МЕДИЦИНСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ НА ПУТИ К КАБИНЕТУ ВРАЧА
Кандидат химических наук О. БЕЛОКОНЕВА.
С 10 по 14 ноября 2003 года в Москве проходил Второй Московский международный конгресс "Биотехнология: состояние и перспективы развития". На нем были представлены все разделы науки, промышленности и общественной жизни, связанные с биотехнологией: медицина, геобиотехнология, инновации, финансы и бизнес, окружающая среда, биокатализ, образовани е, сельское хозяйство, пищевая промышленность, биобезопасность и биоэтика. В течение пяти дней в здании правительства Москвы проходило по четыре-пять секционных заседаний одновременно, ежедневно обновлялись стендовые доклады, была организована выставка "Мир биотехнологии 2003", представлявшая новейшие разработки отечественных и зарубежных предприятий. На конгрессе присутствовали видные ученые из Франции, Канады, Германии, Швейцарии и других стран. В его рамках прошли российско-германский симпозиум "Биотехнология и туберкулез", а также российско-финский симпозиум "Опыт и перспективы российско-финского сотрудничества в области биотехнологии".
Отставание производства от научных исследований - беда большинства отраслей науки и техники во всем мире. Наиболее остро эта проблема стоит в медицине. Ведь медицинская наука - самое быстроразвивающееся направление научных исследований, и сумма знаний в ней увеличивается в геометрической прогрессии. И почти с той же скоростью растет пропасть между открытиями, которые уже в ближайшее время могут быть внедрены в медицинскую практику, и реальным набором медицинских технологий, находящихся в арсенале практикующего врача. В нашей стране практическая медицина из-за скудного финансирования отстает от уровня развития мировой медицинской науки особенно сильно. Но несмотря на трудности российские ученые ведут работу по многим направлениям медицинской биотехнологии, причем на высоком научном уровне, и даже умудряются внедрять некоторые разработки во врачебную практику. О некоторых интересных работах, представленных на конгрессе, и пойдет речь ниже.
Лекарства, открывающие каналы
Содержимое любой живой клетки заключено в оболочку, так называемую клеточную мембрану. В основном она состоит из двойного слоя молекул жироподобных веществ - липидов. Мембрана не только защищает клетку от внешних воздействий, но и служит связующим звеном между окружающей средой и составляющими клетки. Обеспечивают эту связь белковые молекулы, встроенные в липидную мембрану. С помощью таких белков клетка получает извне различные "молекулярные сигналы" и реагирует на них. Одной из разновидностей белков, встроенных в мембрану живой клетки, являются так называемые ионные каналы, которые отвечают за перенос заряженных ионов через мембрану. Каналы постоянно "открываются" и "закрываются" под действием различных физиологически активных веществ. Ослабление и усиление ионного потока вызывает изменение мембранного потенциала (гиперполяризацию или деполяризацию мембраны), что, в свою очередь, сказывается на многих физиологических процессах: скорости проведения нервного импульса, мышечном тонусе, терморегуляции, кровообращении, чувствительности к боли и т.д. Ученые открыли и изучили каналы для переноса ионов Са2+, Na+, K+. Сбои в работе этих ионных каналов приводят к различным недомоганиям. Поэтому вещества, влияющие на их функционирование, давно используются как лекарственные препараты для лечения эпилепсии, аритмии, а также как средства для местного обезболивания.
Во французском Институте молекулярной и клеточной фармакологии, которым руководит профессор Мишель Лазунски, недавно открыта новая разновидность К+-каналов, присутствующих в мембранах всех живых клеток. Они создают на мембране небольшую фоновую разность потенциалов, защищающую клетку от нежелательных воздействий. Функции этих каналов довольно разнообразны: например, они регулируют чувствительность организма к перепадам температуры. Но самое интересное то, что вещества, их "открывающие" (а таковыми являются жирные кислоты с большим количеством ненасыщенных двойных связей в углеводородной цепи), предотвращают гибель нервных клеток при поражениях спинного мозга, аневризме, атеросклерозе, эпилепсии (правда, пока только у подопытных животных). Поэтому вещества-активаторы новой разновидности ионных каналов - кандидаты на лекарственные препараты от этих тяжелых, неизлечимых заболеваний.
