Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 45. Медична біотехнологія

Медичні біотехнології забезпечують сучасними методами аналізу

Як уже зазначалося в попередньому параграфі, сучасні біотехнології застосовують у багатьох сферах людської діяльності, зокрема й у медицині. Галузь біотехнологій, що займається розробкою нових методів діагностики та лікування, а також створенням і виробництвом ліків має назву медична біотехнологія.

Сучасна медична біотехнологія забезпечила медицину величезним арсеналом потужних і чутливих методів аналізу, що дозволяють виявити в пробі біомаркери захворювань. Імуноферментний аналіз заснований на взаємодії молекул у пробі (антигенів) зі штучно отриманими антитілами (рис. 45.1, А). Антигеном може бути білок оболонки бактерії або капсида вірусу, білок-маркер запального процесу або ракової пухлини тощо. До антитіла прикріплено фермент, що каталізує певну реакцію, за продуктами якої можна говорити про наявність антигенів у пробі. Наприклад, за наявності антитіла з ферментом може змінюватися забарвлення, з'являтися світіння. Імуноферментний аналіз часто виконують на спеціальних планшетах, які дозволяють досліджувати водночас значну кількість проб (рис. 45.1, Б). Домашні тести на вагітність (рис. 44.7, Б) використовують цей вид аналізу у своїй роботі.

Метод полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), як ви вже знаєте, дозволяє багаторазово скопіювати певну ділянку ДНК в пробірці, використовуючи бактеріальні ферменти реплікації. Для того, щоб реплікація почалася, до проби додають короткі фрагменти одноланцюгової нуклеїнової кислоти — праймери. Якщо в ДНК проби є ділянки комплементарні праймерам, то реплікація буде відбуватися (рис. 45.2). ПЛР використовують для визначення наявності певної ділянки ДНК, синтезування великої кількості ДНК для подальшого аналізу. Як діагностичний метод ПЛР-аналіз дозволяє знаходити мутації під час пренатальної діагностики, визначати батьківство, виявляти наявність збудників захворювання в пробі.

Рис. 45.1. Імуноферментний аналіз

А. Принцип прямого імуноферментного аналізу полягає в тому, що зв'язане з антигеном антитіло детектується за сигналом від продукту ферментативної реакції. Б. Планшет на 96 лунок дозволяє здійснювати одночасний імуноферментний аналіз багатьох проб. Поява специфічного забарвлення (синього) свідчить про наявність антигена.

Рис. 45.2. Події, що відбуваються протягом одного циклу ПЛР

Спершу ДНК розплітається під час нагрівання проби (1). Потім до країв ділянки ДНК, яка цікавить дослідника чи дослідницю, приєднуються комплементарні праймери (2). Після цього термостійка ДНК-полімераза синтезує ДНК, починаючи з праймерів (3). Наприкінці циклу кількість послідовностей фрагмента подвоюється (4).

Рис. 45.3. ДНК-чіп

А. За наявності в пробі ДНК із ділянкою, що є комплементарною фрагментові ДНК на чіпі, останній з'єднується з ДНК проби й там, де він розташований, спостерігається флуоресценція. Б. Кожна точка, що світиться на чіпі, свідчить про наявність певного гена в пробі. В. ДНК-чіп для визначення генотипу сої.

ДНК-чіп — це пристрій, що є основою, на яку нанесені короткі фрагменти ДНК (рис. 45.3). Під час зв’язування цих фрагментів із комплементарними їм ділянками в пробі виникає оптичний сигнал. За допомогою одного чіпа можна виявити наявність декількох тисяч різних фрагментів ДНК, що дозволяє аналізувати відразу цілий геном організму. ДНК-чіпи найчастіше використовують для визначення генотипу організму. Також вони можуть допомогти у створенні індивідуального генетичного паспорта людини, що дозволить виявити генетичні порушення або схильність до певних патологій.

Завдяки розвитку біотехнологій упроваджуються нові лікарські препарати

Сучасна медицина використовує лікарські препарати, що отримують як із природних джерел (тобто біотехнологічні), так і методами хімічного синтезу. Нині глибокі знання людської біохімії та клітинної біології, а також розвиток обчислювальних технологій дозволяє здійснювати комп’ютерний дизайн молекул із заданими фармакологічними властивостями. Проаналізувавши дані щодо структури ферментів і рецепторів, а також сигнальні й метаболічні шляхи, науковці за допомогою спеціального програмного забезпечення створюють формулу лікувальної речовини. У такий спосіб уже розроблено безліч препаратів для терапії різних захворювань, зокрема й раку.

