Антиревматичні засоби, що модифікують перебіг захворювання

Наступною великою групою антиревматичних засобів є ліки, що модифікують перебіг захворювання (це переклад з англійської - disease modifying antirheumatic drugs, скорочено DMARDS). Якщо нестероїдні антиревматичні засоби – це ліки, які спрямовані головним чином проти симптомів та порушень, що є наслідком хвороби (тому і говорять про симптоматичне лікування), то ліки групи DMARDS – це засоби, які безпосередньо втручаються у тканинні зміни, причому насамперед при ревматоїдному артриті. Від них очікується припинення деформації суглобового хряща та кістки, запобігання незворотним змінам, які можуть призвести до інвалідності хворого. Іноді їх називають «повільно діючими», оскільки, на відміну нестероїдних антиревматичних засобів, вони діють через певний період. Це означає, що до того, як проявиться лікувальний ефект, приймати препарати слід кілька тижнів або місяців, після чого покращується загальний стан хворого, зменшуються болючі набряки суглобів. Лікар може спостерігати за цими поліпшеннями за лабораторними аналізами та рентгенівськими знімками.

Раніше ця група ліків застосовувалася лише для хворих на ревматоїдний артрит, перебіг захворювання у яких викликав велику тривогу, тобто на пізніших стадіях захворювання. Сьогодні ж перемагає думка, що приступати до лікування за допомогою цих засобів слід уже на початкових стадіях ревматоїдного артриту. На користь більш раннього початку застосування модифікуючого перебігу захворювання ліки свідчить і те, що більшість лікарських засобів цієї групи можна приймати лише обмежений період часу, зазвичай один-два роки, після чого або зменшується їхня лікувальна ефективність, або проявляються небажані побічні ефекти. У зв'язку з цим його слід замінювати іншими ліками цієї групи. На щастя, існує вісім подібних ліків, і тому їх можна успішно чергувати. До них відносяться ін'єкційні розчини солей золота, золото в таблетках, антималярійні засоби (гідроксихлорохін), пеніциламін, сульфасалазин, метотрексат, азатіоприн та циклофосфамід. У Чехії найпопулярнішими завжди були ін'єкційні розчини солей золота, але широко застосовуються інші вищезгадані лікарські засоби. У останні роки на перше місце за поширеністю вийшов метотрексат. Азатіоприн та циклофосфамід призначені для лікування лише важких форм захворювання.

Солі золота. У нас застосовуються з'єднання, в яких металеве золото пов'язане із сіркою. На ринку присутні золотовмісні ліки під назвами «Тауредон», «Міохрісін», раніше широко застосовувалися «Санохрісін» та «Сольганал».

Дозування: зазвичай ін'єкції солей золота проводяться хворим на ревматоїдний артрит один раз на тиждень з поступовим збільшенням дози. Через місяць (після чотирьох ін'єкцій) досягається оптимальне дозування, а саме 50 мг ліків. Після цього одна ін'єкція 50 мг ліки робиться через 20 тижнів (тобто досягається введення в організм 1 г ліків). Потім лікар призначає дози, що підтримують, тобто ін'єкції золота здійснюються через більш тривалі проміжки часу - від 14 днів до 1 місяця. Це лікування продовжується, поки дає хворому полегшення і поки що досить добре їм переноситься.

Небажані побічні ефекти: золото поступово накопичується в тканинах суглоба та інших тканинах організму і утворюється свого роду його запас. Щоб отримати лікувальний ефект, запас золота в організмі має досягти певної величини. Лікувальний ефект проявляється зазвичай у період до 3 місяців від початку ін'єкцій золота. До основних небажаних побічних ефектів належать поява на шкірі висипу, зміни слизових оболонок, ознаки ураження нирок та кровотворних органів. На шкірі небажані ефекти часто проявляються у вигляді корости, може з'являтися висипка у вигляді дрібних, червоних, плям, що сверблять. Іноді поява небажаної реакції супроводжується запаленням слизової оболонки ротової порожнини. Поразка нирок проявляється наявністю в сечі білка. Тому зараз перед кожною ін'єкцією сеча піддається лабораторному аналізу. Серйозним побічним небажаним ефектом може стати порушення роботи кровотворних органів – перешкоди утворенню лейкоцитів, еритроцитів та тромбоцитів. Лейкоцити відповідають за захист організму від інфекції, тому їх брак призводить до виникнення інфекційних процесів. Тромбоцити забезпечують правильну згортання крові, і при їх нестачі хворий страждає від підвищеної крововтрати. У зв'язку із цим перед кожною ін'єкцією необхідно зробити загальний аналіз крові. Після припинення лікування всі ці небажані побічні ефекти – як у ділянці нирок, так і кровотворних органів – припиняються. Останнім часом вони взагалі виявляються дуже рідко. Проведене під ретельним лікарським контролем, що зрозуміло, оскільки хворий приходить до лікаря на ін'єкції солей золота й у проведення аналізу крові та сечі, лікування солями золота щодо безпечно.

Деякі рекомендації: при лікуванні солями золота хворий повинен мати великий терпіння, оскільки поліпшення його стану настає поступово, тільки через 3 місяці, а іноді і через 5 (після введення початкової дози), але, з іншого боку, довго зберігається, а іноді може залишатись і після припинення лікування. В даний час стало необхідним зважати на вартість подібних процедур, особливо на вартість аналізів сечі та крові, так що деякі хворі будуть вітати, якщо лікар передасть їм необхідні для аналізів пристосування, щоб з їх допомогою вони самі могли вдома досліджувати сечу на наявність в ній білка .

Ауранофін («Рідаура»). Золотовмісний засіб у капсулах по 3 мг активної речовини.

Дозування приймається в середньому по дві капсули на день, тобто 6 мг препарату. Ефект настає, як і в інших ін'єкційних засобів, за кілька місяців.

Небажані побічні ефекти: приблизно у третини хворих можуть виникати проноси. У 10-20% хворих це призводить до припинення прийому аурнофіну. Його недоліком є ​​те, що оскільки хворому не обов'язково відвідувати лікаря, аналізи крові та сечі проводять не регулярно, що є певною небезпекою.

Пеніциламін. Йдеться про речовину, що утворюється під час виробництва антибіотика пеніциліну. На ринку є таблетки по 250 мг активної речовини.

Дозування: пеніциламін зазвичай приймається по одній таблетці на день, а через 3-4 тижні доза збільшується до 2, а потім 3 таблеток. Великі щоденні дози використовуються дуже рідко.

Небажані побічні ефекти: вони подібні до небажаних ефектів при застосуванні солей золота. До найчастіше зустрічаються висип на шкірі, виведення білків із сечею і скорочення утворення тромбоцитів. Пеніциламін послаблює сполучні тканини, тому деякі рани у хворих гірше гояться і оперативне втручання слід проводити (по можливості) тільки після припинення лікування.

Деякі рекомендації: слід знову виявляти терпіння, оскільки лікувальний ефект настає іноді через досить тривалий термін, десь між 3 та 9 місяцем. Приблизно 75% хворих можуть продовжувати лікування, у решти виникають небажані побічні ефекти. Чим більша щоденна доза, тим більша небезпека виникнення цих побічних явищ.

Хлорохін фосфат та гідроксихлорохін («Делагіл», «Резохін», «Плаквеніл»). У цьому випадку йдеться про ліки, що належать до групи протималярійних, тобто засобів, що застосовуються при лікуванні малярії. Їхня лікувальна ефективність при ревматоїдному артриті ж деяких інших ревматичних захворюваннях була виявлена ​​випадково, коли від малярії лікували хворого, який також страждав на ревматоїдний артрит. На подив лікаря, що при загальному антималярійному лікуванні почали зменшуватися і хворобливі набряки суглобів. Це сталося 1953 р., і з того часу протималярійні засоби постійно використовуються при лікуванні ревматичних захворювань.

Показання: при лікуванні хворих на легку форму ревматоїдного артриту ці засоби застосовуються, як правило, як перші, що модифікують перебіг захворювання, ліків. Вони також застосовуються і при деяких загальних ревматичних захворюваннях, таких як системний червоний вовчак (див. розділ про системні захворювання сполучної тканини).

Дозування: дуже просте, оскільки приймається одна таблетка хлорохіну фосфату («Делагіла», «Резохіна») або одна таблетка гідроксих-лорохіну (200 мг) на день.

Небажані побічні ефекти: протималярійні засоби є найбільш легко переносимими ліками з усієї групи, що модифікують перебіг захворювання лікарських засобів. Іноді, дуже рідко, можуть з'являтися біль у шлунку та висипання. Найбільш серйозною є небезпека поразки зору, що, проте, під час лікування з допомогою протималярійних засобів буває надзвичайно рідко. У зв'язку з цим необхідно регулярно перевірятись у окуліста з дослідженням стану очного дна.

Деякі рекомендації: як і інші препарати, що модифікують перебіг захворювання, щоб проявився їх лікувальний ефект, протималярійні засоби необхідно приймати принаймні 3 місяці, а іноді і довше. Підвищений ризик прояву небажаних побічних ефектів піддаються хворі похилого віку. Рекомендується оберігати очі шляхом носіння сонцезахисних окулярів і крислатих капелюхів.

Сульфасалазін (Азальсульфідин). У торгову мережу надходить у таблетках по 500 мг активної речовини і призначений для лікування ревматоїдного артриту, хоча спочатку застосовувався і ло досі використовується для лікування деяких кишкових захворювань запального характеру, особливо товстої кишки.

Дозування: сульфасалазин приймається спочатку дозуванням по одній таблетці на день, а через кожні 14 днів доза збільшується на одну таблетку аж до щоденного прийому 4-6 таблеток.

Небажані побічні ефекти: сульфасалазин близький до протиінфекційних ліків із групи сульфонамідів, і тому його не слід приймати хворим з підвищеною реакцією на ці лікарські препарати.

Наступна група ліків, що модифікують перебіг захворювання, називається імунодепресивними засобами і призначається в деяких випадках при ревматоїдному артриті. Назва показує, що йдеться про речовину, яка пригнічує імунні захисні процеси, за допомогою яких організм захищається від вірусів та чужорідних частинок. У перших розділах ми вже говорили про роль змінених захисних реакцій у розвитку запальних ревматичних захворювань, коли ці імунні реакції стають некерованими та спрямовані проти власних тканин організму, натомість, щоб їх захищати. Тому й рекомендується застосування імунодересресивних речовин, які за своєю природою отруйні і знищують ряд клітин (включаючи і пухлинні), які відіграють певну роль в імунних реакціях. Їхня дія дещо нагадує вплив радіоактивного опромінення або рентгенівських променів. Клітини перестають ділитися. Недоліком цих препаратів є те, що вони можуть уражати і клітини, необхідні та корисні для правильної роботи організму. Насамперед це клітини кісткового мозку, де утворюються лейкоцити, еритроцити та тромбоцити. Іншою небезпекою є інфекція, яка відрізняється від інфікування здорових людей. Може бути вірусна інфекція з виникненням герпесу, що оперізує (лишая) або різні грибкові інфекції (мікози). Хворі, які приймають імунодепресивні ліки, часто дуже тяжко переносять ці інфекції. Тривале лікування імунодепресивними препаратами пов'язане із підвищеною небезпекою виникнення ракових пухлин. Цій небезпеці не наражаються на ревматичні хворі, які приймають імунодепресанти протягом відносно коротких проміжків часу.

Слід також зазначити, що найбезпечніші в цьому відношенні імунодепресивні ліки - метотрексат. Його застосування в нашій країні при ревматоїдному артриті та інших тяжких системних ревматичних захворюваннях запального характеру поступово розширюється. У США також зростає кількість хворих, яких лікують у такий спосіб вже 5-10 років, і американські лікарі оцінюють свої досягнення та невдачі у лікуванні за допомогою метотрексату на великих вибірках. Виявляється, що метотрексат є ефективним лікарським засобом із відносно невеликим ризиком для стану здоров'я хворого.

Метотрексат. На нашому ринку є таблетки по 2,5 мг.

Показання: при ревматоїдному артриті, імунобумовлених запаленнях м'язів, запаленнях суглобів з псоріазом (лускатий лишай).

Дозування: метотрексат призначається або у вигляді ін'єкцій, або у таблетках. Спосіб дозування нагадує лікування солями золота, оскільки він приймається один раз на тиждень як внутрішньом'язові або внутрішньовенні ін'єкції. При призначенні метотрексату у таблетках вся доза приймається один раз на тиждень, причому у два-три прийоми з інтервалом о 12 годині. Скільки таблеток необхідно у кожному конкретному випадку, вирішує лікар.

Небажані побічні ефекти: виникнення інфекції, запалення слизової оболонки ротової порожнини, іноді з виразками. Певною загрозою є можливість ураження печінки, хоча й доведено, що при дозуванні, що застосовується при даному захворюванні, ризик суттєво зменшується. Подібні проблеми виникали у минулому, коли метотрексат приймався у таблетках щодня. Проте лікар проводить аналізи крові кожні шість днів, причому аналіз спрямований на контроль за роботою печінки. Дуже рідко виникають ураження легень, розвитку ракових пухлин в результаті застосування метот-рексату описано не було.

Деякі рекомендації: зважаючи на несприятливий вплив алкоголю на печінку, рекомендується під час прийому метотрексату взагалі не вживати алкогольних напоїв або обмежити їх споживання до мінімуму. Метотрексат приймати лише строго за призначенням та під контролем лікаря.

Азатіоприн («Імуран»-). Застосовується у таблетках по 50 мг. Ці ліки призначені для лікування тяжких форм ревматоїдного артриту та деяких системних ревматичних захворювань запального характеру.

Дозування: зазвичай по 2-3 таблетки (100 – 150 мг) на день.

Небажані побічні ефекти: можливість виникнення інфекції, проблем шлунково-кишкового тракту, погіршення роботи кровотворних органів. У зв'язку із цим слід регулярно проводити аналізи крові. У жодному разі не можна приймати азатіоприн у поєднанні з алопуринолом, ліками, що знижують рівень сечової кислоти (див. у розділі про захворювання суглобів, що викликаються кристалами). Таке поєднання може становити небезпеку для життя. Не приймати препарат без призначення лікаря: це може призвести до небезпечних наслідків.

Циклофосфамід. Це найактивніший імунодепресивний засіб, який приймається лише при найважчих формах ревматоїдного артриту. Випускається у таблетках по 50 мг.

Дозування: існують різні схеми прийому препарату, частіше призначають його щодня; дозу та частоту прийому вирішує лікар.

Небажані побічні ефекти: можуть бути небезпечними, і тому циклофосфамід приймається лише у виняткових випадках і при ретельному лікарському контролі, спрямованому на дослідження складу крові (є можливість придушення утворення кров'яних тілець), сечі (при попаданні циклофосфаміду в сечу іноді виникають крововиливи в сечі) . Хворим у продуктивному віці слід подбати про застосування протизаплідних засобів, оскільки циклофосфамід ушкоджує сперматозоїди та яйцеклітини. Іноді застосування циклофосфаміду викликає випадання волосся.

Деякі рекомендації: циклофосфамід слід застосовувати завжди з достатньою кількістю рідини, щоб його отруйні похідні зменшили свою концентрацію та не дратували сечовий міхур. Його не слід приймати на ніч, коли сеча стає більш концентрованою.

Базисні протиревматичні препарати (БПРП), що модифікують захворювання, є групою препаратів, які зазвичай використовуються у пацієнтів з ревматоїдним артритом (РА). Деякі з цих препаратів також використовуються для лікування інших станів, таких як , і системний червоний вовчак. Вони допомагають зменшити біль та запалення, зменшити або запобігти пошкодженню суглобів, а також зберегти структуру та функцію суглобів.

Що таке базисні протиревматичні препарати

Вони працюють, щоб придушити надактивні імунні чи запальні системи організму. Вони набирають чинності протягом тижнів чи місяців і призначені для негайного полегшення симптомів.

Інші ліки, такі як знеболювальні засоби (наприклад, ібупрофен або напроксен), а іноді і преднізон, забезпечують швидке полегшення поточних симптомів. БПРП часто використовуються у поєднанні з цими препаратами, щоб зменшити загальну кількість необхідних ліків та запобігти пошкодженню суглобів.

Модифікуючі захворювання протиревматичні препарати

Вибір БПРП залежить від ряду факторів, включаючи стадію та тяжкість загального стану, баланс між можливими побічними ефектами та очікуваними перевагами, а також перевагу пацієнта. Перед початком лікування пацієнт та лікар повинні обговорити переваги та ризики кожного типу терапії, включаючи можливі побічні ефекти та токсичність, графік дозування, частоту моніторингу та очікувані результати. Певні тести, у тому числі аналізи крові на попередні впливи певних інфекцій, можуть знадобитися до початку прийому деяких з цих ліків.

У деяких випадках використовують одні базисні протиревматичні препарати. В інших випадках можна рекомендувати більше одного ліки. Іноді пацієнт повинен спробувати різні ліки чи комбінації, щоб знайти той, який працює найкраще, та має найменші побічні ефекти. Пацієнту, який не відповідає повністю на один БПРП, може бути призначена комбінація БПРП, наприклад, метотрексат плюс інші ліки.

Найбільш поширеними ліками є метотрексат, сульфасалазин, гідроксихлорохін та лефлуномід. Найменш часто використовувані ліки включають солі золота, азатіоприн і циклоспорин.

Метотрексат спочатку використовувався як хіміотерапія для лікування раку. При використанні в більш низьких дозах для ревматоїдного артриту та інших ревматичних захворювань метотрексат працює для зменшення запалення та зменшення ушкодження суглобів. Його зазвичай приймають один раз на тиждень як таблетки, рідини або ін'єкції. Метотрексат можна комбінувати з іншими препаратами або за допомогою біологічних агентів, якщо він недостатньо контролює хворобу пацієнта.

