid1and）和Cargill公司在20世紀90年代初對其發酵裝置進行改造，將以碳水化合物為原料的生產工藝改為以玉米粉為原料，從而降低了生產成本，ADM公司生產的賴氨酸成本比原先降低了一半。
1．3．2酶工程技術有了長足的進步
酶工程技術包括酶源開發、酶制劑生產、酶分離提純和固定化技術、酶反應器與酶的應用。目前世界酶制劑從酶源開發到酶的應用都已進入了良性發展階段，各階段生產企業和用戶關系密切，合作廣泛。據報道，1998年全球工業酶制劑的銷售額為13億美元，預計到2010年將增長到30億美元，每年以6．5％的速率增長。其中食用酶占40％，洗滌用酶占33％，其它（主要是紡織、造紙和飼料等用酶）占27％。
1．3．3分離與純化技術也有很大進步
影響生化產品價格的因素，首當其沖的是分離與純化過程，其費用通常占生產成本的50％～70％，有的甚至高達90％。分離步驟多、耗時長，往往成為制約生產的“瓶頸”。尋求經濟適用的分離純化技術，已成為生物化工領域的熱點。已大規模應用的分離純化技術有：雙水相革取、新型電泳分離、大規模制備色譜、膜分離等。
1．3．4上游技術廣泛應用于下游生產
利用基因工程技術，不但成倍地提高了酶的活力，而且還可以將生物酶基因克隆到微生物中，構建基因菌產生酶。利用基因工程，使多種淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、氨基酸合成途徑的關鍵酶得到改造、克隆，使酶的催化活性、穩定性得到提高，氨基酸合成的代謝流得以拓寬，產量提高。隨著基因重組技術的發展，被稱為第二代基因工程的蛋白質工程發展迅速，顯示出巨大潛力和光輝前景。利用蛋白質工程，將可以生產具有特定氨基酸順序、高級結構、理化性質和生理功能的新型蛋白質，可以定向改造酶的性能，從而生產出新型生化產品。
1．3．5新技術在生物化工中也得到了極大的應用
比如，在超臨界液體狀態下進行酶反應，從而大大降低酶反應過程的傳質阻力，提高酶反應速率。超臨界C02無毒、不可燃、化學情性、易與反應底物分離。利用超臨界CO2取代有機溶劑進行酶反應，具有極大的發展潛力。又比如，微膠羹技術已被廣泛用于動物細胞的大規模培養、細胞和酶的固定化以及蛋白質等物質的分離方面。
2．世界生物化工行業的發展趨勢
2．1工業結構
行業與行業間的劃分將日趨模糊，企業間的合作將加大。目前，許多從事醫藥、農業、環境、能源等方面生產的企業，正在從事生物化工生產。特別是某些從事傳統化工行業的生產廠家，也紛紛涉足生物化工領域。如杜邦公司，長期以來主要從事有機化工和聚合材料的生產，現在正加大生物化工的開發力度，已開發成功了生物法生產1,3-丙二醇工藝，并正在開發用改性大腸桿菌生產己二酸工藝。DSM公司以前主要從事抗菌素方面的生產，現也加大了生物化工的投資力度。
由于生物化工涉及面廣，許多生化公司都有自己的專長，它們之間為了商業利益的合作也非常活躍。此外，隨著從事傳統行業的生產廠家的加入，由于技術與生產方面的原因，它們與從事生物化工開發與生產的企業合作也很頻繁。所有這一切，都使生物化工行業的合作越來越廣泛。如杜邦公司與杰寧科樂公司合作開發用生物法生產1，）丙二醇，進一步生產PTT樹脂。荷蘭的Purac公司與美國Cagill公司合資建設年產3．4萬tL。乳酸裝置，并計劃進一步發展到6．8萬V入DSM公司與美國Maxygen公司簽定了三年的研究合同，以利用Maxygen的DNA重排和分子培養技術，開發在7一ADCA和其它青霉素生產中使用的酶和菌種。
2．2產品結構
生物化工產品正向專業化、高科技含量、高附加值方向發展。傳統的低價位產品受到冷落，而高價位產品如生化藥物、保健品、生化催化劑等則備受青睞。許多公司為了追求較高利潤，都將低附加值的產品剝離。如日本武田藥品工業公司不再生產味精，轉而生產其它高附加值的調味品如肌甘酸二鈉（IMP）和鳥甘酸二鈉（GwtP）。另外，生物化工將涉足它以前很少涉足的領域如高分子材料和表面活性劑等。
生化藥物由于附加值高而成為今后生物化工領域發展的重點。1997年生化藥物市場銷售額達130億美元，其中細胞分裂素80億美元，激素30億美元，其它20億美元；就具體藥物而論，促紅細胞生長素35億美元，人胰島素18億美元，粒性白細胞克隆刺激因子16億美元，人生長激素15億美元，小干擾素11億美元。預計今后其市場銷售額還將以8％的速率增長。
在氨基酸方面，雖然用于藥物合成氨基酸的量相對較小，但其發展潛力很大。據報道，500種主要藥物中，有18％含有氨基酸或其衍生物的合成。在藥物合成中，使用最廣泛的是L。脯氨酸、r苯甘氨酸和r對羥基苯甘氨酸。L。脯氨酸用于血管緊張素轉化酶（ACE）的合成，匹苯甘氨酸和r對羥基苯甘氨酸用于抗生素的合成。另外，多肽也是今后的發展重點之一。多肽是指有2以上氨基酸用肽鍵組成的化合物，在臨床上使用非常廣泛，主要用于治療癌癥、HIV病毒和兔疫系統功能減退、對傳統抗生素產生抗體的感染以及疫苗等。全球合成多肽原藥的產量在100kg左右，但銷售額達2．5億～3億美元，而做成制劑的銷售額則達25億～30億美元。多肽原藥需求量的年增長率在10％以上。
碳水化合物方面，用于臨床的碳水化合物受到人們越來越多的關注。但是，用于臨床的碳水化合物結構復雜，如一對單糖，其不同的化學鍵就多達22種。因此，用化學法合成復雜的碳水化合物比較困難，難以實現工業化，而用酶法合成則是一條切實可行的途徑。
作為生化催化劑的酶，也將是今后發展的重點。1997年，生化用催化劑銷售額約1．3億美元，在過去的3～5年間，每年增長速率在8％～9％，預計在未來的3～5年間，將以同樣速度增長。生化催化劑主要用于手性藥物的合成。當前，手性藥物已成為國際新藥研究與開發的新方向之一。
1997年手性藥物制劑世界市場的銷售額為879億美元，占藥品市場的28．3％，到2000年將達到900億美元。在未來的25年內，約有一半的手性藥物要通過生化催化合成，因此，生化催化劑無論從需求量和需求種類來看，都具有很大的發展潛力。
生化表面活性劑由于具有無毒、生物降解性好等優點，今后可能成為表面活性劑的升級換代產品，但目前還處于探索階段。
生物化工在高分子材料、特殊化學品、生物晶片、環保等方面也將有極大的發展潛力。
2．3技術水平
不斷提高菌株活力、發酵水平、生化反應過程、分離純化水平，依然是生物化工面臨的課題。
在菌種開發方面，由于從20世紀70年代以來從自然界中篩選菌種以獲得新的代謝產物的機會明顯減少，人們便考慮利用已知菌種經適當改變其代謝特性后生產新的產品。如日本協和發酵公司已成功地把生產谷氨酸的菌種改為生產色氨酸。
在生化反應器方面，反應器放大一直是一個老大難的問題。因此，利用計算機技術對整個生化反應過程進行數字化處理，從而優化反應過程，是今后的發展方向之一。
在分離純化方面，親和層析受到廣泛重視，并有人研制了一種綜合專家系統軟件包，可在幾分鐘內告知對方被分離物系的分離方法和順序，以便根據產品所需進行取舍。
另外，在生化過程的在線檢測和控制方面，利用生物傳感器和計算機監控，依然是今后的發展方向。
在酶催化反應中將發展有機溶劑中的催化反應。
生物上游技術的發展，將對生物化工產生深遠影響。人們對從病毒、細菌、植物、動物到人類基因組順序測定工作十分重視，并在此基礎上形成了基因許多產品一哄而上，盲目上馬，遍地開花，最終形成惡性競爭，許多企業破產倒閉。在競爭中生存下來的企業，也是元氣大傷，難以進一步組織技術改造。如僅江蘇省停產的發酵生產線就多達上百條。另外，行業內企業間的生產水平相差懸殊，企業技術裝備水平達到20世紀80年代以后國際先進水平的僅占20％～30％，多數處于20世紀60～70年代水平。
二是產品結構不合理，品種單一，低檔次產品重復生產，不能適應需求。在我國高檔的醫藥生化產品如激素、生長因子、干擾素、藥用多肽等，有的產量很小，有的沒有生產，因此每年都需進口。
三是在生產技術上，工藝、設備不配套，上下游技術不配套，產物的收得率低。我國雖然某些產品如檸檬酸、乳酸等發酵水平較高，但大多數產品的收率都低于國外，酶制劑的活力也明顯低于國外，生化反應器和分離純化技術更是落后國外15～20年。每年都要花費大量資金從國外進口生物反應器、細胞破碎機、分離純化設備及分離介質、生物傳感器和計算機監控設備。
四是有些產品投入產出比達15／＝以上，造成嚴重的資源浪費和環境污染。
