
- •Введение в биотехнологию
- •Лекция 8. Введение в генетическую инженерию
- •Генно-инженерные (генетически модифицированные) микроорганизмы-продуценты
- •Генетически модифицированные растения - Genetically modified crops
- •(Генная инженерия в фитобиотехнологии)
- •Лекция 9. Биотехнология в растениеводстве (продолжение) и животноводстве
- •Генная инженерия и клеточные технологии в животноводстве
- •Биотехнология в животноводстве включает следующие направления:
- •Лекция 10. Биотехнология в медицине
- •10.1. Роль биотехнологии в производстве лекарственных препаратов
- •1. Производство химиотерапевтических веществ
- •2. Производство лекарственных препаратов и биологически активных веществ.
- •3. Производство вакцин
- •4. Производство диагностикумов
- •5. Производство иных белков медицинского назначения
- •10.2. Стволовые клетки в биотехнологии
- •Лекция 11. Разное
5. Производство иных белков медицинского назначения
- гормонов (например, эритропоэтин, гормон роста – соматотропин); erythropoietin, also known as erythropoetin or erthropoyetin or EPO, is a glycoprotein hormone that controls erythropoiesis, or red blood cell production. It is a cytokine (protein signaling molecule) for erythrocyte (red blood cell) precursors in the bone marrow.
- интерферонов; interferons (IFNs) are proteins made and released by host cells in response to the presence of pathogens such as viruses, bacteria, parasites or tumor cells. They allow for communication between cells to trigger the protective defenses of the immune system that eradicate pathogens or tumors.
- белков-переносчиков лекарственных веществ
Пример: с помощью бакуловирусов – вирусов, поражающих насекомых (чешуекрылые, двукрылые и перепончатокрылые), в клетки насекомых, поддерживаемые в культуре, были введены и экспрессированы чужеродные гены. Удалось получить следующие рекомбинантные белки: альфа- и бета-интерферон, антиген вируса лихорадки денге, эритропоэтин, интерлейкин-2, белок-переносчик лекарственных веществ.
Фармакология и фармацевтика
Определение фармакологии. Pharmacology is the branch of medicine and biology concerned with the study of drug action, where a drug can be broadly defined as any man-made, natural, or endogenous (within the cell) molecule which exerts a biochemical and/or physiological effect on the cell, tissue, organ, or organism. More specifically, it is the study of the interactions that occur between a living organism and chemicals that affect normal or abnormal biochemical function. If substances have medicinal properties, they are considered pharmaceuticals. The field encompasses drug composition and properties, interactions, toxicology, therapy, and medical applications and antipathogenic capabilities. The two main areas of pharmacology are pharmacodynamics and pharmacokinetics.
Pharmaceutics is the discipline of pharmacy that deals with the process of turning a new chemical entity (NCE) into a medication to be used safely and effectively by patients. It is also called the science of dosage form design. There are many chemicals with pharmacological properties, but need special measures to help them achieve therapeutically relevant amounts at their sites of action. Pharmaceutics helps relate the formulation of drugs to their delivery and disposition in the body.
10.2. Стволовые клетки в биотехнологии
Стволовые клетки в онтогенезе. Развитие начинается с зиготы, которая дробится на некое количество тотипотентных клеток. Самая ранняя специализация тотипотентных (эмбриональных стволовых - ЭСК) клеток происходит на стадии бластоцисты, у которой есть наружный слой и внутренняя клеточная масса в полости. Из наружного слоя развивается главным образом плацента, из внутренней массы – почти все органы и ткани плода. Клетки внутренней клеточной массы плюрипотентны – их наличие необходимо, но не достаточно для формирования плода. Плюрипотентные клетки подвергаются дальнейшей специализации с образованием стволовых клеток определенных типов, из которых развиваются еще более специализированные клетки (клетки-предшественники, полустволовые клетки) будущих органов и тканей. Например, форменные элементы крови развиваются из кроветворных (гемопоэтических) стволовых клеток, различные клетки кожи – из стволовых клеток кожи и т.д. Органы и ткани состоят из зрелых клеток.
Стволовы́е кле́тки — недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся во всех многоклеточных организмах. Стволовые клетки способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться посредством митоза и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей.
Стволовые клетки являются одной из ступеней дифферона, или гистогенетического ряда, т.е. совокупности клеточных форм, составляющих ту или иную линию дифференцировки. В диффероне различают (в порядке дифференцировки): стволовые клетки – самоподдерживающаяся популяция клеток, способных дифференцироваться в нескольких направлениях и формировать различные клеточные типы; они обладают высокой потенцией к пролиферации (делению), но делятся, как правило, редко; коммитированные (полустволовые) клетки – ранняя стадия клеток-предшественников, переходный этап от стволовых к зрелым клеткам; коммитирование – это ограничение возможных путей развития вследствие детерминации; собственно клетки-предшественники, переходный этап от стволовых к зрелым клеткам, с уменьшенной способностью к делению; зрелые клетки – способность к делению у них полностью исчезает.
