Экологический кризис - это такая стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия между экономикой и экологией, а возможности сохранения потенциального гомеостаза, т. е. способности саморегуляции экосистем в условиях антропогенного воздействия, серьезно подорваны.

Экологический кризис не является неизбежным и закономерным порождением научно-технического прогресса, он обусловлен как у нас в стране, так и в других странах мира комплексом причин объективного и субъективного характера, среди которых не последнее место занимают потребительское, а нередко и хищническое отношение к природе, пренебрежение фундаментальными экологическими законами.

Выход из глобального экологического кризиса - важнейшая научная и практическая проблема современности. Над ее решением работают тысячи ученых, политиков, специалистов-практиков во всех странах мира. Задача заключается в разработке комплекса надежных антикризисных мер, позволяющих активно противодействовать дальнейшей деградации природной среды и выйти на устойчивое развитие общества. Попытки решения этой проблемы только одними какими-либо средствами, например, технологическими (очистные сооружения, безотходные технологии и т. д.), принципиально неверны и не приведут к необходимым результатам. Преодоление экологического кризиса возможно лишь при условии гармоничного развития природы и человека, снятии антагонизма между ними. Это достижимо лишь на основе реализации «триединства естественной природы, общества и природы очеловеченной» на путях устойчивого развития общества. комплексного подхода к решению природоохранных проблем.

