Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



СІМЕЙНІ ЛІКАРІ ТА ТЕРАПЕВТИ

НЕВРОЛОГИ, НЕЙРОХІРУРГИ, ЛІКАРІ ЗАГАЛЬНОЇ ПРАКТИКИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

КАРДІОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, РЕВМАТОЛОГИ, НЕВРОЛОГИ, ЕНДОКРИНОЛОГИ

СТОМАТОЛОГИ

ІНФЕКЦІОНІСТИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, ГАСТРОЕНТЕРОЛОГИ, ГЕПАТОЛОГИ

ТРАВМАТОЛОГИ

ОНКОЛОГИ, (ОНКО-ГЕМАТОЛОГИ, ХІМІОТЕРАПЕВТИ, МАМОЛОГИ, ОНКО-ХІРУРГИ)

ЕНДОКРИНОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, КАРДІОЛОГИ ТА ІНШІ СПЕЦІАЛІСТИ

ПЕДІАТРИ ТА СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

АНЕСТЕЗІОЛОГИ, ХІРУРГИ

"News of medicine and pharmacy" 3 (566) 2016

Back to issue

Перспективи розвитку біомедицини на основі NBIC-технологій в країнах світу і Україні

Authors: Кутько І.І. - д.м.н., професор, академік Академії наук вищої освіти України, академік Нью-Йоркської академії наук, заслужений діяч науки і техніки України, завідуючий науковим відділом ДУ «Науково-практичний медичний реабілітаційно-діагностичний центр» МОЗ України, лауреат конкурсу імені академіка АН УРСР В.П. Протопопова; Матюшенко І.Ю. - к.т.н., професор кафедри міжнародних економічних відносин ХНУ ім. В.Н. Каразіна, завідуючий лабораторією розвитку NBIC-технологій і форсайтних досліджень НДЦ ІПР НАН України, лауреат премії ім. М.І. Туган-Барановського НАН України за кращі наукові роботи в галузі економіки 2014 року

Sections: News

print version

Статья опубликована на с. 16-19 (Укр.)

 


На початку другого десятиліття XXI століття конвергентні NBIC-технології стають усе більш реальним інструментом, за допомогою якого людство сподівається досягти цілей і розв’язати глобальні проблеми, що стоять перед ним. Так само як нанотехнології, інформаційно-комунікаційні і когнітивні технології, біотехнології у світовому науковому співтоваристві зараховують до глобальних технологій, оскільки вони охоплюють широкий спектр наукових дисциплін, секторів економіки і поширюються на величезні території нашої планети. Багато відомих і авторитетних учених і фахівців вважають, що в ХХІ столітті біоекономіка поряд із наноекономікою та інформаційно-когнітивною економікою буде відігравати вирішальну роль в розробці і використанні високих технологій на національному і глобальному рівнях [1].


Біомедицина як один із напрямків використання конвергенції NBIC-технологій, за різними оцінками, призведе до найбільш радикальних проривних досягнень у цій галузі інновацій. Як очікується, у ХХІ столітті досягнення нано- і біотехнологій створять нові методи в терапії і потенційні передумови до збільшення фізичних можливостей людини.

Перспективи застосування біотехнологій у медицині і фармацевтиці розвинутих країн світу

