Мировые тренды биотехнологий
Бурное развитие современных биотехнологий идет сразу по нескольким ключевым направлениям, в каждом из которых уже достигнуты многообещающие результаты.
Регенеративная медицина: от искусственной кожи к заплатам для сердца
 |
| Ярким примером биотехнологий является поиск биомаркеров для ранней диагностики злокачественных опухолей |
Развитие технологий регенеративной медицины является одной из актуальнейших задач современной науки. Операции по пересадке донорских органов сопряжены с риском отторжения, а количество пациентов, нуждающихся в такой терапии, всегда значительно превышает возможности клиник. В первую очередь стоит отметить создание различных заместителей кожных покровов, которые используются в клинике для лечения ожогов или хронических повреждений кожи. Новые достижения в этой области позволяют использовать кожные трансплантаты, содержащие генетически изменённые клетки. Это позволяет устранить генетические дефекты, улучшить их приживление и даже создать систему для синтеза необходимых для организма гормонов.
Искусственные сосуды, созданные на основе собственных клеток сосудистого эпителия и разрушающейся впоследствии в организме синтетической подложки, уже начинают применяться в клинической практике. Их принципиальным преимуществом является то, что после деградации искуственной подложки, организм замещает её собственными здоровыми клетками. Похожие подходы используются также в биоинженерии тканей миокарда.
Лекарства из природных источников
Способность живых организмов синтезировать биологически активные стереоизомеры часто делает их незаменимым и единственным источником ценных органических молекул. По оценкам экспертов, в США около 50 процентов лекарств, используемых для химиотерапии, являются производными компонентов растительных экстрактов. Чаще всего биологически активные вещества, синтезируемые растениями, представляют собой вторичные метаболиты — низкомолекулярные соединения, обеспечивающие растениям защиту от вредителей и патогенов. Хотя уже охарактеризовано более 50 тысяч вторичных метаболитов, это представляет собой всего около десяти процентов биосинтетического потенциала растений. А кроме растений биологически активные вещества синтезируются и накапливаются в бактериях, грибах, морских организмах, насекомых и даже амфибии. Современные программы поиска новых лекарств включают в себя одновременное автоматизированное тестирование множества экстрактов на наличие самых различных биологических активностей. Таким образом были найдены мощные противоопухолевые соединения: таксол из коры деревьев тиса.
Видео: В Астане представили лучшие мировые образцы сельскохозяйственной техники и биотехнологий
Зачастую уровень ценного вещества в растении оказывается крайне низким, а химический синтез — чрезмерно сложным. Например, для удовлетворения годовой потребности рынка в таксоле пришлось бы экстрагировать кору нескольких сотен тысяч деревьев! В этом случае исследователи вначале выясняют путь ферментативного биосинтеза молекулы в клетке, затем выделяют (клонируют) гены, кодирующие соответствующие ферменты и оптимизируют их. И, наконец, вводят полученные гены в подходящую биологическую систему для наработки ценного вещества. Ярким примером такой разработки стало получение противомалярийного терпена артемизиниа в дрожжах.
Антитела доставляют лекарство прямо в опухоль
 |
| Доставка лекарства непосредственно в опухоль позволяет усилить эффект препарата и свести к минимуму нежелательные побочные воздействия на другие ткани и органы |
Доставка лекарства непосредственно в опухоль позволяет усилить эффект препарата и свести к минимуму нежелательные побочные воздействия на другие ткани и органы. Обычно для этого используются моноклональные антитела или их фрагменты, специфические для разных видов опухолей. На текущий момент на рынке существует несколько типов антител, слитых (коньюгированных) с различными препаратами: цитотоксическими соединениями, токсинами (в частности, грибкового происхождения) или радиоизотопами. Преимущество последних заключается в том, что доставленные радионуклиды способны уничтожать даже клетки опухолей, содержащие на своей поверхности мало якорей-антигенов. С другой стороны, для этого типа коньюгатов характерен более высокий риск повреждения здоровых тканей. Фотодинамическая терапия — это методика лечения опухолей, позволяющая уничтожить больную ткань, не повреждая при этом здоровую. Под воздействием света ранее инертное лекарственное вещество активируется и разрушает окружающие его ткани.
Среди недавних разработок в этой области следует отметить систему для доставки фототоксического белка к опухоли с помощью фрагментов антител. В качестве светочувствительного агента исследователи использовали красный флуоресцентный белок «KillerRed» — «Красный Убийца». Транспортная часть конструкции, отвечающая за доставку «Красного Убийцы» к мишени — клетке злокачественной опухоли, представляла собой белковый фрагмент антитела 4D5, широко используемого в клинической иммунотерапии ряда опухолей.