Загальні побічні ефекти включають розлад шлунка та біль у роті. Метотрексат може проводити продукцію клітин крові кісткового мозку. Низький рівень лейкоцитів може спричинити лихоманку, інфекції, опухлі лімфатичні вузли та легкі крововиливи та кровотечі. Пошкодження печінки або легенів може виникати навіть при низьких дозах і, отже, потребує контролю. Люди, які використовують метотрексат, категорично не рекомендують вживати алкогольні напої через підвищений ризик ураження печінки цією комбінацією. Пацієнти не повинні вагітніти при прийомі метотрексату.

Спостереження знижує ризик довгострокового ушкодження метотрексатом. Тестування проводиться на початок лікування, щоб визначити, чи було виявлено зараження деякими інфекціями. Рентген грудної клітки також рекомендується перед початком лікування та рекомендується регулярні аналізи крові. Приймаючи метотрексат, усі пацієнти повинні приймати фолієву кислоту 1 мг на день або 5 мг на тиждень, щоб зменшити ризик певних побічних ефектів, таких як розлад шлунка, запалення горла, кількість лейкоцитів та аномальна функція печінки.

Сульфасалазин – використовується при лікуванні ревматоїдного артриту та артриту, пов'язаного з анкілозуючим спондилітом та запальним захворюванням кишечника (виразковий коліт та хвороба Крона). Неясно, як працює сульфасалазин. Він може поєднуватися з іншими базовими протиревматичними препаратами, якщо людина відповідає адекватно однією препарат. Він приймається у вигляді таблетки двічі-чотири рази на день, і його зазвичай починають з низької дози і повільно підвищують для мінімізації побічних ефектів.

Побічні ефекти сульфасалазину включають зміни у складі крові, нудоту або блювання, чутливість до сонячного світла, висипання на шкірі і головні болі. Люди, які страждають на алергію на препарати сульфаніламіди, такі як сульфаметоксазол — триметоприм, можуть мати перехресну реакцію з сульфасалазином і тому не повинні приймати його. Періодичні рекомендується контролювати аналіз крові на регулярній основі.

Сульфасалазін – жовто-оранжевий колір; пацієнти, які його приймають, можуть помітити, що їх сеча, сльози та піт розвивають помаранчевий відтінок, він може пофарбувати одяг та контактні лінзи. Пацієнти повинні пити багато рідини, приймаючи сульфасалазин та уникати прийому його на порожній шлунок або з антацидами.

Гідроксихлорохін- Спочатку розроблений як лікування малярії, пізніше був виявлений для покращення симптомів артриту. Його можна використовувати на початку РА та часто використовують базисні протиревматичні препарати у комбінації. Він також дуже часто використовується для лікування. Його можна комбінувати із стероїдними препаратами, щоб зменшити кількість необхідного стероїду. Зазвичай його приймають у вигляді таблеток один або двічі на день.

Приймаючи високу дозу гідроксихлорохіну протягом тривалих періодів часу може збільшити ризик пошкодження сітківки ока, хоча високі дози зазвичай не потрібні для лікування ревматоїдних станів або вовчаку. Перед початком лікування рекомендується проводити огляд очей офтальмологом та періодично після цього. Зазвичай проводиться обстеження очей раз на рік.

Лефлуномид – гальмує продукцію запальних клітин зменшення запалення. Він часто використовується один, але може використовуватися в поєднанні з метотрексатом для людей, які адекватно не відповіли метотрексату окремо або разом з біологічним агентом. Приймається перорально раз на день.

Побічні ефекти включають висипання, тимчасову втрату волосся, пошкодження печінки, нудоту, діарею, втрату ваги та біль у животі. Тестування на предмет попереднього впливу гепатиту та регулярного аналізу крові під час терапії необхідне контролю за пошкодженням печінки та іншими токсичними явищами. Пацієнти не повинні вагітніти при прийомі лефлуноміду або поки він виявляється в організмі.

Азатіоприн - застосовувався при лікуванні раку, РА, вовчаку та ряду інших запальних захворювань з 1950-х років. Він також використовувався при трансплантації органів для запобігання відторгненню трансплантованого органу. Азатіоприн зазвичай призначений для пацієнтів, які не відповіли на інші види лікування.

Найбільш поширеними побічними ефектами є нудота, блювання, зниження апетиту, аномалії функції печінки, низькі показники лейкоцитів та інфекція. Зазвичай приймають перорально раз на чотири години щодня. Аналіз крові рекомендується під час лікування азатіоприном.

Циклоспорин був спочатку розроблений для запобігання відторгнення після трансплантації органів. Він працює у пацієнтів з ревматоїдним артритом, щоб пригнічувати Т – лімфоцити, клітину, яка сприяє запаленню, пов'язаному з ревматоїдним артритом. Існує занепокоєння щодо довгострокової безпеки циклоспорину та його зв'язку із захворюванням нирок та високим кров'яним тиском, тому він зазвичай призначений для пацієнтів, які не відповіли на інші види лікування. Зазвичай його приймають перорально у вигляді таблетки або рідкої форми двічі на день; також доступна ін'єкційна форма. Він іноді використовується для лікування захворювань нирок через вовчак.

Побічні ефекти включають високий кров'яний тиск, набряк, пошкодження нирок, збільшення росту волосся, нудоту, діарею та печію. Пацієнти повинні регулярно контролювати артеріальний тиск та функцію нирок.

Біологічні агенти

Іншим класом ліків, що використовуються у людей з і пов'язаними з ним запальними, є біологічні агенти. Іноді їх називають біологічні базисні протиревматичні препарати, включаючи етанерцепт, адалімумаб, інфліксімаб, які є частиною класу препаратів, які називаються інгібіторами фактору некрозу пухлини (TNF), та інших агентів з різними цілями, включаючи анакінри, абатацепт. Інша група БПРП, яка називається інгібіторами кінази, включає тофацитініб. Біологічний БПРП або інгібітор кінази часто поєднуються з метотрексатом чи іншими ліками підвищення ефективності.

Для цитування:Бадокін В.В. Основні симптом-модифікуючі препарати уповільненої дії в терапії остеоартрозу // РМЗ. 2011. №12. С. 725

Остеоартроз (ОА) є основною нозологічною формою дегенеративних захворювань суглобів. Він зустрічається більш ніж у 70% хворих віком 65 років і частіше виявляється рентгенологічна симптоматика цього захворювання. ОА залучає до орбіти свого патологічного процесу насамперед навантажувальні (колінні і тазостегнові) суглоби і цим значно погіршує якість життя хворих, призводить до інвалідизації, передусім осіб похилого віку. Він представляє серйозну соціально-економічну проблему, будучи однією з основних причин стійкої втрати працездатності. За даними EULAR (2003), ризик непрацездатності внаслідок остеоартрозу колінних суглобів дорівнює ризику, пов'язаному із захворюваннями серця, і знаходиться на 4 місці серед основних причин непрацездатності у жінок та на 8 місці – у чоловіків. Віддалений прогноз ОА у конкретних хворих важко передбачити, включаючи перебіг окремих клінічних симптомів, прогресування рентгенологічних (струк-турних) змін та порушення якості життя.

ОА розглядається як мультифакторіальне захворювання, у розвитку якого беруть участь різні фактори (механічні, гормональні, генетичні). Внесок цих факторів у розвиток, окремі прояви та результат цього захворювання у конкретних хворих надзвичайно варіабельний. Добре відомо, що при гонартрозі, коксартрозі та артрозі дрібних суглобів кистей беруть участь різні фактори ризику. Це дало можливість деяким авторам розглядати ОА як гетерогенну групу захворювань суглобів різної етіології, але з подібними біологічними, морфологічними та клінічними ознаками та загальним результатом. В основі остеоартрозу лежить порушення рівноваги між анаболічними та катаболічними процесами в тканинах суглоба, і насамперед у гіаліновому хрящі – основному та первинному плацдармі патологічних змін. Захворювання характеризується хронічною повільно прогресуючою течією і призводить до зменшення обсягу гіалінового хряща, аж до повної втрати.
Патогенез первинного остеоартрозу багато в чому розшифрований (зокрема молекулярні механізми його розвитку). Вирішальне значення надається хронічному навантаженню суглобів, включаючи їх мікро-і макротравматизацію. Це призводить до порушення активності хондробластів та хондроцитів, а потім до недостатнього синтезу протеогліканів хондроцитами, а також кількісного та якісного порушення утворення глікозаміногліканів та протеогліканових агрегатів. З іншого боку, спостерігаються зміни у субхондральній кістці, розвивається її склероз, що ще більше збільшує навантаження на уражений суглоб. Важливе значення має активація матричних протеїназ (колагенази, фосфоліпази А2), гіперекспресія прозапальних цитокінів (інтерлейкіну-1 та фактору некрозу пухлини-α), дефіцит протизапальних цитокінів, наприклад, трансформуючого фактора рос-та-β та інгібуючих процеси у ураженому хрящі. Певну роль у патогенетичному каскаді остеоартрозу належить супероксидним радикалам, зменшенню синтезу синовіоцитами гіалуронової кислоти, а також гіперпродукції простагландину Е2, що поряд з іншими факторами сприяє запаленню в тканинах суглоба, стимулює активність остеобластів і ін.
Патологічні зміни при остеоартрозі (ОА) відбивають як ушкодження тканин суглоба, і реакцію цього ушкодження. Хоча найбільш виражені зміни відбуваються у суглобовому хрящі, але у патологічний процес залучаються всі тканини суглоба та періартикулярні м'які тканини. Крім дегенерації та зменшення обсягу гіалінового хряща, спостерігається запалення синовіальної оболонки, а також кісткове ремоделювання з субхондральним склерозом, формуванням остеофітів та субхондральних кіст, фіброз суглобової капсули, дегенерація менісків, періартикулярна м'язова. Крім цього, у патологічний процес залучаються зв'язки, ентези, чутливі нерви.
Зацікавлення всіх структур, що становлять суглоб, який можна розглядати як самостійний орган, призводить до різних механізмів виникнення болю – одного з провідних симптомів цього захворювання. Так, ураження субхондральної кістки сприяє розвитку болю шляхом виникнення внутрішньокісткової гіпертензії та мікропереломів, сформовані остеофіти призводять до травмування чутливих нервів, а ураження періартикулярних м'язів супроводжується їх спазмом. Однак найважливіше значення походження болю належить запаленню, яке має першорядне значення у розвитку та прогресуванні ОА.
Запальний процес локалізується не тільки в синовіальній оболонці, а й у хрящі, кістці та в периартикулярних м'яких тканинах, включаючи суглобову капсулу, зв'язки та сухожилля, що супроводжується відповідно розвитком синовіту, хондриту, оститу та періартриту. Багатоплановий характер ураження при ОА став більш доказовим із запровадженням у клінічну практику нових технологій, зокрема магнітно-резонансної томографії (МРТ). МРТ допомагає визначити фенотип ОА, уточнити взаємини між болем та структурними змінами при цій хворобі, візуалізувати топіку ураження та ідентифікувати мішені для терапії. Цей метод дозволяє виявити морфологічні зміни у різних тканинах суглоба за наявності мінімальних рентгенологічних змін або навіть за їх відсутності. Поки мало відомо про клінічну значущість МРТ симптоматики, але все ж таки ясно, що зміни кісткового мозку асоціюються з високою швидкістю рентгенологічного прогресування ОА, а біль корелює з синовітом та набряком кісткового мозку (ймовірно, внутрішньокістковою гіпертензією).
Лікування цього захворювання є комплексним та включає нефармакологічні, фармакологічні та клінічні методи. До методів фармакотерапії відносяться неопіоїдні та опіоїдні анальгетики (парацетамол, трамадол), системні нестероїдні протизапальні препарати (НПЗП), локальна терапія (капсаїцин, НПЗП, димексид), так звані хондропротектори (симптом-модифікуди гіалуронової кислоти), експериментальна терапія (модулятори біологічної відповіді, препарати, що впливають на метаболізм кісткової тканини).
З симптом-модифікуючих препаратів уповільненої дії першорядне значення мають природні компоненти хрящової міжклітинної речовини – глюкозамін та хондроїтин сульфат, які є найбільш вивченими серед препаратів цієї групи та більш доказовими. Їх відносять до специфічних протиартрозних засобів, які характеризуються більш повільним розвитком симптом-модифікуючої дії, вираженим післядією, коли після припинення лікування ефект зберігається протягом 4-8 і більше тижнів і найголовніше - вони мають потенційні структурно-мо-дифікуючі (хондропротективні). ) властивостями . Отже, глюкозамін і хондроїтину сульфат не тільки активно впливають на основні клінічні прояви цього захворювання (а саме), пригнічують біль і нормалізують функцію уражених суглобів, а й уповільнюють темпи прогресування ОА, нормалізують або стабілізують структурні зміни в гіаліновому хрящі, попереджено (Табл. 1).
Найбільш солідну доказову базу має глюкозамін. Він є моносахаридом та природним компонентом глікозаміногліканів суглобового матриксу та синовіальної рідини. Глюкозамін має специфічний вплив на остеоартритичний хрящ і стимулює синтез хондроцитами повноцінного екстрацелюлярного матриксу, і насамперед найважливішою його складовою - протеогліканів та гіалуронової кислоти (табл. 2). Він достовірно знижує активність катаболічних ензимів у хрящі, включаючи матриксні металопротеїнази.
Глюкозамін синтезується з хітину морського походження і містить кілька солей. У лікувальній практиці застосовуються дві його солі - сульфат та гідрохлорид. Глюкозамін сульфат є чистою субстанцією з молекулярною вагою 456.46 і являє собою сульфатований дериват природного аміномоносахариду глюкозаміну. Він є нормальним компонентом глюкозаміногліканів і протеогліканів, а також субстратом для синтезу ланцюгів глікозаміногліканів, аггрекану та інших компонентів хряща. При прийомі внутрішньо або при парентеральному введенні він накопичується у суглобовому хрящі. Його характеризує швидке всмоктування зі шлунково-кишкового тракту. Абсолютна біодоступність після першого проходження через печінку становить 26%. При внутрішньом'язовому введенні концентрація глюкозаміну сульфату зазвичай у 5 разів вища, ніж при його прийомі per os.
У систематичному Кокрановському огляді, в якому аналізувалися найбільш значущі дослідження з вивчення ефективності та переносимості глюкозаміну, дано високу оцінку його симптоматичної дії. Ефективність глюкозаміну достовірно вища порівняно з плацебо в плані зменшення інтенсивності болю в суглобах, поліпшення індексу Лекена, а також відсотка хворих, які відповіли на терапію, що проводиться. У той же час не отримано достовірних результатів при порівняльній оцінці ефективності глюкозаміну та плацебо за такими параметрами, як зменшення болю за шкалою індексу WOMAC, скутістю, а також покращення функції уражених колінних суглобів.
Говорячи про глюкозамін, не можна обійти два солідні дослідження, в яких був зареєстрований структурно-модифікуючий ефект цього препарату. У першому з цих досліджень 212 хворих були рандомізовані на 2 групи, які регулярно протягом 3 років приймали сульфат глюкозамін або плацебо. Ширина суглобової щілини збільшилася до кінця дослідження на 0,12 мм в основній групі, що приймають сульфат глюкозаміну, а в групі плацебо - зменшилася на 0,24 мм. Ці дані свідчать як про симптом-модифицирующей, а й структурно-модифицирующей ефективності цього препарату, тобто. його можливості активно впливати на темпи прогресування ОА. Однак далеко не у всіх хворих при багаторічному лікуванні глюкозамін вдалося досягти зниження темпів рентгенологічного прогресування. Так, після трирічного безперервного прийому цього препарату спостерігалося швидке прогресування захворювання у 15% хворих, при цьому звуження суглобової щілини перевищувало 0,5 мм. Фактори ризику такої агресивної течії ОА поки що не ідентифіковані. Слід також зазначити, що терапевтична активність глюкозаміну показана лише у хворих із гонартрозом, але не коксартрозом.
Пізніше структурно-модифікуючий ефект глюкозаміну було отримано Pavelka та співавт. . Побічно ці дані підтверджуються результатами тривалого (в середньому 8-річного) спостереження за хворими, які лікувалися глюкозаміном у перші 3 роки спостереження. У наступні 5 років ендопротезування колінного суглоба було піддано 10,2% хворих основної групи та 14,5% - контрольної.
Глюкозаміну сульфат має гарний профіль переносимості і високу безпеку. У всіх протоколах досліджень та мета-аналізах не було статистичних чи клінічно значущих відмінностей кількості та виразності небажаних явищ порівняно з плацебо. У той самий час у порівняльних дослідженнях було показано превалювання небажаних явищ прийому НПЗП, ніж глюкозаміну . Мета-аналіз рандомізованих контрольованих випробувань показав, що найчастіше зустрічаються гастроентерологічні побічні ефекти, які, як правило, мають слабко виражений характер. Відміна лікування через непереносимість препарату зустрічалася у поодиноких випадках. Кардіоваскулярні явища спостерігалися у хворих похилого віку, але вони також зустрічалися не частіше, ніж у осіб, які отримують плацебо. Глюкозамін сульфат не збільшував резистентність до інсуліну.
Інший структурний аналог хряща - хондроїтину сульфат також відноситься до симптоматичних препаратів уповільненої дії. Він є сульфатованим мукополісахаридом і входить до складу протеогліканових комплексів, які синтезуються хондроцитами. Для повноцінної функції хрящової тканини необхідно мати 2 умови: 1) достатню кількість хондроцитів та 2) вони повинні бути активними в метаболічному плані та синтезувати достатню кількість позаклітинного матриксу. До складу матриксу і входить хондроїтин сульфат. Завдяки наявності карбоксильної та сульфатної груп глікозамінглікани і, зокрема, хондроїтин сульфат, мають виражену гідрофобність, а це, у свою чергу, сприяє нормальному функціонуванню хряща та збереженню ним еластичних властивостей. При прийомі внутрішньо він у високих концентраціях визначається синовіальної рідини. Його біологічна активність багато в чому близька до глікозаміну.
Рівень доказовості хондроїтину сульфату щодо модифікації симптомів ОА настільки ж високий, як і у глюкозаміну сульфату (IA), що було відображено у рекомендаціях EULAR 2003 . Leed B.F. та співавт. провели мета-аналіз 7 контрольованих клінічних досліджень, в яких взяли участь 703 хворих з ураженням великих суглобів (колінних і тазостегнових), при цьому 372 хворих лікувалися хондроїтин сульфатом і 331 приймали плацебо. Тривалість терапії коливалася від 3 до 12 міс., а доза препарату – від 800 до 2000 мг на добу. Ефективність хондроїтину сульфату виявилася достовірно вищою порівняно з плацебо за такими показниками, як біль за ВАШ, індекс Лекена та глобальної оцінки результатів лікування хворим. У цьому огляді аналізувалась і переносимість препарату, яка виявилася гарною та була порівнянна з плацебо. Небажані явища включали болі в животі (у 18 з 349 хворих), діарею (у 7), запори (у 2), шкірні симптоми (у 4), набряки повік (у 1), набряки нижніх кінцівок (у 1) ), алопецію (у 1) та екстрасистолію (у 1).
Uebelhart D. та співавт. оцінювали ефективність та переносимість двох курсів терапії оральним хондроїтин сульфатом тривалістю по 3 міс протягом 1 року в рандомізованому подвійному сліпому, мультицентровому, плацебо-контрольованому дослідженні у 120 хворих із симптоматичним ОА колінного суглоба. Первинну ефективність розглядали за оцінкою альго-функціонального індексу Лекена, а вторинну – за динамікою ВАШ, швидкістю проходження певної відстані, глобальною оцінкою ефективності терапії, потреби в парацетамолі. Ширину суглобової щілини оцінювали медіальному відділі тибио-феморального суглоба. В аналіз intent-to-treat було включено 110 із 120 хворих. До кінця спостереження альго-функціональний індекс зменшився в основній групі на 36% та в контрольній - на 23%. Подальший аналіз показав, що хондроїтину сульфат мав не тільки достовірну симптом-модифікуючу, але і структурно-модифікуючу дію. До кінця року відзначалося подальше зменшення суглобової щілини у хворих, які приймали плацебо, чого не було зафіксовано на фоні терапії хондроїтином.
Хондропротективна дія хондроїтину сульфату знаходить своє вираження у так званому післядії препарату, тобто. зниження симптоматики ОА , що триває після припинення лікування цим препаратом . Автор підкреслює, що структурно-мо-дифікуючий ефект цього препарату доведений як в експериментальних, так і в клінічних дослідженнях, причому позитивною властивістю хондроїтину є його низька токсичність навіть при тривалому застосуванні.
До комбінованих препаратів з хондропротективною активністю відносяться артра, кондронова та терафлекс. Терафлекс (Bayer, Німеччина) включає 500 мг глюкозаміну гідрохлориду і 400 мг натрію хондроїтину сульфату. Він призначається по 2 капсули 2 рази на добу протягом перших 3-4 тижнів, а потім по 2 капсули на добу. Тривалість прийому зазвичай становить 6 міс.
Терапевтична активність Терафлексу доведена у кількох клінічних дослідженнях. У відкритому дослідженні, проведеному Інституті ревматології РАМН Л.І. Беневоленської та співавт., вивчалася ефективність, переносимість та безпека Терафлексу у 50 хворих з гон- та коксартрозом. Усі хворі мали клінічно виражений остеоартроз із больовим синдромом, ранковою ригідністю та функціональною недостатністю опорно-рухового апарату, а також потребою у прийомі НПЗП. Тривалість спостереження становила 6 міс, причому у перші 4 міс хворі приймали по 2 капсули Тера-флексу разом із 1200 мг ібупрофену. При отриманні позитивного ефекту можна було знижувати добову потребу в ібупрофені аж до повного скасування. До кінця 4 місяців безперервної терапії Терафлекс привів до достовірного зниження сумарного індексу WOMAC, при цьому спостерігалася істотна позитивна динаміка інтенсивності болю в суглобах, ранкової скутості та функціональної недостатності уражених суглобів. У 26 із 50 хворих вдалося знизити добову потребу в ібупрофені. За оцінкою хворих, поліпшення до кінця другого місяця. терапії спостерігалося у 77,8% випадків і до кінця четвертого – у 74,4%, а за оцінкою лікаря – у 88,6 та 83,7% відповідно. Цікаво, що в наступні 2 місяці після припинення лікування продовжувала зберігатися терапевтична ефективність Терафлексу. У цьому дослідженні було продемонстровано хорошу переносимість препарату. Небажані явища спостерігалися лише у 6 хворих і були пов'язані переважно з прийомом ібупрофену. Терафлекс у поодиноких випадках викликав появу болів у верхній половині живота та затримку випорожнень.
В іншому 6-місячному відкритому рандомізованому багатоцентровому випробуванні також проводилася оцінка ефективності Терафлексу у хворих на клінічно виражений остеоартроз колінного суглоба та деформуючий спондильоз. У всіх хворих біль при ходьбі за шкалою ВАШ був вищим за 40 мм, а рентгенологічна стадія відповідала I-III стадії за Kellgren та Lawrence. Хворі першої (основної) групи приймали Терафлекс з диклофенаком та другою (контрольною) – лише диклофенак. До кінця 3 міс. в основній групі достовірно зменшилася інтенсивність болю в суглобі і залишалася цьому рівні остаточно 6 міс. лікування. У другій групі також спостерігалася позитивна динаміка цього показника, хоч і меншою мірою порівняно з основною групою. Аналогічну спрямованість відзначено і функціональним індексом WOMAC. До кінця 6 місяців. лікування у першій групі за оцінкою лікаря зареєстровано значне поліпшення у 23,3% хворих та покращення – у 60%, а у контрольній – у 16,7 та 40% відповідно. У той же час неефективність терапії зареєстрована у 23% хворих, які приймають диклофенак, і тільки у 3,3% - у групі хворих, які поряд з диклофенаком приймали Терафлекс. Як і попередньому дослідженні, спостерігалася хороша переносимість Терафлекса. Усього в основній групі виявлено 5 небажаних явищ та у контрольній - 8. На фоні прийому Терафлексу спостерігалися печія, біль у верхній половині живота, метеоризм, які були слабо вираженими і не вимагали відміни лікування цим препаратом. В одному випадку спостерігалася алергічна реакція, що супроводжується шкірним висипом.
Великий інтерес представляє мультицентрове подвійне сліпе дослідження Glucosamin/chondroitin Arthritis Intervention Trial (GAIT), проведене в США під егідою Національного інституту здоров'я. У цьому дослідженні взяли участь 1583 хворих із симптоматичним ОА колінного суглоба. Усі хворі розподілили на 5 груп. В окремих групах хворі приймали або 1500 мг глюкозаміну гідрохлориду, або 1200 мг хондроїтину сульфату, або комбінацію глюкозаміну та хондроїтину, або 200 мг целекоксибу або плацебо. Тривалість терапії становила 24 тижні. Первинною точкою було зниження інтенсивності болю за шкалою WOMAC у колінних суглобах на 20% і більше до 24 тижні. За всієї неоднозначності дизайну цього дослідження та великого відсотка хворих, у яких відзначалося суттєве зниження інтенсивності болю на плацебо, були отримані цікаві дані. Хворих з спочатку вираженими або тяжкими болями в колінних суглобах виявилося найбільше в групі на комбінованій терапії глюкозаміном і хондроїтином і статистично значуще вище в порівнянні з групою плацебо (79 і 54,3% відповідно р=0,002). Несприятливі явища відзначалися рідко, були помірно вираженими і зустрічалися приблизно однаково часто окремих групах.
Доцільність проведення комбінованої терапії та її структурно-модифікуючу дію підтверджують експериментальні дані щодо дослідження ефективності одночасного застосування хондроїтину сульфату та глюкозаміну гідрохлориду. Комбініро-ванна терапія на моделі ОА у кроликів сприяла наростанню продукції глюкозаміногліканів хондроцитами на 96,6%, а на тлі монотерапії структурними аналогами хряща - тільки на 32%. При комбінованій терапії ураження хряща було також менш тяжким порівняно із застосуванням глікозаміну або хондроїтину. Слід пам'ятати, що структурні аналоги хряща мають як загальні, а й відмітні механізми свого впливу біль і запалення. У той же час вони є синергістами і при сумісному застосуванні доповнюють та посилюють дію один одного.
Таким чином, Терафлекс має виразну симптом-модифікуючу дію у хворих на ОА, яка проявляється зниженням інтенсивності болю та поліпшенням функції уражених суглобів. Він також дозволяє знизити добову потребу у НПЗП. Що ж стосується доказу його структурно-модифікуючих властивостей, то для цього необхідно проведення тривалого лікування цим препаратом (протягом низки міс або навіть років) з ретельним аналізом ширини суглобової щілини за даними рентгенологічного та МРТ досліджень, а також визначення об'єму суглобового хряща до та після проведення такої терапії.
Нині питання безпосередньо хондропротективном дії структурних аналогів хряща вирішується неоднозначно. Дедалі більше дослідників дотримуються погляду, що звані хондропротективные препарати й не так стимулюють синтез матриксу хряща, тобто. протеоглікани, глікозаміноглікани і гіалуронову кислоту хондроцитами, що мають антизапальну дію, яка реалізується при тривалому їх призначенні. Позитивне вирішення цієї проблеми багато в чому пов'язане з відсутністю високо інформативних методів, які дозволяють адекватно судити про збереження хрящової тканини та задовольняють вимоги до критеріїв прогресування ОА. У цьому плані є актуальним розмежувати клінічні критерії ОА та фактори, не пов'язані з цим захворюванням, виявити особливості прогресування ОА тазостегнового суглоба, відмінні від ОА колінного суглоба. Не менш актуальним є проведення при цьому захворюванні подальших поглиблених досліджень щодо уточнення взаємовідносин між клінічними, рентгенологічними, артросонографічними та МРТ даними.

