Markerii moleculari şi Biotehnologia medicală

1. Markerii moleculari şiBiotehnologia medicală UNIVERSITATEA DE STIINTE AGRICOLE SI MEDICINA VETERINARA, CLUJ-NAPOCA, ROMANIA Doru PAMFIL

2. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală • Definirea unor termeni • Culorile biotehnologiei • Aplicaţii ale biotehnologiei medicale • Rolul markerilor moleculari • Platforma de Biotehnologie • Proiecte de colaborare

3. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Definirea unor termeni Biotehnologia: “Orice tehologie care utilizeaza sistemele biologice, incluzând organisme vii ori derivate ale acestora, în scopul producerii sau modificarii produselor sau proceselor” Dictionarul de biotehnologie 2007 Manipularea organismelor vii pentru a produce substanţe sau procese utile

4. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Definirea unor termeni Istoric 6000BCin Babilon se utiliza drojdia pentru bere, vin si paine 4000 BCin China bacteriile lactice pentru iaurt si branzeturi 1500prima colectie de germoplasa la plante > ameliorare plante 1800ameliorare animale (Vavilov) 1880descoperirea microorganismelor (Leuweenhoek) 1856recombinarea genetica la plante (Mendel) 1919aparitia cuvintului biotehnologie (Karl Ereky) 1953determinaarea structurii AND (James Watson& Francis Crick) 1980biotehnologia moderna si tehnologia ADNului recombinant 1992aprobarea primului OMG 2000finalizarea proiectului HGP(Human Genome Project)

5. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Definirea unor termeni Marker molecular: “Fragmente specifice de ADN care pot fi identificate in cadrul genomului şi care sunt utilizate pentru a marca poziţia unei gene sau transmiterea unui caracter” Dictionarul de biotehnologie 2007 “A characteristic that is objectively measured and evaluated as an indicator of normal biologic processes, pathogenic processes, or pharmacologic responses to a therapeutic intervention” MED Jurnal 2008

6. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Definirea unor termeni Clasificarea markerilor moleculari

7. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Culorile biotehnologiei Conferinţa EU 26-27 Iunie 2007, Brussels “Despre viitorul cercetarilor europene in stiintele vietii” "Towards Future Challenges of Life Sciences Research in Europe" Bio-economia europeana bazată pe cunoaştere European Knowledge-Based Bio-Economy “Noile tehnologii ... biotehnologia ... vor deveni tot mai importante ... şi vor da o nouă culoare percepţiei tradiţionale asupra ştiinţelor vieţii” “New technologies (ICT, nanotechnologies, biotechnology, remote sensing, etc.) will become increasingly important … giving new colour to the traditional understanding of the life sciences”

8. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Culorile biotehnologiei the colors biotechnology in literature 1997 – Green Biotechnology > Clean Biotec versus GMO 2002 – Red Biotechnology > US EPSO Medical report 2003 – White Biotechnology > EU Science and technology 2003 –Blue Biotechnology > Europa Bio Convention 2004 – The Flags of Biotechnology > US-EU Bio meeting 2004 – The Rainbow of Biotechnology > Al Gore US Senate speech 2005 - Synergy of Green, Red & White Biotech > EU Report 2005 – The color of Biotechnology >12th Congress of Biotechnology

9. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Culorile biotehnologiei • Al 12- lea Congres European de Biotehnologie 2005 • Biotehnologia Verde – Plante si alimente • Biotehnologia Rosie – Farmaceutica • Biotehnologia Albă – Mediu • Biotehnologia Gri – Industriala • Ministrul economiei din Germania – Clasamentfirme: • Firme de biotehologie 258 > 43.000 angajati • 63% rosu + 27% verde + 10% alba (+albastra)

10. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Culorile biotehnologiei Electronic Journal of Biotechnology 3.02.2006

11. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Culorile biotehnologiei • Culorile activităţilor Biotech • Rosu - Medicina, sanatate si diagnostic • Verde - Agricultura, biotehnologia mediului etc. • Galben – Biotehnologii alimentare si Stiintele nutritiei • Albastru – Acuacultura si biotehnologia marina • Maro - Biotehnologia zonelor aride si desertice • Alb - Biotehnologii industriale • Gri- Biotehnologii fermentative si bioprocesare • Auriu - Nanotehnologii si bioinformatica • Mov - Patente, publicatii, inventii • Negru - Bioterorism, biocrime, razboi biologic • UNESCO Division of Life Sciences, Paris, France • Electronic Journal of Biotechnology 3.02.2006

12. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Aplicatii ale biotehnologiei • Aplicatii ale Biotehnologiei rosii • Biotehnologia + ingineria genetica + genomica • Testare genetică • Diagnostic • Terapia genica • Terapeutică • Nutraceutice • Etc.

13. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Aplicatii ale biotehnologiei Medicina tradiţională (farmaceutică) – trateaza efectele Medicina modernă biotehnologică - trateaza cauza Cauza: genetică biochimică Aplicatii in tratamentul: - bolilor cardiovasculare - cancer - scleroză multiplă - HIV/AIDS, TB, malarie - boli rare - medicina regenerativa etc.

14. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Aplicatii ale biotehnologiei Biotehnologia roşie - 12% din piaţa medicamentelor 2007 - 3,2 miliarde euro Programul german BIOChance 2007-2011 Investiţii de 900 mil euro Stimularea intreprinderilor mici si mijlocii Estimare 2011 - 20% din piaţa medicamentelor - peste 5 miliarede euro - 50% din vaccinuri peste 8 miliarde

15. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Vaccinuri Tipuri de vaccinuri după conţinutul biologic: Vaccinuri care conţin microorganisme vii atenuate Vaccinuri care conţin microorganisme inactivate Vaccinuri care conţin componente microbiene purificate, proteice sau polizaharidice conjugate proteic Vaccinuri care conţin proteine recombinate Vaccinuri care conţin anatoxine • De la • Organisme vii atenuate • La • “Subunit vaccines” • Vaccinuri genetice

16. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Vaccinuri recombinante • tuberculoză • malarie • HIV • rBCG30 - primul vaccin recombinant testat clinic; combinat cu chimioterapia • MVA85A - bazat pe modificarea genetică a virusului Vaccinia • Hybrid-1, HyVac4 or M72 - “subunit vaccine” - molecule obţinute prin fuziunea a două proteine recombinante injectate împreună cu adjuvanţi • Ad35 - adenoviruşi recombinaţi • Unele pot fi administrate fără injectare http://washingtonindependent.com/wp-content/uploads/2008/09/vaccine1.jpg • RTS,S/AS02A - moleculă obţinuteă prin fuziunea a două proteine recombinante, injectată împreună cu adjuvantul AS02A • Utilizarea recombinazei Cre sau Tre, enzime capabile să îndepărteze informaţia genetică pe care HIV o transferă în celulele infectate; tratamentul presupune utilizarea celuleor stem, care sunt extrase, tratate şi apoi reinjectate în corp pentru a răspândi enzimele.

17. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Terapie genica Inserarea de gene în celulele şi ţesuturile unui individ pentru a trata diferite afecţiuni Poate fi aplicată atât celulelor somatice, cât şi celor sexuate Vectori utilizaţi în terapia genică: • 1. Virusuri (retro-,adenovirusuri etc.) • 2. Vectori nevirali: • ADN-ul denudat (gol) • oligonucleotide • complex ADN-lipozom • 3. Vectori hibrizi • 4. Dendrimeri Tratamentul se poate face în două feluri: Ex vivo - celule din sângele sau măduva pacientului sunt recoltate şi cultivate în laborator, iar apoi sunt infectate cu virusul care transportă gena de interes; celulele transformate sunt apoi injectate intravenos pacientului. In vivo - vectorul este utilizat pentru introducerea informaţiei genetice dorite direct în celule aflate în corpul pacientului

18. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Nutraceutice Extracte din alimente cu efecte medicinale asupra sănătăţii umane (efecte fiziologice benefice demonstrate) • Exemple: • resveratrolul din strugurii roşii (antioxidant) • fibrele solubile • sulforaphanul din broccoli (previne cancerul) • isoflavonoide pentru îmbunătăţirea sănătăţii arteriale • flavonoide • antociani • acid alfa-linolenic http://blog.bioethics.net/nutraceuticals.jpg

19. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Medicina regenerativă • Acest domeniu se referă la tratamente prin care se pot înlocui părţi ale corpului adult. • Trei strategii prezintă potenţial în acest domeniu: • utilizarea celulelor stem (injectare) • inducerea regenerării cu ajutorul unor substanţe specifice • transplantarea organelor/ţesuturilor obţinute in vitro Celule stem • Celulele stem reprezintă un tip aparte de celule, care se regăsesc în orice organism multicelular, fiind caracterizate prin abilitatea de a se înmulţi continuu (mitoză) şi de a diferneţia apoi într-o gamă largă de celule specializate. • La mamifere există două mari categori de celule stem: • embrionare, izolate din blastocişti • adulte, izolate din ţesuturi somatice http://www.csa.com/discoveryguides/stemcell/images/pluri.jpg • Tratamente potenţiale: • cancer • leziuni ale sistemului nervos • afecţiuni cardiace • hematopoieză • calviţie • afecţini ale ochilior • ortopedie etc.

20. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Rolul markerilor genetici Testarea genetică • Implică analizarea directă a moleculei de ADN în vederea depistării mutaţiilor. • Două metode: • Utilizarea sondelor care prezintă mutaţii şi hibridizarea lor cu ADN-ul de interes • Compararea secvenţei ADN de interes cu secvenţe specifice indivizilor sănătoşi • Aplicaţii: • Screeningul purtătorilor de alele recesive • Confirmarea diagnosticului pentru indivizii simptomatici • Determinarea sexului • Testarea identităţii • Screeningul nou-născuţilor • Testarea presimptomatică pentru estimarea riscului dezvoltării diferitelor afecţiuni, inclusiv a neoplaziei maligne, la adulţi • Teste genetice existente: • Pentru depistarea http://www.ohsu.edu/health/images/gs/es_0886.gif • fibrozei chistice • anemiei cu celule în seceră • bolii lui Huntington • depistarea mutaţiilor asociate cu cancerul - mamar - ovarian - de colon

21. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Markerimoleculari Proiectul genomului uman The Human Genome Project (HGP http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/home.shtml) a avut ca scop identificarea secvenţei ADN-ului uman, precum şi identificarea şi cartarea din punct de vedere fizic şi funcţional a celor aproximativ 20.000-25.000 de gene. • Centrul Naţional al Statelor Unite pentru Informaţii Biotehnologice (NCBI-National Center for Biotechnology Information) şi organozaţiile surori şin Europa şi Japonia găyduiesc secvenţa genomului uman în baza de date GenBank, împreună cu secvenţele genelor cunoscute, cât şi ipotetice, şi a unor proteine. • Organizaţii precum ENSEMBL prezintă date adiţionale şi unelte pentru vizualizarea şi cercetarea lor. • Cel mai mare efort în identificarea diferenţelor dintre indivizi include detectarea SNP-urilor şi HapMap. • Proiectul internaţional HapMap reprezintă o organizaţie al cărui scop este crearea unei hărţi a haplotipului genomului uman, care va descrie tiparele comune ale variaţei genetice umane. Secvenţa ADN-ului uman este stocată în baze de date disponibile gratuit pe Internet - National Institute of Health (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) - EMBL nucleotide database (http://www.ebi.ac.uk/) - DNA Database of Japan (http://www.ddbj.nig.ac.jp/) - UCSC Genome Browser (http://genome.ucsc.edu/) - HGP in the Web (http://cmbi.bjmu.edu.cn/cmbidata/hgp/Resource/index.htm#01)

22. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Obţinerea produselor farmaceutice Produsele biofarmaceutice “biopharmaceuticals” Căi de obţinere a produselor farmaceutice utilizând biotehnologiile moderne: • Transformarea genetică aplicată la: • Bacterii (ex. E. coli) • Drojdii • Plante biopharmaceuticals pharming Culturi de celule Mouse Embryonic Fibroblast (3t3) Cell Culture http://www.ecoliblog.com/E_coli_lge.jpg http://www.olympusmicro.com/galleries/abramowitz/pages/3t3cells1small.html

23. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Clasificarea produselor farmaceutice obţinute cu ajutorul biotehnologiilor • Factori de coagulare sanguini (Factorul VIII şi Factorul IX) • Agenţi trombolitici (activator tisular de plasminogen ) • Hormoni (insulină, glucagon, hormon de creştere, gonadotropine) • Factori de creştere hematopoietici (eritropoietină, factori de stimulare ai coloniilor) • Interferoni (Interferoni-α, -β, -γ) • Produse bazate pe interleukină (Interleukina-2) • Vaccinuri (antigen de suprafaţă al virusului hepatitei B ) • Anticorpi monoclonali (diverşi) • Alte produse (factor de necroză tumorală, enzime terapeutice) Proteine recombinante umane Hormonul uman de creştere (rhGH) - Humatrope (compania Lilly), Serostim (Serono) – au înlocuit hGH obţinut de la cadavre Insulina umană (rhI) – Humulin (Lilly), Novolin (Novo Nordisk) - au înlocuit insulina pentru terapia umană obţinută de la bovine şi porcine Factorul VIII de coagulare – Kogenate (Bayer) - l-a înlocuit pe cel izolat din sânge Eritropietină – Epogen (Amgen) Factorul uman recombinant de stimulare a coloniilor de granulocite (G-CSF) – filgrastim, comercializat sub denumirea Neupogen (Amgen), pegfilgrastim comercializat sub denumirea Neulasta Alfa-galactozidază A – Fabrazime (Genzime) Interferon (IF) - Interferon-beta-1a comercializat sub denumirea Avonex (Biogen Idec), Rebif (Serono), Interferon beta-1b comercializat sub denumirea Betaseron (Schering) Factor de creştere asemănător insulinei 1 (IGF-1) http://www.biotech.mobi/

24. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Utilizări ale proteinelor recombinante umane Eritropoietină Interferon-α Interferon- β Anticorpi monoclonali Factori de stimulare ai coloniilor Glucocerebrozidază tratamentul Anemiei Leucemiei Sclerozei multiple Artritei reumatoide Neutropeniei Bolii lui Gaucher http://guavatechnologies.com/Library/images/LSR-PH-CellCulture.jpg Vector Backbone: pAcGP67B

25. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală “Farmacogenomica” • Farmacogenomica – studiul modului în care genotipul influenţează reacţia la tratament. • face legătura între farmacologie şi genetică • în viitor se preconizează crearea de medicamente personalizate, specifice genotipului http://www.freewebs.com/pharmacogenomics/HopeForTheFuture.jpg http://porpax.bio.miami.edu/~cmallery/150/gene/pharmacogenomics.gif Aplicaţii: Crearea medicamentelor “de comandă” (tailor-made), bazate pe informaţia genetică obţinută de genomica funcţională. Aceste medicamente vor avea un efect terapeutic superior şi efecte negative scăzute asupra celulelor sănătoase adiacente. Metode mai exacte de dozare a medicamentelor bazate pe genotipul pacientului, mărind astfel valoarea terapiei, concomitent cu scăderea posibilităţii unei supradozări. Îmbunătăţirea creării medicamentelor şi a procesului aprobării lor. În urma asocierii a numeroase gene cu diferite afecţiuni, acestea pot reprezenta ţinta pentru noile terapii, scurtând astfel procesul creării medicamentelor. Vaccinuri îmbunătăţite pot fi produse prin intermediul ingineriei genetice, eliminând riscul infectării cu patogenul, de asemenea vor fi mai ieftin de produs, mai stabile şi vor putea conţine mai multe tulpini concomitent.

26. Markerii moleculari şi biotehnologia medicală Platforma de biotehnologii bazate pe cunoastere Platforma de biotehnologii Proiect MEC – CNCSIS cod 29/2006-2009 Proiect de investitii de 5 milioane lei Director prof. Doru C. Pamfil 53 persoane

27. Institutul pentru Ştiinţele vieţii 4.500 mp din care 2.500 mp Platforma Centrul de Biotehnologii actual 1.025 mp

28. UNIVERSITATEA DE STIINTE AGRICOLE SIMEDICINA VETERINARACLUJ-NAPOCA, ROMANIA Va multumesc ! Pamfil Doru GSM 0744779416 Platforma de biotehnologii bazata pe cunoastere http://www.usamvcluj.ro/htlm/cercetare/platforma