ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 52
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
[19]
3. Использование вирусов и бактериофагов в биотехнологии
В биотехнологии вирусы выступают как одни из главных объектов, потому что они обладают способностью легко проникать внутрь клетки. Проникая в клетку, вирусы могут внедрять в неё чужеродный генетический материал. Такую биотехнологию применяют при лечении наследственных заболеваний. Вирусы-бактериофаги используют в лабораторной диагностике бактериальных инфекций. На основе бактериофагов разрабатывают и производят медицинские препараты для лечения бактериальных заболеваний. [10]
1.Применение вирусов человеком
На данный момент вирус применяются в различных областях нашей жизни, основными способами применения являются:
(Таким образом, в селекции растений различные фитовирусы используются для выведения новых сортов.)
В качестве примеров можно привести следующие сорта роз:
На их примере мы можем увидеть как вирусы помогают закреплять признаки разных сортов у одного растения. У данных растений на конструкт вируса собирается 3 сорта.
Пожалуй самым актуальным является вопрос использования вирусов в медицине для лечения различных заболеваний.
Чтобы описать важность вирусов в жизни человека, первую очередь стоит сказать о генной терапии. В настоящее время существует такой способ лечения.
2.1 Генная терапия
— это лечение наследственных, мультифакториальных и ненаследственных (инфекционных, злокачественных и др.) заболеваний путем введения генов в соматические клетки пациентов с целью направленного изменения генных дефектов или придания клеткам новых свойств. Для этого в клетки больного надо доставить определенные гены, которые исправляют генетические нарушения. При этом возникает вопрос – как преодолеть иммунологический барьер клетки. Было решено использовать для этого вирусы. Ведь именно они могут проникать в клетку и внедрять в нее чужеродный генетический материал. Такие полезные вирусы называются векторами, т.е. переносчиками. Бактериофаги широко применяют в биотехнологии в качестве векторов для получения рекомбинантных ДНК. Бактериофаги используют в лабораторной диагностике инфекций при внутривидовой идентификации бактерий, т. е. определении фаготипа. Для этого применяют метод фаготипирования, основанный на строгой специфичности действия фагов. Методику фаготипирования используют для выявления источника и путей распространения инфекции (эпидемиологическое маркирование). Выделение бактерий одного фаговара от разных больных указывает на общий источник их заражения. [11]
Основными методами генной терапии являются:
• добавление гена;
• ингибирование гена;
• заместительная генная терапия;
• уничтожение специфических генов.
Основными используемыми путями доставки генов в пораженные клетки являются:
1. ex vivo – пораженные клетки выделяют из организма, генетически модифицируют в культуре и снова вводят в организм пациента.
2. in vivo – в случае недоступности клеток или невозможности их эффективно культивировать используют прямое введение ДНК в клетки, находящиеся в организме.
Условия успешной генотерапии:
• обеспечение эффективной доставки чужеродного гена в клетки–мишени;
• обеспечение длительного функционирования его в этих клетках;
• создание условий для полноценной работы гена (его экспрессии).
Эффективность генотерапии определяется прежде всего механизмом доставки терапевтического генетического материала – так называемой «векторной системой». [12]
Существуют вирусные и невирусные векторные системы. В настоящее время наиболее эффективной считается вирусная доставка генов (трансдукция), которая представляет собой упаковку ДНК в вирусную частицу. Перенос генов осуществляется путем нормальной вирусной инфекции, поэтому он эффективен и селективен по отношению к клеткам. [13]
Таким образом, например в генотерапии рака используют:
• ретровирусные векторные системы;
• аденовирусные векторы;
• векторы на основе вирусов герпеса;
• вирусные векторы направленного действия;
2.2 Использование ретро-вирусов
Ретровирусы - это вирусы, которые встречаются во всем животном мире. Первые ретровирусы были идентифицированы как бесклеточные онкогенные факторы у цыплят. Впоследствии было показано, что многие из онкогенных ретровирусов являются формами с дефектом репликации, которые заменили часть своего нормального вирусного генного комплемента онкогенной последовательностью. Ретровирусы, способные к репликации, также вызывают злокачественные заболевания, а также ряд других патогенных состояний. Ретровирусный перенос генов, опосредованный вектором, занимает центральное место в развитии генной терапии. Ретровирусы имеют несколько явных преимуществ перед другими векторами, особенно когда предпочтительным результатом является постоянный перенос генов. Наиболее важным преимуществом, которое предлагают ретровирусные векторы, является их способность трансформировать свой одноцепочечный РНК-геном в двухцепочечную молекулу ДНК, которая стабильно интегрируется в геном клетки-мишени. Это означает, что ретровирусные векторы могут быть использованы для постоянной модификации ядерного генома клетки-хозяина. Они обладают уникальной cпособность ретровирусов интегрироваться в хромосому клетки-хозяина также повышает возможность мутагенеза и активации онкогена.