Література
1. Volpi N. Chondroitin sulphate для лікування osteoarthritis. Curr Med Chem - Anti-Inflammatory and Anti-Allergy Agents, 2005; 4: 221-234.
2. Jordan KM, Arden NK, Doherty M та ін. EULAR Recommendations 2003: evidence based approach to management of knee osteoarthritis: Report of Task Force of Standing Committee for International Clinical Studies Including Therapeutic Trials (ESCISIT). Ann Rheum Dis 2003; 62: 1145-1155.
3. Brandt KD. Diagnosis and nonsurgical management of osteoarthritis. Proffessional communications, 2000.
4. Бадокін В.В. Значення запалення у розвитку та перебігу остеоартрозу. Consilium medicus 2009; 11 (9): 91-95.
5. Wesseling J, Dekker J, van den Berg WB, et al. CHECK (Cohort Hip and Cohort Knee): similarities and differences with Osteoarthritis Inivaties. Ann Rheum Dis 2009; 68: 1413-19.
6. Кригштейн О.С., Голубєв Г.Ш. Оцінка доказів ефективності засобів, що претендують називатися «структурно-модифікованими препаратами», 20040-2007 рр. Клінич. фармакологія та фармакоекономіка 2008; 1: 55-88.
7. Алексєєва Л.І. Симптоматичні препарати уповільненої дії під час лікування ОА. Consilium medicus 2009; 11(9): 100-104.
8. Herrero-Beaumont G, Rovati LC. Застосувати кристалічний glucosamine sulphate в osteoarthritis. Future Rheumatol 2006; 1(4): 397-414.
9. Towheed TE, Maxwell L, Anastassiades TP та ін. Глукозамінна терапія для лікування остеоартритів. Cochrane Database Syst. Rev. 2005; CD002946.
10. Reginster JY, Deroisy R, Rovati LC та ін. Long-term ефекти glucosamine sulphate на остеоартритіческій прогрес: randomised, placebo-контрольований клінічний триал. Lancet 2001; 357: 251-256.
11. Pavelka K, Gatterova J, Olejarova M et al. Glucosamine sulphatе use and delay progression of knee osteoarthritis: a 3-year, randomized, placebo-controlled, double-blind study. Arch Intern Med 2002; 162 (18): 2113-2123.
12. Bruyere O, Pavelka K, Rovati LC та ін. Total joint replacement after glucosamine sulphatе treatment in rnee ostheoarthritis: results of mean 8-year observation of patients from 2 previous 3-year, randomized, placebo-controlled trials. Osteoarthritis Cartilage 2008; 16 (2): 254-260
13. Leeb BF, Schweitzer H, Montag K, Smolen JS. A Metaanalysis of Chondroitin Sulphate в Treatment of Osteoarthritis. J Rheumatol 2000; 27: 205-211.
14. Uebelhart D, Malaise V, Marcolongo R та ін. Взаємовідносний дослід за книжкою osteoarthritis with oral chondriitin sulfate: 1-year, randomized, double-blind, multicenter study versus placebo. Osteoarthritis Cartilage 2004; 12: 269-276.
15. Беневоленська Л.І., Алексєєва Л.І., Зайцева Є.М. Ефективність препарату Терафлекс у хворих на остеоартроз колінних та тазостегнових суглобів. РМЗ 2005; 8: 525-527.
16. Поворознюк В.В. Глюкозамін та хондроїтин у лікуванні остеоартрозу: дані літератури та результати власних досліджень. РМЗ 2006; 14(4): 290-294.
17. Ліла А.М., Мазуров В.І., Шидловська О.В., Шостак М.С. Терафлекс у комплексній терапії остеоартрозу колінних суглобів та остеохондрозу хребта (результати клінічного дослідження). РМЗ 2007; 13 (24): 1618-1622.
18. Сlegg DO, Reda DJ, Harris CL та ін. Glucosamine, chondroitin sulphate, і два в комбінації для тонкого кнея osteoarthritis. N Engl J Med 2006; 354 (8): 795-808.
19. Lippielo L., Woodword J., Karpman D. та ін. Benefficial effect of cartilage structure modififing agents tested in chondrocyte and rabbit instability model osteoartrosis. Arthr. Rheum., 1999, suppl. 42, 256.
20. Mastbergen SC, Jansen NWD, Bijlsma JWJ, et al. Різні прямі ефекти cyclo-oxygenase-1/2 inhibition on proteoglycan turnover of human osteoarthritic cartilage: an in vitro study. Arthritis Research & Therapy 2006, 8: R2doi: 10.1186/ar1846.

Генна інженерія та лікарські препарати

До появи технології рекомбінантних ДНК багато лікарських препаратів на основі білків людини вдавалося отримувати тільки в невеликих кількостях, їх виробництво обходилося дуже дорого, а механізм біологічної дії був недостатньо вивчений. За допомогою нової технології отримують весь спектр таких препаратів у кількостях, достатніх як для ефективного тестування, так і для застосування в клініці. На сьогоднішній день клоновано понад 400 генів (переважно у вигляді кДНК) різних білків людини, які можуть стати лікарськими препаратами. Більшість цих генів вже експресовані у клітинах-господарях, і зараз їх продукти застосовують для лікування різних захворювань людини. Як завжди, спочатку їх перевіряють на тваринах, а потім проводять ретельні клінічні випробування. Щорічний обсяг світового ринку лікарських препаратів на основі білків людини складає близько 150 млрд доларів і постійно зростає. Обсяг світового ринку лікарських засобів на основі рекомбінантних білків збільшується на 12-14% на рік і 2000 р. становив приблизно 20 млрд. доларів.

З іншого боку, перспективне застосування як терапевтичних засобів специфічних антитіл. Їх використовують для нейтралізації токсинів, боротьби з бактеріями, вірусами, лікування ракових захворювань. Антитіло або нейтралізує «порушника» - чужорідний агент, або, руйнує специфічну клітину-мішень. Незважаючи на перспективні можливості, антитіла поки що рідко застосовують для профілактики та лікування хвороб. І лише з розвитком технології рекомбінантних ДНК та розробкою методів отримання моноклональних антитіл та з розшифровкою молекулярної структури та функції імуноглобулінів знову виник комерційний інтерес до застосування специфічних антитіл для лікування різних захворювань.

Розробка нових методів профілактики та лікування багатьох захворювань людини внесла величезний внесок у зростання добробуту людей у ​​XX ст. Однак цей процес не можна вважати завершеним. Так звані «старі» захворювання, наприклад, малярія, туберкульоз та ін., можуть дати себе знати знову, як тільки будуть ослаблені профілактичні заходи, або з'являться резистентні штами. Типова ситуація щодо цього в Україні та Росії.

До антибіотиків відносяться низькомолекулярні речовини, що відрізняються за хімічною структурою. Загальне цих сполук те, що, будучи продуктами життєдіяльності мікроорганізмів, вони у нікчемних концентраціях специфічно порушують зростання інших мікроорганізмів.

Більшість антибіотиків належить до вторинних метаболітів. Їх, як і токсини та алкалоїди, не можна віднести до строго необхідних для забезпечення росту та розвитку мікроорганізмів речовин. За цією ознакою вторинні метаболіти відрізняються від первинних, у присутності яких настає загибель мікроорганізму.

Біосинтез антибіотиків, як і інших вторинних метаболітів, зазвичай відбувається в клітинах, що припинили ріст (ідіофаза). Біологічна роль в забезпеченні життєдіяльності клітин-продуцентів залишається остаточно не дослідженою. Фахівці, які вивчають перспективи біотехнології в галузі мікробіологічного виробництва антибіотиків, вважають, що вони в несприятливих умовах пригнічують зростання конкуруючих мікроорганізмів, забезпечуючи тим більш сприятливі умови для виживання мікроба-продуцента того чи іншого антибіотика. Значення процесу антибіотикоутворення в життєдіяльності мікробної клітини підтверджується тим, що у стрептоміцетів близько 1% геномної ДНК припадає на гени, що кодують ферменти біосинтезу антибіотиків, які протягом тривалого часу можуть не експресуватися. Продуцентами відомих антибіотиків в основному є шість родів нитчастих грибів, три роди актиноміцетів (майже 4000 різних антибіотиків) та два роди істинних бактерій (приблизно 500 антибіотиків). З нитчастих грибів особливу увагу слід звернути на плісняві гриби пологів Cephalosporium і Penicillium, які є продуцентами про бета-лактамних антибіотиків - пеніцилінів і цефалоспоринів. Більшість актиноміцетів, що синтезують антибіотичні речовини, включаючи тетрацикліни, відноситься до роду Streptomyces.

