Медицинские биотехнологии. Медицинские биотехнологии Лекция Медицинская биотехнология как научная дисциплина (вводная)
 Скачать 1.75 Mb.
|
Медицинские биотехнологииЛекция 1. Медицинская биотехнология как научная дисциплина (вводная)Биотехнология — это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. Название ее происходит от греческих слов bios — жизнь, teken — искусство, logos — слово, учение, наука. Медицинская биотехнология – это одна из составных частей биотехнологии, и ее развитие органически связано с биотехнологией в целом. К числу биологических процессов относят те из них, в которых применяют биологические объекты различной природы (микробной, растительной или животной), например, производство ряда продуктов медицинского,— антибиотики, вакцины, ферменты, диагностикумы, пробиотики и пр. Наука формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Это, в частности, непосредственно относится и к медицинской биотехнологии. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический. Второй, этиологический (от греч. aitia — причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX века и первую треть XX века (1856 — 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 — 1895) — основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). С аналитической микробиологией непосредственно связано открытие Пастером молекулярной ассиметрии (стереоизомерии). Это, по существу, бриллиантовый век микробиологии. Пастер вскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т. д. Второй, этиологический (от греч. aitia — причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX века и первую треть XX века (1856 — 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 — 1895) — основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). С аналитической микробиологией непосредственно связано открытие Пастером молекулярной ассиметрии (стереоизомерии). Это, по существу, бриллиантовый век микробиологии. Пастер вскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т. д.Немеркнущая слава Пастера не затмила имен его выдающихся учеников и сотрудников: Э.Дюкло, Э.Ру, Ш.Э.Шамберлана, Ж.А.Вильемена, И.И.Мечникова. В этот же период творили Р.Кох, Д.Листер, Ш.Китазато, Г.Т. Риккетс, Д.И.Ивановский, А. Лаверан и другие. Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). По сути, с этого периода начинается развиваться медицинская биотехнология В 1933 году А.Клюйвер и Л.X. Ц.Перкин опубликовали работу "Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов", в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. С этого времени начинается третий период в развитии биологической науки — биотехнический. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего проведение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939 —1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). В 1933 году А.Клюйвер и Л.X. Ц.Перкин опубликовали работу "Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов", в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. С этого времени начинается третий период в развитии биологической науки — биотехнический. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего проведение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939 —1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в медицинской биотехнологии. Следует отметить, что уже в 1869 г. Ф.Мишер получил "нуклеин" (ДНК) из гнойных телец (лейкоцитов); В.Оствальд в 1893 г. установил каталитическую функцию ферментов; Т.Леб в 1897 г. установил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани; Г.Хаберланд в 1902 г. показал возможность культивирования клеток различных тканей растений в простых питательных растворах; Ц.Нейберг В 1912 г. раскрыл механизм процессов брожения; Л.Михаэлис и М.Л.Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций, а А.Каррел усовершенствовал способ выращивания клеток тканей животных и человека и впервые применил экстракт эмбрионов для ускорения их роста; Г.А.Надсон и Г.С.Филлипов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи, а в 1937 г. Г.Кребс открыл цикл трикарбоновых кислот (ЦТК); в 1960 г. Ж.Барски и др. впервые обнаружили соматические гибриды опухолевых клеток мыши. Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в медицинской биотехнологии. Следует отметить, что уже в 1869 г. Ф.Мишер получил "нуклеин" (ДНК) из гнойных телец (лейкоцитов); В.Оствальд в 1893 г. установил каталитическую функцию ферментов; Т.Леб в 1897 г. установил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани; Г.Хаберланд в 1902 г. показал возможность культивирования клеток различных тканей растений в простых питательных растворах; Ц.Нейберг В 1912 г. раскрыл механизм процессов брожения; Л.Михаэлис и М.Л.Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций, а А.Каррел усовершенствовал способ выращивания клеток тканей животных и человека и впервые применил экстракт эмбрионов для ускорения их роста; Г.А.Надсон и Г.С.Филлипов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи, а в 1937 г. Г.Кребс открыл цикл трикарбоновых кислот (ЦТК); в 1960 г. Ж.Барски и др. впервые обнаружили соматические гибриды опухолевых клеток мыши. К 1950 г. Ж.Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов; в 50-е годы вопросам практической реализации непрерывного культивирования микроорганизмов посвятили свои исследования М. Стефенсон, И. Малек, Н. Д. Иерусалимский и др. Четвертый период в биотехнологии — генотехнический (от греч. genesis — происхождение, возникновение, рождение) начался с 1972 г. В этом году П.Берг со своими сотрудниками в США создали первую рекомбинантную молекулу ДНК. Однако следует отметить, что в 1969 г. Дж.Бекуит с коллегами выделил в химически чистом виде лактозный ген из кишечной палочки, показав тем самым возможность направленных манипуляций с генетическим материалом бактерий. Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне. На таком же уровне или с близким к тому заделом находятся следующие генноинженерные препараты: интерфероны, фактор некротизации опухоли (ТNF), интерлейкин-2, соматотропный гормон человека и аналог его соматомедин Ц и другие. Зная строение аппарата наследственности у разных организмов, удается манипулировать не только нуклеиновыми кислотами, но и целыми хромосомами (хромосомная инженерия) и клетками (клеточная инженерия). Иммунобиотехнология объединяет производства вакцин, иммуноглобулинов крови, иммуномодуляторов, иммуномедиаторов, моноклональных антител и некоторых других препаратов. На основе иммунобиотехнологических процессов создаются также профилактические и лечебные средства, объединяемые под эгидой медицинской биотехнологии. Следовательно иммунобиотехнология представляется здесь частным случаем медицинской биотехнологии. Вместе с тем, иммунобиотехнологические процессы по целевым продуктам вышли за пределы медицинского назначения (например, в иммуноферментном анализе, иммуноблотинге). В равной мере большинство ферментов (как и аминокислот или некоторых других продуктов) производится не для целей здравоохранения. В качестве антигена для определения специфических антител существуют разного рода диагностикумы, старейшим из которых является гомогенная взвесь убитых микробов, применяемая в реакции агглютинации в пробирках (реакции Видаля, Райта и др.) или на стекле (реакция Хеддлсона). Бактериальные диагностикумы и монодиагностикумы. Основным условием для изготовления диагностикумов, так же как и агглютинирующих сывороток, является тщательная подготовка и селекция производственных штаммов с отбором колоний в гладкой форме и преобладанием необходимого антигена. Это обеспечивает хорошую агглютинабельность диагностикумов, их специфичность и стабильность гомогенности микробных взвесей (Н. А. Хоменко, Г. Л. Родионова, 1962). В последнее время все мы имели возможность убедиться, что благодаря применению технологии рекомбинантных ДНК были достигнуты крупные успехи в медицине. Многие фирмы, например, весьма преуспели в разработке эффективных методов промышленного производства человеческого интерферона (для этого гены человека были клонированы в микроорганизмах). Отметим, впрочем, что многие и сейчас сомневаются в эффективности интерферона как антивирусного и противоопухолевого средства. Помимо гена интерферона были клонированы гены инсулина и гормона роста человека. Эти гены экспрессируются и в бактериях. В целях крупномасштабного производства была клонированы гены многих других белков человека, необходимых для диагностики или для лечения. Уже поступил в продажу полученный при помощи микробов инсулин человека, который используется в медицине. Большое значение имеет и разработка методов производства моноклональных антител. Не приходится сомневаться, что все шире и шире в диагностике, терапии и при трансплантации клеток и тканей будут использоваться ферменты, а для терапии опасных, известных и вновь появляющихся болезней будут производится новые виды антибиотиков. К числу активно разрабатываемых, но не вышедших еще из «детского возраста» сфер применения биотехнологии, которые окажут, наверное, наибольшее влияние на развитие медицины и промышленности, относятся биоэлектроника и биоэтектрохимия, в которых используется взаимодействие биологических, электрических и электронных систем. В последние годы здесь достигнуты заметные успехи. Так, принципы электронной инженерии нашли применение при разработке инфузионных насосов, а также эффективных комплексных устройств, в которых используются биологические соединения, чаще всего ферменты или антитела, и различные типы электродов. Создан целый ряд чувствительных датчиков, например контролирующих содержание глюкозы (для применения в медицине) или же нервных газов (в военных целях). Действие большинства из разработанных на сегодня датчиков основано на улавливании продуктов действия ферментов. Для этого используются обычные электроды с иммобилизованной на них биологической системой. Новые подходы в этой области ставят своей целью создание более чувствительных и эффективных приборов и расширение сфер, их применения. В основе работы таких устройств лежит процесс прямого переноса электронов между электродами и окислительно-восстановительными центрами белков. Не приходится сомневаться, что все шире и шире в диагностике, терапии и при