Биотехнологиите

Биотехнологиите доведоха до откриването и разработването на ново поколение лекарствени средства. Напредъкът както в клетъчната, така и в молекулярната биология позволи на учените да идентифицират и разработят множество нови и целесъобразни от фармако-икономическа гледна точка лечебни продукти. Тези продукти осигуряват значителни клинични ползи, а и често предлагат терапия в случаи, за които не съществува ефективно лечение. От основаването си, Амджен е отдадена на създаването на високоефективни лечебни средства, които осигуряват алтернативи за подобряване здравето и качеството на живот на пациентите.

За да научите повече, изберете подходящата секция по-долу:

• Какво представляват биотехнологиите?

  Казано просто, биотехнологиите са всеки вид технология, която разчита на живи организми или биологични системи. Съгласно това определение, хората са използвали биотехнологиите в продължение на хиляди години, за да произвеждат хранителни продукти, текстил и други необходими материали. Няколко познати продукта, включително маята за хляб, киселото мляко, сиренето и кашкавалът, бирата и оцетът – всички те са произведени с помощта на култивирани микроорганизми.

  Амджен произвежда лекарствени продукти, базирани на молекулите, които вече съществуват в човешкото тяло. Биотехнологиите са процесът, чрез който тези естествени компоненти на тялото се произвеждат в достатъчни количества, за да се използват за терапевтични цели.

  Произведените по този начин лекарства са практически идентични с естествените биологични субстанции. Тези продукти обикновено са протеини и имат изключително специфична физиологична роля. В резултат на това те могат да имат по-малко нежелани странични ефекти. За сравнение, традиционните лекарства се произвеждат чрез синтетична органична химия и много често не са толкова специфични в механизма на действие. Те могат да причинят множество странични ефекти, които да ограничат цялостния ефект от лечението.

  При създаването на нашите биотехнологични продукти, учените в Амджен използват техниките на генното инженерство. Като стартират с бактерии, дрожди, или култивирани животински клетки, те въвеждат информацията, която е необходима, за да се произведе човешки белтък с лечебен ефект. Веднъж създадени, тези клетки могат да се размножават в големи количества, често на базата на отдавна познатата технология на ферментацията.

  По време на ферментация, едноклетъчните организми като дрождите и бактериите могат да растат, като се изхранват със захари и скорбяла. Растежът им произвежда алкохол, въглероден диоксид и други остатъчни продукти (Балончетата в алкохола, в бирата са резултат от този процес, както и дупките в хляба и в някои видове кашкавал). По време на ферментация, създадените клетки произвеждат огромни количества от друг много важен продукт: желания човешки протеин. В зависимост от това как е била създадена клетката, този протеин се открива или в самата клетка, или в непосредствената среда около нея.

  Добавянето на генетичен материал към клетките дава на създадените протеини и тяхното име, рекомбинантни протеини. Получаването на точно тези протеини е в основата на биотехнологичните продукти, произвеждани от Амджен.

• История на биотехнологиите

  Корените на съвременните биотехнологии могат да се проследят сто години назад, в работата на Луи Пастьор, Робърт Кох и Грегор Мендел. Докато Пастьор и Кох полагат основите на съвременната наука микробиология, Мендел е първият учен, който описва законите на генното унаследяване. Много учени допринасят за напредъка на познанието в тази област.

  В крайна сметка, този напредък води до откриването на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) в началото на 50-те години на 20 век като основен компонент на цялата генетика. Скоро след това Джеймс Уотсън и Франсиз Крик първи определят структурата на ДНК. Откриването на структурата на ДНК прави възможно прякото въздействие върху генетичните модели.

  Техниките за въвеждане на чужди гени в бактерии били разработени за първи път в началото на 70-те години на 20 век от няколко лаборатории в различни университети, включително в Калифорнийския университет в Сан Франциско, в Станфорд и в Харвард. Тези разработки създават условията за възникване на биотехнологичната революция.

  Първият продукт на съвременните биотехнологии използва инсулин, протеинов хормон, произвеждан от панкреаса. Инсулинът в организма регулира концентрацията на кръвна захар (глюкоза). Пациентите с диабет не могат да произвеждат инсулин и трябва да разчитат на външен източник, за да могат адекватно да поддържат нивата на кръвната си захар в нормални стойности. За първи път инсулин бива изолиран от панкреаса на крави и прасета в началото на 20-те години на 20 век. Животинският източник на протеин се оказал ефективен за лечението на диабет при хората и скоро след това станал достъпен за пациентите. Фактът, че животинският инсулин не бил идентичен с човешкия материал, тревожел лекарите по отношение на ефекта от дългосрочното му приложение. С увеличаване на броя на пациентите с диабет в средата на 70-те години се появява значителен проблем, породен от нуждата да се набавя инсулин в големи количества.

