Здоровье, экологический комфорт и благополучие человека. Часть 1. Инженерно-дизайнерские ресурсы биоиндустрии на пути к безопасной конкуренции с ресурсами природных биоценозов и систем здоровьесбережения

Обложка
  • Авторы: Сучков С.В.1,2,3,4, Абэ Х.5, Мёрфи Ш.6,7, Смит Д.8, Полякова В.С.4, Шерман Д.9,10,11, Глинушкин А.П.12, Барах П.13, Терентьев А.О.12, Тан М.14, Суворов А.Н.15,16
  • Учреждения:
    1. Российская академия естественных наук
    2. Российский университет медицины
    3. Нью-Йоркская академия наук
    4. Университет мировой политики и права
    5. Онкологическая клиника Абэ
    6. Массачусетская больница общего профиля
    7. Медицинская школа Гарварда
    8. Клиника Мэйо
    9. Европейская академия наук
    10. Национальный центр научных исследований
    11. Университет Декарта
    12. Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН
    13. Медицинская школа Университета штата Уэйн
    14. Гериатрические учреждения здравоохранения и социального обеспечения Накада
    15. Институт экспериментальной медицины РАН
    16. Санкт-Петербургский государственный университет
  • Выпуск: Том 144, № 3 (2024)
  • Страницы: 291-313
  • Раздел: Статьи
  • Статья получена: 02.02.2025
  • Статья опубликована: 18.12.2024
  • URL: https://rjeid.com/0042-1324/article/view/653199
  • DOI: https://doi.org/10.31857/S0042132424030033
  • EDN: https://elibrary.ru/PSBEEY
  • ID: 653199

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Каждый человек имеет право на наивысший достижимый уровень здоровья, а современные превентивно-профилактические и реабилитационные манипуляции способствуют укреплению здоровья и благополучия. Благодаря ряду фундаментальных проектов по изучению здоровья человека на различных уровнях (геномном, протеомном и метаболомном) и молекулярных механизмов развития патологических состояний произошел большой скачок в области прикладных секторов промышленной биотехнологии, включая сегменты фармацевтической и пищевой индустрии, существенно пополнив ресурсы здоровьесбережения и повысив качество жизни населения.В данном обзоре будут рассмотрены передовые достижения фундаментально-прикладных исследований, а также перспективные направления биоиндустрии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Сучков

Российская академия естественных наук; Российский университет медицины; Нью-Йоркская академия наук; Университет мировой политики и права

Автор, ответственный за переписку.
Email: med_nika2000@mail.ru

кафедра клинической аллергологии и иммунологии

Россия, Москва; Москва; Нью-Йорк, США; Москва

Х. Абэ

Онкологическая клиника Абэ

Email: med_nika2000@mail.ru
Япония, Токио

Ш. Мёрфи

Массачусетская больница общего профиля; Медицинская школа Гарварда

Email: med_nika2000@mail.ru
США, Бостон; Бостон, Массачусетс

Д. Смит

Клиника Мэйо

Email: med_nika2000@mail.ru
США, Рочестер, Миннесота

В. С. Полякова

Университет мировой политики и права

Email: med_nika2000@mail.ru
Россия, Москва

Д. Шерман

Европейская академия наук; Национальный центр научных исследований; Университет Декарта

Email: med_nika2000@mail.ru

отделение химической фармакологии и генетики визуализации

Бельгия, Льеж; Париж, Франция; Париж, Франция

А. П. Глинушкин

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН

Email: med_nika2000@mail.ru
Россия, Москва

П. Барах

Медицинская школа Университета штата Уэйн

Email: mbikeeva@yandex.ru
США, Детройт, Мичиган

А. О. Терентьев

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН

Email: mbikeeva@yandex.ru
Россия, Москва

М. Тан

Гериатрические учреждения здравоохранения и социального обеспечения Накада

Email: mbikeeva@yandex.ru
Япония, Накада Томе Мияги

А. Н. Суворов

Институт экспериментальной медицины РАН; Санкт-Петербургский государственный университет

