Біотехнологія в медицині

Біоелектроніка

В області електроніки біотехнологія може бути використана для створення поліпшених типів біосенсорів і нових пристроїв, так званих біочіпів.

Біотехнологія уможливлює створення пристроїв, у яких білки є основою молекул, що діють як напівпровідники. Для індикації забруднень різного походження останнім часом стали використовувати не хімічні реагенти, а біосенсори – ферментні електроди, а також іммобілізовані клітини мікроорганізмів. Ферменти мають найвищу чутливість.

Біоселективні датчики створюють також шляхом нанесення на поверхню йоноселективних електродів цілих клітин мікроорганізмів або тканин. Наприклад, Neurospora europea – для визначення NH₃, Trichosporon brassiacae – для визначення оцтової кислоти.

Як сенсори використовують також моноклональні антитіла, що володіють винятково високою вибірковістю. Лідерами у виробництві біодатчиків і біочіпів є японські компанії, такі як Hitachi, Sharp. Наприклад, компанія Hitachi на початку 90-х ХХ сторіччя років створює проектну груп чисельністю в 200 чоловік винятково для робіт в області біоелектроніки. Компанія Sharp проводить дослідження з розробки комп'ютерів з біокомпонентами.

З'являється новий тип напівпровідників, які володіють великою провідністю. Провідну функцію здійснюють молекули білків. Такі ферментні системи працюють із більшою швидкістю, ніж кремнієві напівпровідники. Біочіпи мають невеликі розміри, надійні й здатні до самозбирання. Ще одна японська компанія, Sony, запатентувала спосіб виробництва високоякісних акустичних систем із целюлози, утвореної бактеріями. Гелеподібна целюлоза висушується. Отриманий матеріал має структуру стільника і використовується як пласка діафрагма акустичних систем.

Антибіотики – найбільший клас фармацевтичних сполук, синтез яких здійснюється мікробними клітинами. До цього ж класу відносяться протигрибкові агенти, протипухлинні ліки й алкалоїди. В 1980 р. світове виробництво антибіотиків становило приблизно 25000 т, з них 17000 т – пеніциліни, 5000 т – тетрацикліни, 1200 т – цефалоспорини й 800 т – еритроміцини. В 1945 р. Бротзу з Інституту гігієни в Кальарі (Сардинія) виділив із проби морської води цвіль Cephalosporium acremonium, що синтезує кілька антибіотиків; один з них, цефалоспорин С, який виявився особливо ефективним проти стійких до пеніциліну грампозитивних бактерій.

З декількох тисяч відкритих антибіотиків велика частка належить актиноміцетам. Серед актиноміцетів найбільше значення має рід Streptomyces, включаючи тетрацикліни (один тільки вид Streptomyces griseus синтезує більше п'ятдесяти антибіотиків). Найпоширенішими з комерційної точки зору виявилися пеніциліни, цефалоспорини й тетрацикліни.

Починаючи із середини 1960-х рр. у зв'язку зі зрослою складністю виділення ефективних антибіотиків і поширенням стійкості до найбільш широко застосовуваних сполук при великій кількості патогенних бактерій дослідники перейшли від пошуку нових антибіотиків до модифікації структури вже наявних. Вони прагнули підвищити ефективність антибіотиків, знайти захист від інактивації ферментами стійких бактерій і поліпшити фармакологічні властивості препаратів. Більшість досліджень бути зосереджені на пеніцилінах і цефалоспоринах, структура яких включає чотиричленне β-лактамне кільце. Додавання до β-лактамного кільця метоксильної (СН₃О)-групи призвело до появи цефаміцинів, близьких до цефалоспоринів й ефективних як проти грамнегативних, так і проти пенициліностійких мікробів. Напівсинтез оснований на заміні хімічним шляхом одного бічного ланцюга β-лактамного кільця на інший в одержаній ферментацією молекулі. Стійкість до пеніцилінів і цефалоспоринів пов'язана з наявністю ферментів, так званих β-лактамаз, які широко поширені серед бактерій, актиноміцетів, ціанобактерій і дріжджів. Це обумовлене тим, що гени, які кодують ці ферменти, входять до складу плазмід, стійкість може передаватися при переносі плазмід від одного бактеріального штаму до іншого. Дослідники фірми «Мерхнув, Шарп і Доум» відкрили новий клас β-лактамних антибіотиків, тієнаміцини, які продукуються Streptomyces cattleya. Тієнаміцини надзвичайно ефективні проти грампозитивних і грамнегативних бактерій, а також здатні гальмувати дію β-лактамази, що значно підвищує можливості цих антибіотиків. До інгібіторів β-лактамаз відносяться також клавуланова й оливанова кислоти, ідентифіковані дослідниками англійської фармацевтичної компанії «Бічем». Компанія випустила новий антибіотик, аугментин, який являє собою комбінацію β-лактамного антибіотика амоксициліну й клавуланової кислоти.

