第一章中草药生物技术概论 ·19· 验或中试，如新一代治疗性抗原-抗体-质粒DNA复合型疫苗，正在进行实验研究，获得了良 好的增强免疫的效果：我国首次研制出的新型抗艾滋病疫苗己完成了动物试验，即将进行人 体试验：抗乙肝的可食马铃薯疫苗也取得重要进展。不难看出，一批基因工程药物和疫苗正 在从实验室研究向产业化转化。 我国目前己经产业化的抗体主要是体外诊断抗体，常规使用的单抗试剂盒已广泛地应 用于病原体（病毒、细菌、寄生虫）、肿瘤标志物、激素、自身抗体、细胞表面抗原等检测。国 内单抗诊断试剂市场广阔，预计不低于10亿元。当前我国正在进行针对肝癌、肺癌、胃癌等 实体瘤以及白血病等靶向药物和高效“弹头”药物研究，同时也进行了人源化单抗、人-鼠嵌 合抗体的制备、高效表达载体系统的构建、抗体库等制备抗体新技术的研究。经过“七五” 至“九五”15年的努力，我国治疗性单抗逐步从实验室扩展到临床研究，1I标记的肝癌单抗 用于肝癌的放射免疫显像和治疗已进入Ⅱ期临床研究，并取得满意结果。工程抗体的研究 也从嵌合抗体到利用噬菌体抗体库技术制备获得了抗HBsAg的全分子人源性抗体，我国当 前还在进行新型人源抗病原微生物抗体库及其抗病毒基因工程抗体、新型趋化因子MP-2y 及其单克隆抗体的制备和应用研究。 3.我国医药生物技术及其产业发展面临的问题 虽然我国医药生物技术及其产业的发展速度较快，但也存在着一些不容忽视的问题，突 出表现在缺乏原始性创新成果和具有自主知识产权的产品，项目重复建设和产品重复生产 的现象严重，上下游技术脱节，成果转化率低，资金投入不足，融资结构不合理，企业规模较 小，研发力量薄弱，缺乏国际竞争力等方面。这些问题制约了我国医药生物技术及其产业的 健康发展。 (1)缺乏原始性创新成果，仿制产品重复生产严重创新性成果的诞生需要有强大的 基础性研究予以支撑，只有基础性研究达到相当的广度和深度，才可能促成“点”上的突破。 由于长期以来资金的投入不足，加上其他众多因素的影响，导致我国创新性的成果甚少。据 有关资料，截至2000年底我国累计开发成功的21种基因工程药物和疫苗中，只有3种是拥 有自主知识产权的I类新药，即重组人a-1b干扰素(IFNa-1b)、重组牛碱性成纤维细胞生长 因子(r-bFGF)和重组链激酶(r-sk),其他均为仿制产品。目前进入临床研究的生物技术药 物，大多数也是跟踪仿制国外的，真正意义上的原始性创新药物很少。由于缺乏创新药物， 加之知识产权保护未能跟上，导致一些药品研制和生产严重重复。据不完全统计，世界上最 为畅销的几种生物技术药物在我国重复生产现象严重，生产干扰素(IFN)的有20多家，人 红细胞生成素(erythropoietin,EPO)的有l3家，rhuGH(治疗矮小病)的有5家，白介素-2的 有12家，G-CSF和GM-CSF的竞有35家。同种产品的重复生产，产量过度的增加，生产企 业间的压价竞争，使利润下降甚至亏损，最终导致一些公司的正常生产费用难于收回。因 此，在新技术研究开发资金十分有限的情况下，如何集中有限的资金和人力，避免重复研究 开发，是我国生物技术产业化亟待解决的问题。 2)上下游技术开发不协调，成果转化率低我国医药生物技术经过20多年的发展， 虽然在研究方面已经取得很大进展，但众多的上游研究成果转化为生物技术产品的比例却 很低，据报道不超过0.5%，重要的原因之一是上下游技术脱节。分析其原因，主要是由于 研发力量和研发经费的投入不同所造成的。利用生物技术开发药物是一个系统工程，在这 个系统的上游研究大多是研究机构或大学，下游研究则是过程开发研究机构和企业，下游的
验或中试，如新一代治疗性抗原-抗体-质粒 DNA 复合型疫苗，正在进行实验研究，获得了良 好的增强免疫的效果；我国首次研制出的新型抗艾滋病疫苗已完成了动物试验，即将进行人 体试验；抗乙肝的可食马铃薯疫苗也取得重要进展。不难看出，一批基因工程药物和疫苗正 在从实验室研究向产业化转化。 我国目前已经产业化的抗体主要是体外诊断抗体，常规使用的单抗试剂盒已广泛地应 用于病原体（病毒、细菌、寄生虫）、肿瘤标志物、激素、自身抗体、细胞表面抗原等检测。国 内单抗诊断试剂市场广阔，预计不低于 10 亿元。当前我国正在进行针对肝癌、肺癌、胃癌等 实体瘤以及白血病等靶向药物和高效“弹头”药物研究，同时也进行了人源化单抗、人-鼠嵌 合抗体的制备、高效表达载体系统的构建、抗体库等制备抗体新技术的研究。