Nowy numer czasopisma „Nauka z pierwszej ręki” ukazał się „po piętach” ogólnorosyjskiej konferencji z międzynarodowym udziałem „Biotechnologia - Medycyna Przyszłości”, która odbyła się w Nowosybirsku Akademgorodok w lipcu 2017 r. Wśród organizatorów konferencji forum naukowym są Instytut Biologii Chemicznej i Medycyny Podstawowej oraz Instytut Cytologii i Genetyki SB RAS, a także Nowosybirski Państwowy Uniwersytet Badawczy, gdzie prowadzone są badania biomedyczne w ramach strategicznej jednostki akademickiej „Biologia Syntetyczna ”, który zrzesza wielu uczestników rosyjskich i zagranicznych, przede wszystkim instytuty SB RAS o profilu biologicznym. W pierwszym, wprowadzającym artykule do numeru autorzy dokonali przeglądu najbardziej aktualnych kierunków i obiecujących wyników badań związanych z rozwojem i wdrażaniem w medycynie praktycznej nowych technologii inżynierii genetycznej, komórkowej, tkankowej, immunobiologicznej i cyfrowej, z których część zostały szczegółowo zaprezentowane w pozostałych artykułach numeru.
|
Walentin Wiktorowicz Własow- Akademik Rosyjskiej Akademii Nauk, dyrektor naukowy Instytutu Biologii Chemicznej i Medycyny Podstawowej SB RAS (ICBFM SB RAS, Nowosybirsk), kierownik Katedry Biologii Molekularnej i Biotechnologii Nowosybirskiego Uniwersytetu Państwowego. Laureat Nagrody Państwowej Federacji Rosyjskiej (1999). Autor i współautor ponad 520 prac naukowych i 30 patentów. |
|
Dmitrij Władimirowicz Pyszny- Członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk, doktor nauk chemicznych, dyrektor i kierownik Laboratorium Chemii Biomedycznej Instytutu Medycyny Biomedycznej SB RAS (Nowosybirsk). Autor i współautor ponad 160 prac naukowych i 15 patentów. |
|
Paweł Jewgienijewicz Worobiew- Kandydat nauk chemicznych, pracownik naukowy w Laboratorium Chemii Biomedycznej Instytutu Medycyny Biomedycznej SB RAS (Nowosybirsk), profesor nadzwyczajny Katedry Biologii Molekularnej i Biotechnologii Nowosybirskiego Uniwersytetu Państwowego. Autor i współautor 25 prac naukowych. |
Szybki rozwój nauk biologicznych, w związku z pojawieniem się urządzeń o dużej wydajności i stworzeniem metod manipulacji informacyjnymi biopolimerami i komórkami, przygotował podwaliny pod rozwój medycyny przyszłości. W wyniku ostatnich badań opracowano skuteczne metody diagnostyczne, a także pojawiły się możliwości racjonalnego projektowania leków przeciwwirusowych, przeciwbakteryjnych i przeciwnowotworowych, terapii genowej i edycji genomu. Nowoczesne technologie biomedyczne w coraz większym stopniu zaczynają wpływać na gospodarkę i decydować o jakości życia ludzi.
Dotychczas szczegółowo zbadano budowę i funkcje podstawowych cząsteczek biologicznych oraz opracowano metody syntezy białek i kwasów nukleinowych. Te biopolimery ze swej natury są materiałami „inteligentnymi”, ponieważ są w stanie wysoce specyficznie „rozpoznawać” określone cele biologiczne i działać na nie. Dzięki ukierunkowanemu „programowaniu” takich makrocząsteczek możliwe jest tworzenie konstruktów molekularnych receptorów dla układów analitycznych, a także leków selektywnie wpływających na określone programy genetyczne lub białka.
„Inteligentne leki” tworzone przy użyciu metod biologii syntetycznej otwierają możliwości ukierunkowane(ukierunkowana) terapia chorób autoimmunologicznych, onkologicznych, dziedzicznych i zakaźnych. Daje to podstawy do mówienia o wprowadzeniu do praktyki lekarskiej podejścia medycyny personalizowanej, skupionej na leczeniu konkretnego człowieka.
Dzięki nowoczesnym technologiom medycznym i farmaceutykom możliwe jest dziś wyleczenie wielu chorób, które w przeszłości stanowiły ogromny problem medyczny. Jednak wraz z rozwojem medycyny praktycznej i wzrostem średniej długości życia zadania opieki zdrowotnej w dosłownym tego słowa znaczeniu stają się coraz pilniejsze: nie tylko zwalczanie chorób, ale utrzymanie istniejącego zdrowia, aby człowiek mógł prowadzić aktywny tryb życia i pozostać pełnoprawnym członkiem społeczeństwa aż do starości.
Problem ten można rozwiązać zapewniając stałą, skuteczną kontrolę nad stanem organizmu, co pozwoli uniknąć działania niekorzystnych czynników i zapobiec rozwojowi choroby, identyfikując proces patologiczny na bardzo wczesnym etapie i eliminując bardzo przyczyna choroby.
W tym sensie główne zadanie medycyny przyszłości można sformułować jako „zarządzanie zdrowiem”. Jest to całkiem możliwe, jeśli masz pełne informacje na temat dziedziczności danej osoby i monitorujesz kluczowe wskaźniki stanu organizmu.
„Inteligentna” diagnostyka
Aby zarządzać zdrowiem, konieczne jest posiadanie skutecznych i prostych, małoinwazyjnych metod wczesnego diagnozowania chorób i określania indywidualnej wrażliwości na leki lecznicze, a także czynniki środowiskowe. Rozwiązania wymagają (i są już rozwiązywane) np. problemy takie jak stworzenie systemów diagnostyki genowej i identyfikacji patogenów chorób zakaźnych człowieka, opracowanie metod ilościowego oznaczania białek i kwasów nukleinowych – markerów chorób.
Osobno warto podkreślić stworzenie metod wczesnej diagnostyki nieinwazyjnej ( płynna biopsja) choroby nowotworowe na podstawie analizy zewnątrzkomórkowego DNA i RNA. Źródłem takich kwasów nukleinowych są zarówno komórki martwe, jak i żywe. Zwykle ich stężenie jest stosunkowo niskie, ale zwykle wzrasta wraz ze stresem i rozwojem procesów patologicznych. Kiedy pojawia się nowotwór złośliwy, kwasy nukleinowe wydzielane przez komórki nowotworowe dostają się do krwioobiegu, a tak charakterystyczne krążące RNA i DNA mogą służyć jako markery choroby.
Dzięki!
Nowoczesne metody sekwencjonowania genomu są coraz powszechniej wprowadzane do medycyny, a w niedalekiej przyszłości wszyscy pacjenci będą mieli paszporty genetyczne. Podstawą prognostycznej medycyny spersonalizowanej jest informacja o cechach dziedzicznych pacjenta. Wiadomo, że przezorny jest przezorny. Osoba świadoma zagrożeń może zorganizować swoje życie w taki sposób, aby zapobiec rozwojowi choroby. Dotyczy to stylu życia, wyborów żywieniowych i leków terapeutycznych.
Pod warunkiem, że stale monitorujesz zespół wskaźników sygnalizujących odchylenia w funkcjonowaniu organizmu, możesz je w porę skorygować. Metod monitorowania stanu organizmu jest już wiele: np. za pomocą czujników monitorujących pracę układu krążenia i jakość snu czy urządzeń analizujących produkty gazowe w wydychanym przez człowieka powietrzu. Ogromne możliwości otwierają się dzięki rozwojowi technologii małoinwazyjnej biopsji płynnej oraz technologii analizy białek i peptydów krążących w krwiobiegu. We wczesnych stadiach choroby w wielu przypadkach stan organizmu można skorygować metodami „miękkimi”: zmianą charakteru żywienia, zastosowaniem dodatkowych mikroelementów, witamin i probiotyków. W ostatnim czasie szczególną uwagę zwrócono na możliwości korygowania odchyleń w składzie mikroflory jelitowej człowieka, które wiążą się z rozwojem dużej liczby stanów patologicznych.
Obecnie w oparciu o takie markery opracowywane są podejścia do wczesnego rozpoznawania nowotworu, metody przewidywania ryzyka jego rozwoju, a także oceny ciężkości choroby i skuteczności terapii. Przykładowo w Instytucie Biologii Chemicznej i Medycyny Podstawowej SB RAS wykazano, że w raku prostaty stopień metylacja pewne odcinki DNA. Opracowano metodę izolowania krążącego DNA z próbek krwi i analizowania jego wzorców metylacji. Metoda ta mogłaby stać się podstawą dokładnej, nieinwazyjnej diagnostyki raka prostaty, która dziś nie istnieje.
Ważnym źródłem informacji o stanie zdrowia może być tzw niekodujące RNA, czyli te RNA, które nie są matrycą do syntezy białek. W ostatnich latach ustalono, że w komórkach powstaje wiele różnych niekodujących RNA, które biorą udział w regulacji różnorodnych procesów na poziomie komórek i całego organizmu. Badanie widma mikroRNA i długich niekodujących RNA w różnych warunkach otwiera szerokie możliwości szybkiej i skutecznej diagnozy. Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej SB RAS (IMBB SB RAS, Nowosybirsk) oraz ICBFM SB RAS zidentyfikowały szereg mikroRNA – obiecujących markerów chorób nowotworowych.
Wykorzystując nowoczesne technologie sekwencjonowania RNA i DNA można stworzyć platformę diagnostyki i prognozowania nowotworów u człowieka w oparciu o analizę zawartości mikroRNA oraz genotypowanie, czyli identyfikację konkretnych wariantów genetycznych konkretnego genu, a także określenie profili wyrażenie(aktywność) genów. Podejście to zakłada możliwość szybkiego i jednoczesnego przeprowadzenia wielu analiz przy użyciu nowoczesnych urządzeń - mikrochipy biologiczne.
Biochipy to miniaturowe urządzenia do równoległej analizy określonych makrocząsteczek biologicznych. Pomysł stworzenia takich urządzeń zrodził się w Instytucie Biologii Molekularnej im. V. A. Engelhardt z Rosyjskiej Akademii Nauk (Moskwa) pod koniec lat 80. W krótkim czasie technologie biochipów wyłoniły się jako niezależna dziedzina analiz o ogromnym zakresie zastosowań praktycznych, od badania podstawowych problemów biologii molekularnej i ewolucji molekularnej po identyfikację lekoopornych szczepów bakterii.
Dziś IMB RAS produkuje i wykorzystuje w praktyce lekarskiej autorskie systemy badawcze służące do identyfikacji patogenów szeregu istotnych społecznie infekcji, w tym gruźlicy, przy jednoczesnej identyfikacji ich oporności na leki przeciwdrobnoustrojowe; systemy testowe do oceny indywidualnej tolerancji leków cytostatycznych i wiele więcej.
Rozwój bioanalitycznych metod diagnostycznych wymaga ciągłego doskonalenia wrażliwość- możliwość zapewnienia wiarygodnego sygnału przy rejestracji małych ilości wykrytej substancji. Bioczujniki- to nowa generacja urządzeń, które pozwalają na specyficzną analizę zawartości różnych markerów chorobowych w próbkach o złożonym składzie, co jest szczególnie istotne przy diagnozowaniu chorób.
