Bidrag från bioteknik till medicinsk vetenskap

Bidrag från bioteknik till medicinsk vetenskap!

Bioteknik har visat sig vara en välsignelse för medicinsk vetenskap på flera sätt. Var det för att förbättra immuniteten mot sjukdomar eller att ge genetiskt förbättrad behandling för sjukdomar, har bioteknik blivit en oskiljaktig del av den medicinska världen.

I själva verket har utvecklingen av humaninsulin, det första genetiskt manipulerade läkemedlet, markerat början på en extremt framgångsrik era av genetiska tillämpningar inom medicin. Låt oss granska dessa applikationer i detalj.

Detektion av genetiska sjukdomar:

Den effektiva behandlingen av någon sjukdom beror på den korrekta diagnosen. Konventionell medicin erbjuder liten garanti för noggrann detektion, och diagnosen innehåller alltid ett sannolikhetsfaktor. De nya teknikerna för genteknik gör emellertid en noggrann diagnos möjlig genom att lokalisera och analysera enskilda gener i en kedja av tusentals gener genom genprober. Dessa är DNA-segmenten, som matchar och därmed binder med DNA-segmenten av enskilda gener. Deras bindning kan detekteras genom att bara märka dessa DNA-segment.

Sådana sonder används för att identifiera DNA-sekvenser associerade med genetiska sjukdomar. Gener kan nu detekteras för ett varierat antal genetiska förhållanden i små vävnadsprover samlade från patienter eller till och med från embryon genom amniocentes. Dessa DNA-prober kan också användas för att identifiera sjukdomsorganismer och används i test där man kanske inte kan använda antikroppar.

Monoklonala antikroppar och diagnos:

Antikroppar är proteiner som genereras av en kropp för att bekämpa en sjukdom eller en infektion. Dessa antikroppar produceras av vita blodkroppar som ett svar på en sjukdom som orsakar organism eller infektion, vilket kroppen känner igen som främmande.

Antikroppar arbetar genom att binda till dessa främmande ämnen när de cirkulerar i blodet och därmed förhindra att de skadar kroppen. Dessa antikroppar binder med specifikt protein (antigen), vilket har utlöst sin produktion. De kan erhållas från blod från immuniserade djur och så småningom användas för diagnostiska och forskningsändamål.

Antikroppar är av två typer. Polyklonala antikroppar är inte specifika i naturen och kan känna igen många proteiner samtidigt. Monoklonala antikroppar känner igen endast en specifik typ av protein. Antikroppar, särskilt de monoklonala, används nu allmänt för diagnostiska ändamål. Några av de områden där de hittar bredare tillämpning inkluderar graviditetstest, cancer screening och diagnos av viral gastro-enterit, hepatit B, cystisk fibros och sexuellt överförbara sjukdomar som aids.

Terapeutiska droger:

Modem dagvacciner har redan hjälpt till att utrota sjukdomar som små pox och minska exponeringen för polio, tyfus, stelkramp, mässling, hepatit, rotavirus och andra farliga infektioner. Vanliga immuniseringsmetoder går dock dåligt då de riktas mot en viss sjukdom. Genetiskt material, dvs DNA och RNA kan användas för att utveckla förbättrade vacciner.

Den rekombinanta DNA-tekniken underlättar konstruktion och massproduktion av sådana modeller, liksom större stabilitet i lagring. Eftersom dessa vacciner kan konstrueras för att bära gener från olika stammar av patogen kan de dessutom ge immunitet mot flera andra stammar samtidigt.

Tanken att gener skulle kunna användas vid skapande av vacciner uppstod på 1950-60-talet. Initiala studier avslöjade att om genetiskt material levererades till ett djurs cell resulterade det i syntesen av de kodade proteinerna och antikroppar riktade mot dessa proteiner.

Sjukdomskrävande organismer bär antigener på deras yta, vilket utlöser kroppens försvarsmekanism och hjälper sålunda med att kontrollera skadan som orsakas av kroppen. Särskilda celler som finns i hela människokroppen ger antikroppar och antigener.

Dessa celler känner igen formen av en bestämd determinantgrupp av antigenet och producerar specifika antikroppar för att bekämpa inte bara det stora utbudet av mikrobiella invasioner utan också ett obegränsat antal syntetiska kemikalier. Kort sagt kan däggdjurssystemet binda och inaktivera nästan vilken utländsk molekyl som kommer in i systemet.

