chereshnev vladimir development of biomedical technologies at skolkovo
TRANSCRIPT
В.А. ЧерешневКомитет Государственной Думы по
науке и наукоемким технологиям
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ СТРАТЕГИИ
РАЗВИТИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В СКОЛКОВО
Workshop “Biomedical technologies at Skolkovo.
Opportunities and challenges”
1-2 February, 2011, Moscow
По прогнозам международных экспертов прорывными отраслями VI технологического уклада, вероятно, станут биотехнологии, нанотехнологии, робототехника, новая медицина, новое природопользование
Концепцией долгосрочного социально-экономического развития РФ до 2020 г. биотехнология отнесена к приоритетным направлением развития инновационной экономики в Российской Федерации.
Сегодня биотехнология (в комплексе с фармацевтикой) занимает третье место среди ведущих секторов мировой экономики, уступая только банковскому и нефтегазовому секторам
В мире бум биотехнологий: США, Евросоюз, Япония, Китай и Индия разработали биотехнологические долгосрочные стратегии
Доля Российской Федерации в мировом объеме биотехнологической продукции в настоящее время составляет менее 0,2%, по уровню развития биоиндустрии Россия занимает 70-е место в мире. Для сравнения: доля США сегодня достигает 42%, ЕС – 22%, Китая – 10%, Индии – 2%
Понятно, что разработка инновационного продукта в сфере биотехнологий невозможна без фундаментальных исследований, именно поэтому в передовых странах мира на один из самых наукоемких сегментов биотехнологий - биомедицину расходуется около 50% всех отпускаемых на науку средств. Это вполне объяснимо высокой наукоёмкостью и эффективностью биотехнологического ресурса.
В последние годы российскими учеными получены многочисленные научные результаты мирового уровня в биомедицине: таких центральных областях современной науки, как регуляция работы генов, контроль синтеза белка, протеомика, стволовые клетки и других
Эти фундаментальные исследования стали основой для разработки и подготовки к клиническим испытаниям инновационных технологий диагностики и терапии основных социально значимых болезней: злокачественных опухолей, болезней нервной системы, последствий инсультов, вирусных заболеваний, включая СПИД, инфекционных болезней, в частности, туберкулеза и целого ряда других
Благодаря геномным технологиям удалось разработать подходы к пренатальной (дородовой) диагностике патологий, связанных с мутациями в одном гене, разработать генодиагностику 150 наследственных заболеваний
На основе нанотехнологий налажено производство фуллеренов, фосфолипидных наночастиц, служащих для адресной доставки цитостатиков к опухолям (отечественный гепатопротектор «Фосфоглив»)
ВАЖНЕЙШИЕ СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОМЕДИЦИНЫ
ранняя диагностика заболеваний, в т.ч. выявление наследственной предрасположенности к «обычным» болезням;
определение индивидуальных генетически обусловленных особенностей реакций организма на лекарственные вещества (фармакогеномика);
разработка методов лечения наследственных болезней;
ВАЖНЕЙШИЕ СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОМЕДИЦИНЫ
методы диагностики инфекционных и неинфекционных заболеваний (в частности, с помощью т.н. биочипов);
многократное ускорение разработки новых лекарственных средств за счет компьютерного моделирования, автоматизированного скрининга потенциальных препаратов, применения в преклинических испытаниях кандидатных веществ клеточных культур вместо лабораторных животных;
создание принципиально новых лекарственных препаратов на основе антител, генотерапии, в т.ч. с помощью коротких интерферирующих РНК, и других достижений в области молекулярной биологии и нанотехнологий;
применение методов генной инженерии, в частности, для получения человеческих белков с помощью трансгенных микроорганизмов, растений и животных;
клеточная терапия, тканевая инженерия и разработка методов выращивания органов для трансплантации
ВАЖНЕЙШИЕ СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОМЕДИЦИНЫ
Стартовые позиции Российской Федерации, обусловленные уровнем ее научных достижений и уровнем науки, в целом экспертами оцениваются как высокие
Россия обладает всеми необходимыми предпосылками и потенциалом (наличие биоресурсов и энергоресурсов, пресной воды, научных школ, квалифицированных кадров и т.д.), чтобы войти в число мировых лидеров в области биотехнологии
Необходимо разработать механизмы реализации стратегии развития биотехнологий, фармацевтической индустрии и медицинской промышленности в стране
Требуют решения вопросы развития материально-технической базы и инфраструктуры, государственного финансирования, подготовки и социально-экономической поддержки кадров
Совершенно очевидно, что отбор научных системообразующих проектов, способных качественно изменить ту или иную технологию, может быть осуществлен путем проведения объективной независимой экспертизы
Национальная программа «Развитие биотехнологии в Российской Федерации
на 2006 – 2015 гг.»
