2А/с 30.05.22Досягнення молекулярної біології та генетики в медецині: генна інженерія людини

 

Викладач	Кувичинська С.П.
Предмет,група	Біологія і екологія (медична біологія) 2А сс
Тема	Досягнення молекулярної біології та генетики в медецині: генна інженерія людини
Дата	30.05.22

 

Опорний конспект

Немає такого експериментального підходу або дослідницького напрямку в біотехнології, які б не одержали застосування в медицині. От чому настільки різноманітні зв'язки між біотехнологією й самої гуманної з усіх наук. Тут ми зупинимося лише на основних моментах.

Антибіотики.

Антибіотики - це специфічні продукти життєдіяльності, що володіють високою фізіологічною активністю стосовно певних груп мікроорганізмів і до злоякісних пухлин, вибірково затримуючий їхній ріст або повністю гнітючий розвиток (Н. С. Егоров, 1979). Далеко не все із цих з'єднань, число яких наближається до 5000, допущені для застосування в медицині. До найважливіших антибіотиків терапевтичного призначення належать наступні їхні класи (табл. 2).

Наведені класи антибіотиків не вичерпують їхнього різноманіття, список їх поповнюється з кожним роком. Причини неослабної уваги до пошуку нових антибіотиків, як видно з табл. 10, пов'язані з токсичністю існуючих антибіотиків, алергійними реакціями, викликуваними ними, наростанням стійкості патогенних мікроорганізмів до застосовуваних препаратів і, крім цього, з необхідністю вишукування засобів боротьби зі збудниками, проти яких недостатньо ефективні відомі нині антибіотики. Основні шляхи пошуку включають:

1.Випробування нових продуцентів. Так, з початку 80-х років досліджують миксобактерии, продуцирующие велика кількість антимікробних агентів (Н. Thierbach, N. Reichenbach, 1981).

2.Хімічна модифікація антибіотиків. Протимікробні макроліди токсичні для людини. Наприклад, гептаен амфо-терицин В, використовуваний за життєвими показниками при важких мікозах, викликає необоротні поразки бруньок. Отримано метилові ефіри амфотерицина, менш токсичні й що зберігають протигрибкову активність. При модифікації пеніциллинв і цефалоспоринів використають іммобілізовані ферменти.

3.Мутасинтез. Застосовують мутантні штами, у яких блокований синтез окремих фрагментів молекули антибіотика. У середовище культивування вносять аналоги цих фрагментів. Мікроорганізм використовує ці аналоги для біосинтезу, у результаті чого одержують модифікований антибіотик.

4.Клітинна інженерія. Одержують гібридні антибіотики, наприклад, з новими комбінаціями агликона й Цукрів.

5.Генетична інженерія - введення в геном мікроорганізму інформації про фермент, необхідному для модифікації продуціруємого антибіотика, наприклад його метилировання за допомогою метилаз.

Важливим завданням є підвищення ефективності біосинтезу відомих антибіотиків. Значних результатів удалося домогтися за десятиліття селекції штамів-продуцентів із застосуванням індукованого мутагенезу й східчастого відбору. Наприклад, продуктивність штамів Penicillium по синтезі пеніциліну збільшена в 300—350 разів. Певні перспективи відкриваються у зв'язку з можливістю клонування генів «вузьких місць» біосинтезу антибіотика або у випадку, якщо всі біосинтетичні ферменти кодуються єдиним опероном.

Багатообіцяючим підходом служить інкапсулювання антибіотиків, зокрема їхнє включення в лігюсоми, що дозволяє прицільно доставляти препарат тільки до певних органів і тканин, підвищує його ефективність і знижує побічну дію. Цей підхід застосуємо й для інших лікарських препаратів. Наприклад, кала-азар, хвороба, викликувана лейгшма-ниєю, піддається лікуванню препаратами сурми. Однак лікувальна доза цих препаратів токсична для людини. У складі ліпосом препарати сурми вибірково доставляються до органів, ураженими лейшманією, в селезінці й печінці.

