Використання біотехнології у фармацевтичній промисловості

Біотехнологія у фармацевтичній промисловості охоплює сукупність технологічних методів й біологічних процесів, які використовують живі організми для виробництва лікарських субстанцій.

Першочерговим завданням біотехнології є опрацювання й впровадження нових методів виробництва саме тих лікарських препаратів, які застосовуються з діагностичною, профілактичною та лікувальною метою: інтерферонів, інсулінів, гормонів, антибіотиків, вакцин, моноклональних антитіл тощо. Це, своєю чергою, дозволить здійснювати ранню діагностику й лікування серцево-судинних, злоякісних, спадкових, інфекційних, у тому числі вірусних захворювань.

За допомогою біотехнологічних процесів одержують велику кількість ферментів медичного призначення. Їх використовують для розчинення тромбів, лікування спадкових захворювань, видалення нежиттєздатних, денатурованих структур, клітинних і тканинних фрагментів, звільнення організму від токсичних речовин. Так, за допомогою тромболітичних ферментів (стрептокінази, урокінази) урятовано життя багатьом хворим із тромбозом кінцівок, легенів, коронарних судин. Протеази в сучасній медицині застосовуються для виведення з організму токсичних продуктів обміну, для лікування опіків.

Останнім часом все більше застосовуються інгібітори ферментів. Інгібітори протеаз, одержані з актиноміцетів (лейпептин, аптипаїн, хімостатин), генно-інженерних штамів E. сoli (еглін) та дріжджів (α-1-антитрипсин) є ефективними засобами лікування септичних процесів, інфаркту міокарда, панкреатитів різної етіології, емфіземи легень. Концентрацію глюкози у крові хворих на діабет можна зменшити використанням інгібіторів кишкових інвертаз і амілаз, відповідальних за перетворення крохмалю й сахарози на глюкозу шляхом гідролізу. Здійснюється пошук інгібіторів ферментів, за допомогою яких патогенні мікроорганізми здатні руйнувати уведені в організм хворого антибіотики.

Методи біотехнології створюють нові можливості у виробництві антибіотиків з високою вибірковою активністю стосовно певних груп мікроорганізмів. Однак антибіотики мають ряд недоліків (токсичність, алергенність, стійкість патогенних мікроорганізмів тощо), які можна істотно зменшити методами хімічної модифікації (пеніциліни, цефалоспорини), мутасинтезу, генної інженерії. Перспективним підходом є інкапсуляція антибіотиків, зокрема, включення їх у ліпосоми, що дозволяє прицільно транспортувати лікарську речовину тільки до певних органів і тканин, а також підвищувати їхню ефективність і знижувати побічну дію. Використання біотехнології у виробництві антибіотиків дозволяє значно скоротити виробничі площі, збільшити обсяг продукції, здійснювати технологічний процес без застосування кислот, лугів і високих температур, скоротити відходи виробництва, зробити його екологічно чистим, поліпшити умови праці персоналу.

За допомогою генної інженерії можна змусити бактерії виробляти інтерферон - білок, що виділяється клітинами людини у низьких концентраціях при потраплянні вірусу в організм. Він підсилює імунітет організму, пригнічує розмноження аномальних клітин (протипухлинна дія), використовується для лікування та профілактики хвороб, викликаних вірусами герпесу, сказу, гепатитів, цитомегаловірусом. Інтерферони застосовуються при лікуванні набутих імунодефіцитних станів. До впровадження методів генної інженерії інтерферони виготовляли з лейкоцитів донорської крові. Технологія була складною й дорогою, оскільки з 1 л крові одержували тільки 1 мг інтерферону (одна доза для ін'єкцій). Нині α -, β - і γ- інтерферони виготовляють із застосуванням штаму Е. соlі, дріжджів, культивованих клітин комах (Drozophila). Очищають їх із застосуванням моноклональних антитіл (клон — сукупність клітин або особин, що походять від загального предка шляхом безстатевого розмноження) або інших способів.

Біотехнологічним методом одержують також інтерлейкіни — порівняно короткі (близько 150 амінокислотних залишків) поліпептиди, що беруть участь в організації імунної відповіді та продукуються в організмі певною групою лейкоцитів (макрофагів) у відповідь на уведення антигену. У медичній практиці інтерлейкіни застосовуються з метою лікування імунних розладів. Інтерлейкін-L є дієвим терапевтичним засобом при онкологічній патології. Шляхом клонування відповідних генів в Е. соlі або культивування лімфоцитів in vitro одержують фактори згортання крові VIII, IX (необхідні для терапії гемофілії), а також фактор росту В-лімфоцитів, фактор активізації макрофагів, активатор тканинного плазміногену.

В останні роки успішно синтезуються пептидні гормони, які раніше одержували з органів і тканин тварин і людини (крові донорів, трупного матеріалу тощо). Для виготовлення невеликих кількостей продукту було потрібно багато сировини. До прикладу, людський гормон росту соматотропін - одержували з гіпофіза людини. Кожний гіпофіз містить не більше 4 мг гормону, а для лікування однієї дитини, що хворіє на карликовість потрібно близько 7 мг соматотропіну на тиждень. Препарат застосовується упродовж декількох років. Оскільки гормон має видову специфічність, він є єдиним засобом терапевтичної допомоги дітей, котрі потерпають від його недостатності. На основі генноінженерного штаму Е. соlі у 1982 році створено бактеріальний гормон, що має більший ефект і забезпечує суттєво нижчу вартість лікування. Окрім того, гормон має властивість регенерувати тканини у людей, що одержали значні опіки й рани, а також регулювати обмін кальцію у кісткових тканинах.

Здійснено біосинтез інсуліну для лікування діабету, на який страждають мільйони хворих в усьому світі. Діабет характеризується вибірковим відмиранням клітин (острівців Лангерганса підшлункової залози), що синтезують цей пептидний гормон. Донедавна інсулін одержували з підшлункової залози бика й свині. Уперше виробництво його освоїла американська компанія "Елі Ліллі" (1922). Підшлункова залоза великої рогатої худоби і свиней, отримана з туш тварин, швидко заморожувалася і у вагонах-рефрижераторах доставлялась на фармацевтичні підприємства, де й проводилася екстракція гормону. Із з 800-1000 кг сировини (підшлункова залоза бика важить 200 – 250 г) одержували 100 г кристалічного інсуліну. У 1935 році, шляхом додавання цинку, був розроблений інсулін пролонгованої дії, а через десять років – нейтральний кристалічний інсулін. У 60-ті роки вдалося розробити методи очищення гормону від глюкагону (антагоніст інсуліну) і соматостатину (пригнічує виділення інсуліну).

Інсулін складається з двох поліпептидних ланцюгів А і В довжиною 20 і 30 амінокислот. Тваринний інсулін відрізняється від людського окремими амінокислотними радикалами, що є причиною виникнення алергійних реакцій, особливо у дітей, хоча за активністю й часом дії вони ідентичні. Широкомасштабне застосування інсуліну в терапії стримувалося його високою вартістю та обмеженістю сировинних ресурсів. Завдяки комплексним багаторічним дослідженням компанією "Елі Ліллі" було створено інсулін на основі роздільного синтезу Е. соli його А- і В-ланцюгів. Це спростило технологічну схему одержання інсуліну (на етапі екстракції й виділення) й суттєво знизило вартість готового продукту. Отриманий таким чином інсулін був ідентичний людському й тому, за умови тривалого застосування, не викликав негативних наслідків: порушень роботи нирок, розладів зору й алергійних реакцій.

Тепер мільйони хворих на цукровий діабет в усьому світі застосовують генно-інженерні людські інсуліни - хумуліни фірми "Елі Ліллі", різної тривалості дії, німецької фірми "Хьост Мерлон Руссель". Відповідно до Комплекс­ної державної програми "Цукровий діабет" (1997), у Києві було уведене в дію сучасне підприємство фармацевтичної галузі ЗАТ "ІНДАР", що здійснює повний цикл виробництва інсуліну - від субстанції до лікарських препа­ратів. Українська фармацевтична продукція (інсуліни людини рекомбінантні, інсуліни людини напівсинтетичні, інсуліни свинячі - усього 28 лікарських препаратів) відповідає вимогам належної виробничої практики (GMP – Good manufacturing practicе) і є конкурентоспроможною на міжнародному ринку.