IBFM SB RAS we współpracy z Nowosybirskim Instytutem Fizyki Półprzewodników SB RAS opracowuje mikrobiosensory oparte na tranzystory polowe, które należą do najczulszych urządzeń analitycznych. Taki biosensor umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym interakcji biomolekuł. Jego częścią składową jest jedna z tych oddziałujących cząsteczek, która pełni rolę sondy molekularnej. Sonda wychwytuje z analizowanego roztworu cel molekularny, którego obecność można wykorzystać do oceny specyficznych cech stanu zdrowia pacjenta.
"Medycyna komplementarna
Odkodowanie genomów człowieka i patogenów różnych infekcji otworzyło drogę do opracowania radykalnych podejść do leczenia chorób poprzez ukierunkowanie na ich pierwotną przyczynę – programy genetyczne odpowiedzialne za rozwój procesów patologicznych. Głębokie zrozumienie mechanizmu choroby, w którą zaangażowane są kwasy nukleinowe, umożliwia zaprojektowanie terapeutycznych kwasów nukleinowych, które przywracają utraconą funkcję lub blokują powstałą patologię.
Taki efekt można przeprowadzić wykorzystując fragmenty kwasów nukleinowych – syntetyczne oligonukleotydy, zdolne do selektywnego oddziaływania z pewnymi sekwencjami nukleotydowymi w genach docelowych zgodnie z zasadą komplementarność. Sam pomysł wykorzystania oligonukleotydów do ukierunkowanego działania na geny został po raz pierwszy przedstawiony w laboratorium polimerów naturalnych (później na wydziale biochemii) Nowosybirskiego Instytutu Chemii Bioorganicznej SB RAS (obecnie Instytut Biologii Chemicznej i Medycyny Podstawowej SB RAS). Pierwsze leki powstały w Nowosybirsku ukierunkowane na geny do selektywnej inaktywacji wirusowych i niektórych komórkowych RNA.
Obecnie trwają prace nad podobnymi lekami terapeutycznymi, ukierunkowanymi genowo, w oparciu o kwasy nukleinowe, ich analogi i koniugaty (antysensowne oligonukleotydy, interferujący RNA, aptamery, systemy edycji genomu). Badania ostatnich lat wykazały, że na podstawie oligonukleotydy antysensowne możliwe jest uzyskanie szerokiej gamy substancji biologicznie czynnych, które oddziałują na różne struktury genetyczne i uruchamiają procesy prowadzące do czasowego „wyłączenia” genów lub zmian w programach genetycznych – pojawienie się mutacje. Udowodniono, że za pomocą takich związków można zahamować funkcjonowanie niektórych informacyjny RNAżywych komórek, wpływając na syntezę białek, a także chronią komórki przed infekcją wirusową.
Obecnie antysensowne oligonukleotydy i RNA, które tłumią funkcje mRNA i wirusowych RNA, znajdują zastosowanie nie tylko w badaniach biologicznych. Trwają badania nad szeregiem leków przeciwwirusowych i przeciwzapalnych stworzonych na bazie sztucznych analogów oligonukleotydów, a część z nich zaczyna się już wprowadzać do praktyki klinicznej.
Pracownia Chemii Biomedycznej Instytutu Medycyny Biomedycznej SB RAS działająca w tym kierunku powstała w 2013 roku dzięki megagrantowi naukowemu Rządu Federacji Rosyjskiej. Jej organizatorem był profesor Uniwersytetu Yale i laureat Nagrody Nobla S. Altman. Laboratorium prowadzi badania nad właściwościami fizykochemicznymi i biologicznymi nowych obiecujących sztucznych oligonukleotydów, na bazie których opracowywane są leki przeciwbakteryjne i przeciwwirusowe nakierowane na RNA.
W ramach projektu kierowanego przez S. Altmana przeprowadzono na dużą skalę systematyczne badania wpływu różnych sztucznych analogów oligonukleotydów na mikroorganizmy chorobotwórcze: Pseudomonas aeruginosa, Salmonella, Staphylococcus aureus i wirus grypy. Zidentyfikowano geny docelowe, które mogą najskuteczniej tłumić te patogeny; Oceniane są właściwości technologiczne i terapeutyczne najaktywniejszych analogów oligonukleotydów, w tym wykazujących działanie przeciwbakteryjne i przeciwwirusowe.
W ICBFM SB RAS po raz pierwszy na świecie dokonano syntezy fosforyloguanidyna pochodne oligonukleotydów. Te nowe związki są elektrycznie obojętne, stabilne w środowiskach biologicznych i silnie wiążą się z docelowymi RNA i DNA w szerokim zakresie warunków. Ze względu na szereg unikalnych właściwości są one obiecujące do zastosowania jako środki lecznicze, a także mogą zostać wykorzystane do poprawy efektywności narzędzi diagnostycznych opartych na technologiach biochipów.
Działanie antysensowne na informacyjne RNA nie ogranicza się do prostego blokowania łączenie(proces „dojrzewania” RNA) lub syntezę białek. Bardziej skuteczne jest enzymatyczne cięcie mRNA, wywołane związaniem terapeutycznego oligonukleotydu z celem. W tym przypadku oligonukleotyd – induktor rozszczepienia – może następnie zetknąć się z inną cząsteczką RNA i powtórzyć swoje działanie. W projekcie ICBFM SB RAS badano wpływ oligonukleotydów, które po związaniu z mRNA tworzą kompleksy, które mogą służyć jako substraty dla enzymu RNazy P. Enzym ten sam w sobie jest RNA o właściwościach katalitycznych ( rybozym).
Nie tylko antysensowne nukleotydy, ale także dwuniciowy RNA, działający zgodnie z mechanizmem, okazały się niezwykle potężnym środkiem tłumienia aktywności genów Interferencja RNA. Istota tego zjawiska polega na tym, że po wejściu do komórki długie dsRNA są cięte na krótkie fragmenty (tzw. mały interferujący RNA, siRNA), komplementarny do pewnego regionu informacyjnego RNA. Wiążąc się z takim mRNA, siRNA wyzwalają działanie mechanizmu enzymatycznego, który niszczy cząsteczkę docelową.
Zastosowanie tego mechanizmu otwiera nowe możliwości stworzenia szerokiej gamy wysoce skutecznych, nietoksycznych leków tłumiących ekspresję niemal każdego genu, w tym wirusowego. W ICBFM SB RAS opracowano obiecujące leki przeciwnowotworowe oparte na małych interferujących RNA, które wykazały dobre wyniki w doświadczeniach na zwierzętach. Jednym z ciekawych odkryć jest dwuniciowy RNA o oryginalnej strukturze, który stymuluje produkcję interferon, skutecznie hamując proces przerzutów nowotworowych. Dobrą penetrację leku do wnętrza komórek zapewniają nośniki – nowy kationowy liposomy(pęcherzyki lipidowe), opracowany wspólnie ze specjalistami z Moskiewskiego Państwowego Uniwersytetu Technologii Chemicznych im. M.V. Łomonosowa.
Nowe role kwasów nukleinowych
Rozwój metody reakcji łańcuchowej polimerazy, która umożliwia reprodukcję kwasów nukleinowych - DNA i RNA w nieograniczonych ilościach oraz pojawienie się technologii selekcji molekularnej kwasów nukleinowych umożliwiło stworzenie sztucznego RNA i DNA o określonych właściwościach. Nazywa się cząsteczki kwasu nukleinowego, które selektywnie wiążą określone substancje aptamery. Na ich podstawie można otrzymać leki blokujące funkcje dowolnych białek: enzymów, receptorów czy regulatorów aktywności genów. Obecnie uzyskano tysiące różnych aptamerów, które znajdują szerokie zastosowanie w medycynie i technologii.
Jednym ze światowych liderów w tej dziedzinie jest amerykańska firma Soma Logic Inc. - tworzy tzw przybysze, które są selektywnie wybrane z bibliotek chemicznie modyfikowanych kwasów nukleinowych w oparciu o poziom powinowactwa do określonych celów. Modyfikacje zasady azotowej nadają takim aptamerom dodatkową funkcjonalność „białkową”, co zapewnia wysoką stabilność ich kompleksów z obiektami docelowymi. Ponadto zwiększa to prawdopodobieństwo pomyślnego doboru koamerów dla tych związków, dla których nie można było wybrać konwencjonalnych aptamerów.
Wśród aptamerów wykazujących powinowactwo do celów istotnych klinicznie znajdują się obecnie kandydaci na leki terapeutyczne, które osiągnęły trzecią, kluczową fazę badań klinicznych. Jeden z nich - Macugena- stosowane już w praktyce klinicznej w leczeniu chorób siatkówki; lek stosowany w leczeniu zwyrodnienia plamki siatkówki związanego z wiekiem Fovista pomyślnie przechodzi testy. W przygotowaniu jest wiele podobnych leków.
Ale terapia nie jest jedynym celem aptamerów: cieszą się one dużym zainteresowaniem bioanalityków jako cząsteczki rozpoznające podczas tworzenia biosensory aptamerowe.
W IKhBFM wspólnie z Instytutem Biofizyki SB RAS (Krasnojarsk) opracowywane są bioluminescencyjne aptasensory o przełączalnej strukturze. Otrzymano aptamery pełniące rolę bloku reporterowego czujnika dla fotoproteiny aktywowanej Ca 2+ wybielić, który jest wygodnym znacznikiem bioluminescencyjnym. Czujnik ten jest w stanie „wyłapać” cząsteczki tylko niektórych białek, które wymagają wykrycia w próbce. Obecnie w oparciu o ten schemat projektowane są przełączalne bioczujniki zmodyfikowanych białek krwi, które służą jako markery cukrzycy.
Nowym obiektem wśród terapeutycznych kwasów nukleinowych jest sam informacyjny RNA. Firma Nowoczesna Terapeutyka(USA) prowadzi obecnie zakrojone na szeroką skalę badania kliniczne mRNA. Kiedy mRNA dostaje się do komórki, zachowuje się jak własne. Dzięki temu komórka jest w stanie wytwarzać białka, które mogą zapobiec lub zatrzymać rozwój choroby. Większość z tych potencjalnych leków terapeutycznych jest ukierunkowana na choroby zakaźne (wirus grypy, wirus Zika, wirus cytomegalii itp.) i choroby onkologiczne.
Białka jako lekarstwo
Ogromne sukcesy biologii syntetycznej ostatnich lat znalazły odzwierciedlenie w rozwoju technologii wytwarzania białek terapeutycznych, które są już szeroko stosowane w klinice. Przede wszystkim dotyczy to przeciwciał przeciwnowotworowych, dzięki którym możliwa stała się skuteczna terapia wielu chorób onkologicznych.
Obecnie pojawia się coraz więcej nowych przeciwnowotworowych leków białkowych. Przykładem może być narkotyk laktaptyna, stworzony w ICBFM SB RAS w oparciu o fragment jednego z głównych białek mleka ludzkiego. Naukowcy odkryli, że peptyd ten indukuje apoptoza(„samobójstwo”) komórek standardowej hodowli komórek nowotworowych – ludzkiego gruczolakoraka piersi. Stosując metody inżynierii genetycznej uzyskano szereg strukturalnych analogów laktaptyny, spośród których wybrano najskuteczniejszy.
Badania na zwierzętach laboratoryjnych potwierdziły bezpieczeństwo leku oraz jego działanie przeciwnowotworowe i przeciwprzerzutowe wobec szeregu nowotworów ludzkich. Opracowano już technologię wytwarzania laktaptyny w substancji i postaci dawkowania oraz wyprodukowano pierwsze partie eksperymentalne leku.
