醫藥衛生領域是現代生物技術最先登上的舞台，也是目前現代生物技術應用最廣泛、成效最顯著、發展最迅速、潛力最大的一個領域。據統計，目前生物技術的實際應用約60%是在醫藥衛生領域，這是因為生物技術可以在許多方麵改進藥品、開發新藥資源、改善醫療手段，從而提高整體醫療水平。本章通過一個個實例和知識點來闡述現代生物技術對疫苗、生物製藥、醫學診斷、疾病治療等領域的巨大影響和在這些領域中的應用，涉及諸多與人類健康息息相關的技術和理念，包括人們廣泛關注的嚴重威脅人類健康的疾病，譬如癌症、艾滋病等的預防、診斷和治療，這些方式與傳統醫療理念截然不同。讀者通過本章的閱讀，可以對現代生物技術在人類健康領域的應用現狀和前景有一個全麵的了解，同時也是對人類同疾病進行百折不撓的頑強鬥爭和勇於探索精神的回顧。
6.1免疫係統
6.1.1致病微生物
自從人類來到這個世界上就在不斷接觸著形形色色的肉眼看不到的微生物，即對人類有害的病毒、細菌、真菌和寄生蟲等，它們能夠導致人類患很多疾病，比如人們常見的肝炎病毒、艾滋病毒、流感病毒、狂犬病毒。
我國《傳染病防治法》參考國際分類標準，將傳染病分為甲、乙、丙三類。
甲類傳染病：鼠疫、霍亂。
乙類傳染病：病毒性肝炎、細菌性和阿米巴性痢疾、傷寒、艾滋病、淋病、梅毒、脊髓灰質炎、白喉、百日咳、流行性腦脊髓膜炎、猩紅熱、腎綜合征出血熱、鉤端螺旋體病、布魯杆菌病、炭疽、流行性和地方性斑疹傷寒、流行性乙型腦炎、黑熱病、瘧疾、登革熱、肺結核、新生兒破傷風。
丙類傳染病：血吸蟲病、絛蟲病、包蟲病、麻風、流行性感冒、流行性腮腺炎、風疹、急性出血性結膜炎，除霍亂、痢疾、傷寒和副傷寒以外的感染性腹瀉。
6.1.2抵禦疾病的防線
在和疾病長期的鬥爭中，人類自身形成了一套抵禦病原菌侵犯的保衛係統即免疫係統。該係統由免疫器官（骨髓、胸腺、脾髒、淋巴結、扁桃體、小腸集合淋巴結、闌尾等）、免疫細胞（淋巴細胞、單核吞噬細胞、中性粒細胞、嗜堿粒細胞、嗜酸粒細胞、巨大細胞、血小板等），以及免疫分子（補體、免疫球蛋白、幹擾素、白細胞介素、腫瘤壞死因子等細胞因子）組成。構成免疫係統的核心成分是淋巴細胞，它使免疫係統具備識別能力和記憶能力。淋巴細胞經血液和淋巴液周遊全身，使分散各處的淋巴器官和淋巴組織連成一個功能整體。
免疫係統是生物在長期進化中與各種致病因子的不斷鬥爭中逐漸形成的，在個體發育中也需抗原的刺激才能發育完善。各組分廣布全身，錯綜複雜，特別是免疫細胞和免疫分子在機體內不斷地產生、循環和更新；具有高度的辨別力，能接受、傳遞、擴大、儲存和記憶有關免疫的信息，針對免疫信息發生正應答和負應答並不斷調整其應答性。
免疫係統各組分功能的正常是維持機體免疫功能相對穩定的保證，任何組分的缺陷或功能亢進都會給機體帶來損害。免疫係統功能的失調對人體極為不利：人體的識別能力異常，容易導致過敏現象的發生（食用某種食物、注射藥物出現過敏反應，甚至導致休克），反之則會引起反複感染；人體的自我穩定能力異常，會使免疫係統對自身的細胞做出反應，引發自身免疫疾病，諸如風濕性關節炎、風濕性心髒病等。人體的免疫監視的功能降低，如同失去了一位“警衛員”，使腫瘤有了可乘之機。
總體而言，人體免疫係統對人類的健康起著舉足輕重的作用。
6.1.3免疫大軍的組成