Біотехнологічна революція фактично розпочалася з останнього десятиліття ХХ століття і викликала потужну хвилю виробництва інноваційних продуктів і послуг у медицині, сільському господарстві, промисловості, електроніці, енергетиці, тобто практично у більшості секторів світової економіки. На початку ХХІ століття в Європейському Союзі (ЄС) була розроблена «Стратегія для Європи: науки про життя і біотехнологія», що стала основою для країн ЕС при розробці їх національних політик в галузі біотехнологій [1, 2]. В цій доповіді було визнано, що після інформаційної революції і розвитку інформаційно-комунікаційних технологій (ІКТ) другою інноваційною хвилею розвитку стали біотехнології і науки про життя.
Організація з економічного співробітництва і розвитку (ОЕСР) дає сьогодні два визначення біотехнологій: просте визначення і більш широке, що спирається на список біотехнологічного застосування або «списочне визначення» біотехнологічної техніки. У простому розумінні біотехнології — це сукупність фундаментальних і прикладних досліджень, а також інженерних рішень, спрямованих на використання біологічних об’єктів, систем або процесів у промислових масштабах. У більш широкому визначенні експертами ОЕСР запропоновано список сучасних конвергентних біотехнологій, що застосовуються у медицині, фармацевтичній і біотехнологічній промисловості, біоенергетиці і сільському господарстві та ін. [3, 4]:
- ДНК/РНК: геноміка; фармакогеноміка; генні датчики або генні детектори; DNA/RNA-секвенування/синтез і ампліфікація (визначення первинної структури макромолекул; посилення процесу копіювання ДНК/РНК, генетично виражене профілювання та ін.);
- протеїни та інші молекули: секвенування/синтез і конструювання протеїнів і пептидів, включаючи великі гормональні молекули; покращена система доставки лікарських препаратів у конкретні точки організму на основі великих молекул; протеоміка; ізолювання і очищення протеїнів, сигналізація та ідентифікація клітинних рецепторів;
- клітинні і тканинні культури та їх конструювання: ферментація, що використовує біоректори; біопроцеси; біовилуження; пом’якшення деревини за допомогою дереворуйнуючих грибків; біодесульфатизація; біологічне очищення заражених органічними відходами ґрунтів за допомогою грибків; біофільтрація та ін.);
- гени і РНК-вектори: генна терапія, вірусні вектори;
- біоінформатика: конструювання баз даних геномів; протеїнового секвенування; моделювання складних біологічних процесів, включаючи системну біологію;
- нанобіотехнології: інструменти і процеси, що використовують нано- і мікротехнології з метою створення обладнання для вивчення біосистем і використання в системах доставки лікарських препаратів в організм, діагностиці тощо.
На основі широкого визначення біотехнологій ОЕСР розробила концептуальну модель біотехнологічних показників і статистичних індикаторів, яка охоплює широкий спектр науково-технологічної та інноваційної діяльності і може бути використана при визначенні «змісту біосуспільства», формування національної і глобальної інноваційної біополітики і біостратегій розвитку. В той же час різниця між фармацевтичною індустрією і сучасною промисловою біотехнологією полягає у практичній сфері: фармація виробляє порівняно низькомолекулярні ліки, а біотехнології — більш великі біомолекули, такі як функціональні білки й антитіла. Прикладами біотехнологічних продуктів сьогодні є білок еритропоетин (стимулює створення еритроцитів), рекомбінантний людський інсулін, людський інтерферон, людський і тваринний гормони росту, терапевтичні антитіла тощо.
Перспективи інновацій в галузі біотехнологій і живих систем були розглянуті ОЕСР у 2007–2008 рр. у рамках Програми міжнародного майбутнього IFP (International Futures Program) [5]. Одночасно ОЕСР було реалізовано проект «Біоекономіка 2030» як найважливіший елемент NBIC-революції [6].
На думку експертів ОЕСР, біоекономіка до 2030 р. буде спиратися:
- на повне пізнання генної структури і клітинних процесів в організмі людини;
- виробництво поновлювальної біомаси для сільського господарства і біоенергетики;
- комплексне та інтегральне застосування біотехнологій в різних секторах економіки, зокрема у сільському господарстві та енергетиці, що буде суттєво впливати на екологію планети і глобальний клімат.
