1、生物技術生物技術教師教師:林維莉林維莉第01週：緒論第02週：生物技術範疇與發展第03週：生物科產業常用微生物種介紹第04週：分子生物技術原理與基本應用(一)第05週：分子生物技術原理與基本應用(二)第06週：生物科技於刑事科學上的應用：DNA鑑定與微量物證鑑定第07週：生物科技於醫學上的應用：疫苗開發與製程第08週：期中考第09週：生物科技於醫學上的應用：病原微生物快速檢驗試劑開發與應用第10週：生物科技於醫學上的應用：生物製劑與基因重組藥品開發與應用第11週：生物科技於醫學上的應用：癌症及藥物治療發展第12週：生物科技於生殖醫學上的應用：不孕症治療、臍帶血與幹細胞第13週：生物科技於醫學美
2、容上的應用第14週：基因轉殖動物發展與應用第15週：基因改造食品發展與應用第16週：小組討論第17週：小組討論第18週：期末考第7週：生物科技於醫學上的應用：疫苗開發與製程佐劑死毒疫苗減毒疫苗蛋白質疫苗DNA疫苗應用:流感疫苗、子宮頸癌疫苗、多合一疫苗疫苗施打疫苗成效評估4一、歷史及發展一、歷史及發展十一世紀中國（約北宋時期）及阿拉伯的醫生就知道將患有天花之病患身上的痂取下磨成粉末，吹到健康人鼻腔以預防天花。英國醫生Edward Jenner在1796年更證明了接種牛痘可預防天花。-疫苗技術的建立始於1881年，Pasteur用培養基培養弱毒性炭疽病桿菌，成功的防治羊的炭疽病。-1933年Go
3、odpasture利用雞胚培養病毒取代動物臟器製造疫苗的技術。1949年利用動物細胞培養病毒的技術被開發出來後，由於病毒可在無菌培養皿中培養，使得疫苗的製造更簡單，快速、安全且成本便宜。然而近年來由於生物科技的興起，使得疫苗的研發無論在方法上及觀念上都起了重大的改變，疫苗的研發也由傳統的抗原萃取而發展成為抗原的創新與設計，許多以往無法製造的疫苗，如今也都逐漸開發成功並獲得良好的效果。牛痘與天花1798年，英國醫生愛德華詹納在自己的病人當中，偶然的機會下發現擠牛奶的女工似乎沒有感染天花的病例，於是經過研究之後，他發現是這些牛隻感染牛痘病毒後，擠牛奶的女工透過擠壓受感染牛隻的乳房而感染牛痘，而這些
4、女工們在痊癒後便終生對牛痘免疫，不會再患同樣的疾病，同時對天花也能終身免疫。所以他認為牛痘病毒與天花病毒有一定關係，得過牛痘的女工們也剛好能對天花病毒終生免疫。透過把含有牛痘的溶液塗在健康人的傷口上，他們便會對天花產生免疫力。於是愛德華詹納便致力研發牛痘疫苗接種。在疫苗研發成功後，他接種在自己的兒子身上，在接種後一直相安無事，也沒有感染天花。因為這是免疫接種的首度成功案例，因此種痘也被引申為疫苗接種的意思。炭疽桿菌與炭疽病炭疽(anthrax)是由炭疽桿菌(Bacillus anthracis)感染的一種急性傳染病。炭疽桿菌學名的anthracis是源於希臘字的anthrakis也就是炭(co
5、al)的意思。這是因為炭疽病會導致黑色像炭的皮膚焦痂病灶。便是符合這個條件，而被認為最可能用來當做生物武器。此外，炭疽孢子是一個不會分裂，沒有測量得到的新陳代謝，對乾燥、熱、紫外線、伽馬幅射、和許多殺菌劑有抵抗作用的土壤生物。在某些土壤，炭疽孢子可以休眠存活數十年。炭疽也是人畜共通的傳染病。人感染炭疽的途徑有三個：呼吸、皮膚、和胃腸。炭疽桿菌炭疽桿菌炭疽桿菌與恐怖攻擊由於耐抗和休眠的特性，炭疽孢子被研究用來當做生物武器的歷史已超過80年。現在全世界至少有17個國家被認為擁有攻擊性生物武器的計劃。至於多少國家在做炭疽生物武器，則不清楚。目前只有伊拉克和前蘇聯承認有炭疽生物武器。恐怖組織也可能擁有