Фармацевтическая фабрика в растениях
Сегодня во всем мире огромные средства вкладываются в поиск новых лекарственных соединений. Но открыть новое вещество и изучить механизм его действия мало для создания лекарственного препарата. Надо еще научиться быстро и дешево производить его в достаточных количествах. Чаще всего потенциальные лекарства - вещества природного происхождения. Для того чтобы выделить их в количестве, достаточном для производства препарата, нужно огромное количество биологического материала (органы и ткани животных, растительное сырье). Синтезировать же необходимое соединение химическим путем не всегда возможно, а если возможно, то дорого и трудоемко.
Но когда лекарственный препарат - вещество белковой природы, то есть его молекула представляет собой цепочку из аминокислот, фармацевтическое производство можно наладить другим способом: ген, кодирующий лекарственное вещество, встраивают в геном растения. Растение становится настоящей лабораторией, где синтезируется лекарственный препарат. Сегодня создание растений и даже животных, производящих те или иные нужные человеку вещества (так называемые биофабрики), - самое передовое направление в сельскохозяйственной биотехнологии.
Новые сорта трансгенных растений успешно используются, например, для производства вакцин. А в лаборатории Канадского сельскохозяйственного центра под руководством профессора Джеймса Брэндла был создан новый сорт трансгенного табака, листья которого в больших количествах вырабатывают физиологически активное вещество - интерлейкин-10. Питаясь листьями этого растения, подопытные мыши излечивались от спаечной болезни кишечника. Возможно, в будущем трансгенный табак будет работать как биофабрика по производству интерлейкина-10, который поможет избавиться от этой болезни не только подопытным животным.
Перевозчик для лекарства
Когда человек принимает лекарство, то оно попадает в кровоток, который разносит препарат по организму к органам и тканям. Но кровь в основном состоит из воды. Между тем далеко не все лекарства растворимы в воде (гидрофильны). Некоторые витамины, гормоны, нейромедиато ры, антибиотики в ней не растворяются, они гидрофобны. Обычно такие вещества жирораство римы, то есть они имеют сродство к жирам и жироподобным соединениям. Как же доставить жирорастворимое лекарство, которое не сможет проникнуть в водную фазу, по кровотоку к органу-мишени?
Понятно, что для транспортировки к клеткам-мишеням жирорастворимые лекарственные вещества нуждаются в специальных переносчиках. В природе роль переносчиков гидрофобных соединений играют белки и липопротеины плазмы крови. Самыми близкими аналогами природных переносчиков являются наночастицы (коллоидные частицы, размер которых колеблется от десяти до нескольких сотен нанометров). Наиболее широко в качестве переносчиков лекарств применяются наночастицы из фосфолипидных молекул - липосомы. Они очень удобны, поскольку построены из молекул, которые легко расщепляются в организме и нетоксичны.
Липосомы не только позволяют "растворить" нерастворимое в воде вещество, они также способны доставить его к месту назначения - в пораженный орган, ткань или даже клетку. На липосомах легко сорбируются белки плазмы крови, после чего их "заглатывают" макрофаги. Макрофаги поглощают и болезнетворные бактерии. Таким образом, если "загрузить" молекулу жирорастворимого антибиотика внутрь липосомы, то лекарство попадет в то же самое место, где скрывается бактерия, и уничтожит ее. Такое свойство липосом очень полезно для антибактери альной терапии внутриклеточных инфекций.