Сьогодні відбувається революція в медицині з точки зору уявлень про етіологію, патогенез і лікування хвороб людини, що пов’язано з досягненнями в галузі молекулярної біології і генетики, молекулярної медицини і фармакології. До основних тенденцій практичної реалізації фундаментальних розробок у цих галузях належать [7, с. 11-12]:
- розвиток персоналізованої медицини, пов’язаної з розвитком унікальних високотехнологічних видів діагностики і лікування. Саме вона стає основою профілактики і лікування найбільш поширених інфекційних і хронічних неінфекційних захворювань людини, в тому числі серцево-судинних, онкологічних, нейродегенеративних захворювань, захворювань обміну речовин. Перевага генної діагностики полягає в тому, що вона дає змогу виявити схильність до розвитку того чи іншого захворювання задовго до його клінічних проявів, а також сформувати план профілактичних заходів, що запобігають його розвитку і полегшують його перебіг, з урахуванням індивідуальних властивостей організму пацієнта;
- віддзеркаленням функціонування геному кожного конкретного пацієнта є постгеномні події, пов’язані з синтезом численних білків, дослідженню якого сьогодні приділяється особлива увага в рамках протеоміки;
- створення оригінальних фармакологічних засобів на основі новітніх наукових досліджень в галузі молекулярної біології і медицини, дія яких враховує індивідуальну чутливість до ліків і яку вивчає фармакогеноміка. Багато фармакогенетичних феноменів, які спостерігаються під час застосування лікарських препаратів, відбиваються в фармакокінетичних процесах;
- розробка і створення інноваційних лікарських препаратів передбачає розвиток фармацевтичних досліджень на основі нових біоаналітичних технологій, які дозволяють суттєво підвищити ефективність доставки лікарської речовини до місця її дії, збільшити безпечність застосування ліків пацієнтами;
- створення нових лікарських форм із застосуванням нанотехнологій;
- побудова алгоритмів і методів аналізу, створення баз даних, що дозволяють з’ясовувати механізм функціонування біологічних текстів, розробляти цілеспрямовані фармакологічні впливи, чим і займається біоінформатика.
Сучасні методи дослідження неможливі без міждисциплінарного підходу, що забезпечує поєднання технологій різних наукових дисциплін, наприклад: біотехнології, біохімії, біомедицини, біофізики, біостатистики, біоінформатики [8]. До таких міждисциплінарних досліджень належить створення сучасних медичних нанотехнологій, основні напрямки розвитку яких наведено у табл. 1 [9, с. 102-103].
Отже, до головних напрямів використання нанобіоматеріалів у медицині слід зарахувати: медичний інструмент, терапію та діагностику захворювань, імплантацію, тканинну інженерію, мікроелектроніку (нанокомпоненти мікроелектронно-механічних систем, МЕМС); адсорбцію токсинів і виведення їх з організму; біоінструментарій, діагностику (наносенсори, детекція наночастинок у біоб’єктах) [10, с. 78].
У табл. 2 подано три основних сегменти ринку відповідно до галузі застосування [11, с. 55].
До сектора ринку нанопродуктів «Наномедицина і біотехнологія» належать лікарські препарати, методи медичних досліджень і прилади для клінічної діагностики, продукти кінцевого споживання (косметичні засоби і харчові добавки), а також продукти харчування і напої, при створенні яких застосовуються наноматеріали та/або нанотехнології.
Цілком зрозуміло, що наноматеріали створюються і реалізуються виробниками кінцевої продукції в усіх індустріальних секторах економіки. У табл. 3 наведені приклади використання наноматеріалів, що вже сьогодні знаходяться у комерційному виробництві і представлені на ринку [11, с. 68-71].
У табл. 4 подано прогноз виходу на стадію комерційного застосування наноматеріалів, що знаходяться у стадії розробки, по секторах наноіндустрії в період 2012–2017 рр. [11, с. 73-81]. У табл. 5 наведене можливі застосування наночастинок [12, с. 54-56].
До основних проявів конвергенції NBIC-технологій в медицині і перспектив їх розвитку до 2020 і 2030 рр. слід віднести [8, с. 79-94]:
1. Рекомбінантні ДНК (рДНК)
Найбільших успіхів медична біотехнологія досягла в галузі рекомбінантних ДНК (рДНК), технологія яких дозволяє вбудовувати гени, що кодують людські білки, в геном клітин, дріжджів і ссавців. Як наслідок, з’являється можливість індукувати клітини-реципієнти виробляти необхідний білок [11, с. 214].