Vacciner framställs från levande eller döda mikroorganismer som kan introduceras i människokroppen eller djurkroppen för att stimulera deras immunitet. De kan efterlikna smittämnen och hjälpa sedan kroppen att utveckla skyddande immunsvar.

Vid användning i stor skala har vacciner varit en viktig styrka i kontrollen av mikrobiella sjukdomar inom samhällen. Det huvudsakliga målet med vaccinforskningen är att identifiera och karakterisera de enskilda antigenerna av smittsamma medel som kan hjälpa till med att utveckla ett immunsvar.

Poliovaccinet har nästan eliminerat sjukdomen från världen. Vaccinerna för tyfoid, kolera är emellertid fortfarande inte särskilt effektiva och bearbetas. Forskningen handlar också om att utveckla vacciner mot sjukdomar som syfilis, serum hepatit, malaria och många andra. Forskning om vaccination mot hiv görs nu på global nivå. Vacciner för bakteriella och parasitära sjukdomar har också gjort stora framsteg.

Biopharmaceuticals:

Många farmaceutiska produkter är föreningar som härrör antingen från syntetiska kemiska processer eller från naturliga källor som växter och mikroorganismer, eller är kombinationer av båda. Sådana föreningar används för att reglera viktiga kroppsfunktioner och att bekämpa sjukdomsframkallande organismer.

Ansträngningar är nu på att utnyttja människokroppens egna regleringsmolekyler, som normalt finns i mycket små koncentrationer. Begränsade kvantiteter av några av dessa föreningar har historiskt härstammat från kadavers organ eller från blodbanker. Geneteknik erkänns nu som ett praktiskt sätt att generera några av dessa knappa molekyler i större kvantiteter.

Detta involverar införandet av den nödvändiga humana härledda genkonstruktionen i en lämplig värdmikroorganisma som kommer att producera terapeutiskt protein (biofarmakälla) i mängder relaterade till operationsskala. Sådana produkter bär ingen risk för kontaminering från utvinning av kadaver (som degenerativ hjärnsjukdom). Creulzfelt-Jakobs sjukdom har också associerats med administrering av humant hormon från tidig extraktion.

Den framgångsrika utvecklingen av biofarmaceutiska ämnen kräver:

1. Avancerad biokemisk eller biomedicinsk forskning för att identifiera och karakterisera de naturliga föreningarna.

2. Kunnig molekylärbiologi och kloningsteknik för att identifiera relevanta gensekvenser och infoga dem i en däggdjurs- eller mikrobiologisk värd.

3. Bioprocessteknik för att odla organismerna för att isolera, koncentrera och rena de valda föreningarna.

4. Klinisk och marknadsföringskompetens.

Låt oss nu diskutera några av de viktiga biofarmaceutiska ämnen som redan används:

Insulin:

Miljoner människor lider av diabetes på grund av insulinbrist. Dessa patienter måste bero på externt insulinintag. Konventionellt hade det insulin som användes av diabetespatienter extraherats från grisar och nötkreatur. Detta har blivit avbrutet på grund av dess negativa biverkningar. Vi använder nu rekombinant humant insulin, vilket är fritt från någon förorening och har visat sig vara extremt effektiv mot sjukdomen.

somatostatin:

Detta tillväxthormon har varit extremt svårt att isolera från djur. Kloning av den mänskliga genen för somatostatin till bakterie har dock möjliggjort sin storskaliga produktion. Detta har visat sig vara en välsignelse för behandling av hypofysdykfism, som uppstår på grund av bristen på detta hormon.

Interferon-talet:

Interferon är glykoproteiner (proteiner med bifogade sockermolekyler), som antas vara avgörande för att kontrollera många typer av virusinfektioner inklusive förkylning. De hämmar också tillväxten av cancerceller och stimulerar kroppens naturliga immunförsvar mot dem.

År 1957 erkände två brittiska forskare dessa interferon som substanser som produceras i kroppen som kan göra cellerna resistenta mot virusattacker. Skarpheten hos dessa föreningar har emellertid konsekvent hindrat insatserna för att förstå omfattningen av deras effektivitet. Av sena användning av modemtekniker har vi kunnat producera interferonmolekyler, vilka har en roll vid kontroll av olika infektioner.

lymfokiner:

Dessa är proteiner som produceras av lymfocyter (en del av kroppens immunsystem) och anses vara viktiga för immunreaktioner. De har förmågan att förbättra och återställa immunförsvarets förmåga att bekämpa infektioner, sjukdomar och cancer. Interlukin-2 är den vanligaste lymfokinen som produceras genom genteknik.

