Biotechnologie léčiv - farmaceuticka

KONTAKT
doc. RNDr. Milan Bartoš, Ph.D.
[email protected]
Podmínky ke zkoušce
Zanech naděje,
kdokoli vstoupíš
Zápočet ze cvičení
Písemný test, zisk alespoň 60% bodů
Ústní rozprava
Doporučená literatura
 Učební texty „www.farmaceuticka-biotechnologie.cz”
 Biotechnologie a farmakogenetika pro farmaceuty
– Bartoš a kol., 2009
 Základy buněčné biologie – Alberts a kol., 1998
 Klonování genů a analýza DNA – Brown, 2006,
překlad 2007
 Metody molekulární biologie – Šmarda a kol., 2005
 Pharmaceutical biotechnology – Crommelin et al.
2008
 Transgenoze rostlin - Ondřej a Drobník, 2002
Obsah přednášky
1. Zdroje biotechnologií
2. Historické mezníky
3. Využití biotechnologií
4. Farmaceutická biotechnologie
Co jsou to biotechnologie?
molekulární
mikrobiologie
biologie
genetika
Biotechnologie
biochemie
enzymologie
analytická
bioinženýrství
chemie
Biotechnologie zahrnuje
Procesy využívající živé organismy nebo
jejich součásti k výrobě nebo modifikaci
produktů; šlechtění živočichů, rostlin a
mikroorganismů pro specifická použití.
Prof. Drobník
Povaha biotechnologie je ve své podstatě
spojena s aplikací biologie, tedy
s průmyslem, a tedy i s komercí..
Proto je nutno ji provozovat tak, aby z jejích
výsledků měli lidé co největší užitek, což bez
komerčního vyústění není možné.
Z toho důvodu by kvalita vědecké práce v
biotechnologii měla být měřena spíše patenty
než impakt faktorem publikací.
Pročpak nám tato skvělá aplikovaná věda,
která ušetřila práci a usnadnila život, přináší tak
málo štěstí?
Jednoduchou odpovědí na to je: Protože
jsme se dosud nenaučili používat ji rozumně.
Chcete-li, aby vaše práce přinášela lidstvu více
požehnání, nestačí, abyste rozuměli aplikované
vědě. Starost o člověka samého a o jeho osud
musí vždy být hlavním zájmem veškerého
technického snažení. Nikdy na to mezi svými
rovnicemi a diagramy nezapomeňte!
Albert Einstein ve svém projevu ke studentům
Kalifornské techniky v únoru 1931
Historie biotechnologie
• Počáteční období do roku 1850
• Éra Pasteurova
• Období průmyslové biotechnologie
• Éra nových biotechnologií
• Transgenní organismy
Biotechnologie v pravěku?
 empirické využívání divokých mikroorganismů
k přípravě fermentovaných produktů
 Před 100 000 lety se živili lidé z jeskyní v dnešním
Mozambiku drceným čirokem
V Súdánu se čirok konzumuje ve
fermentovaném stavu, především
ve formě místního tenkého
chleba kisra, řídké kaše aceda
nebo nasha.
http://www.osel.cz/index.php?clanek=4780
Mladší doba kamenná - výroba piva
ve Španělsku
 V roce 2013 v pohřební jeskyni Can
Sadurni nedaleko Barcelony nalezen
hrob 4 lidí starý asi 6 400 let.
 Dospělý muž měl u sebe položenou i nádobu se
dvěma uchy. Na jejím dně objevili archeologové
jemnou vrstvu usazenin. Chemické analýzy
prozradily, že obsahuje šťavelany a mikroskopické
křemičité částice tzv. fytolity pocházející z obilek
ječmene.
 Vědci z toho usoudili, že v poháru
byl kvašený nápoj vyrobený
z ječmene.
http://www.ub.edu/web/ub/en/menu_eines/noticies/2013/11/044.html
Biotechnologie ve starověku?
 v Mezopotámii Sumerové v 7. tisíciletí b.c. – výroba
piva
 V Chammurapiho zákoníku je zmínka o kvetoucí
pivovarské činnosti a zákonem byl stanoven obsah
mladiny v pivě a jeho cena. Porušení se trestalo
smrtí utopením.