Также, конструируя липосомы разного состава, можно "нацеливать" их на злокачественную опухоль, область воспаления или даже на определенный орган или ткань. Чтобы заблокировать захват липосом макрофагами, к поверхности липосом химически "пришивают" полимерные цепи. Использование липосом уменьшает действующую концентрацию лекарственных препаратов и, как следствие, их побочное действие. Уже сегодня в аптеках можно встретить некоторые липосомные препараты: антибиотиоки для лечения внутриклеточных инфекций, противоопухолевые препараты, вакцины (в том числе и против гриппа).
В Московской государственной академии тонкой химической технологии (МГАХТ) им. М. В. Ломоносова на кафедре биотехнологии под руководством профессора А. П. Каплуна разрабатываются различные системы доставки лекарственных веществ. Сейчас проходит клинические испытания созданный ими (совместно с МНТК "Микрохирургия глаза") новый липосомный препарат для заживления ран после операций на роговице. Так же перспективно использование разработанного в МГАХТ другого липосомного препарата, который может быть с успехом применен для лечения болезни Паркинсона - тяжелого заболевания центральной нервной системы, обусловленного снижением уровня дофамина в головном мозге. Гидрофобная молекула дофамина сама по себе попасть через кровоток в головной мозг не может - ей нужен специальный "перевозчик". С химической точки зрения новое лекарство представляет собой молекулу дофамина, заключенную в липидную оболочку. Липосомный препарат эффективно преодолева ет гематоэнцефалический барьер, и концентрация дофамина в головном мозге нормализуется. Как следствие - снимаются симптомы болезни Паркинсона.
Первая в мире вакцина против дизентерии
Институт иммунологии Министерства здравоохранения России - один из лидеров в нашей стране по созданию новых вакцин. В институте разработана оригинальная технология, суть которой состоит в том, что комплекс антигенных молекул (то есть тех молекул, которые вызывают выработку специфических антител) "пришивают" на синтетический носитель - полимерную молекулу полиоксидония. При этом уровень выработки антител повышается минимум на порядок. Под руководством профессора Н. Г. Пучковой с использованием этой технологии создана новая эффективная вакцина против гриппа. А в лаборатории, которую возглавляет профессор И. Г. Сидорович, ведется работа по созданию вакцины против вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) также с применением полиоксидония. Кандидатов на вакцину против ВИЧ во всем мире создано множество, но в ходе клинических испытаний ни одна из них не оказалась достаточно эффективной. Новая вакцина, разработанная российскими исследователями, при введении в организм животных вызывает выработку антител к ВИЧ. Но пока неизвестно, сможет ли она стать основой коммерческого препарата для лечения и профилактики синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИДа).
Но, безусловно, наиболее значительным практическим достижением российских иммунологов можно назвать создание первой в мире вакцины против одной из разновидностей дизентерии, вызываемой возбудителем "шигелла Зонне" (ее коммерческое название - "Шигеллвак"). Один из руководителей этой работы - заведующий лабораторией Института иммунологии В. Л. Львов.
Необходимость создания такой вакцины продиктована высоким уровнем заболеваемости шигеллезом Зонне, а также появлением штаммов шигелл, устойчивых к антибиотикам. Среди всех разновидностей дизентерии шигеллез Зонне вышел на первое место по уровню заболеваемости в странах Европы, Северной Америки и Японии. Только в России, как в крупных городах, так и в сельской местности, ежегодно официально регистрируется до пяти тысяч случаев этого заболевания. Еще 10-15 лет назад создание вакцины против дизентерии представлялось делом сложным, если вообще возможным. В настоящее время и в США ученые близки к созданию коммерческого препарата вакцины против дизентерии. Кстати, принцип создания отечественной вакцины оригинален и отличен от американского.
Профилактическую эффективность российской вакцины изучали в районном центре Романовка Саратовской области, неблагополучном по заболеваемости шигеллезом Зонне. В ближайших планах ученых из Института иммунологии - создание вакцины против дизентерии трех видов: шигеллезов Зонне, Флекснера и Шига. Такая вакцина "покроет" более 80% всех случаев дизентерии в России.
