Современные проблемы биотехнологии

       Кроме  снижения  стоимости,  повышения  точности  и  скорости  диагностики, биотехнология позволяет диагностировать заболевания на гораздо более ранних этапах, чем это было возможно ранее. Это, в свою очередь, обеспечивает  гораздо  более  высокие шансы  пациентов  на  излечение.  Новейшие  биотехнологические  методы  протеомики  дают  возможность  идентифицировать молекулярные маркеры, сигнализирующие о приближающейся болезни,  еще до появления регистрируемых клеточных изменений и симптомов заболевания. Огромное количество информации, ставшее доступным в результате  успешного  завершения  проекта  «Геном  человека»,  должно  сыграть  особую  роль в разработке методов диагностики наследственных заболеваний, таких  как диабет I типа, муковисцидоз, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Ранее  заболевания этого класса диагностировали только после появления клинических   симптомов;  новейшие  методы  позволяют  до  появления            клинических  признаков определить группы риска, предрасположенные к заболеваниям такого рода.

       Разработанные  с  помощью  биотехнологии  диагностические  тесты  не  только  повышают уровень диагностики  заболеваний, но и улучшают качество медицинского обслуживания. Большинство из биотехнологических тестов  портативны,  что  позволяет  врачам  проводить  тестирование,  интерпретировать результаты и назначать соответствующее лечение буквально у постели  больного. Биотехнологические методы выявления патогенов важны не только для диагностики заболеваний. Один из самых наглядных примеров их использования – скрининг донорской крови на наличие ВИЧ-инфекции и вирусов гепатита В и С. Возможно, со временем биотехнологические подходы дадут возможность врачам определять характер инфекционного агента и в каждом  конкретном  случае  подбирать  наиболее  эффективные  антибактериальные препараты не за неделю, как это делается современными методами, а за  считанные часы.

       Внедрение биотехнологических подходов со временем позволит врачам  не только улучшить существующие методы терапии, но и разработать принципиально новые, полностью основанные на новых технологиях. На настоящий   момент   целый   ряд   биотехнологических   методов   лечения   одобрен  Управлением США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). В список заболеваний, подлежащих таким методам  терапии,  входят:  анемия,  муковисцидоз,  задержка  роста,  ревматоидный  артрит,  гемофилия,  гепатит,  остроконечные  кондиломы,  отторжение  трансплантата, а также лейкемия и ряд других злокачественных заболеваний.

       Использование  биотехнологических  методов  позволяет    создавать  так  называемые  «съедобные  вакцины»,  синтезируемые  генетически  модифицированными растениями и животными.  Так, созданы генетически модифицированные  козы,  молоко  которых  содержит  вакцину  от  малярии.  Получены обнадеживающие  результаты  в  клинических  испытаниях  бананов,  содержащих вакцину от гепатита, и картофеля, содержащего вакцины против холеры  и патогенных штаммов кишечной палочки. Такие вакцины (например, в виде  сублимированного  порошка  для  изготовления  напитков),  не  требующие  замораживания,  стерилизации  оборудования  или  закупки  одноразовых  шприцов, особенно перспективны для применения в развивающихся странах. 

       В  процессе  разработки  также  находятся  вакцины-пластыри  против  столбняка,  сибирской  язвы,  гриппа  и  кишечной  палочки.  Уже  получены трансгенные растения, синтезирующие терапевтические белки (антитела, антигены,  факторы  роста,  гормоны,  ферменты,  белки  крови  и  коллаген).  Эти  белки,  производимые  с  помощью  различных  сортов  растений,  в  том  числе  люцерны,  кукурузы,  ряски,  картофеля,  риса,  подсолнечника,  сои  и  табака,  являются  основными  компонентами  инновационных  методов  терапии  ряда онкологических заболеваний, СПИДа, болезней сердца и почек, диабета, болезни Альцгеймера, болезни Крона, муковисцидоза, рассеянного склероз, повреждения спинного мозга, гепатита С, хронических обструктивных заболеваний легких, ожирения, онкологических заболеваний и др.

      Клеточные  технологии  находят  все  более  широкое  применение  для  селекции, размножения и повышения продуктивности полезных растений, а  также получения биологически активных веществ и лекарственных препаратов. Особое направление применения клеточных культур и клеточных технологий – тканевая инженерия, связанная с разработкой биоискусственных органов  и  тканей.  В  настоящее  время  на  базе  накопленных  фундаментальных  знаний  освоены,  включая  промышленные  масштабы,  технологии  ведения  клеточных культур различного происхождения (растительных клеток, клеток  насекомых и млекопитающих).

       Растительные  клетки       и  культура  растительных  тканей  позволяют  регенерировать целое  растение из протопластов и  клеток. Особенностью клеточных  культур  растений  является  их  способность  к  тотипотенции,  т.е.          в определенной среде и определенных условиях можно регенерировать целое  растение из одной клетки. Эта техника обеспечивает за сравнительно короткий срок получение в контролируемых условиях многочисленных популяций  клеток и дает возможность идентифицировать линии растений с повышенной  биологической продуктивностью. 

