Biotechnologiczna rewolucja w farmacji i medycynie

Dzięki biotechnologii największa rewolucja dokonuje się obecnie w medycynie. Obejmuje ona wszystkie elementy działalności medycznej, począwszy od projektowania i syntezy nowych leków, poprzez rewolucję w diagnostyce, prewencję, aż do wprowadzenia nowych metod leczenia różnych chorób.

Projektowanie nowych leków

Na styku biologii i techniki komputerowej funkcjonuje błyskawicznie rozwijająca się nowa dziedzina nauki - bioinformatyka. Wykorzystując wielkie możliwości obliczeniowe współczesnych komputerów oraz wiedzę dotyczącą struktury i molekularnych oddziaływań cząsteczek (nagromadzoną dzięki prowadzonym przez tysiące naukowców badaniom podstawowym), służy przede wszystkim, ale nie tylko, do projektowania nowych leków. Klasycznym przykładem jest tutaj projektowanie kształtu cząsteczki pasującej do kształtu konkretnego receptora, którego aktywność powinna być zwiększona lub odwrotnie - zahamowana. Po uzyskaniu obiecującego wyniku in silico cząsteczkę liganda syntetyzuje się, a następnie przeprowadza z nią próby biologiczne. Takie podejście do problemu jest znacznie bardziej efektywne niż przeprowadzanie setek prób biologicznych z substancjami naturalnymi, bez wstępnej "obróbki" komputerowej.

Nowe możliwości diagnostyki

Techniki biologii molekularnej przyczyniły się do znacznego postępu w diagnostyce. Dotyczy on przede wszystkim identyfikacji molekularnych przyczyn chorób jedno- i wielogenowych, jak również diagnostyki praktycznej. Do rutynowego użycia wprowadzono oparte na technice łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR) zestawy do oznaczeń kwasów nukleinowych patogennych drobnoustrojów (Amplicor MTB, Amplicor HPV, Roche; TBC-PCR, HPV-PCR, Oligene itd.). W wielu chorobach rutynowo poszukuje się mutacji lub polimorfizmów (odmian genetycznych) w konkretnych genach - służą do tego zarówno zestawy produkowane przez firmy farmaceutyczne, jak i metody opracowane na własny użytek przez konkretne laboratoria. Na przykład w 2004 roku wprowadzono na rynek AmpliChip CYP450 służący do szybkiej oceny dwóch genów biorących udział w degradacji wielu leków.

Powoli w terapii genowej

Powolniejsze i mniej efektywne niż oczekiwano są wyniki leczenia metodami terapii genowej. Terapia genowa in vivo w przybliżeniu polega na wprowadzeniu do organizmu i uaktywnieniu w komórkach docelowych genu kodującego białko, którego funkcjonowanie jest nieprawidłowe lub którego w ogóle brak. Zwykle wiadomo, jaki gen funkcjonuje nieprawidłowo i powinien być do organizmu wprowadzony. Do tej pory nie uporano się jednak z innymi problemami: nie ma optymalnych nośników transgenu, które powinny być obojętne dla zdrowia człowieka i trafiać tylko do tkanki docelowej; w wielu przypadkach kłopoty sprawia specyficzność ekspresji transgenu, który powinien być aktywny tylko w docelowych, ale nie w innych komórkach. Problemy stwarza trwałość transgenu w tkankach - optymalne leczenie powinno polegać na jednorazowym wprowadzeniu transgenu do organizmu; nie uporano się też z uzyskaniem i utrzymaniem odpowiedniego poziomu ekspresji w tkance docelowej.
Pewne nadzieje budzi terapia genowa ex vivo, polegająca na genetycznym zmodyfikowaniu komórek pobranych z organizmu pacjenta, namnożeniu ich w warunkach laboratoryjnych i ponownym podaniu choremu w miejsce docelowe. W terapii takiej, przynajmniej teoretycznie, można również stosować komórki pnia. Rozważa się też stosowanie terapii genowej za pomocą siRNA (Ann. NY Acad. Sci. 2006, 1067: 436-442; Methods Mol. Biol. 2006, 333: 175-200; Methods Mol. Biol. 2006, 333: 201-226; Curr. Med. Chem. 2006, 13: 2299-2307; Curr. Pharm. Des. 2006, 12: 549-556; Pediatr. Clin. North Am. 2006, 53: 621-638; Cell Transplant. 2006, 15 Suppl. 1: S105-S110, Rheumatology (Oxford), 2006, 45: 656-668 itd.).