Прививка от рака
На первый взгляд профилактика и лечение рака с помощью вакцин кажется утопией. Но тем не менее сегодня в арсенале ученых есть способы, позволяющие создать противораковую вакцину. Так, в середине 70-х годов прошлого века из опухолевых клеток были выделены белки теплового шока. Такое название обусловлено тем, что клетки вырабатывают их в условиях повышенной температуры. Кроме того, белки теплового шока захватывают антигенные участки белковых молекул, так называемые опухолеспецифические пептиды, вызывающие раковое перерождение клетки. Поэтому введение белков теплового шока вызывает у подопытных животных сильную иммунную реакцию - выработку специфических антител. Это означает, что белки теплового шока могут быть использованы для иммунизации больного против определенного вида опухоли. Сейчас на их основе в США уже производятся эффективные вакцины для лечения меланомы, карциномы почки и профилактики метастазирования. Но противораковая вакцина изготавливается для каждого пациента индивидуально, и для ее производства требуется не менее 5 г опухолевой ткани. В данном требовании и состоит ограничение применения метода.
В лабораториях Всероссийского научного центра молекулярной диагностики и лечения под руководством члена-корреспондента РАН Е. С. Северина создается новая вакцина против папилломы - очень распространенной разновидности раковой опухоли, имеющей вирусную природу. Структура вируса проста: он представляет собой восемь генов, заключенных в белковую оболочку. Считается, что два из них являются генами, отвечающими за злокачественное перерождение ткани. Российские исследователи под руководством профессора В. И. Киселева преодолели указанные выше ограничения американского метода создания противораковых вакцин и применили для изготовления вакцины другой способ: они сконструировали гибридный ген (ген белка теплового шока и один из генов вируса папилломы) и генно-инженерными методами получили соответствующий ему гибридный белок, представляющий собой комплекс одного из белков теплового шока с белком, отвечающим за развитие злокачественного новообразования. Оказалось, что гибридная вакцина очень эффективно подавляет рост папилломных опухолевых клеток в культуре. Ученые считают, что им удалось промоделировать природный процесс защиты организма от развития рака и что новая вакцина еще продемонстрирует свои возможности в экспериментах на животных и в клинических испытаниях. Конечно, только вакциной от папилломы исследователи ограничиваться не собираются. Уже сейчас во Всероссийском научном центре молекулярной диагностики и лечения созданы гибридные белки, которые предполагается использовать в качестве вакцины против рака гортани, прямой кишки и яичников.
Манту и БЦЖ пора менять
В нашей стране здоровым новорожденным детям на 5-7-й день жизни в обязательном порядке делают прививку от туберкулеза - БЦЖ. Вакцина БЦЖ была создана еще в 1923 году французскими учеными Кальметтом и Гереном и названа в их честь - Bacillium CalmetteGuerin, или BCG (в русской транскрипции - БЦЖ). Неудивительно, что через 80 лет штаммы микобактерий, вызывающих туберкулез, претерпели существенные изменения. Поэтому сегодня эффективность БЦЖ составляет не более 8%, то есть при инфицировании туберкулезом не заболевают всего лишь 8 из 100 человек, привитых в младенчестве. Получается, что прививка, сделанная в роддоме, практически бесполезна.
Не лучше обстоят дела и с широко известной реакцией Манту, использующейся как инструмент для постановки диагноза "туберкулез". Основу диагностической вакцины составляет специальный препарат микобактерий, предложенный в 1908 году французским ученым Манту. Реакция Манту помогала врачам в постановке диагноза почти 100 лет. Теперь же только 7% пациентов, имеющих так называемую "положительную" реакцию Манту, реально больны туберкулезом, то есть поставить диагноз таким способом просто невозможно.