Лечение генетических болезней
К настоящему времени генетическая терапия представляет собой бурно развивающуюся область биотехнологии и рассматривается как потенциально универсальный подход к лечению широкого спектра заболеваний: наследственных, онкологических и даже инфекционных.
Для лечения рака разработаны векторные системы на основе элементов генома вирусов, позволяющие вводить ген-убийцу непосредственно в опухоль, которая в результате сама начинает производить цитотоксические белки
Различные носители используются для доставки генетического материала внутрь человеческой клетки и его интеграции в геном, например, искусственные липосомные наночастицы или катионные эмульсии. Для лечения рака разработаны векторные системы на основе элементов генома вирусов, позволяющие вводить ген-убийцу непосредственно в опухоль, которая в результате сама начинает производить цитотоксические белки.
В ноябрьском номере журнала «Science» было опубликовано сообщение об успешном применении генетической терапии для лечения адренолейкодистрофии (смертельной нейродегенеративной болезни). Дефектный ген в стволовых клетках костного мозга пациентов был заменён нормальной копией, после чего клетки были возвращены обратно в организм. Для этой цели был разработан новый вектор для переноса генетического материала внутрь человеческих клеток и его встраивания. Учёные «разоружили» вирус иммунодефицита человека, удалив все гены и оставив лишь оболочку, способную проникать внутрь клетки. В неё поместили ДНК, содержащую корректный ген и последовательности, помогающие встроить его в хромосому. Учёные полагают, что созданный ими вектор на основе частиц ВИЧ может служить универсальным переносчиком для различных генов.
Расшифровка генома за один день
 |
| Современные программы исследования геномов стимулировали разработку быстрых, точных и эффективных методов анализа нуклеиновых кислот - секвенирования |
Современные программы исследования геномов стимулировали разработку быстрых, точных и эффективных методов анализа нуклеиновых кислот — секвенирования. Целью такого анализа является получение информации о последовательности расположения каждого из четырёх типов нуклеиновых оснований в длинной молекуле ДНК. Эта последовательность в свою очередь определяет последовательность аминокислот в молекуле белка, закодированного в данном участке ДНК, и следовательно, свойства фермента.
Изначально методика секвенирования предполагала сложные химические модификации ДНК с использованием радиоактивных меток. В современных методах секвенирования используется полимеразная цепная реакция, а радиоактивные метки заменены флуоресцентными. Автоматические секвенаторы способны одновременно анализировать несколько сотен образцов ДНК и выполнять до 24 анализов в сутки. Электрофорез проходит не в гелях, а в сверхтонких капиллярах, что позволяет значительно увеличить скорость и чувствительность анализа.
Альтернативой данному методу является недавно разработанный метод «секвенирования путём синтеза» или пиросеквенирования. В момент присоединения одного из четырёх возможных нуклеотидов к растущей цепи ДНК (комплементарной основной цепи) специальный фермент люцифераза подаёт световой сигнал. Если знать, какие именно нуклеотиды присутствуют в растворе в момент сигнала, то можно определить последовательность их присоединения. В результате исследователи могли регистрировать присоединение 25 000 000 оснований с 99 процентной точностью в течение четырёх часов.
Достижения в понимании того, какие гены и кодируемые ими белки ответственны за болезнь позволят подбирать комплекс лекарственных средств, гораздо эффективнее справляющихся с конкретным недугом, нежели отдельные препараты
Видео: [ОтУС] Виктор Коренной - Летняя школа ОтУС – 2016
Лечение тяжелых болезней — атака на несколько мишеней
Стратегия современного лечения наиболее тяжелых болезней включает одновременное воздействие на несколько мишеней — молекулярных этапов развития патологического процесса. Достижения в понимании того, какие гены и кодируемые ими белки ответственны за болезнь позволят подбирать комплекс лекарственных средств, гораздо эффективнее справляющихся с конкретным недугом, нежели отдельные препараты.