Nowatorskie szczepionki

Olbrzymie postępy biotechnologii dotyczą natomiast wprowadzania do prewencji i terapii nowych typów leków - biofarmaceutyków. Wielkie nadzieje budzi np. produkcja szczepionek przez rośliny. Celem działań naukowców jest takie zmodyfikowanie genomu niektórych warzyw i owoców, by mogły one wytwarzać białka bakterii lub wirusów, powodujących u ludzi ciężkie choroby. Zjedzenie takiej rośliny powodowałoby wprowadzenie do organizmu immunogennej cząsteczki i w efekcie wytworzenie odporności na drobnoustrój ją posiadający. Możliwość dysponowania takimi ogólnie dostępnymi i niewymagającymi specjalnych warunków przechowywania szczepionkami jest szczególnie istotna w przypadku chorób, którymi zakażamy się bardzo często i bez naszej wiedzy (np. wirusami zapalenia wątroby) oraz dla krajów rozwijających się, gdzie nie ma warunków do przechowywania i transportu szczepionek "tradycyjnych" (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2003, 100: 2209-2214; J. Virol. 2003, 77: 9211-9220; Curr. Gastroenterol. Rep. 2004, 6: 254-260; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2005, 102: 9062-9067; Vaccine, 2006, 24: 3538-3544; Proc. Nutr. Soc. 2006, 65: 198-203 itd.).

Białko, które leczy

Klasyczne leki są małymi cząsteczkami albo oczyszczanymi z produktów naturalnych, albo syntetyzowanymi metodami chemicznymi, a ich celem jest niwelowanie objawów choroby przez oddziaływanie na konkretne białka. Biofarmaceutyki są zwykle dużymi cząsteczkami białkowymi, których celem nie jest działanie objawowe, ale leczenie przyczynowe. Leki te produkowane są przez żywe organizmy, często genetycznie zmodyfikowane tak, by produkcja pożądanego białka była wydajna, by miało ono prawidłową strukturę trzeciorzędową (kluczowy dla działania takiego leku jest jego "kształt", podczas gdy sekwencja - niekoniecznie), by było prawidłowo zmodyfikowane (glikozylowane, acetylowane itd.) oraz by proces oczyszczania nie prowadził do jego zniszczenia. Do produkcji leków białkowych najczęściej wykorzystuje się zmodyfikowane genetycznie bakterie E. coli, drożdże oraz hodowle komórek ssaków - zwykle komórki CHO (Chinese hamster ovary). Leki te dokonały lub dokonują rewolucji w leczeniu wielu chorób.
Postęp w leczeniu rozpoczął się wraz z zapoczątkowaniem masowej produkcji w bakteriach rekombinowanej ludzkiej insuliny (Genentech, 1978), ludzkiego hormonu wzrostu (Genentech, 1979), rekombinowanej ludzkiej erytropoetyny (Amgen, 1989) oraz innych leków białkowych, które przed erą biologii molekularnej i biotechnologii były oczyszczane z narządów zwierzęcych lub ludzkich, a ich stosowanie powodowało reakcje uczuleniowe oraz często prowadziło do zakażania pacjenta różnymi chorobami. Obecnie, oprócz dziesiątków typów ludzkich insulin, zarówno naturalnych, jak i modyfikowanych, na "masową" skalę syntetyzuje się inne hormony białkowe (hormon wzrostu, erytropoetynę), czynniki krzepnięcia, interferony, czynniki wzrostowe oraz inne białka o działaniu terapeutycznym (Bull. Cancer. 2006, 93: E90-E100; Curr. Med. Chem. 2006, 13: 2449-2466; Int. J. Hematol. 2006, 83: 126-138; Curr. Opin. Pharmacol. 2006, 6: 184-189 itd.).
