Использование достижений генетической инженерии в получении иммунобиологических препаратов.
Из многих сотен препаратов, полученных методом генетической инженерии, в практику внедрена только часть: интерфероны, интерлейкины, фактор VIII, инсулин, гормон роста, тканевый активатор плазминогена, вакцина против гепатита В, моноклональные антитела для предупреждения отторжения при пересадках почки, диагностические препараты для выявления ВИЧ и др. Это обстоятельство можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, длительное время к этим препаратам и рекомбинантным штаммам микроорганизмов относились настороженно, опасаясь, что может произойти неуправляемое распространение экологически опасных рекомбинантных микроорганизмов. Однако в наши дни эти опасения практически сняты. Во-вторых, использование рекомбинантных штаммов продуцентов предусматривает разработку сложных технологических процессов по получению и выделению целевых продуктов. На разработку технологии получения препаратов методом генетической инженерии, доклинические и клинические испытания их обычно затрачивается значительно больше средств, чем на получение штамма. В-третьих, при получении препаратов методом генетической инженерии всегда возникает вопрос об идентичности активной субстанции, вырабатываемой рекомбинантным штаммом-продуцентом, природному веществу, т. е. требуется проведение исследовательских работ, направленных на доказательство идентичности, а также иногда решение дополнительных задач по приданию продукту природного характера.
Понятие о биотехнологии.
Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях. Биотехнология — это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов). Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки.
Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием.
Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный продукт. С помощью биотехнологии получают множество продуктов, используемых в различных отраслях:
• медицине (антибиотики, витамины, ферменты, аминокислоты, гормоны, вакцины, антитела, компоненты крови, диагностические препараты, иммуномодуляторы, алкалоиды, пищевые белки, нуклеиновые кислоты, нуклеозиды, нуклеоти-ды, липиды, антиметаболиты, антиоксиданты, противоглистные и противоопухолевые препараты );
• ветеринарии и сельском хозяйстве (кормовой белок: кормовые антибиотики, витамины, гормоны, вакцины, биологические средства защиты растений, инсектициды);
• пищевой промышленности (аминокислоты, органические кислоты, пищевые белки, ферменты, липиды, сахара, спирты, дрожжи );
• химической промышленности (ацетон, этилен, бутанол);
• энергетике (биогаз, этанол).
Следовательно, биотехнология направлена на создание диагностических, профилактических и лечебных медицинских и ветеринарных препаратов, на решение продовольственных вопросов ( повышение урожайности, продуктивности животноводства, улучшение качества пищевых продуктов — молочных, кондитерских, хлебобулочных, мясных, рыбных ); на обеспечение многих технологических процессов в легкой, химической и других отраслях промышленности. Необходимо отметить также все возрастающую роль биотехнологии в экологии, так как очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов, их деградация (фенол, нефтепродукты и другие вредные для окружающей среды вещества) осуществляются с помощью микроорганизмов.
В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое, продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В соответствии с этим биотехнологию можно разделить на медицинскую, сельскохозяйственную, промышленную и экологическую. Медицинская в свою очередь подразделяется на фармацевтическую и иммунобиологическую,
сельскохозяйственная — на ветеринарную и биотехнологию растений, а промышленная — на соответствующие отраслевые направления (пищевая, легкая промышленность, энергетика и т.д.).
Биотехнологию также подразделяют на традиционную (старую) и новую. Последнюю связывают с генетической инженерией. Общепризнанное определение предмета «биотехнология» отсутствует и даже ведется дискуссия о том, наука это или производство
- Нормальная микрофлора организма человека и ее значение. Дисбиозы. Дисбактериозы.
Организм человека заселен (колонизирован) более чем 500 видов микроорганизмов, составляющих нормальную микрофлору человека, находящихся в состоянии равновесия (эубиоза) друг с другом и организмом человека. В норме микроорганизмы отсутствуют в легких и матке. Различают нормальную микрофлору кожи, слизистых оболочек рта, верхних дыхательных путей, пищеварительного тракта и мочеполовой системы. Среди нормальной микрофлоры выделяют резидентную и транзиторную микрофлору. Резидентная (постоянная) облигатная микрофлора представлена микроорганизмами, постоянно присутствующими в организме. Транзиторная (непостоянная) микрофлора не способна к длительному существованию в организме.
