БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Евросоюз вкладывает деньги в здоровье
Отличительной чертой нынешнего конгресса стало участие в его работе представителей Евросоюза - руководителей различных научных направлений в области биотехнологии. В своих докладах они рассказали об основных европейских программах, к участию в которых приглашены и российские специалисты. На выполнение программ исследований в области наук о жизни и биотехнологии, рассчитанных на 2006-2013 годы, предусмотрено 10 млрд евро, в том числе 52,4 млн евро на медицинские исследования.
Представитель Общего директората научных исследований ЕС доктор М. Халлен (Бельгия) отметил, что в последние 5-6 лет произошел прорыв в области изучения генома: расшифрован геном человека, многих млекопитающих и растений. Больших успехов в Европе достигли и такие отрасли биологии, как нанобиотехнология, создание биосенсоров и системная биология. Основное направление сегодняшних исследований европейских ученых в молекулярной генетике - использование геномных технологий для лечения онкологических заболеваний, СПИДа, малярии и туберкулеза.
Академик Польской академии наук А. Легоцки подчеркнул, что сегодня исследования в области геномики растений в Европе направлены на создание растений-биофабрик, продуцирующих те или иные полезные белки и ферменты. Иными словами, клетки растений становятся реакторами для получения различных пищевых добавок или лекарственных препаратов. Производство биологических реакторов стало возможным благодаря одному из открытий в молекулярной биологии. Обнаружено, что в клетках растений действует природная система, блокирующая работу генов небольшими фрагментами РНК. Ученые нашли способ "выключить" эту функцию РНК, чтобы заставить определенный ген вырабатывать нужный белок с максимальной эффективностью.
Еще одно направление геномики, выделенное в отдельную исследовательскую программу, - нутригеномика. Задача нутригеномики - применение генных технологий в производстве продуктов питания, обогащенных теми или иными веществами. В этой области Европа лидирует в мире. Исследователи считают, что своевременный переход на специальную диету может предотвратить диабет, остеопороз, онкологические и сердечно-сосудистые заболевания, болезни печени и кишечника, связанные с нарушением гомеостаза (устойчивости основных физиологических функций организма). Проводимые в ЕС исследования позволят уже в недалеком будущем разработать персонифицированные диеты для каждого человека.
Однако продукты питания могут нести нам не только здоровье. По данным доктора К. Патерманна (Бельгия), число болезней, связанных с некачественным питанием, постоянно растет. Поэтому в ЕС вкладывают большие средства (15,9 млн евро) в исследования в области качества и безопасности пищевых продуктов: эпидемиологию, изучение влияния продуктов питания на здоровье, развитие методов анализа и контроля на протяжении всей пищевой цепочки - от семян и кормов до готовых продуктов.
Биологическая безопасность: балансирование на грани выгоды и риска
Директор института питания РАМН академик В. Тутельян остановился на задачах, стоящих перед нутригеномикой. Он сказал, что генно-инженерные технологии помогают ученым в получении заданных свойств продуктов питания, например, в повышении содержания какого-либо белка, витамина или оптимизации жирового состава молока и мяса.
В частности, В. Тутельян напомнил, что в российской пищевой промышленности с недавних пор широко используются добавки питательных веществ, выработанных трансгенными микроорганизма ми.
Что касается создания генетически модифицированных растений (ГМР), по словам В. Тутельяна, пути назад уже нет: 75% выращиваемой в мире сои составляет трансгенная культура, более 30% от общей посевной площади приходится на генетически модифицированную (ГМ) кукурузу. На мировом рынке появились ГМ-продукты второго класса, которые в отличие от генетически модифицированных продуктов первого класса, содержащих лишь один "чужой" ген, имеют в составе генома целый комплекс новых генов, производящих не одно, а множество полезных веществ. Всего же в мире выращивается 81 разновидность генетически модифицированных растений. В 2003 году производство продукции из трансгенных растений в развитых странах увеличилось на 20%. А потому Институт питания РАМН видит свою задачу не в борьбе с генетически модифицированными растениями, а в совершенствовании системы оценки безопасности и налаживании контроля за оборотом всех видов ГМ-продукции.