63. Биотехнологии и будущее человечества

В XXI в. биология выступает лидером естествознания. Это обусловлено прежде всего возрастанием ее практических возможностей, ее программирующей ролью в аграрной, медицинской, экологической и других сферах деятельности, способностью решать важнейшие проблемы жизнедеятельности человека, в конечном счете даже определять судьбы человечества (в связи с перспективами биотехнологий, генной инженерии) и т.п. Одной из важнейших форм связи современной биологии с практикой являются биотехнологии. Биотехнология - технологические процессы, реализуемые с использованием биологических систем - живых организмов и компонентов живой клетки. Другими словами, биотехнологии связаны с тем, что возникло биогенным путем. Биотехнологии основаны на последних достижениях многих отраслей современной науки: биохимии и биофизики, вирусологии, физико-химии ферментов, микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, селекционной генетики, химии антибиотиков, иммунологии и др. Сам термин «биотехнология» новый: он получил распространение в 1970-е гг., но человек имел дело с биотехнологиями и в далеком прошлом. Некоторые биотехнологические процессы, основанные на применении микроорганизмов, человек использует еще с древнейших времен: в хлебопечении, в приготовлении вина и пива, уксуса, сыра, различных способах переработки кож, растительных волокон и т.д. Современные биотехнологии основаны главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток, методах генной инженерии. Основными направлениями развития современных биотехнологий являются медицинские биотехнологии, агробиотехнологии и экологические биотехнологии. Новейшим и важнейшим ответвлением биотехнологии является генная инженерия. Медицинские биотехнологии подразделяются на диагностические и лечебные. Диагностические медицинские биотехнологии в свою очередь разделяют на химические (определение диагностических веществ и параметров их обмена) и физические (определение особенностей физических процессов организма). Химические диагностические биотехнологии используются в медицине давно. Но если раньше они сводились к определению в тканях и органах веществ, имеющих диагностическое значение (статический подход), то сейчас развивается и динамический подход, позволяющий определять скорости образования и распада представляющих интерес веществ, активность ферментов, осуществляющих синтез или деградацию этих веществ, и др. Кроме того, современная диагностика разрабатывает методы функционального подхода, с помощью которого можно оценивать влияние функциональных воздействий на изменение диагностических веществ, а следовательно, выявлять резервные возможности организма. В будущем возрастет роль физической диагностики, которая дешевле и быстрее, чем химическая, и состоит в определении физико-химических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности клетки, а также физических процессов (тепловых, акустических, электромагнитных и др.) на тканевом уровне, уровне органов и организма в целом. На базе такого рода анализа в рамках биофизики сложных биологических систем будут развиваться новые методы физиотерапии, выяснится смысл многих так называемых нетрадиционных методов лечения, приемов народной медицины и т.д. Биотехнологии широко используются в фармакологии. В древности для лечения больных применяли животные, растительные и минеральные вещества. Начиная с XIX в. в фармакологии получают распространение синтетические химические препараты, а с середины XX в. и антибиотики - особые химические вещества, которые образуются микроорганизмами и способны оказывать избирательно токсическое воздействие на другие микроорганизмы. В конце XX в. фармакологи обратились к индивидуальным биологически активным соединениям и стали составлять их оптимальные композиции, а также использовать специфические активаторы и ингибиторы определенных ферментов, суть действия которых - в вытеснении патогенной микрофлоры невредной для здоровья людей микрофлорой (использование микробного антагонизма). Биотехнологии помогают в борьбе современной медицины с сердечно-сосудистыми заболеваниями (прежде всего с атеросклерозом), с онкологическими заболеваниями, с аллергиями как патологическим нарушением иммунитета (способность организма защищать свою целостность и биологическую индивидуальность), старением и вирусными инфекциями (в том числе со СПИДом). Так, развитие иммунологии (науки, изучающей защитные свойства организма) способствует лечению аллергии. При аллергии организм отвечает на воздействие некоторого специфического аллергена чрезмерной реакцией, повреждающей его собственные клетки и ткани в результате отека, воспаления, спазма, нарушений микроциркуляции, гемодинамики и др. Иммунология, изучая клетки, осуществляющие иммунный ответ (иммуноциты), позволяет создавать новые подходы к лечению иммунологических, онкологических и инфекционных заболеваний. Человек пока не умеет лечить СПИД и плохо лечит вирусные инфекции. Химиотерапия и антибиотики, эффективные в борьбе с бактериальной инфекцией, неэффективны в отношении вирусов (например, возбудителей атипичной пневмонии). Предполагается, что здесь существенный прогресс будет достигнут благодаря развитию иммунологии, молекулярной биологии вирусов, в частности изучению взаимодействия вирусов со специфическими для них клеточными рецепторами. Биотехнологическими способами производят витамины, диагностические средства для клинических исследований (тест-системы на наркотики, лекарства, гормоны и т.п.), биоразлагаемые пластмассы, антибиотики, биосовместимые материалы. Новая область биоиндустрии - производство пищевых добавок. Сельскохозяйственные и экологические биотехнологии. В XX в. произошла «зеленая революция» - за счет использования минеральных удобрений, пестицидов и инсектицидов удалось добиться резкого повышения продуктивности растениеводства. Но сейчас понятны и ее отрицательные последствия, например насыщение продуктов питания нитратами и ядохимикатами. Основная задача современных агробиотехнологий - преодоление отрицательных последствий «зеленой революции», микробиологический синтез средств защиты растений, производства кормов и ферментов для кормопроизводства и др. При этом упор делается на биологические методы восстановления плодородия почвы, биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, на переход от монокультур к поликультурам (что повышает выход биомассы с единицы площади сельхозугодий), выведение новых высокопродуктивных и обладающих другими полезными свойствами (например, засухоустойчивостью или устойчивостью к засолению) сортов культурных растений. Продовольственные сельскохозяйственные культуры служат сырьем для пищевой промышленности. Биотехнологии используются при изготовлении пищевых продуктов из растительного и животного сырья, их хранении и кулинарной обработке, при производстве искусственной пищи (искусственной икры, искусственного мяса из сои, бобы которой богаты полноценным белком), при производстве корма для скота из продуктов, полученных из водорослей и микробной биомассы (например, получение кормовой биомассы из микробов, растущих на нефти). Поскольку микроорганизмы чрезвычайно разнообразны, микробиологическая промышленность на их основе вырабатывает самые разные продукты, например ферментные препараты, находящие широкое применение в производстве пива, спирта и т.д. Биотехнологии выступают одним из важнейших способов решения экологических проблем. Они применяются для уничтожения загрязнений окружающей среды (например, очистка воды или очистка от нефтяных загрязнений), для восстановления разрушенных биоценозов (тропических лесов, северной тундры), восстановления популяций исчезающих видов или акклиматизации растений и животных в новых местах обитания. Так, с помощью биотехнологий решается проблема освоения загрязненных территорий устойчивыми к этим загрязнениям видами растений. Например, зимой в городах для борьбы со снежными заносами используются минеральные соли, от которых гибнут многие виды растений. Однако некоторые растения устойчивы к засолению, способны поглощать цинк, кобальт, кадмий, никель и другие металлы из загрязненных почв; конечно, они предпочтительнее в условиях больших городов. Выведение сортов растений с новыми свойствами - одно из направлений экологической биотехнологии. Важные направления экологических биотехнологий - ресурсная биотехнология (использование биосистем для разработки полезных ископаемых), биотехнологическая (с использованием бактериальных штаммов) переработка промышленных и бытовых отходов, очистка сточных вод, обеззараживание воздуха, генно-инженерные экологические биотехнологии. Биотехнологии успешно применяются в некоторых «экзотических» отраслях. Так, во многих странах микробная биотехнология используется для повышения нефтеотдачи. Микробиологические технологии исключительно эффективны и при получении цветных и благородных металлов. Если традиционная технология включает в себя обжиг, при котором в атмосферу выбрасывается большое количество вредных серосодержащих газов, то при микробной технологии руда переводится в раствор (микробное окисление), а затем путем электролиза из него получают ценные металлы. Использование метанотрофных бактерий позволяет снизить концентрацию метана в шахтах. А для отечественной угледобычи проблема шахтного метана всегда была одной из самых острых: по статистике, из-за взрывов метана в шахтах каждый добытый 1 млн т угля уносит жизнь одного шахтера. Созданные биотехнологическими методами ферментные препараты находят широкое применение в производстве стиральных порошков, в текстильной и кожевенной промышленности. Космическая биология и медицина изучают закономерности функционирования живых организмов, прежде всего человеческого, в условиях космоса, космического полета, пребывания на других планетах и телах Солнечной системы. Одним из важных направлений в этой области является разработка космических биотехнологий - замкнутых биосистем, предназначенных для функционирования в условиях длительного космического полета. Созданная отечественной наукой система такого рода способна обеспечить жизнедеятельность космонавтов в течение 14 лет. Этого вполне достаточно для реализации космической мечты человечества - полета к ближайшим планетам Солнечной системы, прежде всего к Марсу. Таким образом, современные биотехнологии исключительно разнообразны. Не случайно XXI в. нередко называют веком биотехнологии. Важнейшим ответвлением биотехнологии, открывающим самые ошеломляющие перспективы перед человечеством, является генная инженерия.