五是基礎研究薄弱，技術創新能力不強，企業的技術開發、技術吸收能力差，生產發展多數依靠傳統的夕蜒型、粗放型擴大投資的增長模式，效益低、市場競爭力低。
3．2建議針對我國生物化工行業存在的問題，筆者有以下建議：
3．2．1擴大經濟規模，提高競爭力要鼓勵建設大型的生物化工企業集團公司，使之集科研、開發、生產、銷售干一體。尤其要培育一批科技創新型企業。同時，也要鼓勵在某些方面有一定特色的小型技術創新型生化公司的發展，并淘汰一批生產規模小、生產技術落后、沒有市場競爭力的企業，從整體上優化我國生物化工的產業結構。
3．2．2調整產品結構要發展高檔產品，如高檔醫藥生化產品、功能性食品及添加劑（主要有低熱值、低膽固醇、低脂肪、提高免疫功能、抗炎、抗癌等產品）、生化催化劑等。另外，也應發展眾多精細化工產品及用化學法無法生產或很難生產的產品，如微生物多糖、生物色素、工業酶制劑、甜味劑、表面活性劑、高分子材料等。
3．2．3節約有限資源，強化環境保護在生化生產組學（genomics）。近年來又在信息學（informatics）的基礎上建立了生物信息學（bioinformatics）。信息學的內容包括信息科學十生物技術十生物工程十生物動力學等的綜合信息系統。可以預見，基因組學和生物信息學在生物化工中應用的商業前景極為可觀。
另外，其它行業的新技術如分子蒸餾技術、組合化學（combinatoricalchemistry）等，也將在生物化工中得到應用。
3.我國生物化工的發層現狀及建議
3．1發展現狀
我國生物化工行業經過長期發展，已有一定基礎。特別是改革開放以后，生物化工的發展進入了一個嶄新的階段。目前生物化工產品也涉及醫藥、保健、農藥、食品與飼料、有機酸等各個方面。
在醫藥方面，抗生素得到迅猛發展61998年我國抗生素的產量達到33486h青霉素的產量居世界首位。其它生化藥物中，初步形成產業化規模的有干擾素、白細胞介素。2、乙型肝炎工程疫苗。
在農藥方面，生物農藥品種達12種，主要有蘇云金桿菌、井崗霉素、赤霉素等。其中，井崗霉素的產量居世界第一位。
在食品與飼料方面，作為三大發酵制品的味精、檸檬酸、酶制劑的產量也有很大的增加／1998年味精產量從1990年的22．3萬、增加到56．4萬一檸檬酸產量從1990年的6．13萬、增加到56．4萬一酶制劑從1990年的8．5萬t增加到24萬t。酵母及淀粉糖的產量也有明顯增加。我國的味精生產和消費居世界第一，檸檬酸的生產和出口也居世界第一。另外，1998年乳酸的產量在1．5萬t左右，賴氨酸的產量在2萬t左右，卜蘋果酸的產量在6000t。
在有機酸方面，衣康酸的產量達5000乙我國開發的生物法長鏈二元酸工藝居世界領先地位，目前生產能力達500Va以上，并有數家企業有建設長鏈二元酸生產裝置的意向。
在保健品方面，我國已能用生物法生產多種氨基酸、維生素和核酸等。另外，我國生物法丙烯酞胺的生產能力達到2萬V山與日本同處于世界領先地位。
但是與發達國家相比，我國生物化工行業存在著許多問題：
一是我國的生物化工產業主要以醫藥、輕工、食品業為主。部分企業對生物化工產品大都是精細化工產品這一點了解不夠，加之行業規范也不夠，導致過程中，應選擇合適的原料，以降低成本與消耗，并加強廢物處理，減少環境污染。
3．2．4提高生產技術水平，特別是下游技術水平因為我國生物技術上游技術水平與國外相差僅3～5年，而下游技術水平則比國外相差15年以上，改造傳統發酵產品生產技術，不斷提高發酵法產品的生產技術水平，開發生物反應器，提高我國生物化工產品分離和提純技術，大規模開發生物化工裝備等應首先提上議事日程。另外，還應積極采用微生物法代替化學法，開發基礎化工新產品的工業化生產技術。
3．2．5加強產學研結合，注重上下游結合國內生物化工技術力量分散，為了做到優勢互補，應加強產學研結合。另外在生物化工生產過程中遇到的很多問題，都是由于上、下游結合不夠緊密而影響技術經濟指標。因此，在人力和財力的投入上，應考慮上下游結合，以加快生物化工產業的發展。
由于人體與疾病的復雜性，不可預測性，非常適合人工神經網絡的應用。目前的研究幾乎涉及從基礎醫學到臨床醫學的所有方面，主要應用于生物信號的檢測與自動分析，醫學專家系統等。
在麻醉與危重醫學相關領域的研究涉及到多生理變量的分析與預測，從臨床數據中發現一些尚未發現或尚無確切證據的關系與現象，信號處理，干擾信號的自動區分檢測，各種臨床狀況的預測，單獨或結合其他人工智能技術進行麻醉閉環控制等。
在圍術期和重癥監護與治療階段，需要獲取大量的信息，將可能在信號處理、基于動態數據驅動的輔助決策專家系統、數據挖掘、各種臨床狀況的預測、智能化床旁監護、遠程醫療與教學、醫療機器人等各方面廣泛運用到人工神經網絡技術和其他人工智能技術。
一、概述
人工神經網絡（artificial neural network, ann）是人工智能(artificial intelligence, ai)學科的重要分支。經過50多年的發展，已成為一門應用廣泛，涉及神經生理學、認識科學、數理科學、心理學、信息科學、計算機科學、微電子學等多學科交叉、綜合的前沿學科。WWw.133229.CoM
現代計算機的計算構成單元的速度為納秒級，人腦中單個神經細胞的反應時間為毫秒級，計算機的運算能力為人腦的幾百萬倍。可是，迄今為止，計算機在解決一些人可以輕而易舉完成的簡單任務時，例如視覺、聽覺、嗅覺，或如人臉識別、騎自行車、打球等涉及聯想或經驗的問題時卻十分遲鈍。也不具備人腦的記憶與聯想能力，學習與認知能力，信息的邏輯和非邏輯加工能力，信息綜合判斷能力，快速的高度復雜信息處理速度等。
造成這種問題的根本原因在于，計算機與人腦采取的信息處理機制完全不同。迄今為止的各代計算機都是基于馮*紐曼工作原理：其信息存儲與處理是分開的；處理的信息必須是形式化信息，即用二進制編碼定義；而信息處理的方式必須是串行的。這就決定了它只擅長于數值和邏輯運算。而構成腦組織的基本單元是神經元，每個神經元有數以千計的通道同其他神經元廣泛相互連接,形成復雜的生物神經網絡。生物神經網絡以神經元為基本信息處理單元, 對信息進行分布式存儲與加工, 這種信息加工與存儲相結合的群體協同工作方式使得人腦呈現出目前計算機無法模擬的神奇智能。
人工神經網絡就是在對人腦神經網絡的基本研究的基礎上，采用數理方法和信息處理的角度對人腦神經網絡進行抽象，并建立的某種簡化模型。一個人工神經網絡是由大量神經元節點互連而成的復雜網絡,用以模擬人類進行知識的表示與存儲以及利用知識進行推理的行為。一個基于人工神經網絡的智能系統是通過學習獲取知識后建立的,它通過對大量實例的反復學習,由內部自適應機制使神經網絡的互連結構及各連接權值穩定分布，這就表示了經過學習獲得的知識。
人工神經網絡是一種非線性的處理單元。只有當神經元對所有的輸入信號的綜合處理結果超過某一門限值后才輸出一個信號。因此神經網絡是一種具有高度非線性的超大規模連續時間動力學系統。它突破了傳統的以線性處理為基礎的數字電子計算機的局限，標志著人們智能信息處理能力和模擬人腦智能行為能力的一大飛躍。
近20年來，神經網絡的軟件模擬得到了廣泛研究和應用，發展速度驚人。1987年在圣地亞哥召開了首屆國際神經網絡大會，國際神經網絡聯合會(inns)宣告成立。這標志著世界范圍內掀起神經網絡開發研究熱潮的開始。
二、醫學領域應用現狀與前景
由于人體與疾病的復雜性，不可預測性，在生物信號與信息的表現形式、變化規律（自身變化與醫學干預后變化），對其檢測與信號表達，獲取的數據及信息的分析、決策等諸多方面均存在大量復雜的非線性關系，非常適合人工神經網絡的應用。目前的研究幾乎涉及從基礎醫學到臨床醫學的所有方面，主要應用于生物信號的檢測與自動分析，醫學專家系統等。
1、信號處理：
在生物醫學信號的檢測和分析處理中主要集中對心電、腦電、肌電、胃腸電等信號的識別，腦電信號的分析，聽覺誘發電位信號的提取，醫學圖像的識別和數據壓縮處理等。
2、醫學專家系統
醫學專家系統就是運用專家系統的設計原理與方法, 模擬醫學專家診斷、治療疾病的思維過程編制的計算機程序, 它可以幫助醫生解決復雜的醫學問題, 作為醫生診斷、治療的輔助工具。 “傳統”的專家系統，通過把專家的經驗和知識以規則的形式存入計算機中，建立知識庫，用邏輯推理的方式進行醫療診斷。但一些疑難病癥的復雜形式使其很難用一些規則來描述，甚至難以用簡單的語言來表達；專家們常常難以精確分析自己的智能診斷過程。另一方面，基于規則的專家系統，隨著數據庫規模的增大，可能導致組合爆炸，推理效率很低。由于人工神經網絡能夠解決知識獲取途徑中出現的“瓶頸”現象、知識“組合爆炸”問題以及提高知識的推理能力和自組織、自學習能力等等, 從而加速了神經網絡在醫學專家系統中的應用和發展。