  Всичко това превърнало инсулина в идеална цел за малка група биохимици и молекулярни биолози, които приложили новите техники на генното инженерство за лечение на заболявания при хората.

  През 1978 година била създадена синтетична версия на човешкия инсулин, която била вкарана в бактерията Ешерихия коли в лабораторията на Хърбърт Бойер в Калифорнийския университет в Сан Франциско. Инсулинът е протеин и, както всички протеини, се състои от верига от аминокиселини. Последователността на аминокиселините в протеина не е случайна; по-скоро тя е уникална за този конкретен протеин. Когато последователността на аминокиселините е известна, може да се изолира съответстващата последователност на ДНК (или както в този случай, да се синтезира по синтетичен път) и да се вложи в бактериални клетки, за да се произвежда човешки протеин.

  За да се постигне това, частта от чужда ДНК първо се вкарва в плазмид, малко образувание на ДНК, което служи като преносител. Новият „рекомбинантен” плазмид, носещ човешкия ген, се вкарва в друга бактериална клетка. Веднъж след като е вътре в клетката, човешкият ген в плазмида може да бъде разчетен от системата за производство на протеин на клетката.

  По това време, подходът, който Бойер и неговите колеги използвали, за да синтезират ген, бил неизвестен. Днес, обаче, този подход се среща често. Използват се и други методи за директно или индиректно изолиране на човешка ДНК. Рекомбинантният човешки инсулин бил разработен от младата компания на Бойер, Genentech, през октомври 1982 година, и бил първият продукт на съвременните биотехнологии.

  След първоначалния успех, приложението на биотехнологиите в хуманна медицина продължава да нараства c много бързи темпове.

• Какво представлява генът?

  Генът е най-малката функционална единица за наследственост, част от ДНК, която кодира информацията, необходима за живите клетки да произвеждат протеини. При човешките същества тази връзка се разглежда под формата на унаследени черти като цвят на очите или косата. При микроорганизмите, генетичните черти обикновено се проявяват като биохимични характеристики, като способността да се развиват върху определен тип захари, но не и върху други.

  ДНК на много организми, включително на животните, дрождите и гъбичките, се открива в клетъчните ядра. Тези организми като група се наричат еукариоти, което означава „истинско ядро”. В еукариотните клетки, ДНК също може да се открие в по-големи структури, наречени хромозоми, които в някои случаи могат да бъдат наблюдавани под микроскоп по време на клетъчното делене. Някои хромозоми имат характерна, позната структура тип "X".

  За разлика от еукариотните клетки, бактериалните клетки нямат определено ядро. Освен това, бактериалната хромозома се състои от единична голяма верига ДНК, вместо от специфичната суперструктура, характерна за по-висшите организми. Заради липсата на ядро бактериите се категоризират като отделна група организми, наричани прокариоти.

  При всички организми, цялостният генетичен материал на един организъм, сборът от всички негови гени, се нарича геном. (Чували сте това понятие във връзка с Human Genome Initiative, амбициозно международно начинание, което има за цел да идентифицира, клонира и открие последователността във всички човешки гени).

  Въпреки че в Амджен работим с ДНК, основният ни интерес са протеините, работните молекули на клетката. Протеините имат разнообразни значения за организма. Хормоните функционират като клетъчни вестоносци, докато цитоскелетът създава структурните компоненти. Ензимите са медиатори на метаболизма на клетката, а антителата и лимфокините са основните компоненти на имунния отговор на тялото.

  Поради биологичното си значение протеините могат да бъдат отлични кандидати за лекарства, когато се възползваме от естествените им функции. Гените, под формата на ДНК, са нашата основна база за създаването на важни протеини.

• Структура на ДНК

  Както бе споменато по-рано, протеините се закодират посредством гените. Гените, на свой ред, се състоят от дезоксирибонуклеинова киселина, или ДНК. Това име се отнася както до химическия състав на молекулата, така и до фактa, че се открива в ядрото. Значимостта на ДНК молекулата се крие в способността й да кодира всички нужни гени, за да създаде цялото разнообразие на живота, който познаваме на земята. Ключът към тази способност е свързан с известната двойна спирална структура, предложена от Джеймс Уотсън и Франсис Крик през 1952 година.