Цель: развертывание работ в области теоретической и практической
биотехнологии в России на базе современных инновационных подходов для производства импортозамещающей отечественной биотехнологической продукции
Задачи: формирование и реализация национальных приоритетных проектов в
биотехнологии; разработка теории и методологии фундаментальной биотехнологии; внедрение новейших достижений в сфере геномики, биоинформатики,
нанотехнологий в соответствии с наиболее важными приоритетами (генетический паспорт, биочипы и др.);
создание современных образовательных программ и системы подготовки кадров в области биотехнологии;
реализация целевых практических проектов по медицинской, сельскохозяйственной, пищевой, экологической, промышлен-ной биотехнологии и других направлений с целью обеспечения населения отечественной биотехнологической продукцией;
создание действенной правовой, экономической, информационной и организационной базы для развития биотехнологии
В структуру Программы входят 4 раздела.Раздел 1. Национальные приоритетные проекты.Раздел 2. Федеральные проекты.2.1. Направление «Фундаментальная биотехнология».2.2. Направление «Медицинская биотехнология».2.3. Направление «Сельскохозяйственная биотехнология».2.4. Направление «Пищевая биотехнология».2.5. Направление «Промышленная биотехнология».2.6. Направление «Экологическая биотехнология»2.7. Направление «Правовое, экономическое, информационное и
организационное обеспечение развития биотехнологии».2.8. Направление «Материально-техническая база биотехнологии».2.9. Направление «Подготовка кадров для биотехнологии».2.10. ФЦП «Приоритетные научно-практические направления биотех-нологии (2009–2015)».Раздел 3. Региональные (межрегиональные, окружные) проекты (про-граммы).Раздел 4. Целевые проекты (внебюджетные, международные и иныепроекты).
Национальная программа «Развитие биотехнологии в Российской Федерации
на 2006 – 2015 гг.»
Разработка противоопухолевых лекарственных средств является приоритетным направлением биотехнологических исследований. Около 60% препаратов из общего количества разрабатываемых биотехнологических средств предназначено для лечения рака или заболеваний, связанных с ним
Это в первую очередь интерфероны, интерлейкины, конъюгаты моноклональных антител, фактор некроза опухолей и различные колониестимулирующие факторы, 18 генно-инженерных препаратов, находящихся на разных стадиях клинического изучения, являются потенциальными средствами для лечения СПИДа и заболеваний, связанных с ВИЧ
Еще одной ведущей группой среди разрабатываемых биотехнологических продуктов являются вакцины.
В настоящее время в США на различных стадиях разработки находятся 14 генно-инженерных вакцин, предназначенных для борьбы со СПИДом, гепатитами, малярией, герпесом, различными опухолевыми заболеваниями и др.
На третьем месте среди наиболее активно разрабатываемых генно-инженерных продуктов — интерлейкины. В США на различных стадиях разработки находятся 16 препаратов этой группы, а также 18 типов интерферонов, 19 колониестимулирующих факторов, 24 фактора роста, 4 гормона роста человека, 2 супероксиддисмутазы, 4 рекомбинантных растворимых белка СД-4, 3 фактора некроза опухолей, 2 модификации эритропоэтина и 6 кровесвертывающих факторов.
Наряду с США и Японией биотехнология быстрыми темпами развивается и в странах Западной Европы.
По оценке Interpharm Press, скоординировав свою деятельность, эти страны могут в будущем оказать значительное влияние на конъюнктуру рынка биотехнологических продуктов. Как и в США, в 1980-х гг. в Западной Европе резко возросло количество мелких биотехнологических фирм. Возникли они в основном на базе лабораторий, ранее проводивших фундаментальные научные исследования. Многие из них финансируются в настоящее время промышленными корпорациями и финансовыми учреждениями либо пользуются финансовой поддержкой со стороны правительства
Стратегическим направлением развития отечественной фармацевтической и биотехнологической промышленности и соответствующей науки, по нашему мнению, должно стать создание и производство оригинальных, патентно-защищенных лекарств, имеющих существенные преимущества по эффективности и (или) безопасности перед известными в мировой медицинской практике препаратами
Анализ пространственной неоднородности иммунных
процессов
Биологическая схема строения лимфатического узла
Из работы Friederike Pfeiffer et al. Eur. J. Immunol. 2008. 38: 2142–2155
Геометрическая модель лимфатического узла (ЛУ) построенная
комбинацией сфер и цилиндров
Источники: f(x)
Приносящие (афферентные) лимфатические сосуды Диаметр ЛУ = 2.0 mm
Выносящие лимфатические сосуды
Трабекулярный синус (TS) = 0.05 mm
Краевой синус = 0.1 mm
dB dB
dT
Кондуиты = 0.0005 mm
Фолликулы: = 0.2 mm
Коэффициенты диффузииd = 0.16 mm2/ч
dB = 0.1*ddT = 0.01*d
Корковая область
Паракортикальная область
d
Пространственная (3-х мерная) сеточная модель лимфоузла
Сеточная аппроксимация геометрической модели лимфатического узла, построенная с помощью вычислительной технологии генерации адаптивных тетраэдральных сеток (ИВМ РАН, Данилов А.А., Василевский Ю.В.). Состоит из 106 тетраэдров и 105 треугольников
Система кондуитов
Пространственное распределение интерферона в лимфоузле:получено путем численного решения стационарного уравнения
диффузии-синтеза-и деградации интерферона
Сечения плоскостями OXZ и OYZ. Число активированных плазмацитоидных
дендритных клеток, секретирующих интерферон 1 (слева) и 100 (справа).
