Информационный блок. Биотехнология – это наука об использовании биологических процессов и объектов для производства полезных человеку продуктов

Биотехнология – это наука об использовании биологических процессов и объектов для производства полезных человеку продуктов. В качестве биологических объектов могут выступать: целые животные и растительные организмы; отдельные клетки микроорганизмов, животных и растений; вирусные частицы; ферменты.

В основе большинства биологических технологий лежит процесс клонирования, т.е. создания копий макромолекул (ДНК, белков), клеток или организмов, идентичных родительским. Клонирование не является изобретением человека, он только воспроизводит явления живой природы. Так, естественное молекулярное клонирование происходит при репликации ДНК, клоны клеток возникают в ходе митоза, наконец, клонирование целых растений наблюдается при черенковании.

Культуры клеток

Культивирование клеток in vitro – это выращивание в контролируемых условиях отдельных клеток бактерий или многоклеточных организмов. Контролируемые условия подразумевают оптимальные для данного типа клеток температуру, состав газовой среды, соотношения питательных веществ и стимуляторов роста. Клетки выращивают поверхностным или глубинным способом. В первом случае клеточный рост происходит только на поверхности жидкой или сыпучей питательной среды. При глубинном культивировании размножение клеток идет во всем объеме питательной среды.

Клеточные культуры представляют практический интерес как источник биомассы (например, культура фибробластов кожи для лечения ожогов) и как продуценты ценных веществ (например, инсулина). Выделенные из природных объектов клетки обычно не способны синтезировать ценные метаболиты в достаточных количествах, поэтому необходимо целенаправленное улучшение их свойств. Усовершенствование продуцента проводят путем селекции спонтанных мутантов, индуцированного мутагенеза или генетической трансформации. Генетическая трансформация – введение в клетки чужеродных генов. Таким образом удается получать клетки и организмы, не встречающиеся в природе. Например, клетки кишечной палочки, способные к синтезу человеческого инсулина, соматотропина или иммуноглобулинов.

Использование культур бактериальных клеток. В настоящее время культуры бактерий находят широкое применение в фармацевтической промышленности. На основе бактериальной биомассы готовят вакцины, пробиотики (бифидумбактерин, колибактерин, лактобактерин), компоненты лечебного и спортивного питания (гидролизат пивных дрожжей). Бактерии используют для получения антибиотиков, гормонов, витаминов, аминокислот.

Культуры растительных клеток. Растительные клетки достаточно легко размножаются в культуре благодаря свойству тотипотентности – способности полностью реализовать наследственную информацию, т.е. обеспечивать развитие всего растения. Самый распространенный тип культуры растительных клеток – каллусная культура. Каллус представляет собой неорганизованную массу постоянно делящихся дедифференцированных клеток. В естественных условиях каллус образуется на месте поранения. Экспериментально каллус получают, помещая фрагмент растительной ткани на питательную среду, содержащую фитогормоны (ауксины и цитокинины).

Культуры растительных клеток применяют для получения ценных метаболитов, например: панаксозидов женьшеня (общеукрепляющее средство), дигогсина наперстянки шерстистой (кардиостимулятор), шиконина воробейника аптечного (противовоспалительное, противоожоговое средство).

Культуры животных клеток. Культивировать животные клетки значительно труднее, чем растительные. Причин этому несколько. 1) Животные клетки требуют более сложных по составу питательных сред, присутствия разнообразных факторов роста. 2) Животные клетки не обладают свойством тотипотентности. Дифференцировка клеток начинается еще на ранних этапах эмбрионального развития, происходит многоэтапно. Вернуть клетки в дедифференцированное состояние не удается. 3) Интенсивность роста и продолжительность существования в культуре зависит от возраста клеток. Эмбриональные ткани легко переходят в культуру, давая хороший прирост биомассы. Напротив, перевод в культуру клеток из взрослых организмов требует значительных усилий. Прирост биомассы невелик из-за присутствия неделящихся специализированных клеток. Продолжительность жизни культуры эмбриональных тканей, больше, чем взрослых. Это объясняется старением клеток: животные клетки имеют предел деления (предел Хейфлика) – 50-60 циклов митоза. Исключение составляют опухолевые клетки, способные к неограниченному росту.

В настоящее время культуры животных клеток широко используются в цитологии и биохимии для изучения действия различных факторов на внутриклеточные процессы. В фармакологии эксперименты на культурах клеток заменяют опыты на животных. В практической медицине культуры животных клеток используют при заживлении сложных ран и травм.

