Промышленная биотехнология

Представляется, что сейчас лидерами медицинской науки являются медицинская генетика и иммунология. Медицинская генетика может не только предотвращать появление на свет генетически неполноценных детей путем генетического консультирования их родителей и диагностировать генетические заболевания. Ее перспектива-это пересадка генов и управление их активностью. Иммунология позволяет создавать новые подходы к лечению иммунологических заболеваний (в том числе иммунодефицитов, аутоиммунных заболеваний и аллергии), инфекционных и онкологических заболеваний.

3. Значение биотехнологий для медицины

Помимо широкого применения в сельском хозяйстве, на основе генной инженерии возникла целая  отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрией ДНК” и  представляющая собой одну из современных  ветвей биотехнологии. Более четверти всех лекарств, используемых сейчас в мире, содержат ингредиенты из растений. Генно-модифицированные растения являются дешевым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) как для человека, так и для животных. Примерами применения генной инженерии в медицине являются также производство человеческого инсулина, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге. Разработка методов генной инженерии привела к тому "биотехнологическому буму", свидетелями которого мы являемся. Благодаря достижениям науки в этой области стало возможным не только создание «биологических реакторов», трансгенных животных, генно-модифицированных растений, но и проведение генетической паспортизации (полного исследования и анализа генотипа человека, проводимого, как правило, сразу после рождения, для определения предрасположенности к различным заболеваниям, возможную неадекватную (аллергическую) реакцию на те или иные лекарства, а также склонность к определенным видам деятельности). Генетическая паспортизация позволяет прогнозировать и уменьшать риски сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, исследовать и предотвращать нейродегенеративные заболевания и процессы старения, анализировать нейро-физиологические особенности личности на молекулярном уровне), диагностирование генетических заболеваний, создание ДНК-вакцин, генотерапия различных заболеваний и т.д.

Наукой была доказана значительная роль наследственной предрасположенности в возникновении таких широко распространённых болезней, как ишемическая болезнь сердца, гипертония, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, псориаз, бронхиальная астма и др. Стало очевидным, что для эффективного лечения и профилактики этих болезней, встречающихся в практике врачей всех специальностей, необходимо знать механизмы взаимодействия средовых и наследственных факторов в их возникновении и развитии, а, следовательно, дальнейший прогресс в здравоохранении невозможен без развития биотехнологических методов в медицине. В последние годы именно эти направления считаются приоритетными и бурно развиваются. 

В настоящее  время уже появились практические возможности значительно снизить  или скорректировать негативное воздействие наследственных факторов. Медицинская генетика объяснила, что причиной многих генных мутаций является взаимодействие с неблагоприятными условиями среды, а, следовательно, решая экологические проблемы можно добиться снижения заболеваемости раком, аллергией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, психическими болезнями и даже некоторыми инфекционными заболеваниями. Вместе с тем, ученым удалось выявить гены, ответственные за проявление различных патологий и способствующие увеличению продолжительности жизни. При использовании методов медицинской генетики хорошие результаты получены при лечении 15% болезней, в отношении почти 50% заболеваний наблюдается существенное улучшение.

Важнейшим направлением медицинской генетики в настоящее  время является разработка новых методов диагностики наследственных заболеваний, в том числе и болезней с наследственной предрасположенностью. Сегодня уже никого не удивляет пред имплантационная диагностика - метод диагностики эмбриона на ранней стадии внутриутробного развития, когда врач-генетик, извлекая лишь одну клетку будущего ребенка с минимальной угрозой для его жизни, ставит точный диагноз или предупреждает о наследственной предрасположенности к той или иной болезни. 

Как теоретическая  и клиническая дисциплина медицинская генетика продолжает интенсивно развиваться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая генетика.

Благодаря все  более широкому применению биотехнологических методов в фармацевтике и медицине появилось новое понятие «персонализированной медицины», когда лечение пациента осуществляется на основе его индивидуальных, в том числе генетических особенностей, и даже препараты, используемые в процессе лечения, изготавливаются индивидуально для каждого конкретного пациента с учетом его состояния. Появление таких препаратов стало возможным, в частности, благодаря применению такого биотехнологического метода, как гибридизация (искусственное слияние) клеток. Процессы гибридизации клеток и получения гибридов еще до конца не изучены и не отработаны, но важно, что с их помощью стало возможным нарабатывать моноклональные антитела. В настоящее время они применяются также в качестве высокоэффективных препаратов для индивидуального лечения пациентов, страдающих такими тяжелыми заболеваниями, как рак, СПИД и др.

