Презентация на тему Перспективы молекулярной медицины

медицину развитых стран новых бурно развивающихся технологий. Среди них:

терапия генами, клеточная терапия, тканевая терапия (инженерия), нанобиотехнологии и наномедицина.

Терапия генами (генотерапия)
Эта область молекулярной медицины основана на исправлении дефектов наследственного материала путем введения в больную клетку молекул лекарства, что придает этой клетке не свойственные для нее ранее нормальные функции и предотвращает болезнь.
В роли лекарства выступает клонированный ген. 70-90 годы ХХ века были периодом экспериментального

надежды. Однако, при работе с гаметами и зародышевыми клетками

человека имеется высокий риск отрицательного воздействия на генотип индивида и генофонд в целом. Вместе с тем именно тогда появилась так называемая комплементационная генотерапия, связанная с введением в организм полноценных генов. В США в 1990 году 4-летнему ребенку с ТКИД (мутация в гене АДА) ввели его же лимфоциты, в которых дефектный ген был заранее заменен на полноценный. Успех длился 6 месяцев и затем курс терапии повторялся. К 1995 году было уже 10 больных с ТКИД, прошедших курс терапии геном АДА.

семейной гиперхолестеринемией, гемофилией В, муковисцидозом, миодистрофией Дюшенна-Бекера и др.

Были определены группы болезней для клинических испытаний методов комплементационной генотерапии: опухоли - 60% всех испытаний; моногенные болезни - 12%; сердечно-сосудистые болезни – 8%; инфекционные болезни (СПИД, гепатит В) – 6%.
Сначала рассмотрим генотерапию инфекционных болезней. Основной механизм этой терапии связан с блокировкой экспрессии гена-мишени, препятствующей размножению инфекционного агента. Здесь применяют 3 способа: избирательная продукция

генотерапия на основе свойств молекул нуклеиновых кислот.
Целью этих

способов является ингибирование сразу нескольких стадий клеточного цикла патогена. Методика предусматривает введение антисенсов в качестве инструмента регуляции экспрессии генов.
Антисенсы блокируют АТ- и ГЦ-пары на РНК или ДНК, приводя к утрате их способности к трансляции, или связываются с матричной цепью кодируемого гена, образуя триплетную спираль, препятствующую транскрипции.
Антисенсы можно синтезировать в соответствии со специфическими областями генома инфекта.

сохранившая свойства и специфичность исходного антитела за счет оставшегося

в ней участка связывания с антигеном. Как сказано в первой части лекции, в биоинформатике определен алгоритм для создания антисенсов, который принципиально отличается от подхода, используемого при традиционной разработке лекарств. Этот алгоритм основан на известных последовательностях нуклеотидов для генов инфекционных агентов и генов человека, связанных с наследственными болезнями или опухолями, например, ген репликации вирусной ДНК (Е2-ген папиллома-вируса), ранние гены ЦМВ, гены белков: gag-ген ВИЧ.

в иммунотерапии. Основаны на ДНК-вакцинах, обеспечивающих высокий уровень защиты,

длительно сохраняющих напряженность и видоспецифиичность иммунного ответа, имеющих
минимальный побочный эффект.
2. Генетическое конструирование цитотоксических Т-лимфоцитов на основе собственных иммунных клеток (CD4,CD8, CD34) и антиген-презентирующих клеток, инфицированных патогеном для восстановления иммунной системы, например, при ВИЧ или вирусе простого герпеса (HSV). 3. Тканеспецифическая генотерапия. Применяется при несистемных локализованных болезнях. Основана на

герпеса избирательно проникает в нейроны и латентно в них

сохраняется много лет.
Применяется для лечения болезни Паркинсона, хореи Гентингтона, мукополисахаридоза YII типа (болезнь Слая) и злокачественной глиомы.
4. Суицидные гены. Созданы для синтеза токсических белков против инфицированных клеток. Например, ген, экспрессирующий А-цепь дифтерийного токсина (DT-A), гены цитозиндезаминазы и HSV-имидинкиназы (последний ген вызывает апоптоз, если клетка «лечится» ганцикловиром при раке простаты.
5. Генотерапия опухолей. Ряд опухолей вызывается вирусами. Поэтому здесь используются те же подходы, что и в генотерапии инфекционных болезней. Например,

борьбы с
метастазами при несформировавшихся узлах и даже
при единичных опухолевых

клетках.
6. Генотерапия наследственных болезней. Результаты в
целом здесь мало эффективны, но другой альтернативы
нет.
7. Генотерапия в трансплантологии направлена на
предупреждение острого и хронического воспаления и
отторжения трансплантата. Перспективные гены:
протоонкоген с-myb, гены MNC-1, гены цитокиновых
иммуносупрессоров, гены блокаторов сигналов (CTLA
41q; CTLA-4), гены против хронического отторжения

ген с-myb).

