Биотехнология и лекарственные средства
Биотехнологические лекарственные средства – это лекарственные препараты, предназначенные для профилактики, лечения или диагностики in vivo, которые развивают не фармакологическую, а биологическую активность. Они обладают рядом существенных отличий от химико-синтетических лекарственных средств. Действующее вещество биотехнологических препаратов имеет биологическое происхождение и является производным от живых клеток, обладает сложной гетерогенной молекулярной структурой. Исходным субстратом служат клетки животного происхождения или микроорганизмы (бактерии типа E.coli, дрожжи и пр.), используются их клеточные и субклеточные структуры.
Существенным отличием биотехнологических лекарственных средств является то, что в них используется естественная способность к метаболизму.
Для их получения производится изоляция и изменение геномной ДНК исходного продукта таким образом, что он получает новую, неспецифическую для данного вида способность к биосинтезу, которая и используется в лекарственных средствах. В первую очередь здесь следует назвать создание генномодифицированных организмов для получения рекомбинантных терапевтических протеинов. В настоящее время уже используется 115 лекарственных средств на основе 84 терапевтических протеинов. В 2006 г. в США в разработке находилось 418 биофармацевтических лекарственных средств, в Европе - 320. Часть из них уже проходят клинические исследования и скоро станут доступными врачам и их пациентам. На сегодняшний день половина инновационных лекарственных средств в мире основана на протеинах или олигонуклеотидах. На фармрынок также выходит новая категория лекарственных средств – биосимиляров – аналогов оригинальных биотехнологических лекарственных средств со сходной, но неидентичной активной молекулой, которые, в отличие от дженериков, имеют полный пакет документов: характеристику состава и свойств, технологии производства, характеристику ФК и ФД, данные доклинических и клинических исследований эффективности и безопасности терапии (с обязательной оценкой иммуногенности), долгосрочный план управления рисками (фармаконадзор).В США в октябре текущего года зарегистрированы только 3-й и 4-й препараты-биосимиляры. В Европейском союзе их больше –13. На регистрации в European Medicines Agency находятся порядка 12 биосимиляров (эритропоэтин и др.). Ожидается, что введение в медицинскую практику биосимиляров резко снизит затраты здравоохранения на биотехнологические лекарственные средства, сделает их доступными для широких слоев населения. В руках у врачей окажутся еще более эффективные препараты для борьбы с серьезными заболеваниями, многие из которых раньше считались неизлечимыми.
|
|
|
Биообъекты и их функции в биотехнологическом производстве
|
|
|
Биообъект –это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.
Функции биообъекта – полный биосинтез целевого продукта, включающий ряд последовательных ферментативных реакций или катализ лишь одной ферментативной реакции, которая имеет ключевое значение для получения целевого продукта.
Количество биообъектов, используемых в биотехнологическом производствепри изготовлении и получении лекарственных препаратов очень много.Например, в роли биообъекта может выступать человек-донор. С егопомощью производят гомологичную иммунную плазму(антистафилококковую, противокоревую, эритроцитарную и лейкоцитарнуюмассу для трансфузий и так далее)
В роли биообъекта может выступать животное (лошадь, олень, корова,свинья, курица, кролик и так далее). С их помощью обеспечиваетсяпромышленное производство инсулина, панкреатина, лизоцима, пантокрина,антитоксических сывороток, вирусных вакцин и так далее.
В качестве биообъекта можно использовать различные растения. Например,почки и однолетние побеги тополя представляют сырье при изготовлениипростагландинов, смола сосны – это полупродукт получения скипидара,смола пихты – это сырье для бальзамов, камфорное дерево – сырье дляполучения камфоры и так далее.
|
|
|
Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:
а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);
б) бактерии и цианобактерии;
в) грибы;
г) водоросли;
д) простейшие;
е) культуры клеток растений и животных;
ж) растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые.
Классификация биообъектов.
1. Макрообъекты: человек, млекопитающие, рептилии, рыбы, насекомые,растения
2. Микрообъекты:
2.1.Эукариоты – низшие грибы, водоросли (кроме нитчатых)
2.2.Прокариоты – актиномицеты, бактерии, сине-зеленые водоросли.
2.3.Микробиосистемы – ферменты, протопласты.
Человек: у него можно воздействовать только на отдельные гены, но противиспользования человека как биообъекта в плане мутагенного действиявозражает этика.Человека можно подвергать только ненаследственной иммунизации.Человека можно использовать:
1. донор крови – необходимо, чтобы человек был здоров, кровь не должнабыть заражена, при взятии крови не должен нарушаться гомеостаз.
|
|
|
2. донор органов и тканей (после его смерти).
Человек являет пример, какие продукты можно получать (интерферон,инсулин, гормоны внутренней секреции, разнообразные факторы роста).Вопрос этики препятствует совершенствованию человека как биообъекта.
Млекопитающие: совершенствование млекопитающих как биообъектовсомнительно, хотя в принципе, можно добиться увеличения продукции инсулинаподжелудочной железой свиней или крупного рогатого скота.
