XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Стремительное развитие биологической науки, обусловленное появлением высокопроизводительных приборов и созданием методов манипулирования информационными биополимерами и клетками, подготовило фундамент для развития медицины будущего. В результате исследований последних лет были разработаны эффективные диагностические методы, появились возможности для рационального конструирования противовирусных, противобактериальных и противоопухолевых препаратов, средств генотерапии и геномного редактирования. Современные биомедицинские технологии все в большей степени начинают влиять на экономику и определять качество жизни людей.

К настоящему времени детально исследованы строение и функции основных биологических молекул и разработаны методы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Эти биополимеры по своей природе являются «интеллектуальными» материалами, так как способны высокоспецифично «узнавать» и воздействовать на определенные биологические мишени. Путем направленного «программирования» таких макромолекул можно создавать рецепторные молекулярные конструкции для аналитических систем, а также лекарственные препараты, избирательно воздействующие на конкретные генетические программы или белки.

«Интеллектуальные препараты», созданные методами синтетической биологии, открывают возможности для таргетной (целенаправленной) терапии аутоиммунных, онкологических, наследственных и инфекционных заболеваний. Это дает основание говорить о внедрении в медицинскую практику подходов персонализированной медицины, ориентированной на лечение конкретного человека.

С помощью современных медицинских технологий и фармпрепаратов сегодня удается излечивать многие болезни, представлявшие в прошлом огромную медицинскую проблему. Но с развитием практической медицины и ростом продолжительности жизни все более актуальной становится задача здравоохранения в самом прямом смысле этого слова: не просто бороться с болезнями, но поддерживать имеющееся здоровье, чтобы человек мог вести активный образ жизни и оставаться полноценным членом общества до глубокой старости.

Такую задачу можно решить, обеспечив постоянный эффективный контроль за состоянием организма, который позволил бы избегать действия неблагоприятных факторов и предупреждать развитие заболевания, выявляя патологический процесс на самом раннем этапе, и ликвидировать саму причину возникновения болезни.

В этом смысле основную задачу медицины будущего можно сформулировать как «управление здоровьем». Сделать это вполне реально, если иметь полную информацию о наследственности человека и обеспечить мониторинг ключевых показателей состояния организма.
«Умная» диагностика

Для управления здоровьем необходимо иметь эффективные и простые малоинвазивные методы ранней диагностики заболеваний и определения индивидуальной чувствительности к терапевтическим препаратам, а также факторам внешней среды. Например, должны быть решены (и уже решаются) такие задачи, как создание систем для генной диагностики и выявления возбудителей инфекционных заболеваний человека, разработка методов количественного определения белков и нуклеиновых кислот – ​маркеров заболеваний.

Отдельно стоит выделить создание методов ранней неинвазивной диагностики (жидкостная биопсия) опухолевых заболеваний, основанных на анализе внеклеточной ДНК и РНК. Источником таких нуклеиновых кислот служат как погибшие, так и живые клетки. В норме их концентрация относительно низка, но обычно возрастает при стрессе и развитии патологических процессов. При возникновении злокачественной опухоли в кровоток попадают нуклеиновые кислоты, выделяемые раковыми клетками, и такие характерные циркулирующие РНК и ДНК могут служить маркерами заболевания.

Сейчас на основе подобных маркеров разрабатываются подходы к ранней диагностике рака, методы прогнозирования риска его развития, а также оценки степени тяжести течения болезни и эффективности терапии. Например, в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН было показано, что при раке предстательной железы повышается степень метилирования определенных участков ДНК. Был разработан метод, позволяющий выделить из образцов крови циркулирующую ДНК и проанализировать характер ее метилирования. Этот способ может стать основой точной неинвазивной диагностики рака простаты, которой на сегодня не существует.