W leczeniu infekcji wirusowych coraz częściej stosuje się przeciwciała terapeutyczne. Specjalistom z ICBFM SB RAS udało się stworzyć humanizowane przeciwciało przeciwko wirusowi kleszczowego zapalenia mózgu, wykorzystując metody inżynierii genetycznej. Lek przeszedł wszystkie badania przedkliniczne, potwierdzając jego wysoką skuteczność. Okazało się, że właściwości ochronne sztucznego przeciwciała są stukrotnie wyższe niż komercyjnego preparatu przeciwciał otrzymywanego z surowicy dawcy.
Inwazja dziedziczności
Odkrycia ostatnich lat poszerzyły możliwości terapii genowej, co do niedawna wydawało się science fiction. Technologie edycja genomu, bazując na wykorzystaniu układu RNA-białko CRISPR/Cas, są w stanie rozpoznać określone sekwencje DNA i wprowadzić w nich pęknięcia. Podczas „naprawy” ( remont) zaburzenia takie można skorygować poprzez mutacje odpowiedzialne za choroby lub wprowadzić nowe elementy genetyczne w celach terapeutycznych.
Edycja genów otwiera perspektywę radykalnego rozwiązania problemu chorób genetycznych poprzez modyfikację genomu za pomocą metod zapłodnienie in vitro. Zasadnicza możliwość celowych zmian w genach ludzkiego zarodka została już udowodniona eksperymentalnie, a stworzenie technologii zapewniającej narodziny dzieci wolnych od chorób dziedzicznych jest zadaniem na najbliższą przyszłość.
Dzięki edycji genomu można nie tylko „naprawić” geny: podejście to można zastosować do zwalczania infekcji wirusowych opornych na konwencjonalne leczenie. Mówimy o wirusach, które integrują swój genom ze strukturami komórkowymi organizmu, gdzie jest to niedostępne dla nowoczesnych leków przeciwwirusowych. Wirusy te obejmują wirusy HIV-1, wirusy zapalenia wątroby typu B, wirusy brodawczaka, poliomawirusy i wiele innych. Systemy edycji genomu mogą inaktywować wirusowe DNA wewnątrz komórki, pocinając je na nieszkodliwe fragmenty lub wprowadzając do niego inaktywujące mutacje.
Jest oczywiste, że zastosowanie systemu CRISPR/Cas jako środka korygującego mutacje u ludzi stanie się możliwe dopiero po jego udoskonaleniu, zapewniającym wysoki poziom swoistości i przeprowadzeniu szerokiego zakresu testów. Ponadto, aby skutecznie zwalczać niebezpieczne infekcje wirusowe, konieczne jest rozwiązanie problemu skutecznego dostarczania środków terapeutycznych do komórek docelowych.
Najpierw była komórka – komórka macierzysta
Jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin medycyny jest terapia komórkowa. Wiodące kraje prowadzą już badania kliniczne technologii komórkowych opracowanych do leczenia chorób autoimmunologicznych, alergicznych, onkologicznych i przewlekłych wirusowych.
W Rosji pionierskie prace nad stworzeniem środków terapeutycznych na bazie komórki macierzyste a szczepionki komórkowe przeprowadzono w Instytucie Immunologii Podstawowej i Klinicznej Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk (Nowosybirsk). W wyniku badań opracowano metody leczenia nowotworów, wirusowego zapalenia wątroby typu B i chorób autoimmunologicznych, które zaczęto już eksperymentalnie stosować w klinice.
Projekty tworzenia banków hodowli komórkowych od pacjentów z chorobami dziedzicznymi i onkologicznymi do testowania leków farmakologicznych stały się obecnie niezwykle istotne. W Nowosybirskim Centrum Naukowym taki projekt jest już realizowany przez międzyinstytucjonalny zespół pod przewodnictwem prof. SM Zakiyan. Nowosybirscy specjaliści opracowali technologie wprowadzania mutacji do hodowanych komórek ludzkich, w wyniku czego powstają modele komórkowe takich chorób, jak stwardnienie zanikowe boczne, choroba Alzheimera, rdzeniowy zanik mięśni, zespół długiego QT i kardiomiopatia przerostowa.
Opracowanie metod produkcji z konwencjonalnych komórek somatycznych pluripotencjalny rdzeń, zdolny do przekształcenia się w dowolną komórkę dorosłego organizmu, doprowadził do pojawienia się inżynierii komórkowej, która umożliwia przywrócenie uszkodzonych struktur organizmu. Technologie wytwarzania trójwymiarowych struktur dla inżynierii komórkowej i tkankowej na bazie biodegradowalnych polimerów rozwijają się zaskakująco szybko: protezy naczyniowe, trójwymiarowe matryce do hodowli tkanki chrzęstnej i budowy sztucznych narządów.
Tak więc specjaliści z ICBFM SB RAS i Narodowego Centrum Badań Medycznych im. E. N. Meshalkina (Nowosybirsk) opracowała technologię tworzenia protez naczyń krwionośnych i zastawek serca przy użyciu elektroprzędzenie. Dzięki tej technologii z roztworu polimeru można otrzymać włókna o grubości od kilkudziesięciu nanometrów do kilku mikronów. W wyniku serii eksperymentów udało się wybrać produkty o wyjątkowych właściwościach fizycznych, które obecnie z sukcesem przechodzą badania przedkliniczne. Ze względu na wysoką bio- i hemokompatybilność, takie protezy są ostatecznie zastępowane przez własne tkanki organizmu.
Mikrobiom jako przedmiot i przedmiot terapii
Do chwili obecnej genomy wielu mikroorganizmów zakażających ludzi zostały dobrze zbadane i rozszyfrowane. Prowadzone są także badania nad złożonymi zbiorowiskami mikrobiologicznymi, które są stale kojarzone z człowiekiem - mikrobiomy.
Znaczący wkład w tę dziedzinę badań wnieśli także krajowi naukowcy. Tym samym specjaliści z Państwowego Centrum Naukowego Wirusologii i Biochemii „Wektor” (Kołcowo, obwód nowosybirski) jako pierwsi na świecie rozszyfrowali genomy wirusów Marburga i ospy prawdziwej, a naukowcy z Instytutu Biologii Chemicznej i Mikrobiologii Uniwersytetu im. SB RAS - genomy wirusa kleszczowego zapalenia mózgu, czynnika wywołującego boreliozę przenoszoną przez kleszcze, powszechnego w Federacji Rosyjskiej. Badano także zbiorowiska drobnoustrojów powiązane z różnymi rodzajami kleszczy niebezpiecznych dla człowieka.
Obecnie w krajach rozwiniętych aktywnie trwają prace mające na celu stworzenie środków regulujących mikrobiom organizmu człowieka, a przede wszystkim jego przewodu pokarmowego. Jak się okazało, stan zdrowia w dużej mierze zależy od składu mikrobiomu jelitowego. Istnieją już metody oddziaływania na mikrobiom: np. wzbogacanie go o nowe bakterie lecznicze, stosowanie probiotyki, które sprzyjają namnażaniu się pożytecznych bakterii, a także przyjmowaniem bakteriofagów (wirusów bakteryjnych), które selektywnie zabijają „szkodliwe” mikroorganizmy.
W ostatnim czasie na całym świecie nasiliły się prace nad stworzeniem terapii opartych na bakteriofagach ze względu na problem rozprzestrzeniania się bakterii lekoopornych. Rosja jest jednym z niewielu krajów, w których dozwolone jest stosowanie bakteriofagów w medycynie. W Federacji Rosyjskiej istnieje przemysłowa produkcja leków opracowanych jeszcze w czasach sowieckich i aby uzyskać skuteczniejsze bakteriofagi, konieczne jest ich udoskonalenie, a problem ten można rozwiązać metodami biologii syntetycznej.
Jest on rozwiązywany w wielu organizacjach badawczych Federacji Rosyjskiej, w tym w ICBFM SB RAS. Instytut scharakteryzował preparaty fagowe produkowane na skalę przemysłową w Federacji Rosyjskiej, rozszyfrował genomy szeregu bakteriofagów i stworzył ich kolekcję, obejmującą unikalne wirusy, które mogą znaleźć zastosowanie w medycynie. Klinika Instytutu pracuje nad mechanizmami zapewniającymi spersonalizowaną opiekę pacjentom cierpiącym na infekcje bakteryjne wywołane przez drobnoustroje lekooporne. Te ostatnie powstają w trakcie leczenia stopy cukrzycowej, a także na skutek odleżyn czy powikłań pooperacyjnych. Trwają także prace nad metodami korygowania zaburzeń w składzie mikrobiomu człowieka.
Zupełnie nowe możliwości wykorzystania wirusów otwierają się w związku z tworzeniem technologii otrzymywania inteligentnych systemów o wysoce selektywnym działaniu na określone komórki. Rozmawiamy o wirusy onkolityczne, zdolny do infekowania tylko komórek nowotworowych. Kilka takich wirusów jest już wykorzystywanych eksperymentalnie w Chinach i Stanach Zjednoczonych. Prace w tym obszarze prowadzone są także w Rosji, przy udziale specjalistów z moskiewskich i nowosybirskich organizacji badawczych: IMB RAS, SSC VB „Vector”, Nowosybirskiego Uniwersytetu Państwowego oraz ICBFM SB RAS.
Szybki rozwój biologii syntetycznej daje podstawy do oczekiwania w nadchodzących latach ważnych odkryć i pojawienia się nowych technologii biomedycznych, które uchronią ludzkość od wielu problemów i pozwolą faktycznie zarządzać zdrowiem, a nie tylko leczyć choroby dziedziczne i „nabyte”.
Zakres badań w tym obszarze jest niezwykle szeroki. Dostępne już gadżety to nie tylko zabawki, ale naprawdę przydatne urządzenia, które na co dzień dostarczają człowiekowi informacji niezbędnych do kontrolowania i utrzymania zdrowia. Nowe technologie szybkiego, dogłębnego badania pozwalają przewidzieć lub wykryć w odpowiednim czasie rozwój choroby, a spersonalizowane leki oparte na „inteligentnych” biopolimerach informacyjnych radykalnie rozwiążą w najbliższej przyszłości problemy zwalczania chorób zakaźnych i genetycznych.
Literatura
1.
Bryzgunova O. E., Laktionov P. P. Zewnątrzkomórkowe kwasy nukleinowe moczu: źródła, skład, zastosowanie w diagnostyce // Akta Natura. 2015. T. 7. Nr 3(26). s. 54–60.
2.
Własow V.V., jeszcze dwa nazwiska itp. Uzupełniające zdrowie. Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość technologii antysensownych // Nauka z pierwszej ręki. 2014. T. 55. nr 1. s. 38–49.
3.
Vlasov V.V., Vorobyov P.E., Pyshny D.V. i wsp. Prawda o terapii fagowej, czyli przypomnienie dla lekarza i pacjenta // Nauka z pierwszej ręki. 2016. T. 70. nr 4. s. 58–65.
4.
Własow V.V., Zakiyan S.M., Miedwiediew S.P. „Edytorzy genomu”. Od „palców cynkowych” do CRISPR // Nauka z pierwszej ręki. 2014. T. 56. nr 2. s. 44–53.
5.
Lifshits G.I., Slepukhina A.A., Subbotovskaya A.I. i wsp. Pomiar parametrów hemostazy: oprzyrządowanie i perspektywy rozwoju // Technologia medyczna. 2016. T. 298. nr 4. s. 48–52.
6.
Richter V. A. Ludzkie mleko źródłem potencjalnego leku na raka // Nauka z pierwszej ręki. 2013. T. 52. nr 4. s. 26–31.