Ретровирусные векторы были успешно использованы в клинических испытаниях препаратов, направленных на лечение 2 форм тяжелых комбинированных иммунодефицитов и некоторых других врожденных заболеваний крови. Однако в нескольких случаях интеграция вектора в хромосому сопровождалась геноток-сичностью и привела к развитию онкогематологического заболевания. В дальнейшем было показано, что генотоксичность не является неотъемлемой чертой всех ретровирусных векторов , а зависит от многих факторов. Они способны активировать онкогены и блокировать опухолевые супрессорные гены в инфицированных клетках. [14]
2.3 Использование аденовирусов
Аденовирусы – это вирусы, которые вызывают легкие формы инфекций верхних дыхательных путей, т.е. обычные простуды. Трансформация происходит эписомальным путем, и вирус может инфицировать широкий диапазон делящихся и неделящихся клеток.
Аденовирусы особенно полезны в тех случаях, когда необходима лишь временная продукция терапевтического гена. Они способны к воспроизводству в больших количествах и характеризуются эффективным переносом генов в различные типы раковых клеток.
Преимущества:
• эффективность (могут быть получены высокие титры);
• емкость (до 35 тыс. п.н. захвата чужеродной ДНК).
Недостатки:
Таким образом, подводя итоги, можно сделать вывод об использовании вирусных векторов:
• Преимущество: целенаправленно проникает в ядро клеток-мишеней
• Недостатки: дорогостоящие ограниченная емкость вызывают воспалительную реакцию. [15]
2.4. Генно-инженерные вакцины.
Вакцинация человека и животных основана на выработке антител в ответ на введение антигена — ослабленного или инактивированного вируса. Применение живых вакцин чревато заражением, а инактивация вирусов может резко снизить их иммуногенность. Антигенные свойства вирусных частиц определяются в основном их белковыми компонентами, поэтому вьщеление индивидуального вирусного белка дает возможность получения вакцины, лишенной указанных выше недостатков. [16]
2.5. Использование бактериофагов при борьбе с бактериями.
Бактериофаги, «пожиратели бактерий» – самый яркий пример того, как с помощью одной инфекции можно бороться с другой. Если быть совсем точными, то бактериофаги – это вирусоподобные частицы. Они были открыты в 1915 году англичанином Фредериком Уильямом Твортом, который первым описал болеющих стафилококков. Причиной болезни оказался неизвестный ранее инфекционный агент, который позднее был назван бактериофагом. В ветеринарии активно используют сальмонеллезных бактериофагов, которые активны против разнообразных представителей рода Salmonella, ответственных за 80% пищевых отравлений человека. В медицине бактериофаги используются как альтернатива антибиотикам. Только в нашей стране зарегистрировано 13 лекарственных средств на основе бактериофагов. Причем у них есть несомненное преимущество перед антибиотиками: последние уничтожают всех подходящих бактерий, попавшихся на пути, в том числе и полезных, а фаги – только свою «еду». Кроме того, бактериофаги меняются вместе со своими «жертвами», что снижает риски развития резистентных бактерий. Фаги являются частью микросообщества, обитающего в теле и на теле человека, оно называется «фагеом». Бактериофагов можно найти в желудочно-кишечном тракте, в легких, в мочевыводящих путях, в полости рта и, конечно, на коже. Неудивительно, что фаги также влияют на работу иммунной системы человека. Они могут оказывать противовоспалительный эффект и способствовать нормализации кишечной микрофлоры, могут стимулировать выработку цитокинов и антител, а могут подавлять различные иммунные реакции. Сейчас ученые находятся в поисках способов управления бактериофагами, разрабатываются способы создания фагов с нужными свойствами в лаборатории. Кстати, некоторые вирусы снижают риски заражения некоторыми бактериями, даже не будучи их «пожирателями». Так, вирус герпеса уменьшает угрозу заболевания бубонной чумой и листериозом – опасными бактериальными инфекциями. [17]
В то или иное время люди старались использовать любую возможность, чтобы найти новый жизнеспособный вариант уничтожения друг друга.
Начало применения биологического оружия восходит ещё к древнему миру
Основу поражающего действия биологического оружия составляют биологические средства (БС) — специально отобранные для боевого применения биологические агенты, способные при своем проникновении в организм людей (животных, растений) вызывать тяжелые заболевания (поражения).