З відомих 5000-6000 природних антибіотичних речовин для реалізації споживачам виробляється лише близько 1000. У той час, коли встановили антибактеріальну дію пеніциліну та можливість його використання як лікарського препарату (Х.У. Флорі, Е.Б. Чейн та ін., 1941 ), продуктивність лабораторного штаму плісняви ​​– 2 мг препарату на 1 л культуральної рідини – була явно недостатньою для промислового виробництва антибіотика. Багаторазовими систематичними впливами на вихідний штам Penicillium chrisogenum такими мутагенами, як рентгенівське та ультрафіолетове опромінення, азотистий іприт у поєднанні зі спонтанними мутаціями і відбором найкращих продуцентів, вдалося збільшити продуктивність гриба в 10 00.

Шлях підвищення ефективності штамів-продуцентів антибіотиків, заснований на безладних мутаціях і класичним, незважаючи на колосальні витрати праці, використовується до теперішнього часу. Створене становище є наслідком те, що антибіотик, на відміну білка, перестав бути продуктом конкретного гена; Біосинтез антибіотика відбувається в результаті спільної дії 10-30 різних ферментів, що кодуються відповідною кількістю різних генів. Крім того, для багатьох антибіотиків, мікробіологічне виробництво яких налагоджено, молекулярні механізми їхнього біосинтезу досі не вивчені. Полігенний механізм, що лежить в основі біосинтезу антибіотиків, є причиною того, що зміни окремих генів не призводять до успіху. Автоматизація рутинних прийомів аналізу продуктивності мутантів дозволяє вивчити десятки тисяч штамів, що функціонують, і тим самим прискорює процедуру відбору при використанні класичного генетичного прийому.

Нова біотехнологія, заснована на використанні штамів-суперпродуцентів антибіотиків, передбачає вдосконалення механізмів захисту продуцента від антибіотика, що синтезується ним.

Високу продуктивність виявляють штами, стійкі до дії високих концентрацій антибіотиків у культурному середовищі. Ця властивість також враховується під час конструювання клітин-суперпродуцентів. З часу відкриття пеніциліну наприкінці 1920-х років з різних мікроорганізмів було виділено понад 6000 антибіотиків, які мають різну специфічність і різний механізм дії. Їхнє широке застосування для лікування інфекційних захворювань допомогло зберегти мільйони життів. Переважна більшість основних антибіотиків було виділено з грампозитивної ґрунтової бактерії Streptomyces, хоча їх продукують також гриби та інші грампозитивні та грамнегативні бактерії. Щорічно у всьому світі виробляється 100 000 т антибіотиків на суму приблизно S млрд. доларів, у тому числі понад 100 млн. доларів припадає на частку антибіотиків, що додаються в корм худобі як добавки або прискорювачі зростання.

За оцінками, щороку вчені виявляють від 100 до 200 нових антибіотиків, передусім у рамках великих дослідницьких програм із пошуку серед тисяч різних мікроорганізмів таких, які синтезували б унікальні антибіотики. Отримання та клінічні випробування нових препаратів обходяться дуже дорого, і у продаж надходять лише ті з них, які мають велику терапевтичну цінність та становлять економічний інтерес. На їхню частку припадає 1-2% всіх антибіотиків, що виявляються. Великий ефект тут має технологія рекомбінантних ДНК. По-перше, з її допомогою можна створювати нові антибіотики з унікальною структурою, що мають більш потужний вплив на певні мікроорганізми і мають мінімальні побічні ефекти. По-друге, генноінженерні підходи можуть використовуватися для збільшення виходу антибіотиків і для зниження вартості їх виробництва.

Можна вважати, що клінічна біотехнологія зародилася з початком промислового виробництва пеніциліну в 40-х роках. та його використання в терапії. Мабуть, застосування цього першого природного пеніциліну вплинуло на зниження захворюваності та смертності більше, ніж будь-якого іншого препарату, але, з іншого боку, поставило низку нових проблем, які вдалося вирішити знову-таки за допомогою біотехнології.

По-перше, успішне застосування пеніциліну викликало велику потребу в цьому лікарському препараті, і для її задоволення потрібно різко підвищити вихід пеніциліну при його виробництві. По-друге, перший пеніцилін - С(бензилпеніцилін) - діяв головним чином на грампозитивні бактерії (наприклад, Streptococci та Staphylococci), а потрібно було отримати антибіотики з ширшим спектром дії та/або активністю, що вражають і грамнегативні бактерії типу E.coli та Pseudomonas. По-третє, оскільки антибіотики викликали алергічні реакції (найчастіше незначні, начебто висипи на шкірі, але іноді і важчі, загрожують життю прояви анафілаксії), необхідно було мати цілий набір антибактеріальних засобів, щоб можна було вибрати з рівноефективних препаратів такий, який не викликав би у хворого на алергію. По-четверте, пеніцилін нестабільний у кислому середовищі шлунка, і його не можна призначати для прийому внутрішньо. Нарешті, багато бактерій набувають стійкості до антибіотиків. Класичний приклад тому - утворення стафілококами ферменту пеніциліназ (правильніше, бета-лактамази), який гідролізує амідний зв'язок у бета-лактамному кільці пеніциліну з утворенням фармакологічно неактивної пеніциллоїнової кислоти. Збільшити вихід пеніциліну при його виробництві вдалося переважно завдяки послідовному використанню серії мутантів вихідного штаму Penicillium chrysogenum, а також шляхом зміни умов вирощування.

Процес біосинтезу одного антибіотика може складатися з десятків ферментативних реакцій, тому клонування всіх генів його біосинтезу - завдання не з легких. Один із підходів до виділення повного набору таких генів заснований на трансформації одного або кількох мутантних штамів, не здатних синтезувати цей антибіотик, банком клонів, створеним із хромосомної ДНК штаму дикого типу. Після введення банку клонів у мутантні клітини проводять відбір трансформантів, здатних синтезувати антибіотик. Потім виділяють плазмідну ДНК клону, що містить функціональний екс преміюється ген антибіотика (тобто ген, що відновлює втрачену мутантним штамом функцію), і використовують її як зонд для скринінгу іншого банку клонів хромосомної ДНК штаму дикого типу, з якого відбирають послідовності, які перекриваються із послідовністю зонда. Таким чином, ідентифікують, а потім клонують елементи ДНК, що примикають до комплементуючої послідовності, та відтворюють повний кластер генів біосинтезу антибіотика. Описана процедура стосується випадку, коли ці гени згруповані в одному сайті хромосомної ДНК. Якщо ж гени біосинтезу розкидані у вигляді невеликих кластерів по різних сайтах, потрібно мати, принаймні, по одному мутанту на кластер, щоб отримати клони ДНК, за допомогою яких можна ідентифікувати інші гени кластерів.

За допомогою генетичних або біохімічних експериментів можна ідентифікувати, а потім виділити один або кілька ключових ферментів біосинтезу, визначити їх N-кінцеві амінокислотні послідовності та, виходячи з цих даних, синтезувати олігонуклеотидні зонди. Цей підхід використовувався для виділення з Penicillium chrysogenum гена синтетази ізопеніциліну N. Цей фермент каталізує окислювальну конденсацію 5-(1_-а-аміноадипілН-цистеїніл-Р-валіну в ізопеніцилін N, ключову проміжну ланку в біосинтезелінах.

Нові антибіотики з унікальними властивостями та специфічністю можна отримати, проводячи генно-інженерні маніпуляції з генами, що беруть участь у біосинтезі вже відомих антибіотиків. Один з перших експериментів, в ході якого був отриманий новий антибіотик, полягав в об'єднанні в одному мікроорганізмі двох шляхів біосинтезу антибіотика, що трохи різняться.

Одна з плазмід Streptomyces, plJ2303, що несе фрагмент хромосомної ДНК S.coelicoior довжиною 32,5 т.п.н., містить всі гени ферментів, відповідальних за біосинтез з ацетату антибіотика актинородину, представника сімейства ізохроманхінонових антибіотиків. Цілу плазміду та різні субклони, що несуть частини 32,5 т.п.н.-фрагменту (наприклад, plJ2315), вводили або в штам АМ-7161 Streptomyces sp.T синтезуючий споріднений антибіотик медерміцин, або в штам В114vio або Tu2 , що синтезують споріднені антибіотики гранатицин та дигідрогранатицин

Всі зазначені антибіотики є кислотно-лужними індикаторами, які надають зростаючій культурі характерного кольору, що залежить від рН середовища. У свою чергу, рН (і колір) середовища залежать від того, яке з'єднання синтезується. Мутанти батьківського штаму S.coelicoior, не здатні синтезувати актино батьківщин, безбарвні. Поява фарбування після трансформації штаму АМ-7161 Streptomyces sp. або штамів B1J40 або Tu22 S.violaceoruber плазмідою, що несе всі або кілька генів, що кодують ферменти біосинтезу актинородину, свідчить про синтез нового антибіотика Трансформанти штаму АМ-7161 Streptomyces sp. та штаму-6 1140 S.violaceoruber, що містять плазміду рМ2303, синтезують антибіотики, що кодуються і плазмідою, і хромосомною ДНК.

Однак при трансформації штаму Tu22 S.violaceoruber плазмідою plJ2303 поряд з актинородіном синтезується новий антибіотик - дигідрогранатиродин, а при трансформації штаму АМ-7161 Streptomyces sp. плазмідою plJ2315 синтезується ще один новий антибіотик – медерродін А.

У структурному відношенні ці нові антибіотики мало відрізняються від актинородину, медерміцину, гранатицину та гідрогранатицину і, ймовірно, утворюються в тому випадку, коли проміжний продукт одного шляху біосинтезу служить субстратом для ферменту іншого шляху. Коли буде детально вивчено біохімічні властивості різних шляхів біосинтезу антибіотиків, з'явиться можливість створювати нові унікальні високоспецифічні антибіотики, маніпулюючи генами, які кодують відповідні ферменти.

Термін «полікетидні» відноситься до класу антибіотиків, які утворюються в результаті послідовної ферментативної конденсації карбонових кислот типу ацетату, пропіонату та бутирату. Деякі полікетидні антибіотики синтезуються рослинами та грибами, але більша їх частина утворюється актиноміцетами у вигляді вторинних метаболітів. Перед тим, як проводити маніпуляції з генами, що кодують ферменти біосинтезу полікетидних антибіотиків, необхідно було з'ясувати механізм дії цих ферментів.

Детально вивчивши генетичні та біохімічні складові біосинтезу еритроміцину в клітинах Saccharopolyspora erythraea, вдалося внести специфічні зміни до генів, асоційованих з біосинтезом цього антибіотика, та синтезувати похідні еритроміцину з іншими властивостями. Спочатку було визначено первинну структуру фрагмента ДНК S.erythraea довгий! 56 т.п.н., що містить кластер генів егу, потім двома різними способами модифікована еритроміцинполікетидсинтаза. Для цього 1) видаляли ділянку ДНК, що кодує бета-кеторедуктазу, або 2) вносили зміну в ділянку ДНК, що кодує еноілредуктазу. Ці експерименти дозволили експериментально показати, що якщо ідентифікувати та охарактеризувати кластер генів, що кодують ферменти біосинтезу певного полікетидного антибіотика, то, вносячи до них специфічні зміни, можна буде спрямовано змінювати структуру антибіотика.

Крім того, вирізуючи та з'єднуючи ті чи інші ділянки ДНК, можна переміщати домени полікетидсинтази та отримувати нові полікетидні антибіотики.

За допомогою генної інженерії можна не лише створювати нові антибіотики, а й збільшувати ефективність синтезу вже відомих. Лімітуючим фактором у промисловому виробництві антибіотиків за допомогою Streptomyces spp. часто є кількість доступного клітин кисню. Внаслідок поганої розчинності кисню у воді та високої щільності культури Streptomyces його часто виявляється недостатньо, зростання клітин сповільнюється, і вихід антибіотика знижується. Щоб вирішити цю проблему, можна, по-перше, змінити конструкцію біореакторів, в яких вирощується культура Streptomyces, а по-друге, використовуючи методи генної інженерії, створити штами Streptomyces, які більш ефективно використовують кисень. Ці два підходи не виключають одне одного.

Одна із стратегій, які використовуються деякими аеробними мікроорганізмами для виживання в умовах нестачі кисню, полягає в синтезі гемоглобінподобного продукту, здатного акумулювати кисень і доставляти його в клітини. Наприклад, аеробна бактерія Vitreoscilla sp. синтезує гомодимерний гемсодержащий білок, функціонально подібний до еукаріотичного гемоглобіну. Ген «гемоглобіну» Vitreoscilla був виділений, вбудований у плазмідний вектор Streptomyces і введений у клітини цього мікроорганізму. Після його експресії частку гемоглобіну Vitreoscilla припадало приблизно 0,1% всіх клітинних білків S.coelicoior навіть у тому випадку, коли експресія здійснювалася під контролем власного промотора гена гемоглобіну Vitreoscilla, а не промотора Streptomyces. Трансформовані клітини S.coelicoior, що ростуть при низькому вмісті розчиненого кисню (приблизно 5% від насичувальної концентрації), синтезували в 10 разів більше актинородину на 1 г сухої клітинної маси і мали більшу швидкість росту, ніж нетрансформовані. Цей підхід можна використовувати і для забезпечення киснем інших мікроорганізмів, які ростуть в умовах нестачі кисню.

Вихідним матеріалом при хімічному синтезі деяких цефалоспоринів - антибіотиків, що володіють незначним побічним ефектом і активних щодо безлічі бактерій, - є 7-аміноцефалоспоранова кислота (7АСА), яка в свою чергу синтезується з антибіотика цефалоспорину С. На жаль, природних мікроорганізмів , досі не виявлено.

Новий шлях біосинтезу 7АСА був сконструйований включенням специфічних генів у плазміду гриба Acremonium chrysogenum, який зазвичай синтезує цефалоспорин-С. Один з цих генів був представлений кДНК гриба Fusarium solani, що кодує оксидазу D-амінокислот, а інший походив із геномної ДНК Pseudomonas diminuta і кодував цефалоспоринацилазу. У плазміді гени перебували під контролем промотору A.chrysogenum. На першому етапі нового біосинтетичного шляху цефалоспорин-С перетворюється на 7-р-(5-карбокси-5-оксопентанамід) цефалоспоранову кислоту (кето-АТ-7АСА) за допомогою оксидази амінокислот. Частина цього продукту, вступаючи в реакцію з пероксидом водню, одним із побічних продуктів, перетворюється на 7-бета-(4-карбоксибутанамід)-цефалоспоранову кислоту (GL-7ACA). І цефалоспорин-З, і кето-А0-7АСА і GL-7ACA можуть піддаватися гідролізу цефалоспоринацилазою з утворенням 7АСА, проте тільки 5% цефалоспорину-З безпосередньо гідролізується до 7АСА. Отже, для утворення 7АСА з високим виходом необхідні обидва ферменти.

Наприкінці 70-х – на початку 80-х р.р. XX століття ДНК-технологія вперше почала привертати до себе увагу громадськості та великих інвесторів. Одним із перспективних біотехнологічних продуктів був інтерферон, на який на той час покладали надії як на чудодійний засіб проти безлічі вірусних захворювань та раку. Про виділення кДНК інтерферону людини та її подальшої експресії в Escherichia coll повідомляли усі зацікавлені видання світу.

Для виділення генів чи білків людини використовують різні підходи. Зазвичай виділяють потрібний білок та визначають амінокислотну послідовність відповідної ділянки молекули. Виходячи з цього, знаходять нуклеотидну послідовність, що кодує його, синтезують відповідний олігонуклеотид і використовують його як гібридизаційний зонд для виділення потрібного гена або кДНК з геномних або кДНК-бібліотек. Інший підхід полягає у виробленні антитіл до очищеного білка та використання їх для скринінгу бібліотек, в яких відбувається експресія певних генів. Для білків людини, синтезованих переважно в одній тканині, кДНК-бібліотека, отримана на основі мРНК, виділеної з цієї тканини, буде збагачена послідовністю ДНК-мішені. Наприклад, основним білком, синтезованим клітинами острівців Лангерганса підшлункової залози, є інсулін, і 70% мРНК, виділених із цих клітин, кодують саме його.

Однак принцип збагачення кДНК не застосовується для тих білків людини, кількість яких дуже мала або місце синтезу яких невідоме. І тут можуть знадобитися інші експериментальні підходи. Наприклад, інтерферони (ІФ) людини, що включають альфа, бета-і гамма-інтерферони, - це природні білки, кожен з яких може знайти своє терапевтичне застосування. Перший ген інтерферону було виділено на початку 80-х р.р. XX ст. З того часу було виявлено кілька різних інтерферонів. Поліпептид, що володіє дією лейкоцитарного інтерферону людини, синтезований E.coli.

Деякі особливості інтерферону зробили виділення його кДНК особливо складним. По-перше, незважаючи на те, що інтерферон був очищений більш ніж у 80 ТОВ разів, його вдавалося отримувати лише в дуже невеликих кількостях, т.к. на той час була відома його точна молекулярна маса. По-друге, на відміну від багатьох інших білків, інтерферон не має легко ідентифікованої хімічної чи біологічної активності: її оцінювали лише зниження цитопатичного дії вірусу тварин на культуру клітин, але це складний і тривалий процес. По-третє, на відміну інсуліну, було невідомо, чи є клітини людини, здатні виробляти інтерферон у досить великих кількостях, тобто. чи існує джерело мРНК інтерферону. Незважаючи на всі ці труднощі, зрештою було виділено та охарактеризовано кДНК, що кодує інтерферон. При виділенні їх кДНК довелося розробити спеціальний підхід, що дозволяє подолати труднощі, пов'язані з недостатнім вмістом відповідних мРНК та білків. Тепер така процедура виділення ДНК звичайна та стандартна і для інтерферонів полягає у наступному.

