МЕДИЧНА БІОТЕХНОЛОГІЯ НА ШЛЯХУ ДО КАБІНЕТУ ЛІКАРЯ

Великий конференц-зал в будівлі уряду Москви, в якому проходили пленарні засідання другого Московського міжнародного конгресу 'Біотехнологія: стан та перспективи розвитку ".

Схематичне зображення іонного каналу, вбудованого в мембрану клітини.

Комп'ютерна модель молекули одного з іонних каналів.

Липосомная наночастинок, що складається з молекул фосфатидилхолина.

Кількість підтверджених випадків однією з різновидів дизентерії - шигельозу Зонне - серед жителів міста Романівка після імунізації нової російською вакциною 'Шігеллвак'.

Група дослідників на чолі з В. Л. Львовим (зліва) з Інституту імунології МЗ РФ, які розробили першу в світі вакцину проти дизентерії.

Просторова модель одного з білків теплового шоку, виділеного з бактерії Eschrichia coli.

Академік РАН А. Д. Мирзабеков (1937-2003) очолював Інститут молекулярної біології ім. В. А. Енгельгардта РАН в 1984-2003 рр.

<

>

З 10 по 14 листопада 2003 року в Москві проходив Другий Московський міжнародний конгрес "Біотехнологія: стан та перспективи розвитку". На ньому були представлені всі розділи науки, промисловості і громадського життя, пов'язані з біотехнологією: медицина, геобіотехнологія, інновації, фінанси і бізнес, навколишнє середовище, Біокаталізу, освіту: е, сільське господарство, харчова промисловість, біобезпеку і біоетика. Протягом п'яти днів в будівлі уряду Москви проходило по чотири-п'ять секційних засідань одночасно, щодня оновлювалися стендові доповіді, була організована виставка "Світ біотехнології 2003", яка представляла новітні розробки вітчизняних і зарубіжних підприємств. На конгресі були присутні видатні вчені з Франції, Канади, Німеччини, Швейцарії та інших країн. У його рамках відбулися російсько-німецький симпозіум "Біотехнологія і туберкульоз", а також російсько-фінський симпозіум "Досвід і перспективи російсько-фінського співробітництва у галузі біотехнології".

Відставання виробництва від наукових досліджень - біда більшості галузей науки і техніки в усьому світі. Найбільш гостро ця проблема стоїть в медицині. Адже медична наука - саме швидко розвивається напрямок наукових досліджень, і сума знань в ній збільшується в геометричній прогресії. І майже з тією ж швидкістю зростає прірва між відкриттями, які вже найближчим часом можуть бути впроваджені в медичну практику, і реальним набором медичних технологій, які перебувають в арсеналі практикуючого лікаря. У нашій країні практична медицина через мізерне фінансування відстає від рівня розвитку світової медичної науки особливо сильно. Але незважаючи на труднощі російські вчені ведуть роботу з багатьох напрямків медичної біотехнології, причому на високому науковому рівні, і навіть примудряються впроваджувати деякі розробки в лікарську практику. Про деякі цікаві роботах, представлених на конгресі, і піде мова нижче.

Ліки, що відкривають канали

Вміст будь-який живий клітини укладено в оболонку, так звану клітинну мембрану. В основному вона складається з подвійного шару молекул жироподібних речовин - ліпідів. Мембрана не тільки захищає клітину від зовнішніх впливів, але і служить сполучною ланкою між навколишнім середовищем і складовими клітини. Забезпечують цей зв'язок білкові молекули, вбудовані в ліпідний мембрану. За допомогою таких білків клітина отримує ззовні різні "молекулярні сигнали" і реагує на них. Однією з різновидів білків, вбудованих в мембрану живої клітини, є так звані іонні канали, які відповідають за перенесення заряджених іонів через мембрану. Канали постійно "відкриваються" і "закриваються" під дією різних фізіологічно активних речовин. Ослаблення і посилення іонного потоку викликає зміна мембранного потенціалу (гиперполяризацию або деполяризацию мембрани), що, в свою чергу, позначається на багатьох фізіологічних процесах: швидкості проведення нервового імпульсу, м'язовому тонусі, терморегуляції, кровообігу, чутливості до болю і т.д. Вчені відкрили і вивчили канали для перенесення іонів Са2 +, Na +, K +. Збої в роботі цих іонних каналів призводять до різних нездужань. Тому речовини, що впливають на їх функціонування, давно використовуються як лікарські препарати для лікування епілепсії, аритмії, а також як засоби для місцевого знеболювання.

У французькому Інституті молекулярної і клітинної фармакології, яким керує професор Мішель Лазунскі, недавно відкрита нова різновид К + -каналів, присутніх в мембранах всіх живих клітин. Вони створюють на мембрані невелику фонову різниця потенціалів, що захищає клітину від небажаних впливів. Функції цих каналів досить різноманітні: наприклад, вони регулюють чутливість організму до перепадів температури. Але найцікавіше те, що речовини, їх "відкривають" (а такими є жирні кислоти з великою кількістю ненасичених подвійних зв'язків в вуглеводневого ланцюга), запобігають загибель нервових клітин при ураженнях спинного мозку, аневризмі, атеросклерозі, епілепсії (правда, поки тільки у піддослідних тварин). Тому речовини-активатори нового різновиду іонних каналів - кандидати на лікарські препарати від цих важких, невиліковних захворювань.

Фармацевтична фабрика в рослинах

Сьогодні у всьому світі величезні кошти вкладаються в пошук нових лікарських сполук. Але відкрити нову речовину і вивчити механізм його дії мало для створення лікарського препарату. Треба ще навчитися швидко і дешево виробляти його в достатніх кількостях. Найчастіше потенційні ліки - речовини природного походження. Для того щоб виділити їх в кількості, достатній для виробництва препарату, необхідна велика кількість біологічного матеріалу (органи і тканини тварин, рослинна сировина). Синтезувати ж необхідне з'єднання хімічним шляхом не завжди можливо, а якщо можливо, то дорого і складно.

Але коли лікарський препарат - речовина білкової природи, тобто його молекула являє собою ланцюжок з амінокислот, фармацевтичне виробництво можна налагодити іншим способом: ген, що кодує лікарська речовина, вбудовують в геном рослини. Рослина стає справжньою лабораторією, де синтезується лікарський препарат. На сьогоднішній день створення рослин і навіть тварин, які виробляють ті чи інші потрібні людині речовини (так звані біофабрики), - саме передовий напрямок в сільськогосподарської біотехнології.

Нові сорти трансгенних рослин успішно використовуються, наприклад, для виробництва вакцин. А в лабораторії Канадського сільськогосподарського центру під керівництвом професора Джеймса Брендла був створений новий сорт трансгенної тютюну, листя якого в великих кількостях виробляють фізіологічно активна речовина - інтерлейкін-10. Харчуючись листям цієї рослини, піддослідні миші виліковували від спайкової хвороби кишечника. Можливо, в майбутньому трансгенний тютюн буде працювати як біофабрика з виробництва інтерлейкіну-10, який допоможе позбутися від цієї хвороби не тільки піддослідним тваринам.

Перевізник для ліки

Коли людина приймає ліки, то воно потрапляє в кровотік, який розносить препарат по організму до органів і тканин. Але кров в основному складається з води. Тим часом далеко не всі ліки розчиняються у воді (гідрофільних). Деякі вітаміни, гормони, нейромедіато ри, антибіотики в ній не розчиняються, вони гідрофобні. Зазвичай такі речовини жірораство Рими, тобто вони мають спорідненість до жирів і жироподібним з'єднанням. Як же доставити жирорастворимое ліки, яке не зможе проникнути в водну фазу, по кровотоку до органу-мішені?

Зрозуміло, що для транспортування до клітин-мішеней жиророзчинні лікарські речовини потребують спеціальних переносчиках. У природі роль переносників гідрофобних сполук відіграють білки і ліпопротеїни плазми крові. Найближчими аналогами природних переносників є наночастинки (колоїдні частинки, розмір яких коливається від десяти до декількох сотень нанометрів). Найбільш широко в якості переносників ліків застосовуються наночастинки з фосфоліпідних молекул - ліпосоми. Вони дуже зручні, оскільки побудовані з молекул, які легко розщеплюються в організмі і нетоксичні.

Ліпосоми не тільки дозволяють "розчинити" нерозчинний у воді речовина, вони також здатні доставити його до місця призначення - в уражений орган, тканина або навіть клітку. На ліпосоми легко сорбуються білки плазми крові, після чого їх "заковтують" макрофаги. Макрофаги поглинають і хвороботворні бактерії. Таким чином, якщо "завантажити" молекулу жиророзчинного антибіотика всередину ліпосоми, то ліки потраплять в той же самий місце, де ховається бактерія, і знищить її. Така властивість ліпосом дуже корисно для антибактері альної терапії внутрішньоклітинних інфекцій.

Також, конструюючи ліпосоми різного складу, можна "націлювати" їх на злоякісну пухлину, область запалення або навіть на певний орган або тканину. Щоб заблокувати захоплення ліпосом макрофагами, до поверхні ліпосом хімічно "пришивають" полімерні ланцюги. Використання ліпосом зменшує діючу концентрацію лікарських препаратів і, як наслідок, їх побічна дія. Уже сьогодні в аптеках можна зустріти деякі ліпосомного препарати: антібіотіокі для лікування внутрішньоклітинних інфекцій, протипухлинні препарати, вакцини (в тому числі і проти грипу).

У Московській державній академії тонкої хімічної технології (МГАХТ) ім. М. В. Ломоносова на кафедрі біотехнології під керівництвом професора А. П. Каплуна розробляються різні системи доставки лікарських речовин. Зараз проходить клінічні випробування створений ними (спільно з МНТК "Мікрохірургія ока") новий ліпосомний препарат для загоєння ран після операцій на рогівці. Так само перспективно використання розробленого в МГАХТ іншого ліпосомного препарату, який може бути з успіхом застосований для лікування хвороби Паркінсона - важкого захворювання центральної нервової системи, обумовленого зниженням рівня дофаміну в головному мозку. Гідрофобна молекула дофаміну сама по собі потрапити через кровотік в головний мозок не може - їй потрібен спеціальний "перевізник". З хімічної точки зору нові ліки є молекулою дофаміну, укладену в ліпідну оболонку. Ліпосомний препарат ефективно долаючи ет гематоенцефалічний бар'єр, і концентрація дофаміну в головному мозку нормалізується. Як наслідок - знімаються симптоми хвороби Паркінсона.

Перша в світі вакцина проти дизентерії

Інститут імунології Міністерства охорони здоров'я Росії - один з лідерів в нашій країні по створенню нових вакцин. В інституті розроблена оригінальна технологія, суть якої полягає в тому, що комплекс антигенних молекул (тобто тих молекул, які викликають вироблення специфічних антитіл) "пришивають" на синтетичний носій - полімерну молекулу поліоксидонію. При цьому рівень вироблення антитіл підвищується мінімум на порядок. Під керівництвом професора Н. Г. Пучковою з використанням цієї технології створена нова ефективна вакцина проти грипу. А в лабораторії, яку очолює професор І. Г. Сидорович, ведеться робота зі створення вакцини проти вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ) також із застосуванням поліоксидонію. Кандидатів на вакцину проти ВІЛ у всьому світі створено безліч, але в ході клінічних випробувань жодна з них не виявилася досить ефективною. Нова вакцина, розроблена російськими дослідниками, при введенні в організм тварин викликає вироблення антитіл до ВІЛ. Але поки невідомо, чи зможе вона стати основою комерційного препарату для лікування і профілактики синдрому набутого імунодефіциту (СНІДу).

Але, безумовно, найбільш значним практичним досягненням російських імунологів можна назвати створення першої в світі вакцини проти однієї з різновидів дизентерії, спричиненої збудником "шигелла Зонне" (її комерційна назва - "Шігеллвак"). Один з керівників цієї роботи - завідувач лабораторією Інституту імунології В. Л. Львів.

Необхідність створення такої вакцини продиктована високим рівнем захворюваності шигельоз Зонне, а також появою штамів шигел, стійких до антибіотиків. Серед всіх різновидів дизентерії шигельоз Зонне вийшов на перше місце за рівнем захворюваності в країнах Європи, Північної Америки та Японії. Тільки в Росії, як в великих містах, так і в сільській місцевості, щорічно офіційно реєструється до п'яти тисяч випадків цього захворювання. Ще 10-15 років тому створення вакцини проти дизентерії видавалося справою складним, якщо взагалі можливим. В даний час і в США вчені близькі до створення комерційного препарату вакцини проти дизентерії. До речі, принцип створення вітчизняної вакцини оригінальний і відмінний від американського.

Профілактичну ефективність російської вакцини вивчали в районному центрі Романівка Саратовської області, неблагополучному по захворюваності шигельоз Зонне. У найближчих планах вчених з Інституту імунології - створення вакцини проти дизентерії трьох видів: шигеллезов Зонне, Флекснера і Шига. Така вакцина "покриє" більше 80% всіх випадків дизентерії в Росії.

Щеплення від раку

На перший погляд профілактика і лікування раку за допомогою вакцин здається утопією. Але тим не менше сьогодні в арсеналі вчених є способи, що дозволяють створити протиракову вакцину. Так, в середині 70-х років минулого століття з пухлинних клітин були виділені білки теплового шоку. Така назва обумовлена ​​тим, що клітини виробляють їх в умовах підвищеної температури. Крім того, білки теплового шоку захоплюють антигенні ділянки білкових молекул, так звані опухолеспеціфіческіх пептиди, що викликають ракове переродження клітини. Тому введення білків теплового шоку викликає у піддослідних тварин сильну імунну реакцію - вироблення специфічних антитіл. Це означає, що білки теплового шоку можуть бути використані для імунізації хворого проти певного виду пухлини. Зараз на їх основі в США вже виробляються ефективні вакцини для лікування меланоми, карциноми нирки і профілактики метастазування. Але протираковий вакцина виготовляється для кожного пацієнта індивідуально, і для її виробництва потрібно не менше 5 г пухлинної тканини. У даній вимозі і складається обмеження застосування методу.

У лабораторіях Всеросійського наукового центру молекулярної діагностики та лікування під керівництвом члена-кореспондента РАН Е. С. Северина створюється нова вакцина проти папіломи - дуже поширеною різновиди ракової пухлини, що має вірусну природу. Структура вірусу проста: він являє собою вісім генів, укладених в білкову оболонку. Вважається, що два з них є генами, що відповідають за злоякісне переродження тканини. Російські дослідники під керівництвом професора В. І. Кисельова подолали зазначені вище обмеження американського методу створення протиракових вакцин і застосували для виготовлення вакцини інший спосіб: вони сконструювали гібридний ген (ген білка теплового шоку і один з генів вірусу папіломи) і генно-інженерними методами отримали відповідний йому гібридний білок, який представляє собою комплекс одного з білків теплового шоку з білком, що відповідає за розвиток злоякісного новоутворення. Виявилося, що гібридна вакцина дуже ефективно пригнічує ріст папілломних пухлинних клітин в культурі. Вчені вважають, що їм вдалося змоделювати природний процес захисту організму від розвитку раку і що нова вакцина ще продемонструє свої можливості в експериментах на тваринах і в клінічних випробуваннях. Звичайно, тільки вакциною від папіломи дослідники обмежуватися не збираються. Уже зараз у Всеросійському науковому центрі молекулярної діагностики та лікування створені гібридні білки, які передбачається використовувати в якості вакцини проти раку гортані, прямої кишки і яєчників.

Манту і БЦЖ пора міняти

У нашій країні здоровим новонародженим дітям на 5-7-й день життя в обов'язковому порядку роблять щеплення від туберкульозу - БЦЖ. Вакцина БЦЖ була створена ще в 1923 році французькими вченими Кальметт і Герен і названа на їхню честь - Bacillium CalmetteGuerin, або BCG (в українській транскрипції - БЦЖ). Не дивно, що через 80 років штами мікобактерій, що викликають туберкульоз, зазнали істотних змін. Тому сьогодні ефективність БЦЖ становить не більше 8%, тобто при інфікуванні на туберкульоз не хворіють всього лише 8 з 100 чоловік, щеплених в дитинстві. Виходить, що щеплення, зроблена в пологовому будинку, практично марна.

Не краще йдуть справи і з широко відомою реакцією Манту, що використовується як інструмент для постановки діагнозу "туберкульоз". Основу діагностичної вакцини становить спеціальний препарат мікобактерій, запропонований в 1908 році французьким ученим Манту. Реакція Манту допомагала лікарям в постановці діагнозу майже 100 років. Тепер же тільки 7% пацієнтів, що мають так звану "позитивну" реакцію Манту, реально хворі на туберкульоз, тобто поставити діагноз таким способом просто неможливо.

Саме тому вчені з Всеросійського наукового центру молекулярної діагностики та лікування під керівництвом професора В. І. Кисельова поставили перед собою завдання створити препарати, альтернативні БЦЖ і реакції Манту. У співпраці з ЦНДІ туберкульозу РАМН сьогодні успішно розробляється рекомбінантний (тобто отримана методами генетичної інженерії) протитуберкульозна вакцина, в якій в якості носія використовується, як і при створенні описаних вище протиракових вакцин, білок теплового шоку. А ось новий діагностичний препарат на основі двох рекомбінантних білків мікобактерії M. Tuberculosis, який визначає наявність інфекції з високою чутливістю і специфічністю, вже практично готовий до використання в клініках замість котра дискредитувала себе реакції Манту.

Діагноз ставить мікрочіп

Одна з основних прикладних задач медицини - експрес-діагностика захворювань. Для її вирішення вчені Інституту молекулярної біології (ИМБ) ім. В. А. Енгельгардта РАН пропонують біологічні мікрочіпи - унікальну технологію, розроблену під керівництвом нещодавно пішов з життя академіка А. Д. Мірзабекова. Суть методу полягає в тому, що в осередку, наповнені поліакриламідних гелем, поміщаються фрагменти молекул ДНК збудників різних інфекційних захворювань. До них додають фрагменти ДНК з досліджуваного зразка. Ділянки досліджуваної ДНК метятся флуоресцентної молекулою. Якщо відомий і аналізований зразки збігаються (тобто аналізований зразок містить ДНК, ідентичну ДНК збудника інфекції), то флуоресцентний мікроскоп (до речі, теж спеціально розроблений в ИМБ РАН) реєструє сигнал з відповідної комірки і обробляє його на комп'ютері з використанням оригінального програмного забезпечення. В результаті лікар отримує можливість визначити, який різновид бактерії або вірусу викликала ті чи інші симптоми захворювання у пацієнта, і призначити адекватне лікування. Іноді можна навіть встановити, які антибіотики будуть ефективні проти даного штаму бактерій, а до яких вони вже виробили стійкість.

За допомогою цього методу аналіз клінічного зразка проводиться лише за добу. Він забезпечує високу чутливість аналізу і дозволяє швидко визначати наявність будь-яких збудників інфекційних захворювань в фізіологічних рідинах хворого. Вчені ИМБ РАН розробили також портативний варіант приладу для реєстрації результатів аналізу в польових умовах, що є комбінацією лазерного сканера і флуоресцентного мікроскопа.

Метод виявлення та ідентифікації різних форм туберкульозу за допомогою мікрочіпів вже успішно випробуваний в Московському міському науково-практичному центрі профілактики і боротьби з туберкульозом і в даний час проходить сертифікацію в Міністерстві охорони здоров'я РФ.

*

Навіть цей далеко не повний перелік робіт вселяє оптимізм і показує, що багато наукових шкіл пережили важке десятиліття у вітчизняній історії і вижили, незважаючи на всі перипетії. Хочеться, щоб ці та інші розробки не залишилися на порозі поліклініки, а скоріше стали інструментом в руках практикуючих лікарів.

"Наука і життя" про біотехнології:

Белоконева О., канд. хім. наук. Технологія ХХI століття в Росії. Бути чи не бути? - 2001, № 1.

Гліба Ю., акад. Ще раз про біотехнології, але більше про те, як нам вийти в світ. - 2000, № 4.

Кисельов Л., член-кор. РАН. Вперше величезний генетичний "креслення" багатоклітинного істоти прочитаний повністю. - 1999 року, № 3.

Лебедєв В., канд. біол. наук. Міф про трансгенної загрозу. - 2003 №№ 11 , 12 .

Попов Л., канд. біол. наук. Стадо для Чеддер. - 1999 року, № 8.

Попов Л., канд. біол. наук. Фантастичний шніцель. - 2000, № 4.

Слідами овечки Доллі. - 1997, № 6.

Созінов А., акад. Насіння для третього тисячоліття. - 1998, № 10.

Фролов Ю. Трансгенні рослини: як це робиться. - 1998, № 10.

Як же доставити жирорастворимое ліки, яке не зможе проникнути в водну фазу, по кровотоку до органу-мішені?
Бути чи не бути?