医药生物技术在心血管疾病中的应用进展

金家贵，王建东，张 红，杨 林

1.成都医学院 检验医学院(成都 610500)；2.成都医学院第一附属医院(成都 610500)；3. 成都医学院 生物医学系(成都 610500)

医药生物技术在心血管疾病中的应用进展

金家贵1，王建东3，张 红1，杨 林2△

1.成都医学院 检验医学院(成都 610500)；2.成都医学院第一附属医院(成都 610500)；3. 成都医学院 生物医学系(成都 610500)

医药生物技术；心血管疾病；应用

生物技术是21世纪最具发展活力和潜力的科技领域之一。近年来，人们在以基因组学、蛋白质组学、基因工程、细胞工程、基因芯片技术、干细胞技术和转基因动物技术等为代表的现代生物技术领域取得的重大进展，直接推动了以医药生物技术为核心的现代医药技术的迅猛发展，也为现代医药产业开辟了更为广阔的新领域[1]。目前，许多国家都把生物技术作为推动医药工业现代化的发展战略目标。早在2006年，我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》就明确把生物技术列为我国重点发展的前沿技术[2]。2015 年，我国制定的“第十三个五年规划”和《中国制造2025》，进一步提出支持生物技术新兴产业的发展，把医药生物技术在医学中的应用作为未来医药技术的重点研究领域[3]。医药生物技术在医学中的应用主要有两方面，一是利用生物体或其组成成分作为生物反应器生产医药产品；二是利用生物技术改进或创新疾病的预防、诊断和治疗的技术方法。本文对医药生物技术在心血管疾病诊断、治疗以及发病机制研究等方面的应用现状及发展趋势作一阐述。

1 医药生物技术在心血管疾病治疗中的应用

1.1 生物技术药物

生物技术药物通常指通过DNA 重组技术，利用生物体生产出的生物制品，用于预防和治疗疾病。生物技术药物主要包括重组激素类药物、重组细胞因子药物、重组溶血栓药物、治疗性抗体、重组可溶性受体和黏附分子药物、反义寡核苷酸药物和基因工程疫苗等[4-5]。生物技术药物的发展极大提高了心血管疾病的临床治疗效果，目前，国内外许多制药企业均把生物技术药物作为心血管疾病新药研制的重点发展领域。

1.1.1 基因工程药物 随着基因工程技术的日臻完善，基因工程药物已成为心血管疾病药物的主流和重点发展方向，比如溶血栓药物重组纤溶酶原、重组凝血因子和重组胰岛素等。国际制药公司也利用基因工程技术研究开发新的心血管疾病治疗药物。例如，美国医药制药公司开发的重组蛋白制剂比伐卢定，安进制药公司开发的新型重组促红细胞生成素Aranesp，Cardium治疗制剂公司开发的用于治疗心肌缺血的基因治疗制剂GenerxTM，Genzyme制药公司与Isis制药公司合作开发的新型反义降胆固醇制剂mipomersensodium等[6]。

1.1.2 单克隆抗体药物 随着人们对心血管疾病致病机制的深入了解，以及现代生物技术的发展，众多研究机构和制药企业正在探索能够从根本上治疗心血管疾病的新药物，由于单克隆抗体药物具有良好的靶向性和明确的临床疗效，因此成为我国新药研发的战略重点之一。事实上，国内外新药的研究重点已经呈现从细胞因子和激素类向单克隆抗体类药物转移的趋势，尤其是以抗体药物偶联、双特异性抗体等为代表的新型单克隆抗体类药物的出现，进一步推动了单克隆抗体类药物的应用和发展[7]。目前已用于临床治疗的单克隆抗体药物主要为人源化单克隆抗体药物，如美国制药公司已经研制出用于治疗心瓣手术后血管再狭窄疾病的单克隆抗体药物，安进制药公司开发的新型单克隆抗体药物PCSK9抑制剂Repatha等[8]。其中，Repatha能够有效降低患者体内低密度脂蛋白胆固醇含量，被视为人类继他汀类药物之后在降脂领域取得的又一重大进步。

1.2 再生医学技术

干细胞具有高度自我更新能力和多向分化潜能，能够定向诱导分化为各种组织细胞以供临床治疗所需，也可用于人体某些器官组织的再生。以干细胞技术为主的现代生物学与工程学交叉产生的组织工程学是再生医学的核心，也是目前医药生物技术一个快速发展的新领域。目前，美国用于心肌替代治疗的组织工程产品已经进入临床应用阶段。