Термін «синтетична біологія» вперше був введений в США в 1980 р., коли була проведена генна інженерія бактерій з використанням технології рДНК. Подальший розвиток синтетична біологія одержала в такому явищі, як біоінжиніринг, який включає також збирання природних біологічних систем і частинок у штучних системах. Отже, синтетична біологія — це міждисциплінарна галузь досліджень високого рівня, що включає синтез складних біологічних і біологічно інспірованих систем, які мають функції, відсутні в природі, в тому числі й у людини. Основна ідея синтетичної біології — проектування, конструювання й інжиніринг біологічних систем і обладнання, спроможних обробляти інформацію, створювати матеріали і відповідні структури, генерувати енергію, підтримувати або посилювати фізичне здоров’я людини тощо. В перспективі інжиніринг синтетичних біологічних систем буде реалізовуватися на різних рівнях, починаючи з клітин, тканин і закінчуючи синтетичними організмами, з використанням можливостей нанотехнологій. Синтетична біологія спрямована на перепроектування існуючих у природі біологічних систем і органів для використання їх в організмі людини [8, с. 81].
У синтетичній біології найбільш яскраво проявляється конвергенція NBIC-технологій, оскільки дослідження у цій галузі проводяться спільно з інженерами, технологами промислового виробництва, вченими у галузі молекулярної біології, органічної хімії, інформатики, нанобіотехнологій тощо. Наприклад, біологічні елементи трансформуються в мікромашини, створюючи штучні біосистеми, які імітують характеристики живих систем (такі технології одержали назву біоміметика). Ще одним із напрямків досліджень в галузі синтетичної біології є формування такої галузі генної інженерії, яка б дозволила перейти від клітинного рівня до створення крупних штучних біосистем, використовуючи ті самі методи, що застосовуються під час будування мостів, комп’ютерів і будівель [12].
В табл. 6 наведено приклади терапевтичних продуктів рДНК, які сьогодні доступні для клінічного застосування [11, с. 215-216].
В табл. 7 підсумовані варіанти синтезу людських білків з використанням рДНК, включаючи як варіанти, що застосовуються сьогодні, так і варіанти, що знаходяться у розробці [11, с. 216-217].
Зацікавленість розвинених країн до синтетичної біології як напрямку конвергенції NBIC-технологій постійно зростає. Так, у США створено Науково-дослідний центр інжинірингу синтетичної біології SynBERC, який фінансується Національним науковим фондом США NSF і поєднує низку провідних науково-дослідних університетів. Наприклад, в Массачусетському технологічному інституті проводяться дослідження таких пристроїв, як біологічні осцилятори і лічильники, бактеріальні перемикачі, а також фоточутливих бактеріальних біоплівок та інших матеріалів, обладнання, що реалізує принципи синтетичної біології [13]. Крім того, дослідження в галузі синтетичної біології підтримуються в ЄС у рамках програми NEST (New and Emerging Sciences and Technologies) і проекту SYNBIOSAFE, який було розпочато у 2007 р. [8, с. 82].
Національна рада США з питань розвідки (National Intelligence Council), починаючи з 2002 р., фінансує по лінії Національного інституту з досліджень в галузі оборони NDRI (National Defense Research Institute) проведення компанією Rand Corp. досліджень у галузі синергії високих технологій, перш за все нано-, біо- та інформаційно-комунікаційних. В результаті було підготовлено декілька досліджень, що взаємно доповнюють один одного, з перспективних глобальних тенденцій у цій сфері на період до 2010 р., до 2015 р., до 2020 р., до 2025 р. і до 2030 р. [14–18].
Як вважають фахівці Rand Corp., конвергенція NBIC-технологій дозволить значно розширити можливості синтетичної біології у таких напрямках як:
