История развития медицинской биотехнологии

СК разделяют также на генеративные (клетки зародышевого пути, способные превращаться в гаметы) и соматические, дающие остальные клетки тела.

Вот уже 20 лет сложную операцию по пересадке костного мозга часто удается заменить введением СК пуповинной крови. Их не только проще получить — эти клетки по многим своим свойствам лучше подходят для терапии. Они способны дольше делиться и реже заражены вирусами; кроме того, в них еще не успели накопиться соматические мутации. Иметь такие собственные клетки «про запас» явно не вредно. Поэтому создание банков замороженной пуповинной крови — важное направление в здравоохранении.

К этим старым успехам добавились новые. Например, в 1998 г были начаты опыты по использованию СК эпителия роговицы глаза для лечения тяжелых ожогов роговицы. СК располагаются на периферии роговицы; их собирали из неповрежденных участков того же или второго, менее пострадавшего глаза, размножали в культуре и подсаживали обратно пациенту. У многих больных прозрачность роговицы полностью восстановилась, и этот результат сохранялся в течение 10 лет.

СК из разнообразных источников пробуют использовать для восстановления функции желудочков после инфаркта миокарда. В некоторых случаях СК превращаются в клетки сердечной мышцы и улучшают сократительную способность сердца.

Впечатляющие успехи достигнуты с применением тканевых СК в выращивании органов. Из многих органов можно удалить все клетки, и останется каркас из межклеточного вещества, повторяющий форму органа. Можно и изготовить такой каркас из биодеградируемого материала. Если затем заселить его клетками, которые взяты из соответствующей ткани больного, то в подходящих условиях эти клетки размножаются и строят новый, функционирующий орган. С помощью такой технологии удалось вырастить кровеносные сосуды, трахею и мочевой пузырь. Первые больные с мочевым пузырем «из пробирки» прожили уже более пяти лет.

       3.3. Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц.

Стоит сразу оговорить, что  речь пойдет не о каких-то чудодейственных средствах, которые активно предлагаются с прилавков магазинов или на различных сомнительных веб-сайтах (часто слово «нано» и «стволовые клетки» употребляют в таком случае в одном контексте — видимо, чтоб уж наверняка). Здесь кратко обсудим существующие и наиболее перспективные варианты молекулярных конструкций (или далее — наночастиц), которые уже используются или будут активно применяться в будущем для прямой доставки биологически активных молекул через кожу.

Наука не стоит на месте, и в лабораториях по всему миру ученые активно разрабатывают новые и высокоэффективные подходы в трансдермальной доставке, которые настолько обнадеживают, что складывается впечатление, будто в ближайшем будущем практически любое потенциально активное соединение — гидрофильное или гидрофобное, низкомолекулярное или полимерное (в том числе, белки и молекулы нуклеиновых кислот), — не составит труда доставить точно по адресу. И так, речь пойдет о нанотехнологиях и их применении в медицине (наномедицине).

«Нано» (греч. — миллиардная доля) в применении к описываемым объектам подразумевает, что их размеры находятся в пределах 1÷1000 нм (10⁻⁹ м), что соответствует уровням биологической организации от атомарного до субклеточного. Таким образом, под определение «наночастицы», вообще-то, попадают практически любые супрамолекулярные комплексы. Однако, по уже сложившейся традиции в биологической и медицинской литературе, под наночастицами обычно подразумевают вполне конкретные (и, прежде всего, искусственно созданные) молекулярные конструкции.

Биологические и биогенные наночастицы. Биологический мир буквально наполнен наночастицами — это ферменты (белки с каталитической активностью), молекулы ДНК и РНК, рибосомы, клеточные везикулы, вирусы и пр. Отличительной особенностью таких объектов является их способность к агрегации и самоорганизации. Это свойство активно используется при создании искусственных конструкций, имитирующих реальные биологические структуры.

Полимерные наночастицы. Полимерные материалы обладают рядом преимуществ, определяющих эффективность их применения в технологиях доставки, — биосовместимость, способность к биодеградации, функциональная совместимость. Типичными соединениями, которые представляют основу для создания полимерных наночастиц, являются полимолочная и полигликолевая кислоты, полиэтиленгликоль (ПЭГ), поликапралактон и др., а также их различные сополимеры.

Углеродные наночастицы. Нанотрубки и фуллерены являются одними из самых «узнаваемых» наноструктур/ За открытие этой новой формы существования углерода Р. Керл, Р. Смолли и Г. Крото в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии по химии. Нанотрубки обладают повышенным сродством к липидным структурам; при этом они способны образовывать стабильные комплексы с пептидами и ДНК-олигонуклеотидами. Это определяет их применение в области создания эффективных систем доставки вакцин и генетического материала.

Неорганические наночастицы. К этому классу обычно относят наноструктуры, полученные на основании оксида кремния, а также различных металлов (золото, серебро, платина). При этом часто такая наночастица имеет кремниевое ядро и внешнюю оболочку, сформированную атомами металла. Использование металлов позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свойств. Так, их активность может быть модулирована термическим воздействием (инфракрасное излучение), а также изменением магнитного поля. При этом показано, что металлические наночастицы могут эффективно проникать вглубь эпидермиса.

 

 

 

3.4. Тканевая  инженерия – окно в современную медицину.

В последние десятилетия стали отчетливо проявляться тревожные тенденции старения населения, роста количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных.