sordo比較了采用不同網絡結構和學習算法的神經網絡在診斷胎兒唐氏綜合征(down’s syndrome) 上的成績。正確分類率為84 %, 超過了現今所用的統計方法的60 %～70 % 的分類率。
臺灣deu科技（德亞科技）開發的計算機輔助檢測系統rapid screentm rs-2000為全世界最先通過美國fda認證的早期肺癌輔助診測系統。該產品采用人工智能神經網絡ann，自動標識數字胸片中可疑結節區。經臺灣和美國的臨床實驗，可使放射專家檢測t1期肺癌的能力明顯提高(潛在提升約15 %以上)。
degroff等使用電子聽診器和人工神經網絡制造了一種儀器，它可正確地區分兒童生理性和病理性雜音。用電子聽診器記錄的兒童心音，輸入能識別復雜參數的ann，分析的敏感性和特異性均達100%。
3、其他：
生物信息學中的研究中可應用于基因組序列分析、蛋白質的結構預測和分類、網絡智能查詢等方面。
藥學領域廣泛應用于定量藥物設計、藥物分析、藥動/藥效學等方面。例如：用于預測藥物效應。veng-pederson用神經網絡預測阿芬太尼對兔心率的影響，對用藥后180-300分鐘的藥物效應取得了較好的預測結果（平均相對預測準確度達78%）。分析群體藥動學數據，以獲知群體藥動學特征和不同人口統計因子對藥物行為的影響，對臨床用藥具有指導意義。
4、麻醉與危重醫學相關領域的研究
手術室和icu內是病人信息富集的地方，而且大量的信息處在動態變化中，隨著醫學技術的飛速進步，所能獲取的信息越來越多，醫護人員面臨著“信息轟炸”。神經網絡技術可以很好地幫助我們應對這些問題。例如：
1）可以用于分析多個生理變量之間的關系，幫助研究其內在的關系，或預測一些變量之間的關系：perchiazzi在肺損傷和正常的豬容量控制機械通氣中，用ann估計肺順應性的變化，不需要中斷呼吸，與標準方法相比誤差很小。
2）結合數據挖掘技術，可能從海量數據庫例如電子病歷系統中，發現一些尚未發現或尚無確切證據的關系與現象：buchman 研究了神經網絡和多元線形回歸兩種方法，用病人的基本資料、藥物治療差異和生理指標的變化預測在icu延遲（>7天）。
3）信號處理：ortolani等利用eeg的13個參數輸入ann，自行設計的麻醉深度指數ned0-100作為輸出，比較ned與bis之間有很好的相關性；
4）干擾信號的自動區分檢測：jeleazcov c等利用bp神經網絡區分麻醉中和后檢測到的eeg信號中的假信號，是傳統eeg噪音檢測方法的1.39-1.89倍。
5）各種臨床狀況的預測：laffey用ann預測肌肉松弛藥的殘留，發現明顯優于醫生的評估，還有用于預測propfol劑量個體差異的，預測術后惡心、嘔吐，預測全麻后pacu停留時間，預測icu死亡率等較多的研究。
關鍵詞 分子腫瘤學；研究型教學；教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X（2013）12-0081-02
近年來，惡性腫瘤已成為嚴重威脅國民健康的重要疾病之一。在全球范圍內，每年新發癌癥患者約1000多萬，死亡700多萬。我國每年新發病例也逐步提升，如何有效防治惡性腫瘤已成為醫學界面臨的時代難題[1]。世界各國政府紛紛大力投入，積極探索新技術、新方法，使腫瘤學研究得到飛速發展。
分子腫瘤學是生物學與醫學的交叉學科，是將分子生物學技術應用于腫瘤相關基因及其表達產物的研究中，進而闡明腫瘤的發生、發展及其本質，為腫瘤的預防、診斷和治療提供新措施。北京工業大學生命科學與生物工程學院以抗腫瘤藥物的研發為學科發展方向，但隨著現代生物技術發展的日新月異，原有的一些腫瘤學基礎知識已不能完全滿足當前科研的發展需求。為適應生物前沿技術發展趨勢，有力地推動生物技術向多專業滲透，促進邊緣交叉學科領域的發展，學院首次為研究生開設分子腫瘤學這門課程，主要從分子水平上深入闡述腫瘤學研究的新進展，并結合學院研究生培養目標和課程建設的要求，對該課程教學內容、教學方法以及考核方式等方面進行嘗試與探索。這一舉措必將促進學院在生物領域和醫學領域的科學研究和學科建設。
1 以腫瘤基礎研究為背景確立課程教學內容
隨著我國醫學模式的轉變以及全球性衛生重點的轉移，腫瘤的防治研究成為科教興國戰略的重要組成部分，不論是腫瘤發生發展的分子機制，還是臨床腫瘤診斷治療，都取得長足進步[1]。
北京工業大學生命科學與生物工程學院生物醫學工程專業以探究腫瘤發生發展機制、抗腫瘤藥物開發以及基因治療等為主要研究方向，與醫學腫瘤專業相比，在定位和針對性方面都有較為鮮明的特色。學院研究生大多數具有生物學等工科背景，掌握分子生物學、細胞生物學、免疫學及病毒學等豐富的理論知識，在基礎研究方面具有優勢，但缺少一定的臨床腫瘤學知識。因此，分子腫瘤學這門課程的開設不同于醫學院傳統的臨床腫瘤學課程，而是著重以腫瘤基礎研究為背景，拓寬研究領域，深化研究層次。授課內容涉及腫瘤發生發展分子機制及其基因治療、分子藥靶、腫瘤表觀遺傳學等相關領域，以及腫瘤干細胞、miRNA、RNA干擾、蛋白質組學和生物信息學等前沿領域，從基因層面探討腫瘤發生機制和有效的治療措施。在此基礎上，進一步發現新的腫瘤標志物，用于腫瘤的早期預測與防治。
2 以研究型教學為主導確立課程教學方法
研究生的課程教學處于從本科時期的知識學習型階段向課題研究型階段過渡的重要時期，是研究生培養過程中的一個基礎環節。因此，這就決定了研究生課程教學不應僅僅只是本科式的知識傳授的延續，而應是知識傳授與科研能力培養并重。但當前高校教學中仍以傳統的灌輸式教學方法為主，師生交流與互動少，只適于簡單的傳授知識，不利于培養研究生自主學習和科研創新能力。
2.1 轉變觀念意識，優化課程設置
為了更好地增強教學效果，培養學生的綜合能力，在開設分子腫瘤學課程之初就積極轉換教學觀念，以研究型教學為主導，結合課程的基礎性與前沿性，優化課程設置，確立新的教學模式[2]。根據學校的研究生培養目標，制定出一套適應研究生教育的教學大綱，既滿足研究生的知識需求，又能反應出學科水平和發展趨勢。在整個教學過程中，以學生為中心，教師發揮組織和引導作用，根據課程具體內容、學生知識背景及理解能力等因素，充分激發學生的主動性與積極性。
在課程設置中，沒有采用固定的教材形式，而是根據學生背景知識的差異，結合當前生物前沿技術在腫瘤學領域的研究趨勢，采用啟發式、講座研討式的教學方式，有目的性地開展授課。課程內容主要分為三部分：
第一部分著重介紹一些腫瘤學相關基本知識，包括細胞生物學如細胞結構與功能、分子生物學如腫瘤的分子標志物等基礎知識，既照顧了那些基礎薄弱的學生，同時給基礎好的學生進行了復習；
第二部分重點從細胞周期與凋亡、細胞信號轉導、血管生成、侵襲轉移、耐藥性等方面闡述腫瘤的癌變機制和腫瘤惡性演進機制；
第三部分介紹腫瘤的分子診斷、預防與治療等內容與研究進展。
在授課中，從激發學生的創新思維目的出發，鼓勵研究生參與課堂討論，并結合學院一些學術前沿講座，通過學術報告和學術交流，使學生更廣泛拓寬學術視野，提高綜合科研水平。
2.2 研究型教學在課堂中的實踐
研究型教學是在教師的啟發指導下，以學生獨立自主學習和合作討論為前提，以教學中的難點重點內容、有爭議的學術問題或學科前沿問題為研究內容，通過學生查閱資料、獨立鉆研和認真思考展開課堂討論和交流，使不同的學術觀點相互碰撞、交流與補充[3]。
分子腫瘤學屬于腫瘤學領域的前沿學科，知識更新快，教材不能涵蓋最新的研究內容，因此在授課過程中不能以單一的教材作為參考資料。在教學之前提前做好研究性學習，從同行認可度高的期刊中查閱相關領域的最新研究文獻，不斷更新知識，在課堂上根據授課內容適時引入這些新技術新方法，既豐富了教學內容，又調動了學生的科研興趣。
分子生物學、細胞生物學是腫瘤研究的基礎，教學內容涵蓋的知識點多、涉及面廣，新技術與新方法的出現日新月異。如在給學生介紹細胞信號轉導這章內容時，課前根據學生研究興趣與方向設定一些知識點與問題，讓學生課后分組查閱相關文獻，準備PPT在課堂交流學習。如選擇一個信號通路，查閱該通路包括的知識點，如蛋白種類、特點及調控功能，思考該通路在腫瘤生成中發揮怎樣的機制？是否有其他小分子如miRNA的參與等？學生課后準備充分，結合自己今后的研究方向，積極探索與發現問題，在課堂交流中活躍，既豐富了課堂教學內容，又促進了對新知識的學習。
此外，還注重將本學院的研究成果融入教學過程中，如在介紹病毒與腫瘤這章內容時，為學生介紹學院科研小組對艾滋病、宮頸癌、食管癌等腫瘤病的研究進展與研究成果；在講細胞生物學時，結合本實驗室在干細胞領域的研究思路與研究進展，為學生介紹干細胞包括腫瘤干細胞、IPS細胞的特征及其在臨床中的應用前景。這樣讓學生更全面了解本學院的研究現狀與發展趨勢，為今后進實驗室開展研究工作奠定基礎。
3 完善課程考核方式
課程考核是課程質量的重要內容，以多種形式考核指標來完善考核方式。在分子腫瘤學的課堂教學中，主要從課堂出勤、論文撰寫、專題討論三方面加以評估。其中專題討論和論文撰寫分別占總成績的70%。在研究生的培養中，文獻查閱是研究生從事科學研究非常重要的一個環節，學生可以在查閱、積累、梳理資料中消化、理解知識，并與相關知識融會貫通，運用各種知識解決實際問題。因此，撰寫某一個感興趣領域的研究進展論文是考核的重要內容之一。論文統一按照期刊發表的格式來撰寫，考評內容包括論文格式的規范性、選題的新穎性、文獻的代表性等。
專題討論部分的考評主要通過學生對文獻的理解程度，包括能否把握文獻的核心內容，能否提出自己對文獻研究內容的完善建議。同時，學生學術交流水平也納入成績考核部分，包括多媒體課件的制作、學術表述的流暢性和學術交流過程的應對能力。這樣既可以考核學生查閱文獻的能力，同時可以鍛煉撰寫論文的能力。
4 結束語
腫瘤的分子生物學研究一直是生命科學和醫學研究的熱點，尤其是癌基因的研究。隨著科學技術的發展，生物芯片、RNA技術、表觀基因組學及生物信息學等分析方法逐漸成為腫瘤研究的一種高效手段，使研究者更深入地了解疾病發生的分子機制，掌握癌基因特異性的分布規律，揭示基因信號內在的生物學意義，有力地促進腫瘤學的發展，為腫瘤的臨床治療奠定基礎。
北京工業大學生命科學與生物工程學院專門為生物技術專業研究生開設分子腫瘤學這門課程，旨在為工科院校培養側重于腫瘤學基礎研究的復合專業型人才。在教學中轉變教學觀念，引入研究型教學模式，把研究的意識、思維、觀點與方法融入教學中，強調對知識學習的自主性與探究性，注重學習過程中研究生的實踐與體驗[4]。在課堂教學中根據課程性質、教學內容和學生特點，創造性地進行教學設計，激發學生的科研興趣，有利于全面培養研究生的綜合創新能力。
參考文獻
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[2]王文靜.中國教學模式改革的實踐探索：“學為導向”綜合型課堂教學模式[J].北京師范大學學報：社會科學版，2012（1）：
18-24.
一、引言
隨著近年來醫學的不斷發展，遇到的新情況新問題越來越多，對醫學技術的進步的要求越來越高，在這樣的復雜情況下，轉化醫學便應運而生。
轉化醫學，顧名思義就是在醫學領域開展轉化技術，這個名詞演化自20世紀90年代的轉化研究，不過由于比較復雜，情況多變，迄今還沒有公認的轉化醫學的定義。是指一類醫學研究，能夠很好地將基礎研究與解決患者實際問題結合起來，將基礎研究的成果“轉化”為實際患者的疾病預防、診斷和治療及預后評估。
其基本特征是多學科交叉合作，針對臨床提出的問題，深入開展基礎研究，研究成果得到快速應用。實現從“實驗室到床邊”的轉化又從臨床應用中提出新的問題回到實驗室(，為實驗室研究提出新的研究思路。轉化醫學就是倡導從實驗室與臨床研究的雙向轉化(BtoB模式)。藥物研究也同樣是轉化醫學的重要內容，轉化醫學研究成果成為新藥研發的引擎。轉化醫學概念一經提出，并踐行之后，獲得了較好的反響，得到了人們的歡迎和支持。
二、轉化醫學的誕生
轉化醫學的提出其實和當時的社會背景有關，這主要源于當年NIH迫于來自社會的壓力。20世紀末NIH每年的研究經費高達200多億美元，但美國人卻在追問，發明了那么多的新技術，積累了那么多新的知識，發表了那么多的高水平論文，為什么人們的健康狀況并沒有得到顯著改善。由此，針對這種情況，NIH積極研發，提出了轉化醫學的概念，旨在讓基礎知識向臨床治療轉化，促進健康水平的提升。
轉化醫學的主要目的就是要打破基礎醫學與藥物研發、臨床及公共衛生之間的固有屏障，在其間建立起直接關聯;從實驗室到病床，把基礎研究獲得的知識成果快速轉化為臨床和公共衛生方面的防治新方法。轉化醫學致力于彌補基礎實驗研發與臨床和公共衛生應用之間的鴻溝，為開發新藥品、研究新的治療方法開辟出了一條具有革命性意義的新途徑。轉化醫學是“從實驗臺到臨床”的一個連續、雙向、開放的研究過程。
轉化醫學是一個致力于克服基礎研究與臨床和公共衛生應用嚴重失衡的醫學發展的新模式，其核心是在從事基礎醫學發現的研究者和了解患者需求的醫生、以及衛生工作者之間建立起有效的聯系，特別集中在分子基礎醫學研究向最有效和最合適的疾病預防診斷、治療和預防模式的轉化。
三、轉化醫學的主要內容
轉化或轉化醫學是將基礎醫學研究和臨床治療連接起來的一種新的思維方式。那么他都具體研究些什么呢?它是近兩三年來國際醫學健康領域出現的新概念，同個性化醫學、可預測性醫學等一同構成系統醫學，包括系統病理學、系統藥物學、系統診斷與綜合治療等的體系。建立在基因組遺傳學、組學芯片等基礎上的生物信息學，同系統醫學理論與自動化通訊技術之間的互動密切，加快了科學研究向工程應用轉變的產業化過程，應用于醫藥學也將導致基礎與臨床之間的距離迅速縮短。
并且隨著臨床醫學情況的不斷變化，和形勢的變化發展，轉化醫學還有更廣泛的意義，包含了更多的內容，從患者出發開發和應用新的技術，強調的是患者的早期檢查和疾病的早期評估。在現代的醫療中，我們看到研究進程向一個更加開放的、以患者為中心的方向發展，以及對于從研究出發的醫學臨床實踐的包容。
傳統的基礎研究與臨床實踐被一系列的障礙分隔，這些障礙就像“籬笆墻”。新藥的研發隔離于臨床在實驗室中進行，而當需要進行安全測試和臨床試驗時才不可避免地被“扔過籬笆”。許多制藥公司正在建立轉化醫學團隊，來增強基礎研究和臨床醫學的溝通。
從上述定義可以看出，轉化醫學主要是倡導以患者為中心，從臨床工作中發現和提出問題，由基礎研究人員進行深入研究，然后再將基礎科研成果快速轉向臨床應用，基礎與臨床科技工作者密切合作，以提高醫療總體水平。因此轉化醫學研究主張打破以往研究課題組單一學科或有限合作的模式，強調多學科組成課題攻關小組，發揮各自優勢，通力合作。
四、當代研究成果
在世紀臨床應用過程中，轉化醫學也取得了一系列可喜的研究成果，比如以美國和歐洲國家為例。早在上世紀，歐盟為健康相關的研究計劃投入60億歐元，英國國家健康研究院便建立了綜合性和專科性的生物醫學研究中心，在進入新世紀之后，從2007年開始，5年中將提供超過4.5億英鎊，用于資助11個生物醫學研究中心進行轉化醫學研究。另外，2006年5月初，蘇格蘭與惠氏制藥公司合作，投資近5000萬英鎊啟動了世界上第一個轉化醫學合作研究中心，在磁共振和體外受精領域都取得不凡的成績。
而在科技領域一向不屈居人后的美國成績也十分讓人羨慕，1946 年，美國科學家費利克斯·布洛赫和愛德華?珀塞爾發現了磁共振現象，但將這一成像技術引入臨床卻經歷了漫長的時間。1973年，美國科學家保羅·勞特布爾發現在靜磁場中使用梯度場能夠獲得磁共振信號的位置，從而可以得到物體的二維圖像。以此為基礎，英國科學家彼得·曼斯菲爾德用他發展的快速成像方法為醫學磁共振成像臨床診斷打下了基礎，推動了醫用磁共振成像儀問世。利用磁共振成像技術可以診斷一些以前無法診斷的疾病，特別是腦和脊髓的病變，可以為患者需要手術的部位進行精確定位，可以更準確地跟蹤體內病變的演變。
如今，磁共振成像儀已經成為世界普及的最重要的診斷工具之一，這是一個以“臨床應用為中心”，將基礎研究轉化成臨床診斷技術的經典范例。
五、未來發展
目前國內的轉化醫學水平在不斷提高，各地逐漸建立了轉化醫學研究所、轉化醫學中心，召開了各種轉化醫學論壇，政府也對轉化醫學高度重視。可以預見到其未來的發展前景是很好的，但是，由于我國的經濟和地域等各種限制，發展的阻力也是重重，但是新生事物的發展經歷過困難之后，一定會有所發展
相信隨著建立轉化醫學學術組織，如轉化醫學學會，并制定相應的轉化醫學的任務 ;最后創建轉化醫學期刊，創建轉化醫學基金，設立轉化醫學獎項，以促進轉化醫學人才的培養。未來的發展中一定會取得更長遠的發展，更好的造福于人類。
