Bidrag fra bioteknologi til medicinsk videnskab

Bidrag fra bioteknologi til medicinsk videnskab!

Bioteknologi har vist sig at være en velsignelse for medicinsk videnskab på flere måder. Bliv ved at forbedre immuniteten mod sygdomme, eller ved at give genetisk forbedret behandling for lidelser, er bioteknologi blevet en uadskillelig del af den medicinske verden.

Faktisk har udviklingen af ​​humant insulin, det første genetisk manipulerede lægemiddel, markeret starten på en ekstremt vellykket æra af genetiske anvendelser inden for medicin. Lad os undersøge disse applikationer i detaljer.

Påvisning af genetiske sygdomme:

Den effektive behandling af enhver sygdom afhænger af den korrekte diagnose. Konventionel medicin giver ringe garanti for nøjagtig registrering, og diagnosen indeholder altid et sandsynlighedselement. De nye teknikker inden for genteknologi gør dog en nøjagtig diagnose mulig ved at lokalisere og analysere enkeltgener i en kæde af tusindvis af gener gennem 'genprober'. Dette er de segmenter af DNA, som matcher og dermed binder med DNA-segmenterne af individuelle gener. Deres binding kan detekteres ved blot at mærke disse DNA-segmenter.

Sådanne prober anvendes til at genkende DNA-sekvenser associeret med genetiske sygdomme. Gen kan nu detekteres for et varieret antal genetiske tilstande i små vævsprøver indsamlet fra patienter eller endog fra embryoner ved amniocentese. Disse DNA-prober kan også bruges til at identificere sygdomsorganismer og anvendes i forsøg, hvor man måske ikke kan anvende antistoffer.

Monoklonale Antistoffer og Diagnose:

Antistoffer er proteiner, der genereres af en krop til at bekæmpe en sygdom eller en infektion. Disse antistoffer produceres af hvide blodlegemer som et svar på en sygdomsfremkaldende organisme eller infektion, som kroppen anerkender som fremmed.

Antistoffer virker ved at binde til disse fremmede stoffer, som de cirkulerer i blodet, og dermed forhindre dem i at forårsage skade på kroppen. Disse antistoffer binder med det specifikke protein (antigen), som har udløst deres produktion. De kan fås fra blod fra immuniserede dyr og til sidst anvendes til diagnostiske og forskningsmæssige formål.

Antistoffer er af to typer. Polyklonale antistoffer er ikke specifikke i naturen og kan genkende mange proteiner på samme tid. Monoklonale antistoffer genkender kun en bestemt type protein. Antistoffer, især de monoklonale, anvendes nu i vid udstrækning til diagnostiske formål. Nogle af de områder, hvor de finder en bredere anvendelse, omfatter graviditetstest, kræftscreening og diagnose af viral gastro-enteritis, hepatitis B, cystisk fibrose og seksuelt overførte sygdomme som aids.

Terapeutiske stoffer:

Modem dagvacciner har allerede hjulpet med at udrydde sygdomme som småpokke og reducere eksponeringen for polio, tyfus, stivkrampe, mæslinger, hepatitis, rotavirus og andre farlige infektioner. Standardimmuniseringsmetoderne går dog dårligt, når de er målrettet mod en bestemt sygdom. Genetisk materiale, dvs. DNA og RNA kan bruges til at udvikle forbedrede vacciner.

Den rekombinante DNA-teknologi letter konstruktion og masseproduktion af sådanne modeller samt større stabilitet i opbevaring. Da disse vacciner kan manipuleres til at bære gener fra forskellige stammer af patogen, kan de desuden give immunitet mod flere andre stammer på én gang.

Tanken om, at gener kunne bruges til at skabe vacciner, blev mødt i 1950-60'erne. Indledende undersøgelser viste, at hvis genetisk materiale blev leveret ind i et dyrs celle, resulterede det i syntesen af ​​de kodede proteiner og antistoffer rettet mod disse proteiner.

