´Precizne´ biološke molekule

Človek že tisočletja uspešno izkorišča biotehnološke procese za svojo dobrobit. Naravni procesi, v katere so vključeni celični organizmi ali njihovi deli, nam omogočajo širok spekter tehnoloških postopkov, ki nam na različnih področji pomagajo in olajšajo življenje.

Biotehnologija je področje, ki se ukvarja z razumevanjem teh tehnoloških procesov, celični organizmi pa so osrednji del teh procesov. S poglabljanjem razumevanja o delovanju celičnih organizmov znanstveniki odkrivajo nova področja uporabe. Eno takšnih področji so biološka zdravila. O bioloških zdravilih sem pisal že v prejšnji številki magazina, ko sem opisoval kompleksnost molekul. Tokrat vam bi bolj podrobno opisal eno od novodobnih in vedno bolj razširjenih tehnologij za proizvodnjo bioloških zdravil s protitelesi. Sicer zdravilo s protitelesom ni popolnoma nova vrsta zdravil, saj nam tehnološki proces frakcioniranja krvne plazme že več desetletij omogoča uporabo imunoglobulinov iz krvi. Kar je novo, je pristop pridobivanja protiteles in s tem številne nove možnosti. Nove tehnologije omogočajo sintetiziranje protiteles in njihovih fragmentov s pomočjo sesalčjih celic, kvasovk in bakterij. Sesalčje celice so celice, odvzete iz živali in v laboratoriju prirejene, da preživijo zunaj telesa in proizvajajo protitelesa v bioreaktorju. Nove tehnologije omogočajo proizvodnjo različnih vrst protiteles za zdravljenje težko ozdravljivih bolezni, tudi takih, za katere do sedaj zdravljenje ni obstajalo.

Protitelo je beljakovina, ki jo imunski sistem uporabi za prepoznavanje in nevtraliziranje tujkov, kot so bakterije, virusi ali druge molekule, ki jih organizem prepozna kot nevarne. Te tujke imenujemo antigen. Poznamo več vrst protiteles, ki imajo različne funkcije in karakteristike. Molekula protitelesa ima obliko črke Y in je sestavljena iz dveh glavnih delov: - zgornji, razvejan del je imenovan variabilna regija, namenjena vezavi antigena. Antigeni imajo različna mesta vezave, zato imajo tudi protitelesa ustrezno prilagojene variabilne regije.

- spodnji del, imenovan stalna regija, je namenjen vezavi molekule ali celice imunskega odziva, ki tujek odstrani. Protitelesa delimo v različne skupine (IgD, IgE, IgG, IgA in IgM), od katerih je odvisen način imunskega odziva. Protitelesa iz iste skupine imajo enako stalno regijo.

Protitelesa izzovejo imunski odziv na več različnih načinov, najpomembnejše med njimi so:

- NEVTRALIZACIJA, protitelo se veže na aktivno mesto virusa ali bakterije in jim s tem prepreči pritrjevanje na napadeno celico.

- AGLOMERACIJA, protitelesa se po vezavi na bakterijsko celico medsebojno povežejo s stalnimi regijami in tako ustvarijo grude, ki jih telo odstrani.

- PRECIPITACIJA, protitelesa se vežejo na molekule, ki so v topni obliki, in jih s tem spremenijo v netopno obliko in posledično v grudice, ki jih telo odstrani.

