Biotechnologia molekularna w medycynie – innowacje poprawiające jakość życia pacjentów

Biotechnologia w medycynie to wykorzystanie żywych komórek, organizmów i ich składników do tworzenia leków, szczepionek, metod diagnostycznych oraz terapii. Biotechnologia molekularna w medycynie – dział pracujący na poziomie DNA i RNA – stoi dziś za wieloma z tych rozwiązań: agencje leków zatwierdziły terapie genowe, terapie komórkowe CAR-T i pierwszy lek oparty na edycji genomu metodą CRISPR/Cas9. Poniżej opisujemy, jak działają te innowacje, komu pomagają i jakie pytania wciąż budzą.

Obszary zastosowań biotechnologii medycznej

Uczelnie medyczne kształcące biotechnologów wymieniają kilka głównych kierunków pracy tej dziedziny:

• produkcja i kontrola jakości leków, w tym leków biologicznych,
• terapie genowe i komórkowe,
• diagnostyka chorób zakaźnych i nowotworów,
• hodowle komórkowe i medycyna regeneracyjna, łącznie z pracami nad sztucznymi tkankami i narządami,
• medycyna spersonalizowana, czyli leczenie dopasowane do genomu pacjenta.

Diagnostyka molekularna

Diagnostyka molekularna analizuje DNA i RNA pacjenta, by wykryć zmiany genetyczne, mutacje nowotworowe, predyspozycje do chorób dziedzicznych i obecność patogenów. Podstawową techniką jest PCR, czyli łańcuchowa reakcja polimerazy, która pozwala namnożyć wybrany fragment DNA w warunkach laboratoryjnych. Jej odmiany – PCR w czasie rzeczywistym i PCR multipleksowy – umożliwiają odpowiednio ilościowy pomiar liczby kopii DNA lub RNA oraz jednoczesne wykrywanie kilku sekwencji w jednej próbce. Sekwencjonowanie nowej generacji (NGS) pozwala analizować jednocześnie tysiące genów albo cały genom.

W praktyce klinicznej metody PCR wykrywają materiał genetyczny wirusów, w tym HIV, HCV, HBV, SARS-CoV-2 i HPV, nawet na wczesnym etapie zakażenia. W onkologii diagnostyka molekularna identyfikuje mutacje genów, takich jak BRCA1 i BRCA2 w raku piersi, EGFR w raku płuca czy KRAS w raku jelita grubego, co pomaga dobrać leczenie celowane. Te same techniki stosuje się w rozpoznawaniu chorób jednogenowych, na przykład mukowiscydozy, oraz aberracji chromosomowych, jak zespół Downa. Nieinwazyjne testy prenatalne (NIPT) analizują wolne DNA płodu z krwi matki już od 10. tygodnia ciąży.

Leki biologiczne i biopodobne

Według Europejskiej Agencji Leków (EMA) leki biologiczne zawierają substancje czynne pochodzące ze źródła biologicznego, takiego jak żywe komórki lub organizmy: ludzkie, zwierzęce albo mikroorganizmy (bakterie, drożdże). Zwykle są to białka, od stosunkowo prostej insuliny po złożone przeciwciała monoklonalne.

Insulina była też pierwszym lekiem uzyskanym metodą inżynierii genetycznej. Amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła Humulin 28 października 1982 roku – insulinę produkowaną przez bakterie zaprogramowane genetycznie do jej wytwarzania. Był to pierwszy lek oparty na technologii rekombinowanego DNA dopuszczony do stosowania u ludzi.

Przeciwciała monoklonalne to białka układu odpornościowego wytwarzane w laboratorium. W onkologii rozpoznają konkretne cele na komórkach nowotworowych. Przykładowo rytuksymab wiąże się z białkiem CD20 na niektórych komórkach nowotworowych i ułatwia ich zniszczenie przez układ odpornościowy, a blinatumomab zbliża limfocyty T do komórek białaczki.

