Биотехнологии в современной медицине

Медицинская биотехнология — перспективное направление, связанное с разработкой новых методов лечения и диагностики на уровне клеток и тканей. В материале рассказываем, какие задачи стоят перед специалистами и какие решения помогают приблизить будущее.

Что понимают под биотехнологиями в медицине?

Биотехнология — это мультидисциплинарная область, в рамках которой клетки и молекулы клеточного происхождения используются для различных целей¹.

Биотехнология делится на несколько направлений. Каждому специалисты условно присваивают свой цвет. Медицинскому соответствует красный. В рамках этого направления разрабатываются современные методы лечения и диагностики для улучшения жизни человека¹:

• вакцины;

• антитела;

• терапевтические белки;

• антибиотики;

• препараты на основе стволовых клеток;

• генная терапия;

• наноустройства.

Биотехнологические разработки востребованы в лечении рака, иммунотерапии, борьбе с устойчивостью микроорганизмов к антибиотикам, регенерации тканей и других важных сферах².

Молекулярная инженерия ДНК и белков

Геномная инженерия — это наука, которая занимается изучением и изменением последовательности ДНК. Методы геномной инженерии — редактирование генома, или набора генов, и редактирование отдельных генов³.

Биотехнологи разрабатывают системы редактирования генов:

• CRISPR-Cas. Система, выполняющая иммунную функцию у микроорганизмов. Она предотвращает их заражение вирусами или фагами, которые несут собственный генетический материал. Активный элемент системы — белок Cas, способный расщеплять чужеродную ДНК и защищать хозяина⁴.

• ZNF. Нуклеаза «цинковые пальцы» состоит из двух компонентов. Первый — это синтетические белки с ионом цинка, которые связываются с определённым коротким участком ДНК. Второй — это нуклеаза, фермент, способный расщеплять ДНК. Вместе они работают как геномные ножницы, разделяя нуклеотидную последовательность⁵.

• TALEN. TALE— белок, полученный от растительных бактерий Xanthomonas. TALE распознаёт специфичный участок ДНК, а затем нуклеаза делает «разрез»⁶.

CRISPR-CAS, ZNF и TALEN используются в медицине для моделирования заболеваний человека на животных и клетках. C помощью систем редактирования генов проводится молекулярная диагностика и лечение генетических и онкологических заболеваний⁴.

Регенеративная медицина

Регенеративная медицина занимается разработкой решений по замене утраченных тканей и органов или ускорению их заживления.

«Красная» биотехнология использует стволовые клетки, превращая их в другие клетки со специализированной функцией — нервные или сердечные, печени или крови. Стволовые клетки происходят от эмбриона и из взрослых тканей, например костного мозга или жира. Обычные взрослые клетки можно перепрограммировать в стволовые⁷.

Один из методов восстановления тканей — биопринтинг. Стволовые клетки размещают на натуральном или синтетическом материале. Для создания объёмной ткани используют оборудование для 3D-печати. В напечатанной ткани стимулируют образование сосудов и нервов, добавляя факторы роста и клетки-предшественники⁸.

Трансплантация продуктов биопринтинга направлена на ускорение заживления при значительной потере ткани, как в случае серьёзной травмы кости. У хряща ограниченная способность к восстановлению, поэтому печатная версия может стать подходящей заменой разрушенному. Проводятся исследования в области печати кожи, нервной ткани, клеток печени⁹.

Прикладная иммунология

Антитело — белок, вырабатываемый организмом при участии иммунной системы. Антитело защищает от чужеродной субстанции — антигена, в качестве которого могут выступать микроорганизмы или химические вещества¹⁰.

В «красной» биотехнологии изучают моноклональные антитела — биомолекулы, способные узнавать определённый участок антигена. «Мать» моноклональных антител называется гибридомой. Это клеточная линия, которая получена при слиянии B-лимфоцитов — иммунных клеток, вырабатывающих антитела, — и опухолевых клеток миеломы¹¹.

Моноклональные антитела используются в медицине для лечения многих патологий¹¹:

• злокачественные опухоли: меланома, метастатический рак молочной железы, лейкемия, колоректальный рак;

• хронические заболевания: ревматоидный артрит, остеопороз, псориаз;

• предотвращение отторжения органа после пересадки.

Клеточная терапия — терапевтический подход на основе биотехнологии, использующий живые клетки¹²:

• Введённая клетка способна взаимодействовать с другими клетками и тканями организма, реагировать на химические, физические и биологические стимулы.

• В качестве клеточной терапии чаще вводят стволовые и Т-клетки.