Biotechnologie ve starověkém Egyptě
 podle starých Egypťaňů naučil lidi vařit pivo bůh
slunce Re
 Asi 4 000 let př. n. l. využití kvasinek pro fermentaci
chlebového těsta
Biotechnologie ve starověké Číně
Před 4 000 lety
 znali konzervaci mléka kvašením
 výroba sýrů, vína a octa
Yunnan cheese
Biotechnologie ve středověku I
 v Čechách vyráběli pivo v Břevnovském klášteře
v Praze od roku 993
 v současnosti se starověká výroba piva zachovala
ve výrobě piva u afrických kmenů
Biotechnologie ve středověku II
 1276 Irsko - první palírna whisky
 14. století - “tajemná síla” – úzký vztah s alchymií,
poznání procesu destilace
 1400 Asie - vlivem islámu ústup od kvasných
technologií pro přípravu alkoholických
nápojů
 15. století - objevena technologie kvašeného zelí
technologie výroby jogurtu
Pozor na amatérské provozování
biotechnologií v novověku!
DRAMA při kvašení zelí
Dva lidé se otrávili zplodinami
3.11. 2008 15:02
Našli ji kolegové na dně čtyřmetrové nádrže na kvašení zelí. Jeden ze zaměstnanců
se rozhodl šestadvacetileté ženě pomoci a po žebříku se vydal za ní. Také on však po
chvíli upadl do bezvědomí. Takovéto ráno prožili v pondělí lidé ve velkoskladu
zeleniny v Malých Hošticích.
Oba byli intoxikováni zplodinami kvašení, které se nahromadily v nádrži. Záchranáři
proto museli přivolat další posádku, hasiče a policii. Muže ve věku pětadvaceti let se
kolegům podařilo vytáhnout mimo nádrž. Záchranáři podali kyslík, zajistili žilní vstup
a podali potřebné léky. Stav postiženého se zlepšil a muž byl transportován na interní
ambulanci Slezské nemocnice v Opavě.
Ženu v hlubokém bezvědomí museli podle jeho slov z nádrže vyprostit až přivolaní
hasiči. „Její stav byl vážný, zasahující lékařka musela zajistit dýchací cesty pacientky
intubací a připojit ji k umělé plicní ventilaci.
www.katastrofy.com
Období do roku 1850
1797
Jenner zavádí metodu vakcinace dětí proti
neštovicím
virus kravských
neštovic
A co na to oponenti?
Rytina James Gillray (1757-1815)
První grant
Parlament přidělil Jennerovi
30 000 liber na pokračování testů
Vazby na chemii
 1697 - G.E. Stahl (něm. “otec chemie”)
Zymotechnia Fundamentalis – studium fermentací
 1828 - Franz Wöhler – synthesa močoviny
 1830 - Liebig – “chemie zemědělství”
“fermentace je pohyb atomů”
Van Leeuwenhoek objevuje
baktérie zubního kazu...
Pokroky biologických disciplín
1673 Anton van Leeuwenhoek – objev mikroskopu,
popsal bakterie a prvoky a vyslovil domněnku o
úloze v kvašení
1798 Edvard Jenner – srovnání účinnosti inokulace
pravými neštovicemi a očkováním kravskými
neštovicemi (vaccinus – lat. původem kravský)
1809 Nicolas Appert
– sterilizační metoda pro přípravu konzerv
– na zakázku Napoleonovy armády
Neexistuje něco jako aplikovaná věda,
jsou jen aplikace vědeckých poznatků.