经过“七五” 至“九五”15 年的努力，我国治疗性单抗逐步从实验室扩展到临床研究，131 I 标记的肝癌单抗 用于肝癌的放射免疫显像和治疗已进入Ⅱ期临床研究，并取得满意结果。工程抗体的研究 也从嵌合抗体到利用噬菌体抗体库技术制备获得了抗 HBsAg 的全分子人源性抗体，我国当 前还在进行新型人源抗病原微生物抗体库及其抗病毒基因工程抗体、新型趋化因子 MIP-2γ 及其单克隆抗体的制备和应用研究。 3. 我国医药生物技术及其产业发展面临的问题 虽然我国医药生物技术及其产业的发展速度较快，但也存在着一些不容忽视的问题，突 出表现在缺乏原始性创新成果和具有自主知识产权的产品，项目重复建设和产品重复生产 的现象严重，上下游技术脱节，成果转化率低，资金投入不足，融资结构不合理，企业规模较 小，研发力量薄弱，缺乏国际竞争力等方面。这些问题制约了我国医药生物技术及其产业的 健康发展。 （1）缺乏原始性创新成果，仿制产品重复生产严重 创新性成果的诞生需要有强大的 基础性研究予以支撑，只有基础性研究达到相当的广度和深度，才可能促成“点”上的突破。 由于长期以来资金的投入不足，加上其他众多因素的影响，导致我国创新性的成果甚少。据 有关资料，截至 2000 年底我国累计开发成功的 21 种基因工程药物和疫苗中，只有 3 种是拥 有自主知识产权的 I 类新药，即重组人 α-1b 干扰素（IFNα-1b）、重组牛碱性成纤维细胞生长 因子（r-bFGF）和重组链激酶（r-sk），其他均为仿制产品。目前进入临床研究的生物技术药 物，大多数也是跟踪仿制国外的，真正意义上的原始性创新药物很少。由于缺乏创新药物， 加之知识产权保护未能跟上，导致一些药品研制和生产严重重复。据不完全统计，世界上最 为畅销的几种生物技术药物在我国重复生产现象严重，生产干扰素（IFN）的有 20 多家，人 红细胞生成素（erythropoietin，EPO）的有 13 家，rhuGH（治疗矮小病）的有 5 家，白介素-2 的 有 12 家，G-CSF 和 GM-CSF 的竟有 35 家。同种产品的重复生产，产量过度的增加，生产企 业间的压价竞争，使利润下降甚至亏损，最终导致一些公司的正常生产费用难于收回。因 此，在新技术研究开发资金十分有限的情况下，如何集中有限的资金和人力，避免重复研究 开发，是我国生物技术产业化亟待解决的问题。 （2）上下游技术开发不协调，成果转化率低 我国医药生物技术经过 20 多年的发展， 虽然在研究方面已经取得很大进展，但众多的上游研究成果转化为生物技术产品的比例却 很低，据报道不超过 0. 5% ，重要的原因之一是上下游技术脱节。分析其原因，主要是由于 研发力量和研发经费的投入不同所造成的。利用生物技术开发药物是一个系统工程，在这 个系统的上游研究大多是研究机构或大学，下游研究则是过程开发研究机构和企业，下游的 第一章 中草药生物技术概论 ·19·
·20· 中草药生物技术 技术力量和研发能力相对上游明显较弱，这就造成了上下游技术脱节的问题。另外，我国下 游工程技术的发展明显落后于生物技术研究的发展，不能满足生物技术产品产业化的要求， 用于生物技术研究、开发及生产所用的仪器、设备等大多依赖进口，中试、产业化能力相对薄 弱，生产规模小，工艺不配套，回收率低等问题导致了成果转化、进入市场较慢，严重影响了 生物技术的产业化。有关专家认为我国在基因工程产品开发领域中的“上游技术”比国际 先进国家仅落后3~5年，但“下游技术”却至少落后15年。我国在下游工程设备、材料和 新生产工艺研制开发等方面与世界先进水平相差很大，下游经费投入和工程技术人才方面 也亟待加强。在发达国家，小试、中试、产业化之间投入的比例一般为1：10：100，而我国的投 入比例严重失调，中试和产业化的投入远远不够，其结果造成成果转化率严重偏低。因此必 须加强“下游技术”的研究和开发，以加快生物技术药物产业化的进程。 (3)资金投入不足，融资结构不合理必要的资金投入是加快高科技及其产业发展的 基本条件之一。“九五”期间，包括“863”计划、攻关计划、重大基础研究计划、国家自然科学 基金在生物技术和生物科学领域投入的资金合计4亿~5亿人民币，不及国外一家生物技 术跨国公司每年在研究开发上的投入。截至1997年底，我国对生物技术药物开发的总投入 约40亿元人民币，仅相当于国外开发1~2个新药的费用，而美国仅对医药生物制品的风 险投资就达500亿美元。我国生物制药企业一般多注重在生产和销售方面的投入，对研究 与开发投入不十分重视。投入太少，使得研发能力很差，相当一部分生产厂家停留在重复、 仿制的水平上，缺乏研发能力。