  Двойната спирала се отнася към формата на ДНК, която може да се оприличи на спираловидни стъпала или извита стълба. Използвайки аналогията на стълбата, външните линии се състоят от захари и фосфатни молекули, докато стъпалата се състоят от молекули, известни като „бази”. Индивидуална единица, съдържаща захар, фосфат и база, е известна като нуклеотид. В рамките на всяко стъпало има двойка бази, свързани заедно чрез химична връзка.

  ДНК съдържа само четири специфични бази: аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). Четирите бази се свързват само по два начина: A с T, и G с C. Знаейки последователността на базите от едната страна (верига) на молекулата позволява на учените да определят последователността от другата страна.

  Както било наблюдавано още в самото начало и веднъж след като структурата на ДНК била определена, станало ясно, че ДНК притежава способността да бъде копирана. Тъй като аденинът се свързва с тимина, а гуанинът с цитозина, всяка от страните може да служи като модел за създаването на идентични копия на молекулата. Това, което не било толкова очевидно тогава било как една молекула с ограничено разнообразие – само четири бази – би могла да съдържа информация необходима за създаването на изключително разнородни молекули като протеините.

• Генетичният код

  В ДНК, нуклеотидните бази формират проста четирибуквена азбука, която може да кодира 20-те аминокиселини, които се откриват в протеините. Езикът на генетичния код се състои от кодони, думи за индивидуалните аминокиселини. Всеки кодон е дълъг точно три бази. Един ген може да се разглежда като изречение, което се състои изцяло от тези трибуквени думи. Първоначално тази азбука може да изглежда доста ограничена. Но с използването на четири букви в комбинация от по три стават възможни 64 различни комбинации. Всъщност много аминокиселини могат да бъдат описани, като се използва повече от един кодон.

  Основният механизъм на генетичния код е сходен сред много организми. Поради това сходство понякога е възможно да се вземе сегмент от ДНК от един източник и да се предизвика същото поведение в друг. Сегмент от човешката ДНК, например, може да се вкара в организма приемник, като бактерия, карайки бактерията да произвежда човешки протеин. Това е ключът към генното инженерство.

• ДНК, РНК и протеините

  Докато протеинът се произвежда в цитоплазмата на клетката, информацията – ДНК – е разположена в ядрото. Връзката се осъществява чрез междинна молекула, наречена рибонуклеинова киселина (РНК), по-конкретно вид РНК, наричана матрична РНК (м-РНК). РНК има структура сходна на ДНК, но с три основни разлики: захарта е рибоза, базата е урацил (U), който замества тимина (T), а в повечето случаи РНК има само една верига. М-РНК се формира в процес, наречен транскрипция, като се използва само една верига (наречена „смислена” верига) на ДНК като модел. След това м-РНК се транспортира до цитоплазмата където се разчита, или „транслира”, в протеин.

  Процесът на транслация изисква сложни органели в клетката, наричани рибозоми и РНК молекули наричани транспортни РНК (тРНК). Рибозомите действат като скеле, придържайки м-РНК на правилната позиция, за да може да бъде разчетена от тРНК, които носят аминокиселини. В този процес аминокиселините се свързват помежду си, образувайки протеин, който е бил първоначално закодиран в ДНК.

  Целият процес, описан по-горе, се обобщава във фразата „ДНК прави РНК, а РНК прави протеин”. Това често се определя като основната догма на молекулярната биология.

• Рекомбинантна ДНК технология

  Терминът „биотехнологии” често се отнася за техниките на рекомбинантната ДНК. Този последен термин пък има отношение към преноса на един ген от един организъм към друг организъм: буквално, рекомбинация на ДНК от различни източници.

  За целите на Амджен, това обикновено включва изолиране на човешки ген с терапевтичен потенциал и въвеждането му след това в бактерии, дрожди или животински клетки. Без рекомбинантната ДНК технология повечето от тези протеини не съществуват естествено в достатъчни количества. Рекомбинантните системи, обаче, могат да бъдат подсилени, за да произвеждат протеин в големи количества при контролирани условия. В крайна сметка, можем да произвеждаме големи количества изключително пречистен протеин за клинично приложение.

  Техниката на рекомбинантната ДНК, посочена горе, е доста лесна за разбиране. С използването на протеини, наричани ограничаващи ензими, индивидуалните гени от човешката ДНК се изолират и вкарват в малки циркулиращи клетъчни участъци ДНК със същия ензим, известни като плазмиди. Веднъж след като бъде вкаран в плазмид, генът може да се прикрепи на място, като се използва друг ензим, наричан ДНК лигаза. Ограничаващите ензими и ДНК лигазата са ножицата и лепилото за рекомбинантната ДНК технология.

