Медичні біотехнології

01.10.2015

Медичні біотехнології

Роль биотехнологиив медицині

Біотехнологія являє собою галузь знань, яка виникла і сформувалася на стику мікробіології, молекулярної біології, генетичної інженерії, хімічної технології та ряду інших наук. Народження біотехнології обумовлено потребами суспільства в нових, більш дешевих продуктах для народного господарства, у тому числі медицини та ветеринарії, а також принципово нових технологіях. Біотехнологія — це отримання продуктів з біологічних об’єктів або із застосуванням біологічних об’єктів. В якості біологічних об’єктів можуть бути використані організми тварин і людини (наприклад, отримання імуноглобулінів з сироваток вакцинованих коней або людей; отримання препаратів крові донорів), окремі органи (отримання гормону інсуліну з підшлункових залоз великої рогатої худоби і свиней) або культури тканин (отримання лікарських препаратів). Однак в якості біологічних об’єктів найчастіше використовують одноклітинні мікроорганізми, а також тваринні та рослинні клітини.

Клітки тварин і рослин, мікробні клітини в процесі життєдіяльності (асиміляції і дисиміляції) утворюють нові продукти і виділяють метаболіти, що володіють різноманітними фізико-хімічними властивостями та біологічною дією.

Біотехнологія використовує цю продукцію клітин як сировина, яка в результаті технологічної обробки перетворюється в кінцевий продукт. За допомогою біотехнології отримують безліч продуктів, що використовуються в різних галузях:

• медицині (антибіотики, вітаміни, ферменти, амінокислоти, гормони, вакцини, антитіла, компоненти крові, діагностичні препарати, імуномодулятори, алкалоїди, харчові білки, нуклеїнові кислоти, нуклеозиди, нуклеотиди, ліпіди, антиметаболіти, антиоксиданти, протиглисні та протипухлинні препарати);

• ветеринарії та сільському господарстві (кормовий білок: кормові антибіотики, вітаміни, гормони, вакцини, біологічні засоби захисту рослин, інсектициди);

• харчової промисловості (амінокислоти, органічні кислоти, харчові білки, ферменти, ліпіди, цукри, спирти, дріжджі);

• хімічної промисловості (ацетон, етилен, бутанол);

• енергетиці (біогаз, етанол).

Отже, біотехнологія спрямована на створення діагностичних, профілактичних та лікувальних медичних і ветеринарних препаратів, на вирішення продовольчих питань (підвищення врожайності, продуктивності тваринництва, поліпшення якості харчових продуктів — молочних, кондитерських, хлібобулочних, м’ясних, рибних); на забезпечення багатьох технологічних процесів у легкій, хімічній та інших галузях промисловості. Необхідно відзначити також зростаючу роль біотехнології в екології, так як очищення стічних вод, переробка відходів і побічних продуктів, їх деградація (фенол, нафтопродукти та інші шкідливі для навколишнього середовища речовини) здійснюються з допомогою мікроорганізмів.

Медичні біотехнології

Фото: Dinesh Cyanam

В даний час в біотехнології виділяють медико-фармацевтичне, продовольче, сільськогосподарське та екологічне спрямування. У відповідності з цим біотехнологію можна розділити на медичну, сільськогосподарську, промислову та екологічну. Медична в свою чергу підрозділяється на фармацевтичну і імунобіологічну, сільськогосподарська — на ветеринарну та біотехнологію рослин, а промислова — на відповідні галузеві напрями (харчова, легка промисловість, енергетика і т. д.).

Біотехнологія значно полегшує розробку нових лікарських препаратів, роблячи їх швидкодіючими, дешевими, безпечними і більш ефективними. Замість того щоб просто проводити клінічні випробування, вчені зараз вже вивчають загальні механізми закономірності виникнення захворювань. За допомогою моделювання вони здатні розробляти і вивчати дію нових субстанцій. Понад 400 фармацевтичних компаній по всьому світу ведуть дослідження і розробку продуктів генної інженерії, з кожним роком кількість цих продуктів зростає, і, за прогнозами, протягом кількох наступних років ринок буде насичуватися такими ліками.

Багато дослідники вірять у те, що вплив генетики на медицину зможе зробити революцію в розумінні здоров’я людини; для цього є всі підстави – медична генетика розвивається семимильними кроками. У 2010 році на ринку вже були доступні генетичні тести для 25 найбільш поширених генетичних захворювань, а до 2020 року, на думку експертів, нові ліки, отримані з допомогою знань фармакогеномики, будуть звичайною практикою в лікуванні діабету та артеріальної гіпертензії. А до 2040 року (за найскромнішими підрахунками) настане ера персоналізованої медицини.