Микрофлора кожи имеет большое значение в распространении микроорганизмов в воздухе. На коже и в ее более глубоких слоях (волосяные мешочки, просветы сальных и потовых желез) анаэробов в 3—10 раз больше, чем аэробов. Кожу колонизируют пропионибактерии, коринеформные бактерии, стафилококки, стрептококки, дрожжи Pityrosporum, дрожжеподобные грибы Candida, редко микрококки, Мус. fortuitum. На 1 см2кожи приходится менее 80 000 микроорганизмов. В норме это количество не увеличивается в результате действия бактерицидных стерилизующих факторов кожи.
В верхние дыхательные пути попадают пылевые частицы, нагруженные микроорганизмами, большая часть которых задерживается в носо- и ротоглотке. Здесь растут бактероиды, коринеформные бактерии, гемофильные палочки, пептококки, лактобактерии, стафилококки, стрептококки, непатогенные нейссерии и др. Трахея и бронхи обычно стерильны.
Микрофлора пищеварительного тракта является наиболее представительной по своему качественному и количественному составу. При этом микроорганизмы свободно обитают в полости пищеварительного тракта, а также колонизируют слизистые оболочки.
В полости рта обитают актиномицеты, бактероиды, бифи-цобактерии, эубактерии, фузобактерии, лактобактерии, гемофильные палочки, лептотрихии, нейссерии, спирохеты, стрептококки, стафилококки, вейлонеллы и др. Обнаруживаются также грибы рода Candida и простейшие. Ассоцианты нормальной микрофлоры и продукты их жизнедеятельности образуют зубной налет.
Микрофлора желудка представлена лактобациллами и дрожжами, единичными грамотрицательными бактериями. Она несколько беднее, чем, например, кишечника, так как желудочный сок имеет низкое значение рН, неблагоприятное для жизни многих микроорганизмов. При гастритах, язвенной болезни желудка обнаруживаются изогнутые формы бактерий —Helicobacterpylori, которые являются этиологическими факторами патологического процесса.
В тонкой кишке микроорганизмов больше, чем в желудке; здесь обнаруживаются бифидобактерии, клостридии, эубактерии, лактобациллы, анаэробные кокки.
Наибольшее количество микроорганизмов накапливается в толстой кишке. В 1 г фекалий содержится до 250 млрд микробных клеток. Около 95 % всех видов микроорганизмов составляют анаэробы. Основными представителями микрофлоры толстой кишки являются: грамположительные анаэробные палочки (бифидобактерии, лактобациллы, эубактерии); грамположительные спорообразующие анаэробные палочки (клостридии, перфрингенс и др.); энтерококки; грамотрицательные анаэробные палочки (бактероиды); грамотрицательные факультативно-анаэробные палочки (кишечные палочки и сходные с ними бактерии.
Микрофлора толстой кишки — своеобразный экстракорпоральный орган. Она является антагонистом гнилостной микрофлоры, так как продуцирует молочную, уксусную кислоты, антибиотики и др. Известна ее роль в водно-солевом обмене, регуляции газового состава кишечника, обмене белков, углеводов, жирных кислот, холестерина и нуклеиновых кислот, а также продукции биологически активных соединений — антибиотиков, витаминов, токсинов и др. Морфокинетическая роль микрофлоры заключается в ее участии в развитии органов и систем организма; она принимает участие также в физиологическом воспалении слизистой оболочки и смене эпителия, переваривании и детоксикации экзогенных субстратов и метаболитов, что сравнимо с функцией печени. Нормальная микрофлора выполняет, кроме того, антимутагенную роль, разрушая канцерогенные вещества.
