Биотехнология в медецине

В основе методов  терапии лежит один и тот же принцип. Все используемые в них  субстанции выделяются из природного сырья или синтезируются в  результате естественных процессов. Одни препараты способствуют активизации  собственных резервов организма  для борьбы с инфекционными агентами или решения других проблем. Другие являются естественными продуктами жизнедеятельности растений или  животных. В основе процессов, используемых для крупномасштабного производства обладающих терапевтическими свойствами биологических соединений, также  лежат естественные молекулярные механизмы [10].

 

2.3. Терапия стволовыми клетками для борьбы с ВИЧ - инфекцией

 

По словам автора метода, профессора Бена Беркхаута (Ben Berkhout), такая терапия значительно улучшит качество и продолжительность жизни ВИЧ-инфицированных пациентов, резистентных к терапии противовирусными препаратами. Отчет о разработке инновационного метода был представлен 31 марта 2010 г. на весеннем конгрессе Общества Общей Микробиологии (Society for General Microbiology) в Эдинбурге (Голландия).

В настоящее время  наиболее эффективным средством  для лечения ВИЧ является регулярный прием противовирусных препаратов (так называемая высокоактивная антиретровирусная  терапия (HAART)). Тем не менее, высокая  мутагенная изменчивость вирусов привела  к возникновению лекарственно-устойчивых (резистентных) штаммов [12].

Профессор Беркхаут из Университета Амстердама (University of Amsterdam) (Голландия) разработал принципиально новый метод, который может обеспечить длительный терапевтический эффект уже после однократного применения. Метод заключается в доставке антивирусной ДНК в иммунные клетки пациента, чтобы они могли бороться с инфекцией. «Эта терапия может послужить альтернативным вариантом лечения для ВИЧ-инфицированных больных, которые по каким-либо причинам не могут продолжать лечение по программе HAART», - полагает Беркхаут.

Сначала из красного костного мозга пациента выделяют стволовые  клетки. В лабораторных условиях в  ДНК этих клеток встраивают гены, кодирующие небольшие фрагменты РНК (малые  РНК), комплементарные ключевым генам  ВИЧ. В иммунных клетках малые  РНК связывают генетическую информацию вируса и, таким образом, останавливают  продукцию ключевых вирусных компонентов. Этот механизм носит название «РНК-интерференции». Модифицированные таким образом  стволовые клетки вводятся обратно  в организм пациента.

Трансфекция стволовых клеток антиретровирусной ДНК будет способствовать восстановлению значительной части иммунной системы, так как при делении клеток встроенная в них антивирусная ДНК будет также размножаться и попадать в дочерние клетки.

Ученые надеются приступить к клиническим испытаниям нового метода в течение 3 лет. «В лаборатории  были получены обнадеживающие результаты, а сейчас мы проверяем безопасность и эффективность терапии на экспериментальных  животных», - комментирует Беркхаут [9].

Тройной удар по ВИЧ с помощью генной терапии

Вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ) сложно поразить клетку, чьи защитные свойства подкреплены  генной терапией (фото: Getty Images).

Генетически модифицированные гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) человека, способные противостоять  ВИЧ, прошли первую фазу клинических  испытаний. Четыре пациента с диагнозом  «СПИД», которым были пересажены эти  клетки, успешно прошли лечение, а  сами клетки и их производные продуцировали  антивирусные молекулы в течение 2-х  лет после трансплантации. Хотя количество трансплантированных клеток оказалось  недостаточным для того, чтобы  вылечить пациентов или даже просто снизить вирусную нагрузку, ученые надеются, что после следующих клинических испытаний комбинированная генная терапия уже сможет дополнить или даже полностью заместить применяемые в настоящее время антиретровирусные препараты, которые лишь замедляют распространение и размножение вируса.

Клинические испытания  основывались на стандартном лечении: у больных СПИДом уничтожали практически  все клетки иммунной системы, пораженные вирусом, а затем проводили трансплантацию их собственных ГСК. Помимо обычных  гемопоэтических клеток больным  также были пересажены генетически  модифицированные ГСК, содержащие 3 различных  типа микроРНК (миРНК), используемых для подавления экспрессии некоторых жизненно важных генов вируса. Эти миРНК были доставлены в клетки при помощи вектора на основе безопасного лентивируса. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Translational Medicine [12].

В прошлом году другая исследовательская группа опубликовала результаты сходных клинических  испытаний, в которых молекулы миРНК, направленные на борьбу с ВИЧ, были доставлены в организм 38-и ВИЧ-инфицированных больных с помощью их собственных гемопоэтических стволовых клеток. Хотя лечение было довольно эффективным, оно не приводило к существенному снижению вирусной нагрузки – возможно, из-за того, что за 100-недельный курс клинических испытаний происходило значительное снижение уровня «терапевтических» генов в крови [9].

В другом исследовании, проведенном немецкими врачами  в 2009 г., выяснилось, что ВИЧ-инфицированные больные с диагнозом «лейкемия» излечивались от обоих заболеваний  за счет трансплантации стволовых клеток. Клетки были получены от донора, у которого в одном из генов присутствовала протективная мутация, обеспечивающая естественную устойчивость к ВИЧ.

В настоящем исследовании ученые искусственно получили стволовые  клетки с генетической устойчивостью  к ВИЧ, которые должны заместить  чувствительные к ВИЧ клетки иммунной системы реципиента и противостоять вирусу[10].