Важным источником информации о состоянии здоровья могут служить так называемые некодирующие РНК, т. е. те РНК, которые не являются матрицей для синтеза белков. За последние годы было установлено, что в клетках образуется множество различных некодирующих РНК, участвующих в регуляции самых разных процессов на уровне клеток и целого организма. Изучение спектра микроРНК и длинных некодирующих РНК при различных состояниях открывает широкие возможности для быстрой и эффективной диагностики. В Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН (ИМКБ СО РАН, Новосибирск) и ИХБФМ СО РАН идентифицирован ряд микроРНК – ​перспективных маркеров опухолевых заболеваний.
Клеточная инженерия
Клеточная инженерия - метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. При гибридизации искусственно объединяют целые клетки с образованием гибридного генома. Клеточная реконструкция связана с созданием жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.). Клеточная инженерия используется для решения теоретических проблем в биотехнологии, для создания новых форм растений, обладающих полезными признаками и одновременно устойчивых к болезням и т. п.
Примеры использования клеточной инженерии: возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях, создание химерных животных. Таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.
Клонирование
Клонирование - “получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения” По-другому определение клонирования звучит так “Клонирование - это процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма”. То есть эти организмы похожи не только внешне, но и генетический код, заложенный в них, одинаков.
Одной из главных задач в данной области является создание коров, в молоке которых будет содержаться сыворотка человеческого алгаомина. Эта сыворотка используется для лечения ожогов и иных травм, и мировая потребность в ней составляет от 500 до 600 тон в год. Это одно направление. Второе-создание органов животных, которые можно будет использовать для трансплантации человеку. “Во всех странах существует серьезный недостаток донорских органов почек, сердец, поджелудочных желез, печени. Поэтому идея, что можно создать практически конвейерное производство транс генетических свиней, по графику поставляющих такие органы для пациентов, специально подготовленных для приема этих органов, вместо того, чтобы отчаянно пытаться найти подходящую ткань у донора-человека - такая идея является волнующей перспективой”.
Первым, кто доказал возможность искусственного получения
близнецов, был немецкий эмбриолог Дриш. Разделив клетки двуклеточного зародыша морского ежа, он получил два генетически идентичных организма.
Первые успешные опыты по трансплантации ядер клеток тела в яйцеклетку осуществили в 1952 году Бриге и Кинг, проводившие опыты с амебами. А в 1979 году англичанин Виладсен разработал метод получения однояйцевых близнецов из эмбрионов овцы и коровы. Однако развития эмбрионов добиться не удалось” А в 1976 году Дж. Гердон доказал возможность клонирования на лягушках. Однако лишь в 1983 году учёным удалось получить серийные клоны взрослых амфибий. В США (1952) У. Р. Бриггс и Т. Дж. Кинг, в Англии Д. Б. Гордон (1960) получили генетические копии лягушки, а в 1997 году шотландец И. Уилмут получает хирургическим путём знаменитую овцу Долли - генетическую копию матери. Для этого из клеток её вымени было взято ядро для пересадки в яйцеклетку другой овцы. Успеху способствовало то, что взамен инъецирования нового ядра применялись воздействия, приводящие к слиянию лишённой ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой. После этого яйцеклетка с заменённым ядром развивалась как оплодотворённая. Очень важно, что этот метод позволяет взять ядро клонируемой особи в зрелом возрасте, когда уже известны её важные для человека хозяйственные признаки. Профессор Нейфах и его коллеги из Института биологии развития Российской медицины недавно скопировали каспийского осетра. Основной аргумент российских биологов - они пытаются спасти каспийского осетра как вид. По размерам искусственные осетры, правда, пока не дотягивают до нормы, но, как утверждают исследователи, это уже технические трудности.
А ученые из университета штата Висконсин опробовали новую методику клонирования млекопитающих, отличную от той, что применялась учеными из Рослингского института, вырастившими Долли. В качестве основного исходного материала новаторы использовали яйцеклетку коровы. Ее лишали так называемого генетического кода и имплантировали молекулы ДНК других клонируемых животных свиньи, крысы, овцы или обезьяны. При этом источником наследственного материала служили клетки тканей взрослых особей, взятые, например, из свиного или крысиного уха. После искусственного оплодотворения из коровьей яйцеклетки, получившей новую генетическую информацию, развивался зародыш другого млекопитающего - копия генетического донора. Таким образом, ученым удалось благополучно вырастить в лабораторных условиях эмбрионы свиньи, крысы, овцы, обезьяны да и самой коровы.
Специалисты из Висконсинского университета уверены, что их исследования имеют важное значение для развития генной инженерии и изучения возможностей генетического донорства. Руководители этих работ Нил Ферст, одним из первых в США приступивший к опытам по клонированию коров, и Таня Доминко полагают, что использованная ими методика в будущем сможет помочь сохранению исчезающих и редких видов животных.
Сейчас перед людьми не стоит вопроса: “Клонировать или нет? ” Конечно, клонировать. Благодаря этому открываются новые возможности. Например, в сельском хозяйстве можно получить высоко продуктивных животных или животных с человеческими генами. А также клонирование органов и тканей-задача номер один в траспланталогии. Стоит другой вопрос: “Разрешить ли клонирование человека? ” С одной стороны это возможность бездетных людей иметь своих собственных детей, а с другой-возможность получения новых Наполеонов и Гитлеров, а также получение клонов для последующего использования их в качестве доноров необходимых органов.
Трансплантация клонируемых органов способна спасти миллионы людей, умирающих по всему свету из-за дефицита органов, который создается, кстати, из-за всевозможных ограничений, навязанных "моралистами": целостность трупа и его неприкосновенность после смерти. Вторым важным следствием трансплантации клонируемых частей тела может стать пересадка утраченных органов: рук, ног, глаз и т. д. Лишить людей надежды забыть про инвалидность и стать нормальными людьми.
Микробиом как объект и субъект терапии