Клеточная инженерия растений базируется на использовании культуры  изолированных клеток, тканей, протопластов. Существует несколько направлений использования этих технологий в растениеводстве.

       Первое связано со способностью  изолированных растительных клеток  продуцировать в культуре ценные  биологически активные соединения, в том  числе женьшеня или  идиолитов,  эфирных масел, алкалоидов, глюкозидов и др.

       Второе  направление  –     это    использование  культуры  изолированных  тканей для клонального размножения растений и оздоровления посадочного  материала. 

       Третье направление – это  применение изолированных клеток  в селекции растений. Культивируемые  на искусственных средах растительные  клетки  характеризуются  большой  неоднородностью;  при  этом  возможен  отбор  клеток,  устойчивых  к  тем  или  иным  неблагоприятным  факторам  –  засухе,  низкой температуре, фитопатогенам и пр.

       Культуры  растительных  клеток  используют  для  биотрансформации  химических соединений и для эффективного синтеза биологически активных  соединений de novo. В культуре клеток сохраняется способность продуцировать  биологически  активные  соединения,  свойственные  исходному  целому  растению, что позволяет организовать условия, обеспечивающие синтез ценных  продуктов,  ранее    не  обнаруженных  в  исходных  интактных  растениях.  Например, в культурах растительных клеток стало возможным получать такие  ценные  соединения,  как  перицин,  перикалин,  хинокиол,  ферригинол,  акуаммалин  и  др.  Реализованы  крупномасштабные  культивационные  системы растительных клеток для получения различных ценных веществ – ментола,  женьшеня,  убихинона-10,  бетанина,  камптотецина  (антиканцероген),  полипептидов –  ингибиторов фитовирусов, агар-агара и др. Например, эффективный и дорогостоящий  цитостатический препарат паклитаксель, традиционно  получаемый из  коры  Тиса  среднеземноморского (8  т  исходного  сырья  обеспечивают получение 1 кг препарата), в настоящее время с большей эффективностью получают в культуре клеток. 

       Еще  более  эффективными  оказались  процессы  с  использованием  иммобилизованных растительных  клеток.  Такие  биологические  системы  более  устойчивы к механическим повреждениям, при этом фаза роста клеток совпадает с фазой образования продукта; клетки легко переносятся в новую среду  или  иные  культивационные  условия.  После  установления  способности апикальной меристемы  (небольшой участок недифференцированных клеток  на кончике стебля) к росту с образованием целого растения, эта техника стала применяться для клонирования линий растений. Культура растительных  тканей, аналогично культуре клеток, позволяет достаточно быстро получать  здоровые растительные клоны и на этой основе – перспективный посадочный материал практически в неограниченных масштабах.

       Культуры  клеток  насекомых  дают  возможность  получать  биологические  агенты  новых  типов  для  борьбы  с  насекомыми-вредителями  без  негативного  влияния  на  жизнеспособность  полезных  видов  насекомых,  а  также  не  накапливающихся  в  окружающей  среде.  Достоинства  биологических  методов борьбы с вредителями известны уже давно,  это бактериальные, грибные и вирусные препараты, получение которых требует специализированной  техники и условий. Особенно это характерно для препаратов вирусной группы, производство которых основано на массовом размножении насекомого- хозяина  на  искусственных  средах.  Вследствие  достаточной  трудоемкости  производства  эти  препараты  до  недавнего  времени  не  находили  массового  применения. Использование культур клеток насекомых способно полностью  решить эту проблему. Техника клеточных культур насекомых для размножения вирусов весьма перспективна. Для этого необходимо получение высоко- продуктивных  линий  клеток, оптимизация питательных  сред,  выбор  эффективных  систем  «вирус  –  клетка».  По  этой  технологии  в  США  производят  препарат  «Элькар».  Весьма  успешны  разработки  по  рекомбинантным  бакуловирусам с генами, кодирующими водный обмен насекомых. После применения такого препарата насекомые погибают в течение 5 дней от обезвоживания либо перенасыщения водой. 

       Новые  методы  биотехнологии  могут  повлиять  на  цену  вирусных  препаратов.  Кроме  того,  так  же  как  и  растительные  клетки,  клетки  насекомых  могут  быть  использованы  для  синтеза  лекарственных  препаратов.  Начата  реализация  использования  потенциала  клеток насекомых  для  производства  VLP-вакцин  (VLP  –  virus-like   particle  –  вирусоподобные  частицы),  предназначенных  для  лечения  инфекционных  заболеваний,  таких  как  атипичная  пневмония и грипп. Эта методика могла бы сильно снизить затраты и исключить  проблемы  безопасности,  связанные  с  традиционным  методом,  использующим куриные яйца.

