Bioteknikkens bidrag til medisinsk vitenskap

Bioteknologisk bidrag til medisinsk vitenskap!

Bioteknologi har vist seg å være en velsignelse for medisinsk vitenskap på flere måter. Være det for å styrke immuniteten mot sykdommer, eller å gi genetisk forbedret behandling for plager, har bioteknologi blitt en uadskillelig del av den medisinske verden.

Faktisk har utviklingen av humant insulin, det første genetisk utviklede stoffet, markert begynnelsen av en ekstremt vellykket epoke med genetiske anvendelser i medisin. La oss undersøke disse programmene i detalj.

Påvisning av genetiske sykdommer:

Den effektive behandlingen av en hvilken som helst sykdom er avhengig av riktig diagnose. Konvensjonell medisin gir liten garanti for nøyaktig deteksjon, og diagnosen inneholder alltid et sannsynlighetssannsynlighet. Men de nye teknikkene for genteknologi gjør nøyaktig diagnose mulig ved å lokalisere og analysere enkeltgener i en kjede av tusenvis av gener gjennom "genprober". Dette er DNA-segmentene som matcher og dermed binder seg til DNA-segmentene av de enkelte gener. Deres binding kan detekteres bare ved å merke disse DNA-segmentene.

Slike prober brukes til å gjenkjenne DNA-sekvenser assosiert med genetiske sykdommer. Gen kan nå oppdages for et variert antall genetiske forhold i små vevsprøver samlet fra pasienter eller til og med fra embryoer ved amniocentese. Disse DNA-probene kan også brukes til å identifisere sykdomsorganismer, og brukes i tester hvor man kanskje ikke kan bruke antistoffer.

Monoklonale antistoffer og diagnose:

Antistoffer er proteiner som genereres av en kropp for å bekjempe en sykdom eller en infeksjon. Disse antistoffene produseres av hvite blodlegemer som et svar på en sykdom som forårsaker organisme eller infeksjon, som kroppen gjenkjenner som fremmed.

Antistoffer virker ved å binde seg til disse fremmede stoffene mens de sirkulerer i blodet, og dermed hindre dem i å forårsake skade på kroppen. Disse antistoffene binder med det spesifikke proteinet (antigenet), som har utløst sin produksjon. De kan hentes fra blod fra immuniserte dyr og til slutt brukes til diagnostiske og forskningsformål.

Antistoffer er av to typer. Polyklonale antistoffer er ikke spesifikke i naturen, og kan gjenkjenne mange proteiner samtidig. Monoklonale antistoffer gjenkjenner kun en bestemt type protein. Antistoffer, spesielt de monoklonale, blir nå mye brukt til diagnostiske formål. Noen av områdene der de finner bredere søknad inkluderer graviditetstester, kreftundersøkelse og diagnose av viral gastroenteritt, hepatitt B, cystisk fibrose og seksuelt overførbare sykdommer som AIDS.

Terapeutiske stoffer:

Modem dag vaksiner har allerede hjulpet med å utrydde sykdommer som små pokke, og redusere eksponeringen for polio, tyfus, stivkrampe, meslinger, hepatitt, rotavirus og andre farlige infeksjoner. Standard immuniseringsmetoder går imidlertid dårlig når de er målrettet mot en bestemt sykdom. Genetisk materiale, dvs. DNA og RNA kan brukes til å utvikle forbedrede vaksiner.

Den rekombinante DNA-teknologien muliggjør utforming og masseproduksjon av slike modeller, samt større stabilitet i lagring. Videre, siden disse vaksinene kan konstrueres for å bære gener fra forskjellige patogenstammer, kan de gi immunitet mot flere andre stammer samtidig.

Ideen om at gener kunne brukes til å skape vaksiner, ble oppdaget på 1950-60-tallet. Første studier viste at hvis genetisk materiale ble levert inn i et dyrs celle, resulterte det i syntesen av de kodede proteiner og antistoffer rettet mot disse proteiner.