Получение клеточных продуктов. Культуры животных клеток рассматривают в качестве потенциальных продуцентов продуктов медицинского назначения. Так, клетки опухоли гипофиза, надпочечников могут служить источником соответствующих гормонов, клетки нейробластомы – продуцентом фактора роста нервной ткани, фибробласты и лейкоциты – источником интерферона. Однако из-за технических сложностей эти технологии пока не находят широкого применения. В отличие от трансгенных бактериальных культур животные клетки обладают низкой скоростью роста и малой продуктивностью, требуют дорогих питательных сред.

Более широкое применение находит использование куриных эмбрионов для получения вакцин. Через прокол в яичной скорлупе вкалывают суспензию вирусов. Через 2-4 суток вирусы размножаются настолько, что вызывают гибель эмбриона. После этого вирусные частицы выделяют и инактивируют. Таким образом получают вакцины против гриппа, бешенства, паротита, желтой лихорадки.

Для лабораторной диагностики ряда заболеваний необходимы наборы специфических антител, так называемые моноклональные антитела. Их получают с помощью культуры гибридом – продуктов слияния лимфоцитов, синтезирующих нужные антитела, и опухолевых клеток. В отличие от обычных лимфоцитов гибридомы могут неограниченно долго существовать в культуре.

Применение культур животных клеток в травматологии. Методы культуры клеток находят применение для реконструкции различных тканей и органов. Так, культура клеток кожи используется для заместительной терапии при ожогах, культура клеток эндотелия для реконструкции стенок сосудов. В последние десятилетия развиваются методы лечения стволовыми клетками, так называемая клеточная терапия.

Стволовые клетки – это недифференцированные клетки, способные к практически неограниченному делению и дифференцировке в специализированные клетки организма. Часто это их единственная функция, как, например, у зиготы и эмбриональных клеток до стадии бластоциста. Созревание стволовых клеток проходит в несколько стадий, поэтому в организме имеется ряд популяций стволовых клеток различной степени зрелости. Чем более зрелой является клетка, тем меньше вероятность того, что она сможет превратиться в клетку другого типа. Во взрослом организме стволовые клетки находятся, в основном, в костном мозге, единичные клетки разбросаны по другим органам и тканям. Они обеспечивают восстановление поврежденных органов и тканей. Получив сигнал о повреждении, стволовые клетки мигрируют к ране и здесь превращаются в необходимые организму клетки (костные, мышечные, нервные и др.), тем самым, облегчая регенерацию.

В медицине стволовые клетки находят применение при лечении инфарктов, переломов, травм внутренних органов. У пациента берут стволовые клетки, размножают вне организма и потом вводят в зону поражения. Поскольку стволовые клетки могут быть получены от самого пациента, снимается проблема тканевой несовместимости. Однако остаются неясными отдаленные последствия такой терапии, существует вероятность злокачественного перерождения.

В мире проводятся пионерские работы по выращиванию целых искусственных органов. Эта область получила название тканевая или органная терапия. Стволовые клетки пациента выращивают на биосовместимом каркасе нужной формы. Для формирования в будущем органе системы кровоснабжения внутрь каркаса помещают микротрубочки из другого полимера. Деление и дифференцировку стволовых клеток вызывают путем добавления в питательную среду специальных факторов роста. Некоторые исследователи предлагают выращивать орган непосредственно в организме пациента. Каркас будущего органа вживляют в область тела с хорошим кровоснабжением – подкожную-жировую клетчатку, брюшную полость или толщу мышц. После формирования органа его трансплантируют на постоянное место. Большинство описанных экспериментов пока проводятся на животных. Удачные операции на человеке были проведены по трансплантации искусственного мочевого пузыря, фрагментов трахеи, хрящевой ткани колена.

С возрастом число стволовых клеток у человека резко сокращается. Если в костном мозге новорожденного 1 стволовая клетка приходится на 10 000 обычных, то в 70 лет это соотношение составляет 1: 1 000 000. Выделить их становится сложно, поэтому в последние годы стали разрабатываться государственные программы криосохранения стволовых клеток пуповинной крови и плаценты. Эти клетки могут стать своего рода страховкой от будущих серьезных травм.

Вспомогательные репродуктивные технологии

В последние десятилетия получила широкое развитие техника экстракорпорального оплодотворения (ЭКО). ЭКО – это вспомогательная репродуктивная технология, основанная на оплодотворении in vitro. Процедура состоит из нескольких этапов: 1) инициация суперовуляции – гормональная инициация созревания нескольких яйцеклеток; 2) хирургическое извлечение созревших яйцеклеток из фолликулов яичника; 3) забор семени; 4) оплодотворение; 5) отбор эмбрионов; 6) введение эмбриона в матку; 7) контроль за имплантацией эмбриона. В случае высокого риска наследственных заболеваний технология ЭКО позволяет проводить отбор нормальных эмбрионов.