Рис. 45.4. Причини РНК-інтерференції (пояснення в тексті)

Окремий напрямок медичних біотехнологій — розроблення терапевтичних препаратів на основі РНК. Зв’язування невеликих молекул РНК із матричною РНК за принципом комплементарності спричиняє руйнування такого комплексу та зупинку біосинтезу білка (рис. 45.4). Тобто завдяки їм здійснюється регуляція роботи генів. Цей процес називають РНК-інтерференцією1, а описані короткі молекули РНК — малими інтерферувальними РНК (міРНК). Препарати на основі інтерферувальних РНК здатні пригнічувати експресію небажаних генів. Позаяк деякі спадкові захворювання (наприклад, хорея Гантінгтона) пов'язані з надлишковим біосинтезом окремих білків, то точкове придушення їхнього біосинтезу матиме лікувальний ефект. Також можна використовувати РНК-інтерференцію для боротьби з вірусними захворюваннями або раком, заблокувавши роботу шкідливих генів.

Щоб ліки були ефективними та не мали побічних ефектів, потрібна їхня адресна доставка

Суттєвою перешкодою на шляху впровадження нових лікарських засобів є складність їхнього доставлення до потрібної клітини. Тому одним із напрямів медичних біотехнологій є розроблення систем адресної доставки ліків до окремих клітин або навіть клітинних структур. Для здійснення цього можна використовувати віруси, що несуть спеціальні білки для розпізнавання й проникнення до клітин (про цей та інші способи доставки геннотерапевтичних препаратів ішлося в § 43). Інший підхід полягає у створенні наноліків — штучно синтезованих гранул, які містять лікарські препарати і вкриті молекулами, що забезпечують проникнення частинок до клітин певного типу (рис. 45.5).

Точне доставлення ліків дозволяє підвищити ефективність хіміотерапії раку. Оскільки хіміотерапевтичний препарат є токсичним і для неракових клітин, що активно діляться (клітин шкіри, кісткового мозку, волосяних цибулин), то завдяки адресній доставці він потраплятиме лише до ракових клітин, що дозволить зменшити негативні побічні ефекти такої терапії.

Рис. 45.5. Схема ліпосомної наночастинки для адресної доставки різних типів ліків

1. Поверхневі молекули для захисту від знищення імунною системою.

2. Ліпідний бішар.

3. Поверхневі молекули для контакту лише з певним типом клітин.

4. Жиророзчинний лікувальний препарат.

5. Лікувальна нуклеїнова кислота.

6. Водорозчинний лікувальний препарат.

Репродуктивна медицина намагається вирішувати проблеми безпліддя

Однією з важливих галузей сучасної медицини є репродуктивна медицина, яка займається проблемами боротьби з безпліддям, а також запобіганням появі можливих генетичних аномалій та аномалій розвитку плода. Під час використання репродуктивних технологій початкові стадії ембріогенезу здійснюються поза організмом матері, у контрольованих умовах.

1 У 2006 році за відкриття цього явища Ендрю Файр і Крейг Меллоза отримали Нобелівську премію з фізіології або медицини.

Рис. 45.6. Методи репродуктивної медицини

А. Екстракорпоральне запліднення. 1. Відбирання яйцеклітин. 2. Сперматозоїд. 3. Яйцеклітина. 4. Запліднення ex vivo, «у пробірці». 5. Уведення ембріона до матки. 6. Ембріон. Б. Метод цитоплазматичної заміни. 1. Зигота пари пацієнтів із ушкодженими мітохондріями. 2. Здорове ядро виймають із ушкодженої зиготи. 3. Ядро видаляють зі здорової зиготи. 4. Ядро пацієнтів переносять до зиготи донорів зі здоровими мітохондріями. 5. Ембріон, позбавлений мітохондріальних хвороб.

У випадку екстракорпорального1 запліднення (ЕКЗ) сперматозоїд і яйцеклітини зливаються в пробірці, а не в організмі (рис. 45.6, А). Якщо ж сперматозоїд не може самостійно проникнути до цитоплазми яйцеклітини, то його туди вводять мікрошприцем. Крім того, для ЕКЗ можуть бути використані донорські сперматозоїди та яйцеклітини. Надалі отриманий ембріон певний час вирощують у інкубаторі, а потім пересаджують до матки біологічної або сурогатної матері.

Метод цитоплазматичної заміни дозволяє замінити мітохондрії ембріона (рис. 45.6, Б). Для цього ядро яйцеклітини або зиготи переноситься до цитоплазми клітини зі здоровими мітохондріями. У результаті дитина отримує генетичний матеріал від трьох людей: ядерну ДНК від матері та батька, а мітохондріальну — від жінки-донорки. Перша успішна цитоплазматична заміна була здійснена в Києві у 2017 році.

Використання стовбурових клітин і 3D-принтерів дозволяє отримувати більш безпечні трансплантати

Сучасні медичні біотехнології володіють методами вирощування людських органів і тканин для їхньої подальшої трансплантації. Ця галузь біотехнології отримала назву тканинної інженерії. Вирощування органу вирішує одразу дві проблеми трансплантології — науки про пересадку тканин і органів. По-перше, зникає необхідність пошуку донора, що підходить. По-друге, завдяки тому, що новий орган створюється на основі клітин пацієнта чи пацієнтки, повністю зникає небезпека імунного конфлікту та подальшого відторгнення трансплантату.