Именно поэтому ученые из Всероссийского научного центра молекулярной диагностики и лечения под руководством профессора В. И. Киселева поставили перед собой задачу создать препараты, альтернативные БЦЖ и реакции Манту. В сотрудничестве с ЦНИИ туберкулеза РАМН сегодня успешно разрабатывается рекомбинантная (то есть полученная методами генетической инженерии) противотуберкулезная вакцина, в которой в качестве носителя используется, как и при создании описанных выше противораковых вакцин, белок теплового шока. А вот новый диагностический препарат на основе двух рекомбинантных белков микобактерии M. Tuberculosis, который определяет наличие инфекции с высокой чувствительностью и специфичностью, уже практически готов к использованию в клиниках вместо дискредитировавшей себя реакции Манту.
Диагноз ставит микрочип
Одна из основных прикладных задач медицины - экспресс-диагностика заболеваний. Для ее решения ученые Института молекулярной биологии (ИМБ) им. В. А. Энгельгардта РАН предлагают биологические микрочипы - уникальную технологию, разработанную под руководством недавно ушедшего из жизни академика А. Д. Мирзабекова. Суть метода состоит в том, что в ячейки, наполненные полиакриламидным гелем, помещаются фрагменты молекул ДНК возбудителей различных инфекционных заболеваний. К ним добавляют фрагменты ДНК из исследуемого образца. Участки исследуемой ДНК метятся флуоресцентной молекулой. Если известный и анализируемый образцы совпадают (то есть анализируемый образец содержит ДНК, идентичную ДНК возбудителя инфекции), то флуоресцентный микроскоп (кстати, тоже специально разработанный в ИМБ РАН) регистрирует сигнал из соответствующей ячейки и обрабатывает его на компьютере с использованием оригинального программного обеспечения. В результате врач получает возможность определить, какая разновидность бактерии или вируса вызвала те или иные симптомы заболевания у пациента, и назначить адекватное лечение. Иногда можно даже установить, какие антибиотики будут эффективны против данного штамма бактерий, а к каким они уже выработали устойчивость.
С помощью этого метода анализ клинического образца проводится всего лишь за сутки. Он обеспечивает высокую чувствительность анализа и позволяет быстро определять наличие любых возбудителей инфекционных заболеваний в физиологических жидкостях больного. Ученые ИМБ РАН разработали также портативный вариант прибора для регистрации результатов анализа в полевых условиях, представляющий собой комбинацию лазерного сканера и флуоресцентного микроскопа.
Метод обнаружения и идентификации различных форм туберкулеза с помощью микрочипов уже успешно испытан в Московском городском научно-практическом центре по борьбе с туберкулезом и в настоящее время проходит сертификацию в Министерстве здравоохранения РФ.
*
Даже этот далеко не полный перечень работ вселяет оптимизм и показывает, что многие научные школы пережили трудное десятилетие в отечественной истории и выжили, несмотря на все перипетии. Хочется, чтобы эти и другие разработки не остались на пороге поликлиники, а поскорее стали инструментом в руках практикующих врачей.
"Наука и жизнь" о биотехнологии:
Белоконева О., канд. хим. наук. Технология ХХI века в России. Быть или не быть? - 2001, № 1.
Глеба Ю., акад. Еще раз о биотехнологии, но больше о том, как нам выйти в мир. - 2000, № 4.
Киселев Л., член-корр. РАН. Впервые огромный генетический "чертеж" многоклеточного существа прочитан полностью. - 1999, № 3.
Лебедев В., канд. биол. наук. Миф о трансгенной угрозе. - 2003, №№ 11, 12.
Попов Л., канд. биол. наук. Стадо для чеддера. - 1999, № 8.
Попов Л., канд. биол. наук. Фантастический шницель. - 2000, № 4.
По следам овечки Долли. - 1997, № 6.
Созинов А., акад. Семена для третьего тысячелетия. - 1998, № 10.
Фролов Ю. Трансгенные растения: как это делается. - 1998, № 10.
Читайте в любое время