Var och en av dessa föreningar har hjälpt forskare att uppnå nya nivåer av realistisk läkemedelsleverans. Rekombinant DNA-teknik har möjliggjort syntes av stora mängder av dessa produkter. Detta molekylärapotek blir ganska framgångsrikt vid produktionen av humana läkemedel i transgena djur också.

Genterapi:

Denna lovande teknik använder gener som läkemedel för att korrigera ärftliga genetiska störningar. Med genterapi kan en felaktig eller saknad gen ersättas för att korrigera genetisk orsak till en sjukdom. Detta görs genom att bestämma den normala genens funktion i humana celler, vilken typ av protein det instruerar cellen att producera och nivån, kvantiteten och tiden för proteinbildning. Detta kan ytterligare indikera om rätt protein bildas vid rätt tidpunkt eller plats och hur man motverkar effekterna av eventuella fel.

Genterapi är av två typer: Germ Cell Gene Therapy och Somatic Cell Gene Therapy. I Germ Cell Therapy är förändringar riktade mot den individuella genetiska sminken och kan vidarebefordras till avkomman. I den Somatic Cell Gen Therapy å andra sidan introduceras funktionella gener i kroppsceller som saknar dem. Effekterna av terapin överförs inte till nästa generation.

Det klassiska fallet med den tidigaste godkända genterapin var den för en fyra år gammal Ashanti DeSilva, som föddes med en sällsynt genetisk sjukdom som kallades svår kombinerad immunbrist (SCID). Ashanti hade ett svagt immunförsvar som gjorde henne sårbar för alla övergående bakterier. Barn som är födda med denna sjukdom utvecklar vanligtvis överväldigande infektioner och överlever sällan för att se vuxen ålder.

Ashanti var också tvungen att leda en klostret existens, för att undvika kontakt med människor utanför hennes familj, begränsad till den sterila miljön i hennes hus, och kämpa med frekventa sjukdomar med massiva mängder antibiotika. Via genterapi tog läkare bort de vita blodkropparna från kroppen och lät dem växa i labbet.

Dessa celler återinfördes sedan med den saknade genen och de genetiskt modifierade blodcellerna infuerades tillbaka i patientens blodomlopp. Laboratorietester visade att terapin förstärkte märkbart Ashanti immunsystem, och hon leder nu ett normalt liv.

Huvuddelen av genterapi är att korrigera engengenfel som cystisk fibros och hemofili, för vilken ingen effektiv botemedel finns tillgänglig ännu. Den effektiva tillämpningen av denna terapi kommer dock att kräva en djup förståelse för den mekanism, genom vilken den defekta (ovanliga) genen utövar sin effekt på individen.

En annan intressant tillämpning av genterapi framträder inom området ögonsjukdomar som diabetisk retinopati. Initiala studier tyder på att genterapi kan skydda diabetespatienter från nedsatt syn på grund av överväxt och läckage av blodkärl.

DNA fingeravtryck:

Utvecklingen av DNA-fingeravtrycksteknik har visat sig vara mycket betydelsefull när man identifierar brottslingar och etablerar föräldraskap. Den grundläggande principen för denna teknik är baserad på det faktum att ingen två individer kan ha samma genetiska komposition.

DNA-fragmenten av den ifrågavarande personen kan tas från ett vävnads- eller blodprov med användning av ett restriktionsenzym. Detta fragment kan sedan studeras för att fastställa den exakta genetiska sammansättningen hos individen. Denna teknik erbjuder en sådan hög grad av polymorfism att möjligheten för två personer som har samma DNA-egenskaper är mycket avlägsen.

Prenatal diagnos av ärftliga sjukdomar:

Molekylär genetik har betydande tillämpning vid förebyggande diagnos av ärftliga störningar som hemoglobinopatier. Tekniken för att analysera DNA för att diagnostisera sicklecellanemi från fostervätskecellerna t ex utarbetades 1978.

Tissue Regeneration:

Hudtransplantation:

Hud är förmodligen en av de enda organen som syntetiseras artificiellt från cellodling och används för ympning när den är allvarligt skadad. Hudceller (keratinocyter) utgör nittio procent av hudens epidermis. Spridningen av dessa celler underlättas av fibroblaster närvarande i hudens hudskikt.

Fibroblaster är användbara för odling av hudceller. Dessa fibroblastceller, kallade 3T3-celler, används tillsammans med de nödvändiga kemikalierna och stamcellerna. Emellertid prolifererar endast omkring en till tio procent av epidermala cellerna. Sub-odling till fräsch media berättar ytterligare tillväxt av dessa celler.