7.
Kupryushkin M. S., Pyshnyi D. V., Stetsenko D. A. Fosforyloguanidyny: nowy typ analogów kwasów nukleinowych // Akta Natura. 2014. V. 6. Nr 4(23). Str. 116–118.
8.
Nasedkina T. V., Guseva N. A., Gra O. A. i in. Mikromacierze diagnostyczne w onkologii hematologicznej: zastosowania macierzy o dużej i małej gęstości // Mol. Diagnoza Tam. 2009. V. 13. N. 2. s. 91–102.
9.
Ponomaryova A. A., Morozkin E. S., Rykova E. Y. i in. Dynamiczne zmiany poziomów krążącego miRNA w odpowiedzi na terapię przeciwnowotworową raka płuc // Eksperymentalne badania płuc. 2016. V. 42. N. 2. s. 95–102.
10.
Vorobyeva M., Vorobjev P. i Venyaminova A. Wielowartościowe aptamery: wszechstronne narzędzia do zastosowań diagnostycznych i terapeutycznych // Cząsteczki. 2016. V. 21. N. 12. s. 1612–1633.
Biotechnologie medyczne, wykorzystujące żywe systemy i ich produkty, zasadniczo zmieniają podejście do opracowywania leków i zwiększają szanse na pokonanie lub nawet zapobieżenie nieuleczalnym chorobom.
Kliniczny obraz świata
Inwestycje w rozwój medycyny stale rosną. Według Industrial Research Institute (IRI) światowe wydatki na badania i rozwój w dziedzinie Life Science potroiły się w ciągu ostatnich dziesięciu lat i w 2016 roku wyniosły 169,3 miliardów dolarów. Ponadto 85% zasobów pochodzi z sektora biofarmaceutycznego. Pod względem kosztów badań i rozwoju liderem jest medycyna, obok ICT (technologii informacyjno-komunikacyjnych – 204,5 miliarda dolarów w 2016 roku).
Jednakże udział wydatków na badania w całkowitych wydatkach sektora prywatnego i publicznego na opiekę zdrowotną, nawet w krajach rozwiniętych, jest stosunkowo niewielki. W Stanach Zjednoczonych, liderze wśród krajów pod względem inwestycji w B+R, ich udział w 2016 roku wyniósł 4,9% całkowitych wydatków na opiekę zdrowotną, szacowanych na 3,2 biliona dolarów. W Rosji - 1,8% całkowitych wydatków wynoszących 9,7 miliarda dolarów, czyli 544 miliardów rubli.
Potrzeby medycyny wyznacza obraz kliniczny świata. W XXI wieku są to choroby układu krążenia, onkologiczne, dolegliwości starcze, choroby dziedziczne, a nawet sieroce (rzadkie) o różnej etiologii. Ponadto nauka wciąż poszukuje sposobów zwalczania infekcji wirusowych na dużą skalę, na które nie można zastosować klasycznych szczepień (grypa, zakażenie wirusem HIV) oraz nowych egzotycznych - SARS, Ebola, Zika.
Przede wszystkim firmy farmaceutyczne i państwo inwestują w obszary, które gwarantują sukces w leczeniu i zwrot z inwestycji. „Wybór aktualnych trendów w medycynie opiera się na potencjale produktu końcowego pod względem skuteczności, na życzeniu konsumenta, którym może być państwo jako przedstawiciel pacjentów, a także zainteresowaniu prywatnych firm i inwestorów realizujemy przełomowe projekty o wysokich stopach zwrotu” – zauważa prezes spółki Future Biotech Denis Kurek.
W szczególności główne siły rosyjskich programistów na zlecenie państwa zajmują się stworzeniem skutecznego i niedrogiego leku na raka - drugą po chorobach układu sercowo-naczyniowego przyczynę zgonów w Rosji. Roczna wielkość zamówień rządowych na leczenie raka przekracza 60 miliardów rubli. - dane takie udostępnia Grupa DSM. „Odbiorcy tej choroby są szerokie, a koszty leków wysokie. Zwrot inwestycji w opracowanie leku na raka następuje dość szybko” – mówi ekspert rynku farmaceutycznego, dyrektor generalny Grupy DSM Sergey Shulyak.
Osiągnięcia ostatnich lat w dziedzinie biologii, chemii, immunologii, biologii komórki i innych nauk pozwalają na dokonanie przełomu w zakresie ich zastosowania aplikacyjnego w medycynie praktycznej. Zrodzone na styku tych nauk biotechnologie medyczne w ciągu najbliższych 20 lat mogą zaskoczyć ludzkość nie mniej niż na przykład technologie informacyjne.
Immunoterapia
Jedną z najbardziej obiecujących technologii tworzenia nowoczesnych leków na nowotwory i choroby autoimmunologiczne jest biosynteza przeciwciał monoklonalnych (MAbs). Strukturalnie zbliżona do ludzkich immunoglobulin – białek krwi, które stanowią jeden z głównych mechanizmów obronnych organizmu przed chorobami zakaźnymi – mAb są niskotoksyczne i bezpieczniejsze niż tradycyjna chemioterapia.
Pierwszy importowany lek immunoterapeutyczny ipilimumab (TM Yervoy) nowej generacji, będący przeciwciałem monoklonalnym zdolnym do wiązania i hamowania obrony komórek czerniaka przerzutowego (raka skóry), został wprowadzony na rynek w 2014 roku przez firmę Bristol-Myers Squibb. Firma Biocad planuje wypuścić w Rosji w latach 2018-2019 lek działający na tej samej zasadzie, ale o szerszym spektrum działania. O tym oświadczyła wcześniej Minister Zdrowia Federacji Rosyjskiej Weronika Skvortsova.
Dziś koszt leków w Rosji wynosi około 100 tysięcy rubli. za paczkę. Kurs leczenia lekiem podtrzymującym ipilimumab tej samej klasy i tej samej firmy, niwolumabem (TM Opdivo), będzie kosztować dwukrotnie więcej. Leki importowane nadal mają monopol na nowym rynku. Rosyjskie osiągnięcia mają na celu obniżenie kosztów niezbędnych leków. Program Farmacja 2020 dofinansowuje rozwój w tym obszarze (patrz diagram). W szczególności pierwszy rosyjski lek oparty na mAb, rytuksymab, został wprowadzony na rynek przez firmę Biocad w 2014 roku w wyniku partnerstwa publiczno-prywatnego finansowanego z budżetu federalnego.
Stymulowanie branży (od 2015 r. leki rosyjskie mają znaczące preferencje w zakresie zamówień publicznych na leki) pozwoliło rosyjskim technologiom poczynić poważne postępy w tworzeniu leków nowej generacji i wyprzeć leki importowane. Według DSM Group w 2015 roku w zamówieniach rządowych w ramach programu Seven Nosologies udział leków produkcji rosyjskiej wzrósł z 3 do prawie 20%. W ramach tego programu najdroższe leki na siedem chorób rzadkich, w tym nowotwory złośliwe tkanek krwiotwórczych i limfatycznych, są kupowane centralnie ze środków federalnych. W ciągu ostatnich dwóch lat znacząco wzrósł wolumen zakupów, w tym krajowych leków przeciwnowotworowych, w ramach państwowego programu preferencyjnego zaopatrzenia w leki (ONLS).
Szczepionki przeciwko chorobom autoimmunologicznym
Terapia antycytokinowa to najnowsza metoda leczenia chorób autoimmunologicznych, w których niektóre komórki odpornościowe mające na celu ochronę organizmu zaczynają go zabijać. Technologia ta w obecnej postaci ma jednak oczywiste wady – organizm nie u wszystkich pacjentów reaguje na nią, a ponadto nie ma wiarygodnych biomarkerów, które pozwalałyby przewidzieć powodzenie tej bardzo kosztownej terapii.
Dalszy rozwój metody, zdaniem dyrektora naukowego Federalnego Centrum Badań nad Podstawowymi Podstawami Biotechnologii Rosyjskiej Akademii Nauk, kierownika Katedry Biotechnologii Wydziału Biologii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. M.V. Akademik Łomonosowa Konstantin Skriabin jest związany z tworzeniem leków opartych na bispecyficznych, jak się je nazywa, przeciwciałach o określonych właściwościach, czyli szczepionkach binarnych. To biokonstrukcje oparte na przeciwciałach, mówiąc w przenośni, o dwóch rękach. Jedno przeciwciało przylega do powierzchni „oszalonej” komórki odpornościowej, a drugie, niczym hokejowy bramkarz w pułapce, wyłapuje uwalniane z komórki szkodliwe cytokiny i neutralizuje je.
Prawdopodobnie pojawią się na rynku nie wcześniej niż w połowie lat 2020-tych. Tworzenie takich leków to długa i kosztowna podróż.
Przedmiotem badań są nie tylko same przeciwciała, ale także cele – niszcząca komórka lub substancja aktywująca jej działanie, którą należy zneutralizować. „Identyfikacja celu jest ważną częścią innowacji lekowych” – mówi Konstantin Skriabin.
„Trzeba zrozumieć, o jakim rodzaju „zwariowanej” patologicznej komórki mówimy i za pomocą jakiego celu można tę komórkę odróżnić od zdrowych. Najważniejsze jest obecność odpowiedniego celu, odkryta przez biologów i badaczy fundamentalnych” – zgadza się Aleksander Własow, dyrektor medyczny Krajowej Spółki Immunobiologicznej (część państwowej korporacji Rostec).
Wzrost tkanki
Istniejące technologie umożliwiają już hodowlę tkanek, a nawet całych narządów przy wykorzystaniu zasobów samego organizmu (jednym z nich są komórki autologiczne, powszechnie znane komórki macierzyste). Ale głównym problemem jest to, że konstrukcja komórkowa wymaga matrycy - ramy, która idealnie po zakończeniu budowy powinna zostać zastąpiona odtworzoną tkanką i zniknąć bez śladu.
Rozwój Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego proponuje fibroinę (białko) jedwabiu jedwabnika jako taką strukturę wzrostu tkanki. Do tej pory na rynku matryc konkurowały syntetyczne polimery biodegradowalne, jednak bardziej obiecujące wydaje się wykorzystanie materiałów naturalnych. Pierwsze wyniki bioprotez jelita cienkiego u szczurów zachęcają, że na tę technologię będzie zapotrzebowanie.
„Aby wyhodować nowe tkanki i narządy, takie jak skóra czy jelito cienkie, komórki muszą uformować pożądaną strukturę konkretnego narządu. Białko jedwabnika pozwala na strukturę tkaniny” – zauważa Konstantin Skriabin. Jego zdaniem technologia ma przed sobą wielką przyszłość.
Inżynieria genetyczna
Nauka nie tylko nauczyła się czytać ludzki genom ze wszystkimi informacjami dziedzicznymi, ale także znalazła sposób na jego edycję, co otwiera nowe możliwości leczenia onkologii, ludzkiego wirusa niedoboru odporności i chorób monogenowych. Terapia HIV przoduje w stosowaniu edycji genomu – do tej pory zarejestrowano sześć badań klinicznych. „Perspektywy zastosowania edycji genomu są nieograniczone. Na przykład w dziedzinie przeszczepiania narządów i tkanek osiągnięcia mające na celu przezwyciężenie historii międzygatunkowej
zgodność. „Edytowane” zwierzęta, takie jak świnie, biorąc pod uwagę fizjologię i architekturę narządów i tkanek, mogą być uniwersalnymi dawcami dla człowieka” – zauważają autorzy raportu „Edycja genomu a możliwości terapii genowej w onkologii” autorstwa Skołkowo Fundacja.