Тройная атака

Для проникновения  в клетку хозяина ВИЧ в качестве ко-рецептора использует белок CCR5. Ученые с помощью генетической модификации  получили гемопоэтические стволовые  клетки, содержащие молекулы миРНК, способные блокировать синтез белка CCR5, что на 90% снижает восприимчивость клеток к вирусу. Поскольку гемопоэтические стволовые клетки дают начало всем типам клеток крови, после трансплантации таких ГСК в организм пациента вся его de novo образованная кроветворная система становится устойчивой к вирусу, включая Т-лимфоциты, являющиеся мишенью для ВИЧ.

Однако ВИЧ может  эволюционировать и освоить новый  путь проникновения в клетку. «На  этот случай у нас есть другие механизмы  защиты, - объясняет Джон Росси (John Rossi), молекулярный биолог из Исследовательского Института Бекмана (Beckman Research Institute) (Калифорния, США), работавший над клиническими испытаниями, - Мы внедрили в клетки миРНК, подавляющие синтез вирусных генов, необходимых вирусу для репликации (самовоспроизведения). Такие разнообразные механизмы противовирусной защиты должны значительно затруднить развитие у вируса устойчивости», - заключает Росси.

У трех из четырех  пациентов ГСК продолжали продуцировать  «терапевтические» миРНК в течение 18-24 месяцев после трансплантации; побочных эффектов не наблюдалось [10].

Перспективы

«Проведенное исследование небольшое, но это шаг в верном направлении», - говорит Пабло Тебас (Pablo Tebas), исследователь из Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania) в Филадельфии (США), работающий над созданием генной терапии и вакцин против ВИЧ. «Наиболее многообещающим является то, что исследование показало принципиальную возможность модифицирования стволовых клеток таким образом, что они, а также их потомки, будут обладать устойчивостью к ВИЧ». В настоящее время исследовательская группа Пабло Тебаса совместно с биотехнологической компанией Sangamo (США) проводят клинические испытания терапии, направленной на удаление белка CCR5 из клеток.

По словам Росси, для обеспечения безопасности терапии  в трансплантационную смесь нужно  включать малое количество генетически  модифицированных ГСК, так как ученые заметили, что в ответ на увеличение концентрации вирусных частиц в крови  количество этих клеток все равно  возрастает, что говорит о некой  клеточной селекции в критический  для организма период.

Причина увеличения количества генетически модифицированных клеток у пациентов в ответ  на рост популяции вируса пока остается для ученых загадкой. В настоящее  время Росси с коллегами планируют  новые исследования совместно с  австралийской биотехнологической компанией Benitech по проведению трансплантации чистой популяции генетически модифицированных ГСК без добавления обычных клеток [12].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Биотехнология в ветеринарной медицине

 

Перед ветеринарной медициной  стоят важные задачи по разработке и внедрению в производство эффективных  методов борьбы с наиболее распространенными  и опасными заболеваниями сельскохозяйственных животных на промышленных комплексах и в животноводческих хозяйствах и обеспечению производства безопасной для человека животноводческой продукции [7].

За последние 40 - 50 лет произошло скачкообразное развитие большинства наук, что привело к форменной революции в производстве ветеринарных и медицинских биопрепаратов, созданию трансгенных растений и животных с заданными уникальными свойствами. Подобные исследования являются приоритетными направлениями научно-технического прогресса и в XXI в. займут ведущее место среди всех наук.

Даже  простое перечисление товарных форм биопрепаратов указывает на неограниченные возможности биотехнологии. Однако этот важный вопрос заслуживает некоторой детализации.

На мой взгляд, возможности биотехнологии особенно впечатляющи в трех основных направлениях.

Первое - это крупнотоннажное производство микробного белка для кормовых целей (вначале - на основе гидролизатов древесины, а затем - на основе углеводородов нефти).

Важную  роль играет производство незаменимых  аминокислот, необходимых для сбалансированности по аминокислотному составу кормовых добавок.

Кроме кормового  белка, аминокислот, витаминов и  других кормовых добавок, увеличивающих питательную ценность кормов, быстро расширяются возможности массового производства и применения вирусных и бактериальных препаратов для профилактики болезней птиц и сельскохозяйственных животных, для эффективной борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений.

Второе направление - разработки в интересах развития биологической науки, здравоохранения и ветеринарии. На основе достижений генной инженерии и молекулярной биологии биотехнология может обеспечить здравоохранение высокоэффективными вакцинами и антибиотиками, моноклональными антителами, интерфероном, витаминами, аминокислотами, а также ферментами и другими биопрепаратами для исследовательских и лечебных целей. Некоторые из этих препаратов уже сегодня с успехом применяются не только в научных экспериментах, но и в практической медицине и ветеринарии [11]. Для предотвращения контагиозных заболеваний используется пассивная иммунизация (введение сывороток, содержащих антитела к одной или нескольким инфекциям) и активная (применение вакцины с комплексом антигенов) [4].

Наконец, третье направление - разработки для промышленности. Уже сегодня продукцию биотехнологических производств потребляют или применяют пищевая и легкая промышленность (ферменты), металлургия (использование некоторых веществ в процессах флотации, точного литья, прецизионного проката), нефтегазовая промышленность (использование ряда препаратов комплексной переработки растительных и микробных биомасс при бурении скважин, при селективной очистке и др.), резиновая и лакокрасочная промышленность (улучшение качества синтетического каучука за счет некоторых белковых добавок), а также ряд других производств [11].

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Значение биотехнологии 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.