К настоящему времени хорошо изучены и расшифрованы геномы многих микроорганизмов, поражающих человека. Ведутся исследования и сложных микробиологических сообществ, постоянно связанных с человеком, –​микробиомов.
Существенный вклад в эту область исследований внесли и отечественные ученые. Так, специалисты ГНЦ ВБ «Вектор» (Кольцово, Новосибирская обл.) впервые в мире расшифровали геномы вирусов Марбург и натуральной оспы, а ученые ИХБФМ СО РАН – ​геномы вируса клещевого энцефалита, возбудителей клещевого боррелиоза, распространенных на территории РФ. Также были изучены микробные сообщества, ассоциированные с различными видами опасных для человека клещей.
В развитых странах сегодня активно ведутся работы, направленные на создание средств регуляции микробиома организма человека, в первую очередь его пищеварительного тракта. Как оказалось, от состава микробиома кишечника в огромной степени зависит состояние здоровья. Методы воздействия на микробиом уже существуют: например, обогащение его новыми терапевтическими бактериями, использование пробиотиков, благоприятствующих размножению полезных бактерий, а также прием бактериофагов (вирусов бактерий), избирательно убивающих «вредные» микроорганизмы.
В последнее время работы по созданию средств терапии на основе бактериофагов активизировались во всем мире в связи с проблемой распространения лекарственно-устойчивых бактерий. Россия – ​одна из немногих стран, где применение бактериофагов в медицине разрешено. В РФ существует промышленное производство препаратов, разработанных еще в советское время, и чтобы получать более эффективные бактериофаги, необходимо их совершенствовать, и эта задача может быть решена методами синтетической биологии.
Решением ее занимаются в ряде научно-исследовательских организаций РФ, в том числе в ИХБФМ СО РАН. В институте охарактеризованы промышленно производимые в РФ фаговые препараты, расшифрованы геномы ряда бактериофагов, а также создана их коллекция, в которую вошли и уникальные вирусы, перспективные для применения в медицине. В клинике института отрабатываются механизмы оказания персонализированной помощи больным, страдающим от бактериальных инфекций, вызванных лекарственно-устойчивыми микроорганизмами. Последние возникают при лечении диабетической стопы, а также в результате пролежней или послеоперационных осложнений. Разрабатываются и методы коррекции нарушений состава микробиома человека.
Совершенно новые возможности использования вирусов открываются в связи с созданием технологий получения интеллектуальных систем высокоизбирательного действия на определенные клетки. Речь идет об онколитических вирусах, способных поражать только опухолевые клетки. В экспериментальном режиме несколько таких вирусов уже применяются в Китае и США. Работы в этой области ведутся и в России, в них принимают участие специалисты из московских и новосибирских научно-исследовательских организаций: ИМБ РАН, ГНЦ ВБ «Вектор», Новосибирского государственного университета и ИХБФМ СО РАН.
Быстрое развитие синтетической биологии дает основание ожидать в ближайшие годы важных открытий и появления новых биомедицинских технологий, которые избавят человечество от многих проблем и позволят реально управлять здоровьем, а не только лечить наследственные и «благоприобретенные» заболевания.
Фронт исследований в этой области чрезвычайно широк. Уже сейчас доступные гаджеты представляют собой не просто игрушки, но реально полезные приборы, ежедневно обеспечивающие человека информацией, необходимой для контроля и поддержания здоровья. Новые технологии быстрого углубленного обследования дают возможность предсказать или своевременно обнаружить развитие болезни, а персонализированные препараты на основе «умных» информационных биополимеров позволят радикально решить проблемы борьбы с инфекционными и генетическими заболеваниями в самом ближайшем будущем.
Заключение