Sygdomsfremkaldende organismer bærer antigener på deres overflade, som udløser kroppens forsvarsmekanisme og dermed hjælper med at kontrollere de skader, der er forårsaget af kroppen. Særlige celler, der findes i hele den menneskelige krop, producerer antistoffer og antigener.

Disse celler genkender formen af ​​en bestemt determinantgruppe af antigenet og producerer specifikke antistoffer for at bekæmpe ikke kun det store udvalg af mikrobielle invasioner, men også et ubegrænset udvalg af syntetiske kemikalier. Kort sagt kan pattedyrsystemet binde og deaktivere næsten alle fremmede molekyler, der kommer ind i systemet.

Vacciner fremstilles fra levende eller døde mikroorganismer, som kan introduceres i menneskets eller dyrets krop for at stimulere deres immunitet. De kan efterligne smitsomme stoffer og derefter hjælpe kroppen med at udvikle beskyttende immunresponser.

Når de anvendes i stor skala, har vacciner været en vigtig kraft i styringen af ​​mikrobielle sygdomme inden for samfund. Det store mål for vaccineforskning er at identificere og karakterisere de enkelte antigener af smitsomme stoffer, som kan hjælpe med at udvikle et immunrespons.

Poliovaccinen har næsten elimineret sygdommen fra verden. Vaccinerne for tyfus, kolera er dog stadig ikke særlig effektive, og de bliver arbejdet videre. Forskning er også på at udvikle vacciner mod sygdomme som syfilis, serum hepatitis, malaria og mange andre. Forskning på vaccination mod hiv er nu udført på verdensplan. Vacciner til bakterielle og parasitære sygdomme har også gjort store fremskridt.

Biopharmaceuticals:

Mange farmaceutiske produkter er forbindelser afledt enten fra syntetiske kemiske processer eller fra naturlige kilder som planter og mikroorganismer, eller er kombinationer af begge. Sådanne forbindelser anvendes til at regulere vigtige legemsfunktioner og bekæmpe sygdomsfremkaldende organismer.

Der arbejdes nu for at udnytte menneskekroppens egne reguleringsmolekyler, som normalt findes i meget små koncentrationer. Begrænsede mængder af nogle af disse forbindelser er historisk blevet afledt af kadavers organer eller fra blodbanker. Geneteknik er nu ved at blive anerkendt som et praktisk middel til at generere nogle af disse knappe molekyler i større mængder.

Dette indebærer at indsætte den nødvendige humane afledte genkonstruktion i en egnet værtsmikroorganisme, der vil producere terapeutisk protein (biofarmaceutisk) i mængder relateret til operationsskalaen. Sådanne produkter bærer ingen risiko for forurening fra udvinding af cadavers (som den degenerative hjerne sygdom). Creulzfelt-Jakobs sygdom har også været forbundet med administration af humant hormon fra tidlig udvinding.

Den vellykkede udvikling af biofarmaceutiske produkter kræver:

1. Avanceret biokemisk eller biomedicinsk forskning for at identificere og karakterisere de native forbindelser.

2. Kompetent molekylærbiologi og kloningsteknologi for at identificere de relevante gensekvenser og indsætte dem i en pattedyr eller mikrobiologisk vært.

3. Bioprocess teknologi til at dyrke organismerne til at isolere, koncentrere og rense de valgte forbindelser.

4. Klinisk og marketing ekspertise.

Lad os nu diskutere nogle af de vigtige biofarmaceutika, der allerede er i brug:

Insulin:

Millioner af mennesker lider af diabetes på grund af insulinmangel. Disse patienter skal afhænge af eksternt insulinindtag. Konventionelt var insulinet, der blev anvendt af diabetespatienter, blevet ekstraheret fra svin og kvæg. Dette er blevet afbrudt på grund af dets negative bivirkninger. Vi bruger nu rekombinant humant insulin, som er fri for enhver forurening og har vist sig yderst effektiv mod sygdommen.