4. Генная инженерия. Теоретическое значение

Генно-инженерные методы направлены на конструирование  новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных» растений и животных.

Значительный  прогресс, достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека

В настоящее  время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в  мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла в лидирующую группу по объёму купли-продажи акций на рынках ценных бумаг).

На данный момент учёные занимаются поиском генов, кодирующих новые полезные признаки. Группа ученых, таких как Марк Адам (ведущий сотрудник института геномных исследований в штате Мэриленд-США, частной исследовательской компании, занимающейся исключительной работой в области картирования генов), Крэйк Вентер (директор этого института) и соавторами, разрабатывается проект“Геном человека”. Цель этого проекта заключается в выяснении последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека. Одновременно должна быть установлена локализация всех генов, что помогло бы выяснить причину многих наследственных заболеваний и этим открыть пути к их лечению.

А) Генетическое тестирование.

Генетическое  тестирование включает в себя непосредственно  изучение ДНК молекулы. И для определения  мутировавшей последовательности ученые сканируют ДНК пациента.

Существует  два типа генетического тестирования. В первом, исследователь может определять короткие отрезки ДНК, чьи последовательности дополняют мутировавшие. Во втором, проводить путем генной терапии сравнение последовательности ДНК в геноме пациента со здоровым образцом.

Генетическое тестирование в настоящее время может обнаружить мутации, связанные с редкими генетическими нарушениями, такими как кистозный фиброз или серповидно-клеточная анемия. Однако генетические тесты не могут обнаруживать каждую мутацию, связанную с определенным условием, поскольку многие из них еще не открыты.

Б) Генная терапия.

Генная терапия  может быть использована для лечения  генетических и приобретенных заболеваний, таких как рак и СПИД, с помощью  нормальных генов в дополнение или  на замену дефектных генов, или укрепления нормальных функций организма, например, иммунитета. Существует два основных способа лечения генной терапией:

1.''EX VIVO'', то есть "вне тела" - в лаборатории  выращиваются клетки, выделенные  из крови или костного мозга  пациента. Затем они подвергаются воздействию вируса, несущего желаемый ген. Вирус попадает в клетки и ген становится частью их ДНК. Прежде чем вернуться к пациенту путем инъекции в вену, клетки могут еще расти в лаборатории.

2.''IN VIVO'', "внутри  тела" - клетки не выделяют из тела пациента, вместо этого используют векторы для доставки желаемого гена.

биотехнология генная инженерия клонирование

5. Клеточная инженерия

Клеточная инженерия - метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. При гибридизации искусственно объединяют целые клетки с образованием гибридного генома. Клеточная реконструкция связана с созданием жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.). Клеточная инженерия используется для решения теоретических проблем в биотехнологии, для создания новых форм растений, обладающих полезными признаками и одновременно устойчивых к болезням и т. п.

Приведу несколько наглядных  примеров использования методов  клеточной инженерии:

Возможно слияние  эмбрионов на ранних стадиях, создание химерных животных. Таким способом были получены химерные мыши при слиянии  эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.

6. Клонирование

Клонирование - “получение идентичных потомков при  помощи бесполого размножения” По-другому  определение клонирования звучит так  “Клонирование - это процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной  клетки или организма”. То есть эти организмы похожи не только внешне, но и генетический код, заложенный в них, одинаков.

Одной из главных  задач в данной области является создание коров, в молоке которых  будет содержаться сыворотка  человеческого алгаомина. Эта сыворотка  используется для лечения ожогов и иных травм, и мировая потребность в ней составляет от 500 до 600 тон в год. Это одно направление. Второе-создание органов животных, которые можно будет использовать для трансплантации человеку. “Во всех странах существует серьезный недостаток донорских органов почек, сердец, поджелудочных желез, печени. Поэтому идея, что можно создать практически конвейерное производство транс генетических свиней, по графику поставляющих такие органы для пациентов, специально подготовленных для приема этих органов, вместо того, чтобы отчаянно пытаться найти подходящую ткань у донора-человека - такая идея является волнующей перспективой”.

Первым, кто  доказал возможность искусственного получения близнецов, был немецкий эмбриолог Дриш. Разделив клетки двуклеточного зародыша морского ежа, он получил два генетически идентичных организма.