Email: mbikeeva@yandex.ru

кафедра микробиологии СПбГУ

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Основы персонализированной и прецизионной медицины / Ред. С.В. Сучков. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2020. 624 с.
  2. Секачева Е.Г., Большакова О.В., Бондаренко В.В. Применение методов клеточной и генной инженерии в биологии и медицине // Синергия Наук. 2018. № 23. С. 980–992.
  3. Arslan F.1., Lai R.C., Smeets M.B. et al. Mesenchymal stem cell-derived exosomes increase ATP levels, decrease oxidative stress and activate PI3K/Akt pathway to enhance myocardial viability and prevent adverse remodeling after myocardial ischemia/reperfusion injury // Stem Cell Res. 2013. V. 10 (3). P. 301–312. https://doi.org/10.1016/j.scr.2013.01.002
  4. Bailey R.M., Rozenberg A., Gray S.J. Comparison of high-dose intracisterna magna and lumbar puncture intrathecal delivery of AAV9 in mice to treat neuropathies // Brain Res. 2020. V. 1739. P. 146832. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2020.146832
  5. Balashova E.E., Trifonova O.P., Maslov D.L. et al. Metabolomnoe profilirovanie v izuchenii protsessov stareniia [Metabolome profiling in the study of aging processes] // Biomed. Khim. 2022. V. 68 (5). P. 321–338. https://doi.org/10.18097/PBMC20226805321
  6. Bashor C.J., Hilton I.B., Bandukwala H. et al. Engineering the next generation of cell-based therapeutics // Nat. Rev. Drug Discov. 2022. V. 21. P. 655–675.
  7. Basler G., Fernie A.R., Nikoloski Z. Advances in metabolic flux analysis toward genome-scale profiling of higher organisms // Biosci. Rep. 2018. V. 38 (6). P. BSR20170224. https://doi.org/10.1042/BSR20170224
  8. Beckonert O., Keun H., Ebbels T. et al. Metabolic profiling, metabolomic and metabonomic procedures for NMR spectroscopy of urine, plasma, serum and tissue extracts // Nat. Protoc. 2007. V. 2. P. 2692–2703.
  9. Bodrova T.A., Kostyushev D.S., Antonova E.N. et al. Introduction into PPPM as a new paradigm of public health service: an integrative view // EPMA J. 2012. V. 3 (1). P. 16.
  10. Bollini S., Smart N., Riley P.R. Resident cardiac progenitor cells: at the heart of regeneration // J. Mol. Cell Cardiol. 2011. V. 50 (2). P. 296–303. https://doi.org/10.1016/j.yjmcc.2010.07.006
  11. Chappell C.R., Perez R., Takara C.O. Growing biodesign ecosystems: community exchange spaces advance biotechnology innovation // Res. Direct. Biotechnol. Design. 2023. V. 1. P. e13. https://doi.org/10.1017/btd.2023.8
  12. Carrillo-Rodriguez P., Selheim F., Hernandez-Valladares M. Mass spectrometry-based proteomics workflows in cancer research: the relevance of choosing the right steps // Cancers (Basel). 2023. V. 15 (2). P. 555. https://doi.org/10.3390/cancers15020555
  13. Castelli F.A., Rosati G., Moguet C. et al. Metabolomics for personalized medicine: the input of analytical chemistry from biomarker discovery to point-of-care tests // Anal. Bioanal. Chem. 2022. V. 414 (2). P. 759–789. https://doi.org/10.1007/s00216-021-03586-z
  14. Clarke C.J., Haselden J.N. Metabolic profiling as a tool for understanding mechanisms of toxicity // Toxicol. Pathol. 2008. V. 36 (1). P. 140–147.
