Значение вирусов для решения общебиотехнологических проблем

Министерство  образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего  профессионального  образования

«Пермский национальный исследовательский 

политехнический университет»

 

 

Факультет           Химико-технологический

Кафедра «Химия и биотехнология»

Направление:   240700.68 «Биотехнология»

Магистерская  программа: «Промышленная биотехнология и биоинженерия»

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Значение вирусов  для решения общебиотехнологических проблем

 

Студентка группы:

Федорова Мария Сергеевна

 

 

 

Проверила: профессор

д.м.н. Волкова  Л.В.

 

 

 

 

Пермь,  2012

Введение

1. Вакцины
0. 1.1. Виды вакцин
0. 1.2. Методы получения
2. Векторы

2.1. Виды векторов

3. Вирусы в нанобиотехнологии
4. Фаготерапия
5. Вирусотерапия

Вывод

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Новейшая биотехнология (биоинженерия) – это наука о  генно-инженерных и клеточных методах  и технологиях создания и использования  генетически модифицированных растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых продуктов различного назначения.

Основная цель и задачи биотехнологии направлены на разработку методов и приемов, позволяющих получить биологически активные соединения (ферменты, гормоны, аминокислоты, вакцины, лекарственные  препараты), а также конструирование молекул новых веществ и создание форм организмов, отсутствующих в природе (химерные гибридные молекулы, химерные животные и растительные ткани и организмы).

Другими словами, биотехнология – это наука  об использовании биологических  процессов в технике и промышленном производстве.

Объектами биотехнологии  являются: клетки растений, животных и  человека, бактерии, вирусы, грибы, некоторые  вещества биологического происхождения (например, ферменты, нуклеиновые кислоты  и др.), молекулы. Отсюда следует, что объекты биотехнологии относятся либо к микробам, либо к растительным или животным клеткам.

Однако применение в биотехнологии нашли и вирусы. Вирусы – это неклеточная форма жизни. Они являются облигатными паразитами, т.е. могут функционировать только внутри организма. Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию.

Просто организованные вирусы представляют собой нуклеопротеиды, т.е. состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и нескольких белков, образующих оболочку вокруг нуклеиновой кислоты.

Именно благодаря  способности проникать в соответствующие  виды клеток и интегрироваться в их геном вирусы начали использоваться в биотехнологии.

В данной работе рассмотрены основные возможности  применения вирусов в различных направлениях биотехнологии.

 

1. Вакцины.

Вакцины - это препараты, якобы способствующие созданию активного специфического иммунитета, приобретенного в процессе прививания и необходимого для защиты организма от конкретного возбудителя болезни. Вакцины не всегда могут быть использованы, как для профилактики, так и для лечения инфекционных заболеваний.

Вакцины изготавливают путем сложных биохимических процессов из микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности или отдельных компонентов микробной клетки. 

1.1. Виды  вакцин.

Различают следующие  виды вакцин[7]:

Вакцина адсорбированная (v. adsorptum) её антигены сорбированы на веществах, усиливающих и пролонгирующих антигенное раздражение.

Вакцина антирабическая (v. antirabicum; анти- + лат. rabies бешенство) изготовлена из штамма фиксированного вируса бешенства в суспензии тканей головного мозга животных или в культуре клеток и предназначенная для предупреждения заболевания у лиц, укушенных (ослюненных) животными, больными бешенством (подозреваемыми на заболевание).

Вакцина ассоциированная (v. associatum; син.: В. комбинированная, В. комплексная, поливакцина) - препарат, состоящий из нескольких В. различного типа, предназначенный для одновременной иммунизации против нескольких инфекционных болезней.

Вакцина живая (v. vivum) - B., содержащая жизнеспособные штаммы патогенного микроорганизма, ослабленные до степени, исключающей возникновение заболевания, но полностью сохранившие антигенные свойства, обусловливающие формирование специфического иммунитета у привитого.

