Biotechnologija – tai mokslas apie manipuliavimą biologiniais organizmais, kad būtų užtikrintas ir palengvintas žmogaus gyvenimas. Biotechnologija apima tokias įvairias sritis kaip maisto pramonė, atliekų perdirbimas, metalų gavyba, medicina ir kitas sritis. Šiuolaikinės biotechnologijos era prasidėjo 1953 metais, kai Amerikos biochemikas James Watson ir anglų biofizikas Francis Crick pasiūlė dvigrandės, komplementarių spiralių DNR modelį. Tais pačiais metais William Hayes atranda, kad galima perkelti plazmidinius DNR iš vienos ląstelės (bakterijos) į kitą [1]. Šiame straipsnyje apžvelgiama, kuo skiriasi bioetiniai ir biogeneriniai preparatai, nes daugelis nežino, kuris vaistas geresnis ar kuo jie skiriasi, aptariami biologinių ir cheminių vaistų skirtumai, pagrindiniai biotechnologijų metodai, taikomi šiuolaikinėje medicinoje, supažindinama su eksperimentinės medicinos biotechnologijų ateitimi.
Besivystanti mokslo sritis
Biotechnologijos medicinoje yra labai sudėtinga ir vis sparčiau tobulėjanti mokslo sritis. Biotechnologiniai vaistai – vieni iš veiksmingiausių gydant retas genetines, autoimunines, onkologines, Parkinsono ligas, išsėtinę sklerozę. Biotechnologiniu pagrindu gaminami antibiotikai ir antivirusiniai preparatai, dėl to keletas infekcinių ligų jau yra istorija. Šiuo metu žinoma apie 150 biotechnologinių vaistų. Tikimasi, jog ateityje ir toliau plėtojant biotechnologijas medicinoje, bus galima pagydyti ir onkologines ligas bei AIDS.
Viena iš biotechnologinių kompanijų lyderių yra garsi „AMGEN“ kompanija, prieš 28 metus įkurta JAV. Šioje kompanijoje dirba apie 20 tūkst. darbuotojų. Kompanija jau sukūrė ir kasmet gamina devynis preparatus. Jos kuriami vaistai taikomi metabolinėms ligoms gydyti, onkologijos, hematologijos, nefrologijos, reumatologijos srityse – tokiomis ligomis sergantiems žmonėms senesni cheminiai vaistai ne visada galėdavo padėti. Kai kurie kompanijos vaistai dabartiniu metu yra kompensuojami valstybės. Jos sukurtais pažangiais vaistais gydoma daugiau nei 12 mln. pasaulio ligonių. Įmonės produkcija užima beveik ketvirtadalį pasaulinės biotechnologinių vaistų rinkos. Didelė kompanijos pelno dalis investuojama į naujų vaistų kūrimą. „AMGEN“ kompanijos prioritetas – moksliniai atradimai. 2006 m. į tyrimus investuota 3,1 mlrd. JAV dolerių, apyvarta siekė 14,8 mlrd. JAV dolerių [6, 12, 13].
Biologiniai ir cheminiai vaistai, jų skirtumai
Biotechnologiniai vaistai yra išskiriami iš gyvų ląstelių – jie yra panašių molekulių mišinys, todėl sunku tiksliai juos charakterizuoti. Biotechnologiniai vaistai gaminami labai griežtai kontroliuojamomis sąlygomis, kadangi jie labai jautrūs bet kokiam gamybos proceso kitimui. Net nedideli nukrypimai gali labai smarkiai pakeisti vaisto saugumą ar veiksmingumą. Biotechnologinių vaistų saugumas iš esmės yra susijęs su pačiu gamybos procesu. Tuo biotechnologiniai vaistai skiriasi nuo cheminių, kurie dabar sudaro didžiąją vaistų dalį. Gaminant cheminius vaistus, į vaisto visumą sujungiamos atskiros cheminės sudedamosios dalys – jos yra nesunkiai nustatomos ir nekintamos. Taigi tokių vaistų gamyba paprastesnė, galima pagaminti identišką vaisto kopiją.
Bioetiniai ir biogeneriniai preparatai, jų skirtumai
Etiniai (patentiniai) vaistai – pagal naujai sukurtą ir užpatentuotą formulę pagaminti vaistai. Tokiems vaistams sukurti investuojama daug lėšų, atliekama mokslinių tyrimų, kurie paprastai trunka iki 15 metų. Etinės kompanijos turi išskirtines teises pardavinėti patentuotus vaistus rinkoje. Tokie vaistai neturi tiesioginių konkurentų patento galiojimo laikotarpiu.
Generiniai vaistai – jau esančių vaistų kopijos, kurias galima parduoti su savo prekės ženklu. Generiniais vaistais tampa pasibaigus etinio vaisto patentui. Europos Sąjungoje ir Lietuvoje patentas išduodamas 15-ai metų [2].