  15. Cui H., Miao S., Esworthy T. et al. 3D bioprinting for cardiovascular regeneration and pharmacology // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2018. V. 132. P. 252–269. https://doi.org/10.1016/j.addr.2018.07.014
  16. Dang D.K., Park B.H. Circulating tumor DNA: current challenges for clinical utility // J. Clin. Invest. 2022. V. 132 (12). P. e154941. https://doi.org/10.1172/JCI154941
  17. Dietrich E., Antoniades K. Molecularly targeted drugs for the treatment of cancer: oral complications and pathophysiology // Hippokratia. 2012. V. 16 (3). P. 196–199.
  18. Dromms R.A., Styczynski M.P. Systematic applications of metabolomics in metabolic engineering // Metabolites. 2012. V. 2 (4). P. 1090–1122.
  19. Ellis J.K., Athersuch T.J., Thomas L.D. et al. Metabolic profiling detects early effects of environmental and lifestyle exposure to cadmium in a human population // BMC Med. 2012. V. 10. P. 61.
  20. Ellison G.M., Vicinanza C., Smith A.J. et al. Adult c-kit(pos) cardiac stem cells are necessary and sufficient for functional cardiac regeneration and repair // Cell. 2013. V. 154 (4). P. 827–842. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.07.039
  21. Fodor W.L. Tissue engineering and cell based therapies, from the bench to the clinic: the potential to replace, repair and regenerate // Reprod. Biol. Endocrinol. 2003. V. 1. P. 102.
  22. Gu W., Hasan S., Rocca-Serra P., Satagopam V.P. Road to effective data curation for translational research // Drug Discov. Today. 2021. V. 26 (3). P. 626–630. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2020.12.007
  23. Hulke M.L., Massey D.J., Koren A. Genomic methods for measuring DNA replication dynamics // Chromosome Res. 2020. V. 28 (1). P. 49–67. https://doi.org/10.1007/s10577-019-09624-y
  24. Irvine D.J., Maus M.V., Mooney D.J., Wong W.W. The future of engineered immune cell therapies // Science. 2022. V. 378 (6622). P. 853–858. https://doi.org/10.1126/science.abq6990
  25. Jiang S., Liberti L., Lebo D. Direct-to-consumer genetic testing: a comprehensive review // Ther. Innov. Reg. Sci. 2023. V. 57 (6). P. 1190–1198.
  26. Kantor A., McClements M.E., MacLaren R.E. CRISPR-Cas9 DNA base-editing and prime-editing // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21 (17). P. 6240. https://doi.org/10.3390/ijms21176240
  27. Kapoor S., Rafiq A., Sharma S. Protein engineering and its applications in food industry // Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2017. V. 57 (11). P. 2321–2329. https://doi.org/10.1080/10408398.2014.1000481
  28. Khanijou J.K., Kulyk H., Bergès C. et al. Metabolomics and modelling approaches for systems metabolic engineering // Metab. Eng. Commun. 2022. V. 15. P. e00209.
  29. King R.S., Newmark P.A. The cell biology of regeneration // J. Cell Biol. 2012. V. 196 (5). P. 553–562. https://doi.org/10.1083/jcb.201105099
  30. Liang K., Du Y. Cell engineering techniques improve pharmacology of cellular therapeutics // Biomater. Biosyst. 2021. V. 2. 100016.
  31. Lizak N., Malpas C.B., Sharmin S. et al. Association of sustained immunotherapy with disability outcomes in patients with active secondary progressive multiple sclerosis // JAMA Neurol. 2020. V. 77 (11). P. 1398.