Вакцина поливалентная (v. polyvalens; греч. poly - много + лат. valens, valentis сильный) - В., изготовленная на основе нескольких серологических вариантов возбудителя одной инфекционной болезни.

Вакцина убитая (v. inactivatum) - В., изготовленная из микроорганизмов  инактивированных (убитых) воздействием физических или химических факторов.

Вакцина фенолизированная (v. phenolatum) - убитая В., изготовленная  из микроорганизмов, инактивированных фенолом.

Вакцина формалинизированная (v. formalinatum; син. формолвакцина) - убитая В., изготовленная из микроорганизмов, инактивированных формалином.

Вакцина химическая (v. chemicum) - В., состоящая из специфических  антигенов, извлеченных из микроорганизмов, и очищенная от балластных веществ.

Вакцина эмбриональная (v. embryonale) - В., изготовленная из вирусов или риккетсий, выращенных на эмбрионах птиц (кур, перепелок).

Вакцина этеризованная (v. aetherisatum) - убитая В., изготовленная  из микроорганизмов, инактивированных эфиром.

1.2. Получение  вакцин.

Наиболее просты в изготовлении живые вакцины, так как технология в основном сводится к выращиванию аттенуированного вакцинного штамма с соблюдением условий, обеспечивающих получение чистых культур штамма, исключение возможностей загрязнения другими микроорганизмами (микоплазы, онковирусы) с последующей стабилизацией и стандартизацией конечного препарата. Вакцинные штаммы бактерий выращивают на жидких питательных средах (гидролизаты казеина или другие белково-углеводные среды) в аппаратах - ферментаторах емкостью от 0,1 м³ до 1-2 м³. Полученная чистая культура вакцинного штамма подвергается лиофильному высушиванию с добавлением протекторов.

Вирусные и  риккетсиозные живые вакцины  получают выращиванием вакцинного штамма в эмбрионах кур или перепелов, свободных от вирусов лейкоза, либо в культурах клеток, лишенных микоплазм. Используют или первично-трипсинизированные клетки животных или перевиваемые диплоидные клетки человека. Живые аттенуированные штаммы бактерий и вирусов, применяемые для приготовления живых вакцин, получены, как правило, из природных штаммов путем их селекции или пассажей через биологические системы (организм животных, эмбрионы кур, культуры клеток, питательные среды).[5]

В связи с  успехами генетики и генетической инженерии  появились возможности целенаправленного конструирования вакцинных штаммов. Получены рекомбинантные штаммы вируса гриппа, а также штаммы вируса вакцины со встроенными генами протективных антигенов вируса гепатита В.

Инактивированные  корпускулярные бактериальные вакцины  или цельновирионные инактивированные вакцины получают соответственно из культур бактерий и вирусов, выращенных на тех же средах накопления, что и в случаях получения живых вакцин, и затем подвергнутых инактивации нагреванием (гретые вакцины), формалином (формолвакцины), ультрафиолетовым излучением (УФ-вакцины), ионизирующим излучением (радиовакцины), спиртом (спиртовые вакцины). Инактивированные вакцины ввиду недостаточно высокой иммуногенности и повышенной реактогенности не нашли широкого применения.

Производство  молекулярных вакцин - более сложный технологический процесс, т. к. требует извлечения из выращенной микробной массы протективных антигенов или антигенных комплексов, очистки и концентрирования антигенов, введения в препараты адъювантов. Выделение и очистка антигенов с помощью традиционных методов (экстракции трихлоруксусной кислотой, кислотного или щелочного гидролиза, ферментативного гидролиза, высаливания нейтральными солями, осаждения спиртом или ацетоном) сочетаются с применением современных методов (скоростного ультрацентрифугирования, мембранной ультрафильтрации, хроматографического разделения, аффинной хроматографии, в т.ч. на моноклональных антителах). С помощью этих приемов удается получать антигены высокой степени очистки и концентрирования.[8]

К очищенным  антигенам, стандартизированным по числу антигенных единиц, с целью повышения иммуногенности добавляют адъюванты, чаще всего сорбенты-гели (гидрат окиси алюминия и др.).