Пристеночная микрофлора кишечника колонизирует слизистую оболочку в виде микроколоний, образуя своеобразную биологическую пленку, состоящую из микробных тел и экзополи-сахаридного матрикса. Экзополисахариды микроорганизмов, называемые гликокаликсом, защищают микробные клетки от разнообразных физико-химических и биологических воздействий.
Важнейшей функцией нормальной микрофлоры кишечника является ее участие в колонизационной резистентности, под которой понимают совокупность защитных факторов организма и конкурентных, антагонистических и других особенностей анаэробов кишечника, придающих стабильность микрофлоре и предотвращающих колонизацию слизистых оболочек посторонними микроорганизмами.
Нормальная микрофлора влагалища включает бактероиды, лактобактерии, пептострептококки и клостридии.Представители нормальной микрофлоры при снижении сопротивляемости организма могут вызвать гнойно-воспалительные процессы, т.е. нормальная микрофлора может стать источником аутоинфекции, или эндогенной инфекции. Она также является источником генов, например генов лекарственной устойчивости к антибиотикам.
Состояния, развивающиеся в результате утраты нормальных функций микрофлоры, называются дисбактериозом и дисбиозом.
При дисбактериозе происходят стойкие количественные и качественные изменения бактерий, входящих в состав нормальной микрофлоры. При дисбиозе изменения происходят и среди других групп микроорганизмов (вирусов, грибов и др.). Дисбиоз и дисбактериоз могут приводить к эндогенным инфекциями.
Дисбиозы классифицируют по этиологии (грибковый, стафилококковый, протейный и др.) и по локализации (дисбиоз рта, кишки, влагалища и т. д.). Изменения в составе и функциях нормальной микрофлоры сопровождаются различными нарушениями: развитием инфекций, диарей, запоров, синдрома мальабсорбции, гастритов, колитов, язвенной болезни, злокачественных новообразований, аллергий, мочекаменной болезни, гипо- и гиперхолестеринемии, гипо- и гипертензии, кариеса, артрита, поражений печени и др
- Препараты, применяемые для восстановления нормальной микрофлоры (пробиотики, пребиотики, синбиотики).
Пробиотики содержат живые микроорганизмы. Но во многих продуктах число их очень мало. Так, во многих йогуртах количество лакто и бифидобактерий 106 - 107 но их должно быть намного больше для нужного эффекта.
Польза для организма молочно кислых продуктов была выявлена еще в 1908 году ученым Мечниковым.
Сейчас в кисломолочные продукты добавляют специально выработанные молочнокислые бактерии, которые лучше преодолевают кислую среду желудка, более устойчивы к пищеварительным ферментам. Они в больших количествах доходят до кишечника не теряя активности.
Богатое пробиотиками питание и препараты с пробиотиками помогут восстановить баланс микрофлоры, вытеснить из кишечника патогенные микроорганизмы, шлаки и токсины, возбудители болезней, усиливать иммунную защиту.
Пребиотики Для полноценного здорового питания необходимы водорастворимые и нерастворимые балластные вещества.
Нерастворимые, например льняное семя, набухая увеличивают массу стула, а водорастворимые помогают работе бифидобактерий.
В состав пребиотиков, как правило входят такие водорастворимые компоненты, как фрукто-олигосахариды, галакто-олтгосахариды, инсулин, лактосахароза.
Их получают из некоторых растений, таких как топинамбур, цикорий и других.
Но для примышленного использования чаще используется цикорий и инулин содержащийся в нем. Бактерии питаются неперевариваемыми ненужными человеку с частичками, тем самым очищая кишечник и помогая здоровью человека.
Ферменты толстого кишечника не могут разлагать пробиотики. Микрофлора же преобразует их в жирные кислоты и другие, полезные компоненты нужные для работы слизистой (для клеточек эпителия кишечника).
Они могут менять состав микрофлоры в лучшую сторону.