Перспективним рішенням у тканинній інженерії є використання стовбурових клітин організму, здатних інтенсивно ділитися й спеціалізуватися (диференціюватися) у різні типи клітин. Одними з найперспективніших є ембріональні стовбурові клітини, отримані від клонованого ембріона (терапевтичне клонування обговорювалося у § 43), та індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (рис. 45.7). Останні отримують зі звичайних клітин організму, перепрограмуваши їх за допомогою методів генетичної інженерії.

1 Від лат. extra — ззовні й corpus — тіло.

Рис. 45.7. Стовбурові клітини та їхнє застосування

Отримання індукованих плюріпотентних стовбурових клітин, на відміну від ембріональних, вимагає генетичного перепрограмування соматичних клітин дорослої людини. Надалі в спеціальному середовищі з обох видів стовбурових клітин вирощують тканини й органи для трансплантації.

Виростити цілий орган важко, оскільки він складається з різних тканин. Оригінальне рішення полягає в тому, щоб вирощувати різні типи клітин окремо, а потім збирати їх разом у єдиний орган. Це можливо завдяки створенню спеціальних 3D-біопринтерів. При цьому як «будівельний матеріал» використовуються вирощені клітини, речовини міжклітинного середовища або їхні замінники. На сьогодні за допомогою біопринтингу вже вдається успішно друкувати кровоносні судини (рис. 45.8, А). Проте в майбутньому планується почати друк складніших структур і цілих органів.

Важливо відрізняти біопринтинг від звичайного медичного 3D-принтингу. Останній застосовується, наприклад, для друку кісткових і хрящових протезів (рис. 45.8, Б). У ньому використовується лише штучний матеріал, але не живі клітини. У випадку із 3D-друком протезів відновлюються лише фізичні й механічні властивості втрачених структур, а під час біопринтингу — і біологічні тканини.

Рис. 45.8. 3D-принтинг

A. Кровоносні судини, виготовлені завдяки 3D-біопринтингу в гелі. Б. Протез вушної раковини (праворуч), надрукований на 3D-принтері.

Однією з найголовніших проблем біопринтингу є друк міжклітинного каркасу, до якого буде прикріплено клітини. Надрукувати його за допомогою біопринтера не вдається — не вистачає точності пристрою. У такому разі зручною альтернативою є заміщення клітин у донорському органі. Для цього орган піддають децелюляризації — очищенню від клітин. Унаслідок цього від нього залишається тільки каркас із міжклітинної речовини. Потому каркас заселяють стовбуровими клітинами пацієнта чи пацієнтки, що відновлюють орган. Першу трансплантацію такого типу зробили у 2008 році: пацієнтці була пересаджена донорська трахея, заселена її клітинами. Метод має великі перспективи: на мишах уже проведено успішні досліди з отримання таким способом функціонального серця.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Визначити наявність у пацієнта раку можна з використанням

  • А імуноферментного аналізу
  • Б ПЦР-аналізу
  • В стовбурових клітин
  • Г ДНК-чіпа

• 2. Для створення наночастинок, здатних адресно доставляти лікарські препарати, до їхньої оболонки вбудовують

  • А нуклеїнові кислоти, комплементарні клітинним
  • Б вуглеводи, що надають солодкості препарату під час його застосування
  • В ліпіди, що активують імунну систему
  • Г білки, що специфічно зв'язуються з рецепторами клітин

• 3. Під час екстракорпорального запліднення

  • А народжується клон одного з батьків
  • Б використовується тільки яйцеклітина
  • В народжується дитина з донорськими мітохондріями
  • Г частина ембріогенезу відбувається поза організмом матері

• 4. Використання стовбурових клітин пацієнта чи пацієнтки для вирощування тканин для трансплантації краще, ніж перенесення тканин від донора/донорки, тому що це

  • А набагато дешевше
  • Б не призводить до змін у геномі пацієнта чи пацієнтки
  • В здійснюється швидше
  • Г не ініціює імунної реакції

• 5. Увідповідніть медичну технологію з її потенційним застосуванням.

  • 1 РНК-інтерференція
  • 2 адресна доставка препарату, що порушує мітоз
  • 3 цитоплазматична заміна
  • 4 тканинна інженерія
  • А блокування розмноження клітин пухлини
  • Б відновлення обгорілої ділянки шкіри
  • В подолання жіночого безпліддя, спричиненого порушенням роботи мітохондрій
  • Г виявлення спадкових порушень
  • Д пригнічення надмірного біосинтезу білка в нейронах

У житті все просто

• 6. Чому РНК-інтерференцію можна застосовувати для пригнічення біосинтезу конкретного білка?

• 7. Чим принцип ПЦР-діагностики відрізняється від використання ДНК-чіпів? Чи можуть вони застосовуватися для вирішення одних і тих же завдань? А вирішення яких завдань є унікальним для кожного з них?

У житті не все просто

• 8. Чому від моменту створення формули препарату до його застосування проходить кілька років? Чи завжди винайдена речовина стає ліками?

• 9. Визначте послідовність операцій, потрібних для створення якогось органу людини на 3D-біопринтері. Які органи вирощувати простіше, які — важче? Чи можна виростити людський мозок?