Sykdomsfremkallende organismer bærer antigener på overflaten, som utløser kroppens forsvarsmekanisme, og dermed bidrar til å kontrollere skadene forårsaket av kroppen. Spesielle celler som finnes i hele kroppen, produserer antistoffer og antigener.

Disse cellene gjenkjenner formen av en bestemt determinantgruppe av antigenet og produserer spesifikke antistoffer for å bekjempe ikke bare det store antallet mikrobielle invasjoner, men også et ubegrenset utvalg av syntetiske kjemikalier. Kort sagt, pattedyrsystemet kan binde og deaktivere nesten alle fremmede molekyler som kommer inn i systemet.

Vaksiner er utarbeidet fra levende eller døde mikroorganismer som kan innføres i menneskets eller dyrets kropp for å stimulere deres immunitet. De kan etterligne smittsomme stoffer og deretter hjelpe kroppen til å utvikle beskyttende immunresponser.

Ved bruk i stor skala har vaksiner vært en stor styrke i kontrollen av mikrobielle sykdommer i samfunn. Det store målet med vaksineforskning er å identifisere og karakterisere de enkelte antigenene av smittsomme stoffer som kan bidra til å utvikle en immunrespons.

Polio-vaksinen har nesten eliminert sykdommen fra verden. Vaksinene for tyfoid, kolera er imidlertid fortsatt ikke veldig effektive, og blir bearbeidet. Forskning er også på å utvikle vaksiner mot sykdommer som syfilis, serum hepatitt, malaria og mange andre. Forskning på vaksinasjon mot HIV gjøres nå på verdensplan. Vacciner for bakterielle og parasittiske sykdommer har også gjort store fremskritt.

Biopharmaceuticals:

Mange farmasøytiske produkter er forbindelser som er avledet enten fra syntetiske kjemiske prosesser eller fra naturlige kilder som planter og mikroorganismer, eller er kombinasjoner av begge. Slike forbindelser brukes til å regulere viktige kroppsfunksjoner og bekjempe sykdomsfremkallende organismer.

Arbeidet er nå på å utnytte kroppens egne reguleringsmolekyler, som normalt finnes i svært små konsentrasjoner. Begrensede mengder av noen av disse forbindelsene har historisk blitt avledet fra kadavers organer eller fra blodbanker. Genetikk er nå anerkjent som et praktisk middel for å generere noen av disse knappe molekylene i større mengder.

Dette innebærer å sette inn den nødvendige menneskelige avledede genkonstruksjon i en egnet vertsmikroorganisme som vil produsere terapeutisk protein (biofarmaceutisk) i mengder relatert til operasjonens omfang. Slike produkter bærer ingen risiko for forurensning fra utvinning av cadavers (som degenerativ hjernesykdom). Kreulzfelt-Jakobs sykdom har også vært assosiert med administrering av humant hormon fra tidlig utvinning.

Den vellykkede utviklingen av biofarmakser krever:

1. Avansert biokjemisk eller biomedisinsk forskning for å identifisere og karakterisere de innfødte forbindelsene.

2. Faglig molekylærbiologi og kloningsteknologi for å identifisere de relevante gensekvensene og sette dem inn i en pattedyr eller mikrobiologisk vert.

3. Bioprosess teknologi for å dyrke organismene for å isolere, konsentrere og rense de valgte stoffene.

4. Klinisk og markedsføringskompetanse.

La oss nå diskutere noen av de viktige biofarmaceutika som allerede er i bruk:

Insulin:

Millioner av mennesker lider av diabetes på grunn av insulinmangel. Disse pasientene må stole på eksternt insulininntak. Konvensjonelt var insulinet som ble brukt av diabetespasienter blitt ekstrahert fra griser og storfe. Dette har blitt avbrutt på grunn av dets negative bivirkninger. Vi bruker nå rekombinant humant insulin, som er fri for forurensning og har vist seg å være svært effektiv mot sykdommen.

somatostatin:

Dette veksthormonet har vært ekstremt vanskelig å isolere fra dyr. Kloning av det humane genet for somatostatin i bakterie har imidlertid gjort det mulig for sin storskala produksjon. Dette har vist seg å være en velsignelse for behandling av hypofysisk dwarfisme, som oppstår på grunn av mangelen på dette hormonet.

