Биотехнологии - ваш билет в будущее

Биотехнологии – ваш билет в будущее

Биотехнологии – это вопрос жизни и смерти

Не столь важно, каким будет будущее, важно окажемся мы в нем или нет

Старение – убийца N 1

Старение вызывает большинство заболеваний

Старение – причина потери интереса к жизни

Банки и страховые компании рисуют старость такой

На самом деле старение выглядит так

Старение вызывает болезни

Рак Инфаркт

Старение вызывает болезни

Инсульт Болезнь Альцгеймера

Осложнения сахарного диабета Остеоартрит

Старение вызывает болезни

Боль и страдания

Старение вызывает

Одиночество

Слабоумие

Старение вызывает

Смерть

Научная классификация старения человека

по механизмам возникновения

Старение человека является результатом негативного взаимодействия окружающей среды и генов. Это биологический процесс, характеризующийся дисфункцией множества органов, морфологическими изменениями и увеличением числа ошибок.

На что важнее тратить деньги?$ 30 000 000 создание биоинженерной

печени

$ 5 000 000 стимулирование регенерации тканей дыхательных путей и легкого

$ 15 000 000 создание биоинженерного пищевода

$ 5 000 000 – 500 000 000

внедрение в клиническую практику диагностики старения

$ 15 000 000 разработка и валидизация маркеров старения

$ 20 000 000 – 2 000 000 000

проверка эффективности существующих кандидатов в геропротекторы

$ 1 200 000 – 1 000 000 000

создание сверхдолгоживущих трансгенных мышей

Переименование милиции в полицию

$ 35 000 000

Скоростная железная дорога Москва-Казань

$ 950 000 000

Подготовка Чемпионата мира по футболу-2018

$ 20 000 000 000

Подготовка Олимпиады-2014

$ 50 000 000 000

Проведение саммита АТЭС во Владивостоке

$ 21 000 000 000

Война с Грузией $ 400 000 000

Универсиада в Казани

$ 7 000 000 000

Военные расходы бюджета

$ 65 000 000 000

Финансирование развития

биотехнологий – самая разумная и

гуманная государственная

политика

Биотехнологии – управление работой генома

• Прямое изменение последовательности ДНК – генная инженерия

• Непрямое влияние на работу генов – эпигенетические модификаторы

• Регуляция работы транскрипционных факторов

• Управление работой генома за счет регуляторных РНК

Центральная догма молекулярной биологии

Плотность упаковки ДНК влияет на экспрессию генов

Метилирование ДНК влияет на экспрессию генов

Классификация биотехнологий

Big data Искусственный Интеллект

Вмешательства

Big data в биотехнологиях – это данные секвенирования и анализа

Геном Эпигеном Протеом

Транскриптом Метаболом

Технологии секвенирования нового поколения

– секвенирование путем синтеза с обратимой терминацией (Illumina)

– пиросеквенирование (Roche)

– секвенирование путем лигирования (SOLiD)

– полупроводниковое секвенирование (Ion Torrent)

– секвенирование одной молекулы (Helicos Genetic Analysis System)

– наносеквенирование (DNA-nanoboll) (Complete Genomic)

Секвенирование – определение последовательности нуклеотидов

Секвенирование ракового генома

Welch JS, Westervelt P, Ding L, Larson DE, Klco JM, Kulkarni S, Wallis J, Chen K, Payton JE, Fulton RS, Veizer J, Schmidt H, Vickery TL, Heath S, Watson MA, Tomasson MH, Link DC, Graubert TA, DiPersio JF, Mardis ER, Ley TJ, Wilson RK. Use of whole-genome sequencing to diagnose a cryptic fusion oncogene. JAMA. 2011 Apr 20;305(15):1577-84.

Подбор лекарства на основе полногеномного секвенирования:ATRA (ретиноидная кислота)

Полная ремиссия в течение 15 месяцев

Джон Вэлч, Профессор Вашингтонского Университета, Сэнт Луис, Миссури

– Секвенирование геномов пациентов (экзом + транскриптом) с использованием прибора Illumina – в сотрудничестве с МГУ и Онкоцентром

– Анализ одновременно экзома и транскриптома.

– Разработка фармакогеномной базы (связи лекарств с генами, болезнями, мутациями).

– Разработка коллекции сигнальных путей и алгоритмов работы с ними.