Olbrzymi postęp dokonuje się w celowanym leczeniu choroby nowotworowej. Nowotwory diagnozowane na podstawie objawów i wyników badania histopatologicznego jako identyczne u różnych pacjentów, na poziomie molekularnym są w rzeczywistości bardzo odmienne, a jedynie niektóre ich cechy genetyczne są u tych chorych takie same. Co więcej, powszechnie stosowane leki onkologiczne mają działanie niespecyficzne - oddziałują na komórki dzielące się, nie rozróżniając komórek nowotworowych od komórek zdrowych. W związku z tym celem biotechnologii stało się umożliwienie odróżniania komórek nowotworu i transport leku tylko do nich.
Wydaje się, że w niektórych przypadkach cel taki został osiągnięty. Na przykład po stwierdzeniu w tkankach raka piersi obecności receptora HER2 stosuje się humanizowane monoklonalne przeciwciało blokujące ten receptor - herceptynę (trastuzumab, Genentech). Do obrotu wprowadzono również wiele innych leków działających na podobnych zasadach, np. Avastin (bewacizumab, hamowanie angiogenezy, Genentech), Vectibix (panitumumab, przeciwciało przeciwko receptorowi czynnika wzrostowego EGF zaaprobowane do stosowania w raku okrężnicy, Amgen), Campath (alemtuzumab, humanizowane przeciwciało monoklonalne do terapii przewlekłej białaczki limfatycznej typu B, Genzyme) itd. (Expert Opin. Biol. Ther. 2006 Sept., 6: 905-912; Curr. Protein Pept. Sci. 2006, 7: 165-170; Curr. Pharm. Des. 2006, 12: 363-378; Int. J. Clin. Oncol. 2006, 11: 199-208; Clin. Lung Cancer. 2006, 7 Suppl. 4: S145-S149; Arch. Immunol. Ther. Exp. 2006, 54: 85-101; Clin. Colorectal Cancer 2006, 6: 118-124 itd.).
Postęp notuje się także w leczeniu chorób zapalnych i autoimmunologicznych. W ostatnich latach do obrotu wprowadzono np. leki: Raptiwa (efalizumab, humanizowane przeciwciało monoklonalne wiążące się z receptorem CD11a na powierzchni limfocytów, do stosowania w łuszczycy, Genentech lub Serono), Kineret (anakinra, nieglikozylowany antagonista receptora IL-1, stosowany w reumatoidalnym zapaleniu stawów, Amgen), Enbrel (etanercept, receptor czynnika wzrostu nowotworów TNF-alfa, stosowany w różnych formach zapalenia stawów, Amgen), interferon alfa-1a (Rebif, do stosowania w stwardnieniu rozsianym, Serono lub Avonex, Biogen Idec) itd. (Biotechnol. J. 2006, 1: 47-57; Adv. Ther. 2006, 23: 208-217; J. Cutan Med. Surg. 2006, 9 Suppl 1: 4-9; N. Engl. J. Med. 2006, 355: 704-712, Arch. Immunol. Ther. Exp. 2006, 54: 85-101 itd.).