Interferon-tallet:

Interferon er glykoproteiner (proteiner med tilknyttede sukkermolekyler), antatt å være medvirkende til å kontrollere mange typer virusinfeksjoner, inkludert forkjølelse. De hemmer også veksten av kreftceller og stimulerer kroppens naturlige immunforsvar mot dem.

I 1957 anerkjente to britiske forskere disse interferonene som stoffer produsert i kroppen som kunne gjøre cellene resistente mot virusangrep. Imidlertid har knappheten i disse forbindelsene konsekvent hindret innsatsen for å forstå omfanget av deres effektivitet. Av sent bruk av modemteknikker har vi vært i stand til å produsere interferonmolekyler, som har en rolle i å kontrollere ulike infeksjoner.

lymfokiner:

Disse er proteiner produsert av lymfocytter (en del av kroppens immunsystem) og anses viktig for immunreaksjoner. De har evnen til å forbedre og gjenopprette immunforsvarets evne til å bekjempe infeksjoner, sykdommer og kreft. Interlukin-2 er den mest brukte lymfokinen som produseres ved genteknologi.

Hver av disse forbindelsene har hjulpet forskere med å oppnå nye nivåer av realistisk farmasøytisk legemiddellevering. Rekombinant DNA-teknologi har gjort det mulig å syntese store mengder av disse produktene. Denne molekylære apoteket blir ganske vellykket i produksjonen av humane legemidler i transgene dyr også.

Genterapi:

Denne lovende teknologien bruker gener som narkotika for å rette opp arvelige genetiske lidelser. Ved hjelp av genterapi kan et defekt eller manglende gen erstattes for å korrigere genetisk årsak til en sykdom. Dette gjøres ved å bestemme det normale genets funksjon i humane celler, hvilken type protein den instruerer cellen til å produsere, og nivået, kvantiteten og tidspunktet for proteindannelse. Dette kan ytterligere indikere om det rette proteinet blir dannet til rett tid eller sted, og hvordan man kan motvirke effektene av eventuelle feil.

Genterapi er av to typer: Germ Cell Gen Therapy og Somatic Cell Gene Therapy. I Germ Cell Therapy er endringer rettet mot den enkelte genetiske sminke og kan overføres til avkom. I den Somatic Cell Gen Therapy på den annen side, er funksjonelle gener introdusert i kroppens celler som mangler dem. Virkningene av terapien blir ikke videreført til den påfølgende generasjonen.

Det klassiske tilfellet av den tidligste godkjente genterapien var den av en fire år gammel Ashanti DeSilva, som ble født med en sjelden genetisk sykdom kalt svær kombinert immunbrist (SCID). Ashanti hadde et svakt immunsystem som gjorde henne sårbar for alle forbigående bakterier. Barn født av denne sykdommen utvikler vanligvis overveldende infeksjoner og overlever sjelden for å se voksen alder.

Også Ashanti ble tvunget til å lede en klostret eksistens, unngår kontakt med folk utenfor hennes familie, begrenset til det sterile miljøet i huset hennes, og kjemper hyppige sykdommer med massive mengder antibiotika. Via genterapi fjernet legene de hvite blodcellene fra kroppen og lot dem vokse i laboratoriet.

Disse cellene ble deretter satt inn igjen med det manglende genet, og de genetisk modifiserte blodceller ble infundert tilbake i pasientens blodstrøm. Laboratorietester viste at terapien forbedret bemerkelsesverdig Ashanti immunsystem, og hun fører nå et normalt liv.