Рептилии: яд змей лучше собирать весной.
Растения: селекция и отбор – единственный путь их совершенствования донастоящего времени. Чтобы увеличить выход целевого продукта сегодняиспользуют культуры растительных клеток - получают биоженьшень,сердечные гликозиды и др.
Эукариоты и прокариоты: главные успехи при селекции и отборе получены умикроорганизмов, т.к. они легко размножаются, имеют большое количествомутантов и легче отбирается биообъект с интересующими биотехнологасвойствами. Методом отбора и мутагенеза было достигнуто повышениеактивности у продуцента пенициллина с 40-х годов в 100 000 раз,стрептомицина в 20 000 раз. Те же результаты получены в работе с
продуцентами витаминов и аминокислот.
Рис. 2 Схематическое изображение прокариотической бактериальной клеки
Рис. 3 Схематическое изображение эукариотической живой клетки
Например, использование клеток плесени при производстве антибиотиков, аклеток дрожжей – при производстве эргостерина (предшественника витамина Д, бетакаротина)предшественника витамина А) и так далее. Прокариоты -бактерии как биообъекты используются в производстве, например, витаминацианокобаламина (витамина В12 ).
Биотехнологические функции бактерий разнообразны. Бактериииспользуются при производстве: - пищевых продуктов, например, уксуса (Gluconobacter suboxidans),молочнокислых напитков (Lactobacillus,Leuconostoc) и др.; - микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis); - белка (Methylomonas); - витаминов (Clostridium - рибофлавин); -растворителей и органических кислот; - биогаза и фотоводорода.Полезные бактерии относятся кэубактериям. Микробные клетки используют для трансформации веществ.Бактерии также широко используются вгенноинженерных манипуляциях при создании геномных клонотек, введении генов в растительные клетки(агробактерии).
Производственные штаммы микроорганизмов должнысоответствовать определеннымтребованиям: способность к росту на дешевых питательных средах, высокая скорость роста и образования целевого продукта, минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающейсреды. В связи с этим всемикроорганизмы, используемые впромышленности проходят длительныеиспытания на безвредность для людей,животных и окружающей среды.
Важным свойством продуцента является устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, ифагоустойчивость.
Свое шествие спирулина (Spirulina platensis) начала из Африки —население района озера Чад давноупотребляет ее в пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться спирулина, но иного вида (Spirulina maxima) — воды озера Тескоко в Мексике. Еще ацтеки собирали с поверхности озер иупотребляли в пищу слизистую массусине-зеленой водоросли спирулины. Анализ образцов Spirulinaпоказал, что в ней содержится 65%белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержаниеаминокислот. Клеточная стенка этойводоросли хорошо переваривается. Как озеро Тескоко, так и водоемы района озера Чад имеют в воде очень высокое содержание щелочей. Характерно, что в таких озерах спирулина полностью доминирует и растет почти какмонокультура — составляет в отдельныхозерах до 99 % общего количества водорослей. Растет спирулина вщелочной среде при рН вплоть до 11.Ее собирают также из озер около г. Мехико, получая до 2 т сухого веса биомассы водоросли в сутки, и эта продукция рассылается в США, Японию, Канаду. В других странах спирулину культивируют обычно в искусственных водоемах или специальных емкостях. Спирулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массыводоросли с 1 м2 в день, а расчеты нагод показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз.Преимущества спирулины по сравнениюс другими съедобными водорослями не только в простоте культивирования, но и в несложности сбора биомассы, высушивания ее, например, подсолнцем. В ряде стран выращиваютспирулину вида Spirulina platensis. Недавно было показано, что в клетках спирулины, помимо ценного белка,углеводов, липидов, витаминов, в значительных количествах запасается, например, такое ценное вещество, как поли-b-оксибутират. Отечественная фармацевтическая промышленностьвыпускает препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее ииммуностимулирующе средство.
Биотехнологические функции грибов разнообразны. Их используют для получения таких продуктов, как: антибиотики (пенициллы,цефалоспорины); гиббереллины и цитокинины (фузариум и ботритис);каротиноиды (н-р, астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттеноквырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах);белок (Candida, Saccharomyces lipolitica); К грибам относятся дрожжи и плесени. Из 500 известных видов дрожжейпервым люди научились использоватьSaccharomyces cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется. К дрожжам, сбраживающим лактозу,относится Kluyveromyces fragilis, которыйиспользуют для получения спирта изсыворотки. Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды иупотребляется для получения белковоймассы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие полезные виды относятся к классудейтеромицетов (несовершенныхгрибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием.
Вирусы– микроорганизмы неклеточной структуры, являющиесяабсолютными паразитами, репродукция которых внутри клеток происходит с помощью энергообменных систем клетки-хозяина.
Одной из основных таксономических категорий является вид(species) – совокупность особей, имеющих общий корень происхождения, сходный генотип и максимально близкие фенотипические признакии свойства.
Совокупность однородных микроорганизмов, выделенных на питательной среде, характеризующаяся сходными морфологическими, тинкториальными (отношение ккрасителям), культуральными, биохимическими и антигенными свойствами, называется чистой культурой.