Pasibaigus tam tikrų biotechnologinių vaistų patento galiojimui, buvo pradėti gaminti vadinamieji biologiškai panašūs – biogeneriniai vaistai. Nors biogenerinių vaistų gamintojai teigia, jog originalių vaistų kopija yra tiksli, iš tiesų biogeneriniai vaistai gaminami naudojant kitas ląstelių linijas, kitomis gamybos ir išgryninimo sąlygomis. Nors bioetinių ir biogenerinių preparatų klinikinis efektas panašus, jų sudėtis bei gamyba visiškai skirtinga. O kadangi skiriasi biogenerinių vaistų gamybos procesas, vadinasi, šie vaistai turi panašias į originalių biotechnologinių vaistų biofizikines savybes, bet ne identiškas.
Kalbant apie biogenerinius vaistus svarbūs keturi aspektai: molekulinės ypatybės, gamybos procesas, vaistų saugumas ir veiksmingumas.
Molekulinės ypatybės. Biotechnologiniai vaistai yra sudėtingesnės struktūros nei mažos molekulės. Tai didelės molekulės – paprastai 100–1000 kartų didesnės už įprastų cheminių vaistų molekules. Jiems būdinga trapi trimatė struktūra. Be to, šie vaistai nėra grynos homogeninės molekulės. Biotechnologiniai vaistai nėra viena veiklioji medžiaga – tai iš tiesų heterogeninis panašių izoformų mišinys.
Gamybos procesas. Produkto kokybė bei nekintamumas labai priklauso nuo gamybos proceso. Net visai menkai pasikeitusios gamybos sąlygos gali lemti visiškai kitokį produktą.
Saugumas. Turėtų būti nustatytas ir įvertintas ilgalaikio biogenerinių vaistų vartojimo saugumas. Siekiant tinkamo vaisto įdiegimo į klinikinę praktiką, gydytojai bei pacientai turėtų būti su tuo supažindinami.
Efektyvumas. Klinikinis vaisto efektyvumas gali reikšmingai skirtis net ir esant nedideliems baltymo biofizikinių savybių skirtumams ar kitai vaisto vartojimo formai [6].
Pagrindiniai biotechnologiniai metodai medicinoje dabar ir ateityje
Vakcinų biotechnologija. Problemoms, susijusioms su įprastomis vakcinomis, spręsti šiuo metu pasitelkiami naujausi molekulinės biologijos metodai. Neseniai buvo sukurtas naujas vakcinos tipas – DNR vakcina. Šiuo atveju gryna infekcinio veiksnio (bakterijos ar viruso) DNR yra įterpiama į organizmą, kur insercijos būdu įsiterpia į šeimininko genomą. Įterptos DNR koduojamų genų raiška sukelia imuninės sistemos atsaką. DNR vakcinų privalumas tas, kad jas paprasta pagaminti ir sandėliuoti. Nors klinikinių tyrimų rezultatai prieštaringi, tačiau teikia vilčių: palankūs rezultatai buvo gauti naudojant DNR vakciną nuo paukščių gripo [4]. Ypač daug vilčių teikia rekombinacinės Vaccinia viruso (VV) vakcinos nuo žmogaus imunodeficito viruso (ŽIV), kurios šiuo metu yra klinikinių tyrimų stadijos [5].
Antikūnų inžinerija. Medicinoje specifiniai antikūnai naudojami ligoms diagnozuoti (pvz.: Laimo ligai, autoimuninėms ir virusinėms); ligoms gydyti (pvz.: reumatoidiniam artritui, išsėtinei sklerozei, žvynelinei, įvairių formų vėžiui: ne Hodžkino limfomai, storosios žarnos, galvos ir kaklo, krūties vėžiui); vaisiaus (prenatalinei) terapijai (pvz., kad būtų išvengta motinos imuninės sistemos įsijautrinimo, kai nesutampa motinos ir vaisiaus rezus faktorius). Išgryninti specifiniai antikūnai taip pat plačiai taikomi mokslo tikslams: viduląstelinių ir užląstelinių baltymų identifikavimui, lokalizavimui ir raiškos stiprumo įvertinimui (imunohistochemija arba imunofluorescencija); ląstelių rūšiavimui pagal tai, kokius baltymus jos ekspresuoja (tėkmės citometrija); baltymų atskyrimui (imunoprecipitacija) ir identifikavimui išskirstymo po elektroforeze (Western blot) [7].
Genų terapija. Jau nustatyti genai, susiję su pjautuvine anemija, cistine fibroze, raumenų distrofija, hemofilija, įgimtu cholesterolio koncentracijos padidėjimu kraujyje (šeimine hipercholesterolemija), Alcheimerio liga, 2 tipo cukriniu diabetu, kai kuriomis vėžio formomis ir daugeliu kitų. Tačiau dabartiniai metodai, taikomi gydant šias ligas, gali palengvinti simptomus, kurie tėra ligą lemiančių genų raiškos padarinys. Tuo tarpu naujų, genų terapija pagrįstų gydymo metodų tikslas – šalinti ligos priežastį, manipuliuojant ligą sukeliančiu genu [9].