而国外一些大的制药公司一般把销售额的10%~15%投入 到研发中，这与我国企业对研发的投入形成了鲜明的对照。 从融资结构来看，目前我国对生物制药业的投资以自有资金和银行贷款为主，风险投资 和从证券市场进行的直接融资数量较少，而世界各国的经验是生物制药企业在创业阶段以 风险资本为主。医药生物技术产业属于周期长、高投入、高风险、高回报的产业，2000年美 国生物技术工业（主要是医药生物技术企业）筹集到30亿美元风险资金，约占总风险资 金1000亿美元的3%。此外，2000年美国各生物技术公司从华尔街股市筹集了330亿 美元的资金，高于前5年的筹资总额。而目前我国的初创期生物制药企业很难得到风险 资金的支持，直接上市融资又受到规模等诸多因素的限制。生物技术产业是资金密集性 产业，是高投资、高风险、高收益的产业，资金不足，极大地限制了生物技术的创新研究和 产业化的进程。 (4)企业规模较小，国际竞争力不强我国目前生物制药企业数目不少，据有关资料， 目前全国涉及现代生物技术的企业有500余家，其中涉及医药生物技术的企业有300多家， 涉及农业生物技术的企业有200多家。虽然数量不少，但实力雄厚的不多，大多数研发能力 差，产业规模小，竞争能力差。在300多家各类生物制药公司中达到规模生产的只有20几 家，仅有少数公司的年销售额超过1亿元人民币。我国生物技术药物年销售总额仅相当于 美国Amgen公司的EPO年销售额的1/10。目前国际上生物技术融资热潮尚在继续，企业 重组和并购步伐加快。众多制药和生物技术大公司为了抢占生物技术各个领域的制高点， 纷纷瞄准拥有专有技术的小公司，许多资金困难的公司为了生存只好走被兼并和收购的路。 2001年12月，Millennium医药公司宣布计划以20亿美元收购COR医药公司，这是生物技 术行业中较大的一次收购。经过新一轮的资产重组和企业并购，国外医药生物企业的竞争 能力进一步增强，这对刚刚入世的中国生物技术制药产业构成了严重的威胁
技术力量和研发能力相对上游明显较弱，这就造成了上下游技术脱节的问题。另外，我国下 游工程技术的发展明显落后于生物技术研究的发展，不能满足生物技术产品产业化的要求， 用于生物技术研究、开发及生产所用的仪器、设备等大多依赖进口，中试、产业化能力相对薄 弱，生产规模小，工艺不配套，回收率低等问题导致了成果转化、进入市场较慢，严重影响了 生物技术的产业化。有关专家认为我国在基因工程产品开发领域中的“上游技术”比国际 先进国家仅落后 3 ～ 5 年，但“下游技术”却至少落后 15 年。我国在下游工程设备、材料和 新生产工艺研制开发等方面与世界先进水平相差很大，下游经费投入和工程技术人才方面 也亟待加强。在发达国家，小试、中试、产业化之间投入的比例一般为1: 10: 100，而我国的投 入比例严重失调，中试和产业化的投入远远不够，其结果造成成果转化率严重偏低。因此必 须加强“下游技术”的研究和开发，以加快生物技术药物产业化的进程。 （3）资金投入不足，融资结构不合理 必要的资金投入是加快高科技及其产业发展的 基本条件之一。“九五”期间，包括“863”计划、攻关计划、重大基础研究计划、国家自然科学 基金在生物技术和生物科学领域投入的资金合计 4 亿 ～ 5 亿人民币，不及国外一家生物技 术跨国公司每年在研究开发上的投入。截至 1997 年底，我国对生物技术药物开发的总投入 约 40 亿元人民币，仅相当于国外开发 1 ～ 2 个新药的费用，而美国仅对医药生物制品的风 险投资就达 500 亿美元。我国生物制药企业一般多注重在生产和销售方面的投入，对研究 与开发投入不十分重视。投入太少，使得研发能力很差，相当一部分生产厂家停留在重复、 仿制的水平上，缺乏研发能力。而国外一些大的制药公司一般把销售额的 10% ～ 15% 投入 到研发中，这与我国企业对研发的投入形成了鲜明的对照。 从融资结构来看，目前我国对生物制药业的投资以自有资金和银行贷款为主，风险投资 和从证券市场进行的直接融资数量较少，而世界各国的经验是生物制药企业在创业阶段以 风险资本为主。医药生物技术产业属于周期长、高投入、高风险、高回报的产业，2000 年美 国生物技术工业（主要是医药生物技术企业）筹集到 30 亿美元风险资金，约占总风险资 金 1 000 亿美元的 3% 。此外，2000 年美国各生物技术公司从华尔街股市筹集了 330 亿 美元的资金，高于前 5 年的筹资总额。而目前我国的初创期生物制药企业很难得到风险 资金的支持，直接上市融资又受到规模等诸多因素的限制。