6、炭疽生物武器。1970年世界健康組織(WHO)估計，飛機在一個500萬人口的市郊上空噴灑50公斤的炭疽孢子噴劑，會導致25萬人傷亡，其中10萬人沒有治療會死亡。1979年在前蘇聯Sverdlovsk地區的一個軍事微生物單位，曾發生炭疽孢子噴劑外洩的意外，導致至少79個病例和68人死亡。1993年美國國會的科技評估辦公室(Congressional Office of Technology Assessment)的一項報告指出，在首府華盛頓地區的上風處釋放100公斤的炭疽孢子噴劑，估計可造成13-300萬人死亡。這個殺傷力是相當於或超過一顆氫彈！1995年日本奧姆真理教(Aum Shinriky
7、o)在東京地鐵的沙林(sarin)事件中，就曾噴灑炭疽和肉毒桿菌(botulism)噴劑至少8次。幸好由於未知的原因，這些攻擊都沒導致疾病。東京地鐵沙林毒氣事件東京地鐵沙林毒氣事件東京地鐵沙林毒氣事件東京地鐵沙林毒氣事件（日語：地下鉄事件地下鉄事件）是日本自第二次世界大戰結束後最嚴重的恐怖襲擊事件，由奧姆真理教發動。事件發生於日本時間1995年（平成7年）3月20日早上，奧姆真理教多名教徒分別在東京的營團地下鐵（現東京地下鐵）三條路線共五班列車上散布沙林毒氣，造成13人死亡及約6,300人受傷。事件策劃者奧姆真理教教主麻原彰晃，以及執行任務的5名教徒先後被判死刑，惟至今仍未行刑；另3名輔助施襲
8、者則被判無期徒刑。期間曾有3名涉案教徒潛逃，最終2000年代陸續被捕或投案自首。沙林毒氣沙林毒氣橙劑橙劑（A AGENTGENT O ORANGERANGE)或稱橘劑橘劑、落葉劑落葉劑、枯葉劑枯葉劑、落葉橘落葉橘），為美軍在越南戰爭時期通過除草作戰方案(Herbicidal warfare)與牧場手行動(Operation Ranch Hand)，執行落葉計劃以對抗在叢林中的越共，而使用的落葉劑，落葉劑可使雙子葉植物樹葉掉落。於1962年至1971年的行動中用軍機大量噴灑在越南土地上。橙劑為了方便運送，將其封裝在中間帶有橙色條紋的55加侖(208公升)墨綠色圓鐵桶中，也因此而得名。其主要成份是
9、以比率1比1混合的兩種化學物質，其中一種為2,4,5-三氯苯氧乙酸（2,4,5-T）、另一種為2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）。而於生產過程中，一些化學反應的污染物，形成更加致癌的雜質戴奧辛四氯雙苯環戴奧辛（2,3,7,8-Tetrachlorodibenzodioxin,TCDD）。四氯雙苯環戴奧辛屬於第一類致癌物質。一些化學反應的污染物。橙劑主要製造商包括陶氏化工、孟山都、鑽石三葉草等。動物細胞培養病毒的技術免疫力,疫苗的原理雞胚培養病毒取代動物臟器製造疫苗雞胚培養病毒應用http:/ 二二、理想的疫苗應具備下列幾種特性：、理想的疫苗應具備下列幾種特性：1、安全性:使用於人、畜必須十分安
10、全，無副作用，並且能產生良好及持久的保護性免疫力。2、成本及價格低廉。3、便於保存。4、使用方便，易於接種，且不須接種太多次即可獲得良好免疫保護效果。5、對於具有引發潛伏性感染的病原(pathogen)，能抑制發病，還要能預防感染。三三、活毒疫苗及死毒疫苗、活毒疫苗及死毒疫苗 疫苗根據其是否仍具有感染及繁殖的能力可區分為活毒 疫苗(live vaccine)及死毒疫苗(killed or inactivated vaccine)。各類型疫苗均有其不同的特性、優點及適用的情況。A.死毒疫苗:根據其疫苗是否包含整個病原或部分病原抗原（如病原之某一個抗原蛋白），又可區分為全毒疫苗或次單元疫苗(sub