Антибіотики виробляються в результаті спільної дії продуктів 10 – 30 генів, тому практично неможливо виявити окремі спонтанні мутації, які могли б підвищити вихід антибіотика з декількох міліграмів на літр у штамі дикого типу до 20 г/л і більше пеніциліну або тетрацикліну в промислових штамах Penicillium chrysogenum або Streptomyces auerofaclens. Ці високопродуктивні штами були отримані в результаті послідовних циклів мутагенезу й селекції. У результаті мутацій з'явилися нові вторинні метаболіти, у тому числі 6-деметилхлортетрациклін і 6-деметилтетрациклін. Певні мутанти, так звані ідіотрофи, здатні синтезувати тільки половину молекули антибіотика, а середовище повинно бути збагачене іншою її половиною. Така форма мутаційного біосинтезу призвела до відкриття нових похідних антибіотиків, серед них приналежні до аміноциклітольної групи.

Число протипухлинних речовин мікробного походження досить обмежено. Блеоміцин, виділений Умезавой із співр. у Токійському інституті мікробної хімії з культур Streptomyces verticilliis, являє собою глікопептид, дія якого основана на порушенні структури ДНК пухлинних клітин і реплікації ДНК й РНК. Інша група протипухлинних агентів створена на основі комбінації аміногликозидної одиниці й молекули антрацикліну. Недоліком обох сполук є їхня потенційна небезпека для серця.

У медицині застосовують також амінокислоти, наприклад, аргінін. У сполученні з аспартатом або глутаматом він допомагає при захворюванні печінки. K-Na-аспартат знімає втому й полегшує болі в серці, його рекомендують при захворюванні печінки й діабеті. Цистеїн захищає SH-ферменти в печінці й інших тканинах від окислення й проявляє детоксикаційну дію. Він проявляє також захисну дію від ушкодження, які викликані опроміненням. Дигідроксифенілаланін й D-фенілаланін ефективні при хворобі Паркінсона. З поліамінокислот одержують гарний матеріал для хірургії.

У медицині також використовують зелену водорість Scenedesmus. Її культивують у рідкому поживному середовищі (установки дають до 80 тонн водоростей на рік), виділяють і проводять екстракцію етиловим спиртом. Біомасу відокремлюють і піддають ферментативному гідролізу лужною протеазою. Близько 50% білків при цьому розпадається до пептидів. Гідролізат містить майже всі незамінні амінокислоти, являє собою порошок жовтувато-зеленого кольору із приємним запахом і смаком. Використовується цей продукт для швидкого відновлення організму, а також як компонент косметичних засобів. Якщо замість обробки етанолом провести дворазову екстракцію дистильованою водою, а потім висушити, то утворюється порошок ясно-жовтого кольору. Його використовують як біостимулятор і виготовляють із нього препарати для лікування ран, які погано загоюються.

Ще на початку 90-х років ХХ сторіччя з'явилися статті, у яких розглядалися перспективи використання сапротрофної мікрофлори як продуцента біологічно активних речовин (БАР). Передбачається вводити в організм сапрофітні мікроорганізми, які могли б жити в умовах симбіозу з нормальною мікрофлорою організму. Речовини, які синтезуються бактеріальними штамами включаються в систему біохімічних процесів організму. У випадку порушення нормального біохімічного статусу організму вони коректують його, а при патологічному процесі – затримують його або сприяють припиненню. Таке введення одержало назву «мікробіологічне підсадження». До 1992 року було описано вже більше 50 таких штамів і проаналізований діапазон біологічних ефектів, які секретують БАР.

Для лікування широкого спектра захворювань (бактеріальні інфекції кишечнику, дихальних шляхів, гнійних інфекцій, алергій) успішно застосовуються штами Bacillus subtilis (препарат «Бактисубтил», наприклад, використовують при лікуванні діареї). Штамами E. coli лікують ряд кишкових захворювань. БАР, які секретуються сапротрофами, можуть регулювати ферментативні процеси в організмі й вступати у взаємодію із ксенобіотиками які потрапляють до організму. Штами можна одержувати безпосередньо від людини, тоді вони будуть представляти його природну мікрофлору.

Можна цілеспрямовано виводити лабораторні мутантні штами, у тому числі методами генної інженерії й уводити їх в організм. Способи введення можуть бути різні: капсули, розчинні в кишковому сокові, культури штамів-продуцентів на плівковій основі, у вигляді свічок, а при легеневих захворюваннях – у вигляді аерозолів.