Замість антибіотика в організм людини може вводитися його продуцент, антагоніст збудника захворювання. Цей підхід бере початок з робіт І. І. Мечникова про придушення гнильної мікрофлори в товстому кишечнику людини за допомогою молочнокислих бактерій. Важливу роль у виникненні карієсу зубів, очевидно, грає бактерія, що живе в роті, Streptococcus mutans, що виділяє кислоти, що руйнують зубну емаль і дентин. Отримано мутанта Strept. mutans, що при введенні в ротову порожнину майже не утворить коррозийних кислот, витісняє дикий патогенний штам і виділяє летальний для нього білковий продукт.

Гормони.

Біотехнологія надає медицині нові шляхи одержання коштовних гормональних препаратів. Особливо більші зрушення відбулися в останні роки в напрямку синтезу пеп-тидних гормонів.

Раніше гормони одержували з органів і тканин тварин і людини (крові донорів, вилучених при операціях органів, трупного матеріалу). Було потрібно багато матеріалу для одержання невеликої кількості продукту. Так, людський гормон росту (соматотропин) одержували з гіпофіза людини, кожний гіпофіз містить його не більше 4 мг. У той же час для лікування однієї дитини, що потерпає ліліпутністю, потрібно близько 7 мг соматотропіну в тиждень; курс лікування повинен тривати кілька років. Із застосуванням генноінженерного штаму Е. coli у цей час одержують до 100 мг гормону росту на 1 л середовища культивування. Відкриваються перспективи боротьби не тільки з ліліпутністю, але й з низкорослістю — більше слабким ступенем дефіциту соматотропіну. Соматотропін сприяє загоєнню ран і опіків, поряд з каль-цитоніном (гормоном щитовидної залози) регулює обмін Са2+ у кістковій тканині.

Інсулін, пептидний гормон острівців Лангерганса підшлункової залози, представляє основний засіб лікування при цукровому діабеті. Ця хвороба викликана дефіцитом інсуліну й проявляється підвищенням рівня глюкози в крові. Донедавна інсулін одержували з підшлункової залози бика й свині. Препарат відрізнявся від людського інсуліну 1-3 амінокислотними замінами, так що виникала загроза алергійних реакцій, особливо в дітей. Широкомасштабне терапевтичне застосування інсуліну стримувалося його високою вартістю й обмеженістю ресурсів. Шляхом хімічної модифікації інсулін із тварин удалося зробити невідрізняючим від людського, але це означало додаткове подорожання продукту.

Компанія Eli Lilly з 1982 р. робить генноінженерний інсулін на основі роздільного синтезу Е. coli його А- і У-ланцюгів. Вартість продукту значно знизилася, одержуваний інсулін ідентичний людському. З 1980 р. у пресі є повідомлення про клонування в Е. сой гена проінсуліну— попередника гормону, що переходить у зрілу форму при обмеженому протеолізі.

До лікування діабету прикладена також технологія інкапсул-ровання: клітки підшлункової залози в капсулі, уведеної однократно в організм хворого, прогресує інсулін протягом року.

Компанія Integrated Genetics приступилася до випуску фолли-кулостимулюючого й лютенизируючого гормонів. Ці пептиди складені із двох субодиниць. На порядку денному питання про промисловий синтез олигопептидних гормонів нервової системи - енкефалінів, побудованих з 5 амінокислотних залишків, і ендорфінів, аналогів морфіну. При раціональному застосуванні ці пептиди знімають болючі відчуття, створюють гарний настрій, підвищують працездатність, концентрують увагу, поліпшують пам'ять, упорядковують режим сну й пильнування. Прикладом успішного застосування методів генетичної інженерії може служити синтез р-ендорфіна за технологією гібридних білків, описаної вище для іншого пептидного гормону, соматостатину.

Значний внесок біотехнології й у промислове виробництво непептидних гормонів, у першу чергу стероїдів. Методи мікробіологічної трансформації дозволили різко скоротити число етапів хімічного синтезу кортизону, застосовуваного для лікування ревматоідного артриту. При виробництві стероїдних гормонів широко використовують іммобілізовані мікробні клітини, наприклад Arthrobacter globiformis, для синтезу преднізолону з гідрокортизону. Є розробки по одержанню гормону щитовидної залози тироксину з мікроводоростей.

Інтерферони, інтерлейкони, фактори крові.

Інтерферони виділяються клітками людини й тварини у відповідь на інфекціювання вірусами. Вони мають антивірусну активність. Механізм дії інтерферонів до кінця не з'ясований. Передбачається, зокрема, що Інтерферони перешкоджають проникненню вірусних частинок у клітку. Інтерферони стимулюють діяльність імунної системи й перешкоджають розмноженню клітин ракових пухлин. Всі аспекти дії інтерферонів важливі з погляду їхнього терапевтичного застосування.

Розрізняють a-, b-, g- і e-інтерферони, утворені відповідно лейкоцитами, фібробластами сполучної тканини, Т-лімфоцитами й епітеліальними клітинами. Найбільше значення мають перші три групи. Інтерферони складаються з146—166 амінокислотних залишків, b - і gінтерферони пов'язані із залишками Цукрів. До введення методів генетичної інженерії інтерферони одержували з донорської крові - до 1 мкг неочищеного інтерферону з 1 л крові, тобто приблизно одну дозу для ін'єкції.

У цей час a-, b- і g- інтерферони успішно одержують із застосуванням генноінженерних штамів Е. coli, дріжджів, культивуючих клітин комах (Drosophila) і ссавців. Генно-інженерні інтерферони можуть бути очищені з використанням моноклоних антитіл. Деякі фірми, наприклад Bioferon (ФРН), використовують не генноінженерні мутанти, а культивуючі in vitro фібропласти людини.

Інтерферони використаються для лікування хвороб, викликаних вірусами герпеса, сказу, гепатитів, цитомегаловиру-сом, вірусом, що викликає небезпечну поразку серця, а також для профілактики вірусних інфекцій. Вдихання аерозолю інтерферонів дозволяє попередити розвиток гострих респіраторних захворювань. Трохи курйозною проблемою є те що інтерферони, зокрема a- інтерферони, самі можуть викликати в пацієнтів простудні симптоми (нежить, підвищення температури й т.д.). Проблема побічної дії коштує особливо гостро при тривалому терапевтичному застосуванні інтерферонів, необхідному для лікування злоякісних пухлин.

Інтерферони впливають на організм хворих раком груди, шкіри, гортані, легенів, мозку, неуважної міеломі й саркомі Капоци - два останніх захворювання характерні для осіб, що потерпають придбаними імунодефіцитами (див. нижче). Інтерферони корисні також при лікуванні неуважного склерозу.

Методи генетичної інженерії дозволяють одержувати модифіковані Інтерферони. Антивірусна активність інтерферонів варіює при амінокислотних замінах (J. Werenne, 1983). Американська компанія Cetus Corporation робить b-інтер-ферон, в амінокислотній послідовності якого цистеин у положенні 17 заміщений на серії. Це приводить до підвищення терапевтичної активності препарату, тому що запобігає спостережуване in vitro формування неактивного димера b- інтер-ферону за рахунок дисульфідних зв'язків між залишками цистеіна в положенні 17. Певні надії покладають на модифікацію інтерферонів шляхом одержання гібридних молекул (Е. Д. Свердлов, 1984).

Інтерлейкони—порівняно короткі (близько 150 амінокислотних залишків) поліпептиди, що беруть участь в організації імунної відповіді. Інтерлейкін-1, що утвориться певною групою лейкоцитів крові - макрофагами, у відповідь на введення антигену стимулює розмноження (проліферацію) Т-хелперов (субпопуляції Т-лимфоцитов), продуцируючих, у свою чергу, інтерлейкінів-2. Останній викликає проліферацію різних субпопуляцій Т-лімфоцитів - Т-кіллерів, Т-хелперів, Т-супрессорів, а також У-лімфоцитів, продуцентів антитіл. Під впливом інтерлейкина-2 з Т-лімфоцитів вивільняються регуляторні білки - лімфокони, що активують ланки імунної системи; синтезують також Інтерферони.