Марс давно перестал быть лишь красной точкой на звездном небе. Сегодня к нему летают зонды, собирают пробы почв и делают селфи. Американский инженер Элон Маск, руководитель Space X, всерьез намерен организовать первый пилотируемый полет и основать колонию людей. Хотя это вряд ли произойдет в ближайшие 10 лет, биотехнологии готовы облегчить жизнь космическим переселенцам уже сейчас.

Главная задача – обеспечить нормальное дыхание. Марс не курорт, и доля кислорода на Красной планете составляет всего 0,2%. В сто раз меньше, чем на Земле. Биотехнологи в качестве решения предложили собственный проект – фильтрующие маски, которые смогут преобразовать углекислый газ в кислород. Такие технологии уже есть – остается довести их до ума, чтобы генерировать вещество в нужном объеме.

Основой для маски послужат полимеры, что сделает ее необыкновенно легкой – не больше 100 граммов. При этом защита будет обеспечиваться от солнечного света, аэрозолей, жестоких марсианских ветров. Жизнь на планете потребует от космонавтов много движения, поэтому такая маска станет необходимостью. Чтобы каждый новый «сол» (марсианские сутки) встречать под открытым небом.

Искусственный врач

Но пока вернемся на Землю. До пилотированных полетов на Марс нужно еще дожить, а с современной экологией и комплексом заболеваний это становится проблемой. В этом отчасти и наша вина. Беспокойство возникает лишь тогда, когда болезнь поселилась в организме и методично уничтожает его. Хотя стоило бы отмотать время назад и вовремя диагностировать проблему. Как? Создав программу диагностики на основе «искусственного мозга».

Система построена на принципе искусственных нейронных сетей. Это грубая модель мозга, в которой вместо нервных клеток простые процессоры. Они взаимодействуют в соответствии с математическими моделями и лишены человеческой эмоциональности. И в этом их главный плюс. С большой точностью они способны предсказывать будущее состояние любого объекта, в том числе и человека. Без сомнительных диагнозов и роковых врачебных ошибок.

Система устроена так: в системе заполняются биометрические данные о пациенте, результаты ЭКГ, показатели роста, веса, возраста. Программа их анализирует и выдает результат: вероятность развития болезни, условия и сроки ее обострения, рекомендации.

Основное преимущество – такие нейронные сети самообучаемы. Это не просто компьютер, действующий по одному алгоритму. Сети собирают информацию, анализируют большие данные, прогрессируют, принимают решения. А в перспективе – заменяют врачей. Возможно, с их помощью можно будет за 5-10 лет предсказать развитие главной болезни века – рака.

Диагностика в пижаме

Биотехнологи предлагают в будущем сделать диагностику практически «нательной». Суть – в разработке универсального сканера для контроля состояния тела.

Реализована идея в виде костюма со множеством датчиков. Для мужчин это полосатая пижама, для женщин – домашний комбинезон в горошек. Собирать информацию с «умной» одежды будет сервер, тоже сделанный со вкусом: большой розовый шар самовольно катается по комнате и радует глаз. Потерять или забыть такой гаджет невозможно.

Однако это не просто дизайнерский авангард на любителя, а высокотехнологичная система диагностики. Представьте, что ваша пижама будет во время сна проводить сканирование живых тканей с разрешением в 1-2 микрона, что позволит изучить каждую клетку. Глубина сканирования – 25 см, это позволит просмотреть организм «насквозь».

Результатом проекта станет 3D-модель человеческого тела. Домашний сервер проанализирует тысячи генов, миллионы белков в каждой из триллионов клеток. От такого наблюдения не скроется ни одна патология.

Но это еще не все. Система включает также корректировщик организма. Это циркулярный душ с нанографеновыми форсунками по периметру кабинки. Они с помощью гидродинамический инъекций доставляют через кожу нужные белки на глубину до 30 см. В результате восстановить отдельные клетки станет не сложнее, чем позавтракать.

Слишком смело, чтобы быть правдой? Но прототип пижамы уже создан: правда, пока всего с двадцатью датчиками и доступом в верхние слои кожи. Это лишь первый шаг, но к десятому, возможно, весь проект станет реальностью.

Вечно молодой, вечно новый

На очереди век регенеративной медицины. Ученые уже нашли, из чего делать органы, используя главных генетических хамелеонов – стволовые клетки. Найдено решение, как это реализовать: разработаны технологии 3D-биопринтинга. Осталось свести знания воедино и войти в эпоху новой трансплантологии.

Молодые ученые придумали, как внести свою лепту в этой процесс. Биотехнологи предложили идею наноплазменного волоконного сервиса. Это устройство способно определить любые вещества на наноуровне. Если в воде, крови или любом техническом растворе затерялись чужие молекулы, прибор их найдет, идентифицирует и подсчитает.

Такие способности пригодятся в диагностике, но в еще большей степени – в 3D-биопринтинге. Мало «напечатать» новое сердце, нужно изучить его состояние и состав в динамике на уровне отдельных клеток. Пока на такое способен только наноплазменный сенсор.

Прибор состоит из оптического волокна с нанесенным на него слоем наночастиц золота, лазера и спектрометра. При прохождении квантов света наблюдаются провалы, характер которых зависит от состояния окружающей среды. Используя рекордную чувствительность сенсора, можно в разы повысить безопасность искусственных органов. А пациенты будут уверены, что сменное сердце станет билетом в новую жизнь, а не на тот свет.