1. З лейкоцитів людини виділили мРНК та фракціонували її за розмірами; провели зворотну транскрипцію та вбудували в сайт Psti плазміди pBR322.

2. Отриманим продуктом трансформували Escherichia солі. клонів, Що Утворилися, підрозділили на групи. Тестування проводили на фупі клонів, що дозволило прискорити процес їхньої ідентифікації.

3. Кожну фупу клонів гібридизували з неочищеним препаратом ІФ-мРНК.

4. З гібридів, що містять клоновану ДНК і мРНК, виділили мРНК і провели її трансляцію в безклітинній системі синтезу білка.

5. Визначили імтерфероїчну противірусну активність кожної суміші, отриманої в результаті трансляції. Групи, що виявили інтерферонну активність, містили клон з кДНК, що гібридизується з ІФ-мРНК.

6. Позитивні групи розбили на підгрупи, що містять кілька клонів, і знову провели тестування. Розбиття на підгрупи повторювали доти, доки не ідентифікували клон, що містить повнорозмірну ІФ-кДНК людини.

З того часу було виявлено кілька різних типів інтерферонів. Було виділено гени кількох інтерферонів та показано їх ефективність при лікуванні різних вірусних захворювань, але, на жаль, інтерферон не став панацеєю.

Виходячи з хімічних та біологічних властивостей інтерферону, можна виділити три фупи: ІФ-альфа, ІФ-бета та ІФ-гама. ІФ-альфа та ІФ-бета синтезуються клітинами, обробленими препаратами вірусів або вірусної РНК, а ІФ-гама виробляється у відповідь на дію речовин, що стимулюють зростання клітин. ІФ-альфа кодується сімейством генів, що включає як мінімум 15 неалельних генів, у той час як ІФ-бета та ІФ-гама кодуються одним геном кожен. Підтипи ІФ-альфа виявляють різну специфічність. Наприклад, при перевірці ефективності ІФ-ельфа-1 та ІФ-альфа-2 на обробленій вірусом лінії клітин бика ці інтерферони виявляють подібну противірусну активність, у разі оброблених вірусом клітин людини ІФ-альфа-2 виявляється у сім разів активніше, ніж ІФ- альфа-1. Якщо противірусна активність перевіряється на клітинах миші, то ІФ-альфа-2 виявляється у 30 разів менш ефективним, ніж ІФ-альфа-1.

У зв'язку з тим, що існує сімейство інтерферонів, було зроблено кілька спроб створити ІФ з комбінованими властивостями, використовуючи той факт, що різні члени сімейства ІФ-альфа розрізняються за ступенем та специфічністю своєї противірусної активності. Теоретично цього можна досягти, поєднавши частини послідовностей генів різних ІФ-альфа. Це спричинить утворення гібридного білка з іншими властивостями, ніж у кожного з вихідних білків. Порівняння послідовностей кДНК ІФ-альфа-1 та ІФ-альфа-2 показало, що вони містять однакові сайти рестрикції в позиціях 60, 92 і 150. Після розщеплення обох кДНК у цих сайтах і подальшого лігування фрагментів було отримано кілька гібридних генів. Ці гени експресували в E.coli, синтезовані білки очистили та досліджували їх біологічні функції. Перевірка захисних властивостей гібридних ІФ на культурі клітин ссавців показала, деякі з них виявляють більшу активність, ніж батьківські молекули. Крім того, багато гібридних ІФ індукували утворення 2"-5"-олигоизоаденилат-синтетази в контрольних клітинах. Цей фермент бере участь у синтезі 2"-5"-пов'язаних олігонуклеотидів, які в свою чергу активують латентну клітинну ендорибонуклеазу, що розщеплює вірусну мРНК. Інші гібридні ІФ виявляли більшу, ніж батьківські молекули, антипроліферативну активність у культурах різних ракових клітин людини.

p align="justify"> Стратегію конструювання нових білків шляхом заміни функціональних доменів або за допомогою направленого мутагенезу можна використовувати для посилення або ослаблення біологічної властивості білка. Наприклад, нативний гормон росту людини (ГРЧ) зв'язується в різних типах клітин як з рецептором гормону росту, так і з рецептором пролактину. Щоб уникнути небажаних побічних ефектів у процесі лікування, слід виключити приєднання ГРЧ до пролактинового рецептора. Оскільки ділянка молекули гормону росту, що зв'язується з цим рецептором, за своєю амінокислотною послідовністю лише частково збігається з ділянкою молекули, яка взаємодіє з пролактиновим рецептором, вдалося вибірково знизити зв'язування гормону з останнім. Для цього використовували сайт-специфічний мутагенез, в результаті якого відбулися певні зміни в бічних групах деяких амінокислот (His-18, His-21 і Glu-174) - лігандів для іонів Zn 2+ , необхідних високоафінного зв'язування ГРЛ з пролактиновим рецептором. Модифікований гормон росту пов'язується лише зі «своїм» рецептором. Отримані результати становлять безперечний інтерес, але чи зможуть модифіковані ГРЧ знайти застосування в клініці, поки неясно.

Найчастішим летальним спадковим захворюванням серед європеоїдів є муковісцидоз. У США виявлено 30 ТОВ випадків цього захворювання, у Канаді та країнах Європи – 23 000. Пацієнти з муковісцидозом часто страждають на інфекційні захворювання, що вражають легені. Лікування рецидивуючих інфекцій антибіотиками, зрештою, призводить до появи резистентних штамів патогенних бактерій. Бактерії та продукти їх лізису викликають накопичення в легенях в'язкого слизу, що утруднює дихання. Одним із компонентів слизу є високомолекулярна ДНК, яка вивільняється з бактеріальних клітин при лізисі. Вчені з біотехнологічної компанії Genentech (США) виділили та експресували ген ДНКази - ферменту, який розщеплює високомолекулярну ДНК на більш короткі фрагменти. Очищений фермент вводять у складі аерозолю в легені хворих на муковісцидоз, він розщеплює ДНК, в'язкість слизу знижується, що полегшує дихання. Хоча ці заходи не виліковують муковісцидоз, вони полегшують стан хворого. Застосування даного ферменту було нещодавно схвалено Департаментом контролю якості харчових продуктів, медикаментів та косметичних засобів (США), і обсяг його продажів становив у 2000 р. приблизно 100 млн. доларів.

Інший біотехнологічний продукт, що допомагає хворим – альгінат-ліаза. Альгінат - це полісахарид, що синтезується цілим рядом морських водоростей, а також ґрунтовими та морськими бактеріями. Його мономерними одиницями є два сахариди - бета-D-маннуронат і альфа-1-гулуронат, відносний вміст і розподіл яких визначають властивості конкретного альгінату. Так, залишки a-L-гулуронату утворюють міжланцюгові та внутрішньоланцюгові зшивки шляхом зв'язування іонів кальцію; залишки бета-D-маннуронату пов'язують іони інших металів. Альгінат, що містить такі зшивки, утворює еластичний гель, в'язкість якого прямо пропорційна розміру полісахаридних молекул.

Виділення альгінату слизовими штамами Pseudomonas aeruginosa істотно підвищує в'язкість слизу у хворих на муковісцидоз. Щоб очистити дихальні шляхи та полегшити стан хворих, на додаток до обробки ДНКазою слід провести деполімеризацію альгінату за допомогою альгінат-ліази.

Ген альгінат-ліази був виділений з Flavobacterium sp., грамнегативної ґрунтової бактерії, що активно виробляє цей фермент. На основі E.coli було створено банк клонів Flavobacterium і проведено скринінг тих з них, які синтезують альгінат-ліазу шляхом висіву всіх клонів на тверде середовище, що містить альгінат, з додаванням іонів кальцію. У таких умовах весь альгінат, що знаходиться в середовищі, за винятком того, що оточує продукуючі альгінат-ліазу колонії, утворює зшивки і стає каламутним. Гідролізований альгінат втрачає здатність до формування зшивок, тому середовище навколо колоній, що синтезують альгінат-ліазу, залишається прозорим. Аналіз клонованого фрагмента ДНК, присутній в одній з позитивних колоній, показав наявність відкритої рамки зчитування, що кодує поліпептид молекулярною масою близько 69 000. Більш детальні біохімічні та генетичні дослідження показали, що цей поліпептид, мабуть, є попередником трьох альгінат-ліаз Flavobacterium sp. Спочатку якийсь протеолітичний фермент відрізає від нього N-кінцевий пептид масою близько 6000. Білок, що залишився, молекулярною масою 63 000 здатний деполімеризувати альгінат, що виробляється як бактеріями, так і морськими водоростями. При його подальшому розрізанні утворюється продукт молекулярною масою 23 000, деполімеризуючий альгінат морських водоростей, та фермент молекулярною масою 40 000, що руйнує альгінат бактерій. Для отримання великих кількостей ферменту молекулярною масою 40 000 кодує його ДНК ампліфікували методом полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), а потім вбудовували у виділений з B.subrjlis плазмідний вектор, несучий ген, що кодує сигнальний пептид а-амілази B.subrjlis. Транскрипцію контролювали за допомогою системи експресії гена пеніциліназ. При трансформації клітин B.subrjlis отриманої плазмідою і висіванні їх на тверде середовище, що містить альгінат з додаванням іонів кальцію утворилися колонії з великим ореолом. Коли такі колонії вирощували в рідкому середовищі, рекомбінантна альгінат-ліаз виділялася в культуральне середовище. Наступні тести показали, що цей фермент здатний ефективно розріджувати альгінати, що синтезуються слизовими штамами P.aeruginosa, які були виділені з легких хворих на муковісцидоз. Щоб визначити, чи доцільно проводити клінічне тестування рекомбінантної альгінат-ліази, потрібні додаткові дослідження.

У 1970-х роках. було переглянуто погляди на пасивну імунізацію: її почали вважати профілактичним засобом боротьби з відторгненням трансплантованих органів. Пропонувалося вводити пацієнтам специфічні антитіла, які зв'язуватимуться з лімфоцитами певного типу, зменшуючи імунну відповідь, спрямовану проти пересадженого органу.

Першими речовинами, рекомендованими Департаментом контролю якості харчових продуктів, медикаментів та косметичних засобів (США), для використання як імуносупресорів при пересадці органів у людини, були моноклональні антитіла миші ОКТЗ. За відторгнення органів відповідають так звані Т-клітини – лімфоцити, що диференціюються у тимусі. ОКТЗ зв'язуються з рецептором, що знаходиться на поверхні будь-якої Т-клітини, що називається CD3. Це попереджає розвиток повної імунної відповіді та відторгнення трансплантованого органу. Подібна імуносупресія дуже ефективна, хоча і надає деякі побічні дії, наприклад, викликає пропасницю і призводить до появи висипу.

Були розроблені прийоми виробництва антитіл за допомогою E.coli. Гібридоми, подібно до більшості інших клітинних культур тварин, ростуть відносно повільно, не досягають високої щільності і вимагають складних і дорогих середовищ. Отримані таким чином моноклональні антитіла дуже дорогі, що не дозволяє широко використовувати їх у клініці.

Щоб вирішити цю проблему, були спроби створення свого роду «біореакторів» на основі генетично модифікованих бактерій, рослин і тварин. З цією метою геном господаря вводили генні конструкції, здатні кодувати окремі ділянки антитіл. Для ефективної доставки та функціонування деяких імунотерапевтичних засобів часто достатньо однієї антигензв'язуючої області антитіла (Fab- або Fv-фрагменту), тобто. наявність Fc-фрагменту антитіла необов'язково.

Сьогодні все реальніше виглядають перспективи сільськогосподарської біотехнології надати такі рослини, які використовуватимуться як ліки чи вакцини. Важко навіть уявити, яке значення це може мати для бідних країн, де звичайні фармацевтичні засоби все ще дивуються, а традиційні програми вакцинації по лінії ВООЗ виявляються занадто дорогими і важко здійсненними. Цей напрямок досліджень необхідно всіляко підтримувати, у тому числі через співпрацю державного та приватного секторів економіки.

Серед генів, експресія яких у рослинах вважається екзотичною, найбільш важливими є гени, що кодують синтез поліпептидів, що мають медичне значення. Очевидно, першим виконаним дослідженням у цій галузі слід вважати патент фірми Calgene про експресію інтерферону миші у клітинах рослин. Пізніше було показано синтез імуноглобулінів у листі рослин.

Крім цього, можливе введення геном рослини гена, що кодує оболонковий білок (білки) будь-якого вірусу. Споживаючи рослину, люди поступово набудуть імунітет до цього вірусу. По суті це створення рослин-ліків.

Трансгенні рослини мають ряд переваг у порівнянні з культурою клітин мікроорганізмів, тварин та людини для виробництва рекомбінантних білків. Серед переваг трансгенних рослин відзначимо основні: можливість широкомасштабного отримання, дешевизна, легкість очищення, відсутність домішок, що мають алергенний, імуносупресивний, канцерогенний, тератогенний та інші впливи на людину. Рослини можуть синтезувати, глікозилювати та збирати з субодиниць білки ссавців. При поїданні сирих овочів та фруктів, що несуть гени, що кодують синтез білків-вакцин, відбувається оральна імунізація.

Одним із шляхів зменшення ризику витоку генів у навколишнє середовище, що застосовується, зокрема, при створенні їстівних вакцин, полягає у введенні чужорідних генів у хлоропласти, а не в ядерні хромосоми, як завжди. Вважається, що цей спосіб дозволить розширити сферу застосування ГМ рослин. Незважаючи на те, що ввести потрібні гени в хлоропласти набагато складніше, цей метод має ряд переваг. Одне з них полягає в тому, що чужорідна ДНК із хлоропластів не може потрапити до пилку. Це виключає можливість неконтрольованого перенесення ГМ матеріалу.

Перспективним напрямом є створення трансгенних рослин, що несуть гени білків, характерних для бактерій та вірусів, що викликають інфекційні захворювання. При споживанні сирих плодів та овочів, що несуть такі гени, або їх сублімованих соків відбувається вакцинація організму. Наприклад, при введенні гена нетоксичної субодиниці ентеротоксину холери в рослини картоплі та згодовуванні сирих бульб піддослідним мишам у їхньому організмі утворювалися антитіла до збудників холери. Очевидно, що такі їстівні вакцини можуть стати ефективним простим та недорогим методом захисту людей та забезпечення безпеки харчування загалом.

Розвиток останні десятиліття ДНК-технологій здійснило революцію у справі розробки та виробництва нових вакцин. За допомогою методів молекулярної біології та генетичної інженерії були ідентифіковані антигенні детермінанти багатьох інфекційних агентів, клоновані гени, що кодують відповідні білки та, у ряді випадків, налагоджено виробництво вакцин на основі білкових субодиниць цих антигенів. Діарея, що викликається інфекцією холерним вібріоном або ентеротоксигенною кишковою паличкою (Escherichia coli), є однією з найнебезпечніших хвороб з високим відсотком летальних наслідків, особливо у дітей. Загальна кількість захворювань на земну кулю перевищує 5 мільйонів випадків щорічно, внаслідок чого вмирає близько 200 тисяч осіб. Тому Всесвітня організація охорони здоров'я (ВООЗ) приділяє увагу профілактиці захворювання на діарейні інфекції, всіляко стимулюючи створення різноманітних вакцин проти цих захворювань. Спалахи захворювання на холеру зустрічаються і в нашій країні, особливо в південних регіонах.

Діарейні бактеріальні захворювання також широко поширені й у сільськогосподарських тварин та птиці, насамперед у молодняку, що є причиною великих збитків у господарствах внаслідок втрати ваги та смертності поголів'я.

Класичним прикладом рекомбінантної вакцини, отриманої за допомогою мікроорганізмів, служить виробництво поверхневого антигену гепатиту В. Вірусний ген HBsAg був вбудований в дріжджову плазміду, в результаті чого в дріжджах у великих кількостях став синтезуватися вірусний білок, який після очищення використовується для ін'єкцій. гепатиту (Pelre et al., 1992).

Багато південних країн з високим відсотком захворювання на гепатит проводять загальну вакцинацію населення, включаючи дітей, проти цієї хвороби. На жаль, вартість такої вакцини відносно висока, що перешкоджає поширенню програм загальної вакцинації населення в країнах з невисоким рівнем життя. У зв'язку з таким становищем на початку 90-х років ВООЗ виступила з ініціативою створення нових технологій для недорогих вакцин проти інфекційних хвороб, доступних для всіх країн світу.

Десять років тому висунуто концепцію використання трансгенних рослин для виробництва так званих «їстівних» вакцин (edible vaccines). Дійсно, якщо будь-який їстівний орган рослини синтезуватиме білок-антиген, що володіє сильними оральними імуногенними властивостями, то при вживанні цих рослин в їжу паралельно засвоюватиметься і білок-антиген з виробленням відповідних антитіл.

Отримано рослини тютюну, що несуть ген, що кодує антиген оболонки вірусу гепатиту В під рослинним промотором. Наявність антигену в листі трансгенних рослин підтверджено імуноферментним аналізом. Показано подібність фізико-хімічної будови та імунологічних властивостей рекомбінантного антигену і антигену сироватки людини, що утворюється.

Ідентифікація антитіл, що продукуються в рослинах, показала можливість збирання двох рекомбінантних генних продуктів в одну білкову молекулу, що неможливо в прокаріотів. Складання антитіл відбувалося, коли обидва ланцюги були синтезовані з сигнальною послідовністю. При цьому, поряд з можливістю введення двох генів в одну рослину, можливе також поєднання індивідуальних поліпептидних ланцюгів, що синтезуються в різних трансгенних рослинах, у повноцінний білок при гібридизації цих двох рослин. Можливе введення кількох генів на одній плазміді.