Более ранние ЭСК дифференцируются в любую из 250 линий клеток органов. Плюрипотентны ЭСК дают более ограниченный спектр клеточных типов. Монпотентные СК созревают до одного преобладющего типа клеток (мышцы, жировая ткань, периферические нервы).
Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки. Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) — мультипотентные стволовые клетки, способные дифференцироваться в остеобласты (клетки костной ткани), хондроциты (хрящевые клетки) и адипоциты (жировые клетки). Предшественниками ММСК в эмбриогенный период развития являются мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Они могут быть обнаружены в местах распространения мезенхимы, то есть зародышевой соединительной ткани. Основным источником ММСК является костный мозг.
Важнейшей и наиболее перспективной областью клинического применения ММСК является котрансплантация совместно с ГСК (гемопоэтическими стволовыми клетками) в целях улучшения приживления образца костного мозга или стволовых клеток пуповинной крови.
In cell biology, stromal cells are connective tissue cells of any organ, for example in the uterine mucosa (endometrium), prostate, bone marrow, and the ovary. They are cells that support the function of the parenchymal cells of that organ. Fibroblasts, immune cells, pericytes, and inflammatory cells are the most common types of stromal cells.
Открытие стволовых клеток приравнивается по своей важности к раскрытию структуры ДНК. Первая концепция стволовых клеток появилась еще в 1908 г., но прорывные исследования в этой области проводились только в 1960-80-х годах. Наиболее значимым открытием для биотехнологии стволовых клеток было то, что они могут быть внесены в организм искусственно и далее давать начало любым другим клеткам.
Получение плюрипотентных клеток. Линии плюрипотентных клеток человека получают из 2-х источников:
1) из внутренней клеточной массы эмбриона на стадии бластоцисты (с разрешения донора); такие клетки выделяют в культуру, получая клеточную линию;
2) из тканей плода (с разрешения обоих супругов, при прерывании беременности) – из той области плода, которая должна развиться в гонады.
Полученные такими путями СК дают идентичные клеточные линии (зародышевые линии);
3-й способ получения линий СК апробирован на животных:
3) перенос в энуклеированную яйцеклетку ядра соматической клетки; из яйцеклеки с новым ядром формируется бластоциста, которая и служит источником плюрипотентных клеток.
За счет непрерывного размножения полустволовых клеток происходит непрерывная физиологическая регенерация клеток (в эпителии кожи, эпителии кишечника, крови); а также происходит репаративная регенерация при повреждениях. В ряде тканей в течение всей жизни сохраняются стволовые и полустволовые клетки. Их размножение происходит в ответ на случайную гибель зрелых клеток, и популяция восстанавливается. В тканях взрослого человека, где стволовых клеток не остается, регенерация на тканевом уровне невозможна, она происходит лишь на клеточном уровне.
Стволовые клетки в медицинской биотехнологии. Главнейшее применение плюрипотентных клеток – это клеточная терапия (разновидность – тканевая терапия). Клеточная терапия применяется в случае повреждения клеток в нескольких органах, когда локальная трансплантация не решает проблемы. Плюрипотентные клетки в таких случаях могут служить для замещения поврежденных клеток в разных тканях через процесс дифференцировки. Перспективные к лечению клеточной терапией болезни: болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания, ревматоидный артрит, диабет. Ведутся исследования по ввдению в организм плюрипотентных клеток с целью «подновления» нервной ткани, костного мозга, сердечной мышцы, островком Лангерганса.
Возможна трансплатнация СК для замещения серьезных генетических дефектов в органах. При этом СК дают ростки донорской ткани. Всего 3-5% генетически нормальных клеток достаточно, чтобы восстановить утраченную биохимическую функцию поврежденной печени, скелетной мышцы, эндокринной железы. В частности, на животных показано, что трансплантация нормальных клеток сердечной мышцы особям с сердечной недостаточностью приводит к частичной замене пораженных клеток, без отторжения донорных клеток. Введение предшественников клеток кости в зону перелома может ускорить процесс сращивания кости. Введение предшественников хрящевых клеток в суставную сумку может стимулировать регенерацию хряща. В случае, если диабет связан с нарушениями в островковых клетках поджелудочной железы, трансплантация донорских островковых клеток позволяет снизить регулярно принимаемую дозу инсулина.