11、unit vaccine)。B.活毒疫苗:分為減毒疫苗及不活化疫苗 四、死四、死毒疫苗的優缺點毒疫苗的優缺點由於其在製造過程中須經過不活化處理將病原殺死，因此沒有毒力恢復及散播到其他動物之疑慮，安全性較高，然而必須增加接種的劑量及次數，因此成本也比較貴。29五、活毒疫苗的優點五、活毒疫苗的優點1.由於其仍具有感染力，因此活毒疫苗往往能引發全面性的免疫力，包括體液性免疫力(humoral immunity)、細胞免疫力(cell-mediated immunity)及黏膜免疫力(mucosal immunity)，因此免疫效果較佳，且保護期較長。2.由於其仍具有繁殖能力，可以在人或動物體內繼續增
12、殖，因此接種劑量不需要太大，可以減低成本。3.接種方便，尤其在畜用疫苗的使用上，有利於適用在農場上大規模的防疫計畫。30 六、活六、活毒疫苗的毒疫苗的馴化馴化活毒疫苗的研發必須經過馴化或減毒(attenuation)的過程。由於每一種病原的致病機制不同，因此馴化減毒的方法及難易程度亦不相同。-傳統的減毒過程通常是將病原不斷的在動物體內或組織培養的細胞內繼代繁殖，直到病原對其宿主的致病力減低至最小的程度。-近年來的分子免疫學，研究解開病原的致病因子(virulence factor)，因此也可以利用生物技術的方法，將病原致病因子的基因完全切除而達到減毒馴化的目的。31 七七、抗原劑量對免疫反應的
13、影響、抗原劑量對免疫反應的影響 大劑量的抗原常使專一性免疫細胞類的T cells及某些B cells產生忍受性(tolerance)，而大劑量的多醣類抗原常使非T細胞依賴性的B細胞(non-T cell dependent B cells)產生忍受性。-唯有適量的劑量才能達到最有效的免疫效果。-過度的抗原有可能引發過度的免疫過敏反應。八八、免疫途徑、免疫途徑 抗原進入的途徑可影響免疫反應的發生。-死毒疫苗經由皮下注射或肌肉注射主要產生體液性免疫反應-活毒疫苗則同時產生體液性免疫反應及細胞性免疫反應。大部分的致病原均經過身體的黏膜系(mucosal system)而進入體內致病。-目前市售的疫苗
14、大部分採皮下注射或肌肉注射進行免疫，此類疫苗雖可引發系統性免疫，卻不能有效的引發黏膜性免疫反應(mucosal immunity)而迅速有效的清除致病原。-除了可引發黏膜性免疫反應外也可引起全身性免疫反應，是目前認為較以腸胃外免疫如皮下注射或肌肉注射為佳的一種免疫方法。-黏膜免疫以活毒疫苗用口服或噴灑到鼻腔內為較佳的選擇型式，如沙賓(sabin)口服疫苗。33 九、疫苗研發的趨勢抗原蛋白之製備疫苗研發的趨勢抗原蛋白之製備 在疫苗製造的過程中，抗原蛋白的製備是不可缺乏的。以往抗原蛋白的製備方法是將病原大量培養後，（例如：流行性感冒病毒在雞胚胎內培養，狂犬病病毒在鴨胚胎，日本腦炎病毒在小白鼠腦內繁
