Введение в медицинскую биотехнологию

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

для студентов специальности 5В070100 «Биотехнология»

 

 

Шымкент, 2012 г.

УДК 331.147(075.8)

ББК 30.16я 73

М 23

 

 

Мамырбекова А.К. Введение в медицинскую биотехнологию/Конспект лекций.- Шымкент: Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова. 2012.- 172 с.

 

Конспект лекций предназначен для студентов специальности 5В070100 «Биотехнология» и включает лекции, содержание которых охватывает программу курса.

Конспект лекций составлен в соответствии с требованиями учебного плана и программой дисциплины.

 

 

Рецензенты: Есимова А.М. – к.х.н., доцент кафедры «Биотехнология»

Жылысбаева Г.Н. – к.техн.н., доцент кафедры «Экология и

химия» МКТУ им. Х.А.Ясави

Сарбаева Г.Н. – к.техн.н., доцент кафедры «Экология и

химия» МКТУ им. Х.А.Ясави

 

 

Конспект лекций рекомендован к изданию Учебно- методическим советом ЮКГУ им. М. Ауезова, протокол № от «» 2012 г.

 

 

© Южно-Казахстанский

государственный университет

им. М.Ауезова

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Лекция 1. Введение в дисциплину
Лекция 2. Объекты медицинской биотехнологии
Лекция 3. Этапы развития и новые направления медицинской биотехнологии
Лекция 4.Использование методов рекомбинации ДНК в медицинской биотехнологии
Лекция 5. Инсулин – первый генно-инженерный медицинский препарат
Лекция 6.Инсулин – первый генно-инженерный медицинский препарат
Лекция 7.Технология рекомбинантных ДНК, или генная инженерия
Лекция 8.Общая характеристика биотехнологического процесса
Лекция 9.Питательные среды, состав, стерилизация
Лекция 10.Основные технологические стадии биотехнологического процесса
Лекция 11.Аппаратурное оформление биотехнологического процесса
Лекция 12.Выделение продуктов биосинтеза, получение готовой продукции
Лекция 13.Система GMP производства и контроля качества лекарственных средств
Лекция 14.Система GMP производства и контроля качества лекарственных средств
Лекция 15.Биотехнология витаминов
Лекция 16. Частнаябиотехнология витаминов
Лекция 17. Частнаябиотехнология витаминов
Лекция 18.Частнаябиотехнология витаминов
Лекция 19. Биотехнология антибиотиков
Лекция 20.Частная технология антибиотиков
Лекция 21.Общая характеристикапрепаратов нормофлоры
Лекция 22. Производствопрепаратов нормофлоры
Лекция 23.Частная технологияпрепаратов нормофлоры
Лекция 24.Биотехнология стероидных гормонов
Лекция 25. Биотрансформация стероидных гормонов
Лекция 26. Биотехнология лекарственных средств на основе культур растительных клеток и тканей
Лекция 27.Этапы работы по созданию лекарственных средств на основе культур растительных клеток и тканей
Лекция 28.Основные положенияиммунобиотехнологии лекарственных средств
Лекция 29.Моноклональные антитела, области применения
Лекция 30. Создание вакцин
Краткий терминологический словарь
Список использованной литературы

 

Введение

Биотехнология входит в курс интересов представителей многих специальностей, имеющих разное базовое образование. Как научная дисциплина и область практической деятельности биотехнология сформировалась со времени появления антибиотиков. В 50-е годы XX века были разработаны и освоены в производстве питательные среды, в 60-е - вакцины, в 70-е – сконструированы и внедрены новые виды типовых технологических процессов и оборудования для реализации. По определению большинства ученых, XXI век будет веком биотехнологии. Этому способствует бурное развитие молекулярной биологии и генетики, острая потребность в новых технологиях, призванных улучшить здравоохранение, охрану окружающей среды, ликвидировать нехватку продовольствия, минеральных ресурсов.

Биотехнология – это технологические процессы с использованием биотехнологических систем – живых организмов и компонентов живой клетки. Системы могут быть разными – от микробов и бактерий до ферментов и генов. Биотехнология – это производство, основанное на достижениях современной науки: генетической инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики и молекулярной биологии, селекционной генетики, микробиологии, биохимии, химии антибиотиков.

В сфере производства лекарственных средств биотехнология вытесняет традиционные технологии, открывает принципиально новые возможности. Биотехнологическим способом производят генно-инженерные белки (интерфероны, интерлейкины, инсулин, вакцины против гепатита и т.п.), ферменты, диагностические средства (тест-системы на наркотики, лекарственные веществ, гормоны и т.п.), витамины, антибиотики, биодеградируемые пластмассы, биосовместимые материалы.

Безусловно, благодаря уникальным возможностям биотехнологии, ей отводится важнейшая роль в решении актуальных медицинских проблем и, в частности, в создании лекарственных препаратов.

Цель преподавания курса - освещение научных фундаментальных и прикладных основ получения биотехнологическими способами продуктов биосинтеза на примере широкого ряда современных лекарственных средств, медицинских и аналитических материалов.

В учебном пособии раскрыты основные термины и определения, наиболее часто встречающиеся в фармацевтической биотехнологии, приведены исторические аспекты развития научного направления, рассмотрены принципы создания и технологии производства фармацевтических продуктов, их значение в медицине и других областях.

 

 

Лекция 1

Введение в дисциплину

Форма проведения лекции: вводная лекция

 

План лекции

1. Предмет медицинской биотехнологии.

2. Аспекты медицинской биотехнологии.

3. Место медицинской биотехнологии среди других направлений современной биотехнологии.

 

1. Медицинская биотехнология является одним из основных направлений новейшей биотехнологии. Это направление предполагает на основе фундаментальных исследований по современной биологии расширение крупномасштабного и дешевого производства продуктов биосинтеза с терапевтическими свойствами. Революционные преобразования нашего времени в области терапии, в основе которых лежит прогресс в изучении биохимии клетки, молекулярной биологии, генетики, иммунологии, вирусологии и медицинской диагностики существенно расширили поле деятельности медицинской биотехнологии.

Быстрый прогресс в биохимии, молекулярной биологии, генетике, иммунологии и вирусологии, укрепляющаяся аппаратурно-технологическая база производства обеспечивают постоянное расширение круга заболеваний, поддающихся эффективному лечению биотехнологическими терапевтическими препаратами.

Благодаря интенсивному развитию таких биологических наук как биохимия, генетика, молекулярная биология, иммунология, микробиология и вирусология происходит расширение возможностей медицинской и ветеринарной биотехнологии по систематическому увеличению новых фармацевтических и ветеринарных препаратов, используемых для терапии ранее трудноизлечимых заболеваний человека и животных. В этом отношении ведутся исследования природных соединений, контролирующих уровень защитных сил организма против инфекций, злокачественного роста и других заболеваний. В развитых странах ведется устойчивое производство антибиотиков, инсулина, интерферонов и интерлейкинов, вакцин и моноклональных антител. Укрепляется тенденция развития в Казахстане медицинской и ветеринарной биотехнологии. Для успеха этого направления экономики Республики требуются высококвалифицированные специалисты. В этой связи необходимо развивать актуальное направление научно-технического прогресса в области фармации и медицине – получение с помощью макро- и микроорганизмов и промышленных биокатализаторов (ферментов) лекарственных средств. Развитие медицинской биотехнологии связано и с тем, что биотехнологу-практику надо знать основы получения с помощью биотехнологии широко применяемых в настоящее время таких групп лекарственных средств (ЛС), как антибиотики, ферменты, гормоны, витамины и др. Биотехнологическое производство основано на использовании в качестве биологических объектов ферментов, клеток микроорганизмов, растительных и животных клеток и тканей,
создании диагностических и лекарственных препаратов методами медицинской биотехнологии, производство основных современных лекарственных форм, используемых в практическом здравоохранении и ветеринарии, среди которых гормоны, интерфероны, интерлейкины, антибиотики, антитела, вакцины.

Практические задачи медицинской биотехнологии:

1. Получение препаратов микробиологическим синтезом.

2. Получение моноклональных антител.

3. Биотехнологическая трансформация биологически активных веществ.

4. Культура клеток и тканей растений для медицины.

2. Традиционным для медицинской биотехнологии были и остаются производство вакцин, сывороток, диагностикумов, гормонов, витаминов, антибиотиков, аминокислот, ферментов, пробиотиков, статинов и др. Для лечения кишечных дисбактериозов биотехнологической промышленностью в н.в. выпускается ряд препаратов: бифидумбактерин – препарат, содержащий живые Bifidobacterium bifidum в высушенном виде; колибактерин, содержащий живые кишечные палочки штамма М-17; лактобактерин, являющийся живой лиофилизированной культурой молочнокислых бактерий (штаммов Lactobacillus fermenti и Lactobac.plantarum). Биотехнологические методы дают возможность получать амино- и органические кислоты с использованием иммобилизованных в полиакриламидный (ПААГ) или каррагениновый гели микроорганизмов. На основе ферментов получены ряд препаратов для лечения ран и ожогов.

Принципиально новыми являются разработки в области создания противоопухолевых вакцин, получения иммунотоксинов, цитокининов и моноклональных антител к бластомным тканям. Схемы создания противоопухолевых дендритных вакцин выглядят следующим образом: у больного берут кровь, выделя-ют моноциты, которые в последующем культивируют.Получают большое количество зрелых дендритных клеток. Одновременно выделяют у больного опухолевую ткань, ее кратковременно культивируют и далее получают пептиды. Затем дендритные клетки инкубируют с опухолевыми пептидами и далее клеточную взвесь вводят больному. На экспериментальных моделях было показано, что противоопухолевые дендритные вакцины индуцируют протекативный и терапевитический противоопухолевый иммунитет. В пилотных клинических исследованиях выявлена индукция противоопухолевого иммунного ответа и регрессия опухоли у больных с лимфомами и меланомами. На основе иммуннотоксинов созданы противоопухолевые препараты.

Развитие иммунной биотехнологии было вызвано практической необходимостью получения большого количества иммунопрепаратов для профилактики, диагностики и лечения как инфекционных, так и неинфекционных заболеваний. Наиболее часто применяемыми иммунными препаратами являются вакцины, диагностикумы.

В отличие от микробиологического производства, получение биологически активных веществ методом культуры клеток растений в н.в. не имеет широкого применения. Однако, успехи в этой области и уникальность большинства веществ растительного происхождения доказывают перспективность данного направления.

В н.в. получены клеточные культуры большого количества видов растений, способных синтезировать различные вещества вторичного метаболизма: алкалоиды, терпеноиды, гликозиды, полифенолы, эфирные масла и т. п.

Изменяя условия культивирования, используя индуцированный мутагенез и различные методы отбора, а также комбинируя различные подходы можно добиться ощутимых успехов в этом направлении. Данные технологии используются в тех случаях, когда нет достаточной сырьевой базы, а химический синтез является нерентабельным. Преимуществами таких технологий, альтернативных по отношению к классическим растениеводческим, являются:

- возможность получения любых клеточных культур от любых видов растений – редких исчезающих, эндемиков и т.д.;

- получение культур, превышающих по уровню накопления вторичных метаболитов и скорости роста природные растения в десятки и сотни раз;

- получение экологически чистой биомассы с заданными параметрами в необходимых объемах независимо от климатических, погодных и других условий;

- возможность автоматизации и механизации получения растительной биомассы по принципам микробиологической промышленности. Удачны в этом отношении примеры японских фирм, получивших ткань воробейника, продуцирующую шиконин в 8 раз больше интактного растения, а также производящих убихинон- 10 из ткани табака в количествах в 12 раз превышающих синтез в растении. Получены каллусные и суспензионные штаммы раувольфии змеиной, накапливающие до 2 % от сухой массы противоаритмического алкалоида аймалина, мака прицветникового, накапливающие кодеин, сангвинарин, а также штаммы известных растений адаптогенов – женьшень, родиолы и др. Одним из наиболее перспективных направлений в изучении биосинтеза биологически активных веществ растительного происхождения является получение генетически модифицированных организмов. В н.в. достигнуты определенные успехи в увеличении биосинтетических способностей культивируемых объектов путем введения в геном растительных клеток чужеродных генов. Клеточная инженерия (клеточная и тканевая биотехнология) основана на использовании принципиально нового метода – метода изолированной культуры клеток эукариотических организмов (растений, животных). Выращивание изолированных клеток и тканей на искусственных питательных средах (in vitro) в стерильных условиях получило название метода культуры изолированных тканей.

Таким образом, состояние дел в области направленного биосинтеза биологических веществ растительного происхождения позволяет говорить о том, что уже в настоящее время есть возможность для практического применения достижений биохимии, генетики и физиологии растений в фармакологической промышленности. Для этого необходимо дальнейшее детальное изучение биосинтетических путей биологически активных веществ.

3. Современный этап научно-технического прогресса характеризуется революционными изменениями в биологии, которая становится лидером естествознания. Биология вышла на молекулярный и субклеточный уровень, в ней интенсивно применяются методы смежных наук (физики, химии, математики, кибернетики и др.), системные подходы. Бурное развитие комплекса наук биологического профиля с расширением практической сферы их применения обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством второй половины ХХ века, как дефицит чистой воды и пищевых веществ (в особенности белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому возникла острая необходимость в разработке и внедрение принципиально новых методов и технологий. Большая роль в решение комплекса этих проблем отводится биотехнологии, в рамках которой осуществляется целевое применение биологических систем и процессов в различных сферах человеческой деятельности. В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных ряд разделов следующие:

Промышленная микробиология (в том числе Биотехнология БАВ);

Медицинская биотехнология;

Технологическая биоэнергетика,

Сельскохозяйственная биотехнология;

Биогидрометаллургия;

Инженерная энзимология;

Клеточная и генетическая инженерия;

Экологическая биотехнология.

Перспективность и эффективность применения биотехнологических процессов в различных сферах человеческой деятельности, от получения пищи и напитков до воспроизводства экологически чистых энергоносителей и новых материалов обусловлена их компактностью и одновременно крупномасштабностью, высоким уровнем механизации и производительности труда. Эти процессы поддаются контролю, регулированию и автоматизации. Биотехнологические процессы, в отличие от химических, реализуются в «мягких» условиях, при нормальном давлении, активной реакции и невысоких температурах среды; они в меньшей степени загрязняют окружающую среду отходами и побочными продуктами, мало зависят от климатических и погодных условий, не требуют больших земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов, гербицидов и других, чужеродных для окружающей среды агентов. Поэтому биотехнология в целом и ее отдельные разделы находится в ряду наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса и является ярким примером «высоких технологий», с которыми связывают перспективы развития многих производств. Биологические технологии находятся в настоящее время в фазе бурного развития, но уровень их развития во многом определяется научно-техническим потенциалом страны. Все высокоразвитые страны мира относят биотехнологию к одной из важнейших современных отраслей, считая ее ключевым методом реконструкции промышленности в соответствии с потребностями времени, и принимают меры по стимулированию ее развития.

Биотехнологические процессы многолики по своим историческим корням и по своей структуре, они объединяют элементы фундаментальных наук, а также ряда прикладных отраслей, таких как химическая технология, машиностроение, экономика. Научная многоликость биотехнологии в целом и ее раздела, имеющего целью решение природоохранных задач, удивительна: они использует достижения наук биологического цикла, изучающих надорганизменный уровень (экология), биологические организмы (микробиология, микология), суборганизменные структуры (молекулярная биология, генетика). Через биологию на биотехнологию влияют химия, физика, математика, кибернетика, механика (рис. 1). Современные биотехнологии также остро нуждаются в научно-обоснованной проработке технологии и аппаратурном оформлении. Поэтому необходима органическая связь с техническими науками – машиностроением, электроникой, автоматикой. Общественные и экономические науки также имеют большое значение в развитии экологической биотехнологии, так как решаемые ею практические задачи имеют большое социально-экономическое значение для развития любого общества.

 

клеточная биология

инженерия

генетика

биохимия

микробиология

молекулярная биология

 

 

 

 

Рисунок 1. Базы и продукты медицинской биотехнологии (по Б. Глику, Дж. Пастернаку)

Контрольные вопросы

1. Практические задачи медицинской биотехнологии:

2. С какими разделами биологии связано развитие медицинской биотехнологии?

3. Преимущества биотехнологического синтеза билогически активных веществ по сравнению с химическим синтезом?

Лекция 2