трансплантации клеток и тканей будут использоваться ферменты, а для терапии опасных, известных и вновь появляющихся болезней будут производится новые виды антибиотиков. К числу активно разрабатываемых, но не вышедших еще из «детского возраста» сфер применения биотехнологии, которые окажут, наверное, наибольшее влияние на развитие медицины и промышленности, относятся биоэлектроника и биоэтектрохимия, в которых используется взаимодействие биологических, электрических и электронных систем. В последние годы здесь достигнуты заметные успехи. Так, принципы электронной инженерии нашли применение при разработке инфузионных насосов, а также эффективных комплексных устройств, в которых используются биологические соединения, чаще всего ферменты или антитела, и различные типы электродов. Создан целый ряд чувствительных датчиков, например контролирующих содержание глюкозы (для применения в медицине) или же нервных газов (в военных целях). Действие большинства из разработанных на сегодня датчиков основано на улавливании продуктов действия ферментов. Для этого используются обычные электроды с иммобилизованной на них биологической системой. Новые подходы в этой области ставят своей целью создание более чувствительных и эффективных приборов и расширение сфер, их применения. В основе работы таких устройств лежит процесс прямого переноса электронов между электродами и окислительно-восстановительными центрами белков. Успешно развивается и направление, связанное с разработкой датчиков, основанных на использовании комбинации иммобилизованных, стабилизированных микроорганизмов и электродов.Крупные открытия в науке обычно делаются при разработке фундаментальных проблем. Последние достижения мед. биотехнологии, нашедшие применение в самых важных отраслях медицины, оказывают, и будут оказывать революционизирующее воздействие на диагностику, лечение и понимание основ патологии многих тяжелых заболеваний.Лекция №2 Тема лекции: Производство бактерийных классических вакцин В настоящее время для иммунопрофилактики инфекционных болезней людей имеется целый ряд вакцинных препаратов, которые различаются по виду, технологии производства, способу применения и эффективности.Анализ вакцинных штаммов микроорганизмов с позиций генетики позволяет определить их как формы, претерпевшие генетические изменения, в результате которых они безвозвратно потеряли способность вызывать в восприимчивом организме клинические признаки болезни. Вместе с тем они сохранили протективные антигены, определяющие их способность индуцировать специфические иммунологические сдвиги. Реакцию организма на введение живой вакцины следует оценивать не как болезнь, а как вакцинальный процесс.Используемые в живых вакцинах штаммы микроорганизмов с ослабленной вирулентностью называются аттенуированными.Для этого используются следующие пути:
2. Искусственное получение аттенуированных штаммов возбудителей путем воздействия на геном возбудителя разнообразными методами:а) путем длительного культивирования на искусственных питательных средах в неблагоприятных условиях;б) путем перевода возбудителя на другой вид животного - восприимчивого или невосприимчивого (метод адаптации к новому хозяину);в) путем непосредственного воздействия мутагеном на генетический материал бактерии или вируса физическими мутагенами (проникающей радиацией, ультрафиолетовым облучением, химическими соединениями - 5-бромурацилом, азотистой кислотой и др.), возможна обработка факторами биологической природы - иммунными сыворотками, бактериофагом, антибиотиками. 3 Искусственное получение генетических рекомбинантов, обладающих сниженной вирулентностью, но сохранивших иммуногенностьДля получения убитых вакцин чаще используют высокопатогенные штаммы, полноценные в отношении вирулентности и антигенного строения, в т.ч. иммуногенность.
2. Выращивание биомассы.3. Инактивация микробной взвеси.4. Стандартизация.5. Лиофилизация.Кроме профилактических вакцин в клинической практике применяются и лечебные вакцины, предназначенные для лечения хронических инфекционных болезней. Такие вакцины получают в каждом отдельном случае специально из убитых бактерий, выделенных от данного больногоК химическим вакцинам относятся и анатоксины. Анатоксины представляют собой препараты, полученные из бактериальных экзотоксинов. Они полностью лишены токсических свойств под воздействием физических или химических факторов, но сохраняют антигенные и иммуногенные свойства. Из ряда предложенных депонирующих веществ (активированный уголь, крахмал, хлористый кальций, фосфат кальция и др.) в настоящее время применяются лишь гидрат окиси алюминия и фосфат алюминия, имеющие вид геля и обладающие сорбционной способностью в отношении белков. Ассоциированными препаратами называют вакцины, состоящие из однородных антигенов - только из анатоксинов или только из бактерийных корпускулярных антигенов. Смешанные ассоциированные вакцины включают антигены различной природы. Производство биопрепаратов осуществляется на технологических линиях.Технологические процессы включают следующие операции:На примере приготовление противобактериальных инактивированных вакцин:
|