Według akademika Skriabina światowe technologie medyczne przesunęły się w stronę środków zapobiegawczych przeciwko nieuleczalnym chorobom. Na początku XXI w. odczytanie genomu kosztowało 3 miliardy dolarów, obecnie technologia pozwala na to za 1000 dolarów Jedna z amerykańskich firm specjalizujących się w tej usłudze ogłosiła możliwość uzyskania całej informacji genetycznej człowieka w ciągu dwóch godzin za cenę nieprzekraczającą 100 dolarów .
Efektem trwających od 20 lat poszukiwań sposobu na nieinwazyjną diagnostykę chorób genetycznych płodu stała się możliwość oznaczenia wolnych fragmentów DNA z komórek płodu we krwi matki już we wczesnym stadium – już po 10. tygodniu życia. ciąża. Wystarczy pobrać krew matki. W Europie wykonano już 400 tys. badań z materiału płodowego krążącego w krwiobiegu matki, w Chinach – 500 tys., w Rosji wykonano dotychczas jedynie pierwsze pięć tysięcy badań. W kraju nie ma zarejestrowanego niezbędnego sprzętu, zagraniczne analogi są bardzo drogie, dlatego usługa nie jest dostępna w codziennej praktyce lekarskiej. Ponadto, zdaniem Konstantina Skriabina, państwowy system obowiązkowego ubezpieczenia zdrowotnego (CHI) opłaca standardowe metody diagnostyki prenatalnej, tzw. punkcję - pobieranie niezbędnych materiałów z płynu owodniowego poprzez penetrację narzędzi do jamy macicy.
Według Kirilla Kayema, dyrektora wykonawczego klastra technologii biomedycznych Fundacji Skołkowo, przyszłość należy do Big Data w medycynie: „Zbierając dane dotyczące dużych populacji, można całkowicie zmienić paradygmat zdrowia. Dane te pozwolą na probabilistyczną prognozę zagrożeń i pozwolą na podjęcie profilaktyki nie tylko w tradycyjnej formie, ale podjęcie konkretnych interwencji, które zatrzymają rozwój chorób.”
Aleksander Własow czeka na obiecujące rozwiązania w dziedzinie przedłużania życia i komfortowego starzenia się od zachodnich specjalistów. Według niego w naszym kraju wciąż niewiele jest badań fundamentalnych nad problematyką starzenia się.
Na początku 2019 roku w Petersburgu odbędzie się ważne wydarzenie dla rosyjskiej nauki i medycyny: w dniach 26–30 stycznia odbędzie się kolejna zimowa szkoła Future Biotech. Prelegentami tegorocznej szkoły zimowej będą naukowcy z wiodących ośrodków naukowych świata: Harvard, Yale, University College London i wielu innych. Do szkoły przybędą także wybitni rosyjscy naukowcy, aktywni biznesmeni, szefowie wiedzochłonnych start-upów oraz studenci, doktoranci i młodzi badacze pasjonujący się nauką. Temat przewodni w tym roku nierozerwalnie związany jest z medycyną i poświęcony jest technologiom edycji genomu i terapii genowej.
Filozofia przyszłości Szkoła biotechnologiczna
Po trzecie, jest to z pewnością bezprecedensowa w swoim zakresie treść naukowa! Na wykładach będzie można poznać najnowsze odkrycia z pierwszej ręki – bezpośrednio od naukowców prowadzących badania – i omówić z nimi najświeższe szczegóły.
Tym samym szkoła jest jednocześnie łącznikiem badań naukowych z biznesem, który w Rosji jest wciąż słabo rozwinięty, a także platformą rozwoju profesjonalnych sieci kontaktów i podnoszenia wiedzy.
W tym roku tematem przewodnim szkoły będzie edycja genomu i terapia genowa. Dziś technologie te są najbardziej obiecującymi i finansowanymi obszarami światowej medycyny i farmacji. W 2016 roku rynek leków do terapii genowej szacowano na 584 miliony dolarów, a do 2023 roku, zdaniem analityków, światowe przychody ze sprzedaży takich leków przekroczą 4,4 miliarda dolarów – to ponad 30% wzrostu rocznie!
Nowoczesne metody inżynierii genetycznej w połączeniu z innymi podejściami dokonują na naszych oczach rewolucji w walce z nieuleczalnymi wcześniej chorobami genetycznymi, onkologicznymi i autoimmunologicznymi. Inżynieria genetyczna przychodzi nam także z pomocą w walce z bakteriami opornymi na większość znanych antybiotyków, które grożą, że do 2050 roku staną się główną przyczyną zgonów na świecie.
Historii i metodom inżynierii genetycznej poświęcone są dwa artykuły w naszym specjalnym projekcie. 12 metod na zdjęciach» . - Czerwony.
Obecnie na rynku światowym dostępnych jest zaledwie kilka leków opartych na terapii genowej, kilkadziesiąt znajduje się na różnych etapach badań klinicznych. Według raportu Pokrewne badania rynku, zdecydowana większość leków do terapii genowej jest produkowana dla pacjentów z patologiami nowotworowymi. A w najbliższej przyszłości – przynajmniej do 2023 roku – nisza ta zachowa prymat na rynku. Kolejnymi lekami przeciwnowotworowymi są terapie genowe stosowane w przypadku chorób rzadkich, chorób układu krążenia, zaburzeń neurologicznych i infekcji.
Najbliższa dekada upłynie pod znakiem wprowadzenia nowych terapii ukierunkowanych na leczenie agresywnych typów nowotworów, schorzeń genetycznych, neurodegeneracyjnych, autoimmunologicznych, a także wprowadzenia do praktyki antybiotyków nowej generacji. I w tym momencie zwrotnym rosyjska nauka i przemysł muszą dołożyć wszelkich starań, aby zająć swoje miejsce na światowym rynku biofarmaceutycznym, stać się aktywnym uczestnikiem obiecujących badań i tym samym zapewnić Rosjanom w przyszłości dostęp do zaawansowanej medycyny. Krokiem w kierunku osiągnięcia tego globalnego celu powinna być szkoła zimowa Future Biotech 2019. W tym celu jej organizatorzy zaprosili do Petersburga czołowych naukowców świata, których prace obejmują najbardziej obiecujące obszary biomedycyny i biotechnologii. O tych obszarach porozmawiamy w następnym rozdziale.
Jakie przełomy w medycynie czekają na nas?
Świat, w którym prawie nie ma chorób nieuleczalnych, nie jest już tylko marzeniem pisarzy science fiction: to świat, w którym terapia genowa i metody edycji genomu stały się główną bronią medycyny (ryc. 3). Już dziś dzięki tym podejściu osiągnięto znaczny postęp w leczeniu kilku wcześniej nieuleczalnych patologii, o czym będziemy rozmawiać dalej.
Terapia genowa: ku światu bez chorób nieuleczalnych
Aby kontynuować tę historię, odświeżmy pamięć o terminologii. Choroby dziedziczne spowodowane „pęknięciami” DNA nazywane są genetyczny. Jeśli są spowodowane mutacją w jednym genie, zwykle nazywa się je monogeniczny. Do chorób takich zalicza się na przykład fenyloketonurię, chorobę Gauchera i anemię sierpowatokrwinkową. Istnieją patologie spowodowane uszkodzeniem kilku genów jednocześnie (nazywa się je wielogenowy) lub defekt znacznej części chromosomu ( chromosomalny choroby). Choroby wielogenowe obejmują niektóre rodzaje nowotworów, cukrzycę, schizofrenię, epilepsję, chorobę niedokrwienną serca i wiele innych. Największy sukces osiągnięto dziś w leczeniu monogenowych chorób genetycznych, gdyż korekta pojedynczego genu jest zadaniem metodologicznie prostszym niż radzenie sobie z chorobami wielogenowymi czy nieprawidłowościami chromosomalnymi (choć tutaj nie wszystko jest beznadziejne!). W walce z chorobami genetycznymi terapia genowa i edycja genomu to główne narzędzia przyszłości w rękach inżyniera genetycznego.
Koncepcja terapii genowej jest elegancka i piękna, jak wszystkie genialne rzeczy. Polega na dostarczeniu do komórki zdrowego genu, który zastępuje jego „wadliwą” wersję. Większość przetestowanych klinicznie i zatwierdzonych terapii wykorzystuje systemy wektorów wirusowych do dostarczania i integrowania zdrowego wariantu genu z komórkami (ryc. 4). Naukowcy przewidują w najbliższej przyszłości rozwój niewirusowych systemów dostarczania genów do komórek.
Istnieją dwa główne podejścia: postnatalna terapia genowa (czasami nazywana somatyczną) i płodowa terapia genowa (inaczej zwana prenatalną lub płodową terapią genową, o której pisaliśmy niedawno w artykule „ Terapia genowa płodu: od teorii do praktyki» ).
W pierwszym przypadku geny wprowadzane są do komórek somatycznych organizmu, co poprawia stan pacjenta, ale edytowany genom nie jest przekazywany potomkom, gdyż edycja dotyczy tylko poszczególnych populacji komórek, bez zmiany genomów komórek produkujących gamety. Metoda ta ma swoje uzasadnienie w walce np. z nowotworem. W drugim przypadku DNA wprowadza się do zarodka już na wczesnym etapie rozwoju, co pozwala na edycję wszystkich, większości lub znacznej części komórek płodu. Dzięki takiemu podejściu zmiany są dziedziczone, ponieważ komórki rozrodcze również będą je przenosić. Takie podejście jest obiecujące w zwalczaniu najpoważniejszych patologii dziedzicznych.
Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła już 16 leków opartych na terapii genowej i komórkowej. Należą do nich metody leczenia agresywnych nowotworów krwi, prostaty i rzadkiej dziedzicznej postaci ślepoty siatkówki.
Terapia prenatalna ma wiele zalet w porównaniu z poporodową, z których największą jest pomoc na wczesnym etapie rozwoju choroby, gdy proces patologiczny nie jest jeszcze daleko zaawansowany. Dzięki nowoczesnym metodom diagnostyki prenatalnej możliwa jest korekta wadliwych genów już we wczesnych stadiach ciąży, już w 14–16 tygodniu ciąży. Korekta zmutowanych genów u rozwijającego się płodu pozwala szybko zwiększyć populację komórek macierzystych ze „zdrowym” wariantem genu, co oznacza, że chorobę można całkowicie wyleczyć lub przynajmniej znacząco złagodzić jej przebieg. Pomimo świetnych perspektyw naukowcy stoją obecnie przed wieloma nierozwiązanymi problemami. Terapia genowa płodu zwiększa ryzyko poronienia i przedwczesnego porodu ze względu na rozwój reakcji immunologicznych u matki i dziecka. Ponadto może prowadzić do nieoczekiwanych, a czasem katastrofalnych konsekwencji już na poporodowym etapie rozwoju. Wprowadzony gen może zostać niespecyficznie zintegrowany w dowolnym miejscu genomu i tym samym zaburzyć funkcjonowanie innych genów, powodując chorobę genetyczną lub onkologiczną. Kolejnym skutkiem ubocznym terapii genowej płodu jest mozaikowość(zjawisko, w którym niektóre komórki mają „poprawiony” gen, a inne mają jego „uszkodzoną” wersję), co może prowadzić do bardzo nieprzewidywalnych konsekwencji w przyszłości.