- генетичне профілювання й аналіз ДНК. Нова розроблена апаратура і системні чипи дозволять покращити діагностику захворювань людини залежно від характеру і генетики етнічних груп, можливість розробки лікарських препаратів для конкретного пацієнта, а також буде сприяти створенню біосенсорів. Така апаратура знайде своє застосування в розробці систем безпеки, приладів для поліції з урахуванням внесення на законодавчому рівні необхідних нормативних принципів ідентифікації ДНК конкретних осіб, що, у свою чергу, доповнить існуючі біометричні технології (наприклад, ідентифікацію осіб за сітківкою очей або відбитками пальців). Генетична ідентифікація і біосенсори, розроблені на основі генної інженерії, стануть одним із найважливіших інструментів для правоохоронних органів, а також для медичних працівників при створенні системи моніторингу захворювань і здоров’я населення. В той же час профілювання індивідуальних ДНК створює серйозні проблеми, пов’язані зі збереженням конфіденційності приватного життя людини і можливістю підвищення масштабів моніторингу ДНК. Це, у свою чергу, потребує розробки з боку урядів промислово розвинутих країн перспективної політики у цій галузі, а також проектів національних і міжнародних норм і правил, що регулюватимуть подібні глобальні загрози;
- розвиток технологій геномного декодування і протеоміка, що досліджує функції протеїнів і генів. Завдяки досягненням у біоінформатиці можуть бути розроблені проривні технології при комбінації генетичного кодування і секвенування на основі використання відповідних комп’ютерних програм та інших ІКТ. В той же час у цій галузі досліджень існують значні технічні проблеми, такі як недостатнє знання механізмів генного кодування, генетичної трансдукції (перенесення генетичної ознаки від одного мікроорганізму до іншого), ізомерної модуляції та інших механізмів;
- євгеніка і клонування. Включає дослідження і використання можливостей генної інженерії для «покращення» людини, в тому числі на основі клонування. В той же час такі дослідження неодмінно викликають значні протиріччя і протести цивілізаційного, культурного, морально-етичного і релігійного характеру. Клонування людини стане можливим до 2015–2020 рр. і буде здійснюватися лише в тих частинах світу, де відсутнє відповідне заборонне законодавство;
- генетично модифіковані організми. Виробництво генетично ідентичних організмів на основі клонування буде в основному застосовуватися в генній інженерії для виробництва зернових, у тваринництві і для тварин, які використовуються в наукових цілях. Відомі сьогодні традиційні техніки генного маніпулювання — запилення, селекція та іррадіація — будуть розширені за рахунок введення, виведення і модифікації генів у генетично модифікованих організмах (ГМО). Дослідження в галузі ГМО будуть іти в напрямку покращення смакових якостей харчових товарів, створення ультрапісної м’ясної продукції зі зменшеним вмістом поганих жирів, солей і хімікатів, які негативно впливають на здоров’я людини і викликають значно поширені сьогодні алергічні захворювання. Генетичні модифікації зазнають дерева і рослини для подальшого виробництва з них біопалива і сировини для паперової промисловості. В той же час, оскільки генна модифікація рослин і організмів стає вже звичайною міжнародною практикою, дедалі складніше розрізняти у харчових продуктах генетично модифіковані складові. Окрім біологічної безпеки харчової продукції можливість використання людиною механізмів біологічної модифікації організмів надає стимули військовим для розробки найновішого біологічного озброєння, а також для відповідного захисту від впливу такого озброєння. Отже, виникає ризик, що неконтрольоване створення програм євгеніки або інжинірингу призведе до створення небезпечних для людини і тварин біологічних організмів.
2. Біочипи
Сьогодні в промисловості напівпровідників відбувається поступовий перехід від виробництва чипів на основі кремнію до виробництва біологічних чипів. Однак серійне виробництво біочипів утруднюється внаслідок двох причин: по-перше, біологічні компоненти в електроніці не досягли ще рівня стандартизації для початку масового виробництва; по-друге, все ще існує різна ідеологія у самій біології розробки і виробництва біочипів. Массачусетський технологічний інститут в США вже розробив певний регістр стандартних біологічних елементів, які містять понад 1 тис. біокомпонентів (які назвали «біоцеглинами»). Фактично регістр включає відповідні біоелементи, що класифіковані за принципом того, як це реалізовано в електроніці (наприклад, біоінвертори або біоперетворювачі, біоперемикачі, біолічильники, біопідсилювачі, біокомпоненти дисплеїв тощо). Крім того, вже сьогодні працюють компанії, що займаються біовиробництвом на основі принципів синтетичної біології [8, с. 82].