人體的免疫係統像一支組織嚴謹的保衛部隊，24小時晝夜不停地守衛著人體的健康。在任何一秒內，免疫係統都能協調調派不計其數、不同職能的免疫“士兵”從事複雜的任務，保護我們免受外來入侵物的危害，預防體內細胞突變引發的癌症。如果沒有免疫係統的保護，即使是一粒灰塵就足以讓人致命。根據醫學研究顯示，人體90%以上的疾病與免疫係統失調有關。下麵我們詳細介紹一下這支大軍的機構、關隘和工作程序。
1）士兵工廠：骨髓紅細胞和白細胞就像免疫係統裏的士兵，而骨髓就負責製造這些細胞。每秒鍾就有800萬個細胞死亡並有相同數量的細胞在這裏生成，因此骨髓就像製造士兵的工廠一樣。
骨髓是主要的造血器官，是各類血細胞生成場所，胚胎期血細胞最早在卵黃囊，後移至胚肝和胚脾，最後由骨髓替代。成年期造血功能主要發生在胸骨、脊椎不規則骨及髂骨和肋骨等扁骨的紅髓。血細胞的祖先是多能幹細胞，繼而增殖分化為淋巴係和髓係幹細胞，再進一步增殖分化為單能幹細胞或前體細胞進入血流，人類的前體B細胞一直留在骨髓內直至成熟。
2）訓練場地：胸腺是免疫大軍各軍兵種的訓練廠，各兵種在這裏進行曆練和分工。T細胞在胸腺內進一步分化和成熟，所以T細胞亦稱胸腺依賴性T淋巴細胞。骨髓中的T淋巴係前體細胞（前體T細胞）經血循環進入胸腺後，在胸腺激素影響下，最終分化為成熟T細胞，隨後釋放入血液循環中，和B細胞一起到達淋巴結、脾髒和扁桃體等組織或器官，分別定居在固定的部位，成為機體的“常駐警衛部隊”。當病原體等抗原物質入侵就能發生特異性免疫應答反應，產生免疫物質與之對抗。
3）戰場：淋巴結是一個擁有數十億個白細胞的小型戰場。當因感染而需開始作戰時，外來的入侵者和免疫細胞都聚集在這裏，淋巴結就會腫大，甚至我們都能摸到它。腫脹的淋巴結是一個很好的信號，它正告訴你身體受到感染，而你的免疫係統正在努力地工作著。作為整個軍隊的排水係統，淋巴結肩負著過濾淋巴液的工作，把病毒、細菌等廢物運走。人體內的淋巴液大約比血液多出4倍。
4）過濾器：脾髒承擔著過濾血液的職能，除去死亡的細胞，並吞噬病毒和細菌；它還能激活B細胞使其產生大量的抗體。
5）咽喉守衛者：扁桃體對經由口鼻進入人體的入侵者保持著高度的警戒，在保護上呼吸道方麵具有非常重要的作用，臨床已有證據表明割除扁桃體的人患上鏈球菌咽喉炎和霍奇金病的概率明顯升高。
6）免疫助手：盲腸（通常稱闌尾）能夠幫助B細胞成熟發展以及抗體（IgA）的生產，同時扮演著交通指揮員的角色，生產分子來指揮白細胞到身體的各個部位。盲腸還能“通知”白細胞在消化道內存在有入侵者。在幫助局部免疫的同時，盲腸還能幫助控製抗體的過度免疫反應。
7）腸道守護者：病原微生物最易入侵的部位是口，而腸道與口相通，所以腸道的免疫功能非常重要。集合淋巴結是腸道黏膜固有層中的一種無被膜淋巴組織，富含B淋巴細胞、巨噬細胞、少量T淋巴細胞等。對入侵腸道的病原微生物形成一道有力防線。
8）工作過程：當細菌、病毒等致病微生物侵入後，免疫係統中的巨噬細胞作為整個大軍的前沿部隊，首先發起進攻，將致病微生物吞噬到“肚子”裏，通過酶的作用，將“俘虜”分解成一個個片斷，並將片斷顯現在自身表麵而成為抗原，通過信號讓免疫係統中的T細胞知道自己已經吞噬過入侵的病菌。T細胞與巨噬細胞表麵的微生物片斷，或者說微生物的抗原，兩者相遇即發生反應。這時，巨噬細胞便會產生出一種淋巴因子，作為一種信號用以激活T細胞。T細胞一旦“醒來”便立即向整個免疫係統發出有“敵人”入侵的“警報”。免疫係統會在抗原遞呈細胞（APC）的幫助下，激活殺傷性T淋巴細胞，對感染的細胞起到殺傷作用，限製微生物的感染，與此同時，活化的T細胞還能分泌一些細胞因子，這些細胞因子會進一步促進被抗原激活的B細胞產生大量的特異性抗體，來進一步限製微生物的感染。