Louis Pasteur (1822 - 1895)
Éra Pasteurova I
1857
Pasteur předpokládá, že
fermentace je zapříčiněna
mikroorganismy
1870-1890
křížení bavlny
W. J. Beal - hybrid kukuřice
1871
Ernst Hoppe-Seyler – objev invertasy
1877
Koch vyvinul techniku barvení a identifikace
bakterií
Éra Pasteurova II
1881
Pasteur – použití oslabených bacilů pro očkování
proti antraxu
1881
Robert Koch – popsal bakteriální kolonie
1892
Ivanovsky – částice působící tabákovou mozaiku
– “filtrovatelné viry”
1897
Eduard Buchner – kvašení pomocí kvasničného
extraktu
Éra Pasteurova III
1900
- znovuobjevení Mendelových prací
- prokázána možnost výroby chemikálií baktériemi
(glycerol, butanol, aceton)
1910
Thomas Morgan – chromozomy jsou nositely genů
1919
Poprvé je použito slovo biotechnologie v tisku
1920
Evans a Long objevili lidské růstové hormony
Období průmyslové mikrobiologie a
biotechnologie
Průmyslové biotechnologie 19. století
ZYMOTECHNIKA: zymé (řec.) = kvas, kvasnice
= soubor vybraných znalostí chemie, mikrobiologie a
inženýrství
PIVOVARSTVÍ
Produkce piva (1883) – Německo 3,9 miliard litrů
1816 – Stavovská inženýrská škola v Praze
1872 – Pivovarská škola ve Weihenstephanu
1874 – Federace producentů lihu v Berlíně
1883 – Výzkumný a vzdělávací pivovarský institut v
Berlíně
1884 – Chicago (USA) – pivovarská škola
(Zymotechnic College)
Průmyslové biotechnologie 20. století - I
„OD ZYMOTECHNOLOGIE K BIOTECHNOLOGII“
- alternativa chemických výrob
- vznik mikrobiologických sbírek (1884 Praha, 1906
Dánsko)
1884
Max Delbrück – “kvasinka je stroj”
produkce org. kyselin (mléčná, citrónová, máselná)
1.sv. válka
Německo – glycerol (výbušniny)
V.Británie - aceton (výbušniny)
30. léta krize, zemědělské přebytky – výroba
alkoholu
Průmyslové biotechnologie 20. století - II
1928
A. Fleming - objev penicilinu
40. léta 20. století
vypracování nových technologií vedoucích
k dramatickému rozvoji průmyslové mikrobiologie
1941
MIT - nová disciplina “bioinženýrství”
50. léta
Japonsko – výzkum, produkce antibiotik a
aminokyselin
1959
Švýcarsko - hydrolytické enzymy
pro prací prášky
Studená válka
* nová technologická řešení
* vývoj biologických zbraní
60. a 70. léta – Zelené biotechnologie
Snaha o řešení základních problémů
 hlad a nemoci
 vyčerpání energetických zdrojů
 produkce odpadu
Enzymové inženýrství a buněčné
technologie
1953
Objev struktury DNA
1969
Poprvé je syntetizován enzym in vitro
Éra nových biotechnologií (po r. 1975)
- genové inženýrství
- rekombinantní technologie
- cílené pozměňování genetické informace
- GMO
- produkce proteinů v modifikované formě
- hybridomové technologie
- využití hybridomů – jednobuněčné
organismy vytvořené křížením zdravé
živočišné a nádorové buňky
- monoklonální protilátky, vakcíny
Transgenní organismy
Rostliny – odolnější vůči herbicidům, imunní vůči
škodlivému hmyzu; modifikovaný vzhled (větší
plody, květy)…
Živočichové – využití v diagnóze a terapii
onemocnění
Novodobé milníky - I
1977 Založena firma Genentech
1978 Poprvé je vyroben lidský insulin
1980 Nejvyšší soud USA – patentová ochrana
biotech produktu
1981 První transgenní zvířata
1982 FDA schválila první biotechnologicky
připravený lék – lidský insulin
Novodobé milníky - II
1983 Vytvořena technika PCR
Poprvé syntetizovány umělé chromozomy
První celá biotechnologicky vytvořená rostlina
– petúnie
1986 Rekombinantní vakcína pro lidi – hepatitis B
První polní testy transgenní rostliny – tabáku
1990 Zavedena výroba umělé formy enzymu
chymosinu k produkci sýrů
První potravinářský produkt schválený ve
Velké Británii – modifikované kvasnice
Novodobé milníky - III
1993 FDA schválila hovězí somatotropin ke zvyšování
produkce mléčné produkce dojných krav
1997 První zvíře klonované z dospělé buňky
– ovce Dolly
Na trhu jsou první biotechnologické
plodiny resistentní k
plevelům – sója a bavlna
Novodobé milníky - IV
2001
Rozluštěn lidský
genom z 95%
14.4. 2003
Dokončení plné
identifikace lidského
genomu
Pane!