生物技术产业是资金密集性 产业，是高投资、高风险、高收益的产业，资金不足，极大地限制了生物技术的创新研究和 产业化的进程。 （4）企业规模较小，国际竞争力不强 我国目前生物制药企业数目不少，据有关资料， 目前全国涉及现代生物技术的企业有 500 余家，其中涉及医药生物技术的企业有 300 多家， 涉及农业生物技术的企业有 200 多家。虽然数量不少，但实力雄厚的不多，大多数研发能力 差，产业规模小，竞争能力差。在 300 多家各类生物制药公司中达到规模生产的只有 20 几 家，仅有少数公司的年销售额超过 1 亿元人民币。我国生物技术药物年销售总额仅相当于 美国 Amgen 公司的 EPO 年销售额的 1 /10。目前国际上生物技术融资热潮尚在继续，企业 重组和并购步伐加快。众多制药和生物技术大公司为了抢占生物技术各个领域的制高点， 纷纷瞄准拥有专有技术的小公司，许多资金困难的公司为了生存只好走被兼并和收购的路。 2001 年 12 月，Millennium 医药公司宣布计划以 20 亿美元收购 COR 医药公司，这是生物技 术行业中较大的一次收购。经过新一轮的资产重组和企业并购，国外医药生物企业的竞争 能力进一步增强，这对刚刚入世的中国生物技术制药产业构成了严重的威胁。 ·20· 中草药生物技术
第一章中草药生物技术概论 ·21· 二、中草药生物技术的发展前景 近10多年来由于天然药物研究与开发的长足进展，2001年版美国《药典》己正式收载 银杏、月见草油、卡瓦内酯、金丝桃素、人参、锯齿棕、雪花莲及B-七叶皂苷等20多种畅销的 药材或其制剂的质量标准，表明中草药及天然药物己被美国官方认可，揭开了天然药物发展 史上的新篇章，在世界范围内必将掀起开发天然药物的新高潮。近年来天然药物的研究还 取得了一系列新进展，如免疫抑制药环孢素、抗糖尿病新药阿卡波糖和降血脂新药洛伐他汀 及其类似物等相继面市：镇痛药河鲀毒素及贝类毒素等海洋药物也取得了良好的进展：另外 可直接杀伤肿瘤细胞和具有免疫调节作用的苦马豆素也进入临床试验阶段。其次，具有防 治肿瘤作用的番荔枝内酯及白黎芦醇的研究也引起了国内外医药界的关注。美国科学家还 从非洲真菌“伪黑团壳”中分离出一种五环化合物，口服有胰岛素样作用。此外，正在研制 的卡麦角林(Cabegoline)是麦角生物碱的类似物，为多巴胺D,的受体激动药，选择性强，药 效持久，有望成为治疗帕金森病的有效药物。生物技术在中草药的研究和应用中也表现出 了广阔的前景。 1.应用生物技术开展药用植物资源研究及品种选育 (1)保护珍稀濒危物种，积极寻找替代品我国己成功地进行了人参、三七、大麻、贝母 等珍贵药用植物的人工栽培。今后仍要加强对珍稀濒危药用植物的保护、驯化、繁殖，以达 到持续利用的目的。如对珍稀频危野生植物铁皮石斛、川贝母、红豆杉等，一方面按照亲缘 关系和分类学知识扩大资源，寻找近缘种中的优良物种：另一方面应加强就地保护，同时采 用组织培养等生物技术手段，建立无性繁殖系，加速珍稀濒危药用植物的保存、繁殖和纯化。 (2)利用生物技术再生药用植物资源进行药用植物的人工栽培是保证中药资源的一 个有力手段，目前我国种植的大宗中药材达150余种。已运用杂交、诱变、多倍体、试管受 精、原生质体融合、花药培养等生物学技术获得浙江贝母、元胡、地黄、枸杞、乌头、虫草等高 产优质的新品种。重组DNA技术己可将动物、植物、微生物的基因相互转移，使药用植物资 源再生、创新成为可行。 (3)利用转基因技术培育药用植物新品种及品种的遗传改良植物基因工程已成功地 将外源基因导入植物体中，并获得转基因植物新品种。从1983年国际上首次获得转基因烟 草、马铃薯以来，世界上已获得的转基因植物有数百种。利用这一技术将某些优良性状基因 导入本不具备这些性状的植物体内，可达到改良植物品种的目的。如通过抗病抗虫等基因 的导入，可获得抗病虫植株，相信在不久的将来会有更多的转基因药用植物新品种问世。 2.利用植物细胞培养及转基因技术生产次生代谢产物 (1)利用植物细胞培养生产次生代谢产物多数传统中草药的有效成分是植物体内的 次生代谢产物，从中找到代谢中关键酶之后可大大提高代谢产物质量。在日本，Tabata等 (1974年)利用细胞培养来生产紫草宁衍生物，通过二步培养，细胞中紫草宁衍生物产量高 达150g/L(含量达13.6%)，紫草植物自然生长2~3年才能收获1次，而利用组织培养只 需3周，大大缩短了生产周期。 通过筛选高产细胞系、改进培养条件和方法，以及设计适合植物细胞培养的发酵罐，人 们己对包括紫草、长春花、洋地黄、黄连等在内的多种药用植物细胞进行了大规模培养，部分 产品己投放市场。为了加速植物细胞培养技术商业化生产进程，各国科学家们通过不断改