Jeśli chodzi o potencjalne ryzyko, jasne jest, że płodową terapię genową należy stosować wyłącznie w leczeniu ciężkich chorób genetycznych, w przypadku których nie ma innych możliwości leczenia. Do takich patologii zaliczają się niektóre rzadkie choroby genetyczne, takie jak dystrofia mięśniowa Duchenne’a, rdzeniowy zanik mięśni, śmiertelna bezsenność rodzinna, fenyloketonuria i fibrodysplazja. Aby je leczyć, obecnie aktywnie opracowywane są możliwości terapii genowej, a niektóre z nich znajdują się w końcowej fazie badań klinicznych. Do najrzadszych patologii genetycznych należy oczywiście choroba Gauchera - choroba neurodegeneracyjna, której ciężka postać jest obecnie nieuleczalna i zawsze kończy się śmiercią. Choroba Gauchera jest najczęstszą postacią wśród rzadkich dziedzicznych enzymopatii, czyli chorób związanych z defektami enzymatycznymi. Jej przykład jako pierwszy wykazał wysoką skuteczność terapii genowej płodu w eksperymentach na myszach, a obecnie naukowcy przygotowują się do badań na ludziach. Oznacza to, że przyszłość, w której dzieci z wyżej wymienionymi nieuleczalnymi chorobami genetycznymi będą mogły wyzdrowieć, nadejdzie już wkrótce.
Terapia genowa może być niezwykle skuteczny w okres poporodowy, w tym w leczeniu dorosłych pacjentów. Kolejną chorobą jest rdzeniowy zanik mięśni (SMA). sierota(czyli rzadką genetyczną) chorobę, której długo oczekiwaną nadzieję na leczenie dała terapia genowa. 23 grudnia 2016 roku FDA zarejestrowała pierwszy lek na SMIlies (jak pieszczotliwie nazywa się pacjentów cierpiących na tę chorobę) - nusinersena(Nazwa handlowa Spinraza). Jak wynika z badań klinicznych, u 51% pacjentów poprawiły się zdolności motoryczne, a ryzyko zgonu i trwałej wentylacji uległo zmniejszeniu w porównaniu z grupą kontrolną.
Poporodowa terapia genowa jest także niezwykle skuteczna w walce z nowotworem, który według WHO (Światowej Organizacji Zdrowia) jest jedną z głównych przyczyn zgonów w krajach o wysokim standardzie życia. Obecnie dopuszczone są dwa leki: Takcarta I Kymriah, mający na celu leczenie bardzo agresywnych typów chłoniaka z komórek B przy użyciu technologii CAR-T. Istotą tej technologii jest sztuczne „dostrojenie” odporności pacjenta na komórki nowotworowe. Pobiera się od pacjenta limfocyty T i w laboratorium za pomocą nieszkodliwego wektora wirusowego wprowadza się do jego genomu gen chimerycznego receptora antygenu (CAR), który pozwala zmodyfikowanym limfocytom T rozpoznać specyficzny antygen na powierzchni nowotworu złośliwego. Komórki B. Zmodyfikowane limfocyty T są następnie ponownie wprowadzane do krwi pacjenta. Tam zaczynają atakować własne limfocyty B, niszcząc złośliwe defekty. Jednak w przypadku tej terapii istnieje duże ryzyko wystąpienia reakcji autoimmunologicznych. Dzieje się tak dlatego, że antygeny, dzięki którym nasi wojownicy (zmodyfikowane limfocyty T) rozpoznają „dezerterów”, czasami można znaleźć na powierzchni zdrowych komórek. Naukowcy aktywnie pracują nad rozwiązaniem tego problemu.
Terapie oparte na CAR-T są prawdopodobnie najskuteczniejszą dotychczas opcją terapeutyczną na skrzyżowaniu terapii komórkowych i genowych! Technologia ta umożliwia osiągnięcie całkowitej remisji w około połowie przypadków leczenia lub przedłużenie życia pacjentów w większości pozostałych przypadków.
Terapia genowa w Future Biotech
Technologie oparte na edycji genomu własnych komórek pacjenta (CAR-T) i interferencji RNA, oprócz ograniczeń biologicznych i bioetycznych, mają jeszcze jeden poważny problem: ekstremalnie wysokie koszty! Na przykład pełny cykl leczenia uzależnień Takcarta kosztuje 350 000 dolarów i obejmuje roczną terapię, w tym cotygodniowe zastrzyki Patisiran, będzie kosztować pacjenta 450 000 dolarów. Naukowcy i firmy farmaceutyczne będą musiały rozwiązać wszystkie te problemy w najbliższej przyszłości.
Technologia CRISPR-Cas9. Najdokładniejsze narzędzie do edycji genomu
W ostatnim czasie prasa nieustannie pisze o różnych sukcesach tego podejścia i nie bez powodu: w końcu technologia edycji genomu z wykorzystaniem systemu CRISPR-Cas9 to naprawdę epokowe osiągnięcie (ryc. 5)!
Na Biomolecule jest tak wiele artykułów na temat wspaniałej i potężnej technologii CRISPR-Cas9, że poświęciliśmy jej cały rozdział! - wyd.
Problem tak masowego rozprzestrzeniania się oporności wśród bakterii ma wiele przyczyn. Proces nabywania oporności jest naturalny i nieunikniony, jednak nadużywanie antybiotyków, ich niewłaściwa utylizacja i masowe uwalnianie do środowiska tak przyspieszyło ten proces, że niektórych infekcji nie da się wyleczyć nawet kompleksami nowych leków. Dlatego poszukiwanie nowych antybiotyków jest priorytetem współczesnej nauki.
Najczęstszym celem wszystkich znanych antybiotyków jest aparat do syntezy białek bakteryjnych. Aparat translacyjny prokariotów różni się od naszego, co pozwala nam na stosowanie specyficznych inhibitorów syntezy białek u bakterii bez szkody dla własnych komórek naszego organizmu. Ze względu na masową dystrybucję genów oporności u bakterii naukowcy aktywnie badają swój aparat do syntezy białek i szukają nowych celów i inhibitorów translacji. NA
W dniach 18–19 września w Moskwie odbyła się konferencja „Technologie postgenomiczne” poświęcona 100. rocznicy urodzin akademika G.K. Skriabin. Wydarzenie zostało zorganizowane przez Rosyjską Akademię Nauk, Radę Naukową ds. Biotechnologii Rosyjskiej Akademii Nauk, Federalne Centrum Badawcze „Podstawowe podstawy biotechnologii” Rosyjskiej Akademii Nauk, Instytut Biochemii i Fizjologii Mikroorganizmów im. . G.K. Skriabin RAS.
Akademik V.A. Tutelyan, główny badacz Federalnej Państwowej Instytucji Budżetowej „Federalne Centrum Badań nad Żywieniem i Biotechnologią” sporządził raport na temat „Nowoczesna biotechnologia w produkcji żywności: problem bezpieczeństwa biologicznego”. VA Tutelyan przypomniał słuchaczom, że nasz kraj kiedyś stał u początków biotechnologii przemysłowej i był światowym liderem w tej dziedzinie. W dziedzinie medycyny kierunkiem tym kierował akademik A.A. Pokrovsky'ego w dziedzinie rolnictwa i hodowli zwierząt - akademik L.K. Ernst, w dziedzinie produkcji i tworzenia obiektów produkcyjnych - akademik V.A. Bykow. I akademik G.K. Skriabinowi udało się połączyć wszystkie wysiłki i stworzyć kolosalny przełom w rozwoju biotechnologii przemysłowej w Związku Radzieckim.
„W Instytucie Żywienia, w którym prawie całe życie pracowałem, na polecenie akademika Skriabina utworzono specjalne laboratorium, które zrzeszało około 70 osób” – powiedział V.A. Tuteljan. „Był to projekt na bardzo dużą skalę, porównywalny, nie boję się powiedzieć, z projektem nuklearnym, ponieważ ponad 70 instytutów badawczych wszystkich wydziałów zjednoczyło się, aby rozwiązać ten problem, a całą tą pracą kierował Georgy Konstantinovich Skriabin”.
W latach 1964-1990 nastąpił intensywny rozwój biotechnologii przemysłowej. Było 11 fabryk produkujących 1,5 mln ton białka paszowego. Pokrywało to w 100% potrzeby, przede wszystkim hodowli drobiu i bydła. Produkcja aminokwasów, witamin i innych składników również zaspokajała w 100% potrzeby Związku Radzieckiego. Jednocześnie kwestie bezpieczeństwa zawsze były na pierwszym planie, dlatego wszystkie medyczne instytuty badawcze, w tym Instytut Żywienia, działały w tym kierunku.
„Teraz trudno powiedzieć, ile badań przeprowadzono” – powiedział V.A. Tutelyan, - ile zwierząt i ludzi wzięło udział w pracach mających na celu udowodnienie bezpieczeństwa. Jednym z nich jestem ja, gdy jako doktorant z radością przeszedłem z budynku instytutu na drugą stronę, gdzie wówczas mieściła się stołówka (obecnie już nie ma) i przez sześć miesięcy karmiono nas produktami mikrobiologicznymi. synteza, transformowana przez zwierzęta - kurczaki, świnie itp. Dalej. Jednocześnie zostaliśmy szczegółowo przebadani, zbadano parametry biochemiczne i wszystkie inne, aby wykazać absolutne bezpieczeństwo. Jak widać, żyje.”
Ćwicz z grabiami. Trzecie podejście
Ale według mówcy na początku lat 90. po raz drugi nadepnęliśmy na grabie. Po raz pierwszy miało to miejsce w 1948 r., kiedy genetykę uznano za pseudonaukę, po raz drugi w 1994 r., kiedy zniszczono jej własną biotechnologię. „Do czego doszliśmy w najbliższej przyszłości? – wspominał akademik. - Białko paszowe wynosiło zero i natychmiast upadł cały przemysł drobiarski i zaczęliśmy kupować „Nogi krzaczaste”. Produkcja witamin została całkowicie zatrzymana i obecnie nie produkujemy ani grama naszych substancji. To zbrodnia! Nie zawierają aminokwasów - kupujemy je w całości z Chin i Japonii. Co to jest? To przede wszystkim żywienie pozajelitowe, które jest niezbędne podczas kataklizmów i konfliktów zbrojnych – bez tego po prostu nie jesteśmy w stanie przetrwać. Wszystko, co musimy zrobić, to odciąć te dostawy za pomocą sankcji lub innych środków, a pozostaniemy bez wszystkich tych niezbędnych produktów”.
Jednak teraz, według akademika V.A. Tutelyanie, żyjemy w okresie renesansu. Powołano Komisję RAS ds. Działalności Inżynierii Genetycznej. Utworzono ramy legislacyjne i regulacyjne, przyjęto szereg ustaw, które umożliwiają prowadzenie badań i próby dogonienia zagranicznych przywódców. „Zespoły autorów, które brały czynny udział w opracowywaniu tych praw, to zwolennicy i uczniowie G.K. Skriabina” – podkreślił V.A. Tuteljan.
Wiele współczesnych technologii wydaje się science fiction. W związku z tym rozpoczynają się intensywne badania nad stworzeniem genetycznie modyfikowanych zwierząt, drobiu i ryb o określonych korzystnych właściwościach. Instytut Biologii Genów zajmuje się hodowlą kóz GMO wytwarzających ludzką laktoferynę, natomiast Instytut Hodowli Zwierząt tworzy hybrydy zwierzęce, które mogą zapobiegać wielu chorobom człowieka. Jednocześnie pierwsze miejsce zajmuje biologiczna ocena bezpieczeństwa zwierząt GMO.
