- •«Российский государственный университет нефти и газа имени и. М. Губкина» в г. Оренбурге
- •Лекция n1
- •1.Предмет и задачи биотехнологии
- •2.Выбор биотехнологических объектов
- •Лекция №2 Метаболизм. Основные процессы клеточного метаболизма. Механизмы регуляции метаболитических процессов.
- •Регуляция синтеза белков с точки зрения молекулярной биологии.
- •Лекция № 3 Понятие о первичных и вторичных метаболитах.
- •Теоретические основы получения первичных метаболитов.
- •Анаэробные процессы.
- •Аэробные процессы
- •2.Получение глюконовой кислоты.
- •3.Получение итаконовой кислоты.
- •Процессы с полным окислением
- •1. Получение лимонной кислоты.
- •2.Получение кетокислот (пировиноградной и кетоглутаровой).
- •Лекция №4 Теоретические основы получения вторичных метаболитов
- •1. Получение антибиотиков
- •2.Производство аминокислот
- •3.Производство витаминов. (самостоятельно)
- •Производство водорастворимых витаминов (в2, в12).
- •Производство жирорастворимых витаминов (a, d).
- •Использование процесса микробной биотрансформации при промышленном получении витамина с. Лекция №5 биотрансформация и биодеградация органических соединений
- •1.Биотрансформация органических соединений
- •1.1.Процессы микробной химии
- •1.2.Методы микробной трансформации органических соединений.
- •I. Использование ферментативных свойств интактных (нормальных) клеток:
- •III. Конструирование штаммов с повышенной способностью к трансформации органических соединений.
- •IV. Использование ферментных препаратов, иммобилизованных ферментов и клеток.
- •1.2.1.Трансформация растущей культурой в периодических условиях
- •1.2.2.Трансформация суспензиями неразмножающихся клеток
- •1.2.3.Трансформация осуществляемая спорами грибов и актиномицетов
- •1.2.4.Непрерывные методы культивирования
- •1.2.5.Кометаболизм
- •1.2.6.Применение поврежденных и дезинтегрированных клеток
- •1.2.7.Ингибирование определенных участков метаболитических путей.
- •1.2.8.Применение мутантов с блокированным синтезом определенных ферментов
- •1.2.9. Конструирование штаммов с повышенной способностью к трансформации
- •1.2.10.Ферментные препараты и иммобилизованные ферменты
- •1.2.11.Иммобилизация клеток
- •1.2.12.Политрансформации
- •1.Подбор штамма, способного осуществлять нужную трансформацию
- •1.3.Микроорганизмы трансформирующие органические соединения
- •1.4.Примеры трансформации органических соединений
- •2.Биодеградация токсичных соединений
- •2.1.Деградация ксенобиотиков с помощью микроорганизмов
- •2.2. Использование методов генной инженерии для биодеградации ксенобиотиков
- •Лекция 6 Основы технологии, процессы и аппараты биотехнологических производств
- •Подготовка и стерилизация питательных сред.
- •Подготовка воздуха
- •Подготовка и наработка продуцента.
- •Основы технологии микробиологических производств
- •Поверхностное культивирование
- •Способы поверхностного культивирования
- •Выделение и очистка целевых продуктов
- •Глубинное культивирование
- •Процесс идеального (полного) вытеснения;
- •Процесс идеального (полного) смешения;
- •Лекция №7 основное оборудование биотехнологических производств.
- •Классификация ферментеров
- •Ферментеры с подводом энергии жидкой фазой (группа фж).
- •Ферментеры с подводом энергии жидкой и газовыми фазами (фжг).
- •Особенности конструирования и работы ферментационного оборудования
- •Термостатирование
- •Пеногашение
- •Проблемы масштабирования ферментационных процессов
- •Лекция № 8
- •1.Культуры клеток и тканей растений и животных
- •2.Технология культивирования клеток и тканей
- •2.1.Получение культуры каллуса, суспензионных культур и одиночных клеток.
- •2.2. Факторы, влияющие на продуктивность культур тканей
- •2.2.1. Происхождение ткани
- •2.2.2. Клеточная дифференциация in vitro.
- •2.2.3.Питательные среды для культивирования клеток и тканей.
- •2.2.4.Асептика
- •2.2.5.Физические факторы, влияющие на развитие клеточных культур.
- •2.2.6. Химические факторы, влияющие на синтез вторичных метаболитов.
- •2.2.7. Способы выделения целевого продукта.
- •3.Культуры органов растений
- •3.2. Культура корней
- •4. Клональное микроразмножение растений
- •1.Клеточная инженерия
- •1.1.Получение протопластов
- •1.2.Культивирование протопластов
- •1.3.Слияние протопластов
- •1.4.Гибридизация соматических клеток
- •2.Генетические основы совершенствования биообъектов.