  Веднъж конструиран по този начин, рекомбинантният плазмид се вкарва в бактерии, дрожди или култивирани животински клетки в процес известен като трансформация. Трансформираните клетки се разделят от нетрансформираните посредством процедура на подбор, която се възползва от устойчиви на лекарства гени, които също се откриват в плазмида

  След това се създава чиста популация на рекомбинантни клетки посредством процес, известен като клониране. При клонирането се избира една клетка, която дава началото на цяла популация идентични клетки, или клонинги, чрез процес на нормално клетъчно делене. При този процес се очаква всички получени клетки да съдържат копие на плазмида, носещ въведения човешки ген.

  След въвеждането на гена и след клонирането на клетката, клетките се подбуждат да включат, или да „изразят”, човешкия ген. В зависимост от избраната клетъчна система, рекомбинантният протеин може да се открие в клетките или навън, в обграждащата ги среда. Това може да звучи изключително обичайно и лесно, а всъщност не е. За клонирането само на гена за EPOGEN® бяха нужни три години.

  Амджен фокусира успешно изследванията си върху кръвните растежни фактори. Кръвните растежни фактори са протеинови хормони, произвеждани от тялото, за да регулират производството и съзряването на различни кръвни клетки. Неспециализираните прекурсорни клетки се развиват до специализирани кръвни типове като червени кръвни телца (еритроцити), бели кръвни телца (левкоцити) и тромбоцити. Това развитие от части се ръководи от различни протеинови фактори. Някои от тези фактори като че ли играят много специфична роля, докато други изглежда, че имат по-общи функции.

  Учените в Амджен използват способностите на генното инженерство, за да изолират някои от тези протеинови фактори. Такъв ген е еритропоетинът (който стимулира съзряването на прекурсорните клетки на костния мозък и образуването на зрели еритроцити или червени кръвни телца). Това е протеинов хормон, произвеждан от специфичен тип клетки в бъбреците.

  Пациенти с хронична бъбречна недостатъчност често са неспособни да произвеждат адекватни количества еритропоетин, за да поддържат нормалната концентрация на еритроцити в циркулация. В резултат на това тези пациенти страдат от хронична, често сериозно изразена, анемия, т.е., при тях непрестанно е налице малък брой червени кръвни телца в циркулация. В някои случаи, в допълнение към диализата, тези пациенти често се нуждаят от кръвопреливане, за да могат да поддържат адекватни нива на червените кръвни телца.

  Както може да се предположи, анемията, свързана с бъбречната недостатъчност, би била управлявана, ако може да се открие външен източник на еритропоетин. За съжаление тялото продуцира еритропоетин в много малки количества, което прави немислимо извличането на достатъчно количество естествен еритропоетин, за да се лекуват всички пациенти, страдащи от болестта. Точно тук идва ролята на рекомбинантната ДНК технология и Амджен.

  В Амджен бе проведен научен опит от екипа на д-р Фу Куен Лин за възпроизвеждането на човешкия ген на еритропоетина. Първоначално екипът на д-р. Лин получи много малки количества човешки еритропоетин от колеги от Университета в Чикаго. Учените използваха този материал, за да определят последователността на аминокиселините в част от молекулата на еритропоетина.

  Въоръжен с информацията за последователността, д-р Лин успя да пресъздаде много кратки части от ДНК, наречени олигонуклеотиди, които можели да съвпаднат с ДНК последователността на ериторпоетина при човека. В същото време, частици от човешка ДНК, които можели да съдържат гена на еритропоетина, били клонирани в бактерии на случаен принцип. След това той използвал къси участъци ДНК като етикети, за да открие гена на еритропоетина в техника, известна като авторадиография. Чрез този метод д-р Лин успял да изолира човешкия ген на еритропоетина.

• Бъдещето

  Рекомбинантната ДНК технология лежи в основата на успеха на Амджен. Докато учените продължават да подобряват техниките на рекомбинантната ДНК, се развиват и нови методи, които носят обещанието за второ, а и трето поколение биотехнологични продукти.

  През последните няколко години станахме свидетели на изключителен напредък в разбирането ни за процесите на клетъчен растеж и диференциация. Надяваме се този напредък да доведе до появата на нови продукти за лечението на множество заболявания. Нашето познание за протеините и ДНК структурата се развива, помагайки ни да създадем иновативни класове лечебни молекули с уникални способности.