Leki na etapie koncepcji

Najnowsze badania ukierunkowane są na stworzenie nowych kategorii leków, np. przeciwciał chimerycznych. Do terapii dopuszczono już takie leki, np. MabThera/Rituxan (rituksymab, Roche). Jest to ludzko-mysie przeciwciało monoklonalne wiążące się specyficznie z białkiem CD20 na powierzchni limfocytów B i komórek chłoniaka nieziarniczego (non-Hodgkin's lymphoma), które ?znakuje" komórkę do zniszczenia przez układ odpornościowy i uwrażliwia ją na działanie niektórych form chemioterapii.
Bardzo obiecujące są wyniki badań nad stworzeniem koniugatu przeciwciała z drobnocząsteczkowym lekiem. Ze względu na wielkość przeciwciała, jego działanie ograniczone jest jedynie do oddziaływań z receptorami znajdującymi się na powierzchni komórki. Ideą nowego leczenia jest dostarczenie chemioterapeutyku (lub innego leku drobnocząsteczkowego) przez przeciwciało do komórki docelowej. Następnie koniugat albo uwolni chemioterapeutyk tylko do tejże komórki, albo w całości będzie wchłaniany do jej wnętrza, gdzie przeciwciało ulegnie strawieniu, a lek do niego dołączony po uwolnieniu zniszczy jedynie komórkę docelową. Prace tego typu prowadzi na przykład Seattle Genetics, łącząc przeciwciała anty-CD30 przeciwko cząsteczce ulegającej masywnej nadekspresji na powierzchni komórek białaczkowych typu T i B oraz komórek ziarnicy złośliwej, z aurystatyną (pochodną dolastatyny).
Olbrzymi potencjał terapeutyczny tkwi w praktycznym zastosowaniu naturalnego procesu zachodzącego w żywych komórkach, czyli wyciszaniu aktywności genów przez krótkie fragmenty RNA (RNA interference, RNAi). Za odkrycie tego zjawiska Andrew Fire i Craig Mello otrzymali w październiku br. nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za 2006 rok. Nadzieje związane z tą techniką są tym większe, że jako naśladująca procesy fizjologiczne ma szansę być bardzo skuteczna, a ponadto jest bardzo specyficzna i pozwala hamować ekspresję genów, które do tej pory nie były celem leczenia, albo oddziaływanie na nie metodami dotychczas dostępnymi nie było skuteczne. Badania nad RNAi pozostają na razie na etapie czysto doświadczalnym, mimo to udało się już wykazać skuteczność techniki RNAi w hamowaniu ekspresji genów wirusowych (na przykład wirusów HIV, grypy, brodawczaka, zapalenia wątroby, ospy wietrznej i SARS), genów włączonych w patogenezę chorób neurodegeneracyjnych (choroby Parkinsona, stwardnienia zanikowego bocznego, choroby Alzheimera), nowotworów, chorób zapalnych (reumatoidalnego zapalenia stawów), autoimmunologicznych (cukrzycy typu 1) itd. Należy oczekiwać, że w ciągu najbliższych kilku lat opublikowane zostaną wyniki pierwszych testów klinicznych leków wyprodukowanych przy użyciu tej techniki (Eur. J. Cancer. 2005, 41: 2812-2818; FEBS Lett. 2005, 579: 5974-5981; Biotechniques 2006, Supp.: 25-29; Ann. Rev. Biomed. Eng. 2006, 8: 377-402; Handb. Exp. Pharmacol. 2006, 173: 105-116 itd.).
Rozwój medycyny, do jakiego przyczynia się biotechnologia, jest ogromny. Oprócz niebywałego postępu w diagnostyce, wybitnie zwiększyły się możliwości terapeutyczne. Liczba leków przechodzących obecnie różne etapy badań przedklinicznych oraz klinicznych przekracza kilkunastokrotnie liczbę biofarmaceutyków już dopuszczonych do obrotu. Coraz więcej nadziei budzą nowe formy terapii genowej. Zainteresowanie zarówno naukowców, jak i firm biotechnologicznych rozwijaniem tych dziedzin pozwala przypuszczać, że w ciągu kilku lat leczenie wielu chorób dotychczas uznawanych za nieuleczalne, stanie się możliwe.

To warto wiedzieć
Nowoczesna biotechnologia od lat znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Najpowszechniej wykorzystuje się ją w produkcji żywności, w ochronie środowiska, do konserwacji unikalnego materiału genetycznego, w przemyśle i przede wszystkim w medycynie.
- Celem modyfikacji genetycznych roślin było początkowo zwiększenie wydajności ich produkcji. Osiągano to, czyniąc je opornymi na choroby wirusowe lub działanie herbicydów, wzbogacając ich garnitur genetyczny o geny kodujące ?naturalne pestycydy" albo zmieniając ich wymagania środowiskowe, np. przez uodpornianie ich na niskie temperatury, niedobór wody lub wysokie zasolenie gleby. Jako pierwszy na rynku pojawił się pomidor, który ze względu na mniejszą podatność na gnicie, mógł być długo przechowywany. Niewiele później do użytku wprowadzono genetycznie zmodyfikowane kukurydzę i soję, które obecnie zdominowały uprawy przemysłowe w krajach wysoko rozwiniętych. Obecnie metodami biotechnologii wytwarza się również odpowiedniki substancji, których tradycyjne pozyskiwanie było bardzo pracochłonne i kosztowne, tj. enzymy stosowane w obróbce żywności, aromaty spożywcze lub nieszkodliwe barwniki do pokarmów.
- Innym obszarem ludzkiej działalności, korzystającym ze zdobyczy biotechnologii na wielką skalę, jest ochrona środowiska. Rozpowszechnienie upraw roślin produkujących substancje odstraszające szkodniki prowadzi do znacznego zmniejszenia zużycia pestycydów. Biotechnologia ma duże osiągnięcia w dziedzinie wykorzystywania biomasy do produkcji biogazów i bioalkoholu. Trwają intensywne prace nad wyprodukowaniem plastików ulegających biodegradacji oraz stworzeniem genetycznie modyfikowanych mikroorganizmów mogących rozkładać plastik, a także inne substancje zanieczyszczające wodę i glebę.