二、中草药生物技术的发展前景 近 10 多年来由于天然药物研究与开发的长足进展，2001 年版美国《药典》已正式收载 银杏、月见草油、卡瓦内酯、金丝桃素、人参、锯齿棕、雪花莲及 β-七叶皂苷等 20 多种畅销的 药材或其制剂的质量标准，表明中草药及天然药物已被美国官方认可，揭开了天然药物发展 史上的新篇章，在世界范围内必将掀起开发天然药物的新高潮。近年来天然药物的研究还 取得了一系列新进展，如免疫抑制药环孢素、抗糖尿病新药阿卡波糖和降血脂新药洛伐他汀 及其类似物等相继面市；镇痛药河鲀毒素及贝类毒素等海洋药物也取得了良好的进展；另外 可直接杀伤肿瘤细胞和具有免疫调节作用的苦马豆素也进入临床试验阶段。其次，具有防 治肿瘤作用的番荔枝内酯及白黎芦醇的研究也引起了国内外医药界的关注。美国科学家还 从非洲真菌“伪黑团壳”中分离出一种五环化合物，口服有胰岛素样作用。此外，正在研制 的卡麦角林（Cabegoline）是麦角生物碱的类似物，为多巴胺 D2 的受体激动药，选择性强，药 效持久，有望成为治疗帕金森病的有效药物。生物技术在中草药的研究和应用中也表现出 了广阔的前景。 1. 应用生物技术开展药用植物资源研究及品种选育 （1）保护珍稀濒危物种，积极寻找替代品 我国已成功地进行了人参、三七、大麻、贝母 等珍贵药用植物的人工栽培。今后仍要加强对珍稀濒危药用植物的保护、驯化、繁殖，以达 到持续利用的目的。如对珍稀濒危野生植物铁皮石斛、川贝母、红豆杉等，一方面按照亲缘 关系和分类学知识扩大资源，寻找近缘种中的优良物种；另一方面应加强就地保护，同时采 用组织培养等生物技术手段，建立无性繁殖系，加速珍稀濒危药用植物的保存、繁殖和纯化。 （2）利用生物技术再生药用植物资源 进行药用植物的人工栽培是保证中药资源的一 个有力手段，目前我国种植的大宗中药材达 150 余种。已运用杂交、诱变、多倍体、试管受 精、原生质体融合、花药培养等生物学技术获得浙江贝母、元胡、地黄、枸杞、乌头、虫草等高 产优质的新品种。重组 DNA 技术已可将动物、植物、微生物的基因相互转移，使药用植物资 源再生、创新成为可行。 （3）利用转基因技术培育药用植物新品种及品种的遗传改良 植物基因工程已成功地 将外源基因导入植物体中，并获得转基因植物新品种。从 1983 年国际上首次获得转基因烟 草、马铃薯以来，世界上已获得的转基因植物有数百种。利用这一技术将某些优良性状基因 导入本不具备这些性状的植物体内，可达到改良植物品种的目的。如通过抗病抗虫等基因 的导入，可获得抗病虫植株，相信在不久的将来会有更多的转基因药用植物新品种问世。 2. 利用植物细胞培养及转基因技术生产次生代谢产物 （1）利用植物细胞培养生产次生代谢产物 多数传统中草药的有效成分是植物体内的 次生代谢产物，从中找到代谢中关键酶之后可大大提高代谢产物质量。在日本，Tabata 等 （1974 年）利用细胞培养来生产紫草宁衍生物，通过二步培养，细胞中紫草宁衍生物产量高 达 150 mg/L（含量达 13. 6%），紫草植物自然生长 2 ～ 3 年才能收获 1 次，而利用组织培养只 需 3 周，大大缩短了生产周期。 通过筛选高产细胞系、改进培养条件和方法，以及设计适合植物细胞培养的发酵罐，人 们已对包括紫草、长春花、洋地黄、黄连等在内的多种药用植物细胞进行了大规模培养，部分 产品已投放市场。为了加速植物细胞培养技术商业化生产进程，各国科学家们通过不断改 第一章 中草药生物技术概论 ·21·
·22· 中草药生物技术 进培养方法，如高密度培养、连续培养和固定化培养等，以期获得一种适合于植物细胞工业 化生产的方法。随着研究的不断深入，植物细胞大规模培养成为一种成熟的工业化生产方 式已为期不远了。同时，代谢产物生物合成的基础研究越来越受到重视，特别是与代谢相关 的关键酶和转录因子的确定和分离，为深入研究代谢产物合成的分子机制和利用基因工程 手段改造代谢途径打下了基础。 (2)利用发根农杆菌遗传转化获得毛状根生产次生代谢产物由发根农杆菌 (Agrobacterium rhizogenes).感染双子叶植物形成毛状根是在最近I0年发展成继细胞培养之 后又一新的培养系统。毛状根具有生长迅速，遗传性稳定和生化特性不易改变的特点，因此 越来越受到人们的重视。这一培养系统对传统药材来讲更为重要，因为约1/3的传统药材 是植物的根部。