Генное оружие. Активное развитие биотехнологии, как генная инженерия, создало возможность модифицировать свойства существующих микроорганизмов и производить новые их виды. Ввиду обмена генетической информацией, появилась настоящая возможность производить штаммы микроорганизмов, имеющие измененную антигенную структуру и отличительные свойства: повышенную вирулентность, устойчивость к действиям внешних факторов и лекарственных препаратов. А так же, разработанные методы микроинкапсулирования биоагентов позволяют значительно увеличить аэробиологическую стабильность наиболее микро частиц биологического аэрозоля и обеспечить более глубокое проникновение их в органы дыхания, а отсюда и значительную степень поражения. Это позволяет использовать в качестве оружия инкапсулированный генетический материал — вирусные инфекционные нуклеиновые кислоты, которые, попадая в клетки тканей человека (животных), заставляют их работать внутри организма и тем самым вызывают инфекционное заболевание. [18]
Вирусы очень широко используются в медицине и биологии. Мы описали основные механизмы их использования и применения.
3. Использование вирусов и бактериофагов в биотехнологии
В биотехнологии вирусы выступают как одни из главных объектов, потому что они обладают способностью легко проникать внутрь клетки. Проникая в клетку, вирусы могут внедрять в неё чужеродный генетический материал. Такую биотехнологию применяют при лечении наследственных заболеваний. Вирусы-бактериофаги используют в лабораторной диагностике бактериальных инфекций. На основе бактериофагов разрабатывают и производят медицинские препараты для лечения бактериальных заболеваний. [10]
-
Практическая часть
1.Применение вирусов человеком
На данный момент вирус применяются в различных областях нашей жизни, основными способами применения являются:
-
Борьба с насекомыми и вредителями -
Контроль численности животных-вредителей -
В селекции растений и животных
(Таким образом, в селекции растений различные фитовирусы используются для выведения новых сортов.)
В качестве примеров можно привести следующие сорта роз:
-
Волжская розовая -
Химерная роза Аури -
Тигровая роза
На их примере мы можем увидеть как вирусы помогают закреплять признаки разных сортов у одного растения. У данных растений на конструкт вируса собирается 3 сорта.
-
В борьбе с другими вирусами (основано на нтерференции вирусов) -
В лечении заболеваний
-
Использование вирусов в медицине.
Пожалуй самым актуальным является вопрос использования вирусов в медицине для лечения различных заболеваний.
Чтобы описать важность вирусов в жизни человека, первую очередь стоит сказать о генной терапии. В настоящее время существует такой способ лечения.
2.1 Генная терапия
— это лечение наследственных, мультифакториальных и ненаследственных (инфекционных, злокачественных и др.) заболеваний путем введения генов в соматические клетки пациентов с целью направленного изменения генных дефектов или придания клеткам новых свойств. Для этого в клетки больного надо доставить определенные гены, которые исправляют генетические нарушения. При этом возникает вопрос – как преодолеть иммунологический барьер клетки. Было решено использовать для этого вирусы. Ведь именно они могут проникать в клетку и внедрять в нее чужеродный генетический материал. Такие полезные вирусы называются векторами, т.е. переносчиками. Бактериофаги широко применяют в биотехнологии в качестве векторов для получения рекомбинантных ДНК. Бактериофаги используют в лабораторной диагностике инфекций при внутривидовой идентификации бактерий, т. е. определении фаготипа. Для этого применяют метод фаготипирования, основанный на строгой специфичности действия фагов. Методику фаготипирования используют для выявления источника и путей распространения инфекции (эпидемиологическое маркирование). Выделение бактерий одного фаговара от разных больных указывает на общий источник их заражения. [11]
Основными методами генной терапии являются:
• добавление гена;
• ингибирование гена;
• заместительная генная терапия;
• уничтожение специфических генов.
Основными используемыми путями доставки генов в пораженные клетки являются:
1. ex vivo – пораженные клетки выделяют из организма, генетически модифицируют в культуре и снова вводят в организм пациента.
2. in vivo – в случае недоступности клеток или невозможности их эффективно культивировать используют прямое введение ДНК в клетки, находящиеся в организме.
Условия успешной генотерапии:
• обеспечение эффективной доставки чужеродного гена в клетки–мишени;
• обеспечение длительного функционирования его в этих клетках;
• создание условий для полноценной работы гена (его экспрессии).