Rozluštili kód
lidského
genomu!
Zatrápení
hackeři …
budu muset
změnit heslo!
Novodobé milníky - V
2003 Světová výměra biotechnologických plodin
dosahuje 167,2 mil. akrů v 18 zemích světa
2004 FDA schválila první antiangiogenní lék proti
rakovině, Avastin (bevacizumab)
1.2. 2005 FDA schválila klinické užití léku Abraxane pro
léčbu metastazujících nádorů prsu (paklitaxel ve
formě nanočástic)
Průmyslové uplatnění
Biotechnologie v průmyslu znamená
→
vhodné doplnění chemické technologie
→
rozšíření palety vyrobitelných látek
• Látky vyrobitelné jen chemickou syntézou
• Látky vyrobitelné jen pomocí biotechnologie
• Látky vyrobitelné chemickou technologií i
biotechnologií
Hlediska v rozhodování mezi těmito
možnostmi
• technická uskutečnitelnost biotechnologického
procesu
• aktuální cena surovin
• snadnost izolace konečného produktu a jeho čistota
• možnost získání užitečných vedlejších produktů
• úspěšnost z hlediska rychlosti komercializace atd.
Přednosti biotechnologií
 Levná surovinová základna
 Nižší energetická náročnost
 Vyšší rychlost biochemických dějů
Nevýhody biotechnologií
 Vysoké náklady na
výzkum a vývoj a na
počáteční investice
 Malá efektivnost
 Nízká koncentrace
zúčastněných látek
 Zatím nevyjasněná rizika
Hlavní oblasti použití biotechnologií
Medicína a farmaceutický průmysl
• Přírodní metabolity
- biosyntéza
- např. ATB, vitamíny aj.
• Látky připravené biokatalýzou
- biokonverze (biotransformace)
- např. steroidní látky
• Lidské proteiny a polypeptidy – genové manipulace
Příklady použití biotechnologií v
medicíně - I
 Aminokyseliny, vitaminy, polysacharidy
 Léčiva (antibiotika, steroidy, antifungální
látky, námelové alkaloidy...)
 Monoklonální protilátky, vakcíny
 Interferony, interleukiny
Příklady použití biotechnologií v
medicíně - II
 Hormony - lidský růstový hormon, FSH
 Bílkoviny se specifickými účinky (výroba
insulinu)
 Produkční enzymy a čisté enzymy pro
bioanalytické metody (imunoanalýza)
 Genové terapie, sledování
metabolických vad
vrozených
Biotechnologie v zemědělství
Rostlinná výroba
- zvyšování úrodnosti půd mikrobiální fixací
atmosférického dusíku
- ochrana rostlin proti škůdcům (tzv. biopesticidy)
- ochrana rostlin proti vymrzávání
- nové kultivary a kulturních plodin
- diagnostika rostlinných chorob, aj.
Živočišná výroba
- krmné směsi, antibiotika, aj.
