Применение биотехнологии в медицине

Медицинская микробиология изучает патогенные для человека микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие), вызываемые ими заболевания, а также разрабатывает технологию получения из ми- кроорганизмов разнообразных продуктов – антибиотиков, вакцин, фер- ментов, белков, витаминов. Последние представляют наибольший ин- терес в терапевтической практике человека и животных. Получение этих продуктов с улучшенными свойствами (не аллергенных, не ток- сичных, устойчивых в условиях окружающей среды) сегодня очень ак- туально.

Антибиотики

Антибиотики - это специфические продукты жизнедеятельно- сти, обладающие высокой физиологической активностью по отноше- нию к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, задерживающие их рост.

Антибиотики (греч. anti - против, bios - жизнь) – вещества ми- кробного, животного или растительного происхождения, избирательно подавляющие жизнеспособность микроорганизмов.

Термин «антибиотики» предложен Ваксманомв 1942 году.

Первые попытки выделения антибиотика были сделаны Эмме- рихом (1889г.), изолировавшим из культур синегнойной палочки веще- ство, которое он назвал пиоциназой, обладавшее бактерицидными

свойствами в отношении возбудителей сибирской язвы, брюшного ти-

фа, дифтерии, чумы и стафилококков. Переворот в учении об антибио-

тиках произошел в результате открытия А. Флемингомпенициллина.

В 1940 г. Флори и Чейнразработали метод извлечения пенициллина из культуральной жидкости Penicillium notatum. Вскоре была выявлена высокая терапевтическая активность этого препарата.

После открытия пенициллина начались интенсивные поиски но-

вых антибиотиков, которые продолжаются до сих пор. Сегодня из-

вестно более 7000 антибиотиков, продуцируемых грибами, актиноми-

цетами, бактериями и другими микроорганизмами.

Механизм действия антибиотиков. По характеру действия ан- тибиотиков на бактерии их можно разделить на две группы: антибио- тики бактериостатического действия и антибиотики бактерицидного

действия. Бактериостатические антибиотики в концентрациях, ко-

торые можно создать в организме, задерживают рост микробов, но не убивают их, тогда как воздействие бактерицидных антибиотиков в аналогичных концентрациях приводит к гибели клетки. Однако в более высоких концентрациях бактериостатические антибиотики могут ока- зывать также и бактерицидное действие.

За последние годы большие успехи были достигнуты в изучении механизма действия антибиотиков на молекулярном уровне. Пени-

циллин, ристомицин (ристоцетин), ванкомицин, новобиоцин, Д-цикло-

серин нарушают синтез клеточной стенки бактерий, то есть эти анти- биотики действуют лишь на развивающиеся бактерии и практически неактивны в отношении покоящихся микробов.

Механизм действия других антибактериальных антибиотиков – левомицетина, макролидов, тетрациклинов – заключается в нарушении синтеза белка бактериальной клетки на уровне рибосом.

Противогрибковые антибиотики полиены нарушают целостность цитоплазматической мембраны у грибковой клетки, в результате чего эта мембрана теряет свойства барьера между содержимым клетки и внешней средой, обеспечивающего избирательную проницаемость. В отличие от пенициллина, полиены активны и в отношении покоящихся клеток грибков.

Противоопухолевые антибиотики, в отличие от антибактери- альных, нарушают синтез нуклеиновых кислот в бактериальных и жи- вотных клетках. Антибиотики актиномицины и производные ауреоло- вой кислоты подавляют синтез ДНК-зависимой РНК, связываясь с ДНК, служащей матрицей для синтеза РНК.