Hovedgenterapi er å korrigere enkeltgenerfekter som cystisk fibrose og hemofili, for hvilke det ikke finnes en effektiv kur ennå. Den effektive anvendelsen av denne terapien vil imidlertid kreve dyp forståelse av mekanismen der det defekte (uvanlige) gen utøver sin effekt på individet.

En annen interessant anvendelse av genterapi forekommer innen øyesykdommer som diabetisk retinopati. Første studier tyder på at genterapi kan beskytte diabetespasienter mot tap av syn på grunn av overvekst og lekkasje av blodårer.

DNA fingeravtrykk:

Utviklingen av DNA fingeravtrykksteknikk har vist seg å være svært viktig for å identifisere kriminelle og etablere foreldre. Det grunnleggende prinsippet i denne teknikken er basert på det faktum at ingen to individer kan ha samme genetiske sammensetning.

DNA-fragmentene fra den aktuelle personen kan tas fra et vev eller en blodprøve ved anvendelse av et restriksjonenzym. Dette fragmentet kan da studeres for å etablere den eksakte genetiske sammensetningen til individet. Denne teknikken gir en så høy polymorfisitetsrate at muligheten for to personer som har de samme DNA-egenskapene er svært fjerntliggende.

Pre-natal diagnose av arvelige sykdommer:

Molekylær genetikk har betydelig anvendelse i prenatal diagnose av arvelige lidelser som hemoglobinopatier. For eksempel ble teknikken for å analysere DNA for å diagnostisere sigcelleanemi fra amniotiske væskeceller utviklet i 1978.

Vev Regenerering:

Hudtransplantasjon:

Hud er sannsynligvis et av de eneste organene som kan kunstig syntetiseres fra cellekultur, og brukes til podning når det er alvorlig skadet. Hudceller (keratinocytter) utgjør nitti prosent av hudens hudhud. Spredning av disse cellene lettes av fibroblaster som er tilstede i hudens hudlag.

Fibroblaster er nyttige for dyrking av hudceller. Disse fibroblastcellene, kalt 3T3-celler, brukes sammen med de nødvendige kjemikalier og stamceller. Imidlertid prolifererer kun om lag en til ti prosent av epidermale celler. Sub-kultivering til friske medier ber om videre vekst av disse cellene.

Hudtransplantasjon muliggjør rask gjenoppretting og normalisering av skadet hud. Regenererte keratinocytter har også blitt brukt til å kurere en rekke andre sykdommer. For eksempel kan hud arr bli fjernet ved hjelp av dyrket hud, og dyrkede orale keratinocytter kan brukes til å regenerere epitelet i munnen.

Kulturerte urinrørkeratinocytter har blitt brukt til å reparere medfødte penilefeil. Kroniske sår har også blitt behandlet med vellykkede culmred grafts, og allografier (hud fra en annen person) har lykkes med å kurere disse sårene.

Fruktbarhetskontroll:

Indiske forskere har utviklet medisiner som Centchroman for antiferilitet (prevensjonsmidler), som har vist gode resultater uten noen bivirkninger. Immunologiske tilnærminger har også blitt brukt til å utvikle fruktbarhetsvacciner.

Fødselsreguleringsvaksiner er nå utviklet ved hjelp av HCG (Human Chorionic Gonadotrophin) hormon. Vaksinen fremkaller antistoffer mot både tetanus og svangerskapshormon HCG. Dette har vesentlig redusert virkningen av stivkrampe, noe som er en viktig årsak til natal dødsfall i India på grunn av uhygieniske forhold spesielt i landdistrikter.

Genetisk rådgivning:

Denne søknaden har skjedd opp på grunn av økende bevissthet blant mennesker som vil at barna skal være fri for medfødte sykdommer. En genetisk rådgiver forteller pasienten om konsekvensene av en bestemt genetisk defekt.