Трансгенні рослини-продуценти аутоантигенів можуть використовуватися також при інших аутоімунних хворобах, таких як множинний склероз, ревматичний артрит, інсулінозалежний діабет і навіть відторгнення при трансплантації органів. Інсулінозалежний діабет є аутоімунним захворюванням, при якому клітини підшлункової залози, що продукують інсулін, руйнуються власними цитотоксичними Т-лімфоцитами. Оральне профілактичне споживання значних кількостей імуногенних білків може призвести до запобігання та значної затримки появи симптомів аутоімунних хвороб. Однак воно можливе лише за наявності значної кількості аутоантигенів. Білки інсулін і панкреатична декарбоксилаза глютамінової кислоти (GAD65) розглядаються як оральні вакцини для запобігання інсулінозалежному діабету. Нещодавно канадські біотехнологи отримали трансгенні рослини картоплі, які синтезують панкреатичну декарбоксилазу глютамінової кислоти. При згодовуванні схильним до діабету мишам відмічено як зниження діабету, так і величини аутоімунної відповіді.

Наведені вище результати геннонженерних розробок переконливо свідчать про можливість створення «їстівних» вакцин на основі трансгенних рослин. Враховуючи той факт, що розробка вакцин для людини вимагатиме набагато більше часу та ретельнішої перевірки на нешкідливість для здоров'я, слід очікувати, що перші їстівні вакцини будуть розроблені для тварин. Дослідження на тваринах допоможуть розкрити механізми дії «їстівних» вакцин і лише потім, після тривалого вивчення та всебічної оцінки, такі вакцини можна буде використовувати у клінічній практиці. Тим не менш, роботи в цьому напрямку активно продовжуються, а ідея використання рослин для виробництва вакцин вже запатентована в США, що свідчить про комерційний інтерес до цих розробок.

Незважаючи на такі обнадійливі результати, проблема створення комерційних «їстівних» вакцин проти діареї потребує подальших досліджень. У патогенезі ентеротоксичної форми бактеріальних та холерних діарів первинним є забезпечення можливості бактеріям розмножуватись у тонкому відділі кишечника. Цей процес залежить від здатності Escherichia coli до адгезії, що обумовлено наявністю на поверхні бактеріальних клітин спеціальних ниткоподібних утворень білкової природи - фімбрій. На стінках тонкого кишечника хворих на діарею виявляється значно більше бактерій, ніж у просвіті тієї ж ділянки кишечника, що пов'язано з наявністю у Escherichia coli фімбріальних адгезинів - білків, що забезпечують зв'язування з рецепторами на поверхні кишкового епітелію.

Навіть непатогенні штами Escherichia coll, які містили плазміду, що кодує синтез адгезину, були здатні колонізувати кишечник і викликати діарею, не виробляючи при цьому ентеротоксинів. У зв'язку з цим цілком ймовірно, що імунності лише проти токсинів буде недостатньо для запобігання патогенним ефектам, що викликаються холерним вібріоном або кишковою паличкою. Можливо, що для подолання цих ефектів на додаток до антигенів ентеротоксинів необхідно експресувати нейтралізуючі епітопи структурних антигенів, таких як ліпополісахариди, білки зовнішньої мембрани бактерій або адгезинів, асоційованих з фімбріями цих бактерій, відповідальних за зв'язування зі слизовою оболонкою кишечника. Нещодавно один з таких адгезинів – FimH – був успішно використаний для імунізації мишей проти бактеріальної діареї.

Ще одна важлива проблема, пов'язана з розробкою «їстівних» вакцин – рівень експресії гетерологічного антигену у рослинах. Оскільки при пероральному введенні вакцини потрібні більші кількості антигену, ніж при парентеральному, кількість синтезованого в рослинах антигену, яка зараз становить не більше 0,3% від загального розчинного білка, повинна бути збільшена. У той же час рівень експресії повинен бути досить високим для того, щоб викликати імунну відповідь, але бути меншим за рівень, який викликає толерантність до антигену, як це відбувається з речовинами, що споживаються зі звичайною їжею. Оскільки імунна відповідь (імуногенність проти толерантності) може бути антиген-специфічним, то рівні експресії для кожного потенційного антигену треба буде підбирати індивідуально.

Як показують експерименти, рівень експресії гетерологічного антигену в рослинах може бути збільшений шляхом використання тканеспецифічних промоторів і енхансерів, енхансерів транскрипції та трансляції, додаванням пептидів, що транспортують, а також шляхом зміни нуклеотидної послідовності відповідних генів з використанням кодонів, кращих для рослин. Однак, питання про те, які рослини краще використовувати і в якому їстівному органі краще експресувати антиген, вимагає подальших досліджень, оскільки в різних рослинах можуть міститися речовини, які блокують або уповільнюють імунну відповідь або просто токсичні для людини і тварин, як, наприклад, алкалоїди у клітинах тютюну.

Досягнення науково-технічного прогресу торкнулося всі сфери людської діяльності, починаючи з виробництва і закінчуючи повсякденним побутом. Століттями люди прагнули звільнитися від фізичних навантажень, автоматизуючи виробництво, створюючи побутову техніку тощо. І, загалом, звільнилися. В результаті добові енерговитрати людини до кінця XX століття, порівняно з її початком, знизилися в 1,5-2 рази.

Здоров'я людини визначається, в основному, спадковою схильністю (генетикою) та харчуванням. У всі часи створення продовольчої бази було запорукою та основою процвітання будь-якої держави. Тому будь-яка держава зацікавлена ​​у проектах профілактики та оздоровчих програмах, покращенні структури харчування, підвищенні якості життя, зниженні захворюваності та смертності. Саме харчування тісно пов'язує нас із навколишнім середовищем, а їжа – це матеріал, з якого будується людський організм. Тому знання законів оптимального харчування дають змогу забезпечувати здоров'я людини. Ці знання прості і полягають у наступному: споживайте стільки енергії, скільки витрачаєте. Енергетична цінність (калорійність) добового раціону має відповідати добовим енерговитратам. Інше - максимальна різноманітність їжі, що забезпечить різноманітність хімічного складу харчування фізіологічними потребами людини в харчових речовинах (близько 600 найменувань). Споживана їжа повинна містити білки, жири, вуглеводи, вітаміни, мінеральні солі, воду, клітковину, ферменти, смакові та екстрактивні речовини, мінорні компоненти – біофлавоноїди, індоли, антоціаніди, ізофлавони та багато інших. У разі недостатності хоча б одного із цих компонентів можливі серйозні порушення здоров'я. І щоб цього не трапилося, добовий раціон людини повинен включати приблизно 32 найменування різних харчових продуктів.

Оптимальне співвідношення харчових речовин, що надходять в організм, сприяє збереженню здоров'я і довголіття. Але, на жаль, більшість населення Землі характерний дефіцит наступних харчових речовин: повноцінних (тваринних) білків; поліненасичених жирних кислот; вітамінів С, В, В2, Е, фолієвої кислоти, ретинолу, бета-каротину та інших; макро- та мікроелементів: Са, Fe, Zn, F, Se, I та інших; харчових волокон. І надмірне споживання таких тваринних жирів і легкозасвоюваних вуглеводів.

Дефіцит споживання білка більшість населення становить середньому 20%, вміст більшості вітамінів і мікроелементів на 15-55% менше розрахункових величин потреби у яких, а харчових волокон - на 30% нижче. Порушення харчового статусу неминуче веде до погіршення здоров'я та як наслідок – до розвитку захворювань. Якщо прийняти все населення Російської Федерації за 100%, здорових виявиться лише 20%, людей у ​​стані маладаптації (зі зниженою адаптаційною резистентністю) – 40%, а у стані передхвороби та хвороби – по 20% відповідно.

Серед найпоширеніших аліментарно залежних захворювань можна назвати такі: атеросклероз; гіпертонічна хвороба; гіперліпідемія; ожиріння; цукровий діабет; остеопороз; подагра; деякі злоякісні новоутворення.

Динаміка демографічних показників у Російській Федерації та Україні за останні 10 років також характеризується виключно негативними тенденціями. Смертність майже вдвічі перевищує народжуваність, тривалість життя значно поступається не тільки розвиненим державам.

У структурі причин смертності чільне місце займають патології серцево-судинної системи та онкологічні захворювання - хвороби, ризик виникнення яких, серед інших причин, залежить від порушень харчування.

Слід врахувати та дефіцит харчових продуктів у світі. За XX століття чисельність населення Землі збільшилася з 1,5 до 6 млрд. чоловік. Передбачається, що до 2020 року вона зросте до 8 млрд. і більше – залежно від того, хто і як вважає. Зрозуміло, що основне питання – питання харчування такої кількості людей. Незважаючи на те, що виробництво сільськогосподарської продукції за останні 40 років завдяки селекції та удосконаленню агрономічних методів зросло в середньому в 2,5 рази, подальше його зростання є малоймовірним. Отже, темпи виробництва сільськогосподарської харчової продукції надалі все більше відставатимуть від темпів зростання населення.

Сучасна людина на добу споживає близько 800 г їжі та 2 л води. Таким чином, лише за добу люди з'їдають понад 4 млн. тонн їжі. Вже зараз дефіцит харчових продуктів у світі перевищує 60 млн. тонн, і прогнози невтішні.

Вирішення проблеми збільшення виробництва харчових продуктів старими методами вже неможливе. Крім того, традиційні сільськогосподарські технології не відновлюються: протягом останніх 20 років людством втрачено понад 15% родючого ґрунтового шару, а більша частина придатних до обробітку ґрунтів вже залучена до сільськогосподарського виробництва.

Аналіз ситуації, що склалася останніми роками в агропромисловому комплексі Росії, свідчить про зниження населення і падіння виробництва всіх видів сільськогосподарської продукції більш ніж 1,5 разу. При загальних обсягах природних і трудових ресурсів, що збереглися, криза викликала різке погіршення використання орних земель, зниження продуктивності агроекосистем, з обороту виведено понад 30 млн га високопродуктивних агроценозів.

Заходи, які вживалися досі стабілізації становища над ринком сільськогосподарської продукції, виявилися неефективними і недостатніми. І імпорт продовольства перевищив усі розумні межі та поставив під питання продовольчу безпеку.

Виходячи із значущості оптимізації структури харчування для здоров'я нації, розвитку та безпеки країни, розроблено пріоритетний напрямок для поліпшення харчування населення Росії: ліквідація дефіциту повноцінного білка; ліквідація дефіциту мікронутрієнтів; створення умов для оптимального фізичного та розумового розвитку дітей; забезпечення безпеки вітчизняних та імпортних харчових продуктів; підвищення рівня знань населення у питаннях здорового харчування. Науковою основою сучасної стратегії виробництва є пошук нових ресурсів, які забезпечують оптимальне для організму людини співвідношення хімічних компонентів їжі. Вирішення цієї проблеми насамперед полягає у пошуку нових джерел білка та вітамінів.

Наприклад, рослина, що містить повноцінний білок, який за набором амінокислот не поступається тваринним білкам - соя. Введення до раціону продуктів з неї дозволяє заповнити дефіцит білка, а також різних мінорних компонентів, зокрема, ізофлавонів.

Одним із рішень продовольчої проблеми є хімічний синтез харчових продуктів та їх компонентів, причому певних успіхів уже досягнуто в галузі виробництва вітамінних препаратів. Дуже перспективний і вже застосовується такий спосіб отримання повноцінних харчових продуктів, як збагачення їх білком та вітамінами у процесі технологічної обробки, тобто виробництво їжі із заданим хімічним складом.

Інший шлях - використання мікроорганізмів як окремих компонентів харчових продуктів, адже швидкість зростання мікроорганізмів у тисячу разів перевищує швидкість зростання сільськогосподарських тварин та у 500 разів - рослин.

Важливо те, що є можливість спрямованого генетичного приречення мікроорганізмів їх хімічного складу, його вдосконалення, що безпосередньо визначає їх харчову цінність і перспективу застосування.

Таким чином, у столітті виробництво харчових продуктів не зможе обійтися без застосування високих сучасних технологій і, зокрема, без використання біотехнологій, використання мікроорганізмів для отримання харчових продуктів

Зі зростанням розуміння важливості здорового способу життя збільшився попит на продукти харчування, які не містять шкідливих речовин. І тут ДНК-технологи не змогли взяти участь.

Вище ми вже згадували цукрові буряки, які продукують фруктан - низькокалорійний замінник сахарози. Отримати такий результат вдалося шляхом вбудовування в геном буряків гена з єрусалимського артишоку, який кодує фермент, що перетворює сахарозу на фруктан. Таким чином, 90% накопиченої сахарози у трансгенних рослин буряків перетворюється на фруктан.

Ще одним прикладом робіт із створення продуктів «функціонального харчування» може бути спроба створення безкофеїнної кави. Групою вчених на Гаваях було виділено ген ферменту ксантозин-N7-метилтрансферази, який каталізує критичний перший крок синтезу кофеїну в листі та зернах кави. За допомогою агробактерії в клітини культури тканин кави Арабіка була вбудована антисмислова версія цього гена. Дослідження трансформованих клітин показали, що рівень кофеїну у них становить лише 2% від нормального. Якщо роботи з регенерації та розмноження трансформованих рослин пройдуть успішно, їх використання дозволить уникнути процесу хімічної декофеїнізації кави, що дозволить не тільки заощадити по $2.00 на кілограмі кави (вартість процесу), але й зберегти смак зіпсованого таким чином напою, який частково втрачається при декофеїнізації. .

Країни, що розвиваються, в яких голодують сотні мільйонів людей, особливо потребують підвищення якості їжі. Наприклад, у бобових рослинах, що вирощуються повсюдно, не вистачає деяких сірковмісних амінокислот, у тому числі метіоніну. Наразі робляться активні спроби підвищити концентрацію метіоніну в бобових рослинах. У ГМ рослинах вдається на 25% збільшити вміст запасного білка (це зроблено поки що для деяких сортів квасолі). Інший приклад, що вже згадувався, - збагачений бета-каротином «золотий рис», отриманий професором Потрікусом з Технічного університету в Цюріху. Отримання промислового сорту буде визначним досягненням. Робляться також спроби збагатити рис вітаміном В, недолік якого веде до недокрів'я та інших захворювань.

Робота з підвищення якісних характеристик рослинницької продукції добре ілюструє можливості сучасних ДНК-технологій у вирішенні найрізноманітніших завдань.

Терміном "біотехнологія" позначають сукупність промислових методів, що використовують для виробництва живі організми та біологічні процеси. Біотехнологічні прийоми старі як світ - виноробство, хлібопечення, пивоваріння, сироваріння засновані на використанні мікроорганізмів і також належать до біотехнологій.

Сучасна біотехнологія базується на клітинній та генетичній інженерії, що дає можливість отримувати цінні біологічно активні речовини – антибіотики, гормони, ферменти, імуномодулятори, синтетичні вакцини, амінокислоти, а також харчові білки, створювати нові сорти рослин та породи тварин. Основна перевага застосування нових підходів - зменшення залежності виробництва від природних ресурсів, використання екологічно та економічно найбільш вигідних способів господарювання.

Створення генетично модифікованих рослин дозволяє багаторазово прискорювати процес селекції культурних сортів, а також отримувати культури з такими властивостями, які не можна вивести з використанням традиційних методів. Генетична модифікація сільськогосподарських культур надає їм стійкості до пестицидів, шкідників, хвороб, забезпечуючи зниження втрат при вирощуванні, зберіганні та поліпшенні якості продукції.

Що характерне для другого покоління трансгенних культур, що виробляються вже зараз у промислових обсягах? Вони мають більш високі агротехнічні характеристики, тобто більшу стійкість до шкідників і бур'янів, а отже, і більш високу врожайність.

З погляду медицини важливі переваги трансгенних продуктів полягають у тому, що вдалося, по-перше, значно знизити залишкову кількість пестицидів, завдяки чому з'явилася реальна можливість зменшити хімічне навантаження організм людини за умов несприятливої ​​екологічної обстановки. По-друге, надати інсектицидних властивостей рослинам, що веде до зменшення їх ураження комахами, а це багаторазово знижує ураженість зернових культур пліснявими грибами. Відомо, що вони продукують мікотоксини (зокрема, фумонізини – природні контамінанти злакових культур), токсичні для людини.

Таким чином, ГМ продукти як першого покоління, так і другого позитивно впливають на здоров'я людей не тільки опосередковано - через поліпшення стану навколишнього середовища, а й прямо - через зниження залишкової кількості пестицидів та вмісту мікотоксинів. Не дивно, що площі, зайняті трансгенними культурами, з року в рік збільшуються.

Але зараз найбільша увага буде звернена на створення продуктів третього покоління, з покращеною або зміненою харчовою цінністю, стійких до впливу кліматичних факторів, засолення грунтів, а також мають пролонгований термін зберігання та покращені смакові властивості, що характеризуються відсутністю алергенів.

Для культур четвертого покоління крім вищеперелічених якостей будуть характерні зміна архітектури рослин (наприклад, низькорослість), зміна часу цвітіння та плодоношення, що дасть можливість вирощувати тропічні фрукти в умовах середньої смуги, зміну розміру, форми та кількості плодів, підвищення ефективності фотосинтезу, продукування харчових речовин. з підвищеним рівнем асиміляції, тобто краще засвоюється організмом.

Удосконалення методів генетичної модифікації, а також поглиблення знань про функції їжі та обмін речовин в організмі людини дадуть можливість виробляти продукти, призначені не тільки для забезпечення повноцінного харчування, а й для додаткового зміцнення здоров'я та профілактики захворювань.

Одним з перспективних напрямків ДНК-технологій рослин є створення рослин-біореакторів, здатних продукувати білки, необхідні в медицині, фармакології та ін. Крім того, чужорідні білки не викликають імунних реакцій у рослин, чого важко досягти у тварин.

Існує потреба в отриманні цілого набору біологічно активних білків, які через дуже низький рівень синтезу в специфічних тканинах або продуктах недоступні для вивчення за механізмом дії, широкого використання або визначення областей додаткового застосування. До таких білків відноситься, наприклад, лактоферин, який знаходиться в невеликій кількості в молоці ссавців, лейкоцитах крові.

