В.А. ЧерешневКомитет Государственной Думы по

науке и наукоемким технологиям

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ СТРАТЕГИИ

РАЗВИТИЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В СКОЛКОВО

Workshop “Biomedical technologies at Skolkovo.

Opportunities and challenges”

1-2 February, 2011, Moscow

По прогнозам международных экспертов прорывными отраслями VI технологического уклада, вероятно, станут биотехнологии, нанотехнологии, робототехника, новая медицина, новое природопользование

Концепцией долгосрочного социально-экономического развития РФ до 2020 г. биотехнология отнесена к приоритетным направлением развития инновационной экономики в Российской Федерации.

Сегодня биотехнология (в комплексе с фармацевтикой) занимает третье место среди ведущих секторов мировой экономики, уступая только банковскому и нефтегазовому секторам

В мире бум биотехнологий: США, Евросоюз, Япония, Китай и Индия разработали биотехнологические долгосрочные стратегии

Доля Российской Федерации в мировом объеме биотехнологической продукции в настоящее время составляет менее 0,2%, по уровню развития биоиндустрии Россия занимает 70-е место в мире. Для сравнения: доля США сегодня достигает 42%, ЕС – 22%, Китая – 10%, Индии – 2%

Понятно, что разработка инновационного продукта в сфере биотехнологий невозможна без фундаментальных исследований, именно поэтому в передовых странах мира на один из самых наукоемких сегментов биотехнологий - биомедицину расходуется около 50% всех отпускаемых на науку средств. Это вполне объяснимо высокой наукоёмкостью и эффективностью биотехнологического ресурса.

В последние годы российскими учеными получены многочисленные научные результаты мирового уровня в биомедицине: таких центральных областях современной науки, как регуляция работы генов, контроль синтеза белка, протеомика, стволовые клетки и других

Эти фундаментальные исследования стали основой для разработки и подготовки к клиническим испытаниям инновационных технологий диагностики и терапии основных социально значимых болезней: злокачественных опухолей, болезней нервной системы, последствий инсультов, вирусных заболеваний, включая СПИД, инфекционных болезней, в частности, туберкулеза и целого ряда других

Благодаря геномным технологиям удалось разработать подходы к пренатальной (дородовой) диагностике патологий, связанных с мутациями в одном гене, разработать генодиагностику 150 наследственных заболеваний

На основе нанотехнологий налажено производство фуллеренов, фосфолипидных наночастиц, служащих для адресной доставки цитостатиков к опухолям (отечественный гепатопротектор «Фосфоглив»)

ВАЖНЕЙШИЕ СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОМЕДИЦИНЫ

ранняя диагностика заболеваний, в т.ч. выявление наследственной предрасположенности к «обычным» болезням;

определение индивидуальных генетически обусловленных особенностей реакций организма на лекарственные вещества (фармакогеномика);

разработка методов лечения наследственных болезней;

ВАЖНЕЙШИЕ СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОМЕДИЦИНЫ

методы диагностики инфекционных и неинфекционных заболеваний (в частности, с помощью т.н. биочипов);

многократное ускорение разработки новых лекарственных средств за счет компьютерного моделирования, автоматизированного скрининга потенциальных препаратов, применения в преклинических испытаниях кандидатных веществ клеточных культур вместо лабораторных животных;

создание принципиально новых лекарственных препаратов на основе антител, генотерапии, в т.ч. с помощью коротких интерферирующих РНК, и других достижений в области молекулярной биологии и нанотехнологий;

применение методов генной инженерии, в частности, для получения человеческих белков с помощью трансгенных микроорганизмов, растений и животных;

клеточная терапия, тканевая инженерия и разработка методов выращивания органов для трансплантации

ВАЖНЕЙШИЕ СТРАТЕГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОМЕДИЦИНЫ

Стартовые позиции Российской Федерации, обусловленные уровнем ее научных достижений и уровнем науки, в целом экспертами оцениваются как высокие

Россия обладает всеми необходимыми предпосылками и потенциалом (наличие биоресурсов и энергоресурсов, пресной воды, научных школ, квалифицированных кадров и т.д.), чтобы войти в число мировых лидеров в области биотехнологии

Необходимо разработать механизмы реализации стратегии развития биотехнологий, фармацевтической индустрии и медицинской промышленности в стране

Требуют решения вопросы развития материально-технической базы и инфраструктуры, государственного финансирования, подготовки и социально-экономической поддержки кадров

Совершенно очевидно, что отбор научных системообразующих проектов, способных качественно изменить ту или иную технологию, может быть осуществлен путем проведения объективной независимой экспертизы

Национальная программа «Развитие биотехнологии в Российской Федерации

на 2006 – 2015 гг.»