目前已在长春花、烟草、紫草、人参、曼陀罗、颠茄、丹参、黄花、甘草和青蒿等 40多种植物中建立了毛状根培养系统。 毛状根大规模培养技术的主要问题之一是物质转移。因培养对象是相互联结的非均匀 物质，因此其流体力学性质明显不同于悬浮培养细胞。大规模培养使用的发酵罐有多种类 型，其中气升式效果为佳。在提高毛状根中次生物质含量的研究中，发展了培养基连续流 动、双液相发酵等新的培养技术，利用大孔树脂作为吸附剂的培养方法也有报道。 (3)次生代谢途径的基因工程传统药材含有的有效成分绝大部分是次生代谢产物， 它们的合成途径非常复杂，往往有几个甚至几十个酶参与，因而找出形成特定产物的关键酶 就成为利用基因工程技术生产传统药有效成分的关键之一，而寻找关键酶的基因，选用合适 的载体和在受体适当部位表达的研究也是十分重要的内容。 此外，利用植物作为生物反应器表达外源基因的研究热点正在兴起，已有一批来自细 菌、动物和人类的某些抗原、抗体和特异蛋白编码的外源基因在转基因植物中得到表达，如 α-栝楼素、血管紧张肽转化酶抑制剂、抗体、细菌和病毒的抗原、脑啡肽、表皮生长因子、促红 细胞生长素、生长激素、人血清蛋白、干扰素和水蛭素等。目前这些实验大都是以烟草作为 受体植物来进行的，再加上表达效率较低，因而还很难显示出其应用价值。 3.分子标记技术在药用植物研究上的应用前景 分子标记技术作为现代分子生物学的重要组成部分，从广义上讲也属生物技术范畴，目 前分子标记技术在药用植物研究上的应用主要包括以下主要内容。 (1)药用植物生物多样性保护与可持续利用研究我国是世界上药用植物资源最丰富 的国家之一，但随着生态环境的破坏，珍稀濒危植物不断增加，加之对药用植物需求量日益 增大，资源问题将更加突出。因而，对药用植物的多样性保护和可持续利用的研究受到国内 外普遍关注。保护药用植物生物多样性，应围绕挽救、研究和合理利用3个环节。可持续利 用就是采取某种使用和保护自然资源的基础方式，以及技术变革和机制性变革，以确保当代 人类及其后代对药用植物需求得到不断的满足。为此，在传统药用植物资源开发利用和有 效保护的基础上，运用分子标记技术结合计算机手段，研究物种遗传变异及其演化，建立重 要药用植物基因库，研究在自然或人工控制下个体更新速度及规律，从而制定相应的管理措 施，实现药用植物资源研究与种质保护的科学化、现代化，促进资源的可持续利用。 (2)药用植物亲缘关系和分类学研究目前在药用植物亲缘关系研究中，主要应用形 态、细胞组织、化学成分等特征。这些特征在受遗传因素影响的同时，还受环境因素的影响， 有一定的局限性。同时，随着药用植物资源及分类鉴定研究的不断深入，新种不断发现，应
进培养方法，如高密度培养、连续培养和固定化培养等，以期获得一种适合于植物细胞工业 化生产的方法。随着研究的不断深入，植物细胞大规模培养成为一种成熟的工业化生产方 式已为期不远了。同时，代谢产物生物合成的基础研究越来越受到重视，特别是与代谢相关 的关键酶和转录因子的确定和分离，为深入研究代谢产物合成的分子机制和利用基因工程 手段改造代谢途径打下了基础。 （2）利用发根农杆菌遗传转化获得毛状根生产次生代谢产物 由 发 根 农 杆 菌 （Agrobacterium rhizogenes）感染双子叶植物形成毛状根是在最近 10 年发展成继细胞培养之 后又一新的培养系统。毛状根具有生长迅速，遗传性稳定和生化特性不易改变的特点，因此 越来越受到人们的重视。这一培养系统对传统药材来讲更为重要，因为约 1 /3 的传统药材 是植物的根部。目前已在长春花、烟草、紫草、人参、曼陀罗、颠茄、丹参、黄花、甘草和青蒿等 40 多种植物中建立了毛状根培养系统。 毛状根大规模培养技术的主要问题之一是物质转移。因培养对象是相互联结的非均匀 物质，因此其流体力学性质明显不同于悬浮培养细胞。大规模培养使用的发酵罐有多种类 型，其中气升式效果为佳。在提高毛状根中次生物质含量的研究中，发展了培养基连续流 动、双液相发酵等新的培养技术，利用大孔树脂作为吸附剂的培养方法也有报道。 （3）次生代谢途径的基因工程 传统药材含有的有效成分绝大部分是次生代谢产物， 它们的合成途径非常复杂，往往有几个甚至几十个酶参与，因而找出形成特定产物的关键酶 就成为利用基因工程技术生产传统药有效成分的关键之一，而寻找关键酶的基因，选用合适 的载体和在受体适当部位表达的研究也是十分重要的内容。 