На сегодняшний день наука и техника предлагает несколько альтернативных путей восстановления или замены поврежденных или пораженных патологией тканей и органов:

• трансплантацию;
• имплантацию;
• тканевую инженерию.

Подробнее остановимся на возможностях и перспективах тканевой инженерии.

Тканевая инженерия — современная инновационная технология.

Принципиально новый подход — клеточная и тканевая инженерия — является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.

Цель тканевой инженерии — конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.

Важно отметить, что обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, — в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.

Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям:

1. способность к самовосстановлению;
2. способность поддерживать кровоснабжение;
3. способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.

«Фирменная» стратегия  тканевой инженерии.

На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:

1. отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток;
2. разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов;
3. нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования;
4. непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).

Матриксы через некоторое время  после имплантации в организм хозяина полностью исчезают (в зависимости от скорости роста ткани), а в месте дефекта останется только новая ткань. Также возможно внедрение матрикса с уже частично сформированной новой тканью («биокомпозит»). Безусловно, после имплантации тканеинженерная конструкция должна сохранить свои структуру и функции в течение периода времени, достаточного для восстановления нормально функционирующей ткани в месте дефекта, и интегрироваться с окружающими тканями. Но, к сожалению, идеальные матриксы, удовлетворяющие всем необходимым условиям, пока не созданы.

 

 

 

 

4. Струкруры биологических объектов. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био».

В последние годы приставка  «нано» стала известна даже тем, кто не имеет представления о её численном значении, а форсированное развитие нанотехнологий ставит вопросы, связанные с общественной безопасностью манипуляций с частицами, чей размер сопоставим с наиболее мелкими объектами в биологической иерархии наших организмов. Потенциал применения нанотехнологий в медицине огромен, но, как и пресловутая палка, обоюдоостр: за наноскопическим барьером скрываются не только чудеса, но и угрозы. Для адекватной оценки этих опасностей необходимо чётко представлять механизмы взаимодействий, возникающих в области непосредственного контакта искусственных наночастиц и клеток живого организма.

Эффект наночастиц на организм в целом.

Наноматериалы, благодаря своим уникальным свойствам (и не в последнюю очередь интерфейсу нано–био), имеют широчайшие перспективы применения в биологии и медицине:

• флуоресцентные метки для исследований и диагностики (особенно любопытны в этом смысле полупроводниковые квантовые точки, чьими оптическими параметрами легко управлять, просто меняя размер частицы);
• направленная доставка лекарств и генов (эта область — самая активно развивающаяся в наномедицине. Для доставки используют даже... капсиды аденовирусов, содержащие не инфекцию, а полезный «груз»);
• детектирование патогенов на молекулярном уровне;
• изучение взаимодействий белков и нуклеиновых кислот;
• разрушение опухолей селективным нагреванием (гипертермия или фототермическая терапия);
• выделение и очистка биомолекул и клеток — уникальные возможности для этой задачи дают магнитные наночастицы;
• контрастирование при томографии;

Безопасные наноматериалы будущего.

Уже сегодня, по данным промышленной аналитики, на рынке >800 продуктов, при изготовлении которых использовались нанотехнологии. Очевидно, что в ближайшем будущем эта тенденция не только сохранится, но и усилится — и не в последнюю очередь за счёт нанобиотехнологий. Чтобы избежать потенциальных опасностей со стороны «нанолекарств» и наноматериалов, необходимо иметь полные сведения о структуре интерфейсов «нано–био», в которых принимают участие наночастицы, оказавшись внутри живого организма. Видимо, эти знания станут хрестоматийными для первого поколения «наноучёных», которые обеспечат человечество неслыханными — в хорошем смысле — наноматериалами. Главное, чтобы не получилась ненароком «серая слизь».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биотехнология значительно облегчает  разработку новых лекарственных  препаратов, делая их быстродействующими, дешевыми, безопасными и более  эффективными. Вместо того чтобы просто проводить клинические испытания, ученые сейчас уже изучают общие  механизмы закономерности возникновения  заболеваний. С помощью моделирования  они способны разрабатывать и  изучать действие новых субстанций. Более 400 фармацевтических компаний по всему миру ведут исследования и  разработку продуктов генной инженерии, с каждым годом количество этих продуктов  растет, и по прогнозам, в течение  нескольких следующих лет рынок  будет насыщаться такими лекарствами.

Многие исследователи верят  в то, что влияние генетики на медицину сможет совершить революцию  в понимании здоровья человека; для  этого есть все основания –  медицинская генетика развивается  семимильными шагами.

Биотехнологическая революция в здравоохранении и медицине началась с освоения технологии рекомбинантной ДНК (генетическая инженерия). Каким бы не было применение этой технологии, конечным итогом процедуры всегда является стабильная и наследуемая экспрессия какого-либо нового признака.

Успехи в сфере создания рекомбинантных биомолекул углубили фундаментальные знания о молекулярной основе заболеваний человека и это послужило первопричиной создания новой прикладной науки – молекулярной медицины.

Успехи биотехнологии в области  создания более эффективных вакцин трудно переоценить, более того это  послужило толчком для дальнейших исследований в области микробиологии.

Биотехнология сейчас находится на подъеме благодаря поддержке  частных биотехнологических компаний и ученых с мировым именем. Но уже сейчас становится очевидно, что это явление не временно и значительно ускоряет прогресс не только в областях понимания фундаментальных основ существования биологических объектов, но и в ориентированных на прикладное применение областях, таких как медицина.