Чип в теле

Очевидно, что проникновение информационных технологий в медицину стало тотальным. Бесконтактные методы диагностики, компьютерные модели патологий, моделирование реакций на лекарства – далеко не полный перечень того, что ждет человечество. Живые ткани и электроника станут единым целым, а управление телом – делом техники.

Можно будет «выключить» боль, настроить сердце, договориться с мозгом, в режиме онлайн ремонтировать органы. Или даже в прямом смысле улучшать людей. Эмбриологи научились редактировать геном на самых ранних стадиях развития, что в перспективе избавит человечество от вредных мутаций и целого ряда наследственных болезней. Если, конечно, общество сможет принять такую эволюцию человечества.

Пока же биотехнологи думают о более насущных проблемах. Предлагается максимально использовать чиповые технологии и гаджеты в медицинской практике. Причем не снаружи, а внутри – путем вживления прямо в органы и ткани-мишени.

Биоэлектроника станет карт-бланшем на глобальное оздоровление населения. Гаджеты будут настолько маленькими, что смогут без труда путешествовать по нашему организму. Сердце, легкие или желудок оснастят беспроводными датчиками, которые 24 часа будут отправлять данные о состоянии организма. Такие технологии упростят жизнь пациентам, а главное – смогут мгновенно найти первопричины сложных патологий.

Уже не фантазия

Эти проекты можно было бы воспринимать как очередную смелую выдумку биотехнологов. Однако полвека назад лишь футуристы верили в беспроводные телефоны, искусственный интеллект и самоуправляемые автомобили. А сегодня эти технологии – часть нашей жизни. Поэтому верить ли в колонизацию Марса, пижамы-сканеры и сердца на замену? Ответ прост – будем футуристами.

Медицинские биотехнологии, использующие живые системы и их продукты, принципиально меняют подход к разработке лекарственных средств и увеличивают шансы победить или вообще предотвратить трудноизлечимые заболевания.

​Клиническая картина мира

Инвестиции в медицинcкие разработки постоянно растут. Мировые расходы на R&D в области Life Science, по данным Industrial Research Institute (IRI), за последние десять лет увеличились втрое и составили $169,3 млрд в 2016 году. Причем 85% ресурсов приходится на биофармацевтический сектор. По затратам на R&D медицина является лидером наряду с ICT (Information and Communication Technology — $204,5 млрд в 2016 году).

Однако доля расходов на исследования в общих тратах частного и государственного секторов на здравоохранение даже в развитых странах сравнительно невелика. В США — лидере среди стран по вложениям в R&D — их доля в 2016 году составляла 4,9% от общих расходов на здравоохранение, оцениваемых в $3,2 трлн. В России — 1,8% от общих расходов в $9,7 млрд, или 544 млрд руб.

Потребности медицины определяет клиническая картина мира. В XXI веке она складывается из сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, старческих недугов, наследственных и даже орфанных (редких) болезней разной этиологии. Кроме того, наука по-прежнему ищет способы борьбы с масштабными вирусными инфекциями, не поддающимися классической вакцинации (гриппом, ВИЧ-инфекцией), и новыми экзотическими — ТОРС, Эбола, Зика.

В первую очередь фармкомпании и государство вкладывают средства туда, где гарантирован успех в лечении и возврат вложенных средств. «Выбор актуальных направлений в медицине базируется на потенциале конечного продукта с точки зрения его эффективности, на запросе потребителя, которым может выступать государство как представитель пациентов, а также интересе частных компаний и инвесторов в реализации прорывных проектов с высокой окупаемостью», — отмечает генеральный директор компании Future Biotech Денис Курек.

В частности, основные силы российских разработчиков по заказу государства брошены на создание эффективного и доступного лекарства от рака — второй после заболеваний сердечно-сосудистой системы причины смертности в России. Ежегодный объем госзакупок на лечение онкозаболеваний превышает 60 млрд руб. — такие данные приводят в DSM Group. «Аудитория у болезни широкая, стоимость препаратов высока. Отдача от инвестиций в разработку лекарства от онкозаболеваний происходит довольно быстро», — говорит эксперт фармацевтического рынка, генеральный директор DSM Group Сергей Шуляк.

Достижения последних лет в области биологии, химии, иммунологии, клеточной биологии и других науках позволяют сделать рывок в области прикладного их применения в практической медицине. Рождаясь на стыке этих наук, медицинские биотехнологии в ближайшие 20 лет могут удивить человечество не меньше, чем, например, информационные технологии.

Иммунотерапия

Одной из самых перспективных технологий создания современных лекарств от онкологических и аутоиммунных заболеваний является биосинтез моноклональных антител (МКА). Близкие по своей структуре к человеческим иммуноглобулинам — белкам крови, являющимся одним из основных механизмов защиты организма от инфекционных заболеваний, МКА низкотоксичны и более безопасны по сравнению с традиционной химиотерапией.

Первый импортный иммунотерапевтический препарат ипилимумаб (TM Yervoy) нового поколения, который является моноклональным антителом, способным связывать и подавлять защиту клеток метастатической меланомы (рака кожи), был выведен на рынок в 2014 году компанией Bristol-Myers Squibb. Компания Biocad планирует в 2018-2019 годах выпуск в России препарата, действующего по тому же принципу, но более широкого спектра действия. Об этом ранее заявляла министр здравоохранения РФ Вероника Скворцова.