Академик В. Шевелуха отметил, что традиционные сельскохозяйственные культуры гибнут от засухи, вредителей и других стрессовых факторов. Известно, что 30% производимой сельхозпродукции уничтожается микроорганизмами, вирусами, грибами и другими вредителями. И, по мнению В. Тутельяна, именно токсины, выделяемые грибами (микотоксины), и некоторые другие природные загрязнители неантропогенного происхождения относятся к наиболее опасным для здоровья человека веществам. ГМР же, наоборот, эффективно борются с вредными для здоровья патогенными веществами и организмами.
В России на сегодняшний день зарегистрировано 12 видов генетически модифицированных растений. Для предотвращения несанкционированного появления трансгенной продукции 90 центров санэпиднадзора ежегодно проводят 11 тысяч анализов на наличие генетически модифицированных компонентов в продуктах питания. Важно, что с октября 2002 года все ГМ-корма подлежат обязательной сертификации.
В то же время вопрос о биологической безопасности трансгенных растений нельзя считать решенным. На секции "Биотехнология и сельское хозяйство" ученые докладывали о том, что ГМР несут угрозу биоразнообразию. В качестве примера приводились эксперименты ученых Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной биотехнологии. Они высадили в центре опытного поля трансгенную пшеницу, а вокруг, по кольцу, на расстоянии 1 м засеяли традиционную культуру. Спустя два месяца трансгенная пшеница разрослась, подобно сорнякам, а вся "обычная" погибла. Те же растения, которым все же удалось выжить, как показал ДНК-анализ, содержали чужеродный ген, присутствовавший в ГМ-пшенице. Так что проблема угрозы со стороны ГМР биоразнообразию существует в действительности.
Глобализация торговли продуктами растениеводства и животноводства требует наблюдения за качеством и безопасностью пищи на протяжении всей производственной цепочки, которая включает контроль кормов, мониторинг остаточного содержания лекарств и запрещенных к применению анаболических стимуляторов роста в продуктах животноводства, анализ на хлорорганические загрязнители, тяжелые металлы, микотоксины. Об этом говорили на заседании круглого стола "Биотехнология и ветеринария". В России такой контроль осуществляет Всероссийский государственный НИИ контроля, стандартизации и сертификации ветеринарных препаратов. По данным института, весьма опасны даже в крайне низких дозах хлорорганические загрязнители (к ним относятся в первую очередь диоксины и ДДТ), которые в основном поступают в нашу пищу с продуктами животного происхождения. Причем больше всего их присутствует в продукции из рыбы внутренних морей. Например, в рыбьем жире продукции из Балтийского моря этих вредных веществ содержится в 10 раз больше, чем в жире тихоокеанской рыбы.
Отдельно стоят вопросы охраны территории России от распространения "коровьего бешенства". Принятые меры уже позволили сократить количество запрещенных к ввозу кормов, содержащих ткани жвачных животных (которые могут быть инфицированы вирусом "коровьего бешенства"), с 30% (!) в 2001 году до 5-6% в 2004-м.
На конгрессе говорилось о необходимости разработки системы оценки рисков, включающей в себя научные доказательства безопасности тех или иных пищевых продуктов (например, содержащих все те же ГМР), налаженный информационный обмен и грамотное управление рисками. Доклад об этом сделал профессор Г. Марвин из Института безопасности пищи (Нидерланды). Причем, по его мнению, оценку риска нужно начинать с почвы, и не только оценивать, но и обеспечивать ее безопасность современными биотехнологическими методами.
