МИРОВЫЕ ТРЕНДЫ БИОТЕХНОЛОГИЙ

Бурное развитие современных биотехнологий идет сразу по нескольким ключевым направлениям, в каждом из которых уже достигнуты многообещающие результаты.  

Регенеративная медицина: от искусственной кожи к заплатам для сердца

Ярким примером биотехнологий является поиск биомаркеров для ранней диагностики злокачественных опухолей

Развитие технологий регенеративной медицины является одной из актуальнейших задач современной науки. Операции по пересадке донорских органов сопряжены с риском отторжения, а количество пациентов, нуждающихся в такой терапии, всегда значительно превышает возможности клиник. В первую очередь стоит отметить создание различных заместителей кожных покровов, которые используются в клинике для лечения ожогов или хронических повреждений кожи. Новые достижения в этой области позволяют использовать кожные трансплантаты, содержащие генетически изменённые клетки. Это позволяет устранить генетические дефекты, улучшить их приживление и даже создать систему для синтеза необходимых для организма гормонов.

Искусственные сосуды, созданные на основе собственных клеток сосудистого эпителия и разрушающейся впоследствии в организме синтетической подложки, уже начинают применяться в клинической практике. Их принципиальным преимуществом является то, что после деградации искуственной подложки, организм замещает её собственными здоровыми клетками. Похожие подходы используются также в биоинженерии тканей миокарда.

Лекарства из природных источников

Способность живых организмов синтезировать биологически активные стереоизомеры часто делает их незаменимым и единственным источником ценных органических молекул. По оценкам экспертов, в США около 50 процентов лекарств, используемых для химиотерапии, являются производными компонентов растительных экстрактов. Чаще всего биологически активные вещества, синтезируемые растениями, представляют собой вторичные метаболиты — низкомолекулярные соединения, обеспечивающие растениям защиту от вредителей и патогенов. Хотя уже охарактеризовано более 50 тысяч вторичных метаболитов, это представляет собой всего около десяти процентов биосинтетического потенциала растений. А кроме растений биологически активные вещества синтезируются и накапливаются в бактериях, грибах, морских организмах, насекомых и даже амфибии. Современные программы поиска новых лекарств включают в себя одновременное автоматизированное тестирование множества экстрактов на наличие самых различных биологических активностей. Таким образом были найдены мощные противоопухолевые соединения: таксол из коры деревьев тиса.

Зачастую уровень ценного вещества в растении оказывается крайне низким, а химический синтез — чрезмерно сложным. Например, для удовлетворения годовой потребности рынка в таксоле пришлось бы экстрагировать кору нескольких сотен тысяч деревьев! В этом случае исследователи вначале выясняют путь ферментативного биосинтеза молекулы в клетке, затем выделяют (клонируют) гены, кодирующие соответствующие ферменты и оптимизируют их. И, наконец, вводят полученные гены в подходящую биологическую систему для наработки ценного вещества. Ярким примером такой разработки стало получение противомалярийного терпена артемизиниа в дрожжах.

Антитела доставляют лекарство прямо в опухоль

Доставка лекарства непосредственно в опухоль позволяет усилить эффект препарата и свести к минимуму нежелательные побочные воздействия на другие ткани и органы

Доставка лекарства непосредственно в опухоль позволяет усилить эффект препарата и свести к минимуму нежелательные побочные воздействия на другие ткани и органы. Обычно для этого используются моноклональные антитела или их фрагменты, специфические для разных видов опухолей. На текущий момент на рынке существует несколько типов антител, слитых (коньюгированных) с различными препаратами: цитотоксическими соединениями, токсинами (в частности, грибкового происхождения) или радиоизотопами. Преимущество последних заключается в том, что доставленные радионуклиды способны уничтожать даже клетки опухолей, содержащие на своей поверхности мало якорей-антигенов. С другой стороны, для этого типа коньюгатов характерен более высокий риск повреждения здоровых тканей. Фотодинамическая терапия — это методика лечения опухолей, позволяющая уничтожить больную ткань, не повреждая при этом здоровую. Под воздействием света ранее инертное лекарственное вещество активируется и разрушает окружающие его ткани.

Среди недавних разработок в этой области следует отметить систему для доставки фототоксического белка к опухоли с помощью фрагментов антител. В качестве светочувствительного агента исследователи использовали красный флуоресцентный белок «KillerRed» — «Красный Убийца». Транспортная часть конструкции, отвечающая за доставку «Красного Убийцы» к мишени — клетке злокачественной опухоли, представляла собой белковый фрагмент антитела 4D5, широко используемого в клинической иммунотерапии ряда опухолей.