  32. Lutz S., Iamurri S.M. Protein engineering: past, present, and future // Meth. Mol. Biol. 2018. V. 1685. P. 1–12. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-7366-8_1
  33. Ma L., Yang H. What’s next toward the bio-design and manufacturing field? // Bio-Des. Manuf. 2023. V. 6. P. 735–741. https://doi.org/10.1007/s42242-023-00260-4
  34. Mann S.P., Treit P.V., Geyer P.E. et al. Ethical principles, constraints and opportunities in clinical proteomics // Mol. Cell Proteom. 2021. V. 20. P. 100046. https://doi.org/10.1016/j.mcpro.2021.100046
  35. Medvedeva V., Sorenson E.J., Studneva M. et al. The autoimmune syndrome through the prism of targeted AT-mediated proteolysis: innovative ideas, philosophy, and tools for practitioners of the next step generation // Am. J. Biomed. Sci. Res. 2022a. V. 15 (3). P. 319–327.
  36. Medvedeva V., Rose N., Miller A. D. et al. The editorials: towards integrated biodesign-related and translational platforms to determine co-development for adaptation of innovative biotechnologies and to prognosticate the future of the healthcare and life science bioindustry // British J. Health. Med. Res. 2022b. V. 9 (4). 271–281.
  37. Mendell J.R., Al-Zaidy S., Shell R. et al. Single-dose gene-replacement therapy for spinal muscular atrophy // N. Engl. J. Med. 2017 V. 377 (18). P. 1713–1722. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1706198. PMID: 29091557
  38. Mitsuishi M., Cao J., Bártolo P. et al. Biomanufacturing // CIRP Ann. 2013. V. 62 (2). P. 585–606.
  39. Neely B.A., Dorfer V., Martens L. et al. Toward an integrated machine learning model of a proteomics experiment // J. Prot. Res. 2023. V. 22 (3). P. 681–696. https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.2c00711
  40. Oh B. Direct-to-consumer genetic testing: advantages and pitfalls // Genom. Inform. 2019. V. 17 (3). P. e33. https://doi.org/10.5808/GI.2019.17.3.e33
  41. Perin E., Borow K., Henry T. et al. Randomized trial of targeted transendocardial mesenchymal precursor cell therapy in patients with heart failure // J. Am. Coll. Cardiol. 2023. V. 81 (9). P. 849–863. https://doi.org/10.1016/j.jacc.2022.11.061
  42. Santos A., Colaço A.R., Nielsen A.B. et al. A knowledge graph to interpret clinical proteomics data // Nat. Biotechnol. 2022. V. 40 (5). P. 692–702. https://doi.org/10.1038/s41587-021-01145-6
  43. Saw P.E., Song E.W. Phage display screening of therapeutic peptide for cancer targeting and therapy // Prot. Cell. 2019. V. 10 (11). P. 787–807. https://doi.org/10.1007/s13238-019-0639-7
  44. Shah S.H., Kraus W.E., Newgard C.B. Metabolomic profiling for the identification of novel biomarkers and mechanisms related to common cardiovascular diseases: form and function // Circulation. 2012. V. 126 (9). P. 1110–1120.
  45. Shuel S.L. Targeted cancer therapies: clinical pearls for primary care // Can. Fam. Physician. 2022. V. 68 (7). P. 515–518.
  46. Simons M., Raposo G. Exosomes – vesicular carriers for intercellular communication // Curr. Opin. Cell Biol. 2009. V. 21 (4). P. 575–581.