Итак, сегодня наше здоровье напрямую зависит от качества и безопасности продуктов, которые мы покупаем в магазине. Неслучайно академик В. Тутельян в своем докладе уделил внимание новой разработке Института питания - "Перечню веществ, необходимых для поддержания здоровья". Этот официально утвержденный документ включает наименования 100 пищевых и 60 биологически активных веществ, рекомендуемые уровни и верхние допустимые пределы их потребления, а также их основные источники.
Когда антибиотики бессильны
На секции "Биотехнология лекарственных препаратов" обсуждалась проблема формирования устойчивости (резистентности) микроорганизмов к антибиотикам. Из-за резистентности многие новые лекарственные средства теряют свою эффективность, едва успев появиться на полках аптек. Возникновению разновидностей бактерий, устойчивых к антибиотикам, в немалой степени способствует так распространившееся ныне бесконтрольное использование препаратов без назначения врача. Заметим, в Европе и США ситуация с резистентностью значительно хуже, чем в России. Например, к известному антибиотику пенициллинового ряда метациллину в России устойчиво лишь 6% штаммов стрептококков, а в Венгрии - 60%.
Один из эффективных способов перевести потерявшие активность антибиотики в формы, способные бороться с патогенными микроорганизмами, - это химическая модификация их молекул. Профессор М. Преображенская из НИИ по изысканию новых антибиотиков им. Г. Ф. Гаузе РАМН рассказала на конгрессе об успешной работе по модификации сравнительно нового антибиотика - ванкомицина, резистентность к которому в США имеют уже 30% штаммов бактерий. Полученное в институте производное ванкомицина уже проходит клинические испытания. Новое вещество эффективно убивает патогенные микроорганизмы, с которыми не справляется ванкомицин, причем уничтожает их не только в крови, но и в тканях. Сейчас исследователи заканчивают работу над очередной химической модификацией ванкомицина, обладающей противовирусными свойствами. Этот новый препарат препятствует вхождению вируса в клетку, блокируя его прикрепление к клеточной мембране. Эксперименты показали, что синтезированное химическое соединение способно затормозить размножение ВИЧ, а также вируса атипичной пневмонии.
Геном человека. Работа над ошибками
Генетические заболевания, которые встречаются не чаще пяти случаев на 10 тысяч человек, относят к редким. Но проблема в том, что этих болезней насчитывается более 8 тысяч, поэтому в мире ими страдают порядка 25-30 млн человек. Так что "редкими" их называют довольно условно. Фармакологические компании не очень любят заниматься разработкой препаратов для лечения таких генетических "поломок" из-за очень высокого риска неудачи при весьма внушительных вложениях.
Тем не менее работы в этом направлении ведутся. О применении биотехнологии для лечения генетических "поломок", связанных с недостаточностью одного из лизосомных ферментов, на конгрессе доложила доктор У. Штольцле из немецкого филиала американской компании "Джензайм". Лизосомные болезни накопления, которыми в среднем болеет один человек из 10 тысяч населения, относятся к редким. Они обычно протекают очень тяжело и приводят к смерти в детском возрасте. На сегодняшний день известно около 40 таких генетических "сбоев". Лизосомные болезни накопления обусловлены изменениями в генах, контролирующих синтез ферментов, отвечающих за расщепление макромолекул - глюкозаминогликанов, гликолипидов и гликопротеинов - внутри лизосом. Из-за отсутствия ферментов эти макромолекулы остаются нерасщепленными и накапливаются в лизосомах, одновременно с этим увеличивается число лизосом в клетках различных тканей организма. Клетки увеличиваются в размерах, их нормальное функционирование нарушается, и человек погибает.
Все эти болезни дают о себе знать с самого раннего детства. Болезнь Гоше, которой сегодня страдают 4 тысячи больных, связана с потерей активности и дефицитом фермента глюкоцереброзидазы. В результате у больного поражаются печень, селезенка, костный мозг. Болезнь Фабри вызывается дефицитом лизосомного фермента альфа-галактозидазы А и проявляется поражением сосудистого эндотелия, что ведет к нарушению деятельности сердечно-сосудистой системы, почек и затем к инфарктам, почечной недостаточности и инсультам. Заболевание Помпе уносит жизни в очень раннем возрасте - дефицит d-D-глюкозидазы вызывает у больных нарушение мышечной активности и моторики, что делает необходимой искусственную вентиляцию легких.