Underkastelse av fostervann til forskjellige tester kan undersøke disse medfødte lidelser, og de oppnådde resultatene kunne diskuteres med pasienten. Dette vil tillate potensielle foreldre å tenke over feilen i fosteret i god tid.

Pre-implantering genetisk diagnose:

Pre-implantasjon Genetisk Diagnose (PGD) kom til eksistens, da ved hjelp av assistert reproduktiv teknologi (ART) ble navlestrengs stamceller fra et ennå ufødt (eneste foster) brukt til å kurere en seks år gammel som lider av fanconi anemi. Når fosteret var bare en ball med blastomere-celler, separerte forskere ved det reproduktive genetiske instituttet ved Illinois Masonic Medical Center noen av disse cellene.

Disse cellene ble analysert og ikke bare funnet å være fri for fanconi-anemi-genet, men også kompatible i form av humane leukocytantigener (HLA). Forskerne implanterte resten av ballen av blastomere celler tilbake i mors livmor. Moren fødte et sunt barn. Etter en måneds tid ble hans navlestrengs stamceller infundert i søsteren hans.

Denne prosessen ble gjort mulig takket være en iboende utviklingsprosess kalt "ubestemt spalting". Som alle andre hvirveldyr, kan et åttecellet humant embryo (kjent som pro-embryo) fortsette å utvikle seg selv etter at en eller to celler er fjernet.

I PGD blir embryoer oppnådd for in vitro-fertilisering underkastet mange tester (biopsier). Deretter undersøkes den genetiske sminke grundig, og bare de cellene overføres tilbake til moren, som er fri for genetiske sykdommer. Denne teknikken er en stor hjelp i diagnosen genetiske lidelser.

pharmacogenomics:

Innblandingen av molekylære verktøy i det farmasøytiske domene har gitt et nytt område av Pharmacogenomics. En sammensmelting av farmasøytisk vitenskap og genetikk, farmakogenomikk kombinerer tradisjonelle farmasøytiske fag, inkludert biokjemi, molekylær struktur av genet, og dets oppførsel og funksjon på proteinnivå.

Det innebærer i utgangspunktet studiet av hvordan en persons genetiske sminke påvirker kroppens respons på rusmidler. Dette kommende feltet holder et godt løfte om dagen når det blir mulig å skreddersy medisiner for individuelle pasienter i tråd med deres genetiske arkitektur.

Noen av områdene hvor farmakogenomikk kan spille en viktig rolle er:

Effektive stoffer:

Ved hjelp av molekylære verktøy vil farmasøytiske firmaer kunne utvikle medisiner basert på proteiner, enzymer og RNA-molekyler, som er forbundet med gener og sykdommer. Dette vil hjelpe til med målrettet oppdagelse og levering av medisiner. Levering av slike presisjonsmedikamenter vil ikke bare føre til maksimale terapeutiske anvendelser, men også redusere skade på tilstøtende friske celler.

Effektive vaksiner:

DNA- og RNA-baserte vaksiner vil vise større effektivitetsnivåer. Disse vil ikke bare aktivere individets immunsystem, men vil også bidra til å unngå infeksjonsrisiko. Slike rekombinante vaksiner vil være billige, enkle å lagre, og kan konstrueres for å bære naturlige stammer av et patogen i ett skudd.

Targeting Drug Discovery:

Genommål kan brukes til å utvikle nye terapier. Disse nye stoffene kan prøves på bestemte genetiske befolkningsgrupper. Dette vil også redusere kostnadene og potensiell risiko for kliniske studier ved å målrette bare de pasientene som er i stand til å reagere på et legemiddel.

Sikrere stoffer:

Nå i stedet for å bruke den konvensjonelle prøve- og feilsøkingsmetoden for å matche pasienter med den riktige typen narkotika, vil leger kunne analysere pasientens genetiske sminke og foreskrive en egnet mulig medisinbehandling. Disse nye generasjonsmedisinene vil også øke hastigheten på utvinning.