Клеточные технологии
Использование для лечения клеток, выделенных из тканей и органов - это регенераторная медицина. В ней 2 направления: клеточная терапия (инженерия) и тканевая терапия (инженерия). Клеточная терапия - это выделение определенных типов клеток, придание им in vitro специфических свойств (с помощью генетических конструкций и ряда сигнальных молекул) с последующим их введением в организм in vivo.

гена или удалении из нее дефектного гена. В результате

происходит восстановление функции или добавление новых функции с регуляцией активности других генов.
Эти манипуляции осуществляются с помощью методов молекулярной биологии, использующих физическое воздействие на генетический материал. Главными инструментами являются: стволовые клетки и дендритные клетки (для модуляции иммунного статуса). В качестве мишеней в 40% случаев применяют самоподдерживающиеся гемопоэтические стволовые клетки. Они выделяются из периферической крови и костного мозга взрослых лиц или из пуповинной крови новорождённых.

2 типа: эмбриональные стволовые (ЭСК) и собственно стволовые (ССК).

У них имеются как преимущества, так и недостатки.
Первые клетки – это, с одной стороны, возможность бесконечной пролиферации симметричным делением, выраженная клоногенность, плюрипотентность. С другой стороны, это иммунологическая несовместимость при пересадке реципиенту, неполное соответствие условий дифференцировки in vivo и in vitro, невозможность обнаружения дефектов до пересадки реципиенту, отсутствие эффективности и безопасности применения, этические и другие проблемы.

и способность поддерживать дифференцировку клеток в тканях взрослого организма

в течение всей жизни. Для них нет проблем иммунологического отторжения (это клетки самого пациента), они не дают тератом и не связаны с этическими проблемами.
С другой стороны, это слабая пролиферация, асимметричное деление, малочисленность популяции в тканях, ограниченная способность к росту в культуре, отсутствие стандартных методов длительного поддержания и преобразования в зрелые клетки других тканей, отсутствие надежных маркеров идентификации. В свою очередь дендритные клетки (DCs) обладают уникальной способностью представлять антигены наивным Т-лимфоцитам и участвовать в определении

патологии. Они служат векторами и мишенями для изменения иммунного

статуса организма.
Выделен ряд популяций DCs, изучена их морфология, экспрессия в них молекулярных маркеров и функции. Описаны методики выделения DCs из селезенки, миндалин, кожи, печени и периферической крови. Они способны мигрировать через ткани в опухоль, где захватывают специфические антигены, переваривают их и реэкспрессируют для эффективной индукции клеточно-опосредованного иммунного ответа. Дендритные клетки применяют у некурабельных больных с множественными метастазами и неэффективностью традиционных методов терапии.

железы, яичника, толстой кишки, легких, поджелудочной железы, почечно-клеточный рак,

Имеются данные о широком применении вакцин на основе DCs –клеток при опухолях ЦНС.
Тканевая терапия
Является инструментом экзогенного управления молекулярными процессами в клетках и тканях (тонкие механизмы дифференцировки, пролиферации и функционирования).
История вопроса. Сначала в медицине появились возможности для понимания механизмов регуляции метаболизма внеклеточного матрикса, учитывающие

в поддержании гомеостаза клеток и целостности тканей. Все это

послужило основой для разработки комплексных клеточных биоматриксных систем вне организма, или так называемых тканевых эквивалентов.
Параллельное развитие биотехнологии, химии полимеров и применение инженерных принципов по отношению к тканевым эквивалентам позволило сконструировать трехмерные функциональные анатомические единицы, обусловившие развитие тканевой терапии, направленной на замену пораженных тканей и органов. Такая ткань восстанавливает, поддерживает и улучшает их функции. При этом она

лечение. Например, так осуществляется пересадка компонентов кожи при лечении

ожогов, когда вводятся кожные эквиваленты (путем добавления культивированных фибробластов дермы в трехмерный коллагеновый гель), восстанавливающие эпителиально-стромальные дефекты
Эта основная модель используется в биологии, фармакологии (доклиническая апробация лекарств), косметологии (апробация косметических средств), дерматологии (инфекционно-аллергические заболевания кожи), токсикологии, хирургии, травматологии (заживление ран и трансплантация кожи), офтальмологии (реконструкция роговицы глаза для восстановления специализированного покрова).

индуцирующие репарацию и восстановление функции поврежденной ткани. Модель основана

на технике выделения клеток, добавлении к ним сигнальных молекул, подобных факторам роста, и переносе этих клеток в биоматериалы для регенерации тканей, например, стимуляторы роста костной ткани при болезнях периодонта в стоматологии.
Третья модель – это использование внутреннего потенциала поврежденных тканей и органов для восстановления собственных функций. Модель основана на технике выделения стволовых клеток, имплантируемых пациенту непосредственно в суспензии, в структурном матриксе или после их преобразования in vitro.

