Современная иммунобиотехнология на страже биологической безопасности

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОВРЕМЕННАЯ ИММУНОБИОТЕХНОЛОГИЯ НА СТРАЖЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

В.М. Безгин, доктор биологических наук, профессор, заслуженный ветеринарный врач Российской Федерации, директор Курской биофабрики - фирма «Биок»

Отечественная наука накопила солидный опыт понимания универсальных законов и закономерностей, которые явно или косвенно противостоят умозрительным настроениям. Примером этому могут стать планетарная концепция Вернадского, идеи Павла Флоренского в отношении физического и исторического пространства.

Разъединенные в различные дисциплины, наши знания становятся неадекватными современным реалиям, в которых сейчас в основном преобладают интеграционные процессы. Только благодаря концепции трансдисциплинарности, как адекватному средству познания сложного, стало возможным развитие современной науки - биотехнологии.

Развитие естествознания и биологических процессов в сочетании с современной научно-технической революцией приводит к важному для дальнейшего прогресса выводу - возможности объединения технологических, инженерных и естественных научных подходов на основе функционирования биосистем, возникших естественным образом в ходе эволюции.

Этот принцип приемлем не только для современной биотехнологии, основанной на использовании средств и методов управления биотехнологическими функциями, воздействием на тончайшие обменные и ферментативные процессы передачи наследственной информации, биопродуцентов, но и позволяет по-своему подойти к решению многих задач при ликвидации инфекционных заболеваний и экологических вопросов во всех сферах производственной деятельности.

Общеизвестно, что современное экологическое состояние в мире во многом определяется хозяйственной деятельностью человека. В настоящее время все громче звучат предостережения, что мы вплотную подошли к серьезному экологическому кризису. Возникла ситуация, при которой окружающая нас природа может претерпеть нежелательные и даже необратимые изменения в результате неразумных воздействий со стороны человека. При этом экологическая катастрофа может наступить в ближайшем будущем, так как «современный» человек, несмотря на видимую «образованность», вмешивается в планетарную биосистему, в чем-то схожую с гомеостазом живого организма, без достаточных знаний и без отчетливого понимания ее особенностей. Непонимание законов природы и логики эволюции может быть основой для локальных катастроф, которые усугубляют существующую экологическую ситуацию и создают опасность большой экологической катастрофы.

В известном Первом докладе Римского клуба из тысяч различных моделей развития человечества лишь один вариант прогноза не завершался в исследованиях отрицательно, - когда коэффициенты роста населения, спроса на природные ресурсы и загрязнения принимались равными нулю, и в расчеты вводилось вторичное использование сырья (10). Выход из этой сложнейшей ситуации возможен, лишь исходя из фундаментальности принципа жизни как планетарного явления. Такой подход соответствует учению В.И. Вернадского о биосфере, биотических круговоротах, вовлекающих в эффективное использование все образующиеся продукты.

На сегодняшний день успешное решение экологических вопросов демонстрирует стремительно развивающаяся наука - биотехнология, определенная ЮНЕСКО наукой XXI века.

Актуальность проблемы противодействия биологической опасности появлялась постепенно по мере осознания человечеством своей уязвимости перед биологической угрозой:

- в первую очередь в отношении действия патогенных микроорганизмов - возбудителей инфекционных болезней, вызывающих эпидемии, эпизоотии, эпифитотии естественного происхождения из-за наличия природных резервуаров патогенных микроорганизмов, а также неконтролируемого получения и распространения живых организмов, особенно генетически измененных, с неизвестным механизмом действия на экологические системы; инженерный биосистема эволюция опасность

- бесконтрольного использования патогенных микроорганизмов без соблюдения санитарных правил по производству и контролю иммунобиологической продукции.

Поэтому глобальность проблемы биологической опасности выдвигает перед всем миром задачу обеспечения жизнедеятельности человека в условиях защищенности от неблагоприятных последствий влияющих биологических факторов (8).

Обеспечение эффективной защиты людей и животных от инфекционных болезней было и остается одной из главных задач медицинской и ветеринарной науки и практики.

Оптимистичные прогнозы середины XX века о благополучной ситуации в борьбе с инфекционными заболеваниями не оправдались.

После Второй мировой войны за период с 1945 по 1993 год в мире от различных военных конфликтов погибли 23 млн. военных и гражданских лиц. За этот же период 150 млн. человек умерли от трех наиболее значимых инфекций: туберкулеза, малярии и СПИДа (11).