„Istnieje ryzyko, że zakazując tego rodzaju inwestycji, po raz trzeci nadepniemy na tę samą grabież” – podsumował V.A. Tuteljan. - Czy jest to konieczne? Aktywnie działamy na szczeblu Dumy Państwowej, jest tam wielu rozsądnych ludzi, którzy rozumieją, że jeśli teraz zostaniemy w tyle, pozostaniemy w tyle na zawsze i będzie to zbrodnia przeciwko narodowi. Rozwój nowoczesnego rolnictwa, hodowli zwierząt i medycyny bez wykorzystania biotechnologii jest daremny. To wiele kroków wstecz i nie powinniśmy ich podejmować”.
Jedz, żeby przeżyć
Akademik V.A. Bykov sporządził raport na temat „Metabolomika i lipidomika w biotechnologii postgenomowej”. Walery Aleksiejewicz przypomniał zebranym, że biotechnologia w całym cywilizowanym świecie jest priorytetowym obszarem postępu naukowo-technicznego, wykorzystującym obiekty biologiczne i bioprocesy do ukierunkowanego oddziaływania na środowisko i uzyskiwania produktów przydatnych dla człowieka, a także zapewnienia kontroli jakości i oceny ich bezpieczeństwo.
„Do podstawowych wskaźników jakości życia zalicza się nie tylko odżywianie, ale także powietrze, wodę i żywność, w ogóle nasze zdrowie i siedlisko” – wyjaśnił akademik. „Biotechnologia bierze udział w tworzeniu całego zestawu tych problemów, których celem jest poprawa jakości i długości życia ludzkiego, zwiększenie potencjału reprodukcyjnego i pracy”.
XXIWiek ten naznaczony był niezwykłymi wydarzeniami związanymi z rozwojem biotechnologii. Ostatnia fala rewolucji rozpoczęła się tutaj w 2000 roku, kiedy prezydent Clinton wystąpił z inicjatywą stworzenia nanotechnologii polegających na manipulacji na poziomie atomowym i molekularnym.
Ale dla nas wszystko zaczęło się w latach 60. ubiegłego wieku, kiedy pojawiło się pytanie, jak się rozwijać, aby zapewnić ludziom żywność? Przecież ludzkość wkracza w XX wiek z populacją około miliarda, a w XXI wiek - 7,5, chociaż w rzeczywistości jest to około 8. Jednocześnie wszystkie główne zasoby globu zostały zachowane. „Co to oznacza? - V.A. zadał pytanie. Bykow. „To, że stoimy u progu nowej struktury technologicznej, bez której najwyraźniej nie będzie możliwe rozwiązanie problemu wygodnej egzystencji człowieka”.
Dla jasności prelegent przedstawił slajd: jeśli za podstawę przyjmiemy 500 kilogramów masy krowy, która produkuje około 500 gramów białka dziennie, to ta sama ilość drożdży dziennie wytwarza już 50 ton białka bakteryjnego. Jest to wzrost o rzędy wielkości. Dlatego biotechnologia, której środkiem produkcji są mikroorganizmy, jest dla ludzkości szansą na przejście do nowego porządku technologicznego.
Żyjemy w morzu mikroorganizmów
Członek korespondent A.M. Boronin przypomniał, jak narodził się Instytut Biochemii i Fizjologii Mikroorganizmów im. Pushchino, dziś nazwany imieniem G.K. Skriabin. Procesem kierował sam akademik Skriabin, a wszyscy pracownicy mieli o nim najjaśniejsze i najbardziej pozytywne wspomnienia jako naukowca, lidera i osoby. Prelegent przypomniał, że jako naukowiec, akademik Skriabin był przede wszystkim mikrobiologiem i w tym względzie jego główną zasługą jest rozwój mikrobiologii w naszym kraju. „W związku z tym chcę przypomnieć, że dosłownie żyjemy w oceanie mikroorganizmów” – powiedział A.M. Boronin. - Otaczają nas niezliczone mikroorganizmy w wodzie, morzach, lądzie, roślinach i zwierzętach. Jeden hektar gleby zawiera do 5 ton biomasy drobnoustrojów. Całkowita biomasa mikroorganizmów na naszej planecie przewyższa biomasę roślin, owadów i zwierząt razem wziętych.”
Różnorodność biologiczna mikroorganizmów jest ogromna i niesamowita. Dlatego jednym z zadań nauk mikrobiologicznych jest usystematyzowanie tego świata. Próbowali użyć do tego różnych systemów, ale wszystkie okazały się niezbyt wygodne. W 1977 roku ukazała się praca Carla Woese, który zaproponował system klasyfikacji filogenetycznej oparty na porównaniu rybosomów poprzez porównanie struktury 16S rRNA, które pod wieloma względami można uznać za swego rodzaju chronometr ewolucji, w tym żywego mikroorganizmu. Otworzyło to możliwości badania i systematyzacji świata mikroorganizmów, a w szczególności odkrycia superkrólestwa archeonów, które żyją w różnorodnych ekosystemach, począwszy od głębin morskich po źródła termalne. Metodami bioinformatycznymi odkryto lokiarchaea, w których odkryto cytoszkielet i inne oznaki fagocytozy.
Dalszy rozwój technologii umożliwił rozszerzenie tych badań, co doprowadziło do znaczących zmian w naszym rozumieniu drzewa ewolucyjnego.
„Prawdopodobnie czeka nas jeszcze wiele niespodzianek, a część naukowców twierdzi, że możliwe jest pojawienie się w drzewie życia nowych domen związanych z odkryciem innych organizmów” – podkreśla A.M. Boronin. „Badania te dostarczają pożywienia dla prób zrozumienia procesów ewolucyjnych, które miały miejsce i nadal zachodzą, często na naszych oczach”.
Mikrobiologia w czołówce nauki
Wszystko to niesie ze sobą nie tylko ogromne korzyści podstawowe, ale i aplikacyjne. Jednym z takich przykładów jest badanie przyczyn powstawania mikroorganizmów wielolekoopornych, wobec których bezsilne są najnowocześniejsze antybiotyki. Stanowi to ogromny problem medyczny, który nie został jeszcze rozwiązany. To tutaj mikrobiolodzy przodują w pracach nad rozszyfrowaniem mechanizmów tego typu problemów i znalezieniem sposobów ich przezwyciężenia.
Innym przykładem pracy mikrobiologów jest dobrze znana historia Helicobacter pylori, za którego odkrycie w 2005 roku przyznano Nagrodę Nobla. W wyniku tych prac wykazano, że drobnoustrój ten jest odpowiedzialny za występowanie wrzodów żołądka u człowieka. Dalsze badania potwierdziły to założenie, a ponadto wykazały, że bakteria ta jest odpowiedzialna nie tylko za wrzody, ale także za rozwój raka żołądka. Dlatego dziś lekarze zalecają, aby prawie wszyscy pacjenci z problemami żołądkowo-jelitowymi poddali się odpowiedniemu badaniu: wczesne wykrycie „wrogich” bakterii może skutecznie zapobiec najpoważniejszym konsekwencjom.
Ale jednocześnie najnowsze badania wykazały, że obecność Helicobacter pylori zmniejsza ryzyko astmy. A jego brak prowadzi do zwiększonego ryzyka refluksu żołądkowo-przełykowego i gruczolakoraka. Oznacza to, że widzimy złożoność zachowań i różnorodność właściwości mikroorganizmów.
Dlatego dziś pojawia się pytanie o dalsze badania mikrobiomu człowieka, w celu wyjaśnienia wszystkich jego funkcji i określenia roli poszczególnych mikroorganizmów wpływających na życie człowieka.
„Wszyscy wiemy, że mikroorganizmy ułatwiają trawienie pokarmu, wydzielają niektóre witaminy i uczestniczą w tworzeniu, rozwoju i utrzymaniu układu odpornościowego” – wspomina A.M. Boronin. - W pewnym stopniu próbują nas chronić przed chorobami poprzez walkę z patogenami lub zwykłą konkurencję. To złożony świat, znacznie starszy i być może bardziej zróżnicowany niż nasz, a naszym zadaniem jest spróbować go zrozumieć, aby w oparciu o dowody naukowe przejść do nowej generacji probiotyków, które pomagają ustabilizować mikrobiom lub skorygować go, gdy zaniknie. traci równowagę pod wpływem tych samych antybiotyków. Nie jest tajemnicą, że duża ilość stosowanych antybiotyków oraz ich nadmierne stosowanie powoduje szereg poważnych zaburzeń w przewodzie pokarmowym. Możesz sobie wyobrazić, pod jakim obciążeniem znajduje się nasz mikrobiom i jakie mogą być tego konsekwencje. A konsekwencje mogą być najpoważniejsze. Na przykład w okrężnicy może pojawić się jeden rodzaj plastydu, co prowadzi do choroby, która może być śmiertelna.
Zdaniem prelegenta nie doceniamy wpływu, jaki wywiera na nas świat mikroorganizmów. Niedawno pojawiły się dowody na to, że mikrobiologia wpływa nie tylko na nasze zdrowie fizyczne, ale także na zachowanie, psychikę, a nawet na religijność człowieka. Dlatego badanie biologii mikroorganizmów jest kluczem do zrozumienia natury globalnego ekosystemu – podkreślił A.M. Boronin.
Zebrani pamiętali także G.K. Skriabina, jego nieoceniony wkład w rozwój krajowej nauki biologicznej, wieloletnią pracę na stanowisku Głównego Sekretarza Naukowego Akademii Nauk, jego niesamowitą skuteczność, życzliwość i niewyczerpaną energię życiową, którą posiadał. Zdaniem wszystkich obecnych, to właśnie takie osoby jak G.K. Skriabina, stwórz historię kraju, zwiększ jego dziedzictwo naukowe i ludzkie. Zdaniem przewodniczącego konferencji, akademika M.P. Kirpichnikova, G.K. Skriabin był nie tylko wybitnym naukowcem, ale także wybitnym obywatelem swojego kraju. To właśnie tacy ludzie sprawiają, że ich kraj jest naprawdę wspaniały.
Natalia Leskowa
Biotechnologia, pomimo całego patosu i innowacyjności nazwy, jest jedną z najstarszych gałęzi przemysłu, która pojawiła się, gdy nie było jeszcze ustalone samo pojęcie nauki. Jednocześnie bez wątpienia biotechnologia w szerokim znaczeniu tego pojęcia jest dziś jednym z najbardziej obiecujących i obiecujących obszarów badania możliwości wykorzystania organizmów żywych.
Tak naprawdę ludzkość po raz pierwszy zetknęła się z biotechnologią (w najprostszym i najszerszym znaczeniu) w tym samym momencie, gdy zetknęła się z „biotą”, czyli biologicznie aktywną populacją najróżniejszych bytów na naszej planecie: podczas pieczenia chleba, warzenia (w w obu przypadkach są to kultury drożdży) i już na pierwszych, nieśmiałych krokach w selekcji tych roślin, które pomagały się wyżywić.
Oczywiście świadomy i systematyczny rozwój biotechnologii rozpoczął się później, a właściwie nie tak dawno jak na standardy nauki, pod koniec XVII wieku, kiedy odkryto istnienie mikroorganizmów. Ogromną rolę w tym odkryciu odegrał petersburski akademik K. S. Kirkhgov, który odkrył zjawisko katalizy biologicznej i podjął próbę biokatalitycznego otrzymywania cukru z dostępnych krajowych surowców (przede wszystkim buraków). A termin „biotechnologia” zawdzięczamy węgierskiemu inżynierowi Karlowi Ereky’emu, który po raz pierwszy użył go w swoich pracach w 1917 roku. Dużą zasługę dla początkowego rozwoju biotechnologii jako nauki biologii przypisuje się także jednemu z najsłynniejszych mikrobiologów – Louisowi Pasteurowi, dzięki któremu odkryciom nikt nie wątpił, że biotechnologia jest samodzielną dziedziną nauki.