Эффективность генотерапии определяется прежде всего механизмом доставки терапевтического генетического материала – так называемой «векторной системой». [12]
Существуют вирусные и невирусные векторные системы. В настоящее время наиболее эффективной считается вирусная доставка генов (трансдукция), которая представляет собой упаковку ДНК в вирусную частицу. Перенос генов осуществляется путем нормальной вирусной инфекции, поэтому он эффективен и селективен по отношению к клеткам. [13]
Таким образом, например в генотерапии рака используют:
• ретровирусные векторные системы;
• аденовирусные векторы;
• векторы на основе вирусов герпеса;
• вирусные векторы направленного действия;
2.2 Использование ретро-вирусов
Ретровирусы - это вирусы, которые встречаются во всем животном мире. Первые ретровирусы были идентифицированы как бесклеточные онкогенные факторы у цыплят. Впоследствии было показано, что многие из онкогенных ретровирусов являются формами с дефектом репликации, которые заменили часть своего нормального вирусного генного комплемента онкогенной последовательностью. Ретровирусы, способные к репликации, также вызывают злокачественные заболевания, а также ряд других патогенных состояний. Ретровирусный перенос генов, опосредованный вектором, занимает центральное место в развитии генной терапии. Ретровирусы имеют несколько явных преимуществ перед другими векторами, особенно когда предпочтительным результатом является постоянный перенос генов. Наиболее важным преимуществом, которое предлагают ретровирусные векторы, является их способность трансформировать свой одноцепочечный РНК-геном в двухцепочечную молекулу ДНК, которая стабильно интегрируется в геном клетки-мишени. Это означает, что ретровирусные векторы могут быть использованы для постоянной модификации ядерного генома клетки-хозяина. Они обладают уникальной cпособность ретровирусов интегрироваться в хромосому клетки-хозяина также повышает возможность мутагенеза и активации онкогена.
Ретровирусные векторы были успешно использованы в клинических испытаниях препаратов, направленных на лечение 2 форм тяжелых комбинированных иммунодефицитов и некоторых других врожденных заболеваний крови. Однако в нескольких случаях интеграция вектора в хромосому сопровождалась геноток-сичностью и привела к развитию онкогематологического заболевания. В дальнейшем было показано, что генотоксичность не является неотъемлемой чертой всех ретровирусных векторов , а зависит от многих факторов. Они способны активировать онкогены и блокировать опухолевые супрессорные гены в инфицированных клетках. [14]
2.3 Использование аденовирусов
Аденовирусы – это вирусы, которые вызывают легкие формы инфекций верхних дыхательных путей, т.е. обычные простуды. Трансформация происходит эписомальным путем, и вирус может инфицировать широкий диапазон делящихся и неделящихся клеток.
Аденовирусы особенно полезны в тех случаях, когда необходима лишь временная продукция терапевтического гена. Они способны к воспроизводству в больших количествах и характеризуются эффективным переносом генов в различные типы раковых клеток.
Преимущества:
• эффективность (могут быть получены высокие титры);
• емкость (до 35 тыс. п.н. захвата чужеродной ДНК).
Недостатки:
-
персистенция (обычно наблюдается кратковременная экспрессия); -
небезопасность (аденовирусные векторы вызывают воспалительные реакции). -
Все испытания методов генной терапии с участием аденовируса были приостановлены для изучения вопросов безопасности.
Таким образом, подводя итоги, можно сделать вывод об использовании вирусных векторов:
• Преимущество: целенаправленно проникает в ядро клеток-мишеней
• Недостатки: дорогостоящие ограниченная емкость вызывают воспалительную реакцию. [15]
2.4. Генно-инженерные вакцины.
Вакцинация человека и животных основана на выработке антител в ответ на введение антигена — ослабленного или инактивированного вируса. Применение живых вакцин чревато заражением, а инактивация вирусов может резко снизить их иммуногенность. Антигенные свойства вирусных частиц определяются в основном их белковыми компонентами, поэтому вьщеление индивидуального вирусного белка дает возможность получения вакцины, лишенной указанных выше недостатков. [16]
2.5. Использование бактериофагов при борьбе с бактериями.