       Культуры  клеток  животных          широко  используют  в  качестве  тест объектов  для  оценки  безопасности  и  эффективности  новых  лекарственных  препаратов. Кроме этого, клетки млекопитающих пригодны для синтеза лекарственных   веществ,   особенно   некоторых  животных   белков,   слишком сложных для того, чтобы синтезировать их с помощью генетически модифицированных  микроорганизмов,  а  также  моноклональных  антител  и  вакцин.  Например, компанией  Sanofi Pasteur (США) по заказу Министерства здравоохранения  и  социальных  услуг  США  разрабатываются  методы  культивирования клеток млекопитающих с целью эффективного синтеза вакцин против  гриппа.  Особое направление  применения клеточных культу, в особенности  стволовых клеток, и технологий – терапия и реконструктивная хирургия поврежденных органов и тканей.

       Перечень болезней, лечение которых  становится возможным благодаря  использованию клеточной терапии и трансплантологии, быстро пополняется.  Наиболее продвинутым  в  настоящее  время является  применение клеточных  технологий  в  кардиологии для  лечения  инфаркта  миокарда,  восстановления  кровотока в ишемизированных органах и тканях, повышения насосной функции  сердца,  а  также  лечения  дислипидемий  и  атеросклероза.  В  неврологии  трансплантационные клеточные технологии начали применять для лечения  болезни Паркинсона  и болезни Хагинтона. Имеются примеры положительного использования стволовых клеток костного мозга для заживления  ожоговых    и  глубоких кожных ран,  лечения  системных и  местных  костных дефектов. В связи с выявленной противоопухолевой активностью низкодифференцированных кроветворных клеток и их способностью прямо супрессировать  опухолевый  рост  проводятся  исследования,  направленные  на  клиническое применение стволовых клеток в онкологии. 

       Поиск новых технологий для  восстановления утраченной функции органа или системы привели к появлению на стыке биотехнологии и медицины   тканевой  инженерии  (регенеративной  медицины  и  органогенеза).  Будущее  медицины напрямую связывают с развитием клеточных технологий, которые  позволяют,  не  меняя  поврежденный  орган,  «обновлять»  его  клеточный  состав. Такое «обновление» структурно-функциональных элементов органа дает возможность решать те же задачи, что и органная трансплантация. Вместе  с тем, эта технология намного расширяет возможности трансплантационного  лечения, делая его доступным для широкого круга разных категорий пациентов. Основой для развития новейших реконструктивных технологий являются функционирующие клетки, способные в зависимости от микроокружения  формировать ткани разных типов. 

 Список  болезней, при лечении которых  клеточные технологии уже используются  или их применение планируется  в ближайшем будущем, быстро  растет.  В  этот  список,  по-видимому,  войдут  все  болезни,  медикаментозное лечение  которых  малоэффективно.  Используемый  в  тканевой  инженерии  междисциплинарный подход направлен в первую очередь на создание новых  биокомпозиционных  материалов  для  восстановления  утраченных  функций  отдельных тканей или органов в целом. Основные принципы данного подхода заключаются в разработке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биодеградирующихся материалов, которые  используют в сочетании  с донорскими клетками и/или с биоактивными веществами. 

       Революционные  преобразования    традиционных  биотехнологических  процессов  связаны  с  применением  методов генетической  инженерии. Метод рекомбинантных ДНК является краеугольным камнем новейшей биотехнологии. Создание рекомбинантных ДНК означает объединение (рекомбинирование) двух отрезков ДНК разных видов.  С помощью генетической инженерии разработаны и используются различные социально значимые технологии и процессы:

      – производство новых лекарственных  препаратов и безопасных вакцин;

      – лечение некоторых генетических  заболеваний;

      – создание биоконтролирующих агентов для сельского хозяйства;

      – повышение урожайности и  снижение стоимости продукции;

      – снижение аллергенности некоторых продуктов;

      – улучшение питательных свойств продуктов;

      – разработка биодеградирующих пластмасс;

      – снижение уровня загрязненности  воды и воздуха;

      – замедление скорости порчи  пищевых продуктов;

      – контроль над вирусными заболеваниями.

Молекулярное, или генетическое, клонирование – процесс создания генетически идентичных молекул ДНК – является основой молекулярной биологии, фундаментальным методом биотехнологических исследований, а также  основой  развития  и  коммерциализации  биотехнологии.  Подавляющее  большинство практических приложений биотехнологии, начиная с разработки лекарственных препаратов и заканчивая созданием трансгенных культур,  основывается на методах генетического клонирования. С помощью молекулярного  клонирования  стали  возможными:  идентификация,  локализация  и  описание  генов;  создание  генетических  карт  и  секвенирование  целых  геномов; проведение параллелей между генами и ассоциированными с ними признаками; установление молекулярной основы проявления признаков. Область  применения клонирования чрезвычайно широка.