Первые успешные опыты по трансплантации ядер клеток тела в яйцеклетку осуществили в 1952 году Бриге и Кинг, проводившие  опыты с амебами. А в 1979 году англичанин Виладсен разработал метод получения однояйцевых близнецов из эмбрионов овцы и коровы. Однако развития эмбрионов добиться не удалось” А в 1976 году Дж. Гердон доказал возможность клонирования на лягушках. Однако лишь в 1983 году учёным удалось получить серийные клоны взрослых амфибий. В США (1952) У. Р. Бриггс и Т. Дж. Кинг, в Англии Д. Б. Гордон (1960) получили генетические копии лягушки, а в 1997 году шотландец И. Уилмут получает хирургическим путём знаменитую овцу Долли - генетическую копию матери. Для этого из клеток её вымени было взято ядро для пересадки в яйцеклетку другой овцы. Успеху способствовало то, что взамен инъецирования нового ядра применялись воздействия, приводящие к слиянию лишённой ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой. После этого яйцеклетка с заменённым ядром развивалась как оплодотворённая. Очень важно, что этот метод позволяет взять ядро клонируемой особи в зрелом возрасте, когда уже известны её важные для человека хозяйственные признаки. Профессор Нейфах и его коллеги из Института биологии развития Российской медицины недавно скопировали каспийского осетра. Основной аргумент российских биологов - они пытаются спасти каспийского осетра как вид. По размерам искусственные осетры, правда, пока не дотягивают до нормы, но, как утверждают исследователи, это уже технические трудности.

А ученые из университета штата Висконсин опробовали новую  методику клонирования млекопитающих, отличную от той, что применялась  учеными из Рослингского института, вырастившими Долли. В качестве основного  исходного материала новаторы использовали яйцеклетку коровы. Ее лишали так называемого генетического кода и имплантировали молекулы ДНК других клонируемых животных свиньи, крысы, овцы или обезьяны. При этом источником наследственного материала служили клетки тканей взрослых особей, взятые, например, из свиного или крысиного уха. После искусственного оплодотворения из коровьей яйцеклетки, получившей новую генетическую информацию, развивался зародыш другого млекопитающего - копия генетического донора. Таким образом, ученым удалось благополучно вырастить в лабораторных условиях эмбрионы свиньи, крысы, овцы, обезьяны да и самой коровы.

Специалисты из Висконсинского университета уверены, что их исследования имеют важное значение для развития генной инженерии  и изучения возможностей генетического донорства. Руководители этих работ Нил Ферст, одним из первых в США приступивший к опытам по клонированию коров, и Таня Доминко полагают, что использованная ими методика в будущем сможет помочь сохранению исчезающих и редких видов животных.

Сейчас перед людьми не стоит вопроса: “Клонировать или нет? ” Конечно, клонировать. Благодаря этому открываются новые возможности. Например, в сельском хозяйстве можно получить высоко продуктивных животных или животных с человеческими генами. А также клонирование органов и тканей-задача номер один в траспланталогии. Стоит другой вопрос: “Разрешить ли клонирование человека? ” С одной стороны это возможность бездетных людей иметь своих собственных детей, а с другой-возможность получения новых Наполеонов и Гитлеров, а также получение клонов для последующего использования их в качестве доноров необходимых органов.

Трансплантация  клонируемых органов способна спасти миллионы людей, умирающих по всему  свету из-за дефицита органов, который  создается, кстати, из-за всевозможных ограничений, навязанных "моралистами": целостность трупа и его неприкосновенность после смерти. Вторым важным следствием трансплантации клонируемых частей тела может стать пересадка утраченных органов: рук, ног, глаз и т. д. Лишить людей надежды забыть про инвалидность и стать нормальными людьми - разве это не в высшей степени негуманно?

7. Новые технологии в биофармацевтике

Сегодня человечество совершенно справедливо полагает, что  биотехнологические науки занимают приоритет в области современных высоких технологий. Секвенирование геномов и валидация новых мишеней для действия лекарственных соединений является одним из перспективных направлений современной фармакологии. Учитывая, что появились новые принципиальные возможности для секвенирования, встает вопрос о генетической паспортизации населения, когда каждому будет выдан его генетический паспорт, и человек будет решать проблемы своего здоровья. Важнейшим достижением прошлого века являются стволовые клетки, что стало возможным благодаря развитию всей эмбриологии и цитологии. Это позволило подойти к разработке путей создания искусственных органов, получать новые вещества, специфически влияющие на органы-мишени.