3. Біологічні запчастини, цивільні і військові екзоскелетони, біогеронтологія
Науково-дослідні роботи в галузі створення «біологічних запчастин» для «ремонту» людського організму мають за мету як заміну різних органів і частин тіла людини, так і посилення його фізичних можливостей і функцій. Серед підходів, що одержали практичну реалізацію, є такі:
- інжиніринг тканин людини і регенеративна медицина пов’язані перш за все зі створенням органічних і штучних тканин, органів і матеріалів для заміни втрачених, лікування хворих або покращення існуючих органів людського тіла, а також із розробкою нанопокриттів для імплантатів і хірургічних інструментів. Експерти Rand Corp. вважають, що «тканинний інжиніринг» — це нова галузь медицини [14–18]. Вже сьогодні такі технології, як вирощування шкіри, використовуються для лікування поранень і опіків; вирощування хрящових тканин — для «ремонту» і заміни уражених хрящових з’єднань у людини знаходяться в США в стадії клінічних досліджень; стає реальністю вирощування функціональних тканин для серцевих м’язів.
Вказані напрямки медицини будуть залежати від створення біосумісних клітинних каркасів, розробки відповідних трансплантатів, багатоклітинних тканин і нових багатофункціональних матеріалів з використанням біотехнологій вирощування штучних тканин і органів для людини. Наприклад, така кераміка, як біоактивне кальцієво-фосфатно-кремнієве скло, гідроксіапатити і кальцієві фосфати можуть слугувати як хімічні матеріали для вирощування кісток та їх регенерації. Біоактивні полімери (наприклад, поліпептиди (штучні білки)) можуть застосовуватись як хірургічні сітки і тампони або як гідрогелі, що стимулюють зростання тканин. Штучні замінники крові можуть змінити принципи і умови її зберігання, збільшити ступінь безпеки від випадкового попадання інфекції через кров тощо. Практично з 2015 р. почнеться виробництво біомедичних структур з урахуванням потреб конкретного хворого. Наприклад, стане поширеною практикою виробництво для конкретних пацієнтів керамічних штучних кісток з метою заміни зламаних або пошкоджених кісток рук, ніг і черепа, із використанням для цього комп’ютерної томографії і можливість швидкого виготовлення прототипів (на нанопринтерах); нейропротезування і протезування органів почуттів: імплантати для заміни сітківки очей і усунення кохлеарних ушкоджень, байпаси для спинного мозку та інших нервових закінчень, штучні комунікаційні і стимулюючі апарати, що зменшують сліпоту і глухоту людини;
- створення різних типів екзоскелетонів або екзоскелетів, що дозволить людині, наприклад, підіймати і переносити на значні відстані важкі вантажі, а також пересуватися під час втрати рухових органів або при їх захворюванні [19]. У доповіді Національної розвідувальної ради США про глобальні посткризові тенденції в період до 2025 р. відзначається: «Технологія збільшення сил людини включає в себе механічні та електронні системи, які доповнюють і забезпечують фізичні здібності людини [17]. Вони включають знімні екзоскелети з механічними рушіями, що пускаються в хід пристроями на стегнах, в ліктьових та інших з’єднаннях. Екзоскелети можуть нагадувати робота-гуманоїда, що вдягнений на тіло, який використовує сенсори, інтерфейси для різних пристроїв, енергосистеми і привідні пристрої-активатори, які відслідковують і реагують на рухи рук і ніг, забезпечуючи носія додатковими можливостями в силі дій і засобах контролю над ними» [20]. Вже сьогодні в Японії і США проведено трансфер деяких технологій екзоскелетонів у промислові фірми, які мають намір їх комерціалізувати і почати масове виробництво. Сьогодні лізинг такого робота коштує 1700 дол. на місяць [21];