Somatostatin:

Dette væksthormon har været yderst vanskeligt at isolere fra dyr. Kloning af det humane gen for somatostatin til bakterie har imidlertid muliggjort sin storskala produktion. Dette har vist sig at være en velsignelse for behandling af hypo hypofyse dværgisme, som skyldes manglen på dette hormon.

Interferon er:

Interferon er glycoproteiner (proteiner med vedhæftede sukkermolekyler), der antages at være med til at kontrollere mange typer virale infektioner, herunder forkølelse. De hæmmer også væksten af ​​kræftceller og stimulerer kroppens naturlige immunforsvar mod dem.

I 1957 anerkendte to britiske forskere disse interferon som stoffer produceret i kroppen, der kunne gøre cellerne resistente overfor virusangreb. Imidlertid har knapheden af ​​disse forbindelser konsekvent hæmmet indsatsen for at forstå omfanget af deres effektivitet. Af sen brug af modemteknikker har vi været i stand til at producere interferonmolekyler, som har en rolle i at kontrollere forskellige infektioner.

lymfokiner:

Disse er proteiner produceret af lymfocytter (en del af kroppens immunsystem) og anses for vigtige for immunreaktioner. De har evnen til at forbedre og genoprette immunsystemets evne til at bekæmpe infektioner, sygdomme og kræft. Interlukin-2 er den mest almindeligt anvendte lymfokin, der produceres ved genteknologi.

Hver af disse forbindelser har hjulpet forskere med at opnå nye niveauer af realistisk farmaceutisk lægemiddellevering. Rekombinant DNA-teknologi har muliggjort syntesen af ​​store mængder af disse produkter. Dette molekylære apotek bliver også ret succesfuldt i produktionen af ​​humane lægemidler i transgene dyr.

Genterapi:

Denne lovende teknologi bruger gener som lægemidler til at korrigere arvelige genetiske lidelser. Ved genterapi kan et defekt eller manglende gen erstattes for at korrigere genetisk årsag til en sygdom. Dette gøres ved at bestemme det normale gens funktion i humane celler, hvilken type protein den instruerer cellen til at producere og niveauet, mængden og tidspunktet for proteindannelse. Dette kan yderligere angive, om det rigtige protein bliver dannet på det rigtige tidspunkt eller sted, og hvordan man kan imødegå virkningerne af en fejltagelse.

Genterapi er af to typer: Germ Cell Gen Therapy og Somatic Cell Gen Therapy. I Germ Cell Therapy er ændringer rettet mod den enkelte genetiske makeup og kan videreføres til afkom. I den Somatic Cell Gen Therapy på den anden side introduceres funktionelle gener i kroppens celler, der mangler dem. Virkningerne af terapien overføres ikke til den efterfølgende generation.

Det klassiske tilfælde af den tidligste godkendte genterapi var en fireårig Ashanti DeSilva, som blev født med en sjælden genetisk sygdom kaldet Alvorlig Kombineret Immunbrist (SCID). Ashanti havde et svagt immunsystem, der gjorde hende sårbart for alle forbipasserende bakterier. Børn født med denne sygdom udvikler normalt overvældende infektioner og overlever sjældent til at se voksenalderen.

Også Ashanti blev tvunget til at lede en klostret eksistens, idet hun ikke var i kontakt med mennesker udenfor hendes familie, begrænset til det sterile miljø i hendes hus og kæmpede hyppige sygdomme med massive mængder antibiotika. Via genterapi fjernede lægerne de hvide blodlegemer fra hendes krop og fik dem til at vokse i laboratoriet.

Disse celler blev derefter genindsat med det manglende gen, og de genetisk modificerede blodceller blev infunderet tilbage i patientens blodbane. Laboratorieundersøgelser viste, at terapien forbedrede bemærkelsesværdigt Ashanti immunsystem, og hun fører nu et normalt liv.