Sykdom screening:

Informasjon om pasientens genetiske kode, hans oppførsel, livsstil og miljø kan brukes til å advare ham om sykdomsforløpet i god tid. Dette vil lette nøye overvåkning og behandling på et passende stadium for å minimere skaden.

Bestemmelse av legemiddeldosering:

Legene ordinerer vanligvis legemiddeldosering i henhold til pasientens vekt og alder. Dette kan erstattes av doser basert på personens genetikk, dvs. hvor godt kroppen behandler legemidlet og den tiden det tar å metabolisere det. Dette vil øke terapeutisk verdi av stoffet og bidra til å forhindre risikoen for overdosering.

Gene Profiling:

Modem bioteknologiske verktøy har nesten revolusjonert det medisinske feltet. Et slikt verktøy, microarray, har vist seg å være svært fordelaktig. Denne teknikken gjør det mulig å fastslå at molekylære forskjeller mellom de forskjellige gener blir uttrykt.

Det detaljerte molekylære bildet som er oppnådd ved denne teknikken, vil bidra til å designe molekylære medisiner, akkurat som radiografiske avbildningsmetoder med høy oppløsning har bidratt til å behandle sykdommer på anatomiske nivåer. En av de nyere studier som brukte genuttrykk basert på DNA-mikroarrayer, var for molekylær klassifisering av kreft.

Det ble rapportert at profilering hjalp til å skille ut adskilte patologiske stammer, for eksempel akutt myeloid leukemi og akutt lymfoblastisk leukemi, basert på deres karakteristiske genuttrykksmønster. DNA-mikroarrayer har også hjulpet med å avsløre andre nye sykdommer.

Stamceller og deres applikasjoner:

Stamceller er cellene som er i stand til å dele for ubestemt tid i kultur for å gi opphav til spesialiserte celler. Vi vet alle at menneskelig utvikling begynner når en sæd befrukt et egg og skaper en enkelt celle (embryo) som er i stand til å danne en hel organisme.

Embryonale stamceller er cellene, som kan gi opphav til 210 forskjellige typer vev i en menneskekropp. Selv om en enkelt stamcelle kan gi opphav til mer spesialiserte celler, men det kan ikke i seg selv danne hele mennesket. Disse cellene kalles pluripotente celler - da de er i stand til å gi opphav til de fleste av vevene til en organisme.

Som stamceller er i stand til å differensiere til ulike typer vev, kan disse brukes til "cellebehandling". Stamceller kan stimuleres til å utvikle seg til en spesialisert celle og kan dermed tilby muligheten for en fornybar kilde til erstatning av syke / skadede celler og vev.

Det kan kurere mange sykdommer som Parkinsons og Alzheimers sykdommer, slag, brannsår, hjertesykdom, diabetes, slitasjegikt, reumatoid artritt; maligniteter, innfødte stoffskiftefeil og mange flere. For eksempel kan transplanterende sunne hjerte muskelceller gi nye håp til pasienter som lider av hjertesykdom, hvis hjerter ikke lenger kan pumpe tilstrekkelig.

Stamcelleundersøkelser har økt håp om å utvikle hjerte muskelceller fra menneskelige stamceller og transplantere dem til sviktende hjertemuskel for å øke funksjonen til det sviktende hjerte. En annen viktig sykdom er Type I-diabetes, hvor produksjon av insulin ved spesialiserte pankreasceller kalt ølceller er forstyrret.

Studier tyder på at transplantasjon av enten hele bukspyttkjertelen eller isolert øy kan erstatte behovet for insulininjeksjoner. Isletcellelinjer avledet fra stamceller kan brukes til diabetesforskning og til slutt for transplantasjon. Stamcellebiologi har et stort potensial i å redde mange liv.