- •2.1.Селекция микроорганизмов – продуцентов практически важных веществ.
- •2.2.Методы и подходы в селекции
- •Основы генетической инженерии.
- •1.Технология конструирования и работы с рекомбинантными днк
- •Лекция №11 Оптимизация экспрессии клонированных генов.
- •Экспрессия генов при участии сильных регулируемых промоторов
- •Регулируемые промоторы
- •Интеграция чужеродной днк в хромосому хозяина
- •Химерные белки
- •Расщепление химерных белков
- •Повышение эффективности секреции
- •Метаболитическая перегрузка
- •Направленный мутагенез: методика
- •Направленный мутагенез
- •Получение рекомбинантных белков с помощью эукариотических систем
- •Лекция № 12 Получение лекарственных препаратов белковой природы на основе методов генной инженерии
- •1.Получение инсулина.
- •2.Получение соматостатина
- •3.Синтез соматотропина
- •5.Иммуномодуляторы
- •6.Использование трансгенных животных и растений для получения лекарственных препаратов белковой природы
- •Лекция №13 Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения коммерческих продуктов небелковой природы.
- •1.Синтез l-аскорбиновой кислоты
- •2.Антибиотики
- •2.1.Синтез новых антибиотиков
- •2.2.Разработка новых методов получения поликетидных антибиотиков
- •2.3.Усовершенствование производства антибиотиков
- •Лекция №14
- •1.Генная инженерия в производстве вакцин.
- •2. Генная терапия онкологических заболеваний.
- •3.Лекарственные препараты на основе олигонуклеотидов
- •3.1..«Антисмысловые» олигонуклеотиды как лекарственные средства
- •3.2. Рибозимы как лекарственные средства
- •3.3. Малые интерферирующие рнк.
- •Лекция №15
- •1.Моноклональные антитела в диагностике и лечении.
- •1.1.Использование антител в иммуноферментном анализе
- •1.2.Моноклоналъные антитела
- •1.3.Образование и отбор гибридных клеток
- •1.4.Идентификация гибридных клеточных линий, секретирующих специфические антитела
- •1.5.Моноклональные антитела как лекарственные средства
- •1.6. Лекарственные вещества, связанные с моноклоналъными антителами
- •1.7. Профилактика отторжения трансплантированных органов
- •2.Системы днк-диагностики
- •Примеры днк-диагностики Диагностика малярии
- •Диагностика Trypanosoma cruzi
- •Лекция №16
- •1.Геномика, протеомика и биоинформатика. Медицинская биотехнология в “постгеномную эру”
- •Новые подходы к разработке лекарств в постгеномную эру.
- •1. Кризис классической фармакотерапии и фарминдустрии.
- •2. От гена до прототипа лекарства. Новые подходы к разработке лекарств в постгеномную эру.
- •2.1. Поиск биомишеней для создания новых лекарственных средств на основе анализа геномных данных
- •2.1.1. Основные критерии селекции мишеней для создания антимикробных средств.
- •2.1.2. Экспериментальные технологии валидации потенциальных мишеней.
- •Методы валидации биомишеней.
- •1. Протеомные методы валидации потенциальных мишеней.
- •2. Геномные методы валидации потенциальных мишеней.
- •3. Валидация потенциальных мишеней in vivo.
- •2.1.3. Пространственная структура мишеней.
- •2.1.3.1. Экспериментальные методы расшифровки пространствен-ных структур белков
- •2.1.3.2. Моделирование пространственных структур белков.
- •2.1.4. Конечная селекция и приоритезация потенциальных мишеней
- •2.2. Основные типы биомишеней.
- •2.2.1.Генные мишени
- •2.2.2. Белковые биомишени.
- •2.2.2.1. Белковые мишени для разработки противовирусных препаратов.
- •2.2.2.2. Белковые мишени для антибактериальных и противо-опухолевых препаратов
- •2.2. Стратегия поиска соединений – лидеров.
- •2.2.1. Комбинаторная химия и высокопроизводительный скрининг
- •2.2.2.1.Технология комбинаторного синтеза
- •Жидкофазный синтез
- •1. Синтез смесей
- •2. Параллельный синтез
- •Преимущества жидкофазного синтеза:
- •Недостатки:
- •Твердофазный синтез
- •2.2.2.2. Планирование и дизайн комбинаторного синтеза
- •1.Темплейты
- •2. Дизайн молекул. Структурные критерии.
- •Критерии выбора центроидов.
- •Варьирование заместителей
- •3. Дизайн библиотек для оптимизации лидера
- •2.2.2.3.Оптимизация скрининга
- •2.3. Медицинская химия
- •2.4. Рациональный дизайн лекарств. Общая схема.
- •Конструирование лекарств на основе известной структуры мишени (технология sbdd)
- •Конструирование лекарств на основе структур лигандов (технология lbdd)
- •2.4.2. Разработка лекарств на базе соединений – лидеров.
- •2.5. Фармакогеномика и новые подходы к терапии и клиническим испытаниям лекарств.
- •2.6. Лекарство, действующее на несколько молекулярных мишеней в организме: исключительная ситуация или будущее фармакотерапии?
Новые подходы к разработке лекарств в постгеномную эру.
1. Кризис классической фармакотерапии и фарминдустрии.
На рубеже ХХ века фармацевтическая индустрия, а именно индустрия разработки лекарственных препаратов столкнулась с целым рядом очень серьезных проблем, вызванным прогрессирующим недостатком новых лекарств. В прошедшие десятилетия ежегодно проходили регистрацию и внедрялись в клиническую практику около 50-60 новых лекарственных препаратов. Однако с конца 90-х годов количество новых внедренных лекарств существенно уменьшилось, достигнув минимума в 27 химических соединений в 2000 г., 24 - в 2001 г. и только 18 - в 2002 г. Расходы на исследование нового лекарства стали составлять 500-900 млн. долл. Однако, если сопоставить общие ежегодные затраты в мире на разработку и исследование (включая биологические испытания) новых лекарств (в том числе и на исследования, закончившиеся неудачей), которые, например, составили в 2001 г. 45 млрд. долл., с числом внедренных новых лекарственных веществ, то получим, что расходы на создание одного лекарства будут еще больше.
Уменьшение количества новых лекарств в настоящее время объясняется различными причинами. Одна из наиболее важных, по-видимому, связана с уже достигнутыми высокими терапевтическими стандартами, и теперь исследования сосредотачиваются на поисках лекарств для лечения хронических дегенеративных и других смертельных заболеваний, таких как ишемическая болезнь сердца, болезнь Альцгеймера, артриты, рак и СПИД. Кроме того, следует отметить еще три проблемы:
1. Первая проблема – это длительность разработки лекарственных субстанций, доходящая до 10-15лет, что обусловлено все возрастающими требованиями к эффективности и безопасности новых лекарств.
2 Вторая проблема – это высокая стоимость разработки одной лекарственной субстанции, доходящая до 1 миллиарда долларов и выше.
3. Третья проблема – высокие коммерческие риски. Для того чтобы получить один лекарственный препарат необходимо искать в природе, синтезировать и затем протестировать десятки и сотни тысяч соединений. При этом нет никаких гарантий, что хотя бы одно из них станет в конечном итоге лекарством. И это еще не все. Большая часть перспективных веществ (80-90%), отобранных на первом этапе обычно сходит с дистанции на этапах клинических испытаний из-за токсичности или недостаточной эффективности на людях. Кроме того, целый ряд перспективных, прошедших клинические испытания препаратов приходится снимать с производства и изымать из аптек, спустя несколько лет после начала широкого применения из-за отдаленных побочных эффектов, да еще выплачивать ущерб по искам пострадавших пациентов.
По словам Мариса Амати, заместитель директора сектора эффективности лекарственных средств Европейского агентства по оценке лекарственных средств (European Medicines Evaluation Agency - EMEA), в настоящее время более 80% препаратов, клинические испытания которых уже начали проводиться, не выводятся на рынок в связи с токсичностью или недостаточной эффективностью (при этом 50% «сходят с дистанции» в III фазе). При подаче в EMEA заявки на получение разрешения на маркетинг по централизованной процедуре 30% препаратов его не получают. Среди выведенных на рынок препаратов два и больше в год (с 1991 по 2004 г.) отзываются в связи с серьезными побочными реакциями, которые в США, например, служат причиной 2,2 млн. госпитализаций и 100 тыс. смертей в год (данные на 1998г.) и связаны с расходами в объеме 180 млрд. дол. США в год (данные на 2001г.).
В качестве примера можно привести историю вывода на рынок в 1991г. компанией «Centocor» препарата Centoxin (небакумаб), который предназначался для лечения пациентов с сепсисом, вызванным грамотрицательными бактериями и являлся на тот момент одним из наиболее дорогих препаратов в мире (одна доза стоила свыше 3 тыс. дол. США). Однако очень скоро выявилась крайне низкая эффективность препарата. Более того, было показано, что смертность среди пациентов, принимавших небакумаб, иногда превышала таковую у больных, получавших плацебо. При более углубленном исследовании выяснилось, что это обусловлено тем, что только третья часть случаев сепсиса обусловлена грамотрицательными бактериями, а для выявления этиологического фактора заболевания необходимо выполнять сложное и длительное бактериологическое исследование крови (на это требуется около 2 суток). Все это привело к тому, что вскоре компания отозвала препарат с рынков всего мира.