Hovedgenterapi er at korrigere singlegen-defekter som cystisk fibrose og hæmofili, for hvilken der ikke findes en effektiv kur endnu. Den effektive anvendelse af denne terapi vil imidlertid kræve en dyb forståelse af den mekanisme, hvormed det defekte (usædvanlige) gen udøver sin virkning på individet.

En anden interessant anvendelse af genterapi forekommer inden for øjensygdomme som diabetisk retinopati. Indledende undersøgelser tyder på, at genterapi kan beskytte diabetespatienter mod tab af syne på grund af overvævning og lækage af blodkar.

DNA Fingerprinting:

Udviklingen af ​​DNA-fingeraftrykningsteknik har vist sig at være yderst vigtig for at identificere kriminelle og etablere forældre. Det grundlæggende princip i denne teknik er baseret på, at ingen to individer kan have samme genetiske sammensætning.

DNA-fragmenterne fra den pågældende person kan tages fra et vævs- eller blodprøve under anvendelse af et restriktionsenzym. Dette fragment kan så undersøges for at fastslå individets nøjagtige genetiske sammensætning. Denne teknik tilbyder sådan en høj polymorfismesats, at muligheden for to personer, der har de samme DNA-egenskaber, er meget fjerntliggende.

Prænatal diagnose af arvelige sygdomme:

Molekylær genetik har en betydelig anvendelse i prænatal diagnose af arvelige lidelser som hæmoglobinopatier. For eksempel blev teknikken til analyse af DNA til diagnosticering af sicklecellemæmi fra amniotiske væskeceller udtænkt i 1978.

Tissue Regeneration:

Hudtransplantation:

Hud er sandsynligvis et af de eneste organer, som kunstigt kan syntetiseres fra cellekultur og anvendes til podning, når det er alvorligt beskadiget. Hudceller (keratinocytter) udgør halvfems procent af hudens hudhud. Spredning af disse celler lettes af fibroblaster, der er til stede i hudens hudlag.

Fibroblaster er nyttige til dyrkning af hudceller. Disse fibroblastceller, der kaldes 3T3-celler, anvendes sammen med de nødvendige kemikalier og stamceller. Imidlertid prolifererer kun omkring en til ti procent af de epidermale celler. Sub-dyrkning til friske medier fremkalder yderligere vækst af disse celler.

Hudtransplantation muliggør hurtig genopretning og normalisering af beskadiget hud. Regenererede keratinocytter er også blevet brugt til at helbrede en række andre sygdomme. For eksempel kan hudørene fjernes ved hjælp af dyrket hud, og dyrkede orale keratinocytter kan bruges til at regenerere mundhulenes epitel.

Kulturerede urinrørkeratinocytter har været anvendt til at reparere medfødte penile defekter. Kroniske sår er også blevet behandlet med succesfulde culmred transplantater, og allografier (hud fra en anden person) har haft succes med at helbrede disse sår.

Fertilitetskontrol:

Indiske forskere har med succes udviklet lægemidler som centroman til antifertilitet (præventionsmiddel), som har vist gode resultater uden bivirkninger. Immunologiske fremgangsmåder er også blevet brugt til at udvikle vacciner mod frugtbarhed.

Fødselskontrolvacciner er nu blevet udviklet ved anvendelse af HCG (Human Chorionic Gonadotrophin) hormonet. Vaccinen fremkalder antistoffer mod både tetanus og graviditetshormon HCG. Dette har væsentligt reduceret virkningen af ​​stivkrampe, hvilket er en væsentlig årsag til dødsulykker i Indien på grund af uhygiejniske forhold, især i landdistrikterne.

Genetisk rådgivning:

Denne ansøgning er opskåret på grund af øget bevidsthed blandt mennesker, der ønsker deres børn at være fri for medfødte sygdomme. En genetisk rådgiver fortæller patienten om konsekvenserne af en bestemt genetisk defekt.