- біогеронтологія — займається вивченням «клітинної і молекулярної основи захворювань і процесу старіння організму» і може бути застосована для ідентифікації і лікування захворювань, компенсації втрати можливостей, пов’язаних зі старінням [17]. Підтримуючі технології включають вдосконалення біосенсорів, що в реальному часі здійснюють моніторинг здоров’я людини, одержання інформації про самопочуття, різні впливи на структуру ДНК, специфічні ДНК-ліки, різні механізми, що забезпечують повністю цільову дію ліків» [20]. Всесвітньо відомі дослідження, пов’язані з теломерами (кінцевими ділянками хромосом), які при поділі клітини запобігають пошкодженню геному і впливають на механізм старіння. Американські вчені за визначення структури теломер і виділення цього білка, що відновлює їх структуру (даруючи клітині безсмертя), одержали Нобелівську премію в галузі медицини у 2009 р. Ці відкриття дозволять подовжувати життя людини і скоротити терміни втрати її працездатності. Завдяки відкриттю теломерази з’явилася змога регенерації тканин і доведення їх до більш здорового стану.
4. Стовбурові клітини та їх використання
Використання стовбурових клітин для «біоремонту» людини засновано на їх унікальній властивості — можливості необмеженого самооновлення і відродження інших клітин різних типів. Якщо звичайні клітини діляться не більше 50–80 разів, після чого в них запускається процес апоптозу, то стовбурові клітини можуть ділитись 600 і більше разів. Основа «безсмертя» стовбурових клітин — спроможність виробляти білок теломеразу, що відновлює кінці хромосом. Спроможність породжувати клітини різних типів у різних стовбурових клітин різна. Наприклад, запліднена яйцеклітина має спроможність породити практично всі 350 типів клітинних тканин дорослого організму людини. Розрізняють клітини-попередники, клітинимультипотентні (спроможні диференціюватися у декількох напрямках у межах тканинних похідних одного зародкового листка) плюри-, або поліпотентні (характеризує недиференційовану ембріональну тканину, спроможну реалізовувати декілька варіантів подальшого розвитку в процесі диференціації [22, 23].
Першим кроком у розвитку технології стовбурових клітин було одержання біоматеріалу з ембріональних стовбурових клітин тварин і людини, але ще у 2001 р. в США вперше було визнано таку операцію неетичною, оскільки йшлося про знищення людського життя. Лідери в дослідженні стовбурових клітин — США і Японія, великих успіхів досягли вчені Іспанії, Німеччини і Великобританії, але в цих країнах також було введено низку законодавчих обмежень на подібні розробки. Як прогнозує Rand Corp., до 2020–2030 рр. розширяться дослідження і застосування терапії з використанням стовбурових клітин для збільшення і трансформації мозкових або інших функцій, а також для різних органів людського тіла (наприклад, серця, нирок, печінки і підшлункової залози [16–18].
Альтернативою використання ембріональних стовбурових клітин стають стовбурові клітини, виділені з тканин дорослої людини («дорослі» стовбурові клітини — ДСК), які також можуть застосовуватися для вирощування тканин і навіть органів. Так, ще у 2006 р. група дослідників з Університету Уейк Форест у Північній Кароліні (США) оголосила, що вони мали змогу виростити з таких клітин січові міхури для семи пацієнтів, а протягом 2006–2009 рр. група дослідників з Північно-західного університету в Чикаго (США) здобула стовбурові клітини з кісткового мозку декількох складних пацієнтів, після чого спеціальними хімікатами знищила всі робочі імунні клітини в організмі і підсадила стовбурові клітини назад. Поступово стовбурові клітини породили нове покоління імунних клітин, які не атакували мозок. На початку 2009 р. було оголошено про першу в історії терапію, що викликала покращення здоров’я у пацієнтів із розсіяним склерозом (з групи у 23 особи через три роки після терапії стан 17 покращився і в жодного не відбулося погіршення) [8, с. 86].
Крім того, активно розвивається ксенотрансплантологія — пересадка організму чужорідної тканини, що може певною мірою зняти морально-етичні проблеми використання стовбурових клітин. Наприклад, бабуїни або свині могли б генетично модифікуватися або клонуватися, щоб виробляти відповідні трансплантати для людини. Фахівці Rand Corp. вважають, що подібні технології набудуть поширення лише після 2015 р., оскільки при використанні вказаної технології може виникнути «стрибок ретровірусів» від тварини до людини внаслідок трансплантації. До того ж повинні бути врегульовані морально-етичне питання і проблема патентування подібних трансплантацій [16–18].
5. Самозбирання і виробництво на основі ДНК, конвергентні «розумні» матеріали