Цель: развертывание работ в области теоретической и практической

биотехнологии в России на базе современных инновационных подходов для производства импортозамещающей отечественной биотехнологической продукции

Задачи: формирование и реализация национальных приоритетных проектов в

биотехнологии; разработка теории и методологии фундаментальной биотехнологии; внедрение новейших достижений в сфере геномики, биоинформатики,

нанотехнологий в соответствии с наиболее важными приоритетами (генетический паспорт, биочипы и др.);

создание современных образовательных программ и системы подготовки кадров в области биотехнологии;

реализация целевых практических проектов по медицинской, сельскохозяйственной, пищевой, экологической, промышлен-ной биотехнологии и других направлений с целью обеспечения населения отечественной биотехнологической продукцией;

создание действенной правовой, экономической, информационной и организационной базы для развития биотехнологии

В структуру Программы входят 4 раздела.Раздел 1. Национальные приоритетные проекты.Раздел 2. Федеральные проекты.2.1. Направление «Фундаментальная биотехнология».2.2. Направление «Медицинская биотехнология».2.3. Направление «Сельскохозяйственная биотехнология».2.4. Направление «Пищевая биотехнология».2.5. Направление «Промышленная биотехнология».2.6. Направление «Экологическая биотехнология»2.7. Направление «Правовое, экономическое, информационное и

организационное обеспечение развития биотехнологии».2.8. Направление «Материально-техническая база биотехнологии».2.9. Направление «Подготовка кадров для биотехнологии».2.10. ФЦП «Приоритетные научно-практические направления биотех-нологии (2009–2015)».Раздел 3. Региональные (межрегиональные, окружные) проекты (про-граммы).Раздел 4. Целевые проекты (внебюджетные, международные и иныепроекты).

Национальная программа «Развитие биотехнологии в Российской Федерации

на 2006 – 2015 гг.»

Разработка противоопухолевых лекарственных средств является приоритетным направлением биотехнологических исследований. Около 60% препаратов из общего количества разрабатываемых биотехнологических средств предназначено для лечения рака или заболеваний, связанных с ним

Это в первую очередь интерфероны, интерлейкины, конъюгаты моноклональных антител, фактор некроза опухолей и различные колониестимулирующие факторы, 18 генно-инженерных препаратов, находящихся на разных стадиях клинического изучения, являются потенциальными средствами для лечения СПИДа и заболеваний, связанных с ВИЧ

Еще одной ведущей группой среди разрабатываемых биотехнологических продуктов являются вакцины.

В настоящее время в США на различных стадиях разработки находятся 14 генно-инженерных вакцин, предназначенных для борьбы со СПИДом, гепатитами, малярией, герпесом, различными опухолевыми заболеваниями и др.

На третьем месте среди наиболее активно разрабатываемых генно-инженерных продуктов — интерлейкины. В США на различных стадиях разработки находятся 16 препаратов этой группы, а также 18 типов интерферонов, 19 колониестимулирующих факторов, 24 фактора роста, 4 гормона роста человека, 2 супероксиддисмутазы, 4 рекомбинантных растворимых белка СД-4, 3 фактора некроза опухолей, 2 модификации эритропоэтина и 6 кровесвертывающих факторов.

Наряду с США и Японией биотехнология быстрыми темпами развивается и в странах Западной Европы.

По оценке Interpharm Press, скоординировав свою деятельность, эти страны могут в будущем оказать значительное влияние на конъюнктуру рынка биотехнологических продуктов. Как и в США, в 1980-х гг. в Западной Европе резко возросло количество мелких биотехнологических фирм. Возникли они в основном на базе лабораторий, ранее проводивших фундаментальные научные исследования. Многие из них финансируются в настоящее время промышленными корпорациями и финансовыми учреждениями либо пользуются финансовой поддержкой со стороны правительства

Стратегическим направлением развития отечественной фармацевтической и биотехнологической промышленности и соответствующей науки, по нашему мнению, должно стать создание и производство оригинальных, патентно-защищенных лекарств, имеющих существенные преимущества по эффективности и (или) безопасности перед известными в мировой медицинской практике препаратами

Анализ пространственной неоднородности иммунных

процессов

Биологическая схема строения лимфатического узла

Из работы Friederike Pfeiffer et al. Eur. J. Immunol. 2008. 38: 2142–2155

Геометрическая модель лимфатического узла (ЛУ) построенная

комбинацией сфер и цилиндров

Источники: f(x)

Приносящие (афферентные) лимфатические сосуды Диаметр ЛУ = 2.0 mm

Выносящие лимфатические сосуды

Трабекулярный синус (TS) = 0.05 mm

Краевой синус = 0.1 mm

dB dB

dT

Кондуиты = 0.0005 mm

Фолликулы: = 0.2 mm

Коэффициенты диффузииd = 0.16 mm2/ч

dB = 0.1*ddT = 0.01*d

Корковая область

Паракортикальная область

d

Пространственная (3-х мерная) сеточная модель лимфоузла

Сеточная аппроксимация геометрической модели лимфатического узла, построенная с помощью вычислительной технологии генерации адаптивных тетраэдральных сеток (ИВМ РАН, Данилов А.А., Василевский Ю.В.). Состоит из 106 тетраэдров и 105 треугольников

Система кондуитов

Пространственное распределение интерферона в лимфоузле:получено путем численного решения стационарного уравнения

диффузии-синтеза-и деградации интерферона

Сечения плоскостями OXZ и OYZ. Число активированных плазмацитоидных

дендритных клеток, секретирующих интерферон 1 (слева) и 100 (справа).