Получение антибиотиков. Продуцент выращивают в 10-50 тон-

ных ферментерах в условиях оптимальных (достаточное содержание азота, углерода) для образования антибиотиков. Для лучшей аэрации среда постоянно перемешивается, и через нее пропускают стерильный воздух. Штаммы продуцентов, выделенные из окружающей среды, обычно из почвы, как правило, малопродуктивны. Путем их селекции удается получить штаммы продуцентов в десятки и сотни раз более продуктивные, чем исходный «дикий» штамм. Большинство антибио- тиков, представляющих интерес для медицины, накапливается в куль-

туральной жидкости. По окончании выращивания продуцента культу- ральную жидкость отделяют от мицелия фильтрованием и антибиотик, содержащийся в жидкости, выделяют различными методами в зависи- мости от его природы. Существуют два основных метода выделения антибиотика. Первый метод заключается в экстракции антибиотика из культуральной жидкости органическими растворителями, второй – ос- нован на способности антибиотика адсорбироваться на ионообменных смолах. Для очистки препарата используют, в зависимости от природы антибиотика, различные физико-химические методы.

Важнейшие антибиотики, применяемые сегодня, часто вызывают

побочные реакции:

- пенициллины, цефалоспорины вызывают аллергические реак-

ции;

- стрептомицин, канамицин, амикацин оказывают разрушающее

действие на слуховой нерв и почки;

- тетрациклины, эритромицины, грамицидин вызывают интокси-

кацию организма и др.

Токсичность существующих препаратов является причиной повы- шенного внимания к развитию класса новых антибиотиков. Новые ан- тибиотики, такие как рокситромицин, султамицин, лифоран и другие характеризуются высоким уровнем безопасности.

Гормоны

Гормоны (от греч. hormao-возбуждаю, привожу в движение), био- логически активные вещества, вырабатываемые в организме специали- зированными клетками или органами (железами внутренней секреции)

и оказывающие целенаправленное влияние на деятельность других ор- ганов и тканей. Термин «гормоны» предложил в 1905 г. английский физиолог Э. Старлинг.

Гормоны влияют на все виды обмена веществ в организме, актив- ность генов, рост и дифференцировку тканей, формирование пола и размножения, адаптацию к условиям среды, поддержание постоянства внутренней среды организма (гомеостаз), поведение и многие другие процессы. Совокупность регулирующего воздействия различных гор- монов на функции организма называется гормональной регуляцией.

Получение и применение гормонов. Гормоны - продукты, полу- чаемые из органов и тканей животных и человека (крови донора, уда- ленных при операциях органов, трупного материала). Полипептидные

и белковые гормоны выделяют путем экстракции из желез домашнего

скота с последующей очисткой. Разработана процедура получения не- которых гормонов с помощью методов генной инженерии. Многие не- пептидные гормоны получают с помощью химического синтеза.

Гормоны нашли широкое применение в акушерстве и гинеко- логии. Хорионический гонадотропин помогает при лечении бесплодия, окситоцин используют для усиления родовой деятельности. Стероид- ные половые гормоны или их аналоги применяют при нарушениях в половой сфере, в качестве противозачаточных средств и т.д. Гормоны коры надпочечников используют для лечения аллергических заболева- ний, их назначают при артрите, при воспалительных процессах. Гор- моны, вырабатываемые вилочковой железой (тимусом), применяют для лечения онкологических заболеваний, при нарушениях иммуните- та.

Гормон роста - соматотропин, ранее этот гормон получали из гипофиза человека. Каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. Для лечения одного ребенка карлика требуется 7 мг в неделю. С примене-

нием генно-инженерных штаммов Е-coli стало возможно продуциро-

вать 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Данная тех- нология получения соматотропина сделала применение его в терапев- тической практике более доступным.

Инсулин - гормон поджелудочной железы, основное средство лечения сахарного диабета. Раньше получали из поджелудочной желе- зы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина тре- мя аминокислотными звеньями, что вызывало аллергические реакции при его применении. Путем генно-инженерных модификаций живот- ного инсулина удалось получить продукт неотличимый от человече- ского инсулина.

Интерфероны – вещества, выделяемые клетками человека и жи- вотных в ответ на инфицирование вирусами. Обладают антивирусной активностью, стимулируют деятельность иммунной системы и препят- ствуют развитию рака.

Интерферон ранее получали из крови в количестве до 1 мкг из 1 л крови, что соответствовало одной дозе. В настоящее время его получа-

ют с применением генно-инженерных штаммов Е-coli, причем из тако-

го же объема культуры кишечной палочки (1 л), извлекают тысячу доз продукта.