Клонирование животных

Животные клетки, в отличие от растений не обладают тотипотентностью, поэтому вырастить целый организм из нескольких соматических клеток невозможно. Для клонирования животных приходится использовать процедуру переноса ядер. Из яйцеклетки микропипеткой удаляют собственное ядро и на его место помещают ядро соматической клетки. Затем вне организма индуцируют деление получившейся «зиготы», эмбрион на стадии бластоцисты помещают в матку суррогатной матери. Процедура переноса ядер часто сопровождается повреждением внутриклеточных структур, что приводит к гибели большинства зародышей. Выход потомства не превышает 10-15 % от количества полученных «зигот». Среди исследователей нет однозначного мнения о влиянии переноса ядер на здоровье и продолжительность жизни животных, поэтому в настоящее время действует мораторий на эксперименты по клонированию человека.

Генная терапия

Генная терапия (генотерапия) – это лечение наследственных болезней путем введения пациенту здоровых генов помимо или вместо дефектных. При этом важно не просто ввести новый ген в клетку. Необходимо добиться встраивания чужеродного гена в подходящий участок хромосомы и его последующей экспрессии, что требует решения множества сложных технических задач.

Первая успешная попытка применения генотерапии в клинической практике была предпринята в 1990 г. в США. Ребенку, страдающему тяжелым комбинированным иммунодефицитом, вместо дефектного гена, аденозиндезаминазы ввели его неповрежденную копию. К сожалению, полного излечения достичь не удалось, т.к. требовались повторные введения того же гена в новые клоны лимфоцитов. Сегодня на различных стадиях разработки находится более двухсот различных проектов генной терапии, направленных на лечение моногенные заболеваний (фенилкетонурии, гемофилии, талассемии, муковисцидоза, лизосомных болезней накопления и других).

В лечение генами существуют несколько подходов. Гены можно вводить в половые клетки, в клетки эмбриона на ранних стадиях развития либо в соматические клетки. Предполагается, что при работе с половыми и эмбриональными клетками, «здоровый» ген попадет во все клетки реципиента. Тем самым происходит исправление его собственного генотипа, и, что важно, создадутся условия для оздоровления генофонда будущих поколений. Однако в настоящее время подобные исследования находятся под запретом по этическим причинам.

Генотерапия соматических клеток, получившая большее развитие, затрагивает только организм самого пациента. Генетическая модификация может производиться непосредственно в организме больного (in vivo) либо вне его (ex vivo). В первом случае предусмотрено прямое введение последовательностей ДНК в ткани больного, что сопряжено с техническими трудностями по целенаправленной доставке ДНК к определенным типам клеток. Пока заметные успехи достигнуты только в разработке аэрозольных вакцин для лечения легочных заболеваний. Технология ex vivo предполагает выделение и культивирование специфических типов клеток пациента, введение в них чужеродных генов, отбор трансформированных клеток и их возвращение в организм больного.

Все перечисленные методы используются для так называемой заместительной терапии, когда дефектный ген в геноме сохраняется, а внесенная копия заменяет его по функциям. Вероятно, в будущем станет возможно проведение корректирующей терапии, направленной на исправление дефектов «больного» гена.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ

1. Биотехнология как наука. Предмет и задачи биотехнологии.

2. Клонирование – основной принцип биологических технологий.

3. Культуры клеток. Условия культивирования.

4. Основные направления использования клеточных культур.

5. Продуценты. Способы усовершенствования продуцентов.

6. Культуры бактериальных клеток. Использование бактериальных культур для производства продуктов медицинского назначения.

7. Культуры растительных клеток. Тотипотентность растительных клеток.

8. Применение культур растительных клеток в медицине.

9. Культуры животных клеток. Трудности, связанные с переводом животных клеток в культуру.

10. Использование культур животных клеток для получения продуктов медицинского назначения.

11. Применение культур животных клеток в травматологии.

12. Технологии, основанные на стволовых клетках: клеточная терапия, тканевая терапия.

13. Репродуктивные технологии. Технология экстракорпорального оплодотворения.

14. Клонирование животных и человека.

15. Успехи в клонировании млекопитающих. Этические вопросы клонирования человека.

16. Генная терапия. Методы генотерапии.

17. Успехи генной терапии.

Date: 2015-04-23; view: 881; Нарушение авторских прав