Известно, что микроорганизмы вызывают у людей более 400 инфекционных заболеваний. Согласно оценкам ВОЗ ежегодно два миллиарда людей болеют инфекционными заболеваниями (5).

По данным Всемирной организации здравоохранения ежегодно в мире умирают примерно 51 млн. человек, из них 16 млн. от инфекционных и паразитарных болезней (7).

Несмотря на значимые результаты борьбы с инфекциями, цивилизация и изменение условий жизни человека и животных способствуют появлению новых, ранее не регистрируемых заболеваний, вызываемых новыми или генетически модифицированными в естественных условиях патогенными микроорганизмами. Вместо снижения количества инфекционных заболеваний в XX веке выявлено 36 новых инфекционных заболеваний (12). В качестве примера могут служить вспышки новых инфекционных заболеваний в конце XX - начале XXI века, к которым человечество еще не выработало иммунитета: 1973 год - ротавирусы, 1977 - вирус лихорадки Эбола, 1977 - вирус болезни легионеров, 1981 - синдром токсического шока, 1983 - СПИД, конец 80-х годов XX века - туберкулез, устойчивый к комплексной лекарственной терапии, 1993 - холера, штамм 0139, 1994 - инфекция, вызванная Cryptosporidium (в штате Висконсин, США), 1998 - птичий грипп (вызывающий болезнь человека), 1999 - вирус лихорадки Западного Нила (первое заболевание в США), 2003 - атипичная пневмония, 2004 - вирус Марбурга (вспышка заболевания в Анголе) (2).

Аналогичная ситуация с появлением новых, ранее не регистрируемых, массовых инфекционных болезней животных и птиц - вирус лейкоза крупного рогатого скота, в настоящее время занимающий первое место - 57% от общей инфекционной патологии крупного рогатого скота в России (6), вирус ротавирусной инфекции крупного рогатого скота и свиней, вирусы синдрома снижения яйценоскости, болезни Гамборо, Марека, циркулирующие практически во всех птицехозяйствах промышленного типа.

Подсчитано, что 90% биологического и генетического многообразия на Земле приходится на долю микроорганизмов (4), из которых в настоящее время изучено всего от 4-х до 10% (11). Масштаб деятельности микроорганизмов в природе еще предстоит оценить.

Наряду с появлением новых болезней значимую реальную угрозу человечеству несут «традиционные» особо опасные инфекции, которые в свое время развития цивилизации приносили опустошения. К этой группе относят оспу, чуму, сибирскую язву, туляремию, бруцеллез, сап и многих других микроорганизмов I и II групп патогенности, возбудителей особо опасных инфекций, нередко не поддающихся лечению у людей и животных с высокой летальностью и контагиозностью, распространяющихся и передающихся от животных к людям. Сохраняя естественные механизмы распространения, эти болезни представляют серьезную угрозу здоровью и жизни миллионов людей.

Очень важно, что бороться с этими инфекциями, общими для человека и животных, можно, когда усилия ветеринарной и медицинской науки и практики будут скоординированы и целенаправленны. Примером этому может служить возросшее в последнее десятилетие в мире, и в частности в России, внимание к проблеме туберкулеза сельскохозяйственных животных и людей.

В последние годы эпидемическая и эпизоотическая обстановка по туберкулезу обострилась и остается весьма тревожной. Согласно данным Минсельхоза России в 2005 году зарегистрировано 116 неблагополучных по туберкулезу крупного рогатого скота пунктов, при этом вновь выявлено 38 (1).

В настоящее время, несмотря на общее сокращение поголовья крупного рогатого скота в сравнении в 1990 годом более чем в 2 раза, туберкулез продолжает занимать одно из ведущих мест в инфекционной патологии крупного рогатого скота - 11,4%. Несмотря на это, при официальном сокращении неблагополучных пунктов по туберкулезу крупного рогатого скота с 1990 года по 2005 год почти в 10 раз (6), заболеваемость людей за тот же период по данным Минздрава России возросла почти в 3 раза и в 2004 году составила более 80 человек на 100 тыс. населения. Такая тревожная ситуация отмечается во многих странах.

