Биотехнология в медецине

Введение

Биотехнология -  это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии приборо- и машиностроения использует биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений и др.) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для целей промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов [5] .

Мы живем в  постоянно и стремительно меняющемся мире. Однако нас неизменно волнуют  такие жизненно важные проблемы как  охрана здоровья животных и людей, обеспечение их продовольствием и энергией, охрана окружающей среды. Все эти проблемы решает наука биотехнология [6].

Биотехнология играет огромную роль в медицине. Эта наука  значительно облегчает разработку новых лекарственных препаратов, делая их быстродействующими, дешевыми, безопасными и более эффективными. Вместо того чтобы просто проводить  клинические испытания, ученые сейчас уже изучают общие механизмы  и закономерности возникновения заболеваний. С помощью моделирования они способны разрабатывать и изучать действие новых субстанций. Более 400 фармацевтических компаний по всему миру ведут исследования и разработку продуктов генной инженерии, с каждым годом количество этих продуктов растет, и по прогнозам, в течение нескольких следующих лет рынок будет насыщаться такими лекарствами [9].

В данной курсовой работе мы рассмотрим значение биотехнологии  в медицине и ветеринарии, а также  проблемы и перспективы развития биотехнологии в этих сферах.

1.Биотехнология в медицине.

«Красной» биотехнологией называют биофармацевтику, которая и была началом биотехнологии как науки: с 80-х годов прошлого века благодаря успехам молекулярной биологии было начато производство, к примеру, генно-инженерного инсулина человека и вакцин, спасших жизнь сотням тысяч людей.

Методы биотехнологии  позволили синтезировать в промышленных количествах гормоны, витамины, ферменты и другие биологически активные вещества, производить антибиотики и вакцины, сыворотки [2].

1. Производство антибиотиков.

Введение в лечебную практику антибиотических микробных  лекарственных препаратов представляет собой важнейший вклад биотехнологии  в решение проблем охраны здоровья человека. Антибиотики сегодня занимают первое место среди продукции мировой фармацевтической промышленности по объему производства, шире применения. Они используются при лечении таких тяжёлых заболеваний как туберкулёз, менингит, плеврит, пневмония и др. Отдельные антибиотики например блеомицин, применяются при лечении онкозаболеваний. Наибольшее применение находят четыре группы антибиотиков: пенициллины, цефалоспорины, тетрациклины, эритромицины.

В 40-70-е годы микробиологи и биохимики ежегодно открывали  по 200 новых видов природных антибиотиков. В последующем (7-80-е годы) поток  этих открытий увеличился до 300 новых  видов в год и сегодня насчитывается  более 6000 видов антибиотиков, более 100 из которых находят широкое  применение в медицинской практике. Среди продуцентов антибиотиков 70% составляют актиномицеты, 20% - микомицеты, 7% - спорообразующие бактерии и около 2% - псевдомонады.

С середины 60-х годов  микробиологическое производство антибиотиков получает дублера в химической промышленности. К этому времени были хорошо изучены  молекулярная структура и механизмы  действия многих природных антибиотиков. По мере расширения сфер практического  использования антибиотиков происходила  селекция патогенных микроорганизмов, устойчивых к антибиотическим веществам. В связи с этим в последнее время наибольшее значение получили технологии химической модификации природных антибиотиков. Интеграция  биологической и химической технологии дала медицине новые эффективные лекарственные средства, например цефамицины, близкие по структуре к цефалоспоринам, обладающие эффективным действием против пенициллинустойчивых бактерий [7].

Антибиотики — самый  большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства  и алкалоиды. В 1980 г. мировое производство антибиотиков составляло примерно 25000 т, из них 17000 т — пенициллины, 5000 т — тетрациклины, 1200 т — цефалоспорины  и 800 т — эритромицины. В 1945 г. Бротзу из Института гигиены в Кальари (Сардиния) выделил из пробы морской воды плесень Cephalosporium acremonium, синтезирующую несколько антибиотиков; один из них, цефалоспорин С, оказался особенно эффективен против устойчивых к пенициллину грамположительных бактерий.