Біотехнологічна революція в охороні здоров’я і медицині почалася з освоєння технології рекомбінантної ДНК (генетична інженерія). Сталося це на початку 70-их років минулого століття і дозволило вченим переносити генетичний матеріал від одного організму до іншого, минаючи процес статевого розмноження. Успіх технології рекомбінантних ДНК (рДНК) принесло використання бактеріальних ферментів, таких як, наприклад, рестрикційних эндонуклеаз (рестриктаз), які розрізають молекули ДНК у певних місцях; ДНК-лигаз, які з’єднують кінці молекул ДНК; ДНК-полимераз, які беруть участь у реплікації ДНК. Яким би не було застосування цієї технології, кінцевим результатом процедури завжди є стабільна і успадковується експресія якого-небудь нового ознаки. Застосовується рДНК для модифікації різних організмів, але основні етапи роботи схожі. Крім плазмід також використовуються інші типи векторів — бактеріофаги, ретровіруси та космиды.

Біотехнологію також поділяють на традиційну (стару) і нову. Останню пов’язують з генетичною інженерією. Загальновизнане визначення предмета «біотехнологія» відсутня і навіть ведеться дискусія про те, що наука це або виробництво.

Біотехнологія та антибіотики

Розглядаючи різні класи сполук, які використовуються в клінічній практиці, і одержувані методами біотехнології, в першу чергу, необхідно назвати антибіотики — найбільший клас фармацевтичних сполук, синтез яких здійснюється мікробними клітинами. До цього ж класу відносяться протигрибкові агенти, протипухлинні ліки і алкалоїди. Виробництво антибіотиків обчислюється тисячами тонн. Пеніциліни, як відомо, були виділені при вирощуванні грибів роду Penicillium. У 1945 р. з проби морської води була виділена цвіль Cephalosporium acremonium, що синтезує кілька антибіотиків; один з них, цефалоспорин С, виявився особливо ефективний проти стійких до пеніциліну грампозитивних бактерій.

З декількох тисяч відкритих антибіотиків левова частка належить актиномицетам. Серед актиноміцетів найбільший внесок вносить рід Streptomyces, один тільки вигляд Streptomyces griseus синтезує більше п’ятдесяти антибіотиків. Починаючи з середини 1960-х рр. у зв’язку із збільшеною складністю виділення ефективних антибіотиків і поширенням стійкості до найбільш широко застосовуваним сполук у великої кількості патогенних бактерій дослідники перейшли від пошуку нових антибіотиків до модифікації структури вже наявних. Вони прагнули підвищити ефективність антибіотиків, знайти захист від інактивації ферментами стійких бактерій і поліпшити фармакологічні властивості препаратів. Дослідники фірми «Мерк, Шарп і Доум» відкрили новий клас b-лактамних антибіотиків, тиенамицины, що продукуються Streptomyces cattleya. Тиенамицины надзвичайно ефективні проти грампозитивних та грамнегативних бактерій, а також здатні інгібувати b-лактамази, що значно підвищує можливості цих препаратів.

Антибіотики виробляються в результаті спільної дії продуктів 10-30 генів, тому практично неможливо виявити окремі спонтанні мутації, які могли б підвищити вихід антибіотика з кількох міліграмів на літр у штамі дикого типу до 20 г/л і більше. Такі високопродуктивні штами Penicillium chrysogenum або Streptomyces auerofaclens (продуценти пеніциліну або тетрацикліну) були отримані в результаті послідовних циклів мутагенезу і селекції. Певні мутанти, так звані идиотрофы, здатні синтезувати тільки половину молекули антибіотика, а середовище повинна бути збагачена інший її половиною. Така форма мутаційного біосинтезу привела до відкриття нових похідних антибіотиків.

Кількість протипухлинних речовин мікробного походження досить обмежено. Блеомицин, виділений з культур Streptomyces verticilliis, являє собою глікопептид, який діє, розриваючи ДНК пухлинних клітин і порушуючи реплікацію ДНК і РНК. Інша група протипухлинних агентів створена на основі комбінації аміноглікозидної одиниці і молекули антрациклина. Недоліком обох сполук є їх потенційна небезпека для серця.

Антибіотики використовуються грибами і актиноміцетами в конкурентній боротьбі в природному середовищі існування. Чоловік застосував ці сполуки для терапії інфекційних і онкологічних захворювань. Це стало своєрідним поштовхом еволюційних перетворень у мікробної середовищі, стали виникати стійкі штами бактерій. У зв’язку з цим виникла знову проблема створення нового покоління більш ефективних антибіотиків. В даний час протокол лікування інфекційної та хірургічної патології обов’язково включає антибіотики. Але, маючи незаперечні переваги, антибіотики впливають на організм людини і негативний вплив: порушується мікрофлора шлунково-кишкового тракту, можливі ускладнення у функціонуванні нирок та печінки, пригнічується робота імунної системи. Тому сучасні схеми лікування є комплексними і спрямовані на підтримку адаптаційних можливостей людини.

Короткий опис статті: біотехнологія в медицині

Джерело: Медичні біотехнології

Також ви можете прочитати