– Разработка алгоритмов поиска экспрессионных маркеров конкретных сигнальных путей и алгоритмов для анализа экспрессии.

Персональная БиоМедицина

Внедрение диагностики старения в клиническую практику

В течение 14 месяцев изучено 40 000 параметров: геном, транскриптом, протеом, метаболом

Выявлено раннее начало развития диабета 2-го типа

Необходимо в клинике проводить подобную диагностику и анализировать процессы старения и развития возраст-зависимых заболеваний

Chen et al., Personal omics profiling reveals dynamic molecular and medical phenotypes. Cell. 2012 Mar 16;148(6):1293-307.

Майкл Снайдер, Стэнфордский Университет

Искусственный Интеллект

Watson• Обучение – 605 тысяч медицинских документов

(2 миллиона страниц текста), доступ к медицинской базе больницы Memorial Sloan Kettering

• Точность назначения оптимального лечения рака легких в больницах США – 50%, а у Watson – 90%

• Изначально 90 серверов IBM Power 750, 2800 процессорных ядер и 15 терабайт оперативной памяти

• Сейчас клиентский модуль размером с коробку пиццы, вычислительные ресурсы в облаке

• До конца года на сервис диагностики будет подписано 1600 медицинских учреждений

Манипуляции биологическими объектами

Регенеративная медицина

Клонирование

Генная инженерия

КрионикаКиборгизация

Регенеративная медицина

Тканевая инженерияКлеточная терапияУправление регенерацией

Энтони АталаПаоло Маккиарини Лора Никлассон

Тканевая инженерия

Самосборка миниатюрных органоидов

Совместное культивирование in vitro эндодермных клеток печени с эпителиальными и мезенхимальными линиями повторяет ранний органогенез

Takebe T, Sekine K, Enomura M, Koike H, Kimura M, Ogaeri T, Zhang RR, Ueno Y, Zheng YW, Koike N, Aoyama S, Adachi Y, Taniguchi H. Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant. Nature. 2013 Jul 3

3D принтинг

Клонирование

Клонированы эмбриональные стволовые клетки человека

Из них созданы функциональные кардиомиоциты

Шухрат Миталипов, Университет Здоровья и Науки Орегона

Tachibana et al., Human embryonic stem cells derived by somatic cell nuclear transfer. Cell. 2013 Jun 6;153(6):1228-38.

Киборгизация

Argus II фирмы Second Sight

Одобрено FDA

Имплант для сетчатки

Управляемые мозгом протезы

Микроэлектроды имплантированы в двигательную зоны коры головного мозга

DARPA и Университет Питтсбурга

Крионика

Самые важные эксперименты биологии старения

Рекорды продления жизни

Роберт Шмуклер Риспродлил жизнь нематоде в 10 раз за счет мутации

в гене age-1

Вальтер Лонго продлил жизнь дрожжам в 10 раз за счет мутации в генах ras2 и sch9 и ограничения

калорий

Рожина Бланка продлила жизнь дрозофиле в 2 раза с помощью мутации в

гене indy

Рекорды продления жизни

Анджей Бартке продлили жизнь мыши в 2 раза за

счет мутации в гене рецептора гормона роста и ограничения

калорий

Создание трансгенных животных

Всего выявлено >100 генов ассоциированных с долголетием

• Тканеспецифичное снижение экспрессии IGF-1 или PI3K• Оверэкспрессия генов окислительно-восстановительной группы

(САТ, TXN, MSRA, SOD1, SOD2) • Генов репарации ДНК (GADD45 alpha, beta, gamma)• Генов-регуляторов эпигенетического состояния (DNMT2) и

транскрипции защитных агентов (FOXO3)• Белков теплового шока (HSPA1A, HSPA1B) • Оверэкспрессия других генов (PCMT1, SIRT1, PCK1, PLAU)

Инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1)

IGF-1 производится гепатоцитами печени в ответ на стимуляцию их соматотропиновых рецепторов.

В периферических тканях именно ИФР-1 обеспечивает практически все физиологические эффекты гормона роста – в первую очередь рост и деление клеток.

Фосфоинозитол-3 киназа (PI3K)

PI3K – фермент, который вовлечен в такие процессы как клеточный рост, пролиферация, дифференцировка, подвижность, выживание и внутриклеточный транспорт

Ген репарации ДНК GADD45

Гены GADD45 alfa, beta и gamma – сенсоры стресса. Они отвечают за ответ клетки на генотоксический и физиологический стрессы, осуществляют репарацию ДНК, подавляют рост опухолей.