Бактериофаги, «пожиратели бактерий» – самый яркий пример того, как с помощью одной инфекции можно бороться с другой. Если быть совсем точными, то бактериофаги – это вирусоподобные частицы. Они были открыты в 1915 году англичанином Фредериком Уильямом Твортом, который первым описал болеющих стафилококков. Причиной болезни оказался неизвестный ранее инфекционный агент, который позднее был назван бактериофагом. В ветеринарии активно используют сальмонеллезных бактериофагов, которые активны против разнообразных представителей рода Salmonella, ответственных за 80% пищевых отравлений человека. В медицине бактериофаги используются как альтернатива антибиотикам. Только в нашей стране зарегистрировано 13 лекарственных средств на основе бактериофагов. Причем у них есть несомненное преимущество перед антибиотиками: последние уничтожают всех подходящих бактерий, попавшихся на пути, в том числе и полезных, а фаги – только свою «еду». Кроме того, бактериофаги меняются вместе со своими «жертвами», что снижает риски развития резистентных бактерий. Фаги являются частью микросообщества, обитающего в теле и на теле человека, оно называется «фагеом». Бактериофагов можно найти в желудочно-кишечном тракте, в легких, в мочевыводящих путях, в полости рта и, конечно, на коже. Неудивительно, что фаги также влияют на работу иммунной системы человека. Они могут оказывать противовоспалительный эффект и способствовать нормализации кишечной микрофлоры, могут стимулировать выработку цитокинов и антител, а могут подавлять различные иммунные реакции. Сейчас ученые находятся в поисках способов управления бактериофагами, разрабатываются способы создания фагов с нужными свойствами в лаборатории. Кстати, некоторые вирусы снижают риски заражения некоторыми бактериями, даже не будучи их «пожирателями». Так, вирус герпеса уменьшает угрозу заболевания бубонной чумой и листериозом – опасными бактериальными инфекциями. [17]
-
Вирусы как вид биологического оружия
В то или иное время люди старались использовать любую возможность, чтобы найти новый жизнеспособный вариант уничтожения друг друга.
Начало применения биологического оружия восходит ещё к древнему миру
Основу поражающего действия биологического оружия составляют биологические средства (БС) — специально отобранные для боевого применения биологические агенты, способные при своем проникновении в организм людей (животных, растений) вызывать тяжелые заболевания (поражения).
Генное оружие. Активное развитие биотехнологии, как генная инженерия, создало возможность модифицировать свойства существующих микроорганизмов и производить новые их виды. Ввиду обмена генетической информацией, появилась настоящая возможность производить штаммы микроорганизмов, имеющие измененную антигенную структуру и отличительные свойства: повышенную вирулентность, устойчивость к действиям внешних факторов и лекарственных препаратов. А так же, разработанные методы микроинкапсулирования биоагентов позволяют значительно увеличить аэробиологическую стабильность наиболее микро частиц биологического аэрозоля и обеспечить более глубокое проникновение их в органы дыхания, а отсюда и значительную степень поражения. Это позволяет использовать в качестве оружия инкапсулированный генетический материал — вирусные инфекционные нуклеиновые кислоты, которые, попадая в клетки тканей человека (животных), заставляют их работать внутри организма и тем самым вызывают инфекционное заболевание. [18]
-
Заключение
Вирусы очень широко используются в медицине и биологии. Мы описали основные механизмы их использования и применения.
-
Список используемой литературы
-
Вирусы 1. Значение вирусов 1.1. [Электронный ресурс] –URL:https://biology.ru/course/content/chapter1/section1/paragraph3/theory.html#.ZE6gf3ZBxPY -
Виктор С. « Микробиология с основами эпидемиологии и методами микробиологических исследований»: Учеб. Пособие 2011 с. 14 -
Вирусы 1. Значение вирусов 1.1.3 [Электронный ресурс] -URL:https://biology.ru/course/content/chapter1/section1/paragraph3/theory.html#.ZE6kJ3ZBxPY -
Электронный учебник «Фоксфорд» [Электронный ресурс] - https://foxford.ru/wiki/biologiya/virusy-nekletochnaya-forma-zhizni -
МЕДИЦИНСКАЯ ВИРУСОЛОГИЯ Учебное пособие Под ред. д.м.н., профессора И.И. Генералова 2017 с 15-20 -
Сизенцов А.М. учеб пособие. Общая Вирусология 2007 г. -
[Электронный ресурс] - https://obrazovanie-gid.ru/pereskazy1/ivanovskij-virus-tabachnoj-mozaiki-kratko.html -
Методы исследования вирусов. [Электронный ресурс] - https://www.referatmix.ru/referats/69/referatmix_63737.htm -
Вирусология и биотехнология: краткий курс лекций для студентов 3 курса специальности 36.05.01 Ветеринария /Е.С. Красникова // ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ.- Саратов, 2016 -
Вирусология. Методические материалы:Учеб.-метод. пособие для студ. биол. фак. / Авторы-сост. Е. В. Глинская, Е. С. Тучина, С. В. Петров.