Gdy wygaśnie ochrona patentowa, na rynek mogą wejść leki biopodobne. EMA definiuje je jako leki biologiczne bardzo podobne do już zatwierdzonego leku referencyjnego pod względem budowy, aktywności, skuteczności, bezpieczeństwa i immunogenności. Nie są to jednak generyki: naturalna zmienność i złożony proces wytwarzania sprawiają, że cząsteczki nie da się odtworzyć w identycznej postaci.

Szczepionki mRNA

Szczepionki mRNA zawierają informacyjny kwas rybonukleinowy kodujący fragment białka patogenu – na przykład białko kolca (S) wirusa SARS-CoV-2. Cząsteczka mRNA jest zamknięta w otoczce z nanocząsteczek lipidowych, które chronią ją i pomagają jej przeniknąć do wnętrza komórki. Tam na podstawie mRNA powstaje białko patogenu, które jako antygen pobudza układ odpornościowy: uruchamia produkcję przeciwciał neutralizujących oraz aktywuje limfocyty T cytotoksyczne.

Jak wyjaśnia Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego PZH, zaletą tej technologii jest to, że produkcja szczepionki nie wymaga pracy z żywym wirusem – potrzebna jest tylko jego informacja genetyczna, co upraszcza i przyspiesza wytwarzanie preparatu w porównaniu ze szczepionkami klasycznymi.

Terapie genowe, komórkowe i tkankowe

W Unii Europejskiej leki oparte na genach, tkankach lub komórkach tworzą grupę produktów leczniczych terapii zaawansowanej (ATMP). EMA dzieli je na trzy rodzaje:

• leki terapii genowej – wprowadzają do organizmu sekwencje DNA przygotowane w laboratorium,
• leki somatycznej terapii komórkowej – zawierają komórki lub tkanki o zmienionych właściwościach biologicznych,
• produkty inżynierii tkankowej – zawierają zmodyfikowane komórki lub tkanki, które mają naprawiać, regenerować albo zastępować uszkodzone tkanki.

Terapia genowa w chorobach dziedzicznych

Luxturna (woretygen neparwowek) leczy dystrofię siatkówki wywołaną mutacjami obu kopii genu RPE65, prowadzącą do utraty wzroku. Amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA) określiła ją jako pierwszą w USA bezpośrednio podawaną terapię genową skierowaną na chorobę wywołaną mutacjami w konkretnym genie. Lek wstrzykuje się pod siatkówkę podczas zabiegu chirurgicznego, osobno do każdego oka.

Zolgensma (onasemnogen abeparwowek), zatwierdzona przez FDA 24 maja 2019 roku, jest przeznaczona dla dzieci poniżej 2. roku życia z rdzeniowym zanikiem mięśni (SMA). To jednorazowy wlew dożylny, który dostarcza do neuronów ruchowych funkcjonalną kopię genu SMN. FDA wskazuje SMA jako jedną z głównych genetycznych przyczyn zgonów niemowląt.

Terapia CAR-T w nowotworach krwi

W terapii CAR-T pobiera się od pacjenta krew, wyodrębnia limfocyty T i modyfikuje je genetycznie tak, aby wytwarzały receptor rozpoznający komórki nowotworowe. Namnożone komórki podaje się z powrotem choremu. Według amerykańskiego Narodowego Instytutu Raka (NCI) cały proces trwa około 3-5 tygodni. Pierwszą taką terapię, Kymriah, FDA zatwierdziła 11 września 2017 roku dla dzieci i młodych dorosłych do 25. roku życia z nawracającą lub oporną ostrą białaczką limfoblastyczną z komórek B.

Obecnie terapie CAR-T są zatwierdzone w nowotworach krwi, między innymi w ostrej białaczce limfoblastycznej, chłoniakach nieziarniczych, szpiczaku mnogim i przewlekłej białaczce limfocytowej. W guzach litych przeszkodą jest ich zróżnicowanie molekularne, które utrudnia wskazanie stałego celu dla zmodyfikowanych komórek.

Edycja genomu CRISPR/Cas9

CRISPR to technologia pozwalająca badaczom wybiórczo zmieniać DNA żywych organizmów. Zaadaptowano ją z naturalnego systemu wykrytego u bakterii. 8 grudnia 2023 roku FDA zatwierdziła Casgevy (eksagamglogen autotemcel), pierwszą terapię wykorzystującą CRISPR/Cas9, dla pacjentów od 12. roku życia z niedokrwistością sierpowatokrwinkową i nawracającymi przełomami naczynioopornymi.