Раньше лечение лизосомных болезней накопления было симптоматическим, то есть лишь облегчающим внешние проявления болезни. Разработка ферментных препаратов-заместителей (в 1991 году фирма "Джензайм" впервые начала лечить болезнь Гоше с помощью недостающего организму фермента - выделенной и очищенной человеческой глюкоцереброзидазы) фактически открыло новую эру в терапии неизлечимых ранее недугов. Ферментозаместительная терапия дает возможность пациентам жить нормальной жизнью.
Лизосомных ферментов в клетках человека содержится мало, поэтому получать ферментный препарат непосредственно из клеточного материала очень дорого и трудоемко. Сегодня биотехнологи переходят на производство генно-инженерных, рекомбинантных ферментов. Вкратце технология заключается в том, что в бактериальную ДНК встраивается человеческий ген недостающего фермента. Затем "заплатанную" таким образом (рекомбинантную) ДНК размножают и запускают синтез необходимого фермента в бактериальной культуре. В результате получается "человеческий" фермент, который способен участвовать во всех биохимических циклах клетки. Уже успешно прошли клинические испытания рекомбинантные ферментные препараты, способные излечить болезни Гоше, Фабри и Помпе.
Биочипы, распознающие предвестники лейкоза
Биотехнологические мет оды широко используются при молекулярной диагностике различных заболеваний. Одна из таких недавних разработок Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (ИМБ РАН) - диагностикум, основанный на нанотехнологии. В микроячейки биочипов, которые содержат молекулы и фрагменты ДНК (или белковые молекулы) исследуемых образцов, добавляют флуоресцентно меченные специфические молекулярные зонды. Меченые молекулы избирательно взаимодействуют с теми или иными фрагментами ДНК или белковыми молекулами, давая возможность количественно и качественно определить искомый компонент в анализируемых пробах. Такие биочипы позволяют оперативно обнаруживать микроорганизмы и вирусы в плазме крови, определять предрасположенность к наследственным и онкологическим заболеваниям, устанавливать индивидуальную непереносимость тех или иных лекарственных препаратов. Особенность технологии, разработанной в Институте молекулярной биологии РАН, - одновременное функционирование нескольких тысяч молекулярных зондов, распознающих одну из множества биологических молекул или их фрагментов. На 1 см2 матрицы чипа размещается до тысячи ячеек. Биологические микрочипы, подобно электронным, обрабатывают огромные массивы цифровой информации, считанной с биологического материала.
В 2004 году за эту новаторскую технологию руководитель работы академик Андрей Дарьевич Мирзабеков был посмертно удостоен премии "Молекулярная биоаналитика" немецкого Общества биохимии и молекулярной биологии. В противотуберкулезных центрах Москвы и Новосибирска уже применяется комплекс на основе биочипов для экспресс-диагностики туберкулеза с одовременным выявлением его лекарственно-устойчивых форм. С помощью такого биочипа сроки проведения анализа сократились с 60 дней до одного. Метод был испытан на трех тысячах пациентов, оказалось, что надежность диагностики превышает 90%.
Другой вариант диагностического биочипа для обнаружения и типирования хромосомных перестроек, предшествующих лейкозу, был успешно применен к 500 пациентам Института детской гематологии Российской детской клинической больницы Минздрава РФ и сейчас апробируется в Центре гематологической и онкологической педиатрии в Бразилии.
Хрящи можно вырастить в пробирке
Профессор И. Савченкова из Института стволовой клетки представила на конгрессе пионерскую работу по тканевой инженерии. Впервые в России ученые вырастили трехмерные трансплантаты хрящевой ткани человека вне организма.