六、結語
作為基礎科學和臨床科學之間橋梁的轉化醫學，，從而為 21世紀醫學的發展帶來根本性改變。目前國內的轉化醫學水平在不斷提高，各地逐漸建立了轉化醫學研究所、轉化醫學中心，召開了各種轉化醫學論壇，政府也對轉化醫學高度重視。但是，我國的轉化醫學水平還與國外有著巨大的差距，而隨著我國經濟的飛速發展，公眾對醫療服務的要求也越來越高，我國醫學將面臨著更大的挑戰和嚴峻的考驗。因此，我們首先應該強化傳播轉化醫學理念，加強研究，不斷發展。
作者簡介：
隨著蛋白組學技術和生物信息技術的飛速發展，蛋白質芯片表面增強激光解吸電離飛行時間質譜（SELDITOFMS）技術應運而生，它為惡性腫瘤的早期診斷構造了一個新的技術平臺，具有高通量、高效率、高靈敏度、低創傷等特點，可以快速準確地分析標本中的蛋白質組成，在基礎醫學研究、臨床疾病診斷以及藥物研發方面顯示出廣闊的應用前景及臨床意義。本文就其技術原理和在胸部惡性腫瘤的早期診斷中的應用及發展前景做一綜述。
【關鍵詞】 胸部腫瘤 蛋白組學 SELDI TOF MS 早期診斷
蛋白組學是對動態流動因子組合的研究，當健康細胞向腫瘤細胞轉化時，就有蛋白質表達、修飾、種類、及表達部位的變化，從而影響細胞的功能，蛋白組學技術就是要準確的監測疾病過程中蛋白質的變化，探討其變化是腫瘤蛋白組學研究的重要問題。目前國內外已有不少學者應用表面增強激光解析／電離飛行時間質譜儀(surface-enhanced laser desorption／ionization timeofflight mass spectra，SELDITOFMS)技術從血清中篩選卵巢癌［1］、前列腺癌［2］、胃癌［3］等腫瘤特異性標志物，并1建立起相應的診斷模型，如：人工神經網絡模型、判別分析模型等，其檢測的靈敏度和特異性均能達到80%～100%，對于胸部腫瘤蛋白組學也有一定的研究，現就胸部腫瘤患者血清特異蛋白的表達檢測綜述如下。
1 SELDITOFMS的檢測原理
SELDITOFMS作為一種帶電粒子的質量鑒定方法，它的工作原理是采用化學或生物學的方法在蛋白芯片載體表面制作點狀芯池，每個芯池用探針修飾，形成化學表面芯片探針或生物表面芯片探針。使用時先將需要檢測的含有蛋白質的標本，如血清、尿液、腦脊液等按一定程序前期處理，然后在每個芯池內加入待測樣品，樣品中的蛋白與特定的探針結合后，在原位洗去非特異性結合及未結合的物質，再加入能量吸收劑，保留在芯片上的蛋白與能量吸收劑形成混合結晶，即可直接進行質譜檢測。質譜檢測的原理是芯池中的分析物經激光脈沖輻射解析形成電荷離子，不同質荷比(M/Z)離子在儀器場中飛行的時間長短不同，質量越輕，相對所帶電荷越多，其質荷比也就越小，飛行時間越短，檢測器即可將其最先檢測到，信號由高速的模擬數字轉化器轉化并記錄，被測定的蛋白質以一系列峰的形式呈現，這些特異的峰可看成此類疾病的蛋白指紋。SELDITOFMS分析的蛋白峰的質譜圖的橫軸表示蛋白質類型，縱軸代表蛋白質的強度和豐度，進行定量測定。整個技術流程包括蛋白芯片載體的選擇、探針的選擇及固定、待測樣品的前處理、芯片檢測、計算機處理和結果分析等步驟。利用SELDITOFMS可發現過去無法分離檢測的新的疾病蛋白質譜圖，可以將患者血清中蛋白質成分的變化記錄下來，繪制成蛋白質譜圖，并顯示樣品中各種蛋白的分子量、含量等信息，從而鑒別癌癥患者和非癌癥患者的血清蛋白質組圖譜。
2 胸部腫瘤血清檢測的研究
2.1 食管癌的研究 隨著蛋白質組學實驗技術(蛋自質芯片技術，蛋白雙向凝膠電泳技術)和計算機生物信息處理技術的迅速發展，Yasuharu Hayashida et al［4］利用SELDITOFMS對27例樣本血清進行研究（實驗組為15例治療前病理學診斷為食管癌患者，對照組為12例正常人群），以向量計算法構建蛋白質圖譜診斷模型，將診斷模型對實驗組以盲算法進行獨立檢測，發現共有859個蛋白質峰，其中一組高表達有4個質峰，M/Z分別為7420、9112、17123和12867，通過向量計算法能區分實驗組和對照組，這組質峰對實驗組進行驗證，有93.3%（14/15）的食管癌患者被正確診斷。Wang LD et al［5］利用SELDITOFMS和WCX2對130例樣本血清進行檢測（包括63例具有正常食管上皮組織，40例具有食管基底細胞增生，27例食管上皮細胞發育不良，30例食管癌患者），發現食管基底細胞增生組有一個有效蛋白峰值，質荷比（M/Z）為9306.61u；食管上皮細胞發育不良組有一個有效蛋白峰值，M/Z為13765.9u；食管癌組有兩個有效蛋白峰值，M/Z分別為2942.15u和15953.4u。分別以此建立3個決策樹診斷模型，在訓練組對三種類型診斷的敏感度分別為57.5%(23/40)、88.8%(24/27)、96.6%(29/30)，在測試組對三種類型的敏感度分別為57.5%(23/40)、66.6%(18/27)、60.0%(18/30)；在訓練組對三種類型診斷的特異度分別為96.8%(61/63)、63.4%(40/63)、92.0%(58/63)，在測試組對三種類型診斷的特異度分別為95.2%(60/63)、71.4%(45/63)、84.1%(53/63)。Yu WF et al［6］等采用CM10蛋白芯片及SELDITOFMS技術對賁門癌患者進行研究發現，檢測38例正常對照與34例賁門癌患者血清標本，在相對分子質量2000～20000范圍內，共檢測到135個蛋白質荷比峰，其中41個差異有統計學意義(P＜0.01)，通過軟件包運算，用其中3個質荷比峰(5643/45793、8570/82126、15940/1533、M/Z)建立了賁門癌血清蛋白指紋圖診斷模型，其建立的診斷模型可以有效區分賁門癌和健康人，并且準確度可達93.06%，敏感度可達85.29%，特異度可達100%，陽性預測值可達100%。
張紅蕾等［7］用金屬親和表面(IMAC3)芯片和表面增強激光解析/電離飛行時間質譜儀(SELDITOFMS)檢測44例食管鱗癌患者、42例正常人血清的蛋白質質譜，用食管鱗癌患者與正常人質荷比為M9479.43的一種蛋白質建立的決策樹分類模型，在學習模式下44例食管鱗癌患者中有43例被正確診斷，42例正常人有40例被診斷正常，診斷準確率為96.5％(83/86)，敏感性和特異性分別為97.7％(43/44)、95.2％(40/42)；在檢測模式下44例食管鱗癌患者中有42例被正確診斷，42例正常人中有40例被正確分組，敏感性和特異性分別為95.4％(42/44)、95.2％(40/42)。Liu CZ et al［8］收集68例食管鱗癌患者和44例正常對照的血清，其中建模型組90例（55例為食管鱗癌，35例為正常對照），盲法篩選組22例（13例為食管鱗癌，9例為正常對照）。采用固定金屬親和表面芯片，經SELDITOFMS測定得到蛋白質譜，通過軟件比較兩組人群的血清蛋白質譜的差異，經生物信息學分析得到決策樹模型并進行盲法驗證。發現在質荷比（m/z）1.5～20ku范圍內，共檢測到78個有效蛋白峰，其中25個峰差異有統計學意義(P＜0.001）。對建模型組的蛋白質譜數據，通過1000次隨機抽樣，得到1000個決策樹，結合3倍交叉證實方法，構建了“食管鱗癌正常對照”分組診斷的20個決策樹模型。用這20個決策樹來對22個盲法篩選樣本進行歸類預測，預測正確的樣本為18個，盲法驗證的靈敏度為92.31%，特異度為66.67%。通過上述對食管癌患者的血清中蛋白改變的研究，可能尋找到與食管癌相關的特異血清蛋白標志物，這些特異標志物的發現將有助于提高食管癌早期診斷率，也能為在食管癌高發地區進行大規模人群普查提供一個簡便、快速的和痛苦少的篩查方法。