此外，利用植物作为生物反应器表达外源基因的研究热点正在兴起，已有一批来自细 菌、动物和人类的某些抗原、抗体和特异蛋白编码的外源基因在转基因植物中得到表达，如 α-栝楼素、血管紧张肽转化酶抑制剂、抗体、细菌和病毒的抗原、脑啡肽、表皮生长因子、促红 细胞生长素、生长激素、人血清蛋白、干扰素和水蛭素等。目前这些实验大都是以烟草作为 受体植物来进行的，再加上表达效率较低，因而还很难显示出其应用价值。 3. 分子标记技术在药用植物研究上的应用前景 分子标记技术作为现代分子生物学的重要组成部分，从广义上讲也属生物技术范畴，目 前分子标记技术在药用植物研究上的应用主要包括以下主要内容。 （1）药用植物生物多样性保护与可持续利用研究 我国是世界上药用植物资源最丰富 的国家之一，但随着生态环境的破坏，珍稀濒危植物不断增加，加之对药用植物需求量日益 增大，资源问题将更加突出。因而，对药用植物的多样性保护和可持续利用的研究受到国内 外普遍关注。保护药用植物生物多样性，应围绕挽救、研究和合理利用 3 个环节。可持续利 用就是采取某种使用和保护自然资源的基础方式，以及技术变革和机制性变革，以确保当代 人类及其后代对药用植物需求得到不断的满足。为此，在传统药用植物资源开发利用和有 效保护的基础上，运用分子标记技术结合计算机手段，研究物种遗传变异及其演化，建立重 要药用植物基因库，研究在自然或人工控制下个体更新速度及规律，从而制定相应的管理措 施，实现药用植物资源研究与种质保护的科学化、现代化，促进资源的可持续利用。 （2）药用植物亲缘关系和分类学研究 目前在药用植物亲缘关系研究中，主要应用形 态、细胞组织、化学成分等特征。这些特征在受遗传因素影响的同时，还受环境因素的影响， 有一定的局限性。同时，随着药用植物资源及分类鉴定研究的不断深入，新种不断发现，应 ·22· 中草药生物技术
第一章中草药生物技术概论 ·23· 用经典的形态分类方法常有异议，分类地位经常变动，给正本清源及一系列的研究带来困 难。DNA分子作为遗传信息的直接载体，不受外界因素和生物体发育阶段和器官组织差异 的影响，每一个体的任一体细胞均含有相同的遗传信息，通过选择合适的DNA分子标记方 法，可准确鉴定物种及品种间的遗传差异，从而揭示物种的亲缘关系，为物种鉴定及其研究 提供依据。 (3)中药材的鉴定及道地性研究药材道地性主要是指药材中有效成分质地的地域差 异性，也即某些药材只有采自某一生长环境区域才能表现出疗效最佳或产量最大。中药材 一般是对原药用植物（或动物）经过加工后而形成的干品，加工过程就造成了许多活性成分 (酶、蛋白质等)的失活或损失，给传统鉴定方法带来了困难。传统的中药鉴别方法主要依 据药材的颜色、形状、气味、味道和质地等感性特征，这种鉴定方法的不足之处是经验性的成 分较多，不十分准确，对上述特征的把握也是因人而异。将解剖学、组织学、化学方法引入到 生药鉴定上来，推动了生药鉴定科学化发展的进程。但这些方法仍有很大的局限性，由于不 少药物性状非常相似，且同一药物在不同部位有一定区别，因此在药材鉴别时有很大的困 难。利用DNA分子诊断技术直接分析药材的DNA多态性，并找出其特有的DNA片段对此 进行测序，可制备探针检测相应药材的真伪。随着DNA分析技术的发展，分子生物学技术 如PCR技术已经应用到了生物亲缘关系的研究领域，由于PCR技术能将原来痕量的DNA 扩增到足以进行分析与检测的数量，而且产物具有专一性强，不需特殊纯化等优点，使DNA 分子标记方法特别适于目前生药学方法难以鉴定的一些多来源中药材、贵重药材及其伪品 等。如用此技术可进行人参、西洋参、三七、甘草、蒲公英、淫羊藿、细辛等亲缘关系的鉴定。 由于DNA分子标记技术可在分子水平上快速对药材的遗传特性进行研究，并可构建正品药 材、道地性药材基因文库，因此这一方法比传统鉴定方法快且提高了灵敏度。 通过道地药材与非道地药材的比较研究，明确同种药材优质品种及其最佳生长条件，将 为GAP基地建设奠定基础。众多实验阐明，同种药材在不同产地，质量可能差异很大。其 本质是其化学成分的种类或含量的差异。化学成分的差异可能是由遗传因子造成的，也可 能是地理-生态因子（环境）造成的，或两者互作造成的，各种因素对道地药材形成的作用是 不一致的。因而应用分子标记技术对常用的、著名的药材与非道地药材进行系统比较研究， 明确同一药材的优质物种及其最佳生长条件，可为中药材的栽培提供科学依据。 人类步入21世纪以来，药用植物在保障人类健康的社会医疗事业中的作用越来越重 要。生物技术在中药研究中的应用也越来越广泛，越来越深入，这是中药走向世界、走向现 代化的需要。