Наиболее ярким примером лечения конкретной болезни подобным путем — терапия ВИЧ-инфекции. В настоящее время при лечении ВИЧ-инфекции рекомендуется использовать комбинацию ВИЧ-ингибиторов, состоящую как минимум из трех препаратов, воздействующих на разные ферменты вируса, соответственно блокирующие разные стадии развития вирусной инфекции. Подобный подход позволяет значительно продлить жизнь ВИЧ-инфицированным пациентам — в США СПИД переведен из разряда неизлечимых в число хронических болезней. В настоящее среди ученых не вызывает сомнения тот факт, что и успешное лечение рака тоже будет основано на одновременном приеме препаратов, воздействующих на разные элементы раковых клеток. Мультитаргетная терапия представляется целесообразной и многообещающей не только благодаря ее эффективности в подавлении опухоли, но и возможности преодоления устойчивости раковых клеток к различным препаратам, что является одной из важнейших задач противоопухолевой терапии.
Благодаря своим особенностям стволовые клетки уже несколько десятилетий являются одним из наиболее перспективных объектов медицинских технологий
Стволовая клетка — врач внутри пациента
Стволовые клетки — это неспециализированные клетки-предшественники, дающие начало всем органам и тканям организма. Их задача — восстановление поврежденных или отмерших участков.
Видео: Новая реальность, а не кризис! Мировые тренды
Благодаря своим особенностям стволовые клетки уже несколько десятилетий являются одним из наиболее перспективных объектов медицинских технологий. Ими лечат широкий спектр болезней — от псориаза и ишемической болезни сердца до генетических болезней и трансплантаций органов (примеры приведены в других разделах нашей статьи). Последние достижения в области клеточной терапии включают в себя разработку методов стимуляции стволовых клеток дифференцироваться в тот или иной тип ткани прямо в организме пациента. Исследователи научились стимулировать костный мозг (производящий в норме предшественники клеток крови) высвобождать два других типа стволовых клеток (способных восстанавливать, в том числе, хрящи, кости и кровеносные сосуды). Учёные предсказывают широчайшую перспективу своему методу: пациент с инфарктом или переломом поступает в больницу, получает лекарство, стимулирующее его стволовые клетки, после чего они уже сами занимаются «ремонтом» повреждённых органов.
Синтез генов для фарминдустрии
Быстрый рост рынка фармацевтических белков, а также развитие разнообразных систем гетерологической экспрессии генов вызвало спрос на дешёвые и точные методы синтеза нуклеиновых кислот. Проведённые за последние десятилетие разработки позволили увеличить эффективность протоколов синтеза
Фармакогенетика является одной из предшественниц персональной (индивидуальной) медицины, в которой парадигма «одно лекарство для всех» заменяется на «правильное лекарство для каждого пациента»
Правильное лекарство — для каждого пациента
В описании любого современного фармакологического препарата присутствует информация о его побочных действиях и возможных аллергических реакциях. Это означает, что генетические особенности обмена веществ
Видео: Эльконин Борис Даниилович - «Мировые тенденции в образовании и развивающее обучение»
В простейшем случае один ген может участвовать в реакции организма на лекарство. Идентифицировав нежелательный вариант (аллель), можно оптимизировать терапию для соответствующей группы пациентов. Особенно важны такие исследования для противораковой терапии. Противоопухолевые лекарства, с одной стороны, имеют высокую токсичность, с другой — терапия малоэффективным препаратом может привести к печальным последствиям. Поэтому фармакогенетические исследования позволят скорректировать терапию для пациентов с «неудачным» вариантом гена путём изменения дозы препарата или его заменой.
Считается, что подавляющее большинство лекарственных препаратов взаимодействует с белковыми молекулами. Поэтому комплексное изучение спектра белков может ускорить разработку новых диагностических и терапевтических средств
Протеомика — ключ к диагностике
Протеомика изучает обмен белков в живом организме: их синтез, взаимодействие и распад. Часто можно заметить связь между заболеваниями и изменением спектра или характеристик синтезируемых организмом белков. Считается, что подавляющее большинство лекарственных препаратов взаимодействует с белковыми молекулами. Поэтому комплексное изучение спектра белков может ускорить разработку новых диагностических и терапевтических средств.
Ярким примером является поиск биомаркеров для ранней диагностики злокачественных опухолей. На текущий момент в ходе исследований в разных лабораториях мира уже выявлено ряд новых белков, служащих биомаркерами раковых опухолей различной локализации. Важным аспектом является разработка комплексных панелей биомаркеров, позволяющих с большей достоверностью выявлять наличие заболевания. Помимо злокачественных опухолей, активно исследуются биомаркеры сердечно-сосудистых, лёгочных, желудочно-кишечных и многих других заболеваний.
Юрий Шелудько