Сегодня стоимость лекарства в России — около 100 тыс. руб. за упаковку. Курс лечения с поддерживающим ипилимумаб препаратом того же класса и той же компании — ниволумабом (TM Opdivo) обойдется в два раза дороже. Импортные препараты пока монополисты нового рынка. Российские разработки призваны снизить стоимость жизненно важных лекарств. Программа «Фарма-2020» субсидирует разработки в этой области (см. диаграмму). В частности, первый российский препарат на основе МКА — ритуксимаб — Biocad выпустила в 2014 году в результате государственно-частного партнерства на средства федерального бюджета.

Стимулирование отрасли (с 2015 года препараты российского производства имеют существенные преференции в госзакупках ЛС) позволило российским технологиям серьезно продвинуться в создании лекарств нового поколения и потеснить препараты импортного производства. По данным DSM Group, в 2015 году в госзакупках по программе «Семь нозологий» доля препаратов российского производства выросла с 3 до почти 20%. В рамках этой программы наиболее дорогие лекарства для семи редких заболеваний, включая злокачественные новообразования кроветворной и лимфоидной тканей, централизованно закупаются на средства федерального бюджета. За последние два года значительно выросли объемы закупок, в том числе отечественных противоопухолевых препаратов, по государственной программе льготного лекарственного обеспечения (ОНЛС).

Вакцины против аутоиммунных заболеваний

Антицитокиновая терапия — последнее слово в лечении аутоиммунных заболеваний, при которых некоторые иммунные клетки, призванные защищать организм, начинают его убивать. Однако в ее современном виде у этой технологии есть очевидные недостатки — организм не всех больных на нее отвечает, нет надежных биомаркеров, которые позволили бы предсказать успех этой очень дорогой терапии.

Дальнейшее развитие метода, по словам научного руководителя Федерального исследовательского центра фундаментальной основы биотехнологии РАН, завкафедрой биотехнологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова академика Константина Скрябина, связывают с созданием препаратов на основе биспецифических, как их называют, антител с заданными свойствами, или бинарных вакцин. Это биоконструкции на основе антител, образно говоря, с двумя руками. Одной антитело держится за поверхность «сошедшей с ума» иммунной клетки, а второй, как хоккейный вратарь в ловушку, ловит выделяющиеся из клетки вредные цитокины и нейтрализует их.

На рынке они появятся, вероятно, не раньше середины 2020-х годов. Создание таких лекарств — путь долгий и дорогой.

Предметом исследования являются не только сами антитела, но и мишени — деструктивная клетка или вещество, которое активирует ее деятельность и которое нужно нейтрализовать. «Определение мишени — важная часть инновации в создании лекарства», — говорит Константин Скрябин.

«Нужно понимать, о какой «сошедшей с ума» патологической клетке идет речь и с помощью какой мишени эту клетку можно отличить от здоровых клеток. Главное — это наличие адекватной мишени, открытой фундаментальными биологами, исследователями», — согласен медицинский директор Национальной иммунобиологической компании (входит в госкорпорацию «Ростех») Александр Власов.

Выращивание тканей

Существующие технологии уже позволяют выращивать ткани и даже целые органы за счет ресурсов самого организма (аутологичных клеток, широко известные стволовые клетки — их разновидность). Но главная проблема в том, что для клеточного строительства нужен матрикс — каркас, который в идеале по окончании строительства должен замениться восстановленной тканью и бесследно исчезнуть.

Разработка МГУ предлагает в качестве такого каркаса для наращивания ткани фиброин (белок) шелка тутового шелкопряда. До сих пор на рынке матриксов конкурировали синтетические биоразлагаемые полимеры, но использование природных материалов выглядит более перспективным. Первые результаты биопротезирования тонкого кишечника у крыс обнадеживают, что эта технология будет востребованной.

«Чтобы выращивать новые ткани и органы, например кожу или тонкий кишечник, клетки должны образовывать нужную структуру конкретного органа. Белок шелка тутового шелкопряда позволяет структурировать ткань», — отмечает Константин Скрябин. По его мнению, технология имеет большое будущее.

Генная инженерия

Наука не только научилась читать геном человека со всей наследственной информацией, но и нашла способ его редактировать, что открывает новые возможности для лечения онкологии, вируса иммунодефицита человека и моногенных заболеваний. Лидирует по использованию редактирования генома терапия ВИЧ-инфекции с шестью зарегистрированными на сегодняшний день клиническими исследованиями. «Перспективы применения редактирования генома безграничны. В области трансплантации органов и тканей, например, особое место занимают разработки по преодолению межвидовой гисто-

совместимости. «Отредактированные» животные, например свиньи, с учетом физиологии и архитектоники органов и тканей могут быть универсальными донорами для человека», — отмечают авторы доклада «Редактирование генома и возможности генной терапии в онкологии» фонда «Сколково».

Мировые медтехнологии, по словам академика Скрябина, перешли к превентивным мерам в отношении трудноизлечимых заболеваний. В начале 2000-х годов чтение генома обошлось в $3 млрд, сейчас технология позволяет это сделать за $1 тыс. Одна из американских компаний, специализирующаяся на этой услуге, анонсировала возможность получать всю генетическую информацию человека в течение двух часов по цене, не превышающей $100.

Результатом поиска на протяжении последних 20 лет подхода к проведению неинвазивной диагностики генетических заболеваний плода стала возможность на раннем сроке — уже после десятой недели беременности — определять свободные фрагменты ДНК из клеток плода в крови матери. Достаточно забора крови матери. В Европе сделано уже 400 тыс. анализов с использованием фетального материала, циркулирующего в материнском кровотоке, в Китае — 500 тыс. В России проведены пока только первые пять тысяч анализов. В стране нет зарегистрированного необходимого оборудования, иностранные аналоги очень дороги, поэтому услуга недоступна в повседневной медицинской практике. Кроме того, по словам Константина Скрябина, государственная система обязательного медицинского страхования (ОМС) оплачивает стандартные методики пренатальной диагностики, так называемого прокола — забора необходимых материалов околоплодной жидкости с проникновением инструментов в полость матки.

По словам исполнительного директора кластера биомедицинских технологий фонда «Сколково» Кирилла Каема, будущее за Big Data в медицине: «Собрав данные по большим популяциям населения, можно полностью изменить парадигму здоровья. Эти данные будут давать вероятностный прогноз о рисках и позволят заниматься профилактикой не только в традиционном виде, а делать конкретные вмешательства, которые позволят остановить развитие заболеваний».

Александр Власов ждет перспективных решений в области продления жизни и комфортного старения от западных специалистов. Фундаментальных исследований вопросов старения, по его словам, в нашей стране пока мало.

Почему биотехнологии?
Человечество входит в третье тысячелетие с громадными знаниями в области наук о жизни и колоссальным потенциалом их практического использования.
Достижения в области физико-химической биологии и биотехнологии заложили основы новой медицины. Стремительно развиваются новые методы диагностики труднодиагностируемых заболеваний и устойчивых к воздействию антибиотиков микроорганизмов. Фармакология получила множество ранее недоступных возможностей благодаря открытию новых генов и их белковых продуктов, что ведет к возникновению нового поколения лекарств с высокой избирательностью действия и малой токсичностью.
В последнее десятилетие отрасль привлекает все более пристальное внимание инвесторов по всему миру, а согласно прогнозам экспертов, биотехнологии способствующие улучшению человеческой жизни или самого организма, способны стать одним из наиболее динамично развивающихся и прибыльных бизнесов XXI века.
Основные тенденции на мировом рынке биотехнологий:
Адресная доставка лекарственных средств. Мировой рынок наномедицины,
достижения которой позволяют достичь существенных успехов в разработке систем
адресной доставки лекарственных средств, растет на 12,3% в год. Его объем составит 178 млрд долларов к 2019 году. Наиболее перспективными областями применения
наномедицины являются лечение онкологических и сердечнососудистых заболеваний.
Одной из тенденций современной медицины является активное внедрение биологических полимеров, способных длительно выполнять необходимые функции или разлагаться на простые метаболиты и выводиться организмом за установленный срок без вреда для человека, что зачастую сопровождается образованием новых тканей. Глобальное старение населения и растущее число хирургических вмешательств для замены тканей и органов создают основу для устойчивого долгосрочного роста спроса на биосовместимые и биодеградируемые медицинские материалы. По оценке аналитической компании GIA, объем этого рынка достигнет 106,7 млрд долларов к 2020 году.
Текущее состояние инновационной инфраструктуры в секторе
биотехнологий в России:
По итогам 2011–2013 годов в России в целом сформировался «инновационный лифт» - система созданных государством институтов развития, поддерживающих инновационные проекты на различных стадиях: от предпосевной и посевной до момента расширения и реструктуризации. Основными структурными элементами «инновационного лифта» выступают ОАО «РВК», ОАО «Роснано», Фонд «Сколково», Внешэкономбанк (ВЭБ), Российский банк поддержки малого и среднего предпринимательства (МСП Банк), Фонд содействия развитию малых форм предприятий
в научно-технической сфере («Фонд Бортника»), Российский фонд технологического развития (РФТР). Дополняют систему активно создаваемые региональные венчурные фонды, общественные организации («ОПОРА РОССИИ»), Российская ассоциация венчурного инвестирования, а также специализированная торговая площадка Московской биржи для высокотехнологичных компаний
«Рынок инноваций и инвестиций». В области биотехнологий особая роль отводится Кластеру биомедицинских технологий Инновационного центра «Сколково». Так, в рамках «Сколково» компании не только могут получить финансовые ресурсы в форме грантов, но также имеют доступ к упрощенным таможенным процедурам, менторской поддержке профессионалов, дискуссионным площадкам.
И в заключении хотелось бы подвести итог:
Если мы хотим оставаться цивилизованной страной, то мы обязаны развивать собственную биотехнологическую промышленность. Это выгодно, перспективно и приоритетно, что подтверждает и наблюдаемая тенденция роста интереса со стороны российского частного капитала к созданию фармацевтических и биотехнологических производств.
Институты развития уделяют этому сектору все больше внимания в своих инвестиционных стратегиях. Важная роль в развитии отрасли отводится Технологическим платформам («Медицина будущего», «Биотех 2030», «Биоэнергетика»), и площадкам для развития биотехнологий (www.ivao.com) которые призваны стать связующим звеном между бизнесом и наукой. Провозглашенная политика импортозамещения постепенно начинает приносить свои плоды. Так, многие крупнейшие биофармацевтические компании локализовали свое производство в кластерах Калужской, Ярославской области, в Санкт-Петербурге. Отечественные компании при поддержке Министерства промышленности и торговли создают аналоги зарубежных биопрепаратов. С ожидаемым истечением сроков патентной защиты на многие лекарства, в перспективе в России может появиться конкурентоспособный сектор биоаналогов (биосимиляров).