Przełomowe terapie w liczbach

Wszystkie cztery produkty figurują na liście zatwierdzonych terapii komórkowych i genowych FDA. Dostępność i zasady refundacji w Polsce mogą być inne niż w USA.

Medycyna personalizowana i farmakogenomika

Farmakogenomika bada, jak geny wpływają na reakcję człowieka na leki. Te same leki nie działają jednakowo u wszystkich, a warianty genów pomagają przewidzieć, czy dany lek będzie skuteczny u konkretnej osoby i jaka dawka pozwoli uniknąć działań niepożądanych. Biotechnologia molekularna umożliwia badanie genomu pacjenta i planowanie terapii dopasowanej do jego DNA. O takich badaniach i wyborze leczenia zawsze decyduje lekarz.

Punktem wyjścia dla medycyny personalizowanej były wyniki Projektu Poznania Genomu Ludzkiego. Amerykański Narodowy Instytut Badań nad Genomem Ludzkim podaje, że wstępny szkic sekwencji genomu człowieka ogłoszono w czerwcu 2000 roku, a wersję uznaną za zasadniczo kompletną – w kwietniu 2003 roku. Ludzkie DNA liczy około 3 miliardów par zasad, z czego – jak wskazuje amerykańska Narodowa Biblioteka Medyczna (MedlinePlus) – niespełna 19 900 koduje białka.

Wyzwania i dylematy etyczne

Terapie genowe wymagają dostarczenia genu do właściwych komórek, najczęściej za pomocą wektorów wirusowych, które mogą wywołać odpowiedź układu odpornościowego. Z tego powodu przy podawaniu Luxturny pacjenci otrzymują jednocześnie doustny lek sterydowy.

Najwięcej sporów budzi edycja genomu dziedziczna. W lipcu 2021 roku Światowa Organizacja Zdrowia opublikowała pierwsze globalne rekomendacje i ramy nadzoru nad edycją ludzkiego genomu. WHO zwraca uwagę, że zmiany w genomie zarodków mogą przechodzić na kolejne pokolenia, i zaleca m.in. rejestry badań klinicznych oraz międzynarodowy nadzór nad badaniami.

Najczęściej zadawane pytania

Czym zajmuje się biotechnologia medyczna?

Tworzeniem i badaniem leków biologicznych, szczepionek, metod diagnostycznych oraz terapii genowych i komórkowych. Obejmuje też hodowle komórkowe, medycynę regeneracyjną i medycynę spersonalizowaną.

Jak biotechnologia molekularna jest wykorzystywana w medycynie?

Pozwala badać genom pacjenta i dobierać leczenie do jego DNA, a także wytwarzać terapie działające na poziomie genów, na przykład wprowadzające prawidłową kopię genu albo edytujące DNA metodą CRISPR/Cas9.

Co można robić po biotechnologii medycznej?

Absolwenci pracują m.in. w laboratoriach klinicznych, ośrodkach terapii genowych i komórkowych, centrach badawczych, firmach rozwijających metody diagnostyczne oraz przy produkcji i kontroli jakości leków.

Treść ma charakter wyłącznie informacyjny i nie zastępuje konsultacji z lekarzem ani innym specjalistą. Decyzję o wyborze leczenia zawsze podejmuje się indywidualnie z lekarzem prowadzącym.

Źródła:

• European Medicines Agency – Advanced therapy medicinal products: overview
• FDA – Approved Cellular and Gene Therapy Products
• WHO – WHO issues new recommendations on human genome editing for the advancement of public health
• Diagnostyka – Biologia molekularna – badania PCR
• Szczepienia.info (PZH) – Na czym polega innowacyjność zastosowania mRNA w szczepionkach przeciw COVID-19
• FDA – 100 Years of Insulin
• National Human Genome Research Institute – Human Genome Project Completion FAQ
• MedlinePlus Genetics – What is a gene?