• Одобренные продукты используются для лечения злокачественных заболеваний крови и иммунодефицитов, восстановления тканей.

Ксенотрансплантация — это пересадка клеток, тканей и органов от донора, который не является человеком. Развитие технологии связано с нехваткой людей-доноров, которые могли бы предоставить органы для трансплантации. При терапии некоторых заболеваний человеческий материал часто недоступен¹³.

В ранних исследованиях в качестве доноров рассматривали приматов. С 1990-х годов их место заняли свиньи. Они быстро растут, а их анатомия и физиология похожи на человеческую. В качестве потенциальных органов для ксенотрансплантации рассматривают сердце, почки и печень¹⁴.

Одна из проблем ксенотрансплантации — иммунный ответ человека на антигены свиньи. Чтобы уменьшить риск отторжения, органы животного генетически модифицируют, снижая активность антигенов. Применение иммуносупрессивной терапии помогает подавить активность иммунных клеток¹⁵.

Создание вакцин

Биотехнология занимается разработкой современных видов вакцин^16,17:

1. Клеточные. В качестве материала для вакцины используется бактерия, которая в норме живёт в организме, или микроорганизм, который вызывает лёгкую инфекцию. Они генетически модифицируются, чтобы иммунная система видела в них более грозного противника, чем на самом деле.

2. Инженерные вирусы. В ДНК вируса добавляют новые фрагменты. Изменённый вирус приводит к образованию ряда чужеродных белков. Так можно обеспечить защиту сразу от нескольких инфекционных заболеваний.

3. ДНК-вакцины. Отбирают фрагменты ДНК, кодирующие чужеродные белки. К ним добавляют последовательности белков, усиливающих иммунный ответ. Материал объединяют и обрабатывают. Получают плазмиду, которая вместе с вакциной проникает в организм. Плазмида встраивается в клетку хозяина. Последняя синтезирует чужеродные белки, вызывая иммунный ответ.

Адъювантные вакцины состоят из двух компонентов¹⁸:

• антиген — чужеродный белок или полисахарид, на который реагирует иммунитет;

• адъювант — вещество, усиливающее иммунный ответ.

Адъюванты помогли разработать вакцины против папилломавируса человека (HPV), повышающего риск развития некоторых видов рака. В качестве адъювантов в одобренных вакцинах применяются гидроксид алюминия или гидроксифосфат алюминия¹⁹.

Нанобиотехнология

Нанобиотехнология работает на молекулярном и клеточном уровнях. У применения наночастиц большой потенциал в следующих областях²⁰:

• Терапия рака. Наночастицы способны обеспечить доставку и распределение лекарств в опухолевом участке. На поверхность наночастиц добавляют специальные молекулы или моноклональные антитела, чтобы улучшить распознавание опухоли.

• Тканевая инженерия и регенеративная медицина. Биологические материалы, включающие наночастицы, нанотрубки и нановолокна, — подходящая среда для роста и развитияклеток.

• Обнаружение биомолекул. Наночастицы способны обнаруживать вирусы, гормоны, антигены, ДНК.

• Противомикробная активность. Наноматериалы с ионами металлов, например серебра, могут подавлять жизнедеятельность бактерий, устойчивых к традиционной терапии.

Наночастицы могут быть меньше одного микрометра и разной формы — в виде трубок, сфер или кристаллов²¹.

Источники

1. Gupta V, Sengupta M, Prakash J, Tripathy BC. An Introduction to Biotechnology. Basic and Applied Aspects of Biotechnology. 2016 Oct 23:1-21. doi: 10.1007/978-981-10-0875-7_1. PMCID: PMC7119977.

2. Contera S, Bernardino de la Serna J, Tetley TD. Biotechnology, nanotechnology and medicine. Emerg Top Life Sci. 2020 Dec 17;4(6):551-554. doi: 10.1042/ETLS20200350. PMID: 33295610; PMCID: PMC7752048.

3. Khalil AM. The genome editing revolution: review. J Genet Eng Biotechnol. 2020 Oct 29;18(1):68. doi: 10.1186/s43141-020-00078-y. PMID: 33123803; PMCID: PMC7596157.

4. Xu Y, Li Z. CRISPR-Cas systems: Overview, innovations and applications in human disease research and gene therapy. Comput Struct Biotechnol J. 2020 Sep 8;18:2401-2415. doi: 10.1016/j.csbj.2020.08.031. PMID: 33005303; PMCID: PMC7508700.