1.2.1 干细胞和药物联合再生治疗策略 冠状动脉疾病，如急性心肌梗死和充血性心力衰竭，是目前死亡率较高的一类心血管疾病。传统的治疗方法包括药物治疗、外科手术等虽然一定程度上有助于恢复病人的心脏功能或限制病情的发展，但心肌梗死后诱发的进展性心脏衰竭，严重影响治疗的有效性和有效期[9]。随着干细胞技术和组织工程技术的发展，新型的多模式联合治疗策略被用于缺血性心脏病的再生治疗[10]。这种治疗策略通过微创经皮导管输送系统，向心脏输入心肌干细胞或祖细胞，以及纳米生物材料包裹的药物，以达到定时定量和持续的治疗效果，最大限度地提高心肌中药物蓄积，可以有效保护心肌并促进心脏细胞再生[11-12]。这种新的干细胞和药物联合治疗策略，在促进心肌再生，限制心肌梗死面积、减少或防止梗死扩展和降低心室壁应力方面已经表现出优于传统治疗模式的效果，具有很好的临床应用潜力。

1.2.2 体外再生三维心脏技术 中晚期的心血管疾病往往伴随严重的心脏衰竭，人工装置介入治疗耐久性有限并且无法完全恢复自然功能，最终治疗方法只能进行心脏移植，但受供体短缺和器官排斥反应等诸多因素影响，病人术后生存期和生活质量均不高[13]。在体外建立三维再生心脏是现代组织工程学正在努力探索的一个方向。这一策略包括三个方面，一是能够完整分化为整个心脏组织的自体干细胞；二是需要支架为干细胞提供物理支持，新型的生物材料已经能够模拟体内细胞生长的表面基质和生化信号，从而促进细胞黏附、迁移、增殖和分化；三是在体外建立仿生培养条件，模拟复杂的体内环境，诱导干细胞分化出所需的各种表型和功能的细胞，促进细胞外矩阵和组织的形成[14]。由于心脏组织的复杂性，这一工作目前仍停留在实验探索阶段，然而，3D打印技术的出现却给这一领域带来一丝曙光，目前3D打印心脏组织的研究已经开展，在供体器官缺乏、异种器官移植还难以实现的情况下，体外再生心脏已经成为未来解决终末期心脏衰竭治疗难题的希望[15]。

2 医药生物技术在心血管疾病诊断及机制研究中的应用

2.1 微小RNA(miRNAs)技术

以miRNAs为代表的RNA分析检测技术的发展，是推动临床诊疗手段变革的又一强劲动力。miRNAs是一类广泛存在于人体各种细胞，具有高度保守性的内源性非编码小分子单链RNA。miRNAs主要参与细胞转录后水平的基因表达调控，其分布具有高度的组织或细胞特异性，因此可作为疾病诊断的生物标记物[16-17]。由于miRNAs通常仅由18～25个碱基组成，能抵抗核糖核酸酶的降解，可稳定地存在于人体细胞外液中，包括血浆、组织液等，因此也统称为循环miRNAs(circulating miRNAs)[18]。近年来的研究发现，心肌细胞内的miRNAs可以同心肌酶类一样在心脏细胞受损后释放入血，其在血液中的表达谱能够反映出心肌的损伤类型和水平。如人们对miRNAs在急性心肌梗死早期诊断中的研究发现，miRNA-1、miRNA-208、miRNA-208a和miRNA-499等均与急性心肌梗死存在较好的相关性，其统计结果优于肌钙蛋白等心肌坏死的经典标志物[19]。目前，人们已对miRNAs与急性心肌梗死、心力衰竭、心房颤动、心肌病、高血压和冠心病等疾病的相关性和表达谱进行了深入研究，尽管这些工作还处于探索阶段，但随着人们对miRNAs研究的深入，其在心血管疾病的诊断、预后判断乃至治疗中将具有广阔的应用前景[20-21]。

2.2 生物芯片技术

生物芯片技术是近年发展起来的快速、高效、高通量检测分析技术，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。通过将大量的探针同时固定于支持物上，一次可以对大量的生物分子进行检测分析。生物芯片技术可以筛选与心血管疾病相关的新型生物标记，对心血管疾病进行及时高效的早期筛查，使治疗模式向预测、预防及个体化模式转变；针对不同类型的疾病采用不同的诊断策略，系统全面地评估心血管疾病的发生发展进程，为临床诊断治疗提供依据；生物芯片技术还能够揭示心血管疾病发生的分子机制，探索药物作用的新靶点，从而为推动相关新药的研发，寻找更加合理有效的治疗方案奠定基础[22]。另外，在中医药现代化研究进程中，由于中药含有多种化学成分，可能对疾病产生多系统、多信号途径和多靶点的联合干预作用，常规的实验手段难以进行全面的研究。而基因芯片技术具有的高通量检测能力，能够同时分析药物对生物体整个基因组层面的作用。目前，人们广泛利用基因芯片技术研究中药干预心血管疾病后的基因表达变化，在阐明中药的作用靶标和分子机制方面已经取得重要进展[23]。