оперируют с объектами нанометрового размера («нано» - происходит от

греческого «гном», или «карлик»). При чем переход технологий от «микро» к «нано» - это совсем не количественный, а именно качественный переход: от манипуляции отдельным веществом до манипуляции его отдельными молекулами и атомами.
Нанообъекты (наноматериалы) имеют нанометровые размеры (в пределах от микро- до ультра: 10-3 до 10-18 метра); 1 нанометр (нм) равен 10-9 метра. Атомолярный уровень начинается от 10-18.
Среди наноматериалов: нанокомпозиты, нанотрубки, надмолекулярные ансамбли и конструкции, пористые

поверхностные слои, биологические мембраны, жидкие кристаллы, фотонные кристаллы, фуллерены,

липосомы и др.
Применение нанотехнологий и наноматериалов – это новые возможности в электронике, химической промышленности, энергетике, биологии, медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.
Нанобиотехнологии и наномедицина
Это новое направление, анализирующее живые системы на молекулярном уровне с помощью наноматериалов и наночастиц. Благодаря своим супермикроскопическим размерам, наночастицы приобретают новые физико-химические свойства и функции, отличающиеся от тех, которыми обладают

 

размера.
Нанобиотехнологии - это слежение, исправление, конструирование и контроль

за управлением биологическими системами человека с помощью упомянутых микрочастиц, или специальных микроустройств, которые обладают большим терапевтическим эффектом, способны выполнять разные операции, начиная от диагностики и мониторинга, и кончая уничтожением патогенных микроорганизмов.
Эти микроустройства эффективно восстанавливают поврежденные клетки, ткани и органы, их снабжение необходимыми веществами и имеют другие функции.

медицину для диагностики и лечения болезней. При этом используются

атомно-силовые, оптико-биосенсорные, нанопроводные и нанопоровые подходы, позволяющие улучшить чувствительность и значительно сократить время диагностики разных заболеваний.
Основные направления развития
нанобиотехнологий и наномедицины:
• создание нанодиагностикумов и нанобиосенсоров;
• создание молекулярных нанополупроводниковых детекторов, счетчиков молекул и анализаторов ДНК;
• использование наночастиц в качестве контейнеров для доставки лекарств;

основе молекулы ДНК как самовоспроизводящейся системы;
• нанобиотехнологии для регенерации

тканей;
• медицинские нанороботы, иммитирующие функции разных клеток.
Нанодиагностикумы и биосенсоры
Существующий в биохимии концентрационный барьер для выделения белковых молекул в биологическом материале составляет 10-12. Современные методы радиоиммунного анализа (РИА) и иммуноферментного анализа (ИФА) имеют чуть большую чувствительность: 10-12-10-15.

в диапазоне концентраций от 10-3 до 10-20, т.е. на

атомолярном уровне. Именно такая чувствительность должна достигаться в многокомпонентном биологическом материале, содержащем сотни тысяч разных типов белков и при этом найти надо одну молекулу (например, ракового белка).
Использование нанотехнологий при применении электрофоретического и хроматографического методов разделения позволяет снизить объем анализируемого материала на несколько порядков и существенно сократить время для анализа. Так, с помощью наноэлектрофореза разделение сложной

проводится всего за 15 секунд против нескольких часов при

традиционном 2D-электрофорезе. Широко известны оптические биосенсоры на базе нанотехнологических устройств. Они используют эффекты поверхностного плазменного резонанса и резонансного зеркала (акустические биосенсоры), позволяющие за несколько секунд регистрировать в реальном времени образование комплексов макромолекул с чувствительностью (до10-12).
Молекулярные детекторы
Если имеющиеся сегодня детекторы имеют предел чувствительности до 10-12 - 10-15, то молекулярные детекторы могут обнаружить и идентифицировать

атомносиловые и другие сканирующие микроскопы, криомасс-детекторы, нанопроводные и нанопоровые

детекторы, помощью которых можно получить большой объем диагностической молекулярной информации о клетке. При этом единичные молекулы служат «локальными репортерами» микроокружения клетки, что важно для анализа гетерогенных систем и конформационных состояний, связанных со сборкой, ферментативной активностью. Так, с помощью волноводной техники уже наблюдают ДНК-полимеразную активность одной молекулы. В этих целях применяют методы сканирующей микроскопии (ближнее или дальнее полевое сканирование).

позволило наблюдать реакцию каталитического расщепления АТР одиночной молекулой миозина

и ее прохождение через единичный трансмембранный канал. Новые наноматериалы активно применяются для повышения эффективности имеющихся и создания новейших лекарств, включая фуллерены - новый тип аллотропной формы углерода С(60) с одинаковой длиной двойных и одинарных бензольных связей. Доказано, что они восстанавливают повреждения в клетках в результате окислительных процессов, ингибируют апоптоз, взаимодействуя с радикалами кислорода в биологических мембранах.

их для лечения тяжелых нейро-дегенеративных заболеваний, например, болезни Паркинсона.

Такие лекарства, снабженные системами доставки, имеют ряд преимуществ в сравнении с обычными лекарствами. Они нетоксичны, биодеградируемы, не вызывают аллергических реакций, имеют высокое сродство к мембранам. Для этого применяются, как правило, коллоидные инертные транспортные системы. Это также противоопухолевые препараты, снабженные фосфолипидной системой транспорта (мицеллы, липосомы).