Другой актуальной проблемой является быстрое формирование и распространение новых механизмов устойчивости бактерий к антибактериальным препаратам или как ее еще называют в научной литературе – множественная лекарственная устойчивость (МЛУ). Причем время, за которое формируется эта устойчивость (в течение нескольких лет) значительно меньше времени, за которое фармацевтические фирмы могут сегодня вывести на рынок новый, более эффективный препарат. В настоящее время многие опасные патогенные микроорганизмы, особенно грамотрицательные, выработали в себе устойчивость к целым классам традиционных антибиотиков, прежде всего к бета-лактамам и макролидам, что привело к кризису в методах лечения инфекций и значительному увеличению смертности, особенно при послеоперационных осложнениях.
Однако даже если удастся преодолеть все эти проблемы вывести на рынок эффективный “блокбастер” (препарат, продажа которого приносит фирме более 1-2миллиардов долларов в год) реальная прибыль будет не очень большой. Это обусловлено тем, что, учитывая длительность разработки и клинических испытаний (10-15 лет) время действия патента на препарат составит 2-3, а в лучшем случае 5 лет.
Все эти вместе факторы вызвало кризис фармацевтической индустрии в 90-х годах ХХ века. По расчетам западных специалистов, нормальное развитие фармацевтических предприятий предполагает ежегодное 10% увеличение объемов производства за счет разработки новых активных соединений. Однако несмотря на то, что с 1993 г. затраты фармацевтической отрасли и Национального института здоровья (National Institute of Health) США на разработку новых лекарственных средств удвоились, количество выданных разрешений на маркетинг препаратов не увеличилось. Расходы повысились, но вероятность выведения на рынок препарата, вступившего в I фазу проведения клинических испытаний, по сравнению с 1985 г. снизилась с 14 до 8%. В последние годы в крупных фармацевтических фирмах таких препаратов разрабатывается меньше, чем необходимо для сохранения оптимальных темпов роста производства.
Выход из сложившейся ситуации фармацевтические фирмы видят с одной стороны в укрупнении: в настоящее время на фармацевтическом рынке фактически доминируют 4 транснациональные корпорации (“Bristol-Myers Squibb”, “GlaxoSmithKline”, “Novartis”, “Pfizer”) вместо 41 фирмы в 80-х годах, с другой - коренное изменение методов поиска и разработки новых лекарственных средств с использованием последних достижений геномики (фармакогеномики), протеомики, биоинформатики и комбинаторной химии.
Разрабатываемые на их основе лекарства будущего должны обладать тремя основными преимуществами перед традиционными лекарственными препаратами:
1. избирательность действия только на одну или несколько определенных мишеней (target) в организме человека или патогенного микроорганизма, что обеспечит его низкую токсичность;
2. способностью к быстрой адресной доставке к нужной мишени:
3. к нему не должна возникать устойчивость или это лекарство должно обладать способностью к преодолению механизмов устойчивости.
Кроме того, коренным образом меняется и организация начальных стадий создания новых лекарств. Если еще совсем недавно вся работа, начиная с самых первых этапов (синтез и скрининг веществ, первичные испытания) проводилась внутри фирм, с соблюдением строжайших мер секретности, то сейчас большинство компаний коренным образом изменили свою стратегию. Новая политика, получившая название “аутсорсинг”, заключается в том, что все первые “грязные”, трудоемкие и рискованные стадии (комбинаторный синтез, первичный скрининг природных и синтетических веществ, скрининг новых продуцентов, предклинические испытания, математические расчеты и т.д.) передаются небольшим специализированным компаниям, преимущественно из стран с высококвалифицированной, но дешевой рабочей силой (Китай, Индия, Россия, страны Восточной Европы и Юго-восточной Азии). На них же и перекладываются все неизбежные коммерческие риски. Такой подход позволяет значительно сокращать как расходы на создание, так и время выведения препарата на рынок.
Согласно прогнозам американской консалтинговой компании «Front Line Strategic Management Consulting» на 2010 год, использование геномных технологий для разработки лекарственных средств с учетом генетических факторов, обусловливающих индивидуальную реакцию организма в ответ на медикаментозное воздействие поможет фармацевтическим компаниям сократить расходы на исследования и разработку одного лекарственного препарата в среднем на 33 млн. долл. Для некоторых дорогостоящих препаратов эта экономия может достигать сотни миллионов долларов и достигаться она будет, прежде всего, за счет уменьшения затрат на начальные стадии разработки. Кроме того, за счет сокращения времени и затрат на клинические испытания это может принести фармкомпаниям более 3 млрд. долл. дополнительного дохода в течение «жизненного цикла» препарата на фармацевтическом рынке.
Еще недавно создание подобных лекарств считалось несбыточной мечтой, однако уже сейчас информация, полученная при прочтении генома и протеома человека или патогенных микроорганизмов делает эту мечту вполне реальной и даже привела к созданию и клиническому использованию ряда таких препаратов.