Синбиотики Это особые комплексы, содержащие одновременно пребиотики и пробиотики. Пребиотики помогают пробиотикам без вреда проходить агрессивную для них среду верхних отделов желудочно-кишечного тракта, создавая более благоприятную среду для бифидобактерий в толстом кишечнике. Синбиотики стимулируют рост и развитие нормально микрофлоры кишечника, восстанавливая правильный баланс в кишечнике.
- Понятие о химиотерапии и химиотерапевтических препаратах.
Химиотерапия — специфическое антимикробное, антипаразитарное лечение при помощи химических веществ. Эти вещества обладают важнейшим свойством — избирательностью действия против болезнетворных микроорганизмов в условиях макроорганизма. Химиотерапевтическими называются такие лекарственные препараты, которые применяются для лечения инфекционных и паразитарных заболеваний или злокачественных новообразований. Действие химиотерапевтических средств основано на подавлении жизнедеятельности или уничтожении возбудителя инфекции, паразита или клетки злокачественного новообразования. Основоположником химиотерапии является немецкий химик, лауреат Нобелевской премии П. Эрлих, который установил, что химические вещества, содержащие мышьяк, губительно действуют на спирохеты и трипаносомы, и получил в 1910 г. первый химиотерапевтический препарат — сальварсан (соединение мышьяка, убивающее возбудителя, но безвредное для макроорганизма).
Химиотерапевтические вещества могут оказывать как профилактическое, так и лечебное действие, т. е. могут предупреждать или лечить инфекцию. Лечебное действие может быть радикальным или митигирующим. В последнем случае болезнь не излечивается полностью, а лишь значительно смягчается ее течение. Химиотерапевтические препараты лишь подавляют жизнедеятельность микроорганизма и прекращают его размножение. Окончательное уничтожение возбудителя инфекции зависит от защитных сил макроорганизма (последние не должны подавляться химиотерапевтическими препаратами). В процессе лечения может возникать устойчивость (резистентность) возбудителя к химиотерапевтическому препарату. Особенно часто это наблюдается при длительном лечении хронических инфекций (например, туберкулеза). Возникновение устойчивости снижает эффективность лечения. Лекарственная устойчивость имеет групповую специфичность. Это означает, что микробы, устойчивые к какому-либо хпмиотерапевтическому веществу, будут устойчивы также и к другим веществам той же химической группы (т. е. обладающим таким же интимным механизмом действия на микробную клетку), но они сохраняют полную чувствительность к препаратам, принадлежащим к другим химическим рядам. Это обстоятельство необходимо учитывать при длительном лечении хронических инфекци Действие химиотерапевтических препаратов характеризуется известной специфичностью. Нельзя один и тот же препарат применять для лечения любой инфекции. Однако эта специфичность в большинстве случаев не является очень строгой. Иногда препараты действуют лишь на несколько видов возбудителей, в других случаях их действие распространяется на очень многие болезни (химиотерапевтические препараты с узким и широким спектром действия).
В связи с указанным обстоятельством возникает затруднение при классификации химиотерапевтических препаратов по виду заболеваний, на которые они действуют. Наиболее последовательной была бы классификация препаратов по химическим группам. Однако в этом случае возникают неудобства, связанные с отрывом описания от медицинского назначения препаратов. В связи с этим мы прибегли к разделению препаратов по признаку их влияния на группы инфекций с последующей классификацией по химическому принципу.
- Антибиотики. История открытия.
Честь открытия первого антибиотика – пенициллина – принадлежит Флемингу. В 1929 г. работая в своей лаборатории, он заметил, что в одной из чашек Петри, где должны были расти колонии микроорганизмов, появилась плесень, а микробы погибли. Флеминг повторил эксперимент и установил, что вещество, выделяемое плесневым грибком, обладает антибактериальным свойством. . Однако в чистом виде, кристалы, были получен лишь в 1940 г. Чейном, после чего стало возможным установить его химическую природу и наладить производство.
В 1942 году в Советском Союзе создали свой собственный аналог пенициллина. Действовал он куда эффективнее западного конкурента, а стоил на порядок дешевле.