В медицине биотехнологические приемы и методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Дальнейший прогресс человечества во многом связан с  развитием биотехнологии. То, что казалось в медицинской практике фантастическим вчера, уже сегодня постепенно внедряется в реальную жизнь. В целом, биотехнология представляет собой систему приемов, позволяющих получать промышленным способом ценные продукты за счет использования процессов жизнедеятельности живых организмов.
В фармацевтической промышленности биотехнологии применяются для производства антибиотиков, иммунобиологических препаратов, генно-инженерных лечебно-профилактических препаратов, для производства энзимов, биологически активных веществ и других медицинских препаратов. Важным направлением биотехнологий в медицине является использование биотехнологий для реконструкции тканей и органов человека с использованием стволовых клеток.
Одним из перспективных направлений является использование нанотехнологий в медицинских целях, создание новых носителей и средств целевой доставки лекарственных препаратов.
Новые биологические технологии используются в диагностике и лечении сердечно-сосудистых, онкологических, аллергических и эндокринных заболеваниях.
Объективно можно констатировать, что инновации генных, информационных и иных технологий потенциально обладают уникальной возможностью победоносно воздействовать на многие болезни современности, целенаправленно вносить требуемые коррективы в геном человека, значительно увеличивать продолжительность жизни, восстанавливать или заменять стареющие органы на новые в рамках регенеративной медицины, вести беременность вне стенок утробы матери, дистанционно консультировать, обследовать, оперировать пациентов и наблюдать за состоянием их здоровья в режиме онлайн и многое другое, что сложно было прогнозировать буквально ещё несколько десятилетий назад.
Список используемых источников

1. Егоров, Н.С. Биотехнология: Проблемы и перспективы / Н. С. Егоров. - Москва: Высшая школа, 1987. -159 с.: ил.- Текст: непосредственный.
2. Горкин А.П. Новый иллюстрированный энциклопедический словарь /А.П. Горкин .- Москва: Большая Российская энциклопедия, 2001.- 912 с.- ISBN 5-85270-259-5.- Текст: непосредственный.
3. Кузьмина, Н.А. Основы биотехнологии: учебное пособие / Н.А. Кузьмина. - Режим доступа: свободный .- URL: www. biotechnology.ru (дата обращения: 02.12.2019). - Текст: электронный.