通過以上一係列複雜的過程，這支免疫係統的龐大軍隊保護著人體的健康。當第一次的感染被抑製住以後，免疫係統會把這種致病微生物記錄下來，若再受到同樣的致病微生物入侵，免疫係統已經清楚地知道該怎樣對付它們，並能夠很容易、很準確、很迅速做出反應，將入侵之敵消滅。
6.2疫苗
6.2.1疫苗的由來
疫苗能對多種造成巨大生命和財產損失的疫症如天花、流感等起到很好的防禦作用，是人類曆史上重要的發現之一。大家都接觸、接種過疫苗，但並非所有人都清楚疫苗究竟是什麼和其生產的過程，現在就讓我們了解一下吧。
疫苗是將病原微生物（如細菌、立克次體、病毒等）及其代謝產物，經過人工滅毒或利用基因工程等方法製備的弱毒或無毒的病原體，而這些處理過的病原體的好處在於，將其接種感染人體，人體可獲得相應免疫力卻不發病。
早在宋朝真宗年間（998—1022年），我國就有了接種人痘預防天花的記載。
1870年，法國科學家巴斯德發現將雞霍亂弧菌連續培養幾代後使毒力降到很低，給雞接種能使雞獲得對霍亂的免疫力。減毒疫苗首次用於人類是在1885年6月，巴斯德用他製備的狂犬病疫苗挽救了一個男孩的生命。利用巴斯德建立的減毒方法，科學家們開發了許多人用疫苗。
20世紀70年代之後，隨著現代生物技術的發展，疫苗的來源和製備方法也發生了重大變化。當前的疫苗包括滅活疫苗（死疫苗，選用免疫原性強的病原體，經人工大量培養後，用物理化學方法滅活製成）、減毒活疫苗（用減毒或無毒力的活病原微生物製成）、類病毒（用細菌的外毒素經甲醛處理製成）以及新型疫苗等。其中新型疫苗是利用現代生物技術免疫學、生物化學、分子生物學等研製出的新疫苗，包括基因工程疫苗、亞單位疫苗、基因工程載體疫苗、核酸疫苗、遺傳重組疫苗和自身免疫疫苗等。
雖然疫苗被應用於預防疾病有許多成功的事實，但新的病毒不斷產生（HIV，HCV，SARS等），而老的病毒（狂犬病毒等）又不斷變異，都迫切要求疫苗開發要“與時俱進”。也有一些病毒，譬如1989年發現的丙型肝炎病毒，因組織培養上不能進行人工繁殖，加上複雜的相互拮抗的抗原表位的特點，使得疫苗開發更為困難。
增強免疫效果、簡化接種程序、提高預防接種效益是疫苗的發展趨勢；安全性、有效性和實用性是疫苗的基本要求。
6.2.2疫苗的種類
疫苗分為第一類疫苗和第二類疫苗兩種：
（1）第一類疫苗
政府免費向公民提供，公民應當依照政府的規定接種的疫苗。
（2）第二類疫苗
由公民自費並且自願接種的其他疫苗，主要有風疹減毒活疫苗、甲型肝炎疫苗、A群流行性腦脊髓膜炎疫苗、b型流感嗜血杆菌疫苗、麻腮風三聯疫苗、水痘疫苗、肺炎球菌多糖疫苗、流行性感冒疫苗、狂犬病疫苗。
（3）疫苗製劑種類
a.人工主動免疫製劑：滅活疫苗、減毒活疫苗、類毒素。
b.人工被動免疫製劑：抗毒素、人免疫球蛋白製劑、細胞因子製劑、單克隆抗體製劑。
c.新型疫苗：亞單位疫苗、結合疫苗、合成肽疫苗、基因工程疫苗。
6.2.3疫苗的生產和製備
了解了上述情況之後，大家可能開始好奇疫苗是如何獲得的了，現在就讓我們對其生產製備進行一下了解。