Underkastelse af fostervand i forskellige tests kan undersøge disse medfødte lidelser, og de opnåede resultater kunne diskuteres med patienten. Dette vil give potentielle forældre mulighed for at tænke over fejlen i fosteret i god tid.

Pre-implantation genetisk diagnose:

Pre-implantation Genetic Diagnosis (PGD) blev til stede, da navlestrengs stamceller fra et endnu ufødt (eneste foster) ved hjælp af assisteret reproduktiv teknologi (ART) blev brugt til at helbrede en seksårig, der lider af fanconianæmi. Da fosteret kun var en kugle af blastomere celler, skildrede forskere ved det reproduktive genetiske institut ved Illinois Masonic Medical Center nogle af disse celler.

Disse celler blev analyseret og viste sig ikke kun at være fri for fanconianæmi-genet, men også kompatible i form af humane leukocytantigener (HLA). Forskerne implanterede resten af ​​bolden af ​​blastomere celler tilbage i moderens livmoder. Moderen fødte et sundt barn. Efter en måneds tid blev hans navlestrengs stamceller infunderet i sin søster.

Denne proces blev gjort mulig takket være en iboende udviklingsproces kaldet 'ubestemt spaltning'. Ligesom enhver anden hvirveldyr kan et ottecellet humant embryo (kendt som pro-embryo) fortsætte med at udvikle sig selv efter at en eller to celler er fjernet.

I PGD underkastes embryoner opnået til in vitro-fertilisering mange forsøg (biopsier). Derefter undersøges den genetiske makeup grundigt, og kun de celler overføres tilbage til moderen, som er fri for genetiske sygdomme. Denne teknik er en stor hjælp til diagnosticering af genetiske sygdomme.

farmakogenomforskning:

Indgrebet af molekylære værktøjer i det farmaceutiske område har givet birth til et nyt område af Pharmacogenomics. En sammensmeltning af farmaceutisk videnskab og genetik, farmakogenomics kombinerer traditionelle farmaceutiske videnskaber, herunder biokemi, genets molekylære struktur og dets adfærd og funktion på proteinniveau.

Det involverer i grunden undersøgelsen af, hvordan en persons genetiske makeup påvirker kroppens respons på stoffer. Dette kommende felt har et stort løfte om den dag, hvor det bliver muligt at skræddersy medicin til individuelle patienter i overensstemmelse med deres genetiske arkitektur.

Nogle af de områder, hvor farmakogenomik kan spille en væsentlig rolle er:

Effektive stoffer:

Ved hjælp af molekylære værktøjer vil farmaceutiske virksomheder kunne udvikle lægemidler baseret på proteiner, enzymer og RNA-molekyler, der er forbundet med gener og sygdomme. Dette vil hjælpe med målrettet lægemiddelopdagelse og levering. Leveringen af ​​sådanne højpræcisionsmedikamenter vil ikke kun føre til maksimale terapeutiske anvendelser, men også reducere skader på tilstødende raske celler.

Effektive vacciner:

DNA- og RNA-baserede vacciner vil vise større effektivitetsniveauer. Disse vil ikke kun aktivere individets immunsystem, men vil også bidrage til at undgå risikoen for infektion. Sådanne rekombinante vacciner vil være billige, nemme at opbevare og kan konstrueres til at bære naturlige stammer af et patogen i ét skud.

Targeting Drug Discovery:

Genoommål kan bruges til at udvikle nye terapier. Disse nye lægemidler kan prøves på specifikke genetiske befolkningsgrupper. Dette vil også reducere omkostningerne og den potentielle risiko for kliniske forsøg ved kun at målrette mod de patienter, der er i stand til at reagere på et lægemiddel.

Sikrere stoffer:

Nu i stedet for at bruge den konventionelle forsøgs- og fejlmetode til at matche patienter med den rigtige slags medicin, vil lægerne kunne analysere patientens genetiske sminke og ordinere en passende mulig lægemiddelbehandling. Disse nye generationens lægemidler vil også øge hastigheden af ​​genopretning.