与传统生产方式比较，应用生物技术进行传统药材生产具有明显的优点：①药 材（或有效成分）的生产可以在人为控制条件下进行，通过操作培养条件和培养方式极大地 提高生产率：②可以进行特定的生物转化反应，大规模生产所需要的成分：③通过对有效成 分合成路线进行遗传操作，提高所需物质的产量：④通过加入或删除基因而改变药材的遗传 特性。 我国在这些方面的研究己经渐渐兴起，在有些方面如药用植物组织与细胞培养已积累 了二十余年的经验，理论及技术都相当成熟，而且在全国范围内己形成了一定的规模，预计 今后的主要研究方向应该集中在：①价值大且濒危的药用植物：②对次生代谢产物的产生进 行调控：③一些重要中药化学成分的生物转化。另外，药用植物中包含着许多人们尚未认 识和开发的具有新功能的物质，其中不少有望成为新的药物。借助生物技术，人们可望保存
用经典的形态分类方法常有异议，分类地位经常变动，给正本清源及一系列的研究带来困 难。DNA 分子作为遗传信息的直接载体，不受外界因素和生物体发育阶段和器官组织差异 的影响，每一个体的任一体细胞均含有相同的遗传信息，通过选择合适的 DNA 分子标记方 法，可准确鉴定物种及品种间的遗传差异，从而揭示物种的亲缘关系，为物种鉴定及其研究 提供依据。 （3）中药材的鉴定及道地性研究 药材道地性主要是指药材中有效成分质地的地域差 异性，也即某些药材只有采自某一生长环境区域才能表现出疗效最佳或产量最大。中药材 一般是对原药用植物（或动物）经过加工后而形成的干品，加工过程就造成了许多活性成分 （酶、蛋白质等）的失活或损失，给传统鉴定方法带来了困难。传统的中药鉴别方法主要依 据药材的颜色、形状、气味、味道和质地等感性特征，这种鉴定方法的不足之处是经验性的成 分较多，不十分准确，对上述特征的把握也是因人而异。将解剖学、组织学、化学方法引入到 生药鉴定上来，推动了生药鉴定科学化发展的进程。但这些方法仍有很大的局限性，由于不 少药物性状非常相似，且同一药物在不同部位有一定区别，因此在药材鉴别时有很大的困 难。利用 DNA 分子诊断技术直接分析药材的 DNA 多态性，并找出其特有的 DNA 片段对此 进行测序，可制备探针检测相应药材的真伪。随着 DNA 分析技术的发展，分子生物学技术 如 PCR 技术已经应用到了生物亲缘关系的研究领域，由于 PCR 技术能将原来痕量的 DNA 扩增到足以进行分析与检测的数量，而且产物具有专一性强，不需特殊纯化等优点，使 DNA 分子标记方法特别适于目前生药学方法难以鉴定的一些多来源中药材、贵重药材及其伪品 等。如用此技术可进行人参、西洋参、三七、甘草、蒲公英、淫羊藿、细辛等亲缘关系的鉴定。 由于 DNA 分子标记技术可在分子水平上快速对药材的遗传特性进行研究，并可构建正品药 材、道地性药材基因文库，因此这一方法比传统鉴定方法快且提高了灵敏度。 通过道地药材与非道地药材的比较研究，明确同种药材优质品种及其最佳生长条件，将 为 GAP 基地建设奠定基础。众多实验阐明，同种药材在不同产地，质量可能差异很大。其 本质是其化学成分的种类或含量的差异。化学成分的差异可能是由遗传因子造成的，也可 能是地理-生态因子（环境）造成的，或两者互作造成的，各种因素对道地药材形成的作用是 不一致的。因而应用分子标记技术对常用的、著名的药材与非道地药材进行系统比较研究， 明确同一药材的优质物种及其最佳生长条件，可为中药材的栽培提供科学依据。 人类步入 21 世纪以来，药用植物在保障人类健康的社会医疗事业中的作用越来越重 要。生物技术在中药研究中的应用也越来越广泛，越来越深入，这是中药走向世界、走向现 代化的需要。与传统生产方式比较，应用生物技术进行传统药材生产具有明显的优点：①药 材（或有效成分）的生产可以在人为控制条件下进行，通过操作培养条件和培养方式极大地 提高生产率；②可以进行特定的生物转化反应，大规模生产所需要的成分；③通过对有效成 分合成路线进行遗传操作，提高所需物质的产量；④通过加入或删除基因而改变药材的遗传 特性。 我国在这些方面的研究已经渐渐兴起，在有些方面如药用植物组织与细胞培养已积累 了二十余年的经验，理论及技术都相当成熟，而且在全国范围内已形成了一定的规模，预计 今后的主要研究方向应该集中在：①价值大且濒危的药用植物；②对次生代谢产物的产生进 行调控；③一些重要中药化学成分的生物转化。另外，药用植物中包含着许多人们尚未认 识和开发的具有新功能的物质，其中不少有望成为新的药物。借助生物技术，人们可望保存 第一章 中草药生物技术概论 ·23·