2.2 支氣管肺癌的研究 Zhukov TA et al［9］用質譜分析法對3523例肺癌和肺癌前病變病理細胞群的蛋白譜區別的研究發現，與正常細胞相比，腫瘤細胞在17KD～23KD質譜范圍內有3個峰明顯上調，17.3KD的峰在任何正常組織中都未檢測到，而在非典型性腺瘤樣增生細胞中表現為低水平升高。表明這些蛋白標志物可以用于肺癌高危人群的篩選和肺癌對化學抑制劑反應的監測。Xiao XY et al ［10］采用了IMAC Cu和WCX2兩種不同的蛋白質芯片，對28例非小細胞肺癌患者及12例正常人血清標本的蛋白質譜進行檢測。發現了5個高度特異和敏感的肺癌生物標志蛋白，有4個標志物同時在IMAC Cu和WCX2兩芯片上出現。非小細胞肺癌患者血清中有2個標志物上調，而3個標志物下調。單個標志物的敏感度為75.0％～96.4％，特異度為75.0％～100.0％。Yang［11］等將208例血清樣本(包括158例肺癌患者和50例健康個體)隨機分為訓練組(Ⅰ/Ⅱ期肺癌11例，Ⅲ/Ⅳ期肺癌63例，健康對照20例)和盲試組(Ⅰ/Ⅱ期肺癌43例，Ⅲ/Ⅳ期肺癌41例，健康對照30例)。采用SELDITOFMS分析，將訓練組檢測到的11493、6429、8245、5335和2538等5個蛋白質峰作為標記，用于檢測盲試組，顯示診斷敏感性為86.9％，特異性為80.0％，陽性預測值達到92.4％。另外，SELDI標記模式在檢測非小細胞性肺癌(NSCLC)時敏感性為91.4％，遠高于對小細胞肺癌的檢測，在檢測I/Ⅱ期肺癌時的診斷敏感性為79.1％。A.Alzetani et al［12］利用SELDI，采用CM10和IMAC蛋白芯片，對170例血清標本進行研究（70例非小細胞肺癌患者、75例正常人群、25例肺癌術后患者），并以Wilcoxon rank test的統計方法來檢測不同表達的峰值。采用CM10芯片初步檢測39例非小細胞肺癌患者、38例正常人群及17例術后患者后發現19個不同的峰值表達（P＜0.01），但沒有足夠證據能證明術后可以恢復到正常狀態；采用IMAC芯片檢測所有標本，發現40個有差別意義的峰值（P＜0.01）。以此資料區分患者，其特異性與敏感性均高于75%，對于術后患者一些腫瘤相關峰值可恢復到正常狀態。綜上研究表明，SELDITOFMS技術可用于檢測肺癌和癌前肺上皮細胞惡性蛋白信號，以篩選肺癌的高危人群。
2.3 乳腺癌的研究 對于乳腺癌的蛋白質組學研究已經比較成熟，LI等［13］用SELDITOFMS技術及配套蛋白質芯片，檢測49例乳腺癌和37例非乳腺癌疾病患者的血清蛋白質指紋圖譜，并運用SPSS 10.0軟件判別分析處理數據和篩選標志物，建立了三個診斷模型。組合構建的診斷模型I包括6個蛋白質峰，質荷比分別為8611、16827、25711、28931、25485和2437，鑒別乳腺癌和非乳腺癌疾病的敏感性為81.6％，特異性為78.4％。組合的診斷模型Ⅱ也包括6個蛋白質峰，其質荷比分別為4470、10854、19193、3883、2011和7470，鑒別I期乳腺癌與非乳腺癌疾病的敏感性為80.0％，特異性為89.2％。組合的診斷模型Ⅲ包括5個蛋白質峰，其質荷比分別為2726、27014、2247、4477和19333，鑒別I期與Ⅱ～Ⅳ期乳腺癌的敏感性為91.2％，特異性為93.3％。胡躍等［14］利用表面加強激光解吸電離飛行時間質譜(SELDIT0FMS)技術及其配套蛋白質芯片，對49例乳腺癌患者和33例健康人的血清蛋白質組圖譜進行檢測，結合人工神經網絡軟件建立診斷模型并進行驗證。結果發現以全部253個差異表達蛋白質峰的數據構建完整診斷模型，以差異最大的4個峰的數據構建簡化診斷模型。完整模型盲法預測的靈敏度和特異度分別為83.33％(15/18)和88.89％(8/9)，對早期和中晚期乳腺癌的檢出率分別為90.00％(9/10)和75.00％(6/8)；簡化模型盲法預測的靈敏度和特異度分別為76.47％(13/17)和90.00％(9/10)，3例早期乳腺癌均被其準確檢出100.00％(3/3)，對中晚期乳腺癌的檢出率為71.43％(10/14)。兩模型靈敏度、特異度兩方面的差異無統計學意義(P>0.05)，對早期和中晚期乳腺癌患者的檢出率均無顯著性差異(P>0.05)。Streckfus等［15］檢測乳腺癌患者及健康女性的唾液標本，發現質核比分別為18000、113000、170000、228000、287000的5個蛋白質峰在乳腺癌唾液樣本中高表達，它們可能成為診斷乳腺癌的腫瘤標記物。
3 問題與展望
SELDITOFMS蛋白質組學檢測用于臨床上腫瘤的早期診斷還需解決以下問題：(1)芯片測試的標準化、重復性和質量保證；(2)如何提高上樣量，降低樣品中高豐度蛋白對低分子量和低豐度腫瘤標志的干擾；(3)經質譜檢測的蛋白后續鑒定需要生物信息學技術平臺的支持，尚需開發更先進的配套蛋白質芯片分析軟件；(4)芯片的成本較高；（5）如何正確評價已發現的蛋白質生物標記的特異性是非常重要，必須證實這種標記物在不同性別、不同種族人群中的有效性，能夠對高危險人群中的個體做出評價、區分等。這些問題不僅在某種程度上限制了該技術的發展，同時也是其能否從實驗室走向臨床的關鍵所在。盡管如此，因為蛋白質芯片技術是近年來興起的的一種蛋白質組學研究的新方法，以質譜分析替代傳統的免疫診斷也是一種新的腫瘤診斷模式，SELDITOFMS質譜蛋白質芯片結合二者的優勢為尋找腫瘤標志物建立了一個良好的技術平臺，目前也在多種腫瘤研究中取得了可喜的成果，這項技術因其快速、高靈敏性和特異性及可全自動化分析的特點，必將能成為胸部惡性腫瘤標志物篩選、早期檢測、分級、療效及預后判定、尋找藥物治療特異性靶目標的關鍵技術，在胸部惡性腫瘤的基礎研究和臨床應用中具有廣闊的應用前景。
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【摘要】 【目的】克隆陽春砂萜類生物合成途徑的上游關鍵酶——1去氧d木酮糖5磷酸還原異構酶(1deoxydxylulose5phosphate reductoisomerase, dxr)(ec:111267)的編碼基因;分析基因的功能及其在陽春砂不同組織中的表達。【方法】通過基于逆轉錄—聚合酶鏈反應(rtpcr)的方法從陽春砂葉片中獲得編碼dxr的cdna全長序列,克隆基因編碼區;用生物信息學的方法對其編碼蛋白進行相似性檢索和功能分析;用半定量rtpcr法比較基因在陽春砂不同組織中的表達差異。【結果】獲得了全長1 749 bp的編碼陽春砂dxr的cdna序列,命名為avdxr1(genbank登記號：fj459894)。avdxr1編碼的蛋白與其他植物來源的dxr有很高相似性,含有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nadph)結合基序和dxr活性位點基序,n端有葉綠體靶向轉運肽。保守功能結構域的分析結果表明avdxr1屬于1去氧d木酮糖5磷酸還原酶家族。avdxr1在包括莖、根、果皮和種子團的廣泛組織中表達,且在這些組織中的表達量均高于在葉片中的表達。WwW.lw881.com【結論】avdxr1基因是陽春砂dxr的編碼基因,該基因在陽春砂的葉、莖、根、果皮和種子團中廣泛表達。
【關鍵詞】 陽春砂/生長和發育;萜類化合物;基因克隆;基因表達
砂仁化濕行氣的主要藥效物質為揮發油,其主要成分為萜類化合物[1-3]。紫杉醇、青蒿素等藥效確切的萜類化合物的研究及其臨床應用使萜類化合物成為藥用植物次生代謝研究領域的熱點之一,隨著分子生物學的發展,萜類化合物生物合成途徑相關酶類的編碼基因也不斷被克隆和研究[4-6]。
植物萜類化合物生物合成的上游途徑已基本清楚,甲羥戊酸途徑(mevalonate pathway,簡稱mva途徑)和丙酮酸/磷酸甘油醛途徑(pyruvate/glyceraldehyde3phosphate pathway,簡稱dxp途徑)是萜類化合物生物合成的2條途徑,mva途徑在細胞質中進行,而dxp途徑發生在質體中[7-10]。1去氧d木酮糖5磷酸還原異構酶(1deoxydxylulose5phosphate reductoisomerase, dxr)(ec:111267)是dxp途徑的關鍵酶[10]。dxr基因已經從薄荷mentha x piperita[11]、玉米zea mays[12]、銀杏ginkgo biloba[13]、喜樹camptotheca acuminata[14]和丹參salvia miltiorrhiza[15]等植物中克隆得到。為了保護陽春砂的基因資源,進一步探明陽春砂藥效物質萜類成分生物合成的調控機制,本研究采用簡并引物逆轉錄—聚合酶鏈反應(rtpcr)結合cdna末端快速擴增(race)的方法,從陽春砂葉片中克隆編碼dxr的基因,通過生物信息學分析鑒定所獲基因,采用半定量rtpcr法分析基因在不同組織中的表達差異,現將結果報道如下。