  47. Singh R.K., Lee J.K., Selvaraj C. et al. Protein engineering approaches in the post-genomic era // Curr. Prot. Pept. Sci. 2018. V. 19 (1). P. 5–15. https://doi.org/10.2174/1389203718666161117114243
  48. Smith R.R., Lucio Barile L., Cho H.C. et al. Regenerative potential of cardiosphere-derived cells expanded from percutaneous endomyocardial biopsy specimens // Circulation. 2007. V. 115 (7). P. 896–908. https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.106.655209
  49. Sterner R.C., Sterner R.M. CAR-T cell therapy: current limitations and potential strategies // Blood Cancer J. 2021. V. 11 (4). P. 69. https://doi.org/10.1038/s41408-021-00459-7
  50. Studneva M., Rose N., Gabibov A. et al. A new generation of translational tools designed to monitor multiple sclerosis (MS) at clinical and subclinical stages // Med. Med. Sci. 2021. V. 1 (5). P. 55–63.
  51. Suchkov S., Murphy S., Smith D., et al. Perspective: personalized and precision medicine (PPM) hold the hi-tech future for healthcare via biodesign to secure the human healthcare and biosafety // World J. Mol. Med. 2024a. V. 1 (1). P. 1–9.
  52. Suchkov S., Scherman D., Bonifazi D. et al. Personalized and precision medicine (PPM) as a unique healthcare model of the next step generation: the role of a nurses and nursing practice in transdisciplinary care team: the future of nursing services // J. Med. Clin. Nurs. Stud. 2024b. V. 1 (1). P. 1–13.
  53. Volk M.J., Tran V.G., Tan S.I. et al. Metabolic engineering: methodologies and applications // Chem. Rev. 2023. V. 123 (9). P. 5521–5570. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00403
  54. Wang S.W., Gao C., Zheng Y.M. et al. Current applications and future perspective of CRISPR/Cas9 gene editing in cancer // Mol. Cancer. 2022. V. 21 (1). P. 57. https://doi.org/10.1186/s12943-022-01518-8
  55. Xu Y., Ritchie S.C., Liang Y. et al. An atlas of genetic scores to predict multi-omic traits // Nature. 2023. V. 616 (7955). P. 123–131. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05844-9
  56. Yang S., Zhu Z., Chen S. et al. Metabolic fingerprinting on retinal pigment epithelium thickness for individualized risk stratification of type 2 diabetes mellitus // Nat. Comm. 2023. V. 14 (1). P. 6573. https://doi.org/10.1038/s41467-023-42404-1
  57. Yang K.K., Wu Z., Arnold F.H. Machine-learning-guided directed evolution for protein engineering // Nat. Methods. 2019. V. 16 (8). P. 687–694. https://doi.org/10.1038/s41592-019-0496-6
  58. Zhang C., Quan R., Wang J. Development and application of CRISPR/Cas9 technologies in genomic editing // Hum. Mol. Genet. 2018. V. 27 (R2). P. R79–R88. https://doi.org/10.1093/hmg/ddy120
  59. Zhang P., Wu W., Chen Q., Chen M. Non-coding RNAs and their integrated networks // J. Integr. Bioinform. 2019. V. 16 (3). P. 20190027. https://doi.org/10.1515/jib-2019-0027
  60. Zhao N., Song Y., Xie X. et al. Synthetic biology-inspired cell engineering in diagnosis, treatment, and drug development // Signal Transduct. Target Ther. 2023. V. 8 (1). P. 112. https://doi.org/10.1038/s41392-023-01375-x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Биоиндустрия и ее отрасли.