15、殖，小兒痲痹病毒在培養之猴子腎臟細胞繁殖。）經過不活化處理，再將其抗原蛋白萃取純化，這種方法既費時且昂貴，有時又有安全上的顧慮，尤其是當病原無法以人工方式大量培養時（如C型肝炎病毒），抗原蛋白的製備往往成為疫苗研發的瓶頸。如今藉由基因工程的方法將抗原蛋白的基因選殖出，再以基因表現的方式，利用微生物或其他的生物細胞大量生產抗原蛋白，如利用酵母菌生產B型肝炎表面抗原蛋白。34 十十、疫苗研發的趨勢疫苗馴化、疫苗研發的趨勢疫苗馴化 疫苗的馴化及減毒過程是活毒疫苗研發的關鍵，傳統以人工方法重複繼代而馴化的疫苗是根據基因自然突變而篩選出來的，這樣的疫苗除了毒性減弱以外，可能還有其他特性的改變（如免疫力降
16、低），此外因自然突變而馴化的疫苗常是由於基因的些微改變，因此也會發生毒力恢復的現象，如沙賓小兒痲痹疫苗，造成使用上的危險。利用基因工程的方法，不但可找出致病基因，使我們對於許多疾病的致病原理有更深入的了解，且進一步可將與毒性有關的基因（例如皰疹病毒的胸腺激脢基因；thymidine kinase;簡稱TK）缺損，如此得到的基因缺損減毒疫苗不但具有較穩定的遺傳特性，同時也可充分保留病原的免疫力。35十一、疫苗研發的趨勢疫苗研發的趨勢疫苗疫苗載體載體(VACCINE VECTOR)技術的建立技術的建立 活毒疫苗研究的另一個趨勢是疫苗載體(vaccine vector)與多價疫苗技術的發展。是將病原
17、的基因，利用基因工程的方法殖入一個安全而且無致病能力的病毒或細菌載體，所得到的細菌載體感染人或動物體後能夠大量生產病原基因所轉譯的蛋白，由於所產生的病原蛋白具有較正確的三級結構，因此往往能夠引起很好的免疫效果。目前已有多種病毒及細菌被開發為疫苗載體，並已獲得不錯的成果（如：減毒活病毒，Poxvirus:Vaccinia,Fowlpox virus,Canarypox virus;Adenovirus;Herpesvirus,Pseudorabis virus;Poliovirus.減毒細菌Salmonella)。-疫苗載體技術的更一步應用是將不同的抗原蛋白的基因殖入疫苗載體，同時產生兩種或多種
18、抗原蛋白而形成兩價或多價型疫苗。由於抗原蛋白彼此之間的相容性及重覆使用同一種疫苗載體而造成免疫失效的可能性及移行抗體中和病毒的問題。疫苗載體應用疫苗載體應用:流感疫苗流感疫苗H7N9疫苗的生產方式國光生技用雞胚胎培養流感病毒，一顆雞蛋可養10億顆病毒，平均一批次26萬顆雞蛋，可產製大約20萬劑疫苗。從雞蛋到疫苗，約需6道步驟：病毒接種與培養、病毒採收、純化病毒液、裂解病毒顆粒、去除病毒活性，及分裝充填。39十二、疫苗研發的趨勢合成胜肽疫苗疫苗研發的趨勢合成胜肽疫苗 (SYNTHETIC PEPTIDE VACCINE)的發展的發展 利用基因工程的方法生產抗原蛋白在某些情況下尚有許多的限制與不足
19、，例如抗原蛋白在細胞內表現及生產量太低，以及抗原蛋白可能引發的不良副作用及抗原污染等問題。近年來我們已經了解-抗原之引發免疫反應只取決於抗原蛋白中之抗原決定基(epitope)。因此合成胜肽是疫苗研發的新趨勢。-口蹄疫的合成胜肽疫苗研究已有很好的成果。合成胜肽疫苗由於僅含有抗原蛋白中與免疫保護力有關的部分，因此較一般的次單元疫苗更為安全。-合成胜肽疫苗由化學方法合成，不會受細胞表現量低的影響，故價格也較便宜，不過合成胜肽疫苗由於其分子量小，引發免疫能力較弱，因此往往需要與其他抗原蛋白結合以增強其引發免疫反應的能力。十三十三、疫苗研發的趨勢、疫苗研發的趨勢基因疫苗基因疫苗(DNA VACCINE