Из нескольких тысяч  открытых антибиотиков львиная доля принадлежит актиномицетам. Среди  актиномицетов наибольший вклад  вносит род Streptomyces, включая тетрациклины (один только вид Streptomyces griseus синтезирует более пятидесяти антибиотиков). Наиболее распространенными с коммерческой точки зрения оказались пенициллины, цефалоспорины и тетрациклины.

Начиная с середины 1960-х гг. в связи с возросшей  сложностью выделения эффективных  антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большого числа патогенных бактерий исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремились повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от инактивации ферментами устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. Большинство исследований было сосредоточено на пенициллинах и цефалоспоринах, структура которых включает четырехчленное b-лактамное кольцо. Добавление к b-лактамному кольцу метоксильной (СН₃О)-группы привело к появлению цефамицинов, близких к цефалоспоринам и эффективных как против грамотрицательных, так и против пенициллиноустойчивых микробов. Полусинтез состоит в замене химическим путем одной боковой цепи b-лактамного кольца на другую в полученной ферментацией молекуле. Устойчивость к пенициллинам и цефалоспоринам связана с наличием ферментов, так называемых b-лактамаз, которые широко распространены среди бактерий, актиномицетов, цианобактерий и дрожжей. Так как гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид, устойчивость может передаваться при переносе плазмид от одного бактериального штамма к другому. Исследователи фирмы «Мерк, Шарп и Доум» открыли новый класс b-лактамных антибиотиков, тиенамицины, продуцируемых Streptomyces cattleya. Тиенамицины чрезвычайно эффективны против грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также способны ингибировать b-лактамазы, что значительно повышает возможности этих антибиотиков. К ингибиторам b-лактамаз относятся также клавулановая и оливановая кислоты, идентифицированные исследователями английской фармацевтической компании «Бичем». Компания выпустила новый антибиотик, аугментин, который представляет собой комбинацию b-лактамного антибиотика амоксициллина и клавулановой кислоты [6].

Антибиотики вырабатываются в результате совместного действия продуктов 10—30 генов, поэтому практически  невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации, которые могли бы повысить выход антибиотика с нескольких миллиграммов на литр в штамме дикого типа до 20 г/л и более пенициллина или тетрациклина в промышленных штаммах Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens. Эти высокопродуктивные штаммы были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции. В результате мутаций появились новые вторичные метаболиты, в том числе 6-деметилхлортетрациклин и 6-деметилтетрациклин. Определенные мутанты, так называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков, среди них принадлежащие к аминоциклитольной группе [12].

2. Производство гормонов

К традиционным микробиологическим продуктам относятся строительные гормоны, которые синтезируются  некоторыми видами актиномицетов. Такие  гормональные препараты как картизон, преднезолон и другие широко применяются при лечении различных аллергических заболеваний, в том числе такого тяжелого как бронхиальная астма, а также ревматоидного артрита и ряда других недугов.

Применяются такие методы микробной трансформации, которые позволяют резко сократить число этапов химического синтеза кортизона. Кроме того, при производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки. Спектр гормональных препаратов, производимых путем микробного синтеза, значительно пополнился в 80-е годы за счет пептидных гормонов, полученных методами генетической инженерии. Особо следует отметить такие антивирусные, антиопухолевые и иммуномодулирующие агенты, как интерфероны и интерлейкины. Все эти вещества вырабатываются в организме человека и животных и никогда небыли обнаружены у микроорганизмов. Возможность получения их “микробным” путем открывается только благодаря генной инженерии [2].

Биотехнология предоставляет  медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие  сдвиги произошли в последние  годы в направлении синтеза пептидных  гормонов.

Раньше гормоны  получали из органов и тканей животных и человека (крови доноров, удаленных  при операциях органов, трупного материала). Требовалось много материала  для получения небольшого количества продукта.

Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжаться несколько лет. С применением генноинженерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования, что гораздо дешевле. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низкорослостью - более слабой степенью дефицита соматотропина. Соматотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с кальцитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са2+ в костной ткани [3].

Инсулин, пептидный  гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Широкомасштабное терапевтическое применение инсулина сдерживалось его высокой стоимостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модификации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта.