Hudtransplantation möjliggör snabb återhämtning och normalisering av skadad hud. Regenererade keratinocyter har också använts för att bota ett antal andra sjukdomar. Hudsår kan till exempel avlägsnas med odlad hud, och odlade orala keratinocyter kan användas för att regenerera munstyckets epitel.

Odlade urinrörkeratinocyter har använts för att reparera medfödda penilefel. Kroniska sår har också behandlats med framgångsrika culmred grafts, och allografier (hud från en annan individ) har lyckats med att härda dessa sår.

Fertilitetskontroll:

Indiska forskare har framgångsrikt utvecklat droger som Centchroman för antifertility (preventivmedel), som har visat utmärkt resultat utan några biverkningar. Immunologiska metoder har också använts för att utveckla vacciner mot fruktbarhet.

Födelsekontrollvacciner har nu utvecklats med användning av HCG (Human Chorionic Gonadotrophin) hormon. Vaccinet framkallar antikroppar mot både tetanus och graviditetshormon HCG. Detta har väsentligt minskat effekten av tetanus, vilket är en viktig orsak till dödsfall i Indien i Indien på grund av ohygieniska förhållanden, särskilt inom landsbygden.

Genetisk rådgivning:

Denna ansökan har skurit upp på grund av ökad medvetenhet bland personer som vill att deras barn ska vara fria från medfödda sjukdomar. En genetisk rådgivare berättar för patienten om konsekvenserna av en viss genetisk defekt.

Underkastande av fostervätska för olika test kan undersöka dessa medfödda störningar och de erhållna resultaten kunde diskuteras med patienten. Detta kommer att göra det möjligt för potentiella föräldrar att tänka över bristen i fostret i god tid.

Pre-implantation genetisk diagnos:

Pre-implantation Genetic Diagnosis (PGD) kom till existens, när genom hjälpmedlet Reproductive Technology (ART) navelsträngsstamcellerna från ett ännu ofödat (enda foster) användes för att bota ett sexårigt lidande av fanconianemi. När fostret bara var en boll av blastomere celler, separerade forskare vid Reproductive Genetic Institute vid Illinois Masonic Medical Center några av dessa celler.

Dessa celler analyserades och befanns inte bara vara fria från fanconianemi-genen utan också kompatibla i termer av humana leukocytantigener (HLA). Forskarna implanterade resten av bollen av blastomere celler tillbaka i moderns livmoder. Mamman födde ett friskt barn. Efter en månads tid var hans stamceller från navelsträngen infunderad i sin syster.

Denna process var möjlig tack vare en inneboende utvecklingsprocess som kallades "obestämd klyvning". Liksom alla andra ryggradsdjur kan ett åtta-celligt mänskligt embryo (känt som pro-embryo) fortsätta att utvecklas även efter att en eller två celler har tagits bort.

I PGD utsätts embryon erhållna för in vitro-fertilisering många test (biopsier). Därefter granskas den genetiska sminken grundligt, och endast de cellerna överförs tillbaka till moderen, som är fria från genetiska sjukdomar. Denna teknik är en stor hjälp vid diagnosen genetiska störningar.

Pharmacogenomics:

Inblandningen av molekylära verktyg i den farmaceutiska domänen har fött ett nytt område av Pharmacogenomics. En sammanslagning av farmaceutisk vetenskap och genetik, farmakogenomik kombinerar traditionella farmaceutiska vetenskaper inklusive biokemi, genens molekylstruktur och dess beteende och funktion på proteinnivå.

Det handlar i princip om hur en persons genetiska smink påverkar kroppens svar på droger. Detta kommande fält har ett stort löfte om dagen då det blir möjligt att skräddarsy droger för enskilda patienter i enlighet med deras genetiska arkitektur.

Några av de områden där farmakogenomik kan spela en viktig roll är:

Effektiva droger:

Med hjälp av molekylära verktyg kommer läkemedelsföretag att kunna utveckla läkemedel baserade på proteiner, enzymer och RNA-molekyler, vilka är associerade med gener och sjukdomar. Detta kommer att bidra till riktade läkemedelsupptäckt och leverans. Leveransen av sådana läkemedel med hög precision kommer inte bara att leda till maximala terapeutiska tillämpningar utan också minska skador på angränsande friska celler.