Г. Дюбо выделил из культуры Bacillus brevis два антибиотика — тироцидин и грамицидин, однако они не получили столь широкого применения, как пенициллин.
С. Ваксман открыл ряд антибиотиков, продуцентами которых были различные виды актиномицетов, и в том числе в 1944 г. — стрептомицин; его продуцентом является Actinomyces griseus.
В связи с открытием пенициллина и стрептомицина стало возможным успешно лечить большую часть бактериальных инфекций. Фактически в течение двух десятилетий (с 1940 по 1960 гг.) были открыты все наиболее часто применяемые антибиотики: стрептомицин (1944); хлорамфеникол, полимиксин (1947); хлортетрациклин (1948); бензилпенициллин, неомицин (1949); нистатин (1950); эритромицин, циклосерин (1952); новобиоцин (1953); олеандомицин (1954); канамицин (1955); леворин (1959).
- Классификация антибиотиков по химической структуре, механизму и спектру действия.
Антибиотики — химиотерапевтические вещества, продуцируемые микроорганизмами, животными клетками, растениями, а также их производные и синтетические продукты, которые обладают избирательной способностью угнетать и задерживать рост микроорганизмов, а также подавлять развитие злокачественных новообразований.
За тот период, который прошел со времени открытия П.Эрлиха, было получено более 10 000 различных антибиотиков, поэтому важной проблемой являлась систематизация этих препаратов. В настоящее время существуют различные классификации антибиотиков, однако ни одна из них не является общепринятой.
В основу главной классификации антибиотиков положено их химическое строение.
Наиболее важными классами синтетических антибиотиков являются хинолоны и фторхинолоны (например, ципрофлоксацин), сульфаниламиды (сульфадиметоксин), имидазолы (метронидазол), нитрофураны (фурадонин, фурагин).
По спектру действия антибиотики делят на пять групп в зависимости от того, на какие микроорганизмы они оказывают воздействие. Кроме того, существуют противоопухолевые антибиотики, продуцентами которых также являются актиномицеты. Каждая из этих групп включает две подгруппы: антибиотики широкого и узкого спектра действия.
Антибактериальные антибиотики составляют самую многочисленную группу препаратов. Преобладают в ней антибиотики широкого спектра действия, оказывающие влияние на представителей всех трех отделов бактерий. К антибиотикам широкого спектра действия относятся аминогликозиды, тетрациклины и др. Антибиотики узкого спектра действия эффективны в отношении небольшого круга бактерий, например полет-миксины действуют на грациликутные, ванкомицин влияет на грамположительные бактерии.
В отдельные группы выделяют противотуберкулезные, противолепрозные, противосифилитические препараты.
Противогрибковые антибиотики включают значительно меньшее число препаратов. Широким спектром действия обладает, например, амфотерицин В, эффективный при кандидозах, бластомикозах, аспергиллезах; в то же время нистатин, действующий на грибы рода Candida, является антибиотиком узкого спектра действия.
Антипротозойные и антивирусные антибиотики насчитывают небольшое число препаратов.
Противоопухолевые антибиотики представлены препаратами, обладающими цитотоксическим действием. Большинство из них применяют при многих видах опухолей, например митомицин С.
Действие антибиотиков на микроорганизмы связано с их способностью подавлять те или иные биохимические реакции, происходящие в микробной клетке.
В зависимости от механизма действия различают пять групп антибиотиков:
1. антибиотики, нарушающие синтез клеточной стенки. К этой группе относятся, например, β-лактамы. Препараты этой группы характеризуются самой высокой избирательностью действия: они убивают бактерии и не оказывают влияния на клетки микроорганизма, так как последние не имеют главного компонента клеточной стенки бактерий — пептидогликана. В связи с этим β -лактамные антибиотики являются наименее токсичными для макроорганизма;
2. антибиотики, нарушающие молекулярную организацию и синтез клеточных мембран. Примерами подобных препаратов являются полимиксины, полиены;
3. антибиотики, нарушающие синтез белка; это наиболее многочисленная группа препаратов. Представителями этой группы являются аминогликозиды, тетрациклины, макроли-ды, левомицетин, вызывающие нарушение синтеза белка на разных уровнях;
4. антибиотики — ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот. Например, хинолоны нарушают синтез ДНК, рифампицин - синтез РНК;
5. антибиотики, подавляющие синтез пуринов и аминокислот. К этой группе относятся, например, сульфаниламиды.