- zvyšování produkce masa a mléka
- řízená říje a reprodukce
Biotechnologie
v potravinářském průmyslu
 genové manipulace (pěstování ovoce a
zeleniny)
 výroba fruktosového sirupu ze škrobu,
 výroba bezlaktosového mléka,
ochucovadel, barviv, aminokyselin,
antioxidantů, sladidel (aspartam).
 výroba alkoholu, droždí a mléčných
výrobků (chymosin).
 mikrobiální SCP „single cell protein“
Explantátové kultury rostlin
 produkce sekundárních metabolitů
 šlechtění a selekce rostlin
Zábavné biotechnologie
Starlight Avatar, 17.2. 2014
http://zena.centrum.cz/bydleni/clanek.phtml?id=801553#utm_source=cent
rumHP&utm_medium=dynamicleadbox&utm_campaign=B&utm_term=po
sition-24
Biotechnologie v chemickém průmyslu
 výroba chemikálií z rostlinné biomasy
(cukru)
 alkoholy aj. org. rozpouštědla, organické
kyseliny
 aminokyseliny a nukleotidy
 biodegradabilní polymery
 emulgační, zahušťovací a suspenzní
činidla v petrochemickém, sklářském,
textilním, papírenském a potravinářském
průmyslu
 výroba plastů (kyselina polylaktidová)
Produkce energie - biopaliva
 výroba plynných a kapalných biopaliv
 výroba etanolu
 konverze rostlinných olejů na motorovou
naftu
 výroba bioplynu
 biologické výroby vodíku
 bionafta
Ochrana životního prostředí
 recyklace toxických kovů
 rozklad a detoxikace polutantů životního
prostředí
 metody monitorovaní kvality ovzduší, půdy
a vod
 čištění odpadních vod
Těžba nerostných surovin –
biometalurgie
 mikrobní extrakce řady důležitých kovů i nekovů
z chudých rud (např. rod Thiobacillus)
Informatika, výpočetní technika a
přenos dat
 biosenzory, biočipy (např. DNA čipy)
 konstrukce nanorobotů (nanotechnologie)
Klasifikace biotechnologie
• Klasické mikrobiální technologie
• Enzymové technologie
• Využívání živočišných a rostlinných buněk
• Genové technologie
• Farmaceutická biotechnologie
Farmaceutická biotechnologie
podle European Association of Pharma Biotechnology (EAPB)
věda, která překrývá všechny technologie nezbytné
k vytvoření, výrobě a registraci biotechnologických
léčiv
Je to opravdu věda?
1) Existence předmětu bádání
2) Ústřední teorie
3) Existence metodických přístupů
4) Institucionalizace
5) Vlastní časopis
Předmět farmaceutické biotechnologie
Předmětem studia farmaceutické biotechnologie je
léčivo vytvořené specifickým (biotechnologickým)
postupem - s využitím organismů, živých buněk
nebo jejich součástí.
Vyžaduje specifický přístup ve všech fázích produkce
- vlastního návrhu, vývoje a konečně výroby.
Léčiva vytvořená postupy biotechnologickými
podléhají zvláštnímu režimu registrace, protože
se jedná o produkty geneticky modifikovaných
organismů.
Ústřední teorie
 společný evoluční původ organismů
 univerzalita genetického kódu napříč živými systémy
 podobnost transkripčních a translačních aparátů
Látky, biologicky aktivní v jednom organismu, mohou být
produkovány v jakémkoli jiném organismu.
1) Rekombinantní produkt (ačkoli nevzniká ve svém
původním organismu) je z hlediska funkce shodný
nebo alespoň velmi podobný „originálu“.
2) Biofarmaceutický produkt může být biotechnologem
vhodně upraven tak, aby měl zvláštní vlastnosti, díky
kterým může v cílovém organismu vykonávat
specifickou funkci.
Metodický přístup
Rozmanitost zdrojů = široké spektrum metod
Vývoj léčiva = molekulární biologie, genetika a
genové inženýrství
Produkce léčiva = klasická mikrobiologie, genetika
Purifikace a charakterizace produktů = biochemie,
analytická chemie
Úprava léčiva = biochemie, enzymové inženýrství,
organická chemie, farmaceutická chemie,
technologie léčiv a farmakologie
Registrace léčiva = aplikovaná farmacie
Specifikum metodického přístupu?