Новим напрямком у медицині є використання ферментних препаратів типу «контейнер», виготовлення яких стало можливим появі й удосконалюванню методів іммобілізації речовин. Ці препарати являють собою мікросфери з більш-менш твердою й проникною оболонкою. Призначення цих лікарських препаратів різне. Першим типом «штучних клітин» варто назвати мікрокапсули. Фермент, що перебуває усередині оболонки, не контактує з рідинами й тканинами організму, не руйнується протеїназами, не інгібується, не викликає імунної відповіді організму. Основне достоїнство мікрокапсул полягає в тому, що їх можна імплантувати у потрібне місце, наприклад у безпосередній близькості від пухлини. При цьому мікрокапсула з відповідним вмістом буде переробляти метаболіти, необхідні для росту пухлинної тканини, і ця тканина не буде розвиватися. Капсули можуть містити мікроскопічні ділянки тканин. Наприклад, є експериментальні дані по створенню депо інсуліну шляхом імплантації мікрокапсул, які містять острівці Лангерганса, що синтезують у підшлунковій залозі інсулін. Відомо, що терапії діабетичних захворювань приділяється багато уваги. Імплантація острівців Лангерганса позбавила б пацієнтів від щоденних ін'єкцій інсуліну. Варто враховувати, що мікрокапсули, які вводять у кров, можуть забивати кровоносні судини й, отже, бути причиною утворення тромбів. Однак ефективність мікрокапсул при використанні їх у вигляді колонок для діалізу в апараті «штучна нирка» безсумнівна. При цьому обсяг апаратів й, відповідно, кількість необхідних і дуже дорогих розчинів різко скорочується. Наприклад, для мікрокапсульованої «штучної нирки» потрібна колонка обсягом усього 30 мл, яка працює майже в 100 разів швидше звичайного апарата. Розвиток такої техніки стримується поки високою вартістю, а також необхідністю використати вже існуючу теж дуже дорогу техніку. Імовірно, ферментні реактори на мікрокапсулах будуть застосовуватися для деградації матеріалів, які не піддаються діалізу.

Усередину мікрокапсул можуть бути включені магнітні частки. У цьому випадку ззовні підводять магнітне поле й препарат утримують поблизу органу-мішені.

У ряді випадків використовуються високомолекулярні сполуки, які розчинні в певних умовах, однак зберігають високу міцність оболонок в інших. Так поводиться ацетилфталілцелюлоза, мікрокапсули з якої інтактні в шлунковому сокові й розчиняються в кишечнику, звільняючи вміст. Зараз інтенсивно досліджуються властивості мікрокапсул, стінка яких складається з оболонок еритроцитів. Вміст еритроцитів видаляється, а «тінь» заповнюється ферментом. Серйозні успіхи досягнуті при лікуванні аспарагін-залежних пухлин препаратами аспарагінази в оболонках еритроцитів.

Використовуються оболонки й інших клітин. Так, описані лікарські препарати, включені в оболонки макрофагів. Останні мають тенденцію накопичуватися у зонах запалень, а отже, можуть транспортувати туди як низько-, так і високомолекулярний лікарський препарат. Істотною позитивною стороною «тіней» клітин як носіїв є їхня повна сумісність із організмом пацієнта, оскільки цей носій виготовляють на основі клітин, виділених із крові пацієнта, і повертають їх йому ж з новим вмістом. Завдання введення лікарського препарату в клітини можуть бути вирішені шляхом створення контейнерів-переносників типу ліпосом або міцел. Оболонка ліпосоми являє собою одношарову або багатошарову поверхню, утворену, у свою чергу, бішаровою структурою. Гідрофобні кінці якої злипаються між собою й утворюють плівку, обидві сторони якої гідрофільні. Ліпосома, специфічно або неспецифічно адсорбувавшись на клітині, може бути поглинена нею шляхом фагоцитозу, і фермент усередині вивільняється.

Добре відомо, що протеїнази, розщеплюючи денатуровані білки, сприяють очищенню ран, і отже, їхньому загоєнню. У цьому напрямку в клінічній практиці за допомогою іммобілізованих протеїназ зроблено багато чого. Як носії для іммобілізації протеолітичних ферментів найбільше використовуються волокнисті матеріали на основі целюлози, полівінілового спирту, солей альгінової кислоти, поліамідне й колагенове волокно. Із них виготовляють нитки, у які при формуванні включають фермент і використовують їх як шовний матеріал. Порівняльний аналіз дії нативних й іммобілізованих протеїназ (в основному хімотрипсину, трипсину, колагенази) показав, що вже на 2 – 4-й день рана очищається від некротичних мас і принаймні вдвічі швидше наступає грануляція. Переконливі результати отримані при лікуванні трофічних виразок, променевих виразок шкіри. Особливо ефективні іммобілізовані протеїнази при передопераційній підготовці й після пластичних операцій. Іммобілізовані протеолітичні ферменти з великим успіхом застосовуються в лікуванні гнійних захворювань легенів і плеври.

Дата добавления: 2013-12-12