不管是季節性流感疫苗還是甲型H1N1流感疫苗，其毒株都是由世界衛生組織分發，在分發前都經過安全性評估。
世界衛生組織送來的毒種是重組病毒株原始種子，保留了病毒的抗原性和複製能力，降低了病毒的致病力，對其進行稀釋、擴增培養，再通過驗證擴增數據，即可獲得疫苗。具體做法是將稀釋後的毒種接種在雞胚的尿囊腔中（相當於人胚胎的羊水），隨後將雞胚放入密閉、無菌、恒溫的孵化箱中使病毒快速繁殖。培養一定時間後，抽取尿囊腔裏的液體，然後重複培養以獲得適宜代次的毒種，保留成為疫苗生產用的種子批，如此反複，獲得量產疫苗。
6.2.4應用現代生物技術手段獲得新型疫苗
（1）基因工程疫苗
基因工程疫苗，指使用DNA重組技術，把天然的或人工合成的遺傳物質（目的基因）定向插入細菌、酵母菌或哺乳動物細胞（表達係統）進行表達，表達產物純化後而製得的疫苗。基因工程疫苗的製備，需要選擇合適的目的基因進行修飾與改造，再選擇合適的表達係統進行表達生產。
乙肝病毒（HBV）基因工程疫苗是利用基因工程技術最成功的例子之一。我國第一個HBV疫苗是1984年獲準生產的，從HBV攜帶者血液中純化獲得，屬於血液製品；因擔心病毒在血液製品中未能被完全減毒滅活，人們普遍抵觸血液製品。HBV的基因為3600餘個堿基組成的環狀結構，可編碼7個抗原蛋白，找到這些抗原蛋白的編碼基因，利用哺乳動物細胞CHO株將其表達，得到的S蛋白抗原能有效地誘導抗HBV的抗體反應和細胞免疫應答，量產即為HBV基因工程疫苗。當前上述方法生產的疫苗已成為世界各國控製乙型肝炎流行的重要武器，而且沒有血液製品的不安全因素。
（2）核酸疫苗
核酸疫苗包括DNA疫苗和RNA疫苗，目前研究最多的是DNA疫苗。作為一種新的免疫接種手段，核酸疫苗技術始於20世紀90年代，被稱為“第三次疫苗革命”。
DNA疫苗的抗原基因可以是某一種抗原的單基因或基因片段，也可以是多個目的基因或嵌合型基因。操作時先製備出所需外源基因，再通過DNA疫苗免疫接種將外源基因導入機體進行表達完成接種，外源基因在人體表達後產生抗原，引起免疫反應，實現對疾病的預防和治療。DNA疫苗的免疫接種途徑有肌內注射法、基因槍介導的皮內或皮下注射以及黏膜表麵塗布等3種。
目前，DNA免疫接種的領域正在迅速發展，已經發展的現行疫苗不僅使用DNA，而且還包括有助於DNA進入靶細胞或者起佐劑作用的附加物。
樂觀的預想是菌體細胞衍生的DNA質粒可能會成為首先獲準上市的核酸疫苗，再往後，也可能會有采用RNA或用核酸分子和其他成分複合物的疫苗麵世。隨著研究的深入和技術改進，DNA疫苗將會為人類造福。
（3）腫瘤疫苗
一個很好的腫瘤防治方案是通過腫瘤疫苗誘導機體自行抑製或免疫扼殺腫瘤細胞。在特效抗腫瘤藥物出現之前，腫瘤疫苗的研究意義深遠，有些種類的腫瘤疫苗，如癌基因疫苗，多肽疫苗和獨特型疫苗研究已取得了一定進展。
1）腫瘤細胞疫苗：用免疫佐劑來增強腫瘤的免疫原性提高免疫識別能力，腫瘤就可被免疫係統識別，進而實現防治的目的。基於此，采用自體或同種異體腫瘤細胞或腫瘤細胞的裂解物，添加佐劑即可製成腫瘤細胞疫苗。
用逆轉錄病毒、腺病毒等載體將外源基因導入腫瘤細胞可製成基因工程疫苗，能降低腫瘤細胞的致瘤性，提高免疫原性。轉染的外源基因主要有組織相容性複合體（MHC）基因、B7分子細胞因子、黏附分子等。