5. Carroll D. Genome engineering with zinc-finger nucleases. Genetics. 2011 Aug;188(4):773-82. doi: 10.1534/genetics.111.131433. PMID: 21828278; PMCID: PMC3176093.

6. Gaj T, Gersbach CA, Barbas CF 3rd. ZFN, TALEN, and CRISPR/Cas-based methods for genome engineering. Trends Biotechnol. 2013 Jul;31(7):397-405. doi: 10.1016/j.tibtech.2013.04.004. Epub 2013 May 9. PMID: 23664777; PMCID: PMC3694601.

7. Стволовые клетки: что это такое и что они делают [Электронный ресурс]: MayoClinic. URL:https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/bone-marrow-transplant/in-depth/stem-cells/art-20048117.

8. Mao AS, Mooney DJ. Regenerative medicine: Current therapies and future directions. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Nov 24;112(47):14452-9. doi: 10.1073/pnas.1508520112. PMID: 26598661; PMCID: PMC4664309.

9. Yu J, Park SA, Kim WD, Ha T, Xin YZ, Lee J, Lee D. Current Advances in 3D Bioprinting Technology and Its Applications for Tissue Engineering. Polymers (Basel). 2020 Dec 11;12(12):2958. doi: 10.3390/polym12122958. PMID: 33322291; PMCID: PMC7764360.

10. Антитело [Электронный ресурс]: MedlinePlus. URL:https://medlineplus.gov/ency/article/002223.htm.

11. Saeed AF, Wang R, Ling S, Wang S. Antibody Engineering for Pursuing a Healthier Future. Front Microbiol. 2017 Mar 28;8:495. doi: 10.3389/fmicb.2017.00495. PMID: 28400756; PMCID: PMC5368232.

12. Wang LL, Janes ME, Kumbhojkar N, Kapate N, Clegg JR, Prakash S, Heavey MK, Zhao Z, Anselmo AC, Mitragotri S. Cell therapies in the clinic. Bioeng Transl Med. 2021 Feb 26;6(2):e10214. doi: 10.1002/btm2.10214. PMID: 34027097; PMCID: PMC8126820.

13. Ксенотрансплантация [Электронный ресурс]: U. S. Food& Drug. URL: https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/xenotransplantation.

14. Carrier AN, Verma A, Mohiuddin M, Pascual M, Muller YD, Longchamp A, Bhati C, Buhler LH, Maluf DG, Meier RPH. Xenotransplantation: A New Era. Front Immunol. 2022 Jun 9;13:900594. doi: 10.3389/fimmu.2022.900594. PMID: 35757701; PMCID: PMC9218200.

15. Cooper DKC, Gaston R, Eckhoff D, Ladowski J, Yamamoto T, Wang L, Iwase H, Hara H, Tector M, Tector AJ. Xenotransplantation-the current status and prospects. Br Med Bull. 2018 Mar 1;125(1):5-14. doi: 10.1093/bmb/ldx043. PMID: 29228112; PMCID: PMC6487536.

16. National Research Council (US) Committee on Opportunities in Biotechnology for Future Army Applications. Opportunities in Biotechnology for Future Army Applications. Washington (DC): National Academies Press (US); 2001. Appendix D, Vaccination. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK207433/.

17. Kutzler MA, Weiner DB. DNA vaccines: ready for prime time? Nat Rev Genet. 2008 Oct;9(10):776-88. doi: 10.1038/nrg2432. PMID: 18781156; PMCID: PMC4317294.

18. Pulendran B, S Arunachalam P, O’Hagan DT. Emerging concepts in the science of vaccine adjuvants. Nat Rev Drug Discov. 2021 Jun;20(6):454-475. doi: 10.1038/s41573-021-00163-y. Epub 2021 Apr 6. PMID: 33824489; PMCID: PMC8023785.

19. Markowitz LE, Schiller JT. Human Papillomavirus Vaccines. J Infect Dis. 2021 Sep 30;224(12 Suppl 2):S367-S378. doi: 10.1093/infdis/jiaa621. PMID: 34590141; PMCID: PMC8577198.

20. Rudramurthy GR, Swamy MK. Potential applications of engineered nanoparticles in medicine and biology: an update. J Biol Inorg Chem. 2018 Dec;23(8):1185-1204. doi: 10.1007/s00775-018-1600-6. Epub 2018 Aug 10. PMID: 30097748.

21. Zdrojewicz Z, Waracki M, Bugaj B, Pypno D, Cabała K. Medical applications of nanotechnology. Postepy Hig Med Dosw (Online). 2015 Oct 29;69:1196-204. doi: 10.5604/17322693.1177169. PMID: 26561846.