Для лікування діабету використовується також технологія інкапсуляції, за якою уведені одноразово в організм хворого клітини підшлункової залози продукують інсулін упродовж року. Нині актуальним є питання промислового синтезу олігопептидних гормонів нервової системи - енкефалінів, нейропептидів і ендорфінів. Ці біологічно активні речовини - продукти біотехнології - називають ліками XXI століття. За умови раціонального застосування зазначені пептиди створюють гарний настрій, підвищують працездатність, концентрують увагу, поліпшують пам'ять, упорядковують режим сну. Вони з успіхом можуть використовуватися для лікування ожиріння, порушення процесів травлення, знімають больовий синдром.

Значним є внесок біотехнології у промислове виробництво непептидних гор­монів, насамперед стероїдів. Методи мікробіологічної трансформації дозволили різко скоротити кількість етапів хімічного синтезу кортизону - гормону надниркових залоз, що застосовується для лікування ревматоїдного артриту. При виробництві стероїдних гормонів широко використовують імобілізовані мікробні клітини, наприклад Arlhrobacter globiformis, для синтезу преднізолону й гідрокортизону. Опрацьовані методи одержання гормону щитоподібної залози тироксину з мікроводоростей.

Біологічні технології дозволили досягти вагомих результатів у сфері імунної діагностики. Сучасна імунна діагностика (наприклад, імунофлуоресцентний аналіз тощо) характеризується простотою, високою специфічністю та універсальністю. Окремі діагностикуми дозволяють прогнозувати розвиток патологій задовго до їхніх суб'єктивних проявів. Моноклональні антитіла, отримані шляхом генної інженерії, дозволяють діагностувати вагітність, виявляти схильність до діабету, раку, ревматоїдного артриту, ідентифікувати спадкові захворювання, що супроводжуються втратою певних ферментів або інших білкових компонентів. Моноклональні антитіла, поєднані з токсичними для ракових клітин речовинами, транспортують хіміопрепарат безпосередньо до ураженої зони й не проникають до здорових клітин. У сучасній фармацевтичній промисловості моноклональні антитіла використовуються також для очищення лікарських речовин. Короткі фрагменти ДНК і РНК, що несуть радіоактивну або іншу мітку (ДНК- або РНК-проби), також використовуються для діагностики захворювань (радіоімунні методики).

Сучасні біотехнологічні методи передбачають створення рекомбінантних вакцин, вакцин-антигенів за допомогою методів генної інженерії.

З клітинних технологій в окрему галузь виділено біотехнологію одержання з біомаси культивованих in vitro клітин особливо цінних біологічних речовин для використання у медичній промисловості. Зокрема, якщо раніше лікарською сировиною слугували лише цілі лікарські рослини або їхні частини, то тепер у багатьох випадках — біомаса ізольованих клітин або органів лікарських рослин, що вирощуються у стерильних умовах in vitro. Дослідження з метою створення клітинних штамів, продуцентів лікарської сировини, було розпочато в Інституті молекулярної біології і генетики НАН України ще наприкінці минулого століття. За цей час працівниками відділу генетики клітинних популяцій створено унікальні високопродуктивні штами женьшеню, родіоли рожевої, елеутерококу, полісціасу папоротелистого, тропічних видів раувольфії, у тому числі раувольфії зміїної, арнебії барвної, унгернії Віктора, маку приквітникового, рути запашної та інших видів цінних лікарських рослин. На їхній основі методами клітинної біотехнології створено перший у світі рослинний лікарський препарат «Біоженьшень», у промислових умовах апробовано технологію одержання протиаритмічного алкалоїду аймаліну, розпочато випробування препаратів з антимутагенними та радіопротекторними властивостями. Розробляються технології одержання лікарських препаратів із рослин, які в Україні не ростуть, але широко застосовуються у медичній практиці.