2）胚胎抗原疫苗：許多人類腫瘤表達胚胎抗原，譬如癌胚抗原（CEA）在90%以上的直腸癌、胃癌、胰腺癌，50%乳腺癌和70%的非小細胞肺癌均有表達。針對包括CEA在內的胚胎抗原製備疫苗可使許多相應個體產生免疫力，不用再為不同病人分別製備。
3）癌症疫苗：原癌基因激活、擴增而過度表達或抑癌基因突變的產物等具有高度免疫原性，可成為免疫係統的靶標。以原癌基因產物作為腫瘤抗原和免疫治療的靶標是目前研究的熱點之一，已展示出可喜的前景。
除以上三種外，腫瘤疫苗還有合成多肽腫瘤疫苗，也可用腫瘤細胞衝擊APC或以雙特異（功能）抗體修飾腫瘤細胞進行製備。
（4）艾滋病疫苗
艾滋病，是由一種單鏈RNA逆轉錄病毒即人免疫缺陷病毒（HIV）引起的，在全球範圍內受到廣泛關注，獲得艾滋病特異、靈敏、有效的疫苗，對控製艾滋病感染及治療具有重要意義。
1）艾滋病病毒侵入人體後的基因表達：HIV侵入細胞後引起細胞病變並導致細胞死亡。不同的病毒株感染細胞的差別很大，反映了自然界存在大量的變異株。HIV以原病毒形式整合在細胞染色體上時，機體不表現出受損害的症狀，但可利用宿主細胞的轉錄和合成係統產生病毒mRNA，其中部分轉成病毒蛋白，與基因組RNA形成新病毒，隨宿主細胞的裂解而釋放，然後侵染其他宿主細胞。
2）艾滋病疫苗的研究現狀：目前已有的治療艾滋病有效的藥物和手段對大多數患者來說，價格昂貴而難以承受，迫切需要開發有效而安全實用的疫苗，相關探究工作正在持續開展且取得了一定的成果。
采用化學及照射方法可製備HIV滅活疫苗。將用這種方法製備的猴免疫缺陷症病毒滅活疫苗接種到黑猩猩體內，再用大劑量的該病毒做攻擊實驗，黑猩猩體內出現相應抗體，而且病毒逐漸從血液中消失。將完整的HIV病毒滅活疫苗注射給患者，可使患者血清HIV陽性轉陰性。不過這種疫苗的安全性尚待評估，且能否誘導機體產生抗HIV的細胞毒性T細胞(CTL)免疫應答還未能被證實。
關於HIV減毒活疫苗的設想在1992年被提出，並用nef基因缺陷的活病毒在恒河猴上進行了實驗，恒河猴免疫後激發出病毒特異的CTL反應，同樣的實驗在野生獼猴群中沒有得到重複。很多學者同樣對減毒疫苗的安全性持懷疑態度。
用HIV-1 Env V3區合成肽製備的克隆抗體（McAb）在體外能部分抑製gp120與CD4分子的結合，V3肽段可以刺激動物和人產生抗HIV中和抗體和CTL應答。但是，由於V3區的氨基酸排列在不同株間有一定差異，該疫苗實現臨床應用還需克服大量困難。
抗獨特型(Id)抗體優點在於不含HIV基因和蛋白，缺點是有可能引起免疫抑製。實驗證明，用鼠抗CD4 McAb免疫恒河猴和狒狒產生了抗HIV gp120的抗體，即Id抗體可模擬CD4分子而與HIVgp120結合，抵抗HIV感染。目前，正在HIV陽性誌願者中進行抗CD4 Id抗體疫苗的Ⅱ期臨床試驗。
直接向宿主體內注射DNA疫苗是一個新的免疫學思路。在非人靈長類動物的研究中，以HIVgp160DNA質粒表達載體接種及加強免疫黑猩猩，產生了中和免疫應答和T細胞增殖應答。用HIV-1包膜蛋白DNA疫苗免疫恒河猴，也產生了免疫應答。與此相似，用編碼病毒包膜及核心蛋白的DNA質粒疫苗免疫恒河猴，產生了CTL應答。最近，用HIV-1包膜蛋白DNA（多劑量）初次免疫，再用包膜蛋白DNA加上包膜蛋白加強免疫黑猩猩，誘發機體產生了免疫應答，此應答可保護動物免遭HIV-1嵌合病毒的感染。這一方法為在人類身上獲得保護性免疫提供了希望。