Чистая культура микроорганизмов, выделенных из определенногоисточника и отличающихся от других представителей вида, называетсяштаммом. Штамм – более узкое понятие, чем вид или подвид. Близкимк штамму является понятие клона; клон – это совокупность потомков,выращенных из одной микробной клетки.
Решением Международного конгресса для микроорганизмов рекомендованы следующие таксономические категории: царство, отдел,класс, порядок, семейство, род, вид.
Название вида соответствует бинарной номенклатуре, т. е. состоитиз двух слов. Например, кишечная палочка пишется как Escherichia coli.
Первое слово – название рода, которое начинается с прописной буквы,второе слово обозначает вид и пишется со строчной буквы. При повторном написании вида родовое название сокращается до начальной буквы,например E. coli.
Обобщая все это, можно сказать, что в целом к биообъектам, используемымв производстве лекарственных средств относятся:
1. макроорганизмы растительного и животного происхождения
2. грибы, бактерии, вирусы, культуры клеток эукариот, биологическиемакромолекулы с информационной (ДНК, РНК), или функциональной активностью (ферменты, биокатализаторы).
Технологии получения лекарственных средств (преимущества новых технологий).Что касается новых технологий биотехнологического производства, тоособое место в биотехнологии занимают биообъекты растительногопроисхождения, используемых для получения культур клеток таких каккаллусные (выращивание клеток на твердой поверхности) и суспензионныекультуры (выращиваемые в жидких средах). Слово «каллус» обозначает«грубый нарост», «мозоль» как сообщество клеток на поврежденной тканирастения.
Новые технологии получения лекарственных средств используются и наоснове клеток животных организмов. Например, на культуре клеток почекзеленых мартышек (обезьян) и фибробластов (донорская кровь) человекаусовершенствовано производство осповакцины и вакцины противполиомиелита, что позволило обеспечить население всего миракачественными профилактическими препаратами и ликвидироватьнатуральную оспу, свести к минимуму такое заболевание как полиомиелит.
Успешно работает сегодня и технология получения интерферона, основаннаяна культивировании лейкоцитов человека из донорской крови.
Для биообъектов из микромира характерно достаточно быстроеразмножение (вирусы, бактериофаги). Деление дрожжей происходит 1 раз в90 -120 минут, а бактерий 1 раз в 20 -60 минут.
Применение новых технологий при получении биологически активныхвеществ (БАВ) из растительного сырья при сравнении их со сборомдикорастущих растений или выращиванием на плантациях, имеет следующиепреимущества:
1. контроль качества сырья
2. выделение (экстракция) и очистка продукта
3. концентрирование
4. стабилизация производства
5. возможность приготовления готовой формы медицинского препарата
Все это решает проблемы рентабельности производства, стоимостипродукции (снижение), и экологичности производства.
Варианты использования биообъектов.Известно несколько вариантов использования биообъектов в производствелекарственных средств.
• Самый распространенный (широко известный) из объектов микромираоснован на получении биомассы с последующим ее использованием вкачестве полупродукта или целевого продукта. Так готовятнормофлоры, колибактерин, бификол, некоторые вакцины,диагностические бактериофаги.
• Другой вариант - использование продуктов жизнедеятельностибиообъектов из микромира, которые накапливаются в среде ихвыращивания. Так получают аминокислоты, витамины, ферменты,антибиотики. Разновидностью этого варианта можно считатьбиотрансформацию, когда биотехнолог использует биообъект дляпроведения конкретной биохимической реакции на каком-то этапепроизводства лекарственного средства. Например, это применениеуксусно-кислых бактерий в производстве витамина С (стадия переводасорбита в сорбозу), микобактерии – в производстве стероидов (на этапепревращения ситостерина в 17-кетоандростан), и так далее.
• Третий вариант использования биообъектов из микромира, суть которого состоит в его иммобилизации, что дает следующиепреимущества:
1. повышения стабильности и устойчивости микроорганизма какпродуцента,
2. автоматизации процесса
3. снижение затрат на выделение и очистку получаемыхпродуктов реакции (удешевление производства).
Для иммобилизации используют гели, мембраны, волокна, инертныемикрочастицы. Технология иммобилизации включает приемымеханической, физической или химической обработки.Иммобилизуют как жизнеспособные биообъекты, так иповрежденные.Сочетание уникальных каталитических свойств ферментов сводонерастворимостью в иммобилизованном виде послужило основой длявозникновения нового поколения лекарственных средств (в целях терапии иммобилизованными ферментами; а также появление новыхдиагностикумов). В терапии иммобилизованные ферменты применяютсяпри лечении острой сердечной недостаточности, тромбообразовании(«стрептодеказа») и как биосенсоры в составе биоэлектродов для анализабиожидкостей (кровь, моча и другие) на наличие этанола, пенициллина,глюкозы и других биологически активных веществ.
Свойства биообъекта для его совершенствования соответствуюттребованиям, предъявляемым к продуценту.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 2402; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!