По данным ВОЗ в мире насчитывается более 48 млн. человек, больных туберкулезом, при этом смертность от этого заболевания ежегодно превышает 3 млн. человек (6). Появляются остро прогрессирующие формы болезни, когда от больных туберкулезом людей выделяют микобактерии туберкулеза, устойчивые ко всем известным противотуберкулезным препаратам. При этом микобактерии способны изменяться (переходить в L-форму) и длительно сохраняться в неблагоприятных условиях обитания. Эти явления связаны с генными мутациями микобактерий, спровоцированными бесконтрольным, бессистемным лечением туберкулеза. Особую значимость проблема туберкулеза приобрела в силу определенного установленного факта частой ассоциации туберкулеза с ВИЧ-инфекцией и другими иммунодефицитами, что, естественно, осложняет борьбу с этой инфекцией (9). Кроме того, касаясь эпизоотологических и эпидемиологических аспектов проблемы туберкулеза, необходимо учитывать, что заражение людей может происходить не только по линии «от человека к человеку» или «от животного к животному», но также и в результате передачи человеку микобактерий бычьего вида, а млекопитающим животным - микобактерий человеческого вида (11).

В результате действия техногенных факторов на окружающую природную среду и повсеместного применения антибактериальных и дезинфицирующих средств, консервантов, в том числе используемых в продуктах питания человека, качественно изменился характер взаимодействия микроорганизмов с организмом хозяина (8).

В 1998 году группой ученых из Великобритании, Франции, США и Дании была завершена расшифровка генома M. tuberculosis (9). Оказалось, что микроорганизм обладает рядом уникальных особенностей. Обнаружено достаточное количество генов, позволяющих производить белковые продукты, ответственные за проникновение микроба внутрь клеток хозяина и поддержание в них устойчивого существования. Поэтому микобактерии туберкулеза могут размножаться и длительно переживать в макрофагах.

Одной из примечательных черт генома M. tuberculosis является присутствие генов, многократно дублирующих функционирование ключевых ферментативных систем. Примером могут служить 36 вариантов ацил - СоА синтетазы и ацил СоА дегидрогеназы. Геном M. tuberculosis состоит из 4,4 млн. пар оснований или 4 тыс. индивидуальных генов.

С этими особенностями генетического аппарата микобактерий туберкулеза связана множественная устойчивость к лекарственным препаратам, что является важнейшей проблемой XXI века, а туберкулез в настоящее время становится бедствием глобального масштаба.

Перспективные направления в лечении заболевания основываются на знании патогенеза. При этом должны быть исследованы новейшие методы генной терапии, с целью избирательного блокирования генов, ответственных за нормальную продукцию белка M. tuberculosis в условиях его комфортного существования в макрофаге.

Таким образом, любые изменения в условиях обитания микроорганизмов, как в организме человека или животных, так и в природной среде приводят к их быстрой эволюционной адаптации. Срочное решение вопросов борьбы с инфекционными заболеваниями крайне важно для обеспечения биологической безопасности страны и мирового сообщества в целом.

После великих открытий Л.Пастера стало возможным производство и применение иммунобиологических препаратов. Лишь немногие события в истории науки оказали такое же глубокое влияние на жизнь человека и общества, как открытие возможности контролировать инфекции, вызываемые микроорганизмами.

В промышленно развитых странах прекратились многие опустошительные эпидемии, которые в прошлом уносили миллионы жизней. Все это стало возможным только при комплексном решении вопросов биобезопасности, ключевым звеном которой является производство и применение иммунобиологических препаратов для диагностики инфекционных заболеваний.

Производство биопрепаратов первоначально организовывалось при научно-исследовательских лабораториях. В начале XX века с увеличением потребности в иммунобиологических препаратах, для их производства стали возникать специализированные промышленные биотехнологические предприятия. Природно-ресурсный подход, просуществовавший в нашей стране вплоть до 80-х годов XX века, не мог осуществляться на предприятиях, работавших с возбудителями инфекционных заболеваний. Поэтому часть экологических вопросов, касающихся биобезопасности производства, даже при строительстве первых биопредприятий решалась ещё на стадии проектирования. В то же время методы получения биопрепаратов первого поколения, применяемые штаммы-продуценты были низко эффективными, в связи с чем до середины XX века увеличение объёмов выпуска продукции происходило за счёт прямого масштабирования процессов производства. Соответственно возрастала энергоемкость, расход сырья, количество балластных веществ (3), а также возрастала возможность биологического загрязнения окружающей среды.