Предполагается, что они расположены случайным образом вблизи полюса.
Протективная концентрация интерферона для макрофагов ~1 пг/мл
IFN (пг/мл)
11 плазмацитоиднаплазмацитоидная я дендритная дендритная клеткаклетка
10100 плазмацитоидных0 плазмацитоидныхдендритных клетокдендритных клеток
Создана вычислительно-технологическая основа для перехода к моделированию пространственно-временной динамики патогенов, гуморальных факторов и клеточных ансамблей в ходе инфекционных заболеваний с учетом реальной геометрии вторичных лимфоидных органов
Нанотехнологии в борьбе с мировой Нанотехнологии в борьбе с мировой пандемией ВИЧ/СПИД: МИКРОБИЦИДЫпандемией ВИЧ/СПИД: МИКРОБИЦИДЫ
Вирус иммунодефицита человека
По данным ООН – число инфицированных ВИЧ составляет 35-38 млн. чел.
СХЕМА СОЗДАНИЯ НАНОБИОМАТЕРИАЛОВ
Основа: биосовместимый полимер(н.: полиэтилентерефталат, хитозан)
Модификация поверхности полимера ионно-плазменными методами
Обработка поверхности полимеров ионами инертных и химически
активных газовИонно-плазменное осаждение пленки
углерода
Модификация полимеров с НСП органическими производными
фуллерена
Новые композитные
нанобиоматериалы
Анти-ВИЧ активностьАнти-ВИЧ активность
Ингибирование ВИЧ-протеазы,обратной ВИЧ-транскриптазы
Модификация НСП производными Модификация НСП производными фуллерена (данные АСМ) фуллерена (данные АСМ)
Контрольный образец
НСП-I НСП-II (α-C:H ~ 50 нм)
С60-хинолин
С60-индол
Антимикробная активностьАнтимикробная активность
Возможные применения материалов с НСП Возможные применения материалов с НСП
Имплантаты
Биокатализаторы
Матрицы для адресной доставки лекарств
Антимикробные материалы
Материалы для медицины
Матрицы и подложки для клеточных медицинских технологий
ТоксичностьТоксичность
Поглощение, распределение и выделение
-контакт с кожей-вдыханиенаночастицы С60 (55нм), 3 ч/дн – 14,1%период полувыведения – 26 дн-внутрибрюшное введениенакопление в печени, полное выведение – 13дн
10 мг/кг в день
• Для усиления действия противовирусных препаратов, таких, как микробициды, необходима адресность и своевременность их действия.
• Для адресной доставки лекарств основным требованием является биосовместимость структуры носителя.
• Постепенное высвобождение лекарственного препарата обеспечивает его пролонгированное действие.
• Вещество, заключенное в нанокапсулу или наноконтейнер, защищено от воздействия ферментов.
• Примером нанокапсул являются липосомы с размерами порядка 100-300 нм, которые нетоксичны и биодеградируемы; их мембрана может сливаться с клеточной мембраной и обеспечивать доставку содержимого в клетку.
• Недостаток - сложность проникновения этих субстанций в ткани и клетки с серьезными нарушениями микроциркуляции.
Особенности физико-химических свойств кремния (Si)
Нетоксичность (Si – второй после кислорода элемент по распространенности в земной коре, где его доля составляет около 27%).
Биосовместимость (в организме здорового человека весом 50-70 кг содержится 0.5-1 г Si, что делает его 3-м по содержанию микроэлементом после железа и цинка).
Биодеградируемость кремниевых наночастиц (Si в виде наночастиц растворяется в организме человека со скоростью от 1 нм (кислая среда) до 1000 нм (щелочная среда) в день с образованием ортокремниевой кислоты).
Доступная технология получения нанопористых форм кремния позволяет управлять размерами гранул и степенью их пористости.
Однако, многие формы нанокремния гидрофобны, что затрудняет получение их водных суспензий и требует дополнительной обработки для придания материалу гидрофильных свойств.
Порошки и водные суспензии пористых кремниевых нанокапсул
Лазерное возбуждение 337 нм
2-4 нм 5-7 нм
+
50 мг nc-Si
2 мл
H2O
=
Биодеградируемые наноконтейнеры из наноструктур пористого кремния
100 nm
I. Капсулирование лекарства в наноконтейнере из пористого кремния.
II. Доставка заряженного наноконтейнера в ткани и клетки.
III. Растворение кремниевой матрицы и высвобождение лекарства.
I II
III
0
2
4
6
8
10
10 3 1
Концентрация препарата , мг/мл
-20
0
20
40
60
80
100
1000 100 10 1
Концентрация препарата , мкг/мл
Вирулицидный эффект
ED50 < 1 мг/млED50 25,8 мкг/мл
Анти-ВИЧ активность водорастворимого аддукта углеродных нанокластеров
Структурная формула: [НО]k - [C]n – (OHSO2)m
Влияние на внутриклеточную репродукцию ВИЧ
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!