Лактоферин людини (hLF) перспективно використовувати як харчової добавки та лікувального препарату для профілактики та лікування інфекційних захворювань шлунково-кишкового тракту дітей раннього віку, підвищення імунної відповіді організму при злоякісних та ряді вірусних (СНІД) захворювань. Одержання лактоферину з молока великої рогатої худоби внаслідок його низького вмісту призводить до високої вартості препарату. При введенні кДНК гена лактоферину в клітини тютюну отримано ряд каллусних тканин, що синтезують укорочений лактоферин, антибактеріальні властивості якого були значно сильнішими за антибактеріальні властивості нативного лактоферину. Концентрація цього укороченого лактоферину у клітинах тютюну становила 0,6-2,5%.

У геном рослин вбудовуються гени, продукти яких індукують у людини та тварин імунну відповідь, наприклад, на оболонкові білки збудників різних захворювань, зокрема холери, гепатиту, діареї, а також на антигени плазматичних мембран деяких пухлин.

Створюються трансгенні рослини, що несуть гени, які продукують деякі гормони, необхідні для гормонотерапії людей і таке інше.

Приклад використання рослин для створення вакцин є роботи, виконані в Стенфордському університеті. В роботі були отримані антитіла до однієї з форм раку за допомогою модернізованого вірусу тютюнової мозаїки, в який була вбудована гіперваріабельна ділянка імуноглобуліну лімфоми. Рослини, заражені модернізованим вірусом, продукували антитіла правильної конформації у достатній для клінічного застосування кількості. 80% мишей, які отримували антитіла, пережили лімфому, тоді як усі миші, які не отримували вакцини, загинули. Запропонований метод дозволяє швидко отримувати специфічні для пацієнта антитіла у достатній для клінічного застосування кількості.

Великі перспективи використання рослин для виробництва антитіл. Кевін Вузіл із співробітниками показав, що антитіла, які продукує соя, ефективно захищали мишей від інфекції вірусом герпесу. У порівнянні з антитілами, що продукуються в культурах клітин ссавців, антитіла, що продукуються рослинами, мали подібні фізичні властивості, залишалися стабільними в людських клітинах і не мали відмінностей у здатності зв'язувати та нейтралізувати вірус. Клінічні випробування показали, що використання антитіл, що продукуються тютюном, ефективно перешкоджало розмноженню мутантних стрептококів, що викликають карієс.

Було проведено створення вакцини, що продукується картоплею, проти інсулінозалежного діабету. У бульбах картоплі накопичувався химерний білок, що складається з субодиниці В токсину холери та проінсуліну. Наявність субодиниці полегшує споживання даного продукту клітинами, що робить вакцину в 100 разів більш ефективною. Згодовування бульб з мікрограмовими кількостями інсуліну мишам, хворим на діабет, дозволяло загальмувати прогресування хвороби.

Своїми діями людина втрутилася в хід еволюційного розвитку життя на Землі та зруйнувала незалежне від людини існування біосфери. Але він не зміг скасувати керуючі біосферою фундаментальні закони та звільнитися від їхнього впливу.

Відроджуючись після чергового катаклізму з вогнищ, що збереглися, пристосовуючись і еволюціонуючи, життя, проте, у всі часи мало основний напрямок розвитку. Воно визначалося законом історичного розвитку Рульє, згідно з яким у рамках прогресу життя та незворотності еволюції все прагне незалежності від умов середовища. В історичному процесі таке прагнення реалізується шляхом ускладнення організації, що виражається в наростанні диференціації структури та функцій. Таким чином, на кожному черговому витку спіралі еволюції з'являються організми з нервовою системою, що ускладнюється, і її центром - головним мозком. Вчені-еволюціоністи ХІХ ст. назвали цей напрямок еволюції «цефалізацією» (від грецького «цефалон» - мозок) Однак цефалізація приматів та ускладнення їх організму в кінцевому підсумку поставили людство як біологічний вид на межу зникнення згідно з біологічним правилом прискорення еволюції, за яким ускладнення біологічної системи означає скорочення середньої тривалості виду та зростання темпів його еволюції. Наприклад, середня тривалість існування виду птахів становить 2 млн. років, ссавців – 800 тис. років, предкових форм людини – 200-500 тис. років. Сучасний підвид людини існує, за деякими уявленнями, всього від 50 до 100 тис. років, але багато вчених вважають, що його генетичні можливості та резерви вичерпані (Длексєєнко, Кейсевич, 1997).

На шлях, що посилює конфронтацію з біосферою і веде до катастрофи, предки сучасної людини ступили приблизно 1.5-3 млн років тому, коли вперше почали користуватися вогнем. З цього моменту шляхи людини і біосфери розійшлися, почалося їхнє протистояння, результатом якого може стати колапс біосфери або зникнення людини як виду.

Відмовитися від будь-якого з досягнень цивілізації, навіть якщо вони згубні, людство не може: на відміну від тварин, що використовують лише відновлювані джерела енергії, причому в кількостях, адекватних здатності біосфери до самовідтворення біомаси, людство може існувати, використовуючи не стільки відновлення не відновлювані енергоносії та джерела енергії. Нові винаходи в цій галузі тільки посилюють це протистояння.

Одним із новітніх напрямків використання трансгенних рослин є їх застосування для фіторемедіації – очищення ґрунтів, фунтових вод тощо. - від забруднювачів: важких металів, радіонуклідів та інших шкідливих сполук.

Забруднення навколишнього середовища природними речовинами (нафтою, важкими металами тощо) та синтетичними сполуками (ксенобіотиками), часто токсичними для всього живого, рік у рік посилюється. Як запобігти подальшому забрудненню біосфери та ліквідувати його існуючі вогнища? Один із виходів – використання генних технологій. Наприклад, живі організми, насамперед мікроорганізми. Цей підхід отримав назву «біоремедіація» – біотехнологія, спрямована на захист довкілля. На відміну від промислових біотехнологій, головна мета яких – отримати корисні метаболіти мікроорганізмів, боротьба із забрудненнями неминуче пов'язана з «випуском» мікроорганізмів у навколишнє середовище, що потребує поглибленого розуміння їхньої взаємодії з нею. Мікроорганізми виробляють біодеградацію - руйнування небезпечних сполук, які є більшість їх звичайним субстратом. Біохімічні шляхи деградації складних органічних сполук можуть бути дуже протяжними (наприклад, нафталін та його похідні руйнуються під дією дюжин різних ферментів).

Деградацію органічних сполук у бактерій найчастіше контролюють плазміди. Їх називають плазмідами деградації, або D-плазмідами. Вони розкладають такі сполуки, як саліцилат, нафталін, камфора, октан, толуол, ксилол, біфеніл тощо. Більшість D-плазмідів виділено у ґрунтових штамах бактерій роду псевдомонад (Pseudomonas). Але є й у інших бактерій: Alcalkjenes, Flavobacterium, Artrobacter тощо. У багатьох псевдомонад виявлено плазміди, які контролюють стійкість до важких металів. Багато D-плазміди, як стверджують фахівці, кон'югативні, тобто. здатні самостійно переноситися у клітини потенційного реципієнта.

D-плазміди можуть контролювати як початкові етапи руйнування органічної сполуки, так і її повне розкладання. До першого типу відноситься плазміда ОСТ, що контролює окиснення аліфатичних вуглеводнів до альдегідів. Гени, що містяться в ній, керують експресією двох ферментів: гідроксилази, що переводить вуглеводень у спирт, і алкогольдегідрогенази, що окислює спирт в альдегід. Подальше окислення здійснюють ферменти, синтез яких «відповідають» гени хромосом. Втім, більшість D-плазмід належать до другого типу.

Стійкі до ртуті бактерії експресують ген mеr А, що кодує білок перенесення та детоксикації ртуті. Модифіковану конструкцію гена mеr А використовували для трансформації тютюну, ріпаку, тополі, арабідопсису. У гідропонній культурі рослини з цим геном витягали з водяного середовища до 80% іонів ртуті. При цьому зростання та метаболізм трансгенних рослин не пригнічувалися. Стійкість до ртуті передавалася у насіннєвих поколіннях.

При інтродукції трьох модифікованих конструкцій гена mеr А в тюльпанне дерево (Liriodendron tulipifera) рослини однієї з отриманих ліній характеризувалися швидким темпом зростання в присутності небезпечних для контрольних рослин концентрацій хлориду ртуті (HgCI 2). Рослини цієї лінії поглинали і перетворювали на менш токсичну елементарну форму ртуті і випаровували до 10 разів більше іонної ртуті, ніж контрольні рослини. Вчені вважають, що елементарна ртуть, що випаровується трансгенними деревами цього виду, відразу розсіюватиметься в повітрі.

Тяжкі метали - складова частина забруднювачів земель, що використовуються в сільськогосподарському виробництві. У випадку з кадмієм відомо, що більшість рослин накопичують його в корінні, тоді як деякі рослини, такі як салат-латук і тютюн, накопичують його в основному в листі. Кадмій надходить у ґрунт головним чином із промислових викидів і як домішка у фосфорних добривах.

Одним із підходів до зниження надходження кадмію в організм людини і тварин може бути отримання трансгенних рослин, що накопичують меншу кількість цього металу в листі. Цей підхід представляє цінність тих видів рослин, листя яких використовують у їжу чи корму тваринам.

Можна також використовувати металотіонеїни - невеликі багаті на цистеїн білки, здатні пов'язувати важкі метали. Показано, що металотіонеїн ссавців є функціональним у рослинах. Отримано трансгенні рослини, що експресують гени металотіонеїнів, і показано, що ці рослини були більш стійкими до кадмію, ніж контрольні.

Трансгенні рослини з hMTII геном ссавців мали на 60-70% нижче концентрацію кадмію в стеблах порівняно з контролем, і перенесення кадмію з коренів у стебла також було знижено - лише 20% поглиненого кадмію було транспортовано у стебла.

Відомо, що рослини акумулюють важкі метали, витягуючи їх із ґрунту або води. На цій властивості заснована фіторемедіація, що поділяється на фітоекстракцію та ризофільтрацію. Під фітоекстракцією розуміють використання швидкорослих рослин для вилучення важких металів із ґрунту. Ризофільтрація - це абсорбція та концентрація корінням рослин токсичних металів із води. Рослини, що увібрали у собі метали, компостують чи спалюють. Рослини помітно розрізняються за здатністю, що акумулює. Так, брюссельська капуста може накопичувати до 3,5% свинцю (від сухої ваги рослин), а її коріння – до 20%. Ця рослина успішно акумулює також мідь, нікель, хром, цинк тощо. Фіторемедіація перспективна і для очищення ґрунту та води від радіонуклідів. А от токсичні органічні сполуки рослинами не розкладаються, тут перспективніше використовувати мікроорганізми. Хоча деякі автори наполягають на зниженні концентрації органічних забруднень при фіторемедіації, руйнують їх в основному не рослини, а мікроорганізми, що мешкають у їхній ризосфері.

Симбіотичному азотфіксатор люцерни Rhlzobium melitotj був вбудований ряд генів, що здійснюють розкладання бензину, толуїну і ксилену, що містяться в пальному. Глибока коренева система люцерни дозволяє очищати ґрунт, забруднений нафтопродуктами, на глибину до 2-2.5 метрів.

Слід пам'ятати, що більшість ксенобіотиків з'явилася у навколишньому середовищі останні 50 років. Але в природі вже існують мікроорганізми, здатні до їхньої утилізації. Це свідчить, що у популяціях мікроорганізмів досить швидко відбуваються генетичні події, що визначають їх еволюцію точніше, мікроеволюцію. Оскільки ксенобіотиків у зв'язку з нашою техногенною цивілізацією стає дедалі більше, важливо мати загальне уявлення про метаболізм мікроорганізмів, та про їх метаболічні можливості. Усе це зажадало розвиток нової науки – метаболоміки. Заснована вона на тому, що бактерії можуть набувати здатності до переробки нових сполук у результаті мутацій. Як правило, для цього потрібно кілька послідовних мутацій або вбудовування нових генних систем із вже існуючих в інших видів мікроорганізмів. Наприклад, для розкладання стійкого галогенорганічного з'єднання потрібна генетична інформація, що у клітинах різних мікроорганізмів. У природі такий обміну інформацією відбувається за рахунок горизонтального перенесення генів, а в лабораторіях використовуються методи ДНК-технологій, взяті з природи.

Подальший розвиток фіто- та біоремедіації – це комплексна проблема, пов'язана, зокрема, з використанням рослин та ризосферних мікроорганізмів. Рослини з успіхом витягуватимуть з ґрунту важкі метали, а ризосферні бактерії - розкладатимуть органічні сполуки, підвищуючи ефективність фіторемедіації, сприяючи зростанню рослин, а рослини - розвитку мікроорганізмів, що живуть на їх коренях.

Забруднення довкілля вважатимуться захворюванням екосистем, а биоремедиацию - лікуванням. Її слід розглядати як профілактику численних захворювань людини, викликаних забрудненням середовища. У порівнянні з іншими методами очищення цей набагато дешевше. При розсіяних забрудненнях (пестициди, нафта та нафтопродукти, тринітротолуол, яким забруднені численні землі), йому немає альтернативи. В очищенні навколишнього середовища від забруднень важливо правильно виділити пріоритети, мінімізуючи ризики, пов'язані з тим чи іншим забрудненням, та враховуючи властивості конкретної сполуки та її вплив насамперед на здоров'я людини. Необхідні законодавчі акти та правила, що регламентують інтродукцію в навколишнє середовище ГМ мікроорганізмів, з якими пов'язані особливі надії на очищення будь-яких забруднювачів. На відміну від промислової біотехнології, де можна суворо контролювати всі параметри технологічного процесу, біоремедіація проводиться у відкритій системі, де такий контроль утруднений. Певною мірою це завжди «ноу-хау», свого роду мистецтво.

Повною мірою перевагу мікроорганізмів під час очищення від нафтопродуктів вдалося продемонструвати, коли після катастрофи танкера 5000 м 3 нафти вилилося в море біля берегів Аляски. Близько 1,5 тис. км берегової лінії виявилося забрудненим нафтою. До механічного очищення залучили 11 тис. робітників та різноманітне обладнання (це обходилося в 1 млн дол. на день). Але був і інший шлях: паралельно для очищення берега у ґрунт вносили азотне добриво, що прискорило розвиток природних мікробних угруповань. Це у 3-5 разів прискорило розкладання нафти. У результаті забруднення, наслідки якого, за розрахунками, могли позначатися і через 10 років, повністю усунули за 2 роки, витративши на біоремедіацію менше 1 млн. дол.

Розвиток біоремедіації, технологій та способів її застосування вимагають міждисциплінарного підходу та співробітництва фахівців у галузі генетики та молекулярної біології, екології та інших дисциплін. Таким чином, напрями використання генної інженерії дуже різноманітні і великі, а деякі з них фантастичні і в той же час дуже перспективні для досягнення результатів.

Дослідження реакції живих організмів на зміни навколишнього середовища надзвичайно важливе для оцінки впливу цих змін, що особливо мають антропогенне походження, на біорізноманіття, збереження якого є найважливішим завданням людської цивілізації.

За даними Організації економічного співробітництва та розвитку (ОЕСР), потенційний ринок біоремедіації становить понад 75 млрд дол. Прискорене впровадження біотехнологій для захисту навколишнього середовища викликано, зокрема, тим, що вони набагато дешевші за інші технології очищення. На думку ОЕСР, біоремедіація має локальне, регіональне та глобальне значення, і для очищення будуть все ширше застосовувати як природні організми, так і ГМО.

З урахуванням обмежених запасів викопної енергії особливу увагу в даний час має бути приділено можливості використання нових видів палива - метану, водню та ін, а також відновлюваних джерел енергії. Однак у загальному енергетичному балансі такі екологічно безпечні джерела енергії, як енергія Сонця, морських течій, води, вітру та ін., можуть становити не більше 20% від їх загального виробництва. У цій ситуації одним із найперспективніших відновлюваних джерел енергії стає біомаса, методи використання якої постійно вдосконалюються. При цьому поряд з безпосереднім спалюванням широке застосування отримують процеси біоконверсії, наприклад, спиртова та анаеробна ферментація, термоконверсії, газифікація, піроліз та ін. Так, наприклад, у Бразилії, в басейні Амазонки, розширюються площі під культурою маніоки та цукрової тростини для виробництва спирту використовується як добавка до палива, замість імпортованої нафти. З цією ж метою розпочато експлуатацію природних чагарників чорного лозняку, що займає у північно-східних районах країни близько 6 млн. га.

Якщо Індії, Китаї та інших країнах сільськогосподарські відходи утилізуються з метою отримання біогазу, то Швеції, Німеччини, Бразилії, США, Канаді сільськогосподарські культури спеціально вирощують виробництва паливного спирту етанолу. Ефективним замінником викопного палива є олія ріпаку та сурепиці, ярі форми яких вдається обробляти Росії аж до Полярного кола. Джерелом рослинних олій для отримання біопалива можуть бути також соя, соняшник та інші культури. Для отримання паливного етанолу у Бразилії дедалі ширше використовують цукрову тростину, а США - кукурудзу.

Коефіцієнт енерговіддачі (ставлення сумарного енергетичного еквівалента корисної продукції до всіх енергетичних витрат на її виробництво) становить для цукрових буряків – 1,3; кормових трав – 2,1; ріпаку - 2,6; пшеничного соломи - 2,9. При цьому за рахунок використання як вихідну сировину 60 ц соломи пшениці з кожного гектара можна отримати 10 тис. м 3 генераторного газу, або 57,1 ГДж.