Научные достижения второй половины ХХ века коренным образом изменили технологические процессы изготовления биопрепаратов. В производство были включены высоко продуктивные штаммы, современные методы культивирования клеток и вирусов, фракционирования биомолекул, позволяющие получать принципиально новую продукцию, безопасные и эффективные вакцины, значительные количества очищенных антигенов и антител. Параллельно повысились требования к биобезопасности производства. В настоящее время как живые, так и инактивированные вакцины производятся только с использованием эмбрионов, свободных от патогенной флоры. Стерилизация препаратов не предусматривает применения химических консервантов (фенолов, мертиолятов, азидов и др.), а основана на использовании мембранных фильтров с фиксированным размером пор, заменивших крупногабаритные глубинные асбестсодержащие фильтры. Современное производство биопрепаратов зонировано, и работа с биоматериалом осуществляется в помещениях, оснащенных системой подачи и фильтрации воздуха фильтрами НЕРА, обеспечивающими стерильность воздуха как в рабочей зоне, так и на выходе в атмосферу.

Повышение наукоемкости производства позволяет осуществлять перепрофилирование биопредприятий в научно-производственные структуры. За счет внедрения высокоэффективных штаммов бактерий и клонов клеток появляется возможность снижать производственные затраты, энергоемкость и расход материалов, в результате чего в сотни раз возрастает эффективность биотехнологических процессов, минимизируется нагрузка на окружающую среду. При отсутствии ресурсов экономики на осуществление масштабных инвестиций в экологическую реструктуризацию промышленности это на сегодня единственно возможный подход к решению вопросов охраны окружающей среды.

Промышленную революцию XXI века связывают с развитием нанотехнологии - применением молекулярных структур в наноскопических устройствах. Последние достижения биологии в области изучения структуры белков (протеомики) и нуклеиновых кислот определили появление нового прикладного направления - биотехнологической нанотехнологии.

Большие надежды возлагаются на решение методами нанотехнологии проблемы эффективной доставки лекарств к пораженным клеткам организма. Высокие темпы развития предсказывают методам молекулярной ДНК-терапии.

Успех в вышеперечисленных направлениях позволит привести производственные процессы к лабораторным масштабам, сохранив при этом массовый тираж продукции. Миниатюризация производства и формы выпуска продукта повысят экологическую безопасность как при изготовлении биопрепаратов, так и в условиях их использования.

Поставленные в настоящей работе задачи и примеры положительного их решения свидетельствуют о том, что накопленный современной иммунобиотехнологией материал в области фундаментально ориентированных научных исследований микробиологии, вирусологии, иммунологии, генетической инженерии, направленного синтеза биологически активных веществ, широкого мониторинга распространения патогенов в окружающей среде имеет приоритетное научное значение.

Обидно, что решению вопросов развития иммунобиотехнологии государством сегодня уделяется недостаточно внимания, и в настоящее время ученые стоят перед необходимостью отстаивания своего права на внимание государства к разрабатываемым ими проблемам обеспечения биологической безопасности, являющейся частью национальной безопасности - необходимого условия устойчивого развития страны.

Литература

1. Апалькин В.А., Яременко Н.А. Эпизоотическая ситуация по особо опасным болезням животных в России // Российский ветеринарный журнал.-2005.-№4.-С.2-3.

2. Барри Р. Блум // В мире науки. - 2005.-№12.-С.55-59.

3. Безгин В.М. Экологические аспекты развития биотехнологического производства // Материалы международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» часть II, Курск.-2005.-С.7-10.

4. Воробьев А.А., Гинцбург А.Л., Бондаренко В.М. // Вестн. РАМН.-2000.-№11.-С.11-14.

5. Макаров В. // Ветеринарная газета.-№8.-С.1-2; №9.-С.8.

6. Найманов А.Х. Проблемы диагностики и профилактики туберкулеза крупного рогатого скота в современных условиях // Ветеринарная патология.-2004.-№1-2(9).-С.18-23.

7. Онищенко Г.Г. // Микробиология.-2002.-№4.-С.3-16.

8. Онищенко Г.Г., Дроздов И.Г. Актуальные аспекты проблемы противодействия биологической опасности // Вестн. РАМН.-2004.-№5.-с.14-20.

9. Пальцев М.А. // Вестн. РАМН.-2002.-Том 72. - №1.-С.13-21.

10. Системы экологического менеджмента. Методика и практика применения / Свиткин М.З., Мацута В.Д., Рахлин К.М.-СПб картфабрики ВСЕГЕИ.-2002.-243с.

11. Смирнов А.М. Современные проблемы диагностики и профилактики туберкулеза животных // Ветеринарная патология.-2004.-№1-2(9).-С.10-13.

12. Шевченко Ю.Л., Онищенко Г.Г. // Микробиолог.-2001.-№2.-С.94-104.

Размещено на Allbest.ru