Pierwszy patent z zakresu biotechnologii został wydany w 1891 roku w USA – japoński biochemik Dz. Takamine odkrył metodę wykorzystania preparatów enzymatycznych do celów przemysłowych: wykorzystanie diastazy do scukrzania odpadów roślinnych.
W XX wieku rozwój biotechnologii nabrał nowej formy i wielu kierunków - w szczególności zaczął wpływać na inne gałęzie przemysłu i obszary działalności gospodarczej człowieka. Warto tylko powiedzieć, że aktywny rozwój przemysłu fermentacyjnego i mikrobiologicznego dał nam setki, jeśli nie tysiące metod i preparatów, które znacząco poprawiają życie każdego człowieka: możliwa stała się produkcja antybiotyków, koncentratów spożywczych, a także jako kontrola fermentacji produktów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, co jest niezwykle ważne dla zaopatrzenia w żywność.
Wyizolowanie i oczyszczenie do akceptowalnego poziomu pierwszego antybiotyku, penicyliny, stało się możliwe dopiero w 1940 roku, wynosząc jednocześnie cały przemysł biotechnologiczny na zupełnie nowy poziom i stawiając nowe zadania, takie jak: poszukiwanie i rozwój technologii wytwarzania wytwarzanych substancji leczniczych przez mikroorganizmy, pracując nad obniżeniem kosztów i zwiększeniem poziomu bezpieczeństwa podczas przyjmowania przez pacjenta leków itp.
W dzisiejszym świecie biotechnologia jest właściwie nierozerwalnie związana z inżynierią (w tym inżynierią genetyczną), energetyką, medycyną, rolnictwem, ekologią i wieloma innymi gałęziami przemysłu i naukowymi obszarami myślenia.
W ciągu ostatnich 100 lat, dzięki niepohamowanemu postępowi we wszystkich kierunkach, zakres problemów i metod ich rozwiązywania w biotechnologii uległ znaczącym zmianom. W sercu tzw „Nowa” biotechnologia opiera się na bardzo zaawansowanych i zaawansowanych technologicznie metodach inżynierii genetycznej i komórkowej, za pomocą których przeprowadza się wiele skomplikowanych operacji, w tym rekonstrukcję ich żywotnych kopii z pojedynczych fragmentów komórek.
Na styku biotechnologii i innych dziedzin nauki mogą narodzić się najciekawsze i nieoczekiwane rozwiązania, pozwalające lepiej zrozumieć i wykorzystać potencjał szerokiej gamy organizmów żywych. Dzięki temu dowiadujemy się więcej o procesach, dzięki którym uzyskujemy:
– Materiały i kompozyty
– Metody paliw i syntezy
– Leki i szczepionki
– Metody diagnozowania i zapobiegania chorobom, w tym uwarunkowanym genetycznie
– Nie mówiąc już o procesie starzenia, który jest w pewnym sensie „kamieniem filozoficznym” świata biotechnologii, istnieje wiele zupełnie przyziemnych i, przepraszam, „prostych” perspektyw zastosowania w prawdziwym życiu z jego praktyką.
Przede wszystkim mamy tutaj oczywiście do czynienia z „organizmami modyfikowanymi genetycznie”, osławionymi „GMO”, które w nieuzasadniony sposób są niekochane przez niewykształconego czytelnika/widza/słuchacza. Tak naprawdę ludzkość od chwili, gdy zastąpiła nomadyzm siedzącym trybem życia i zaczęła uprawiać ziemię oraz hodowlę zwierząt, zajmuje się tworzeniem w rolnictwie upraw „genetycznie modyfikowanych”. Bez tego w zasadzie nie mielibyśmy żniw, ponieważ warunki biocenozy (czyli zrównoważonego rozwoju organizmów) po prostu nie pozwoliłyby nam wyhodować ani krowy, ani pszenicy. I dlatego biotechnologia roślin może rozwiązać wiele problemów, począwszy od głodu i zaopatrzenia w żywność, po poprawę jakości życia wszystkich ludzi poprzez harmonizację poziomów odżywczych szerokiej gamy pokarmów roślinnych.
Nie należy sądzić, że biotechnologia osiągnęła dziś szczyt swojego rozwoju – taka opinia byłaby całkowicie błędna. Istnieje dalsza fragmentacja „biotechnologii” na intensywne obszary, które zajmują się własnymi, stosowanymi zadaniami. Przykładowo w Rosji przyjęto „Kompleksowy Program Rozwoju Biotechnologii”, w ramach którego planuje się utworzenie konkurencyjnego w skali światowej sektora biogospodarki i przedsiębiorstw działających w tym obszarze. Jednocześnie oczekuje się, że do 2020 r. wolumen tego sektora wyniesie co najmniej 1% PKB, a do 2030 r. – co najmniej 3% PKB Federacji Rosyjskiej. To nie tylko ambitne plany, ale twarda rzeczywistość, której trzeba stawić czoła.
Na jakie branże w najbliższej przyszłości będzie miała wpływ biotechnologia? Prawie wszystko, bo widzimy dalszą integrację ze sobą różnych dziedzin naukowych i stosowanych.
Weźmy jako przykład przemysł kosmiczny, który już aktywnie pracuje z mikroorganizmami, stosując prawdziwe metody biotechnologiczne. Na przykład dzięki wysyłaniu na ISS różnego rodzaju mikroorganizmów wiemy, że ogromna liczba bakterii jest odporna na twarde promieniowanie kosmiczne o szerokim spektrum widm i fal. Co więcej, odkryliśmy na Ziemi mikroorganizmy znajdujące się w stanie zawieszonej animacji (z grubsza: „hibernacji”), które wyłoniły się z niej dopiero po napromieniowaniu promieniami kosmicznymi. Te mikroorganizmy po prostu nie mogły powstać na naszej planecie; zostały do nas sprowadzone podczas formowania się Układu Słonecznego z innych obiektów kosmicznych w naszej galaktyce.
Jak jeszcze biotechnologia może wpłynąć na eksplorację przez człowieka najbliższej nam przestrzeni? Wyobraźcie sobie choćby prostą wyprawę badawczą na inne planety w ramach naszej lokalnej grupy – na przykład na Marsa. Oprócz stabilności psychicznej załogi takiej wyprawy (a lot będzie trwał co najmniej rok przy obecnym poziomie rozwoju rakiet i innych typów silników nadających się do komunikacji międzyplanetarnej), będzie ona potrzebować porządnego zapasu żywności i paliwo. Nawet teraz nie jest możliwe dostarczenie rocznego zapasu żywności dla grupy 3-5 astronautów na ISS – jest on zbyt ciężki i będzie wymagał kilku rakiet nośnych. Co możemy powiedzieć o długoterminowej misji kosmicznej, podczas której po prostu nie będzie możliwości uzupełnienia zapasów „w drodze”.
Dlatego konieczne będzie zapewnienie na miejscu nieprzerwanej uprawy żywności – tylko taki schemat zapewni bezpieczeństwo zarówno misji lotniczej, jak i kolonizacji. Naukowcy z Narodowego Laboratorium. Berkeley” w USA, które proponują właśnie wykorzystanie najnowszych osiągnięć z zakresu biologii syntetycznej. Co to znaczy?
Naukowcy obliczyli, że w przypadku wyprawy na Marsa trwającej około dwóch i pół roku zastosowanie nowoczesnych metod stosowanych w biotechnologii zmniejszy zapotrzebowanie na paliwo palne dwukrotnie i pół razy, a na żywność o ⅓. W raporcie naukowcy zauważyli, że najnowsze osiągnięcia na styku biologii i nanotechnologii pomogą również w budowie modułów mieszkalnych. Bezpośrednio na innej planecie, czy to na Marsie, czy na innej. Wszystkie niezbędne do tego materiały można syntetyzować bezpośrednio na miejscu, a elementy składowe zostaną pozyskane przy wykorzystaniu technologii wielowarstwowego druku 3D.
Naturalnie biotechnologia ma także liczne „przeciwwagi” i czynniki ograniczające, z których pierwszym są przesłanki społeczno-etyczne i religijne. W rzeczywistości człowiek może wykorzystać możliwości żywych organizmów do rozwiązywania różnorodnych problemów w nieskończonym cyklu, ale w praktyce tylko do pewnego punktu - pewnej linii, której „nie można przekroczyć”. Przede wszystkim dotyczy to całkowitego klonowania żywych organizmów (pamiętajcie owcę „Dolly” i wszystko, co o niej powiedziano). Dziś jest to zabronione w większości krajów rozwiniętych, a ludzie, którzy mimo wszystko są na to gotowi, muszą szukać zarówno środków, jak i warunków pracy tam, gdzie nie łamią żadnego prawa – np. oceany świata (które nie są kontrolowane przez krajowe przepisy ustawowe i wykonawcze) jeden kraj).
Jednocześnie oczywiście nikt dziś nie wyklucza faktu, że w przyszłości możliwe stanie się całkowite klonowanie człowieka. Jak pobudzi to cały przemysł biotechnologiczny i jakie nowe, oparte na wiedzy obszary pracy pojawią się w nim po tym wydarzeniu – pokaże przyszłość.
Dotyczy to ogólnego rozwoju biotechnologii jako dużego sektora naukowo-przemysłowego na styku technologii i biologii. A na jakie zawody i obszary zatrudnienia wpływa szeroko pojęta „biotechnologia”? W rzeczywistości jest ich wiele. Spróbujmy wymienić tylko te najciekawsze i najbardziej obiecujące.
Jest specjalistą w zakresie zastępowania istniejących i formalnie przestarzałych rozwiązań w różnych gałęziach przemysłu nowymi technikami z zakresu biotechnologii (np. biopaliwa zamiast oleju napędowego czy organiczne materiały budowlane zamiast cementu, betonu i stali).
Specjalizuje się w planowaniu, projektowaniu i tworzeniu technologii obiegu zamkniętego z udziałem organizmów i mikroorganizmów genetycznie modyfikowanych (biorektory, systemy produkcji żywności w środowiskach miejskich).
Jest specjalistą zajmującym się projektowaniem nowych typów miast z wykorzystaniem najnowszych osiągnięć biotechnologii, w tym czystych zasobów energii biologicznej i systemów kontroli zanieczyszczeń.
Jest to specjalista w zakresie tworzenia nowych produktów leczniczych biologicznych o określonych właściwościach, które mogą zastąpić sztucznie syntetyzowane leki.
Jest to specjalista w zakresie aranżacji i utrzymania gospodarstw rolno-przemysłowych na dachach i ścianach wieżowców oraz budynków mieszkalnych, czyli na terenach miejskich. Może to obejmować zarówno żywność, jak i zwierzęta gospodarskie.
Jest to specjalista, który wykorzystuje właściwości i organizację przyrody żywej oraz organizmów żywych (w tym człowieka) do tworzenia zautomatyzowanych systemów i doskonalenia technologii komputerowej. Przykładowo rozproszone sieci komputerowe oparte na mikroorganizmach rozwiązują już konkretne problemy, które nie podlegają modelowaniu komputerowemu.