Гены долголетия FOXO

Транскрипционный фактор FOXO3A встречается чаще у долгожителей

Транскрипционные факторы FOXO управляют программами экспрессии генов, которые регулируют апоптоз (программируемая клеточная смерть), прохождение от стадии к стадии клеточного цикла и устойчивость к окислительному стрессу

Белок теплового шока 1 (HSPA1A)

Защищает белки внутри клетки от агрегации, обеспечивает формирование правильной пространственной конформации белков, играет роль в работе протеасомы

Клинические испытания геропротекторов

МетформинМелатонинЛипоевая кислота2-дезокси-D-глюкозаКарнозинАминогуанидинФизетинГидроксицитратКемпферол

4-фенилбутератГимнемозидЦиклоастагенолКверцетинНордигидрогвая ретовая кислотаАкарбоза17-а-эстрадиолСпермидинТиофлавин Т

Рапамицин продляет жизнь старым мышам на 14%

Рапамицин блокирует работу сигнального пути mTOR. Это ведет к подавлению роста и деления клеток, активации аутофагии и замедлению старения

Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice. Harrison et al. Nature. 2009 Jul 16;460(7253):392-5.

Аспирин продляет жизнь и защищает от рака и болезни Альцгеймера

Аспирин продляет жизнь мышам на 8-12%

75мг аспирина ежедневно снижают 20-летний риск развития рака простаты примерно на 10%, рака легких - на 30%, рака кишечника - на 40%, рака пищевода и горла - на 60%.

Риск болезни Альцгеймера снижается на 22-28%

Подавление активности мобильных генетических элементов

Уничтожение сенесцентных клеток

Ян ван Дурсен и Дэррен Бэйкер, Мэйо Клиник, Миннесота

Удалили сенесцентные клетки в скелетных мышцах, жировой ткани и хрусталике

Снижение возникновения катаракты, потери подкожного жира, саркопении

Baker DJ, Wijshake T, Tchkonia T, LeBrasseur NK, Childs BG, van de Sluis B, Kirkland JL, van Deursen JM. Clearance of p16Ink4a-positive senescent cells delays ageing-associated disorders. Nature. 2011 Nov 2;479(7372):232-6.

Создание модели рака конкретного пациента на мышах

Шон Гриммонд из Университета Квинслэнда в Брисбэйне, Австралия, с коллегами проанализировал опухоль поджелудочной железы и определили мутации в генах

Ученые пересадили небольшой участок опухоли иммунодефицитным мышам и проверили действие лекарств-кандидатов

Предсказанная с помощью генетического анализа эффективность митомицина С подтвердилась на мышиной модели

Carina Dennis, Mouse 'avatars' could aid pancreatic cancer therapy. doi:10.1038/nature.2012.10259

Генная терапия долголетия

Мария Бласко из Испанского Национального Ракового Центра создала вирусный вектор с геном теломеразы, внедрение которого продлило жизнь:

1-летним мышам на 24%2-летним мышам на 13%

Bernardes de Jesus B et al., Telomerase gene therapy in adult and old mice delays aging and increases longevity without increasing cancer. EMBO Mol Med. 2012 Aug;4(8):691-704.

Концепция генной терапии возникла в 1972 году,

когда журнал Science опубликовал статью Фридмана и Роблина «Генная терапия для человеческих генетических заболеваний?»

Science 3 March 1972: Vol. 175 no. 4025 pp. 949-955 DOI: 10.1126/science.175.4025.949Gene Therapy for Human Genetic Disease?1. Theodore Friedmann, 2. Richard Roblin.

С 2010 года начался ренессанс генной терапии

Вид препарата – генно-инженерная вакцина, с которой в организм поступает здоровая рабочая копия гена ЛПЛ, заменяющая дефектный участок. В качестве носителя выступает аденоассоциированный вирус (AAV), серотип 1, в геном которого внесен здоровый ген ЛПЛ.

Сейчас uniQure разрабатывает еще четыре препарата генной терапии заболеваний:– острая перемежающаяся печеночная порфирия, – гемофилия B, – синдром Санфилиппо B – болезнь Паркинсона.