Предполагается, что они расположены случайным образом вблизи полюса.

Протективная концентрация интерферона для макрофагов ~1 пг/мл

IFN (пг/мл)

11 плазмацитоиднаплазмацитоидная я дендритная дендритная клеткаклетка

10100 плазмацитоидных0 плазмацитоидныхдендритных клетокдендритных клеток

Создана вычислительно-технологическая основа для перехода к моделированию пространственно-временной динамики патогенов, гуморальных факторов и клеточных ансамблей в ходе инфекционных заболеваний с учетом реальной геометрии вторичных лимфоидных органов

Нанотехнологии в борьбе с мировой Нанотехнологии в борьбе с мировой пандемией ВИЧ/СПИД: МИКРОБИЦИДЫпандемией ВИЧ/СПИД: МИКРОБИЦИДЫ

Вирус иммунодефицита человека

По данным ООН – число инфицированных ВИЧ составляет 35-38 млн. чел.

СХЕМА СОЗДАНИЯ НАНОБИОМАТЕРИАЛОВ

Основа: биосовместимый полимер(н.: полиэтилентерефталат, хитозан)

Модификация поверхности полимера ионно-плазменными методами

Обработка поверхности полимеров ионами инертных и химически

активных газовИонно-плазменное осаждение пленки

углерода

Модификация полимеров с НСП органическими производными

фуллерена

Новые композитные

нанобиоматериалы

Анти-ВИЧ активностьАнти-ВИЧ активность

Ингибирование ВИЧ-протеазы,обратной ВИЧ-транскриптазы

Модификация НСП производными Модификация НСП производными фуллерена (данные АСМ) фуллерена (данные АСМ)

Контрольный образец

НСП-I НСП-II (α-C:H ~ 50 нм)

С60-хинолин

С60-индол

Антимикробная активностьАнтимикробная активность

Возможные применения материалов с НСП Возможные применения материалов с НСП

Имплантаты

Биокатализаторы

Матрицы для адресной доставки лекарств

Антимикробные материалы

Материалы для медицины

Матрицы и подложки для клеточных медицинских технологий

ТоксичностьТоксичность

Поглощение, распределение и выделение

-контакт с кожей-вдыханиенаночастицы С60 (55нм), 3 ч/дн – 14,1%период полувыведения – 26 дн-внутрибрюшное введениенакопление в печени, полное выведение – 13дн

10 мг/кг в день

• Для усиления действия противовирусных препаратов, таких, как микробициды, необходима адресность и своевременность их действия.

• Для адресной доставки лекарств основным требованием является биосовместимость структуры носителя.

• Постепенное высвобождение лекарственного препарата обеспечивает его пролонгированное действие.

• Вещество, заключенное в нанокапсулу или наноконтейнер, защищено от воздействия ферментов.

• Примером нанокапсул являются липосомы с размерами порядка 100-300 нм, которые нетоксичны и биодеградируемы; их мембрана может сливаться с клеточной мембраной и обеспечивать доставку содержимого в клетку.

• Недостаток - сложность проникновения этих субстанций в ткани и клетки с серьезными нарушениями микроциркуляции.

Особенности физико-химических свойств кремния (Si)

Нетоксичность (Si – второй после кислорода элемент по распространенности в земной коре, где его доля составляет около 27%).

Биосовместимость (в организме здорового человека весом 50-70 кг содержится 0.5-1 г Si, что делает его 3-м по содержанию микроэлементом после железа и цинка).

Биодеградируемость кремниевых наночастиц (Si в виде наночастиц растворяется в организме человека со скоростью от 1 нм (кислая среда) до 1000 нм (щелочная среда) в день с образованием ортокремниевой кислоты).

Доступная технология получения нанопористых форм кремния позволяет управлять размерами гранул и степенью их пористости.

Однако, многие формы нанокремния гидрофобны, что затрудняет получение их водных суспензий и требует дополнительной обработки для придания материалу гидрофильных свойств.

Порошки и водные суспензии пористых кремниевых нанокапсул

Лазерное возбуждение 337 нм

2-4 нм 5-7 нм

+

50 мг nc-Si

2 мл

H2O

=

Биодеградируемые наноконтейнеры из наноструктур пористого кремния

100 nm

I. Капсулирование лекарства в наноконтейнере из пористого кремния.

II. Доставка заряженного наноконтейнера в ткани и клетки.

III. Растворение кремниевой матрицы и высвобождение лекарства.

I II

III

0

2

4

6

8

10

10 3 1

Концентрация препарата , мг/мл

-20

0

20

40

60

80

100

1000 100 10 1

Концентрация препарата , мкг/мл

Вирулицидный эффект

ED50 < 1 мг/млED50 25,8 мкг/мл

Анти-ВИЧ активность водорастворимого аддукта углеродных нанокластеров

Структурная формула: [НО]k - [C]n – (OHSO2)m

Влияние на внутриклеточную репродукцию ВИЧ

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!