Препараты, в  которых антиген находится в  сорбированном состоянии, называют сорбированными или адсорбированными (дифтерийный, столбнячный, ботулинический сорбированные анатоксины). Сорбент играет роль носителя и адъюванта. В качестве носителя в синтетических вакцинах предложены всевозможные полимеры.

Интенсивно разрабатывается  генно-инженерный способ получения  протективных белковых антигенов бактерий и вирусов. В качестве продуцентов используют обычно эшерихии, дрожжи, псевдомонады со встроенными в них генами протективных антигенов. Получены рекомбинантные штаммы, продуцирующие антигены возбудителей гриппа, коклюша, кори, герпеса, гепатита В, бешенства, ящура, ВИЧ-инфекции и др.

 

2. Вирусные вектора

Вирусные вектора  являются широко используемым инструментом в биотехнологии для доставки генетического материала в клетки. Этот процесс может быть осуществлен как внутри живого организма, так и в культуре клеток. [13]

Есть вирусы, которые не ведут к гибели клетки, но встраиваются в геном клетки-хозяина и размножаются вместе с ней, либо вызывают ее неконтролируемый рост, т.е. превращают в раковую. К таким относятся ДНК-вирусы SV-40 и вирус полиомы. Внедрение некоторых опухолевых РНК-вирусов ведет к отпочковыванию вирусных частиц от клетки без ее лизиса. К таким вирусам относятся, например, ретровирусы (вирус саркомы Рауса и СПИДа). Для бактериальных клеток в качестве вектора часто используют бактериофаги.

Вирусы являются одними из главных кандидатов на роль векторов для введения чужеродной ДНК. При вирусной инфекции каждая клетка может получить большое число копий чужеродного гена. ДНК можно встраивать так, чтобы она находилась под контролем сильных вирусных промоторов, что обеспечит высокий уровень экспрессии гена, и его продукты будут более доступны для исследования.

В последние  годы сконструированы многочисленные "челночные" векторы и их рекомбинантные производные, способные к репликации в животной и бактериальной клетке и эффективно экспрессирующие клонируемый ген в животной клетке. Вирус должен быть жизнеспособным после рекомбинирования его ДНК. Легче всего вирусы вводятся в бактерии. Недостатком вирусов как векторов является их небольшая емкость. Кроме того, вирусы заражают небольшой круг хозяев.[3]

 

2.1. Виды вирусных векторов

В исследованиях  в основном используются вирусные векторы  трех типов: ретровирусные, аденовирусные и аденовирусоассоциированные, хотя сейчас изучается применение в этом качестве и других вирусов.

Таблица 1. Генотерапевтические  векторы и их характеристики

Векторы	Размер вставки	Геном вектора	Деление клеток	Экспрессия	Преимущества	Недостатки
Ретровирусы (модифицированный вирус Молони или лентивирусы)	7-11 т.п.о.	РНК	Необходимо за исключением лентовирусов	Перманентная	Может интегрироваться в геном клеток-мишеней	Инсерционный мутагенез
Аденовирусы	35-40 т.п.о.	ДНК	Нет необходимости	Кратковременная	Высокая эффективность трансдукции, легкая продуцируемость с высоким титром	Воспаление и иммунная реакция ткани в месте введения
Аденоассоциированные вирусы	5 т.п.о.	ДНК	Нет необходимости	Долговременная	Высокая эффективность трансдукции	Инсерционный мутагенез, трудность продуцирования, проблемы выбора ткани
Вирус простого герпеса	30 т.п.о.	ДНК	Нет необходимости	От кратковременной до перманентной	Большая вставка	Нейротоксическая и цитопатическая склонность
Невирусные векторы (плазмидная ДНК, олигонуклеотиды)	Нет ограничений	ДНК или РНК	Нет необходимости	Кратковременная	Безопасность и низкая стостоимость	Малая эффективность, может модулировать экспрессию только эндогенного гена