20、)疫苗研發上另一個新的方式是利用核酸，而不是傳統的抗原蛋白作為疫苗。其原理是利用基因工程技術將抗原的基因殖入表現質體(expression plasmid)，將其作為疫苗打入人或動物體後，表現質體在細胞內表現，並產生抗原蛋白而達到引發免疫反應的效果。-以核酸為疫苗，可以省去抗原蛋白製備的過程，而且由於其所引發之免疫反應是經由細胞本身所合成的抗原蛋白，在細胞免疫的效果上，較一般次單元疫苗為佳。-使用的憂慮在於進入動物體內後所引起基因突變的可能性。-由於活毒疫苗有其潛在危機及移行抗體的問題，將來研發的重點將放在：(1)如何安全有效將DNA送入體內；(2)搭配的免疫佐劑配方能達到最佳免疫功能；(3)
21、研發新一代的核酸疫苗載體。基因疫苗仍須改善之處：基因疫苗仍須改善之處：1.基因疫苗容易造成宿主細胞的突變及癌化2.基因疫苗所攜帶的病原體DNA必須要進入淋巴系統內，才能活化T細胞反應3.在人體實驗中，基因疫苗接種在人體內的效率極低雖然目前基因疫苗還有幾個需要努力的部分，但是可以預知的是，這種新一代的疫苗在未來一定可以成為預防和治療傳染性疾病和癌症的主流。43十四十四、疫苗研發的趨勢疫苗佐劑、疫苗研發的趨勢疫苗佐劑(ADJUVANT)佐劑能增強抗原蛋白的免疫效果，尤其是在次單元及胜肽疫苗的使用上非常重要，以往使用的疫苗佐劑僅限於少數幾種油質及鋁膠佐劑，許多其他具有刺激及增強免疫效果的物質大都因為
22、其毒性太強而無法使用於人或動物體內。近年來由於生物化學及純化技術的進展，許多新疫苗佐劑，例如MPL(monophosphoryl lipid A),ISCOM(immunostimulating complex),liposome以及聚環氧乙烯與聚環氧丙烯的共同聚合體等陸續開發成功，這些新型佐劑大都具有較低的毒性或緩釋的效果，因此必較傳統的佐劑更為理想。流感疫苗近年來由於H5N1（禽流感）及H1N1（新型流感）流感病毒的爆發流行，流感疫苗的供應已成為世界各國的關切問題。從過去的研究得知，老年人預先接種流感疫苗，能夠降低50%的致死率，而且透過普遍性的預防接種及抗病毒藥物用於治療，能夠有效降低醫
23、療支出。目前是季節性流感疫苗、H1N1疫苗的主要生產技術，全世界各大廠如葛蘭素史克（GSK）、賽諾非-安萬特（Sanofi-Aventis）、諾華（Novatis）、荷蘭商CRUCELL HOLLAND B.V.等皆有雞胚胎的生產線，合計目前年產能約近9億劑。當新型流感肆虐時，原生產疫苗大國又常以疫苗為本身戰備物資而禁止疫苗外銷，造成依賴從國外進口疫苗的國家，採購困難，疫苗自主性低，因此流感疫苗自製的能力優先被考驗。各國政府皆採取不同之對應方案，其中日本方面採取以雞胚胎蛋培養法擴大戰備儲量方式因應；美國政府則投資11億美元資助葛蘭素史克（GSK）、Medimmune、諾華（Novatis）、D
24、ynPort、Solvay及Aventis六個主要的流感疫苗廠商，進行研發細胞培養技術來生產新型流感疫苗，來因應造成全國性之流感大流行；台灣方面，國光公司已接受日本北里流感疫苗及荷蘭商CRUCELL HOLLAND B.V.仿 病毒顆粒佐劑技轉，已具備流感疫苗之量產能力，未來當政府無法從國際大廠採購疫苗時，國光現階段的產能足以供應全民的需求，除有助於提高台灣疫苗自主性外，亦較不受國外疫苗大廠價格壟斷。除此之外，更積極評估國內外技術來源，投入細胞培養流感病毒技術平台的建立，用以在大流行或緊急需求時，銜接雞胚胎製程。流感病毒本病係流感病毒引起，該病毒屬正粘病毒科，直徑80-120nm，球形或絲狀。