Effektiva vacciner:

DNA- och RNA-baserade vacciner visar högre effektivitetsnivåer. Dessa kommer inte bara att aktivera individens immunförsvar, men kommer också att bidra till att undvika risk för infektion. Sådana rekombinanta vacciner kommer att vara billiga, lätta att lagra och kan konstrueras för att ha naturliga stammar av en patogen i ett skott.

Targeting Drug Discovery:

Genomålen kan användas för att utveckla nya terapier. Dessa nya droger kan provas på specifika genetiska befolkningsgrupper. Detta kommer också att minska kostnaden och den potentiella risken för kliniska prövningar genom att endast rikta de patienter som kan reagera på ett läkemedel.

Säkrare droger:

Nu istället för att använda den konventionella testmetoden för att matcha patienter med rätt typ av droger, kommer läkare att kunna analysera en patients genetiska smink och förskriva en lämplig möjlig läkemedelsterapi. Dessa nya generationsdroger kommer också att öka återhämtningshastigheten.

Sjukdomsscreening:

Information om patientens genetiska kod, hans beteende, livsstil och miljö kan användas för att varna honom om förekomsten av sjukdom i god tid. Detta kommer att underlätta noggrann övervakning och behandling i ett lämpligt skede för att minimera skadorna.

Bestämning av läkemedelsdosering:

Läkare ordinerar vanligtvis dosdosering enligt patientens vikt och ålder. Detta kan ersättas av doser baserat på människans genetik, dvs hur bra kroppen behandlar medicinen och den tid det tar att metabolisera det. Detta kommer att förbättra läkemedlets terapeutiska värde och bidra till att förhindra risken för överdosering.

Genprofilering:

Modembiotekniska verktyg har praktiskt taget revolutionerat det medicinska området. Ett sådant verktyg, microarrayen, har visat sig vara exceptionellt fördelaktigt. Denna teknik gör det möjligt att fastställa de molekylära skillnaderna mellan de olika generna som uttrycks.

Den detaljerade molekylbilden som erhålls genom denna teknik kommer att bidra till att utforma molekylära läkemedel, precis som högupplösta radiografiska bildningsmetoder har hjälpt till att behandla sjukdomar på anatomiska nivåer. En av de senaste studierna med användning av genuttryck baserat på DNA-mikroarrayer var för molekylär klassificering av cancer.

Det rapporterades att profileringen hjälpte till att skilja separata patologiska stammar, såsom akut myeloid leukemi och akut lymfoblastisk leukemi, baserat på deras distinkta genuttrycksmönster. DNA-mikroarrayer har också hjälpt till att avslöja andra nya sjukdomar.

Stamceller och deras tillämpningar:

Stamceller är cellerna som kan dela i obestämda perioder i odling för att ge upphov till specialiserade celler. Vi vet alla att mänsklig utveckling börjar när en sperm befruktar ett ägg och skapar en enda cell (embryo) som kan bilda en hel organism.

Embryonala stamceller är cellerna, vilket kan ge upphov till 210 olika typer av vävnader i en mänsklig kropp. Även om en enda stamcell kan ge upphov till mer specialiserade celler, men det kan inte i sig själv utgöra hela människan. Dessa celler kallas pluripotenta celler - eftersom de kan ge upphov till de flesta vävnaderna hos en organism.

Eftersom stamceller kan differentiera i olika typer av vävnader, kan dessa användas för "cellterapi". Stamceller kan stimuleras att utvecklas till en specialiserad cell och kan därmed erbjuda möjligheten till en förnybar källa till ersättning av sjuka / skadade celler och vävnader.

Det kan bota många sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers sjukdomar, stroke, brännskador, hjärtsjukdomar, diabetes, artros, reumatoid artrit maligniteter, inborna metabolismfel och många fler. Till exempel kan transplantation av friska hjärtmuskulärceller ge nya förhoppningar för patienter som lider av hjärtsjukdom, vars hjärtan inte längre kan pumpa tillräckligt.

Stamcellstudier har ökat hoppet på att utveckla hjärtmuskelceller från mänskliga stamceller och transplantera dem till sviktande hjärtmuskler för att öka det sviktande hjärtan. En annan viktig sjukdom är typ I-diabetes, där produktionen av insulin genom specialiserade pankreatiska celler som kallas ölceller störs.

Studier tyder på att transplantation av antingen hela bukspottkörteln eller isolerade holmen skulle kunna ersätta behovet av insulininjektioner. Isletcellinjer härrörande från stamceller kan användas för diabetesforskning och så småningom för transplantation. Stamcellsbiologi har stor potential för att rädda många liv.