1材料與方法
11植物材料用于基因克隆的陽春砂引種自廣東陽春市砂仁試驗示范場,栽種于廣州中醫藥大學大學城校區藥王山。用于基因表達分析的陽春砂幼苗培養方法：取陽春砂種子用細砂搓去假種皮,浸種24 h后播種于盛有營養土與粗砂(比例為3∶1)為基質的育苗盆中室溫光照培養,待幼苗長出2～4片真葉后間苗,每盆(直徑12 cm)留取生長一致的苗2～3株,待苗齡約6個月(長出7～9片真葉)時取第1位完全展開葉、莖和根用于基因表達分析。陽春砂成熟果實取自陽春春灣,液氮速凍后-70℃保存備用。
2010年第27卷廣州中醫藥大學學報楊錦芬，等.陽春砂1去氧d木酮糖5磷酸還原異構酶基因的克隆及表達分析第5期12主要試劑植物rna提取試劑盒(北京普利萊基因技術公司)，primescript rtpcr kit、1st strand cdna synthesis kit、ex taq dna聚合酶、la taq dna聚合酶、克隆載體pmd18t(寶生物工程大連有限公司)，柱式植物rnaout試劑盒(北京天澤基因公司)，克隆載體pgemt(美國promega公司)，smart race kit(美國clontech公司)，大腸桿菌ecoli菌株dh5α(本實驗室保存)，taq dna聚合酶、dna回收試劑盒(北京賽百盛生物工程公司)。引物由上海生工生物工程公司合成，測序由上海生工生物工程公司和上海英濰捷基(invitrogen)公司完成。
13目的基因核心片段的擴增
131簡并引物設計在genbank上檢索來源于單子葉植物的dxr序列,獲得水稻、玉米、大麥和油棕的dxr序列(登記號分別為af367205、aj297566、aj583446和ay583784)。采用omiga 20軟件對上述序列進行比對,根據其高度同源區域設計2對用于嵌套pcr的簡并引物ad1、ad3和ad2、ad4,引物序列見表1。
132總rna的提取取01 g新鮮葉片,用植物rna提取試劑盒,參照說明書的方法提取總rna。用10 g/l瓊脂糖凝膠電泳檢查rna的完整性,用dna/rna calculator(biorad)測定d260與d280,確定總rna的濃度與純度。
133rtpcr方法取總rna 2 μg,采用prime script rtpcr kit,參照說明書的方法,以oligo(dt)為引物進行反轉錄。下一步以反轉錄產物為模板,以ad1、ad3為引物進行1stpcr。反應體系(20 μl)：5 u/μl ex taq酶 01 μl、10倍pcr buffer 2 μl、10 mmol/l 脫氧核苷酸三磷酸(dntp)2 μl、10 μmol/l上游引物 075 μl、10 μmol/l下游引物075 μl、反轉錄產物 15 μl、滅菌超純水13 μl。pcr反應程序：94℃變性3 min;94℃變性05 min,57℃退火05 min,72℃延伸1 min,37個循環;72℃延伸5 min。以引物ad2、ad4進行2nd pcr,模板取1st pcr產物1 μl,退火溫度為53℃,其他與1st pcr相同。pcr產物以10 g/l瓊脂糖凝膠電泳檢測,確認特異條帶后,按比例擴大體積至100 μl進行pcr。用dna回收試劑盒,參照說明書的方法回收pcr產物,用相應的簡并引物進行測序。
134核心片段的確認登陸ncbi.nlm.nih.gov/blast/,在genbank中用測序所獲序列進行blastn(nucleotide blast)檢索,檢驗所獲片段與已知的其他植物dxr序列的相似性。
14目的基因cdna全長的獲得和編碼蛋白分析
141race引物的設計用于3race的反轉錄引物r3以及用于1st pcr和2nd pcr的下游引物r3p1、r3p2見表1。根據134項獲得的核心片段序列和race試劑盒的引物設計要求,設計相應的3race上游引物ad31、ad32和5race下游引物ad51、ad52(見表1)。
1423race以總rna為模板、r3為引物進行反轉錄,再以r3p1、r3p2為下游引物,分別與目的基因的特異引物ad31、ad32配對,參照133項下的pcr反應體系及程序,調整相應的退火溫度和延伸時間進行嵌套pcr。回收pcr目的片段,連接至pmd18t載體,熱擊法[16]轉化e.coli dh5α,以pcr檢測呈陽性的菌落用載體通用引物測序。
1435race采用smart race kit,參照說明書的方法進行反轉錄,再以試劑盒中的upm和nup為上游引物,分別與目的基因的特異引物ad51、ad52配對,進行嵌套pcr。回收pcr目的片段,克隆至pgemt載體,用載體通用引物測序。
144cdna全序列的拼接采用omiga 20軟件,對3race和5race的測序結果進行分析,去除載體序列,用genbank的“blast 2 sequences”功能,將3、5端序列分別與134項獲得的核心序列進行比對和拼接,獲得cdna全長,再用omiga 20軟件分析其開放閱讀框架(orf),翻譯成氨基酸序列。用genbank的blastp程序對所獲氨基酸序列進行同源檢索,初步確認獲得的翻譯蛋白是否為dxr的同源蛋白及其完整性。
145編碼區的克隆根據獲得的cdna全序列中編碼區的兩側序列設計引物ado1和ado2(表1),以133 項獲得的反轉錄產物為模板,用la taq酶進行pcr,擴增編碼區全長。將目的片段克隆至pgemt載體,選2個以上陽性克隆測序。測序后發現編碼區不完整,將測序獲得的序列與拼接獲得的cdna全長進行比對,發現3端有較大差異,根據差異序列設計引物ad33(表1),再次進行3race。用此次3race所獲序列進行cdna全長的第2次拼接,據此設計克隆編碼區的下游引物ado3(表1),與ado1配對,再次擴增編碼區,克隆至pgemt載體,選2個以上陽性克隆測序,再次檢驗編碼區的完整性。表1陽春砂avdxr1克隆所用引物
146基因編碼蛋白分析及序列提交用dnastar 50軟件分析目的基因編碼蛋白的分子量、等電點等理化性質。登陸hc.ims.utokyo.ac.jp/ipsort/,進行亞細胞定位預測。利用genbank的blastp程序對氨基酸序列進行同源檢索。用dnaman 50軟件進行氨基酸序列的多重比對以及系統發育樹的繪制。登陸ncbi.nlm.nih.gov/structure/cdd/cdd.shtml,利用保守功能域數據庫(conserved domain database,cdd)進行蛋白保守功能域的在線預測[17]。登陸ncbi.nlm.nih.gov/bankit/,向genbank提交avdxr1的基因序列及其編碼的氨基酸序列。
15基因表達分析
151rna提取葉片、根、莖的總rna提取按照132項下方法進行。果皮和種子團總rna的提取用柱式植物rnaout,參照說明書的方法進行。
152反轉錄采用1st strand cdna synthesis kit,參照說明書方法進行。
153半定量pcr根據芭蕉和三七的18s rrna基因序列(ef376005和d85171)的比對結果,設計引物18sf、18sr(表2),擴增半定量rtpcr體系的內參照18s rrna。設計引物adr1、adr2(表2),擴增目的基因片段(約450 bp)。以反轉錄產物為模板進行半定量pcr。反應體系(20 μl)：10倍pcr buffer 2 μl、dye(pcr染料)2 μl,10 mmol/l dntp 15 μl、10 μmol/l上游引物 05 μl、10 μmol/l下游引物 05 μl、5 u/μl taq dna聚合酶 02 μl,根據18s rrna的擴增結果調整相應模板的用量,滅菌超純水補足體積。pcr反應程序：94℃變性2 min;94℃變性05 min,55℃退火05 min,72℃延伸1 min,29個循環(18s rrna)或32個循環(avdxr1)。每個反應取5 μl pcr產物以12 g/l的瓊脂糖凝膠電泳比較產物亮度。每個反應重復3次以上。表2avdxr1半定量rtpcr所用引物
2結果
21rna提取結果從陽春砂嫩葉中提取總rna,電泳結果如圖1所示,28 s和18 s rrna條帶清晰,無dna污染,rna濃度約為1 μg/μl。