Препарат генной терапии впервые допущен на рынок Евросоюза

Профессор Сандер ван Девентер

Препарат – Глибера (Glybera)

Производитель – Голландская биотехнологическая компания uniQureПоказания – терапия чрезвычайно редкого наследственного заболевания – дефицита липопротеинлипазы (ЛПЛ).

Препарат – Неоваскулген

Разработчик – Институт Стволовых Клеток Человека (ИСКЧ)Показания – лечение ишемии нижних конечностей.

В России разработан третий в мире препарат для генной терапии

Артур Исаев, генеральный директор ИСКЧ

Препарат представляет собой кольцевую ДНК, несущую человеческий ген VEGF 165, кодирующий синтез фактора роста эндотелия сосудов.

Исследователи Университета штата Мичиган (США) исследовали мышей, у которых мутантный белок IFT88 вызывает эффекты, сходные с поликистозом почек у людей, один из них - обонятельная дисфункция.

Генная терапия восстановила обоняние мышей

Джеффри Мартенс, руководитель исследования

Учёные вставили функциональный IFT88 в аденовирус, который затем ввели в нос мышам. Результат – обоняние было восстановлено. Аналогичным образом можно было бы лечить людей: достаточно простой инъекции или даже назального спрея.

Специалисты из Стэнфордского (США) и Лейденского (Нидерланды) университетов, разработали с использованием методов генной инженерии вакцину BHT-3021, представляющую собой кольцевую молекулу ДНК (плазмид), играющую роль вектора для доставки генетического кода проинсулина.

В отличие от обычных вакцин, препарат BHT-3021 не активирует, а подавляет иммунную систему пациента, восстанавливая тем самым нормальный биосинтез инсулина.

Лицензию на препарат получила биотехнологическая компания Tolerion, которая намерена продолжить клинические испытания вакцины.

ДНК-вакцину от диабета 1-го типа успешно испытали на людях

В Мемориальном онкологическом центре Слоан-Кеттеринг в Нью-Йорке прошли успешные ограниченные испытания генной терапии острого лимфобластного лейкоза, болезни системы кроветворения, которая считается неизлечимой.

Ключевой момент терапии – выявление уникальной молекулы на поверхности раковых клеток с последующей генетической модификацией иммунных клеток пациента таким образом, чтобы они могли прицельно атаковать злокачественные клетки.

Генная терапия излечила лейкоз за неделю

Майкл Саделейн, директор Центра клеточной инженерии

В результате генной терапии у одного из пациентов признаки заболевания исчезли за 8 дней, у четырех других больных – за 8 недель.Готовится следующее испытание с привлечением 50 пациентов.

В Россию приедут ведущие мировые эксперты

в области продления жизни

3-я Международная конференция «Генетика старения и долголетия»6 - 1 0 а п р е л я 2 0 1 4 , С о ч и , Р о с с и я

Исследователь роли генов в регуляции продолжительности жизни и процессе старения, первооткрыватель многих генов долголетия.Дэвид Гемс (Великобритания)

Oдин из ведущих ученых в Европейском проекте «Genetics of Healthy Aging», цель которого – поиск генов, ответственных за здоровое долголетие человека.Клаудио

Франчески (Италия)

Автор одной из первых в мире работ, показавших возможность увеличения продолжитель-ности жизни млекопитающих с помощью фарма-кологического препарата.

Ученый, достигший рекорда долголетия для лабораторного животного – продолжительность жизни червя нематоды в экспериментах выросла в 10 раз.Ричард

Миллер (США)

Роберт Шмуклер Рис (США)

Создатель генетически модифицирован-ного штамма дрожжевого грибка, способного жить в 10 раз дольше обычного.Вальтер

Лонго (США)

Автор известной книги «Старение генома», исследователь индукции мутаций ДНК, накапливающихся при старении.

Ян Вайг (США)

Руководитель исследований молекулярных причин старения клеток и связанных с ними воспалительных и опухолевых процессов.

Президент Института Бака – мирового лидера в области фундаментальных и прикладных исследований старения.

Джуди Кампизи(США)

Брайан Кеннеди(США)

Биотехнологии могут быть опасны

Рон Фрушье, Эразмус Медицинский Центр Роттердама

Птичий вирус гриппа H5N1

Мутации, позволяющие распространение вируса по воздуху

Запрет публикации исследований

Биотехнологии либо продлят вам жизнь

до 1000 лет, либо убьют вас

Ценности определяют развитие технологий

Жизнь – самая главная ценность