2.3 转基因动物技术

随着转基因动物技术的日益成熟，转基因克隆动物在心血管疾病领域内已开始广泛应用。首先，通过转基因技术，在动物细胞内导入或敲除某一基因，可以研究该基因表达蛋白在心血管疾病致病过程中的作用，为深入阐释心血管疾病的致病机制和治疗方法奠定基础[24]。近年来，我国科研工作者在这一领域取得了众多进展，如武汉大学冯颖等[25]通过将携带人心肌特异性启动子的α-MHC-Kir6.2KK表达载体显微注射大鼠，成功构建Kir6.2E23K多态性的大鼠心肌扩张动物模型；西安交通大学高守翠等[26]成功制作了肝脏特异性高表达人胆固醇酯转移蛋白(CETP)的转基因家兔，为研究CETP相关心血管疾病的分子机制提供了良好模型。其次，利用转基因技术把动物改造成为生物反应器，进而生产出预期的生物产品，是转基因动物技术的另一重要用途，近年来华大基因研究院、中国科学院遗传与发育生物学研究所、新疆石河子大学联合克隆出的转基因绵羊，能够产生对人体有益的不饱和脂肪酸，从而有助于预防心血管疾病。最后，转基因技术还可以定向改造动物的组织器官，降低免疫排斥性，提高其生理生化指标与人体组织的匹配性，进而作为人体心血管疾病手术治疗的材料来源，可以从根本上解决目前临床治疗供体材料和组织器官短缺的难题[27]。

2.4 组织工程技术

“经典”的组织工程主要为心血管疾病的再生治疗提供材料，而组织工程的反向利用则可以作为体外药物临床前试验的高通量筛选平台。利用心肌组织工程，可以大量生产功能性心脏微组织，这种微组织具备部分体内心脏的生物复杂性，如由多细胞组成、具备心脏组织的体系结构和功能等，可以模拟心脏正常或疾病表型；同时兼具高通量筛选平台体积小、操作方便、能够在线检测操作等优点；与传统药物试验模型相比，这种新的药物筛选平台无疑能够极大的提高心血管疾病药物的筛选效率[28]。最近，芯片上的心脏(heart-on-a-chip)这一概念的提出把这类心脏微组织高通量筛选平台的研究推向了极致，同时，结合干细胞技术，提取来自患者自身细胞从而构建个性化的体外药物评价模型，将为未来的个性化药物试验和诊疗用药奠定坚实的基础[29]。事实上，随着组织工程技术的进一步发展，人们已经提出从organs-on-a-chip到human-on-a-chip的研究思路，human-on-a-chip即体外构建多器官联合模型，将能够实现在体外即可检测药物在人体主要器官内的代谢变化以及对其生理生化指标的影响，从而给人类的临床诊治和药物研究带来革命性的变化[30]。

2.5 生物信息技术

近年来，随着基因组学、蛋白质组学和RNA组学等高信息高通量生物技术的快速发展，生物医药领域逐步迈入大数据时代。在这一背景下，生物信息技术在心血管疾病诊断和治疗中的应用也有了突飞猛进的发展。生物信息学通过利用信息学的方法和技术对生物学数据进行获取、处理、存储、发布、分析与解释等操作，是综合了数学、计算机科学、生物学和医学等相关学科内容的新兴交叉学科[31-32]。目前，各种生物信息学的方法和资源十分丰富，从基因水平(DNA、RNA)到蛋白质水平的生物信息学数据库已经构建，其在揭示心血管疾病机制的研究中发挥了非常重要的作用。同时，以网络联系为特点的系统生物信息学也得到了快速发展和应用，基于不同层次的信息网络，如蛋白质相互作用网络、基因调控网络、细胞信号转导网络、代谢网络、基因-疾病网络和药物-靶点-疾病网络等，从网络角度研究生命现象，不仅能够更好地理解心血管疾病的分子机制，还有助于探索更多更新的生物标记物和治疗药物[33-34]。

3 小结与展望

现代医药生物技术的飞速发展，使心血管疾病的预防、诊断和治疗发生了革命性的变化。随着基因组学、蛋白质组学的发展，以及miRNAs技术、生物芯片技术和转基因动物技术等先进生物技术运用的日臻完善，人们对各种复杂的心血管疾病的病理机制已有了更深入全面的认识，促使诊断和治疗模式向预测、预防及个体化模式转变；现代生物技术药物的迅猛发展，也推动了心血管疾病新药的研究和创制进程，极大提高了心血管疾病的临床治疗效果；而以干细胞技术和新型生物材料为核心的组织工程学的进步，则开创了心血管疾病全新的治疗模式和理念，并为人类最终战胜心血管疾病展现了一线曙光。

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