Для создания вакцин и некоторых жизненно важных препаратов — например, для лечения воспалительных процессов, диабета или аутоиммунных заболеваний — биотехнологи выращивают в лабораториях живые клетки. На них можно проверять эффект от разных лекарств, при этом не проводя опасных экспериментов на людях и животных. Чтобы клетки вне организма не погибали, ученые добавляют в их питательную среду сыворотку крови крупного рогатого скота. Однако такое сырье может содержать вирусы и бактерии, способные вызывать у человека нейродегенеративные заболевания. Альтернативы — растительные экстракты или полностью синтетические среды — либо слишком дорогие для промышленного применения, либо подвержены бактериальному загрязнению. Ученые Пермского Политеха нашли новое доступное сырье для выращивания клеток. Они доказали, что отходы пчеловодства не менее эффективны, чем традиционные добавки. В отличие от существующих решений они не только не содержат вирусов или химических примесей, но и менее подвержены загрязнению микроорганизмами при хранении.
Статья опубликована в сборнике материалов конференции «Химия. Экология. Урбанистика».
Вакцины — это эффективные препараты для профилактики десятков опаснейших заболеваний: от сезонного гриппа и детских инфекций, таких как корь и краснуха, до вирусов бешенства, гепатита и полиомиелита. По данным Всемирной организации здравоохранения, за последние 50 лет глобальная иммунизация сохранила жизни не менее 154 миллионов человек. Спрос на эти средства колоссален, однако их создание — сложнейший биотехнологический процесс.
Для разработки вакцин ученым необходимо выращивать живые клетки вне организма. Дело в том, что возбудители многих заболеваний не могут размножаться сами по себе. Без живой среды они просто погибают, и изучать их становится невозможно. Именно поэтому для разработки лекарств сначала в лаборатории выращивают здоровые клетки, а потом запускают в них болезнетворный процесс, чтобы на этом материале проверить разные способы лечения.
Такой подход используется и при создании некоторых жизненно важных лекарств, например, препаратов для лечения онкологических заболеваний, сахарного диабета или аутоиммунных нарушений. На клеточных культурах ученые проверяют, как ведут себя разные синтезируемые вещества. Это обязательный этап любых медицинских исследований, который позволяет отсеять опасные и неэффективные варианты до испытаний на живых организмах.
Чтобы выращенные клетки не погибали, а активно делились, их помещают в питательную среду. Это специальная смесь, которая содержит аминокислоты и белки, а также углеводы, витамины и микроэлементы. Их самым универсальным источником на сегодняшний день считается сыворотка крови крупного рогатого скота — жидкость, которую получают из биологического материала животных. Ее активно применяют в лабораториях по всему миру, поскольку она содержит все необходимое для жизни и деления клеток.
Главная проблема в том, что состав сыворотки напрямую зависит от множества факторов: возраста и породы животного, его питания, состояния здоровья. Из-за этого эксперименты становятся менее воспроизводимыми: клетки могут расти с разной скоростью и менять свое поведение, что затрудняет стандартизацию производства вакцин.
Кроме того, такое сырье может содержать вирусы, бактерии или опасные белки, которые при попадании в организм человека способы вызвать у него неизлечимые нейродегенеративные заболевания. Это делает каждый этап производства потенциально опасным и требует сложнейшей, дорогостоящей системы контроля качества.
Сегодня научное сообщество по всему миру активно ищет альтернативы. Например, растительные экстракты — концентрированные вещества, которые получают из сои, риса, овощей и других культур. Однако такие добавки, как правило, быстро портятся и подвержены бактериальному и грибковому загрязнению, что требует постоянного мониторинга и дополнительной очистки компонентов.
Развивается также направление синтетических питательных сред, когда витамины и гормоны создают химическим путем и добавляют в строго выверенных количествах, что позволяет добиться точного и предсказуемого состава. Но для их производства нужно сложное и дорогостоящее оборудование, что делает их экономически недоступными для многих лабораторий.
Ученые Пермского Политеха нашли новое сырье для выращивания клеток. Они доказали, что отходы пчеловодства могут заменить традиционный материал в питательной среде. По эффективности они не уступают животной сыворотке, при этом значительно дешевле и не содержат вирусов и опасных для человека бактерий. Это позволит применять более экологичное и доступное отечественное сырье для создания вакцин и лекарственных препаратов.
Исследователи взяли один из отходов пчеловодства, который остается на пасеках — подмор, то есть погибшие пчелы. В науке уже известно, что они являются источником полезных веществ и содержат аминокислоты, ферменты, микроэлементы и другие соединения. Их используют в народной медицине и косметологии, но для выращивания клеток еще не применяли. К тому же эти отходы скапливаются на пасеках в очень больших количествах, поэтому доступны на многих территориях.
Для эксперимента ученые взяли подмор и обработали его водой, чтобы полезные соединения перешли в жидкость. Такой метод не разрушает биологически активные соединения и не оставляет токсичных примесей, которые могли бы навредить клеткам. А главное, он не требует химических реагентов и дорогого оборудования, что делает его доступным для промышленного производства.
— отметила Лариса Волкова, профессор кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, доктор медицинских наук.Далее мы проверили, как полученная вытяжка (жидкость с полезными веществами) влияет на рост биокультур. Для этого приготовили две питательные среды: в одной использовали традиционную сыворотку, а во второй новое сырье. Чтобы оценить их эффективность, взяли клетки почки эмбриона свиньи, которые хорошо изучены и часто используются в качестве контроля специфической активности и показателя токсичности в производстве широкого круга биопрепаратов,
Их растили в специальном инкубаторе, где поддерживалась постоянная температура 37°C и определенный уровень СО2 — как внутри живого организма. За процессом наблюдали под микроскопом: делали снимки, следили за формой клеток, их плотностью, появлением каких-либо повреждений или признаков разрушения
— рассказала Лариса Волкова.Результат эксперимента показал, что на новом сырье биокультуры растут почти так же хорошо, как и на традиционной добавке. Чтобы это оценить, мы определили индекс пролиферации, который отражает, насколько активно клетки делятся. У вытяжки из подмора он составил 4,3, а у контрольного образца с сывороткой — 5,2. Разница в динамике оказалась минимальной, но при этом показатель нового сырья более чем вдвое превышает существующий норматив, которому должна соответствовать качественная питательная среда,
При этом в отличие от растительных экстрактов, которые часто подвержены бактериальному загрязнению, требуют дополнительной обработки и быстро портятся, подмор — это более стабильное сырье, долго сохраняющее свои свойства. К тому же это натуральный продукт, который много лет используется в народной медицине, что также подтверждает его безвредность.
Разработанная среда подходит не только для контроля качества вакцин, но и может быть применена для производства широкого спектра лекарств — от противовирусных средств до препаратов для лечения аутоиммунных и эндокринных нарушений. А учитывая, что это отход пчеловодства, который в больших количествах доступен в России, его использование может в будущем удешевить создание питательных сред.
Дальнейшие исследования, направленные на оптимизацию состава вытяжки и масштабирование процесса, позволят наладить промышленное производство и внедрить подмор в регулярную биотехнологическую практику.
Опубликованный материал предоставлен Пермским Политехом.