В Институте стволовой клетки была разработана методика культивации стволовых клеток, выделенных из подкожно-жировой прослойки пациента. Препарат клеток получают методом липоаспирации (отсасывания жировой ткани) под местной анастезией. Затем клетки высеваются в специальную среду, из них отбираются стволовые. Выращенная культура стволовых клеток проходит тщательное исследование на наличие какой-либо инфекции, изучаются морфология клеток и иммунологические характеристики.
В институте разработан уникальный метод, позволяющий выращенным стволовым клеткам плотно заселять объемную матрицу - носитель будущего трансплантанта (матрикс) и сохранять при этом свои свойства. Культивация таких клеток в трехмерном матриксе в присутствии специального вещества, заставляющего их перерождаться в хрящевые клетки (хондроциты), приводило к формированию в пробирке объемных кусочков хрящевой ткани. С помощью этого метода становится возможным выращивать трансплантаты хрящевой ткани из собственных стволовых клеток человека.
Выращенные "в пробирке" трехмерные трансплантаты хрящевой ткани человека сейчас проходят доклинические исследования в организме иммунодефицитных животных (чтобы избежать отторжения), куда они были вшиты подкожно.
В программе исследований предусмотрен новый совместный проект Института стволовой клетки и Российского онкологического научного центра им. Н. Н. Блохина. Планируется выращивание "в пробирке" не просто кусочков хрящевой ткани, а трахей из собственных стволовых клеток жировой ткани пациента. Если испытания пройдут успешно, искусственно выращенные трахеи будут использоваться в послеоперационной реабилитации больных раком гортани.
Иллюстрация "Третья международная специализированная выставка "Мир биотехнологии-2005".
В рамках конгресса "Биотехнология: состояние и перспективы развития" проходила Третья международная специализированная выставка "Мир биотехнологии-2005", на которой были представлены последние разработки российских и зарубежных предприятий. Апрель 2005 года.
Иллюстрация "Третья международная специализированная выставка "Мир биотехнологии-2005".
В рамках конгресса "Биотехнология: состояние и перспективы развития" проходила Третья международная специализированная выставка "Мир биотехнологии-2005", на которой были представлены последние разработки российских и зарубежных предприятий. Апрель 2005 года.
Иллюстрация "График роста числа больных сальмонеллезом (в %)".
Формирование устойчивости к известным антибиотикам становится одной из серьезнейших медицинских проблем в развитых странах. На графике показан рост числа больных сальмонеллезом (в %), у которых возбудитель болезни стал устойчивым к действию пяти самых распространенных антибиотиков (США).
Иллюстрация "Механизм лизосомных болезней".
Лизосомные болезни накопления относятся к редким генетическим болезням. Они связаны с различными "генетическими поломками", в результате которых в клетках перестает синтезироваться один из так называемых лизосомных ферментов. На сегодняшний день описан механизм примерно 40 таких заболеваний. На схеме показано, что происходит с клетками головного мозга, внутри которых отсутствует один-единственный фермент - гексоаминидаза А (болезнь Тея-Сакса). Дефицит этого белка в лизосомах приводит к тому, что молекула сфинголипида (ганглиозида GM2) остается нерасщепленной и накапливается в вакуолях. От множества вакуолей с "непереваренным" ганглиозидом GM2 клетка постепенно раздувается. Болезнь протекает очень тяжело, сопровождается симптомами умственной отсталости, параличом и приводит к смерти в 2-5-летнем возрасте. Разработка биотехнологических методов получения препарата фермента, недостающего организму, для таких больных - единственная надежда на спасение.
Иллюстрация "Портативный флуоресцентный анализатор".
Так выглядит портативный флуоресцентный анализатор биочипов со специальным программным обеспечением, разработанный в Институте молекулярной биологии РАН. С его помощью можно проводить экспресс-анализ на наличие определенных генов, белков, бактерий и вирусов в биологическом материале.