- KOMPLEMENT, vezava protitelesa na tujo celico, sproži verižno reakcijo, pri kateri sodeluje več različnih molekul, ki povzročijo razpad oziroma lizo celice. Torej, ko telo prepozna nevarnost, se sproži imunski odziv in v telesu nastane protitelo. Vendar pa telo nima vedno ustreznega odziva na nevarnost, zato bolezen napreduje (npr. avtoimune bolezni, nevrodegenerativne bolezni, razna vnetja, rak). V takšnih primerih nam lahko pomagajo zdravila s protitelesi. Z uporabo novih tehnologij lahko znanstveniki identificirajo antigen bolezni, ustvarijo protitelo, ki se veže na antigen in sproži imunski odziv, ki odstrani antigen. Za izdelavo zdravila s takšnim protitelesom je potrebno pripraviti celično kulturo, ki bo proizvajala želeni protein. Običajno celice ne proizvajajo protiteles na način, ki bi bil primeren za proizvodnjo zdravil, zato je potrebno genski zapis celice (DNK) prilagoditi. To omogočajo tehnike genskega inženiringa, in sicer z odstranjevanjem, dodajanjem genov ali spreminjanjem števila že prisotnih genov, ki vsebujejo zapis za sintezo želenega proteina. Obstaja več različnih tehnik, osnovna pa je prenos gena iz ene vrste celice v drugo. Na primer vnos človeškega gena za beljakovino inzulin (podobni postopki so tudi za protitelesa) iz človeške celice v bakterijsko. Pri tem postopku je v prvi fazi izoliran bakterijski plazmid (molekula DNK, ki je zmožna prehoda skozi celično membrano in se samostojno podvaja) in gen za inzulin iz človeške celice. V drugi fazi se s pomočjo encimov razklene krožni plazmid in vanj vgradi gen inzulina. V tretji fazi je vnesen gen inzulina v bakterijsko celico.

▲ Konstrukcija z mediji za sisteme z opremo za enkratno uporabo, ki smo jo izdelali za našo stranko za gojenje sesalčjih celic za proizvodnjo protiteles.

Ko je celica pripravljena za proizvodnjo željene beljakovine, je potrebno povečati število takšnih celic z gojenjem v gojišču, ki vsebuje vsa potrebna hranila in druge snovi za rast in delitev celic. Najprej se namnoži celice iz laboratorijske skale na proizvodno skalo. To namnoževanje poteka v več stopnjah, iz začetnega volumna 2 mL do končnega proizvodnega volumna, ki je od 1.000 L do 30.000 L.

Od volumna 2 mL do 2 L poteka gojenje v laboratorijskih posodah (erlenmajerice), od 3 L dalje pa v bioreaktorjih z nadzorovanimi pogoji. Pri volumnih do 10 L se uporabljajo mešalni bioreaktorji s stekleno posodo ali bioreaktorji z vrečo za enkratno uporabo, ki simulirajo valovanje (angl.: wave bioreactor). Od 10 L do maks.

6.000 L se uporabljajo mešalni bioreaktorji iz nerjavečega jekla ali mešalni bioreaktorji z opremo za enkratno uporabo (angl.: single-use), nad 6.000 L pa samo bioreaktorji iz nerjavečega jekla. Oprema za enkratno uporabo je za uporabnike dobrodošla, ker ne potrebuje pranja in sterilizacije na mestu. Namesti se pred pričetkom procesa, je iz umetnih materialov, sterilna in dobavljena v hermetično zaprti embalaži. Po končanem procesu se vsa oprema za enkratno uporabo zavrže. S procesnega vidika oprema za enkratno uporabo v primerjavi z opremo iz nerjavečega jekla ne omogoča enako kvalitetnih pogojev, zato je omejitev volumnov za bioreaktorje

2.000 L. Sicer obstaja bioreaktor do 6.000 L, vendar se ta volumen v industriji ne uveljavlja. Prav tako je menjava opreme za enkratno uporabo pri ponavljajočih procesih dražja in zato manj zanimiva.

Ne glede na vrsto opreme so po končanem gojenju celic v bioreaktorju, izolaciji ter čiščenju nečistoč protitelesa pripravljena za formulacijo v končno obliko zdravil. Ker so protitelesa in druge biološke molekule nestabilne, so zdravila s protitelesi običajno v obliki cepiv. Tak način vnosa zdravil je tudi sicer najučinkovitejši, saj je protitelo vneseno direktno v kri in se tako izogne številnim preprekam v telesu. V telesu se protitelo veže na povzročitelja bolezni (antigen) in sproži imunski odziv, ki se izpelje na več različnih načinov in je odvisen od vrste antigena in vrste protitelesa, ki se veže na antigen. ◀

▶ Biološka zdravila so draga, zato se uporabljajo za bolezni, pri katerih standardno zdravljenje ni uspešno, ima preveč stranskih učinkov ali ne obstaja. Uspešnost zdravljenja je tudi pri bioloških zdravilih različna in je odvisna od napredovanja bolezni, fiziološkega stanja bolnika in njegove genske zasnove. Kljub širokemu poznavanju delovanja celic in njihovih funkcij obstaja na tem področju še veliko neznanega.