У зв'язку зі швидким виснаженням природних ресурсів нафти, газу та вугілля в багатьох країнах особлива увага приділяється так званим нафтоносним рослинам - Euphorbia lathyris (молочай олійний) і E.tirucallii з сімейства молочайних (Kupharbiacea), що містять латекс, склад терпенов якого наближається. до високоякісної нафти При цьому врожайність сухої маси зазначених рослин становить близько 20 т/га, а вихід нафтоподібного продукту в умовах Північної Каліфорнії (тобто в зоні 200-400 мм опадів на рік) може досягти 65 барелів сировини з 1 га. Отже, вигідніше вирощувати рослинні замінники викопного палива, оскільки з кожного гектара можна отримувати понад 3600 нафтодоларів, що у зерновому еквіваленті становитиме 460 ц/га, тобто. у 20 разів більше за середню врожайність пшениці в США та Канаді. Якщо згадати відоме гасло США «за кожен барель нафти бушель зерна», то за сьогоднішніх цін на нафту, газ і зерно це означає обмін - 1 зернодолар приблизно на 25 нафтодоларів. Звичайно, барель нафти не замінить бушель зерна в прямому значенні, і далеко не в кожній зоні вдасться обробляти види рослин. Але одержання альтернативних видів палива за рахунок цілеспрямованої селекції рослин перетворює і техногенно-енергетичний компонент високопродуктивних агрофітоценозів у відтворюваний та екологічно безпечний фактор інтенсифікації рослинництва, і, звичайно, це один із найбезболісніших виходів для таких держав як Україна - все у великих масштабах використовувати рослини як поновлювані ресурси, у тому числі енергії (біодизельне паливо, мастильні матеріали тощо). Наприклад, виробництво озимого ріпаку вже забезпечує співвідношення витрати та виходу енергії 1:5.

Принциповим моментом сучасного етапу селекції є чітке розуміння того, що базою для її розвитку, в тому числі і з використанням генно-інженерних прийомів, є біорізноманіття.

Еволюція рослинного царства йшла шляхом множення числа видів та його «екологічної спеціалізації». Цей факт вказує на небезпеку зниження біологічного (генетичного) розмаїття в біосфері загалом та в агроекосистемах зокрема. Різке звуження видового та генетичного розмаїття зменшило не тільки стійкість рослинництва до примх погоди та змін клімату, але й можливість з більшою ефективністю утилізувати сонячну енергію та інші невичерпні ресурси природного середовища (вуглець, кисень, водень, азот та інші біофільні елементи). відомо, становлять 90-95% сухих речовин фітомаси. Крім того, це призводить до зникнення генів та генних комбінацій, які могли б бути використані у селекційній роботі майбутнього.

Одна й та сама площа, підкреслював Ч. Дарвін (1859), може забезпечити тим більше життя, чим різноманітні форми, що населяють її. Для кожного виду рослин, що культивується, у зв'язку зі своєю еволюційною історією та специфічною роботою селекціонера, характерний свій «агроекологічний паспорт», тобто. приуроченість величини та якості врожаю до певного поєднання температури, вологості, освітлення, вмісту елементів мінерального живлення, а також їх нерівномірний розподіл у часі та просторі. Тому зниження біологічного розмаїття в агроландшафтах зменшує в тому числі можливість диференційованого використання ресурсів природного середовища, а, отже, і реалізації диференціальної земельної ренти I і II типу. Одночасно послаблюється і екологічна стійкість агроекосистем, особливо у несприятливих ґрунтово-кліматичних та погодних умовах.

Відомі масштаби лиха, викликані ураженням картоплі фітофторою та нематодою, катастрофічні втрати пшениці через ураження іржею, кукурудзи у зв'язку з епіфітотією гельмінтоспоріозу, знищенням плантацій тростини через віруси тощо.

Про різке зниження генетичного розмаїття видів рослин, що культивуються на початку XXI століття, наочно свідчить той факт, що з 250 тис. видів квіткових рослин за останні 10 тис. років людина ввела в культуру 5-7 тис. видів, з яких всього лише 20 культур (14 їх належать до зерновим і бобовим) становлять основу сучасного раціону населення Землі. Загалом до теперішнього часу близько 60% продуктів харчування виробляється завдяки обробітку кількох зернових культур, а понад 90% потреб людини у продовольстві забезпечується за рахунок 15 видів сільськогосподарських рослин та 8 одомашнених видів тварин. Так, із 1940 млн. т виробництва зернових майже 98% припадає на пшеницю (589 млн. т), рис (563 млн. т), кукурудзу (604 млн. т) та ячмінь (138 млн. т). З 22 відомих видів рису (рід Oryza) широко обробляють лише два (Oryza glaberrima та O.sativa). Аналогічна ситуація склалася і з бобовими культурами, валове виробництво 25 найбільш важливих видів яких становить лише близько 200 млн. т. Причому більша частина з них припадає на сою та арахіс, обробляються в основному як олійні культури. З цієї причини у раціоні людини значно зменшилася різноманітність органічних сполук. Можна припустити, що для Homo sapiens як одного з біологічних видів в еволюційній «пам'яті» зафіксовано потребу високої біохімічної варіабельності їжі. Тому тенденція до зростання її одноманітності може мати негативні наслідки для здоров'я. У зв'язку з широким поширенням онкозахворювань, атеросклерозу, депресії та інших хвороб звертається увага на брак вітамінів, тонізуючих речовин, поліненасичених жирів та інших біологічно цінних речовин.

Очевидно, що важливим фактором поширення тієї чи іншої цінної культури є масштаб її використання. Так, швидке нарощування площі сої та кукурудзи США та інших країнах обумовлено виробництвом сотень найменувань відповідної продукції. Завдання диверсифікації дуже актуальне й інших культур (з сорго, наприклад, почали отримувати високоякісне пиво, з жита - віскі тощо.).

Найбільшої уваги в плані вирішення взаємопов'язаних проблем здорової їжі та підвищення видового розмаїття агроекосистем заслуговує і на збільшення площі під посівами таких цінних культур, як гречка (Fagopyrum), що володіє високими адаптивними можливостями в різних, у тому числі несприятливих умовах зовнішнього середовища, амарант (Amaranthus), лобод (Chenopodium quinoa), ріпак, гірчиця і навіть картопля.

З розвитком географічних відкриттів та світової торгівлі набула широкого поширення та інтродукції нових видів рослин. Письмові пам'ятники свідчать, наприклад, про те, що ще 1500 р. до н. єгипетський фараон Хатшепсут відправив кораблі до Східної Африки з метою збирання рослин, що використовуються при релігійних обрядах. У Японії встановлено пам'ятник Taji Mamori, який за наказом імператора їздив до Китаю для збирання цитрусових рослин. Особливу роль мобілізації генетичних ресурсів рослин зіграв розвиток сільського господарства. З історії США відомо, що вже в 1897 р. Niels Hansen прибув до Сибіру у пошуках люцерни та інших кормових рослин, здатних успішно рости в посушливих та холодних умовах прерій Північної Америки. Вважається, що саме з Росії в той період були інтродуковані в США такі найважливіші кормові культури, як багаття, свинорою, костриця, їжака збірна, білиця, люцерна, конюшина і багато інших. Приблизно тоді Mark Carleton збирав у Росії сорти пшениці, з яких харківський сортотип протягом тривалого періоду займав щорічно в США більше 21 млн. акрів і став основою виробництва твердої пшениці в зоні Північних рівнин (Жученко, 2004).

Введення у культуру нових видів рослин триває й у час. У Перуанських Андах виявлено різновид люпину (тарві), що вживався в їжу предками сучасних індіанців, який за вмістом білка перевершує навіть сою. Крім того, тарві стійкий до знижених температур, невимогливий до родючості ґрунту. Селекціонерам вдалося отримати форми тарві, що містять менше 0,025% алкалоїдів проти 3,3% у вихідному матеріалі. До видів, що представляють економічну цінність, можна віднести також австралійську траву (Echinochloa lurnerana), яка може виявитися відмінною зерновою культурою, що не поступається просу, для дуже посушливих зон. Серед перспективних культур заслуговує на увагу і вид Bauhinia esculenta, який, як і Psophocarpus tetragonolobus, утворює бульби, а його насіння містить понад 30% білка та жиру. У дуже посушливих умовах може бути використаний вид Voandzeia subterranea, який не тільки багатий на білок, але і більш посухостійкий у порівнянні з арахісом, а також краще протистоїть хворобам і шкідникам. Для посушливих та неродючих земель з олійних культур перспективним вважається вид Cucurbita foetidissima із сімейства Cucurbitaceae, а для засолених пасовищних земель – деякі види лободи роду Atriplex із сімейства Chenopodiaceae, які виділяють надмірну сіль через листя.

В даний час у багатьох країнах світу ведеться активна селекційна робота з щирицею (Amaranthus), забутою культурою інків, в насінні якої в порівнянні з зерновими колосовими видами рослин міститься вдвічі більше білка, в тому числі в 2-3 рази більше лізину і метіоніну, у 2-4 рази більше жиру тощо. Виявлено лінії кукурудзи, що фіксують, завдяки присутності на їхньому корінні бактерій Spirillum lipoferum, атмосферний азот у такій же кількості, як і рослини сої. Було встановлено, що азотфіксуючі бактерії функціонують і на коренях цілого ряду видів тропічних трав, засвоюючи при цьому азот не менш активно, ніж бактерії роду Rhizobium у бобових. Так, вдалося виявити види тропічних трав, здатні фіксувати до 1,7 кг азоту щодня 1 га, тобто. 620 кг/рік.

У багатьох країнах, у тому числі європейських, картопля є основним джерелом вітаміну С, оскільки його споживають у великій кількості. Відомо, що виробництво картоплі у світі становить близько 300 млн. т.

У той же час із 154 відомих видів картоплі повсюдне поширення набув лише один - Solanum tuberosum. Очевидно, що у зв'язку зі збільшеними можливостями селекції щодо збільшення потенційної продуктивності рослин, а також потребами у підвищенні екологічної стійкості агроценозів та освоєння малопридатних для рослинництва територій масштаби діяльності людини щодо введення в культуру нових видів рослин значно збільшаться. Зрештою, «несвідомий» (термін Дарвіна) і свідомий відбір призвели до того, що адаптивний потенціал культурних рослин значно відрізняється від їх диких предків як через відмінностей самих критеріїв адаптивності, а й у основним його компонентам: потенційної продуктивності, стійкості до абіотичних та біотичних стресів, змісту господарсько цінних речовин.

Поруч із збереженням рослинного генофонду в заповідниках, заказниках і національних екопарках, тобто. в умовах in situ, у майбутній період все більш важливу роль відіграватиме створення «банків генів», або «банків зародкової плазми», що забезпечують безпечне збереження колекцій ex situ. Ініціатором організації останніх був Н.І. Вавілов, який зібрав у ВІРі найбільший у світі на той час банк рослинних ресурсів, послужив прикладом і основою для всіх наступних банків, а найголовніше - не раз рятував низку країн від спустошення та голоду (наприклад, завдяки наявності в генбанку ВІР генів стійкості).

Завдяки продовженню ідеології Н.І. Вавілова, до кінця 90-х років національні та міжнародні колекції рослин налічували понад 6 млн. зразків, у тому числі понад 1,2 млн. зернових, 400 тис. продовольчих бобових, 215 тис. кормових, 140 тис. овочевих, понад 70 тис. коренеплодів. При цьому 32% зразків зберігається в Європі, 25% – в Азії, 12% – у Північній Америці, по 10% – у Латинській Америці та Міжнародних центрах, 6% – в Африці, 5% – на Близькому Сході.

Власниками найбільших за кількістю та якістю зразків генетичних колекцій є США (550 тис.), КНР (440 тис.), Індія (345 тис.) та Росія (320 тис.). Поряд із збереженням рослинних ресурсів у генбанках все більшого поширення набуває створення природних заповідників флори та фауни. Завдяки різко збільшеній інтеграції світового ринку продовольства, між країнами значно збільшився обмін генетичними ресурсами рослин. В основі цих процесів лежить розуміння того, що жодна країна чи регіон не є самодостатніми щодо забезпечення генетичними ресурсами. Мобілізація генетичних ресурсів багато в чому сприяла створенню в ряді країн національних ботанічних садів. У тому числі, наприклад ботанічний сад, створений Лондоні 1760 р. і який постійно завозив екзотичні види рослин із колоніальних країн.

Наразі координацію робіт із збереження рослинного генофонду у світі здійснює Міжнародна рада з генетичних ресурсів рослин (IBPGR). З 1980 р. реалізується Європейська програма співробітництва у галузі генетичних ресурсів. Важливу роль цьому грають також Комісія ФАО з генетичних ресурсів рослин, рішення міжнародних конференцій, прийнята 1992 р. Конвенція з біологічному розмаїттю. У цьому функціонують генні банки різних типів. Деякі з них підтримують лише одну культуру та її диких родичів, інші – кілька культур певної ґрунтово-кліматичної зони; якщо одні містять базові колекції тривалого зберігання, інші орієнтовані задоволення потреб селекцентрів і науково-дослідних установ. Так, у генному банку Kew Gardens (Англія) зберігаються виключно дикорослі рослини (близько 5000 видів).

Адаптивна стратегія інтенсифікації сільського господарства висуває якісно нові вимоги до мобілізації світових рослинних ресурсів щодо збору, зберігання та використання генофонду, у тому числі введення в культуру нових видів рослин. Нині під загрозою повного знищення у світі перебуває понад 25 тис. видів вищих рослин, у тому числі в Європі – кожен третій із 11,5 тис. видів. Вже назавжди втрачено багато примітивних форм пшениці, ячменю, жита, сочевиці та інших культур. Особливо швидко зникають місцеві сорти та бур'яни. Так, якщо в Китаї та Індії на початку 50-х років. XX ст. використовувалися тисячі сортів пшениці, то вже у 70-ті – лише десятки. У той самий час кожен вид, екотип, місцевий сорт - це унікальний, створений протягом тривалого природного чи штучного відбору комплекс коадаптованих блоків генів, які забезпечують, зрештою, найефективнішу утилізацію природних і антропогенних ресурсів у тій чи іншій екологічної ніші.

Розуміння ретроспективної природи еволюційної «пам'яті» вищих рослин з усією визначеністю свідчить про необхідність збереження видового розмаїття флори у генних банках і центрах генетичних ресурсів, а й у природних умовах, тобто. у стані постійно еволюціонує динамічної системи. Одночасно значно більшої уваги заслуговує створення генетичних колекцій генетичних систем перетворення генетичної інформації, що включають rес-системи, mei-мутанти, гаметоцидні гени, поліплоїдні структури, різні типи рекомбінаційних систем, систем репродуктивної ізоляції та ін. Зрозуміло, що саме вони можуть бути суттєвими для розвитку селекції майбутнього із використанням генно-інженерних технологій. Важливо також виявляти та зберігати генетичні детермінанти формування стійких гомеостатичних систем, синергетичних, кумулятивних, компенсаторних та інших ценотичних реакцій, що забезпечують екологічну «буферність» та динамічну рівновагу біоценотичного середовища. На більшу увагу заслуговують і такі генетично детерміновані ознаки рослин, як конкурентоспроможність, алелопатичні та симбіотичні взаємодії та інші середотворчі ефекти, що реалізуються на біоценотичному рівні. Особлива увага має бути приділена видам рослин, які мають конститутивну стійкість до екологічних стрессорів. Відомо, що у другій половині XX ст. у низці країн значно (іноді у 60-80 разів) зросли площі під такого типу культурами.

В даний час у світі функціонує понад 1460 національних генних банків, у тому числі близько 300 великих, у яких в умовах ex situ забезпечується гарантоване зберігання зразків культурних рослин та їх диких родичів. Охоронцями колекцій ex situ є і ботанічні сади, яких у світі налічується близько 2 тис. (близько 80 тис. видів рослини, 4 млн. зразків та 600 банків насіння). Їх наявність – це ознака національного суверенітету, рівня культури, турботи про майбутнє країни та світу. До 2002 р. у міжнародних центрах, що під контролем консультативної групи ФДО, збереглося понад 532 тис. зразків рослин, з яких 73% належить до традиційних та старомісних сортів, а також диких родичів культурних рослин. Як зазначає Длексанян (2003), слід розрізняти поняття «генбанк» та «колекції ex silu». Якщо перше - це гарантоване зберігання генофонду в спеціально обладнаних приміщеннях, то «колекції ех situ» включають зразки, які становлять інтерес для їх власників.

На початку 50-х років. XX століття було отримано перший напівкарликовий сорт рису за рахунок використання гена карликовості китайського сорту Fee-geo-woo, а сорт пшениці Gaines на зрошуваних землях тихоокеанського Північно-Заходу США дав рекордний урожай - 141 ц/га. У 1966 р. був створений сорт IR 8, який отримав прізвисько «диво-рис». За високої агротехніки ці сорти давали 80 і навіть 130 ц/га. Аналогічні результати вдалося здобути і на просі. Якщо у старих сортів індекс урожаю становив 30-40%, то у нових – 50-60% і вище.

Подальші можливості збільшення врожайності з допомогою зростання індексу врожаю обмежені. Тому значно більша увага має бути приділена підвищенню величини чистого фотосинтезу. Необхідна орієнтація на широку видову та сортову гетерогенність агроекосистем та агроландшафтів в умовах польового рослинництва, поряд із підбором страхових культур, а також культур та сортів-взаємострахувальників, включає і диференційований підхід до реалізації адаптивного потенціалу кожного з них. Висока потенційна продуктивність сорту та агроекосистеми, що досягається шляхом (а іноді і за рахунок) зниження їх екологічної стійкості до лімітуючих величин і якість врожаю факторів зовнішнього середовища, так само як і функціонування надмірно біоенерговитратної екологічної стійкості, не можуть розглядатися як адаптивні, оскільки для культивованих рослин основним показником адаптивності в кінцевому рахунку є забезпечення високої величини та якості врожаю. Джерелом для науково обґрунтованої селекції щодо створення необхідних сортів можуть бути генофонди, що накопичені в генбанках.

Слід наголосити, що у світових генбанках культурних рослин зібрано мільйони зразків, проте досі лише 1% з них досліджено щодо їхніх потенційних властивостей (Жученко, 2004). У той самий час провідне значення до створення стійких агросистем має контроль та вдосконалення їх генетичної компоненти - генофондів сільськогосподарських видів, що визначає особливості локальних агросистем.