KOMPLEXNOST
Příklad produkce rekombinantního proteinu – viz.
učební text









Izolace genu
Klonování do produkčních buněk
Charakterizace klonu
Produkce rekombinantního proteinu
Separace a purifikace produktu
Charakterizace a chemická definice
Klinické testy
Administrativní proces registrace
Postklinické zkoušky
Specifické metody?
Genové terapie?
DNA vakcíny?
Vakcíny na bázi interferujících RNA?
Vědecké společnosti
Evropská asociace farmaceutické biotechnologie
(The European Association of Pharma Biotechnology,
EAPB)
http://www.eapb.de/
The American Association of Pharmaceutical
Scientists (AAPS)
http://www.aapspharmaceutica.com/http://www.eapb.
de/
Výzkumné instituce
Zahraniční – příklady v učebním textu
Česká republika
 Ústav experimentální biofarmacie, AV ČR, Hradec
Králové
 BioPharm – Výzkumný ústav biofarmacie a
veterinárních léčiv, a.s., Jílové u Prahy
 BioTest, s.r.o., Konárovice (MediTox, s.r.o. od roku
2012)
Časopisy I
EAPB vydává časopis „NewDrugs“
www.new-drugs.com
Profesionální list, ve kterém farmaceutické,
biotechnologické a servisní společnosti prezentují
své vlastní výzkumné aktivity
AAPS vydává tři vlastní časopisy
- The AAPS Journal
- AAPS PharmSciTech
- Pharmaceutical Research
a řadu dalších sponzoruje
Časopisy II
Research in Pharmaceutical Biotechnology
http://www.academicjournals.org/rpb/index.htm
 vychází jako měsíčník od roku 2009
 články o bioinženýrství, biomimetice, tkáňových
kulturách, navrhování léčiv a jejich vývoji, apod.
 volně dostupný odborné komunitě
BIOINFO Pharmaceutical Biotechnology
 má za cíl publikovat to nejlepší v oboru
Farmaceutické biotechnologie,
 volně dostupný
Časopisy III
Current Pharmaceutical Biotechnology
http://www.benthamscience.com/cpb/




je vydávaný Bentham Science Publishers
obsahuje souhrnné i výzkumné články
je částečně k dispozici on-line
vychází od roku 2001
Farmaceutická biotechnologie na FaF Brno?
Projekt OP VaVpI MŠMT – „Rozvoj kapacit studia farmacie v oblasti
molekulární biologie a strukturní biologie a farmaceutické
biotechnologie“ (ukončeno k 31.12. 2014)
A jaká je realita?
Už to není sen, ale skutečnost!
Je to tedy opravdu věda?
1) Existence předmětu bádání
2) Ústřední teorie
3) Existence metodických přístupů
4) Institucionalizace
5) Vlastní časopis
Shrnutí přednášky
1. Zdroje biotechnologií
2. Historické mezníky
3. Využití biotechnologií
4. Farmaceutická biotechnologie
A otázky na závěr
1) Samostatná vědní disciplína musí také
a) Odpovídat na specifické otázky, které jiné vědní disciplíny
nedokáží uspokojivě vysvětlit
b) Musí sama klást nové otázky a vytvářet prostor pro svůj
vlastní rozvoj, jakožto rozvoj lidského poznání v tom
nejširším slova smyslu
Dokážete nalézt konkrétní příklady pro obor
Farmaceutické biotechnologie?
2) Najdete další příklady vědecko-výzkumných nebo komerčně
založených společností (tuzemských i zahraničních), které mají
v obsahu činnosti předmět studia Farmaceutické
biotechnologie?
3) Rozlišuje Český lékopis produkty farmaceutické
biotechnologie od ostatních léků?