Самозбирання з використанням молекул ДНК може реалізовуватися на основі біометичних виробничих систем, що значною мірою копіюють природні схеми і застосовуються на основі «функціоналізації невеликих неорганічних блоків з молекулами ДНК, застосуванням процесів молекулярного розпізнавання ДНК з подальшою зборкою цих блоків у більш подовжені структури» [24]. Самозбирання з використанням ДНК у перспективі призведе до створення біосенсорів або нанолітографічної техніки для формування відповідних біомолекул.
Крім того, відбудеться революція в галузі створення «розумних» матеріалів, обладнання і промислового виробництва. Нові матеріали, створені на основі конвергенції NBIC-технологій, будуть використовуватись для виробництва кінцевої продукції, компонентів і систем, які значно менші, «розумніші», більш функціональні та екологічно чисті, ніж усі існуючі природні і штучні матеріалі. Наприклад, «розумні» наноматеріали будуть являти собою матеріали, що поєднують сенсори з привідними пристроями і комп’ютерами; або це можуть бути також мікро- або нанороботи, створені на основі біоміметики комах або птиць, які будуть використовуватись для визначення шкідливих матеріалів у навколишньому середовищі, аерокосмічних дослідженнях, у безпілотних літальних апаратах тощо. Будуть розроблені відповідні будівельні матеріали для будівель, мостів, доріг, які будуть реагувати на зміну погоди і автоматично здійснювати ремонт тріщин у конструкціях, покриттях тощо. В цілому концепція молекулярного нановиробництва, що реалізує принцип «знизу вверх» (від нано- до макрорівня), може призвести до зміни технологічного укладу економіки, але не раніше 2030 р. [18].
Отже, в медицині і охороні здоров’я біотехнології застосовуються в терапії, діагностиці, фармакогенетиці (розділ генетики, предметом якого є генетично детерміновані реакції організму на лікарські засоби), функціональних продуктах харчування і нутрицевтиках (продуктах харчування з фармакологічними властивостями), а також медичному обладнанні. Деякі біотехнології, наприклад, такі, як біофармацевтика та in vitro-діагностика, вже комерціалізовані і мають вихід на світовий ринок.
Так, наприклад, експериментальна біотерапія з використанням біотехнологій охоплює клітинний інжиніринг, терапевтичну вакцинацію, дослідження в галузі стовбурових клітин, літичних вірусів, генів тощо. Вказані напрямки визначаються ОЕСР як «експериментальні», оскільки вони ще не одержали широкого маркетингового схвалення з боку державних органів країн ОЕСР, які відповідальні за підготовку і прийняття відповідних юридичних рішень в галузі медицини. В той же час саме ці напрямки визначають найпередовіші тренди в галузі медичних біотехнологій, які сьогодні все активніше використовуються біотехнологічними фірмами під час розробки, тестування і виробництва молекулярної фармацевтичної продукції. Наприклад, дослідження і клінічні випробування нових молекулярних препаратів біо-NME (New Molecular Etities) демонструють рівень розвитку біофармацевтики в країнах ОЕСР. Так, у США на сьогодні було здійснено в середньому 56 % тестувань, розроблених в світі біо-NME. В той же час Данія має найвищий рівень біотерапії на душу населення, друге місце посідає Швейцарія, а США за цим показником має третє місце [5, 6].
У країнах ОЕСР і в багатьох інших країнах видатки на охорону здоров’я значно збільшаться до 2030 р. і особливо до 2050 р. Якщо у 2005 р. бюджетні видатки країн ОЕСР на біомедицину становили в середньому 5,7 % ВВП, то до 2050 р. вони можуть досягнути 12,8 % ВВП, а з урахуванням приватного сектора ці видатки будуть ще вищими. В основному це буде пов’язано зі зростаючим використанням в охороні здоров’я високих технологій, зокрема біотехнологій і конвергованих NBIC-технологій. Основне використання нанотехнологій в охороні здоров’я, наприклад, буде пов’язане з виробництвом нанорозмірного обладнання і приладів, які зможуть взаємодіяти з біомолекулами як на поверхні клітин, так і в середині них [4, с. 40].
Таким чином, біомедицина як один із напрямків використання конвергенції NBIC-технологій, за різними оцінками, сприятиме найбільш радикальним проривним досягненням у цій галузі інновацій. Як очікується, у ХХІ столітті досягнення нано- і біотехнологій створять нові методи в терапії і потенційні передумови до збільшення фізичних можливостей людини.
Далі буде


Back to issue