Компания Eli Lilly с 1982 г. производит генноинженерный инсулин на основе раздельного синтеза Е. coli его А - и В-цепей. Стоимость продукта значительно снизилась, получаемый инсулин идентичен человеческому. К лечению диабета приложена также технология инкапсулирования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года.

Значителен вклад  биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например Arthrobacter globiformis, для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей, что также означает уменьшение затрат на производство лекарственного средства [8].

1.3. Производство ферментов

Ферменты составляют основу многих тестов, используемых в  клинической медицине. Они применяются  при автоматизированном анализе  и биохимическом исследовании жидкостей  организма, которые ведутся в  биохимических лабораториях современных  клиник. Примером таких ферментов  могут быть  глюкозооксидаза, гексокиназа, эстераза, алкогольдегидрогеназа. Иногда ферменты применяют в терапии (например, струптокиназу или урокиназу, которые оказывают мощное фибринолитическое действие при тяжелом тромбозе сосудов). По видимому, основные усилия в ближайшие несколько лет будут направлены на развитие технологии биодатчиков. Ферменты могут оказаться весьма полезными для контроля за концентрацией разнообразных веществ, интересующих клиницистов: промежуточных метаболитов, лекарственных препаратов и гормонов. Свою роль сыграет здесь биотехнология: она предоставит и обычные и редкие ферменты микробов, полученные как путем крупномасштабного их выращивания, так и с помощью технологии рекомбинантных ДНК [2].

Классификация ферментов  основана на механизме их действия и включает 6 классов.

Ферменты как  биокатализаторы обладают рядом  уникальных свойств, например, таких  как высокая каталитическая активность и избирательность действия. В  ряде случаев ферменты обладают абсолютной специфичностью, катализируя превращение  только одного вещества. Для каждого  фермента существует свой оптимум рН, при котором его каталитическое действие максимально. При резком изменении  рН ферменты инактивируются из-за необратимой  денатурации. Ускорение реакции  при повышении температуры также  лимитировано определенными пределами, поскольку уже при температуре 40-50^оС многие ферменты денатурируют. Эти свойства ферментов приходится учитывать при разработке технологии нового препарата.

Поскольку ферменты - вещества белковой природы, в смеси  с другими белками их количество определить практически невозможно. Наличие фермента в препарате  может быть установлено лишь по протеканию той реакции, которую катализирует фермент. При этом количественную оценку содержания фермента можно дать, определив  либо количество образовавшихся продуктов  реакции, либо количество израсходовавшегося субстрата. За единицу активности фермента принимают то его количество, которое  катализирует превращение одного микромоля субстрата в 1 минуту при заданных стандартных условиях - стандартная единица активности.

По решению Международного биохимического союза активность решено определять при t = 30^оС по начальной скорости реакции, когда концентрация насыщения фермента и временная зависимость близка к кинетике реакции нулевого порядка. Остальные параметры реакции индивидуальны для каждого фермента. Активность ферментного препарата выражается в микромолях субстрата, прореагировавшего под действием 1 мл ферментного раствора или 1 грамма препарата в оптимальных условиях за 1 минуту. Если ферментный препарат не содержит балласта, то его активность выражается в тех же стандартных единицах на 1 мг фермента. Если же есть балласт, то активность считается на 1 мг белка в ферментном препарате. Активность выпускаемого препарата - важнейший нормируемый показатель качества.

Основную часть  ферментов, получаемых промышленным способом, составляют гидролазы. К ним относятся, в первую очередь амилолитические ферменты: α-амилаза, β-амилаза, глюкоамилаза. Их основная функция - гидролиз крахмала и гликогена. Крахмал при гидролизе расщепляется на декстрины, а затем до глюкозы. Эти ферменты применяются в спиртовой промышленности, хлебопечении [10].

Протеолитические  ферменты образуют класс пептидгидролаз. Их действие заключается в ускорении гидролиза пептидных связей в белках и пептидах. Важная их особенность - селективный характер действия на пептидные связи в белковой молекуле. Например, пепсин действует только на связь с ароматическими аминокислотами, трипсин - на связь между аргинином и лизином. В промышленности протеолитические ферменты классифицируют по способности проявлять активность в определенной области рН: