История развития медицинской биотехнологии

В древности для лечения больных  использовали растения и минералы. В последние два столетия широкое  распространение получили синтетические  химические препараты и антибиотики. Сравнительно недавно в фармакологии начали использовать индивидуальные биологически активные соединения и составлять их оптимальные композиции, а также  использовать специфические активаторы и ингибиторы определенных ферментов. Альтернативой антибиотикам становится вытеснение патогенной микрофлоры сапрофитной  микрофлорой (использование микробного антагонизма).

Кроме лекарственных методов лечения  в современной медицине используют еще ароматы (аромотерапия), механические воздействия (массаж) и воздействие физических полей (физиотерапия). Физические поля интересны тем, что с их помощью можно лечить самые разные заболевания. Наибольший интерес сейчас вызывают тепловое воздействие, лазерное излучение и КВЧ-излучение (электромагнитное излучение миллиметрового диапазона)

Наиболее актуальными проблемами современной медицины являются борьба с сердечно-сосудистыми заболеваниями (прежде всего с атеросклерозом), с онкологическими заболеваниями, с аллергиями, старением и с вирусными инфекциями (в том числе со СПИДом).

В последнее время появились  эффективные средства борьбы с атеросклерозом. Это прежде всего статины (и появляются все новые и более эффективные средства этого ряда). Считается, что широкое применение этих лекарств должно привести к существенному продлению жизни. По мнению ряда специалистов, решение проблемы онкологических заболеваний будет достигнуто с помощью иммунологических методов, позволяющих избирательно уничтожать опухолевые клетки. Решение проблемы рака должно повысить среднюю продолжительность жизни. Решение проблем аллергических заболеваний определяется развитием иммунологии и прогрессом в изучении такой фундаментальной проблемы медицины, как воспаление. Человечество еще очень плохо справляется вообще с вирусными инфекциями, а не только со СПИДом. Химиотерапия и антибиотики, позволяющие эффективно бороться с бактериальной инфекцией, не эффективны в отношении вирусов. Предполагается, что существенный прогресс в деле борьбы с вирусными инфекциями будет достигнут за счет развития молекулярной биологии вирусов, в частности изучения взаимодействия вирусов со специфическими для них клеточными рецепторами.

Расшифровка генома человека и успехи в клонировании животных открывают ошеломляющие перспективы в медицине. Однако здесь не все так просто. Мало знать структуру конкретного гена, надо еще знать, как регулируется его активность. Интенсивные работы в области регуляции активности генома эукариот в сочетании с совершенствованием методов генной инженерии должны обеспечить решающий прогресс в лечении таких заболеваний, как диабет. Использование метода клонирования человека может привести к созданию банка "запасных частей" для конкретных людей и обеспечить весьма значительное продление их жизни. Однако против этого выдвигаются возражения морального порядка. Представляется, что дилемма будет разрешена с созданием технологий клонирования тканей и органов.

Еще одну революцию в медицине должно вызвать изучение так называемых стволовых клеток, т.е. клеток, которые являются предшественниками других типов клеток, включая нервные. Использование стволовых клеток - это в перспективе решение проблемы регенерации, т.е. радикального лечения инсульта, инфаркта, восстановления утраченных конечностей и т.п., а также весьма существенное продление жизни.

Представляется, что сейчас лидерами медицинской науки являются медицинская  генетика и иммунология.

Медицинская генетика может не только предотвращать появление на свет генетически неполноценных детей  путем генетического консультирования их родителей и диагностировать  генетические заболевания. Ее перспектива-это  пересадка генов и управление их активностью.

Иммунология позволяет создавать  новые подходы к лечению иммунологических заболеваний (в том числе иммунодефицитов, аутоиммунных заболеваний и аллергии), инфекционных и онкологических заболеваний.

К настоящему времени разработано  множество эффективных методов  устранения морщин, повышения упругости  кожи, повышения тонуса мимических мышц и т.п. Лечебная косметология- это  бурно развивающаяся область  медицины.

Раньше медицина занималась только больными людьми. Сейчас появилась  новая медицинская наука валеология, которая занимается проблемами укрепления и поддержания здоровья здоровых людей. Целая новая область индустрии - производство пищевых добавок обслуживает, прежде всего, практически здоровых людей. На Западе возникла мода на здоровье, сейчас она дошла и до России. Очень многие люди стали бегать для здоровья и заниматься в фитнес-центрах. К технологиям здоровья примыкают спортивные биотехнологии, прежде всего методики тренировок, восстановления после нагрузок, а также спортивные диеты.

Сейчас наблюдается вспышка  интереса к восточным медицинам (аюрведа, йога, китайская медицина, тибетская медицина) и народной медицине. Идет освоение достижений этих направлений  традиционной медицины современной  медицинской наукой.

Космическая биология и медицина изучают  существование земных организмов в  условиях космоса и других планет, а также пытаются решить проблему возникновения жизни и обнаружить внеземные формы жизни. Одной  из широко известных космических  биотехнологий является замкнутая  биосистема, предназначенная для  функционирования в условиях длительного  космического полета.

Из материалов, представленных в  настоящем обзоре, видно, что современные  биотехнологии исключительно разнообразны. Наступающий век, по мнению ряда экспертов, будет веком биотехнологий.

3. Молекулярная  медицина.

Современные знания о молекулярных основах функционировании клетки и организма позволяют по-новому взглянуть на природу многих заболеваний и дают основу для направленного дизайна лекарственных препаратов. Медицина в XXI веке призвана решать проблемы на уровне молекул.

3.1. Универсальная вакцина от гриппа — мечты и реальность.

Грипп ложится на человечество ежегодным тяжким бременем, и его сезонные эпидемии заставляют нас с неприятной регулярностью брать больничные. Такая систематичность вызвана высокой изменчивостью вирусных серотипов, которые очень быстро мутируют и вследствие этого год за годом проскакивают мимо кордонов иммунитета неузнанными. Почему это так, и будет ли возможно в обозримом будущем остановить сезонные вспышки гриппа с помощью универсальной вакцины.

Вирус гриппа является одной из основных причин заболеваний в зимний период в нашей стране и во многих других государствах. Поскольку простого и дешевого метода лечения гриппа на сегодняшний день нет, единственный способ уберечься — это ежегодная вакцинация. Однако этот способ тоже далек от оптимального, — хотя бы из-за сложностей, связанных с разработкой и производством вакцин в срок и организацией самого процесса вакцинации. Но другого выхода пока нет. Пока — это потому, что работы над созданием универсальной вакцины, способной обезвреживать любые серотипы вирусов гриппа, ведутся сразу по нескольким направлениям.

Вакцина на все случаи жизни.

Пока в 2006–2010 годах внимание исследователей было приковано к азиатскому «птичьему» гриппу (H5N1), в 2009 г. на другом конца земного шара (в Мексике и Калифорнии) зародилась новая пандемия. Весь мир с замиранием сердца следил за появлением на мексиканских равнинах и в южных США нового штамма «свиного» вируса гриппа А, к которому у людей не существовало устойчивости. В течение всего нескольких недель вирус серотипа H1N1, аналогичный «испанке» 1918 года  и более столетия циркулировавший у свиней, неожиданно снова обрел вирулентность для человека. Это стало неприятным сюрпризом, и, причем, весьма крупным. Потребовались месяцы на то, чтобы разработать вакцину от H1N1 — слишком долго, чтобы предупредить эпидемию, пик которой пришелся на март 2009 г. с последующим рецидивом в ноябре. «Нам повезло, что вирус был не таким уж агрессивным и не привел к смерти большого числа больных», — говорит вирусолог Роберт Вебстер (Robert Webster), чья лаборатория в Мемфисе (Теннесси, США) отслеживает вспышки гриппа и разрабатывает соответствующие вакцины. — «Вот если бы более „смертоносный“ вирус H5N1 передавался от человека к человеку так же легко, как и свиной грипп, дела бы обстояли намного хуже!».

В поиске неподвижной мишени.

Вирус гриппа постоянно играет с иммунной системой человека в игру, напоминающую шахматы. Поверхность вирусной частицы несет два основных белка — нейраминидазу и гемагглютинин. Функции гемагглютинина — проникновение внутрь клетки-хозяина и формирование ложных «приманок» для хозяйского иммунитета. Для антител вирус выглядит как густой тропический лес, «кроны» которого, скрывающие сам вирус, — это поверхностные петли гемагглютинина, высокая изменчивость которых позволяет антигенам быстро менять пространственную структуру, вновь становясь невидимыми для иммунных барьеров в следующем сезоне.

Существующие вакцины от гриппа действуют на том же принципе, что и наша иммунная система. Вследствие этого вакцины неизбежно попадают в ту же ловушку — разработчикам приходится каждый год отслеживать антигенные детерминанты «актуальных» вирусов и в авральном порядке создавать новую вакцину. А вакцина эта, кстати, защитит людей только в данный момент — на следующий год от нее проку уже не будет, и вся ситуация повторится. Выйти из этого порочного круга можно только, если удастся найти новые фрагменты поверхности вирусной частицы, в неизменном виде присутствующие во всех популяциях вируса гриппа.

Вспышка гриппа 2009 года придала поиску универсальной вакцины новый  импульс. Дело в том, что даже у одного человека при заражении вирусом вырабатывается целый «букет» антител, каждое из которых распознает лишь отдельные части вируса. Как правило, большая часть будет специфична к антигенам, которые мутируют уже на следующий год (а, значит, такие антитела не могут обеспечить устойчивый иммунитет). Однако проанализировав все варианты антител, синтезирующихся в ответ на инфекцию, можно найти те немногочисленные разновидности, которые будут распознавать не только данный серотип, но и другие варианты вируса гриппа. Раньше сделать такое было просто невозможно, однако самые современные высокопроизводительные технологии уже позволяют ученым буквально поштучно анализировать В-лимфоциты людей в поисках редких «пород» антител, обладающих широкой специфичностью.

Существует два способа использования «универсальных» антител:

1. пассивная иммунизация для лечения серьезно больных пациентов, которые не отвечают на лечение антивирусными препаратами. В этом случае «готовые» антитела вводят в кровь в качестве иммунологической сыворотки; 
2. создание превентивных вакцин «для всех».

Второй вариант намного  сложнее — ведь тут нужно не просто выявить антитело, по воле случая образовавшееся у какого-то пациента и способное распознавать вирус, но заставить организм любого провакцинированного синтезировать это антитело.

Другое направление в создании универсальной вакцины — это не поиск универсальных антител, а попытки «натравить» на вирус Т-лимфоциты. Антитела предотвращают заражение клетки вирусом, блокируя вирусные детерминанты, а Т-клетки противостоят вирусной инфекции, убивая уже зараженные клетки и не давая вирусу размножаться.

Комбинируя такую вакцину с вакцинами традиционными, направленными на выработку антител, можно значительно повысить сопротивляемость организма, особенно у пожилых людей, которым часто недостаточно обычной сезонной вакцины. Эта деталь подчеркивает, что даже изобретение «универсальной» вакцины от гриппа не станет панацеей для пожилых людей, чей иммунитет ослаблен. Таким образом, единственная универсальная вакцина от гриппа вряд ли будет действенной абсолютно для всех пациентов.

3.2. Ствол и ветки:  стволовые клетки.

Одна из главных проблем биологии развития — механизмы дифференцировки клеток. Как и почему клетки, появившиеся в результате деления зиготы, становятся разными? Почему одни из них превращаются в нервные, другие — в мышечные, а третьи — в безъядерные эритроциты? Еще недавно эта тема интересовала в основном ученых и обсуждалась на страницах научных журналов и монографий. Но сейчас достижения в этой области «вдруг» стали интересовать всех — дело дошло до практического применения.

Речь о стволовых клетках (СК). Их изучение тесно связано и с проблемами дифференцировки, и с практическим использованием достижений эмбриологии.

Словосочетание «стволовые клетки»  у всех на слуху. Но что за ним стоит? Оказывается, даже среди ученых в этом нет полного согласия. Поэтому начнем с определения. Стволовые клетки должны обладать тремя главными признаками:

• во-первых, СК не до конца дифференцированы. Это позволяет их потомкам развиваться в нескольких разных направлениях;
• во-вторых, эти клетки могут неограниченно делиться и давать любое число поколений потомков (по крайней мере, в течение жизни данного организма);
• в-третьих, эти клетки образуют самоподдерживающуюся популяцию. Это означает, что при делении некоторые их потомки остаются стволовыми, а другие дифференцируются.

СК сильно различаются по своей способности давать разные типы клеток-потомков. На одном конце спектра находятся клетки, способные дать целый организм — тотипотентные клетки (способные давать целый организм⁾. На другом конце находятся унипотентные СК (могут давать клетки-потомки только одного типа например, кератиноциты кожи), которые могут дифференцироваться только в клетки одного типа (например, СК эпидермиса кожи). Чаще же всего СК плюрипотентны (могут давать клетки разных зародышевых листков, но не целый организм) или мультипотентны (могут давать несколько типов клеток, часто входящих в состав одного органа или ткани). На самом деле границы между этими типами СК очень размыты — всё зависит от условий дифференцировки.