Сегодня перед биотехнологом стоит много нерешённых технологических задач. Можно изменять биологические организмы для обеспечения потребностей людей с помощью клеточных и генно-инженерных методов. Например, улучшать качество продуктов, получать новые виды растений и модифицировать животных, придавать живым организмам необходимые свойства и создавать новые лекарственные препараты методами генной инженерии, искусственного отбора, гибридизации.

Однако, чтобы работать биотехнологом, нужно знать не только генетику, молекулярную биологию, биохимию, клеточную биологию, но также ботанику, химию, математику, информационные технологии, физику и другое. Грубо говоря, биотехнологи - это инженеры в области естественных и точных наук. Генеральный директор инновационной биотехнологической Biocad Дмитрий Морозов рассказал об этой интересной профессии и будущем биотехнологий.

Biocad - это международная инновационная биотехнологическая компания. В ней есть научно-исследовательский центр, проводятся доклинические и клинические исследования собственных фармацевтических препаратов. Департамент перспективных исследований Biocad занимается разработкой лекарственных препаратов передовой генной и клеточной терапии, а, кроме того, поиском и анализом сигнальных путей, закономерностей и мишеней, которые позволяют разрабатывать препараты превентивной медицины.

Дмитрий Морозов,

генеральный директор компании Biocad

Что такое биотехнология?

Биотехнология - это использование живых систем, клеток, организмов для практических нужд человека. То есть использование современной науки для манипуляции с живыми объектами, чтобы получить некую выгоду и улучшить жизнь человека.

Биотехнология отталкивается от потребностей. Например, не зря люди ездят на север и изучают гейзеры. Они понимают, что 10 лет могут искать и ничего не найти. Но они всё равно это делают, потому что рано или поздно найдут какую-нибудь бактерию, которая позволит делать дешёвое биотопливо, используя один ген этой бактерии. Так или иначе каждый человек, когда занимается наукой, надеется её применить (кроме теоретических физиков, хотя, наверное, они тоже захотели бы в космос полететь). В компании Biocad мы используем микроорганизмы для создания лекарств.

В биотехнологии много дисциплин, и все успешные проекты и направления связаны с их комбинацией.

Говорят, все открытия происходят на стыке разных специальностей: математика, биология - биоинформатика; биология, химия - биохимия; медицина, информатика, биология - биомедицинская информатика. Это всё отдельные блоки, которыми занимаются разные люди. Биотехнология сегодня, наверное, более всего уделяет внимание созданию лекарств разных типов. Кроме фармацевтического направления биотехнологии интересно сельское хозяйство (улучшение свойств еды), экология, энергетика (получение биотоплива) и прочее. И, конечно, в будущем можно думать о коррекции человека.

Генная инженерия и биотехнология

В биотехнологии важное место занимает генная инженерия. Она широко распространена в исследованиях, однако вовсе не обязательно использовать её методы, чтобы получить полезные свойства у объекта. Например, можно разобраться в особенностях метаболизма организма: как он живёт в нормальной среде обитания и что получится, если мы переведём его в другую среду обитания, с другими питательными факторами, в другую атмосферу - возможно, это поможет ему в итоге, и это может быстрее размножаться. Но это же не генная инженерия.

Биотехнология - это манипуляции со знаниями, которые есть о данном объекте. Генная инженерия просто расширяет круг возможностей, разных комбинаций, даёт возможность совершать манипуляции на уровне молекул, поэтому более точна.

Биотехнология на самом деле существует столько, сколько сельское хозяйство. В сельском хозяйстве часто есть конкретная практическая цель - например, вывести породу быстрых лошадей или устойчивое к холоду растение. Этим люди занимаются уже сотни лет с помощью селекции, которая на самом деле является генетическим методом отбора.

Биотехнологическая этика: как общество относится к биотеху?

Люди по-разному воспринимают нововведения в биотехнологии. Есть негативные и позитивные примеры восприятия.

Негативные - это, например, мнение, что внедрение нового приведёт к появлению вирусов, которые будут распространяться по всему миру и от которых нет ни вакцины, ни лечения, и что периодические эпидемии именно с этим и связаны.

Из позитивных - например, можно создать вирус, который на время меняет цвет глаз. Постепенно они становятся своего цвета, и каплями антибиотиков можно снова сделать их голубыми. Это мало связано со здравоохранением в привычном смысле, но всё равно здорово. Подобные манипуляции уже в теории можно делать, и к таким технологиям общество относится позитивно и с улыбкой. Однако в целом люди боятся внедрения новых технологий. Да и чтобы внедрить новое, нужно на высшем уровне обсудить этические вопросы того или иного воздействия препарата, и обычно это происходит долго.

Биотехнология в Biocad: лечение нуклеиновой кислотой

Два года назад в Biocad мы открыли Департамент перспективных исследований, основная цель которого - создание лекарственных продуктов передовой генной терапии. Этот термин объединяет три группы лекарственных препаратов, которые не похожи на все остальные лекарства, к которым мы привыкли.

Во-первых, это препараты для генной терапии, во-вторых, это препараты, в основе которых лежит манипуляция с соматическими и стволовыми клетками человека, в-третьих, это препараты тканевой инженерии.

В основе действия классических лекарств лежит либо малая молекула химической природы, либо какой-то белок, например, антитело, который можно легко получить с помощью биотехнологических методов. В нашей разработке лекарственным веществом, то есть действующим фактором, является нуклеиновая кислота РНК или ДНК.

Это новый способ воздействия на организм человека. Это направление не так давно стало бурно развиваться, поэтому к нему пока что относятся с осторожностью.

Как работают препараты для генной терапии

Наше лекарство - это рекомбинантный вирус, наночастица на базе вируса, внутри которой находится ген, которого недостаёт больному человеку. Направлены эти продукты, как правило, на заболевания, которые плохо поддаются лечению (наследственные заболевания с тяжёлыми проявлениями вплоть до летального исхода в раннем возрасте: дистрофия, нарушение зрения, световосприятия, иммунодефициты). Это в основном моногенные заболевания, в которых проявление болезни обусловлено дефектом одного гена. В таких случаях они очень хорошо лечатся. В лаборатории мы создаем терапевтические вирусные частицы, а биоинформатики помогают нам моделировать их работу.

В случае полигенных заболеваний , например, рака, можно использовать методы генной терапии для модификаций клеток иммунной системы человека, чтобы получать иммунные клетки с высокой специфичностью к опухолевым клеткам. В лабораториях наши учёные осуществляют полный цикл разработки этих двух типов продуктов (от идеи до создания прототипов, готовых для тестирования на животных). Такого в России нет, наверное, нигде.

Перспективные исследования в биотехнологии

медицина будущего: Развитие новых типов лекарств

Наш департамент назван по аналогии с Управлением перспективных исследовательских проектов США (DARPA). Они пытаются внедрять достижения науки в целях увеличения обороноспособности страны - это ускоренная регенерация, универсальные доноры, оружие и прочее.

Возможно, в ближайшие 5-10 лет благодаря взаимосвязи кибернетики и биотехнологии действительно будут созданы умные лекарства. Например, создание очень маленьких чипов : это капсула или робот с частицами лекарственного средства, циркулирующие в крови, из которых в зависимости от состояния человека нужное вещество будет впрыскиваться в кровь. Подобным занимаются, например, в MIT. Уже есть успешные примеры: в зависимости от уровня глюкозы в организм вбрасывается инсулин, что минимизирует степень инвазивности лечебной процедуры. Человек один раз внедрил чип, сделал инъекцию и на очень длительное время забыл, что нужно принимать лекарство.

Даже известный футуролог Рэй Курцвелл говорит, что люди начнут жить дольше с помощью нанороботов к 2025 году. Скорее всего, он имеет ввиду препараты, которые будут бороться с онкологическими заболеваниями.

Нанороботы - новый формат препаратов, потому что с точки зрения веществ, из которых состоят лекарства, люди уже всё сделали. Мы ничего больше предложить не можем - типов химических соединений, которые можно использовать для терапии немного. Это либо белки, либо малые молекулы, либо нуклеиновые кислоты , которые теперь тоже применяются.

Вариантов и тех, и других, и третьих, конечно, можно сделать безграничное количество, но они имеют ограниченный потенциал применения, так как работают по общим химическим принципам. По-другому воздействовать на клетку уже никак невозможно.

Поэтому в будущем главным вопросом будет доставка нанороботами этих трёх «блоков», что приведет к появлению новых форматов терапии.

Конечно, большинство хочет просто принять таблетку, но не все лекарственные вещества можно в неё «вложить». Более простой вариант - капсула. Более эффективный - инъекция и суппозитории. И если был бы какой-то универсальный способ лечения, например, закалывать какой-то чип с концентратом лекарственного средства под кожу, но раз в год, думаю, многие бы на это пошли.

Фото предоставлено компанией Biocad.

Диагностика заболеваний

Развитие малоинвазивных методов диагностики будет нужно человеку, чтобы, грубо говоря, по капле крови можно было быстро определять состояние человека: есть ли у него онкологическое заболевание и, если да, то есть ли метастазы, что за рак и прочее.

Сейчас это можно делать по определённому количеству миллилитров крови с помощью высокопроизводительных методов, но пока это довольно дорого. Мы идём к индивидуальному профилированию человека, чтобы знать про себя всё до уровня молекулы. Человек будет понимать, что конкретно с ним происходит в данный момент.

Может возникнуть нечто вроде социальной сети профайлов, где будут храниться все данные - например, по экспрессии генов за последний месяц. Кажется, что здесь всё легко, но на самом деле это миллиарды последовательностей, сотни генов с разными мутациями, разной степени значимости. Поэтому нужен будет новый класс врачей-теоретиков, которые будут уметь интерпретировать это огромное количество данных.

Регенерация, искусственный интеллект

Наверное, в будущем мы научимся регенерировать ткани и органы. Уже сейчас выращивают органы с нуля до реального размера из клетки благодаря 3D-печати. Также пытаются восстанавливать спинной мозг после травмы - печатать нейроны в месте повреждения. Иными словами, прививать человеку его же клетки, размноженные в лабораторных условиях.

Также учёные будут больше использовать искусственный интеллект и нейросети, чтобы создавать новые лекарственные препараты. Самообучающийся ИИ должен будет сам накапливать достаточное количество знаний, которые позволят ему давать правильные ответы. Если это не контролировать, может, наверное, произойти катастрофа, но, с другой стороны, он сможет значительно развязать руки исследователям и дать возможность генерировать новые идеи, ведь ИИ будет брать на себя все рутинные процедуры.