Скачать (173KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Современная схема функциональной архитектуры персонализированной и прецизионной медицины.

Скачать (145KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Ключевые сектора биоиндустрии.

Скачать (222KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Биодизайн и его базовая инфраструктура.

Скачать (378KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Секторальная архитектоника современной промышленной биотехнологии. Промышленная биотехнология объединяет в себе химию, молекулярную и микробиологию с прикладными науками для использования микроорганизмов, клеток, тканей и генов в целях проведения технологических процессов различной направленности. Эта область исследований является одной из наиболее перспективных сегодня и позволяет не только изменять и улучшать характеристики веществ, но и создавать новые микроорганизмы с уникальными функциями.

Скачать (144KB)
Метаданные
7. Рис. 6. ОМИКС-технологии и их ресурсы.

Скачать (214KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Категории биомаркеров (а); принципы таргетной терапии сквозь призму рецепторов, биомаркеров и таргетных препаратов (б).

Скачать (479KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Системы адресной доставки генетического материала в клетку-мишень. К настоящему моменту сформировалось два типа генотерапевтического воздействия: индивидуализированный подход ex vivo – трансфекция стволовых гемопоэтических клеток, полученных из периферической крови и трансплантированных затем больному, и in vivo – трансфекция клеток внутри организма, куда генетический материал в составе вектора доставляется в результате инъекций.

Скачать (115KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Принципы применения инженерно-дизайнерского инструментального пакета Prime Editing Design Tool для геномного редактирования. Новый подход к геномному редактированию позволяет делать любые однонуклеотидные замены и более крупные вставки и делеции, но отличается от классического CRISPR/Cas9-редактирования большей аккуратностью. Это стало возможным благодаря тому, что новый редактор обходится без двухцепочечных разрезов ДНК и самостоятельно достраивает редактируемую цепь. В результате количество ошибок у него ниже, а эффективность – выше.

Скачать (177KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Базовый инструментарий протеомики.

Скачать (159KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Белковая инженерия: современные методы и подходы.

Скачать (291KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Стратегические технологические платформы и методы в метаболомных исследованиях и экспертизе. Как инструмент обнаружения биомаркеров, интегрированный холистический подход метаболомики может привести к новым диагностическим или терапевтическим методам. Обнаружение метаболитов с помощью высокопроизводительных систем, поддерживаемых передовой биоинформатикой и сетевым анализом, позволило идентифицировать потенциальные биомаркеры и терапевтические мишени.

Скачать (108KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Метаболом как конечный продукт многостадийного процесса реализации в клетке генетической информации. Реализация наследственной информации в живом организме осуществляется от ДНК к РНК, от РНК – к белку, и от белка – к метаболическим каскадам и метаболитам. Соответственно существует иерархия дисциплин, начиная от геномики, следуя к транскриптомике и протеомике и заканчивая метаболомикой – набором всех метаболитов, образующихся в результате биохимических реакций.

Скачать (237KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Схема влияния различных процессов на обмен веществ и возможности использования метаболитов как биомаркеров в рамках ППМ. Метаболомные подходы позволяют выявить принципы формирования лекарственной устойчивости и факторы рецидивирования опухолей, определить новые перспективные мишени терапии.

Скачать (181KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Мезенхимальные стволовые клетки (МСК). МСК представляют собой негематопоэтические, мультипотентные, самообновляющиеся клетки, способные к трехлинейной дифференцировке (мезодерма, эктодерма и энтодерма). Плюрипотентность и иммуномодулирующие свойства МСК позволяют считать их эффективным инструментом в клеточной терапии и восстановлении тканей.

Скачать (116KB)
Метаданные
17. Рис. 16. CAR-Т-клеточная терапия с использованием инструментов клеточной и генной инженерии. При CAR-T-клеточной терапии Т-клетки берутся у пациентов для генетической модификации и оснащаются химерными антигенными рецепторами (CAR). Каждый CAR состоит из нескольких строительных блоков, которые могут распознавать и связываться с соответствующей целевой молекулой на поверхности опухолевых клеток. После активации CAR-T-клетки начинают уничтожение раковой клетки посредством цитотоксического (повреждающего клетки) эффекта. В то же время CAR-T-клетки размножаются, поэтому они остаются в организме и могут активно действовать при рецидиве заболевания.

Скачать (196KB)
Метаданные
18. Рис. 17. Стимулируемые глюкозой бета-клетки, продуцирующие инсулин и защищенные внутри капсул, чтобы быть невидимыми для иммунной системы хозяина. Нет сомнений в том, что способность генерировать чувствительные к глюкозе бета-клетки человека посредством контролируемой дифференцировки стволовых клеток ускорит разработку новых терапевтических средств.

Скачать (99KB)
Метаданные
19. Рис. 18. Успехи клеточной биоинженерии и биопринтинга: (а) – напечатанная щитовидная железа; (б) – напечатанная печень; (в) – напечатанное сердце.

Скачать (207KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024