Genetinė imunizacija yra priemonė sukelti imuninį atsaką prieš specifinius baltymus, gyvūno ląstelėje ekspresuojant genus, koduojančius tuos baltymus. Ilgalaikis antigeno buvimas in vivo sąlygomis sukelia ženkliąantigeno amplifikaciją ir imuninės sistemos stimuliaciją, ir galiausiai – imuninį atsaką prieš tą antigeną. Baltymams išgryninti reikia dauglaiko, metodas yra brangus, o kartais sunkus ar neįmanomas. Ištobulėjus biotechnologijoms jau galima klonuoti genus, koduojančius specifinius baltymus, bei įterptiį gyvūnų organizmą, kad baltymas būtų sintetinamas organizmo ląstelėse. DNR manipuliacijos yra paprastesnės, įvairesnės ir pigesnės nei baltymų. Specifinių genų įterpimas į gyvūno organizmą, kad vyktų imunogenų sintezė in vivo buvo pavadintas „genetine imunizacija“. Pirmoji aprašyta vakcina prieš raupus pagaminta naudojant Vaccinia virusą iš esmės yra genetinės imunizacijos pirmtakė [8].
Kamieninių ląstelių tyrimų rezultatai teikia vilčių, kad ateityje jos bus panaudotos regeneracinėje medicinoje ir galės pakeisti donorų audinių ir organų persodinimą. Be to, kamieninės ląstelės gali būti panaudotos genų terapijoje. Kamieninės ląstelės turi nepaprastai stiprų potencialą atsinaujinti bei gebančios diferencijuotis į daugelį specializuotų ląstelių tipų [10].
Bionanotechnologijos. Formaliai nanotechnologiniu prietaisu gali būti vadinamas toks, kuris visas arba pagrindinės jo dalys yra pagamintos žmogaus ir yra 1–1000 nm dydžio (t. y. nuo kelių atomų iki subląstelių). Tikimasi, kad ateityje dirbtines bionanotechnologijas bus galima panaudoti ląstelės sudėties tyrimams, vaistams pristatyti į ląstelę, ląstelės pažaidų attaisymui skatinti bei normalioms ląstelės funkcijoms palaikyti. Viliamasi, kad bionanotechnologijos leis parinkti individualias gydymo programas, atsižvelgiant į paciento genomą, infekcijos ar vėžio tipą. Viena iš intensyviausiai tiriamų bionanotechnologijų pritaikymo sričių yra jų panaudojimas vaistų pernašai tiksliai į norimą ląstelę, audinį ar organą gydant tokias žmogaus ligas kaip ŽIV infekcija ir vėžys [11].
Literatūra:
1.A. Kanopka. Biotechnologija. KTU p. 1-5.
2."LR Farmacijos įstatymas." LR Seimas: 2006 m. birželio mėn. 22 d.. Nuoroda tikrinta 2008-08-04.
3.Detmer A., Glenting J. Live bacterial vaccines – a review and identification of potential hazards // Microb. Cell. Fact. – 2006, Nr. 5, p. 23-34.
4.Čiapaitė J., Saulis G. „Biotechnologija medicinoje“ // VDU Gamtos mokslų fakultetas – 2007, p. 27-31.
5.Hanke T., McMichael A.J., Dorrell L. Clinical experience with plasmid DNA – and modified vaccinia virus Ankara – vectored human immunodeficiency virus type 1 clade A vaccine focusing on T-cell induction // J. Gen. Virol. – 2007, Nr. 88, p. 1-12.
6.Dr. D. Karčiauskaitė „Biotechnologijos: bioetiniai bei biogeneriniai vaistai, jų panašumai bei skirtumai“ //KMU kardiologijos institutas 2006.
7.Čiapaitė J., Saulis G. „Biotechnologija medicinoje“ // VDU Gamtos mokslų fakultetas – 2007, p. 1-6.
8.Čiapaitė J., Saulis G. „Biotechnologija medicinoje“ // VDU Gamtos mokslų fakultetas – 2007, p. 13-16.
9.Porteus M.H., Connelly J.P., Pruett S.M. A look to future directions in gene therapy research for monogenic diseases // PLoS Genet. – 2006, Nr. 2, p. 1285–1292.
10.Čiapaitė J., Saulis G. „Biotechnologija medicinoje“ // VDU Gamtos mokslų fakultetas – 2007, p. 16-22.
11.Ferrari M. Cancer nanotechnology: opportunities and challenges // Nat. Rev. Cancer. – 2005, Nr. 5, p. 161-171.
12.M. Anglickis „Sunkiai sergančių žmonių viltis – biotechnologijos“ //"Sveikas žmogus" 2007 m. Nr. 12
13.www.amgen.com
Parengė gyd. internas Liudas Erencas