amomum villosum leaves22avdxr1核心片段的擴增及3race、5race結果如圖2所示,1st pcr和2nd pcr的結果均獲得約450 bp的目的片段。2nd pcr回收產物的測序結果獲得444 bp的序列,blastn結果顯示該序列與其他植物來源的dxr序列有較高相似性(81%～86%)。
通過3race獲得約700 bp的片段(圖3-a)。測序得到以polya結尾的710 bp的序列,blastn結果顯示該序列與其他植物來源的dxr序列3端有較高相似性(69%～78%)。
通過5race獲得約800 bp的片段(圖3-b)。測序得到822 bp的序列,blastn結果顯示該序列與其他植物來源的dxr序列5’端有較高相似性(74%～80%)。
23avdxr1全長cdna的拼接及其編碼區的克隆將克隆獲得的5端822 bp、核心片段444 bp與3端710 bp的序列進行拼接,獲得了1 722 bp的序列,命名為avdxr1722,該序列包含1 419 bp的orf。擴增編碼區(圖3-c),測序獲得1 444 bp的序列,命名為ado1444。ado1444的最大orf全長僅1 221 bp,推測ado1444的編碼區未完整。將ado1444與avdxr1722進行比對,結果顯示兩者的序列差異主要在3端。根據3端差異序列設計引物ad33,再次擴增avdxr基因的3端(圖4-a),測序得到以polya結尾的581 bp的序列,命名為avdxr3581。
將5端序列(822 bp)、ado1444與avdxr3581進行拼接,獲得1 749 bp的序列,命名為avdxr11749。對avdxr11749的編碼區進行擴增(圖4-b),測序獲得1 452 bp的插入序列,最大orf的分析結果表明該序列包含了完整的1 416 bp的orf。將此序列與avdxr11749進行比對,兩者的重合序列完全一致,驗證了第2次拼接獲得的cdna序列的正確性。
avdxr11749包含5端167 bp的非編碼區、1 416 bp的orf和3’端166 bp的非編碼區,最后以polya結尾,編碼472個氨基酸。avdxr1編碼的蛋白分子量為5141 kd,等電點為644。avdxr1蛋白的亞細胞定位預測結果顯示其n端有葉綠體轉運肽。向genbank提交陽春砂avdxr1序列及其編碼的氨基酸序列,獲得序列登記號fj459894。
24avdxr1與其他植物dxr蛋白的同源性及系統進化關系blastp檢索結果表明,陽春砂avdxr1與來源于其他植物的dxr蛋白有較高同源性。表3列出了avdxr1與其他11個植物dxr蛋白的比對結果,序列相似性達到85%～91%,序列長度也相近。表3avdxr1與其他11個植物dxr蛋白相似性比較
table 3alignments of amino sequence of avdxr1 with dxrs from other 11 plant species
dxr來源科屬登記號序列長度/aa序列相似性/%玉米z.mays禾本科,玉米屬acg3301247291水稻o.sativa禾本科,稻屬bab7860647392近琴巴豆c.stellatopilosus大戟科,巴豆屬abo3817746789大麥h.vulgare禾本科,大麥屬cae4743848488橡膠樹h.brasiliensis大戟科,橡膠樹屬abd9270247189番茄s.lycopersicum茄科,番茄屬aak9606347589胡黃連p.kurrooa玄參科,胡黃連屬abc7456647587煙草n.tabacum茄科,煙草屬abh0896447389葛藤p.montana豆科,葛屬aaq8416846584紅豆杉t.media紅豆杉科,紅豆杉屬aau8783647787銀杏g.biloba銀杏科,銀杏屬aar9570047785
avdxr1與其他11個植物dxr的系統進化關系分析結果如圖5所示,12種dxr的分子進化關系與其來源植物的親緣關系基本一致,avdxr1與同為單子葉植物來源的玉米、大麥、水稻的dxr有更近的親緣關系。
avdxr1與3個單子葉植物玉米、大麥和水稻的dxr多重比對結果(圖6，彩圖見第558頁)顯示,它們在第46位氨基酸以后的區域均有較高的連續相似性,在它們的n端含有2個高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nadph)結合基序,中部含有2個dxr活性位點基序。
25avdxr1功能預測cdd是genbank數據庫的一部分,通過cdd搜索便可以利用該數據庫對目的蛋白進行保守功能域的掃描,從而進行蛋白質功能的預測和家族聚類[17]。用avdxr1的序列進行cdd搜索,結果顯示avdxr1蛋白具有prk05447(1deoxydxylulose5phosphate reductoisome rase)功能域,屬于1去氧d木酮糖5磷酸還原異構酶超級家族(pfam02670：dxp_reductoisom superfamily),帶有dxr家族典型的c端功能結構域(pfam08436∶dxp_ redisom_c superfamily)。
26avdxr1半定量rtpcr結果如圖7所示,根據半定量rtpcr的結果,avdxr1在莖、根、果皮和種子團中的表達量高于在葉片中的表達量。
3討論
dxr是萜類生物合成2條途徑之一——dxp途徑的關鍵酶。它由nadph提供還原力,將1去氧d木酮糖5磷酸還原異構酶(1deoxydxylulose5phosphate,dxp)轉化為2甲基赤蘚醇4磷酸(2cmethylderythritol4phosphate,mep)[18]。由于dxp也可用于硫胺和吡哆醇的生物合成,mep才是萜類合成的重要前體,因此,此步反應是萜類生物合成dxp途徑的“碳流”分支點,也是重要的調控靶點[4]。過量表達dxr的轉基因薄荷揮發油含量比野生型提高了50%[19]。在煙草中過量表達來源于藍藻(synechosystis pcc6803)的dxr基因,提高了多種萜類物質的含量[20]。dxr基因在通過基因工程調控萜類合成方面有良好的應用前景。本研究應用簡并引物rtpcr與race結合的方法,首次從陽春砂葉片中克隆了avdxr1基因,獲得全長1 749 bp 的cdna全序列及其編碼的包含472個氨基酸的蛋白質序列。
對黃花蒿、玉米等6種植物的dxr分子結構分析表明,不同植物dxr的功能域有著幾乎一致的氨基酸組成,具有dxr活性所必須的典型的多肽位點[21],提示來源于不同植物的dxr功能域具有較高的保守性。本研究通過cdd搜索,對克隆獲得的陽春砂avdxr1基因的編碼蛋白進行了功能預測,結果表明,avdxr1屬于1去氧d木酮糖5磷酸還原異構酶(dxr)家族。avdxr1蛋白n端含有的2個nadph結合基序和中部的2個dxr活性位點基序與前人對植物dxr的分子結構分析一致[18]。從多種植物中克隆的dxr基因編碼蛋白均具有質體轉運肽[11-14],對avdxr1蛋白的亞細胞定位預測結果顯示,在其n端也有葉綠體轉運肽,據此判斷該基因編碼的成熟蛋白定位于質體,在質體行使催化功能,這與dxp合成途徑的細胞定位是一致的。通過基于以上生物信息學的分析,初步證明了克隆獲得的avdxr1是陽春砂萜類生物合成途徑1去氧d木酮糖5磷酸還原異構酶的編碼基因。
喜樹cadxr在莖部的表達量高于葉片與根部的表達量[14]。gbdxr在銀杏的多種組織,包括根、莖、葉、果皮和種子中表達,其中在葉片中表達量較低[13]。avdxr1在陽春砂不同組織中的表達分析表明,avdxr1在包括莖、根、果皮和種子團的廣泛組織中表達,且在這些組織中的表達量均高于在葉片中的表達。由于果實是陽春砂的重要藥用部位,avdxr1在果實中的表達對于陽春砂萜類生物合成的原位調控具有重要意義。
本研究克隆獲得了陽春砂avdxr1基因,為進一步分析該基因在萜類生物合成途徑中的功能打下基礎,為將其應用于萜類藥效成分生物合成的基因工程調控提供了依據。
(致謝：廣州中醫藥大學中藥資源科學與工程研究中心劉艷、黃瓊林、寧鑫、吳睿等研究生參與了植物培養、果實取樣的工作,廣東陽春市砂仁試驗示范場蘇景場長提供了陽春砂種苗,特此致謝!)
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