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 фарм рынок 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 производстве при изготовлении и получении лекарственных препаратов очень много. Например, в роли биообъекта может выступать человек-донор. С его помощью производят гомологичную иммунную плазму (антистафилококковую, противокоревую, эритроцитарную и лейкоцитарную массу для трансфузий и так далее)

В роли биообъекта может выступать животное (лошадь, олень, корова, свинья, курица, кролик и так далее). С их помощью обеспечивается промышленное 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 изготовлении простагландинов, смола сосны – это полупродукт получения скипидара, смола пихты – это сырье для бальзамов, камфорное дерево – сырье для получения 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 против использования человека как биообъекта в плане мутагенного действия возражает этика. Человека можно подвергать только ненаследственной иммунизации. Человека можно использовать:

1. донор крови – необходимо, чтобы человек был здоров, кровь не должна быть 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 биообъектов сомнительно, хотя в принципе, можно добиться увеличения продукции инсулина поджелудочной железой свиней или крупного рогатого скота.

Рептилии: яд змей лучше собирать весной.

Растения: селекция и отбор – единственный путь их совершенствования до настоящего времени. Чтобы увеличить выход целевого продукта сегодня используют культуры растительных клеток - получают биоженьшень, сердечные гликозиды и др.

Эукариоты и прокариоты: главные успехи при селекции и отборе получены у микроорганизмов, т.к. они легко размножаются, имеют большое количество мутантов и легче отбирается биообъект с интересующими биотехнолога свойствами. Методом отбора и мутагенеза было достигнуто повышение активности 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, а клеток дрожжей – при производстве эргостерина (предшественника витамина Д, бетакаротина) предшественника витамина А) и так далее. Прокариоты - бактерии как биообъекты используются в производстве, например, витамина цианокобаламина (витамина В12 ).

Биотехнологические функции бактерий разнообразны. Бактерии используются 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 к эубактериям. Микробные клетки используют для трансформации веществ. Бактерии также широко используются в генноинженерных манипуляциях при создании геномных клонотек, введении генов в растительные клетки (агробактерии).

Производственные штаммы микроорганизмов должны соответствовать оп ределенным требованиям: 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 окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды.

Важным свойством продуцента является устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, и фагоустойчивость.

Свое шествие спирулина (Spirulina platensis) начала из Африки — население района озера Чад давно употребляет 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 и употребляли в пищу слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Анализ образцов Spirulina показал, 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 содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли 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 как монокультура — составляет в отдельных озерах до 99 % общего количества водорослей. Растет спирулина в щелочной 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 массы водоросли с 1 м2 в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз. Преимущества спирулины по сравнению с другими съедобными водорослями не только в простоте культивирования, но и в несложности сбора биомассы, высушивания ее, например, под солнцем. В ряде стран выращивают спирулину 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 промышленность выпускает препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее и иммуностимулирующе 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 оттенок вырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах); белок (Candida, Saccharomyces lipolitica); К грибам относятся дрожжи и плесени. Из 500 известных видов дрожжей первым люди научились использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется. К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из сыворотки. Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для получения белковой массы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием.

Вирусы – микроорганизмы неклеточной структуры, являющиеся абсолютными 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 к красителям), культуральными, биохимическими и антигенными свойствами, называется чистой культурой.

Чистая культура микроорганизмов, выделенных из определенного источника и отличающихся от других представителей вида, называется штаммом. Штамм – более узкое понятие, чем вид или подвид. Близким к 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. состоит из 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, используемым в производстве лекарственных средств относятся:

1. макроорганизмы растительного и животного происхождения

2. грибы, бактерии, вирусы, культуры клеток эукариот, биологические макромолекулы с информационной (ДНК, РНК), или функциональной активностью (ферменты, биокатализаторы).

Технологии получения лекарственных средств (преимущества новых технологий). Что касается новых технологий биотехнологического производства, то особое место в биотехнологии занимают биообъекты растительного происхождения, используемых для получения культур клеток таких как каллусные (выращивание клеток на твердой поверхности) и суспензионные культуры (выращиваемые в жидких средах). Слово «каллус» обозначает «грубый нарост», «мозоль» как сообщество клеток на поврежденной ткани растения.

Новые технологии получения лекарственных средств используются и на основе клеток животных организмов. Например, на культуре клеток почек зеленых мартышек (обезьян) и фибробластов (донорская кровь) человека усовершенствовано производство осповакцины и вакцины против полиомиелита, что позволило обеспечить население всего мира качественными профилактическими препаратами и ликвидировать натуральную оспу, свести к минимуму такое заболевание как полиомиелит.

Успешно работает сегодня и технология получения интерферона, основанная на культивировании лейкоцитов человека из донорской крови.

Для биообъектов из микромира характерно достаточно быстрое размножение (вирусы, бактериофаги). Деление дрожжей происходит 1 раз в 90 -120 минут, а бактерий 1 раз в 20 -60 минут.

Применение новых технологий при получении биологически активных веществ (БАВ) из растительного сырья при сравнении их со сбором дикорастущих растений или выращиванием на плантациях, имеет следующие преимущества:

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, стоимости продукции (снижение), и экологичности производства.

 

Варианты использования биообъектов. Известно несколько вариантов использования биообъектов в производстве лекарственных средств.

• Самый распространенный (широко известный) из объектов микромира основан на получении биомассы с последующим ее использованием в качестве полупродукта или целевого продукта. Так готовят нормофлоры, колибактерин, бификол, некоторые вакцины, диагностические бактериофаги.

• Другой вариант - использование продуктов жизнедеятельности биообъектов из микромира, которые накапливаются в среде их выращивания. Так получают аминокислоты, витамины, ферменты, антибиотики. Разновидностью этого варианта можно считать биотрансформацию, когда биотехнолог использует биообъект для проведения конкретной биохимической реакции на каком-то этапе производства лекарственного средства. Например, это применение уксусно-кислых бактерий в производстве витамина С (стадия перевода сорбита в сорбозу), микобактерии – в производстве стероидов (на этапе превращения ситостерина в 17-кетоандростан), и так далее.

• Третий вариант использования биообъектов из микромира, суть которого состоит в его иммобилизации, что дает следующие преимущества:

1. повышения стабильности и устойчивости микроорганизма как продуцента,

2. автоматизации процесса

3. снижение затрат на выделение и очистку получаемых продуктов реакции (удешевление производства).

Для иммобилизации используют гели, мембраны, волокна, инертные микрочастицы. Технология иммобилизации включает приемы механической, физической или химической обработки. Иммобилизуют как жизнеспособные биообъекты, так и поврежденные. Сочетание уникальных каталитических свойств ферментов с водонерастворимостью в иммобилизованном виде послужило основой для возникновения нового поколения лекарственных средств (в целях терапии иммобилизованными ферментами; а также появление новых диагностикумов). В терапии иммобилизованные ферменты применяются при лечении острой сердечной недостаточности, тромбообразовании («стрептодеказа») и как биосенсоры в составе биоэлектродов для анализа биожидкостей (кровь, моча и другие) на наличие этанола, пенициллина, глюкозы и других биологически активных веществ.

Свойства биообъекта для его совершенствования соответствуют требованиям, предъявляемым к продуценту.

 

 

6. Биосинтез БАВ (биологически активные вещества) в условиях производства.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: