- •«Российский государственный университет нефти и газа имени и. М. Губкина» в г. Оренбурге
- •Лекция n1
- •1.Предмет и задачи биотехнологии
- •2.Выбор биотехнологических объектов
- •Лекция №2 Метаболизм. Основные процессы клеточного метаболизма. Механизмы регуляции метаболитических процессов.
- •Регуляция синтеза белков с точки зрения молекулярной биологии.
- •Лекция № 3 Понятие о первичных и вторичных метаболитах.
- •Теоретические основы получения первичных метаболитов.
- •Анаэробные процессы.
- •Аэробные процессы
- •2.Получение глюконовой кислоты.
- •3.Получение итаконовой кислоты.
- •Процессы с полным окислением
- •1. Получение лимонной кислоты.
- •2.Получение кетокислот (пировиноградной и кетоглутаровой).
- •Лекция №4 Теоретические основы получения вторичных метаболитов
- •1. Получение антибиотиков
- •2.Производство аминокислот
- •3.Производство витаминов. (самостоятельно)
- •Производство водорастворимых витаминов (в2, в12).
- •Производство жирорастворимых витаминов (a, d).
- •Использование процесса микробной биотрансформации при промышленном получении витамина с. Лекция №5 биотрансформация и биодеградация органических соединений
- •1.Биотрансформация органических соединений
- •1.1.Процессы микробной химии
- •1.2.Методы микробной трансформации органических соединений.
- •I. Использование ферментативных свойств интактных (нормальных) клеток:
- •III. Конструирование штаммов с повышенной способностью к трансформации органических соединений.
- •IV. Использование ферментных препаратов, иммобилизованных ферментов и клеток.
- •1.2.1.Трансформация растущей культурой в периодических условиях
- •1.2.2.Трансформация суспензиями неразмножающихся клеток
- •1.2.3.Трансформация осуществляемая спорами грибов и актиномицетов
- •1.2.4.Непрерывные методы культивирования
- •1.2.5.Кометаболизм
- •1.2.6.Применение поврежденных и дезинтегрированных клеток
- •1.2.7.Ингибирование определенных участков метаболитических путей.
- •1.2.8.Применение мутантов с блокированным синтезом определенных ферментов
- •1.2.9. Конструирование штаммов с повышенной способностью к трансформации
- •1.2.10.Ферментные препараты и иммобилизованные ферменты
- •1.2.11.Иммобилизация клеток
- •1.2.12.Политрансформации
- •1.Подбор штамма, способного осуществлять нужную трансформацию
- •1.3.Микроорганизмы трансформирующие органические соединения
- •1.4.Примеры трансформации органических соединений
- •2.Биодеградация токсичных соединений
- •2.1.Деградация ксенобиотиков с помощью микроорганизмов
- •2.2. Использование методов генной инженерии для биодеградации ксенобиотиков
- •Лекция 6 Основы технологии, процессы и аппараты биотехнологических производств
- •Подготовка и стерилизация питательных сред.
- •Подготовка воздуха
- •Подготовка и наработка продуцента.
- •Основы технологии микробиологических производств
- •Поверхностное культивирование
- •Способы поверхностного культивирования
- •Выделение и очистка целевых продуктов
- •Глубинное культивирование
- •Процесс идеального (полного) вытеснения;
- •Процесс идеального (полного) смешения;
- •Лекция №7 основное оборудование биотехнологических производств.
- •Классификация ферментеров
- •Ферментеры с подводом энергии жидкой фазой (группа фж).
- •Ферментеры с подводом энергии жидкой и газовыми фазами (фжг).
- •Особенности конструирования и работы ферментационного оборудования
- •Термостатирование
- •Пеногашение
- •Проблемы масштабирования ферментационных процессов
- •Лекция № 8
- •1.Культуры клеток и тканей растений и животных
- •2.Технология культивирования клеток и тканей
- •2.1.Получение культуры каллуса, суспензионных культур и одиночных клеток.
- •2.2. Факторы, влияющие на продуктивность культур тканей
- •2.2.1. Происхождение ткани
- •2.2.2. Клеточная дифференциация in vitro.
- •2.2.3.Питательные среды для культивирования клеток и тканей.
- •2.2.4.Асептика
- •2.2.5.Физические факторы, влияющие на развитие клеточных культур.
- •2.2.6. Химические факторы, влияющие на синтез вторичных метаболитов.
- •2.2.7. Способы выделения целевого продукта.
- •3.Культуры органов растений
- •3.2. Культура корней
- •4. Клональное микроразмножение растений
- •1.Клеточная инженерия
- •1.1.Получение протопластов
- •1.2.Культивирование протопластов
- •1.3.Слияние протопластов
- •1.4.Гибридизация соматических клеток
- •2.Генетические основы совершенствования биообъектов.
- •2.1.Селекция микроорганизмов – продуцентов практически важных веществ.
- •2.2.Методы и подходы в селекции
- •Основы генетической инженерии.
- •1.Технология конструирования и работы с рекомбинантными днк
- •Лекция №11 Оптимизация экспрессии клонированных генов.
- •Экспрессия генов при участии сильных регулируемых промоторов
- •Регулируемые промоторы
- •Интеграция чужеродной днк в хромосому хозяина
- •Химерные белки
- •Расщепление химерных белков
- •Повышение эффективности секреции
- •Метаболитическая перегрузка
- •Направленный мутагенез: методика
- •Направленный мутагенез
- •Получение рекомбинантных белков с помощью эукариотических систем
- •Лекция № 12 Получение лекарственных препаратов белковой природы на основе методов генной инженерии
- •1.Получение инсулина.
- •2.Получение соматостатина
- •3.Синтез соматотропина
- •5.Иммуномодуляторы
- •6.Использование трансгенных животных и растений для получения лекарственных препаратов белковой природы
- •Лекция №13 Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения коммерческих продуктов небелковой природы.
- •1.Синтез l-аскорбиновой кислоты
- •2.Антибиотики
- •2.1.Синтез новых антибиотиков
- •2.2.Разработка новых методов получения поликетидных антибиотиков
- •2.3.Усовершенствование производства антибиотиков
- •Лекция №14
- •1.Генная инженерия в производстве вакцин.
- •2. Генная терапия онкологических заболеваний.
- •3.Лекарственные препараты на основе олигонуклеотидов
- •3.1..«Антисмысловые» олигонуклеотиды как лекарственные средства
- •3.2. Рибозимы как лекарственные средства
- •3.3. Малые интерферирующие рнк.
- •Лекция №15
- •1.Моноклональные антитела в диагностике и лечении.
- •1.1.Использование антител в иммуноферментном анализе
- •1.2.Моноклоналъные антитела
- •1.3.Образование и отбор гибридных клеток
- •1.4.Идентификация гибридных клеточных линий, секретирующих специфические антитела
- •1.5.Моноклональные антитела как лекарственные средства
- •1.6. Лекарственные вещества, связанные с моноклоналъными антителами
- •1.7. Профилактика отторжения трансплантированных органов
- •2.Системы днк-диагностики
- •Примеры днк-диагностики Диагностика малярии
- •Диагностика Trypanosoma cruzi
- •Лекция №16
- •1.Геномика, протеомика и биоинформатика. Медицинская биотехнология в “постгеномную эру”
- •Новые подходы к разработке лекарств в постгеномную эру.
- •1. Кризис классической фармакотерапии и фарминдустрии.
- •2. От гена до прототипа лекарства. Новые подходы к разработке лекарств в постгеномную эру.
- •2.1. Поиск биомишеней для создания новых лекарственных средств на основе анализа геномных данных
- •2.1.1. Основные критерии селекции мишеней для создания антимикробных средств.
- •2.1.2. Экспериментальные технологии валидации потенциальных мишеней.
- •Методы валидации биомишеней.
- •1. Протеомные методы валидации потенциальных мишеней.
- •2. Геномные методы валидации потенциальных мишеней.
- •3. Валидация потенциальных мишеней in vivo.
- •2.1.3. Пространственная структура мишеней.
- •2.1.3.1. Экспериментальные методы расшифровки пространствен-ных структур белков
- •2.1.3.2. Моделирование пространственных структур белков.
- •2.1.4. Конечная селекция и приоритезация потенциальных мишеней
- •2.2. Основные типы биомишеней.
- •2.2.1.Генные мишени
- •2.2.2. Белковые биомишени.
- •2.2.2.1. Белковые мишени для разработки противовирусных препаратов.
- •2.2.2.2. Белковые мишени для антибактериальных и противо-опухолевых препаратов
- •2.2. Стратегия поиска соединений – лидеров.
- •2.2.1. Комбинаторная химия и высокопроизводительный скрининг
- •2.2.2.1.Технология комбинаторного синтеза
- •Жидкофазный синтез
- •1. Синтез смесей
- •2. Параллельный синтез
- •Преимущества жидкофазного синтеза:
- •Недостатки:
- •Твердофазный синтез
- •2.2.2.2. Планирование и дизайн комбинаторного синтеза
- •1.Темплейты
- •2. Дизайн молекул. Структурные критерии.
- •Критерии выбора центроидов.
- •Варьирование заместителей
- •3. Дизайн библиотек для оптимизации лидера
- •2.2.2.3.Оптимизация скрининга
- •2.3. Медицинская химия
- •2.4. Рациональный дизайн лекарств. Общая схема.
- •Конструирование лекарств на основе известной структуры мишени (технология sbdd)
- •Конструирование лекарств на основе структур лигандов (технология lbdd)
- •2.4.2. Разработка лекарств на базе соединений – лидеров.
- •2.5. Фармакогеномика и новые подходы к терапии и клиническим испытаниям лекарств.
- •2.6. Лекарство, действующее на несколько молекулярных мишеней в организме: исключительная ситуация или будущее фармакотерапии?
2.5. Фармакогеномика и новые подходы к терапии и клиническим испытаниям лекарств.
Несмотря на все успехи, достигнутые в реализации программы «От гена до прототипа лекарства» следует помнить, что основные затраты времени и денежных средств приходятся на этап клинических испытаний нового лекарства (см. табл.1). Проблема осложняется тем, что около 90 % потенциальных лекарственных препаратов на этапе проведения клинических испытаний по разным причинам отсеиваются. В большинстве случаев это связано с недостаточной эффективностью или безопасностью (токсичностью) исследуемых веществ. Даже получение всех требуемых разрешений на их производство и реализацию является необходимым, но недостаточным условием для того, чтобы удержаться на рынке. Нередко, после начала широкого применения, у лекарственного препарата обнаруживается побочный эффект, не выявленный во время клинических испытаний. Такой медикамент приходится изымать из продажи, несмотря на его выраженную эффективность и отсутствие нежелательного действия при назначениях большинству пациентов. Он опасен, потому что неизвестно, кто попадет в число тех, кто его не переносит.
Поэтому подобные феномены стали предметом особо тщательного изучения – как часто и у кого они наблюдаются. При этом часто выясняется, что пациенты с побочными эффектами от какого-то лекарства нередко образуют генетически однородную по каким-то признакам группу. По, видимому в их организме есть некая биомишень, зависящая от особенностей наследственного аппарата, которая и делает их уязвимыми именно для этого лекарственного средства.
Указать, относится ли пациент к такой группе риска или точно подобрать для больных наиболее подходящее им лекарство оказалось вполне по силам новой науке, созданной на стыке геномики, медицинской генетики и клинической фармакологии. Этот союз породил два разных термина – «фармакогенетика» и «фармакогеномика», со следующим их толкованием. Фармакогенетика изучает влияние индивидуальных генетических различий на безопасность и эффективность лекарственных препаратов. По сути, это составная часть фармакогеномики, которая, в свою очередь, исследует геном человека либо другого биологического объекта, чтобы найти максимально подходящее к конкретному генотипу лекарство – с абсолютной наибольшей эффективностью и без побочных эффектов.
Польза таких предсказаний очевидна. Во-первых, лечение станет более эффективным – пациенту сразу назначат самый подходящий препарат. Во-вторых, если врач выберет лучший метод фармакотерапии уже на первом этапе, да к тому же снизится вероятность побочных реакций, пациенту будет проще соблюдать режим лечения, сократятся медицинские расходы. В-третьих, выявление генетических факторов, ответственных за реакции организма на лекарственные средства, окажется мощным инструментом в поиске новых, более эффективных препаратов. Расходы фармацевтических компаний на создание медикаментов сократятся, а их разработка ускорится, а себестоимость лекарств должна снизиться.
Одной из первых областей применения фармакогенетики стала онкология. И, главным образом, по той причине, что большинство противоопухолевых препаратов являются очень токсичными, способными вызвать нежелательные эффекты. Например, тиогуанин и меркаптопурин применяются для химиотерапии острой лейкемии, а также для профилактики отторжения пересаженных органов и тканей. Фермент тиопуринметилтрансфераза (ТПМТ) в норме обезвреживает эти вещества, однако у одного из 300 человек фермент ТПМТ отсутствует, а, примерно, у 10 % людей его активность снижена, что резко увеличивает токсичность препаратов. В некоторых зарубежных клиниках уже сейчас для предупреждения развития побочных эффектов проводят измерение активности ТПМТ перед назначением лечения. Если активность фермента снижена, уменьшают и дозы выбранных препаратов.
Как оказалось, эффективность виагры в немалой степени определяется модификациями гена GNB3, кодирующего несколько сигнальных белков. Среди мужчин, располагающих ТТ-модификацией этого гена, эффективность виагры составляет около 90%. У пациентов с модификациями ТС и СС успех терапии отмечается лишь в половине случаев.
Сейчас по такому же алгоритму, то есть в зависимости от присутствия того или иного варианта гена у конкретной группы больных, начинают осуществлять подбор антигипертензивной терапии. Клинические исследования проводимые, в США показали, что если у больного находили Gly389 разновидность гена β-1-адренорецептора, то, применяя атенолол, не удавалось существенно снизить артериальное давление и частоту сердечных сокращений, в отличие от пациентов с вариантом Arg389.
Дозозависимый эффект медикаментов может быть также обусловлен генетическими различиями, связанными с полом больного. В журнале «The Pharmacogenomics Journal» были описаны результаты исследования больных с нарколепсией (непреодолимой сонливостью в дневное время). Мужчины и женщины обладают разными вариантами гена СОМТ, который отвечает за синтез фермента, участвующего в метаболизме дофамина. Вариант L гена кодирует малоактивную форму фермента и чаще встречается у женщин, тогда как у мужчин более распространена Н-форма гена, при которой белок обладает высокой активностью. Поэтому женщинам с L-вариантом требовалось на 100 мг меньше препарата, чем мужчинам.
Не менее важны эти исследования в повышении эффективности клинических испытаний новых препаратов. В принципе, чтобы клинические испытания статистически значимо подтверждали безопасность и эффективность препарата, его необходимо в течение длительного времени проверять на больших по численности группах добровольцев, что очень дорого. Реальной альтернативой может стать использование геномных и протеомных технологий, что позволит фармацевтическим компаниям уменьшить коммерческие риски из-за возможных отзывов препарата с рынка, поскольку исследователи и врачи будут заранее знать, кому лекарство поможет, а у кого оно вызовет тяжелые побочные реакции. Это позволит сократить расходы на прямую инновационную деятельность за счет меньшего числа участников клинических испытаний, благодаря снижению затрат на дорогостоящее пребывание в стационаре, и на такие же по стоимости лабораторные исследования в опытной и контрольной группах испытуемых.
На практике это означает, что если у какой-либо фармкомпании имеется доведенное до стадии клинических испытаний лекарство, которое на первом этапе вызывает побочные эффекты у определенного числа пациентов-добровольцев, то этих людей будут тестировать, чтобы определить, не являются ли эти эффекты генетически обусловленными. Если это подтвердится, то люди входящие в такие генетически однородные группы будут отстранены от дальнейших этапов клинических исследований и относительно них будут даны специальные рекомендации в документах по применению данного фармпрепарата. Это позволит более быстро получить одобрение на применение препарата у тех больных, которым он не окажет вреда и будет терапевтически эффективным. А с коммерческой точки зрения, отбор добровольцев с учетом их генетических вариаций, позволит фармкомпании сэкономить миллиарды долларов, которые тратятся сейчас на неэффективные испытания или на лечение побочных эффектов. Кроме того, для целого ряда жизненно важных медикаментов, не получивших одобрения по причине высокого риска осложнений, это может означать возвращение на рынок, правда, при условии, что будут проведены фармакогеномные исследования для определения групп больных, которые получат наибольшую пользу от их применения.
В перспективе любой новый препарат должен разрабатываться для групп людей с похожим генотипом, примерно в равной степени чувствительных к создаваемому средству.