Источники антибиотиков.
Основными продуцентами природных антибиотиков являются микроорганизмы, которые, находясь в своей естественной среде (в основном, в почве), синтезируют антибиотики в качестве средства выживания в борьбе за существование. Животные и растительные клетки также могут вырабатывать некоторые вещества с селективным антимикробным действием (например, фитонциды), однако широкого применения в медицине в качестве продуцентов антибиотиков они не получили.
Таким образом, основными источниками получения природных и полусинтетических антибиотиков стали:
• Актиномицеты (особенно стрептомицеты) — ветвящиеся бактерии. Они синтезируют большинство природных антибиотиков (80 %).
• Плесневые грибы— синтезируют природные бета-лактамы (грибы рода Cephalosporiumи Penicillium)Hфузидиевую кислоту.
• Типичные бактерии— например, эубактерии, бациллы, псевдомонады — продуцируют бацитрацин, полимиксины и другие вещества, обладающие антибактериальным действием.
Способы получения.
Существует три основных способа получения антибиотиков:
• биологическийсинтез (так получают природные антибиотики — натуральные продукты ферментации, когда в оптимальных условиях культивируют микробы-продуценты, которые выделяют антибиотики в процессе своей жизнедеятельности);
• биосинтезс последующими химическими модификациями(так создают полусинтетические антибиотики). Сначала путем биосинтеза получают природный антибиотик, а затем его первоначальную молекулу видоизменяют путем химических модификаций, например присоединяют определенные радикалы, в результате чего улучшаются противомикробные и фарма-кологические характеристики препарата;
• химическийсинтез (так получают синтетические аналоги природных антибиотиков, например
хлорамфеникол/левомицетин). Это вещества, которые имеют такую же структуру
- Классификация антибиотиков по источнику получения. Способы получения.
1. Антибиотики, выделенные из грибов. Грибы — активные продуценты антибиотиков; из них выделены первые антибиотики, применяющиеся и сейчас в медицинской практике.(Penicillinum) 2. Антибиотики различного строения, полученные из актиномицетов, группа включает около 80 % всех антибиотиков. основное значение имеют представители рода Streptomyces, являющиеся продуцентами стрептомицина,эритромицина, левомицетина, нистатина
3. Антибиотики, выделенные из бактерий. Наибольшее практическое значение имеют грамицидин и грамицидин С, выделенные из различных штаммов почвенных бактерий Вас. brevis.
4. Антибиотики, выделенные из тканей животных; первым среди них явился лизоцим, обнаруженный в слезной жидкости, слюне и выделенный из яичного белка. Из тканей рыб выделен антибиотик экмолин, активный в отношении некоторых бактерий. Он применяется в сочетании с другими антибиотиками, усиливает их действие. Особый интерес представляет антибиотик интерферон, образующийся в клетках организма (или в лабораторных условиях — в культуре ткани) под действием вирусов и являющийся фактором естественной защиты клетки от размножения вируса.
5. Антибиотики, полученные из растений, -К ним можно отнести фитонциды, (лук, чеснок) В чистом виде они не получены, так как являются чрезвычайно нестойкими соединениями. Антимикробным действием обладают многие растения, например ромашка, шалфей, календула; Новоиманин, получаемый из травы зверобой, действует на грамположительные бактерии, кокки. Хлорофиллипт выделен из листьев эвкалипта, обладает антибактериальной активностью при местном применении (ожоги, трофические язвы и т. п.), вводится также внутрь (при носительстве стафилококков в кишечнике); внутривенное введение его рекомендуется при септических состояниях, вызванных стафилококками, устойчивыми к антибиотикам.