Лечение генетических болезней

К настоящему времени генетическая терапия представляет собой бурно развивающуюся область биотехнологии и рассматривается как потенциально универсальный подход к лечению широкого спектра заболеваний: наследственных, онкологических и даже инфекционных.

Для лечения рака разработаны векторные системы на основе элементов генома вирусов, позволяющие вводить ген-убийцу непосредственно в опухоль, которая в результате сама начинает производить цитотоксические белки

Различные носители используются для доставки генетического материала внутрь человеческой клетки и его интеграции в геном, например, искусственные липосомные наночастицы или катионные эмульсии. Для лечения рака разработаны векторные системы на основе элементов генома вирусов, позволяющие вводить ген-убийцу непосредственно в опухоль, которая в результате сама начинает производить цитотоксические белки.

В ноябрьском номере журнала «Science» было опубликовано сообщение об успешном применении генетической терапии для лечения адренолейкодистрофии (смертельной нейродегенеративной болезни). Дефектный ген в стволовых клетках костного мозга пациентов был заменён нормальной копией, после чего клетки были возвращены обратно в организм. Для этой цели был разработан новый вектор для переноса генетического материала внутрь человеческих клеток и его встраивания. Учёные «разоружили» вирус иммунодефицита человека, удалив все гены и оставив лишь оболочку, способную проникать внутрь клетки. В неё поместили ДНК, содержащую корректный ген и последовательности, помогающие встроить его в хромосому. Учёные полагают, что созданный ими вектор на основе частиц ВИЧ может служить универсальным переносчиком для различных генов.

Расшифровка генома за один день

Современные программы исследования геномов стимулировали разработку быстрых, точных и эффективных методов анализа нуклеиновых кислот - секвенирования

Современные программы исследования геномов стимулировали разработку быстрых, точных и эффективных методов анализа нуклеиновых кислот — секвенирования. Целью такого анализа является получение информации о последовательности расположения каждого из четырёх типов нуклеиновых оснований в длинной молекуле ДНК. Эта последовательность в свою очередь определяет последовательность аминокислот в молекуле белка, закодированного в данном участке ДНК, и следовательно, свойства фермента.

Изначально методика секвенирования предполагала сложные химические модификации ДНК с использованием радиоактивных меток. В современных методах секвенирования используется полимеразная цепная реакция, а радиоактивные метки заменены флуоресцентными. Автоматические секвенаторы способны одновременно анализировать несколько сотен образцов ДНК и выполнять до 24 анализов в сутки. Электрофорез проходит не в гелях, а в сверхтонких капиллярах, что позволяет значительно увеличить скорость и чувствительность анализа.

Альтернативой данному методу является недавно разработанный метод «секвенирования путём синтеза» или пиросеквенирования. В момент присоединения одного из четырёх возможных нуклеотидов к растущей цепи ДНК (комплементарной основной цепи) специальный фермент люцифераза подаёт световой сигнал. Если знать, какие именно нуклеотиды присутствуют в растворе в момент сигнала, то можно определить последовательность их присоединения. В результате исследователи могли регистрировать присоединение 25 000 000 оснований с 99 процентной точностью в течение четырёх часов.

Достижения в понимании того, какие гены и кодируемые ими белки ответственны за болезнь позволят подбирать комплекс лекарственных средств, гораздо эффективнее справляющихся с конкретным недугом, нежели отдельные препараты

Лечение тяжелых болезней — атака на несколько мишеней

Стратегия современного лечения наиболее тяжелых болезней включает одновременное воздействие на несколько мишеней — молекулярных этапов развития патологического процесса. Достижения в понимании того, какие гены и кодируемые ими белки ответственны за болезнь позволят подбирать комплекс лекарственных средств, гораздо эффективнее справляющихся с конкретным недугом, нежели отдельные препараты.

Наиболее ярким примером лечения конкретной болезни подобным путем — терапия ВИЧ-инфекции. В настоящее время при лечении ВИЧ-инфекции рекомендуется использовать комбинацию ВИЧ-ингибиторов, состоящую как минимум из трех препаратов, воздействующих на разные ферменты вируса, соответственно блокирующие разные стадии развития вирусной инфекции. Подобный подход позволяет значительно продлить жизнь ВИЧ-инфицированным пациентам — в США СПИД переведен из разряда неизлечимых в число хронических болезней. В настоящее среди ученых не вызывает сомнения тот факт, что и успешное лечение рака тоже будет основано на одновременном приеме препаратов, воздействующих на разные элементы раковых клеток. Мультитаргетная терапия представляется целесообразной и многообещающей не только благодаря ее эффективности в подавлении опухоли, но и возможности преодоления устойчивости раковых клеток к различным препаратам, что является одной из важнейших задач противоопухолевой терапии.

Благодаря своим особенностям стволовые клетки уже несколько десятилетий являются одним из наиболее перспективных объектов медицинских технологий

Стволовая клетка — врач внутри пациента

Стволовые клетки — это неспециализированные клетки-предшественники, дающие начало всем органам и тканям организма. Их задача — восстановление поврежденных или отмерших участков.

Благодаря своим особенностям стволовые клетки уже несколько десятилетий являются одним из наиболее перспективных объектов медицинских технологий. Ими лечат широкий спектр болезней — от псориаза и ишемической болезни сердца до генетических болезней и трансплантаций органов (примеры приведены в других разделах нашей статьи). Последние достижения в области клеточной терапии включают в себя разработку методов стимуляции стволовых клеток дифференцироваться в тот или иной тип ткани прямо в организме пациента. Исследователи научились стимулировать костный мозг (производящий в норме предшественники клеток крови) высвобождать два других типа стволовых клеток (способных восстанавливать, в том числе, хрящи, кости и кровеносные сосуды). Учёные предсказывают широчайшую перспективу своему методу: пациент с инфарктом или переломом поступает в больницу, получает лекарство, стимулирующее его стволовые клетки, после чего они уже сами занимаются «ремонтом» повреждённых органов.

Синтез генов для фарминдустрии

Быстрый рост рынка фармацевтических белков, а также развитие разнообразных систем гетерологической экспрессии генов вызвало спрос на дешёвые и точные методы синтеза нуклеиновых кислот. Проведённые за последние десятилетие разработки позволили увеличить эффективность протоколов синтеза в 5—7 тысяч раз и уменьшить стоимость более чем в 50 раз (при этом увеличив точность процесса). На текущий момент множество биотехнологических компаний предоставляют услуги автоматического синтеза последовательностей генов, кодирующих фармацевтические белки, адаптированные для биотехнологических систем экспрессии. Средняя стоимость синтеза составляет около 0.4 доллара за пару.

Фармакогенетика является одной из предшественниц персональной (индивидуальной) медицины, в которой парадигма «одно лекарство для всех» заменяется на «правильное лекарство для каждого пациента»

Правильное лекарство — для каждого пациента

В описании любого современного фармакологического препарата присутствует информация о его побочных действиях и возможных аллергических реакциях. Это означает, что генетические особенности обмена веществ у какого-то количества пациентов не позволяют им нормально усваивать вещества, входящие в состав лекарства. Например, около пятидесяти процентов людей, страдающих астмой, не получают облегчения при пользовании противоастматическим препаратом того или иного класса. Фармакогенетика является одной из предшественниц персональной (индивидуальной) медицины, в которой парадигма «одно лекарство для всех» заменяется на «правильное лекарство для каждого пациента». Это подразумевает, что пациенты, в зависимости от своих генетических и эпигенетических (не определяющихся генами) особенностей будут сгруппированы таким образом, чтобы врач смог предсказать особенности протекания болезни и применить соответствующее лечение с минимальным риском и побочными эффектами.

В простейшем случае один ген может участвовать в реакции организма на лекарство. Идентифицировав нежелательный вариант (аллель), можно оптимизировать терапию для соответствующей группы пациентов. Особенно важны такие исследования для противораковой терапии. Противоопухолевые лекарства, с одной стороны, имеют высокую токсичность, с другой — терапия малоэффективным препаратом может привести к печальным последствиям. Поэтому фармакогенетические исследования позволят скорректировать терапию для пациентов с «неудачным» вариантом гена путём изменения дозы препарата или его заменой.

Считается, что подавляющее большинство лекарственных препаратов взаимодействует с белковыми молекулами. Поэтому комплексное изучение спектра белков может ускорить разработку новых диагностических и терапевтических средств

Протеомика — ключ к диагностике

Протеомика изучает обмен белков в живом организме: их синтез, взаимодействие и распад. Часто можно заметить связь между заболеваниями и изменением спектра или характеристик синтезируемых организмом белков. Считается, что подавляющее большинство лекарственных препаратов взаимодействует с белковыми молекулами. Поэтому комплексное изучение спектра белков может ускорить разработку новых диагностических и терапевтических средств.

Ярким примером является поиск биомаркеров для ранней диагностики злокачественных опухолей. На текущий момент в ходе исследований в разных лабораториях мира уже выявлено ряд новых белков, служащих биомаркерами раковых опухолей различной локализации. Важным аспектом является разработка комплексных панелей биомаркеров, позволяющих с большей достоверностью выявлять наличие заболевания. Помимо злокачественных опухолей, активно исследуются биомаркеры сердечно-сосудистых, лёгочных, желудочно-кишечных и многих других заболеваний.

Юрий Шелудько