Применение СК в клинической практике, тем не менее, тормозится следующими причинами:
- не выяснены до конца события, предшествующие переходу клетки в организме реципиента к стадии дифференцировки;
- существует проблема иммунологического отторжения.
Этическая и правовая сторона вопроса. Начиная с 2007 г. в Европейском Союзе принят законопроект, регулирующий терапию стволовыми клетками. Эта практика законна в настоящее время в нескольких странах, включая Великобританию и Украину. Каждая страна имеет право на запрет как практики, так и исследований, связанных с терапией на основе человеческих эмбрионов.
Одно из возможных направлений применения СК – это генная терапия in vivo: когда в организм пациента, страдающего генетическим заболеванием, можно ввести не обычные СК, а генетически модифицированные, которые замещают дефектные клетки, либо восполняют недостаток продукта того гена, который введен в геном вводимых клеток. Стволовые клетки можно получить от самого пациента, либо от совместимых с ним доноров. Данное направление пока находится в самой начальной стадии развития.
Кроме того, при биомедицинских исследованиях на стволовых клетках возможно тестирование лекарственных и токсических веществ, на ЭСК разрабатываются технологии лечения наследственных заболеваний.
Применение стволовых клеток в генной инженерии состоит в следующем. Для создания трансгенных животных берутся ЭСК из внутренней клеточной массы бластоцисты животного, культивируются, трансген вводится в них с помощью вирусного вектора, трансфицированые ЭСК вводят микроинъекцией в бластоцисту, имплантируют бластоцисту в суррогантую мать, которая рождает трансгенное животное.
Клеточная инженерия с примением ЭКС.
Кле́точная инжене́рия - конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение целых клеток, принадлежавших различным видам (и даже относящихся к разным царствам — растениям и животным), с образованием клетки, несущей генетический материал обеих клеток
КЛЕ́ТОЧНАЯ ИНЖЕНЕ́РИЯ - создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции и культивирования. В узком смысле слова под этим термином понимают гибридизацию протопластов или животных клеток, в широком — различные манипуляции с ними, направленные на решение научных и практических задач.
Cellular Engineering, Tissue Engineering, and Regenerative Medicine are all part of a new science that seeks to understand how cells, tissues, and organs undergo adaptive or maladaptive responses to stimuli whose effects may be beneficial (e.g., in natural or engineered nutritive microenvironments) or harmful (e.g. in aging, stress, or injury). This new area clearly is not a single discipline. Rather, it requires the integration of engineering, material science, biology, chemistry, physics, and medicine. This multidisciplinary approach pushes the frontiers of our understanding of cells as control systems, how the individual subcomponents can be retooled to alter cell function, and how cells interact with each other and their microenvironment to form tissues.
Клеточная технология. Cell technology - development and commercialization of cell therapies for the treatment of a variety of diseases. Cell technology is primarily developing stem cell-based technologies, both adult and human embryonic, and other methods and treatments in the area of regenerative medicine.
Подтема 3. Генетическая диагностика наследственных и инфекционных заболеваний
1. Gene Diagnostics is the testing of DNA for mutations that could lead to a number of diseases and or genetic disorders. A very accurate diagnosis can be made on a wide array of genetic disorders by doing a genetic test or screening. A genetic disorder is an illness caused by abnormalities in genes or chromosomes, especially a condition that is present from before birth. Most genetic disorders are quite rare and affect one person in every several thousands or millions. Genetic testing (also called DNA-based tests) is among the newest and most sophisticated of techniques used to test for genetic disorders which involves direct examination of the DNA molecule itself. Other genetic tests include biochemical tests for such gene products as enzymes and other proteins and for microscopic examination of stained or fluorescent chromosomes. Genetic tests are used for several reasons, including:
- identifying unaffected individuals who carry one copy of a gene for a disease that requires two copies for the disease to be expressed, these are some examples:
- preimplantation genetic diagnosis (see the side bar, Screening Embryos for Disease)
- prenatal diagnostic testing [e.g. phenylketonuria (PKU) - an autosomal recessive metabolic genetic disorder characterized by a mutation in the gene for the hepatic enzyme phenylalanine hydroxylase (PAH), rendering it nonfunctional]
- newborn screening
- genealogical DNA test (for genetic genealogy purposes)
- presymptomatic testing for predicting adult-onset disorders such as Huntington's disease
- presymptomatic testing for estimating the risk of developing adult-onset cancers and Alzheimer's disease
- confirmational diagnosis of a symptomatic individual
- forensic/identity testing
2. Infectious diseases genetic testing
When we hear the term "infectious disease," we usually think of something that can infect us and cause a disease process to begin. That "something" can be a bacteria, virus, parasite, or fungus obtained from many different sources (other infected individuals, poor hygiene, transfusion with infected blood, shared needles between drug users, etc.). Disease-causing bacteria and viruses are known as infectious agents, and some of them can be quickly identified by using genetic testing techniques; however, common infectious agents, such as certain bacteria and viruses, are much less expensive to identify using standard laboratory methods that don't involve genetic testing techniques.