Інтерлейкони, основні лікувальні засоби при імунних розладах, одержують шляхом клонування відповідних генів в Е. coll або культивування лімфоцитів in vitro. Англійська компанія Celltech Ltd і японська Sakyo Company пропонують синтезований генноінженерними бактеріями інтерлей-кин-1 поряд з іншим тюлипептидним агентом -фактором некрозу пухлин -і для лікування ряду пухлинних захворювань (В. Sikyta el al., 1986).

Одержані біотехнологічним шляхом фактори згортання крові, особливо фактор VIII (за допомогою культивуючих клітин ссавців) і фактор IX (за допомогою генноінженер-ного штаму Е. coli),необхідні для терапії форм гемофілії спадкової хвороби, при якій кров губить здатність згущуватись. До числа коштовних із клінічної точки зору факторів, отриманих у біореакторах з культурами тваринних клітин, варто віднести фактор росту У-лімфоцитів, фактор активації макрофагів, Т-заміщаючий фактор.

Ферменти медичного призначення.

Різноманітні застосування ферментних препаратів у медицині. Їх використовують для розчинення тромбів, лікування спадкових захворювань (замість відсутніх ендогенних ферментів), видалення не-життєздатних, денатурованих структур, клітинних і тканинних фрагментів, звільнення організму від токсичних речовин (Н. Ф. Казанська й ін., 1984). Яскравий приклад-порятунок життя хворих із тромбозом кінцівок, легенів, коронарних посудин серця за допомогою громболітичних ферментів (стрсптокинази, урокинази). У СРСР такі препарати створені в іммобілізованій формі під керівництвом Е. И. Чазова й И. В. Березина. Ген урокннази клонований у бактеріях (S. Prentis, 1984). У сучасній медицині протеази застосовуються для очищення вогнищ гнійно-некритичних процесів від патологічних продуктів, а також для лікування опіків. Лікування раку пов'язане з використанням L-аспарагинази, яка позбавляє ракові клітки ресурсів необхідних для їхнього розвитку аспарагіну, що надходить зі струмом крові. Здорові клітки на відміну від ракових (деяких типів) здатні до самостійного синтезу аспарагіну.

Відомо близько 200 спадкових захворювань, обусловленних дефіцитом якого-небудь ферменту або іншого білкового фактора. У цей час роблять спроби лікування цих захворювань із застосуванням ферментів. Так, намагаються лікувати хворобу Готі, при якій організм не здатний розщеплювати, глюкоцереброзіди (S. Prentis, 1984).

В останні роки усе більше уваги приділяють інгібіторам ферментів. Інгібітори протеаз, одержувані з актино міцетів (лейпептин, антипаін, химостатин і ін.) і генноінженерних штамів Е. coil (эглин) і дріжджів антітріпсін) виявляються корисними при септичних процесах, інфаркту міокарда, емфіземі легенів, панкреатиті. Зменшення концентрації глюкози в крові хворих діабетом може бути досягнуте при використанні інгібіторів кишкових інвертаз і амілаз, відповідальних за перетворення крохмалю й сахарози в глюкозу. Особливим завданням є пошук інгібіторів ферментів, за допомогою яких патогенні мікроорганізми руйнують антибіотики, що вводять в організм хворого.

Такі основні напрямки біотехнологічних розробок в області медицині. Без перебільшення можна сказати що центральний додаток новітніх біотехнологічних підходів - медицина. Однієї із проблем, пов'язаних з білками медичного призначення, є наявність у них побічних ефектів. Наприклад, алергійні реакції виникають як проти генноінженерних білків, так і проти моноклональних антитіл, навіть якщо їх одержують на основі людських гібридів. Ця проблема не нова для медицини й не є непереборною.

 

Питання для відповідей:

1.     Складіть таблицю: «біотехнології в медицині».

 

Біотехнології в медицині	Особливості застосування
Антибіотики
Гормони
Інтерферони
Ферменти

 Особисті висновки.