Sygdomsscreening:

Oplysninger om patientens genetiske kode, hans adfærd, livsstil og miljø kan bruges til at advare ham om forekomsten af ​​sygdom i god tid. Dette vil lette omhyggelig overvågning og behandling på et passende tidspunkt for at minimere skaden.

Bestemmelse af lægemiddeldosis:

Læger ordinerer normalt lægemiddeldosering efter patientens vægt og alder. Dette kan erstattes af doser baseret på personens genetik, dvs. hvor godt hans krop behandler medicinen og den tid det tager at metabolisere det. Dette vil øge lægemidlets terapeutiske værdi og bidrage til at forhindre risikoen for overdosering.

Genprofilering:

Modem bioteknologiske værktøjer har næsten revolutioneret det medicinske område. Et sådant værktøj, microarrayet, har vist sig at være yderst fordelagtigt. Denne teknik gør det muligt at bestemme molekylære forskelle blandt de forskellige gener, der udtrykkes.

Det detaljerede molekylære billede, der opnås ved denne teknik, vil hjælpe med at designe molekylære lægemidler, ligesom højopløsende radiografiske billeddannelsesmetoder har hjulpet med at behandle sygdomme på anatomiske niveauer. En af de nylige undersøgelser, der anvendte genekspression baseret på DNA-mikroarrayer, var til molekylær klassifikation af cancer.

Det blev rapporteret, at profilering hjalp med at skelne mellem adskilte patologiske stammer, såsom akut myeloid leukæmi og akut lymfoblastisk leukæmi, baseret på deres karakteristiske genekspressionsmønster. DNA-mikroarrayer har også hjulpet med at afsløre andre nye sygdomme.

Stamceller og deres applikationer:

Stamceller er cellerne, der er i stand til at dividere i ubestemt tid i kultur for at give anledning til specialiserede celler. Vi ved alle, at menneskets udvikling begynder, når en sæd befrugter et æg og skaber en enkelt celle (embryo), der er i stand til at danne en hel organisme.

Embryonale stamceller er cellerne, som kan give anledning til 210 forskellige slags væv i en menneskekrop. Selvom en enkelt stamcelle kan give anledning til mere specialiserede celler, men det kan ikke i sig selv danne hele mennesket. Disse celler kaldes pluripotente celler - da de er i stand til at give anledning til de fleste af en organisms væv.

Da stamceller er i stand til at differentiere sig i forskellige typer af væv, kan disse bruges til "celleterapi". Stamceller kan stimuleres til at udvikle sig til en specialiseret celle og kan således tilbyde muligheden for en vedvarende kilde til udskiftning af syge / beskadigede celler og væv.

Det kan helbrede mange sygdomme som Parkinsons og Alzheimers sygdomme, slagtilfælde, forbrændinger, hjertesygdomme, diabetes, slidgigt, reumatoid arthritis; maligniteter, indfødte metabolismefejl og mange flere. For eksempel kan transplantere sunde hjerte muskelceller give nye forhåbninger til patienter, der lider af hjertesygdomme, hvis hjerter ikke længere kan pumpe tilstrækkeligt.

Stamcelleundersøgelser har rejst håbet om at udvikle hjerte muskelceller fra menneskelige stamceller og transplantere dem til svigtende hjertemuskel for at forøge funktionen af ​​det svigtende hjerte. En anden vigtig sygdom er type I diabetes, hvor produktionen af ​​insulin fra specialiserede bugspytkirtelceller, der hedder ølceller, forstyrres.

Undersøgelser tyder på, at transplantation af enten hele bugspytkirtlen eller det isolerede øl kunne erstatte behovet for insulininjektioner. Isletcellelinjer afledt af stamceller kan anvendes til diabetesforskning og til sidst til transplantation. Stamcellebiologi har et stort potentiale ved at redde mange liv.