Bacteria are one-celled organisms that contain their own DNA and in some cases can cause serious disease. Even those bacteria that harmlessly live inside our bodies and are involved in beneficial chemical processes can become mutated under unusual conditions and cause us to be very sick. By isolating the DNA from bacteria, breaking it into small pieces, and amplifying them, the bacteria can be identified very quickly. Some of the bacteria that can be quickly identified using these genetic testing techniques include: Chlamydia trachomitis, which is an organism that causes the sexually-transmitted disease chlamydia; Neisseria gonorrhea, which causes gonorrhea, Borrelia burgdorferi which causes Lyme Disease, Legionella pneumophilia which causes Legionnaire's disease, Mycoplasma pneumoniae which leads to "walking pneumonia," Mycopbacterium tuberculosis which can cause tuberculosis, and Bordetella pertussis which causes whooping cough. Specimens that might contain these bacteria include urine, blood, sputum, cerebrospinal fluid, and others.
Viruses are unusual organisms that sometimes insert their DNA into a host's genome. The viral RNA or DNA utilizes the host's cells to produce proteins and make more viruses. Viruses such as hepatitis C virus (HCV) and human immunodeficiency virus (HIV) are examples of RNA viruses.
Other disease-causing viruses that contain DNA instead of RNA include Herpes simplex virus, cytomegalovirus, Epstein-Barr virus, parvovirus, and varicella-zoster viruses. All of these viruses can be identified by first removing the suspected viral DNA or RNA from a patient specimen and then using it to provide a "fingerprint" of the suspected virus. Specimens usually include blood, cerebrospinal fluid, sputum, other body fluids, amniotic fluid, tissue, or bone marrow. Much of the testing on donor blood that will be used in a blood transfusion utilizes genetic testing to inspect the blood for viral contamination.
Determining how many copies of a virus' RNA are present in an individual's blood is another use of infectious disease genetic testing techniques. The number of copies present is typically referred to as the "viral load" or "viral burden." This testing is usually done after a drug therapy is initiated to assess whether it is working to remove or decrease the viral RNA load. The most common viral load tests are for HCV or HIV, and the tests require a sample of blood.
A parasite is a complex multi-cellular organism. Parasites usually infect an individual through the saliva of a biting insect, such as a mosquito, or through infected material. An example of a parasite that can be identified using genetic tests is Toxoplasma gondii, which can cause encephalitis or congenital infections that lead to severe damage of a fetus (fetal toxoplasmosis).
Подтема 4. Клеточные технологии репродукции.
Reproductive technology encompasses all current and anticipated uses of technology in human and animal reproduction, including assisted reproductive technology, contraception.
Assisted reproductive technology (ART) is the use of reproductive technology to treat infertility. This is today the only application of reproductive technology to increase reproduction that is used routinely. Examples include in vitro fertilization and its possible expansions.
• artificial insemination
• artificial reproduction
• cloning (see human cloning for the special case of human beings)
• cryopreservation of sperm, oocytes, embryos
• embryo transfer
• fertility medication
• hormone treatment
• in vitro fertilization (incl. intracytoplasmic sperm injection)
• preimplantation genetic diagnosis
In medicine and (clinical) genetics pre-implantation genetic diagnosis (PGD or PIGD) (also known as embryo screening) refers to procedures that are performed on embryos prior to implantation, sometimes even on oocytes prior to fertilization. PGD is considered another way to prenatal diagnosis. When used to screen for a specific genetic disease, its main advantage is that it avoids selective pregnancy termination as the method makes it highly likely that the baby will be free of the disease under consideration. PGD thus is an adjunct to assisted reproductive technology, and requires in vitro fertilization (IVF) to obtain oocytes or embryos for evaluation.
Для преодоления бесплодия широко используются вспомогательные репродуктивные технологии:
- искусственная инсеминация,
- экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО),
- интрацитоплазматическая инъекция сперматозоида в яйцеклетку,
- перенос гамет и зигот в трубы и матку.
Основной отличительной особенностью этих технологий являются манипуляции с гаметами вне организма человека, а целью – наступление беременности и рождение здорового ребенка.