25、流感病毒可分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三型，甲型病毒經常發生抗原變異，傳染性大，傳播迅速，易發生大范圍流行。禽流感禽流感傳播昆蟲細胞作疫苗紐約州羅徹斯特大學流感疫苗專家特雷納領導的研究團隊在十一日出版的美國醫學會期刊中發表論文指出，利用昆蟲製作新疫苗，比利用雞蛋的傳統製作方法更快、更簡單。新疫苗的副作用大多很輕微，諸如注射位置出現疼痛感與頭痛。傳統製作疫苗的方法每年要花九個月，工作人員先把活病毒注射到雞蛋中，待病毒失去活性，再用於製造疫苗。新的方法是把經過基因改造、只有昆蟲會感染的病毒注射到自然界數量頗多的秋季行軍蟲體內，使流感病毒在毛蟲內增生。子宮頸癌疫苗第8週：生物科技於醫學上的應用：
26、病原微生物快速檢驗試劑開發與應用八合一疫苗本技術研發與製程開發計畫預期可在台灣就地生產新型流感A(H1N1)疫苗供全民防疫之所需，提供台灣除雞胚蛋所產製的新型流感疫苗之外的另一選擇，更能提升我國預防其他未知流感如禽流感A(H5N1)等疫情爆發時的自主因應能力。本計畫如順利完成，除產銷細胞培養疫苗的實質經濟效益外，更重要的，將可使基亞成為擁有細胞培養關鍵量產技術以產製各種疫苗的生技公司，強化台灣在全球疫苗產製的價值鏈地位，使我國有機會成為WHO全球防疫重要的一環。基亞公司新型流感疫苗細胞培養技術研發與製程基亞公司新型流感疫苗細胞培養技術研發與製程開發計畫獲經濟部業界科專補助，補助金額為新開發計畫
27、獲經濟部業界科專補助，補助金額為新台幣台幣32403240萬元萬元禽流感是禽流行性感冒的簡稱，這是一種由甲型流感病毒的一種亞型引起的傳染性疾病綜合征，被國際獸疫局定為類傳染病，又稱真性雞瘟或歐洲雞瘟。不僅是 雞，其他一些家禽和野鳥都能感染禽流感。按病原體的類型，禽流感可分為高致病性、低致病性和非致病性三大類。非致病性禽流感不會引起明顯症狀，僅使染病的 禽鳥體內產生病毒抗體。低致病性禽流感可使禽類出現輕度呼吸道症狀，食量減少、產蛋量下降，出現零星死亡。高致病性禽流感最為嚴重，發病率和死亡率高，感 染的雞群常常“全軍覆沒”。最早的禽流感記錄在 1878 年，義大利發生雞群大量死亡，當時被稱為雞瘟。
28、到 1955 年，科學家證實其致病病毒為甲型流感病毒。此後，這種疾病更名為禽流感。禽流感被發現 100 多年來，人類並沒有掌握有效的預防和治療方法，僅能以消毒、隔離、大量宰殺禽畜的方法防止其蔓延。高致病性禽流感暴發的地區，往往蒙受巨大經濟損失。一般情況下，禽流感病毒並不容易使人類發病。禽流感病毒屬甲型流感病毒，甲型流感病毒根據其表面蛋白質的不同被分為 1 到 15 等 15 種亞型。世界各地的禽流感主要由高致病性的 5 和 7 兩種亞型引起，而人對其中的 1 和 3 亞型易感。目前在韓國和日本等地流行的禽流感病毒屬 5 1 型，通常只在禽類中傳播，很少感染人類。儘管曾經出現過人類感染禽流感病毒而發病的事例，例如 1997 年香港禽流感曾使 12 人患病，其中 6 人死亡，但這種情況實屬少見。此外，人類感染禽流感病毒的途徑主要是接觸感染，目前尚未發現由於吃雞肉和雞蛋而受到感染的病例。從微生物學角度講，有三個 方面的原因阻止了禽流感病毒對人類的侵襲。首先，人呼吸道上皮細胞不含禽流感病毒的特異性受體，即禽流感病毒不容易被人體細胞識別並結合；第二，所有能在 人群中流行的流感病毒，其基因組必須含有幾個人流感病毒的基因片斷；第三，高致病性的禽流感病毒由於含鹼性氨基酸數目較多，使其在人體內的複製比較困難。
