Contribution de la biotechnologie à la science médicale

Contribution de la biotechnologie à la science médicale!

La biotechnologie s'est révélée être un avantage pour la science médicale à plusieurs égards. Que ce soit pour renforcer l’immunité contre les maladies ou pour fournir un traitement génétiquement amélioré des maladies, la biotechnologie est devenue une partie intégrante du monde médical.

En fait, le développement de l'insuline humaine, le premier médicament génétiquement modifié, a marqué le début d'une ère extrêmement réussie d'applications génétiques en médecine. Examinons ces applications en détail.

Détection de maladies génétiques:

Le traitement efficace de toute maladie dépend de son diagnostic correct. La médecine conventionnelle offre peu de garantie d'une détection précise et le diagnostic contient toujours un élément de probabilité. Cependant, les nouvelles techniques de génie génétique permettent un diagnostic précis en localisant et en analysant des gènes uniques dans une chaîne de milliers de gènes par le biais de «sondes génétiques». Ce sont les segments de l'ADN, qui correspondent et donc se lient aux segments d'ADN de gènes individuels. Leur liaison peut être détectée simplement en marquant ces segments d'ADN.

Ces sondes sont utilisées pour reconnaître les séquences d'ADN associées à des maladies génétiques. Les gènes peuvent maintenant être détectés pour un nombre varié de conditions génétiques dans de petits échantillons de tissus prélevés chez des patients ou même à partir d'embryons par amniocentèse. Ces sondes d'ADN peuvent également être utilisées pour identifier des organismes pathogènes et sont utilisées dans des tests où il est possible que l'on ne puisse pas utiliser d'anticorps.

Anticorps monoclonaux et diagnostic:

Les anticorps sont des protéines générées par un organisme pour lutter contre une maladie ou une infection. Ces anticorps sont produits par les globules blancs en réponse à un organisme causant une maladie ou à une infection, ce que l'organisme reconnaît comme étranger.

Les anticorps agissent en se liant à ces substances étrangères lors de leur circulation dans le sang, les empêchant ainsi de nuire à l'organisme. Ces anticorps se lient à la protéine spécifique (antigène), ce qui a déclenché leur production. Ils peuvent être obtenus à partir du sang d'animaux immunisés et éventuellement utilisés à des fins de diagnostic et de recherche.

Les anticorps sont de deux types. Les anticorps polyclonaux ne sont pas de nature spécifique et peuvent reconnaître plusieurs protéines en même temps. Les anticorps monoclonaux ne reconnaissent qu'un type spécifique de protéine. Les anticorps, en particulier les anticorps monoclonaux, sont maintenant largement utilisés à des fins de diagnostic. Parmi les domaines d'application les plus répandus figurent les tests de grossesse, le dépistage du cancer et le diagnostic des gastro-entérites virales, de l'hépatite B, de la fibrose kystique et des maladies sexuellement transmissibles telles que le sida.

Médicaments Thérapeutiques:

Les vaccins modernes ont déjà contribué à éradiquer des maladies telles que la variole et à réduire l'exposition à la polio, au typhus, au tétanos, à la rougeole, à l'hépatite, au rotavirus et à d'autres infections dangereuses. Cependant, les méthodes de vaccination standard sont moins efficaces lorsqu'elles sont ciblées sur une maladie donnée. Le matériel génétique, à savoir l’ADN et l’ARN, peut être utilisé pour développer des vaccins améliorés.

La technologie de l'ADN recombinant facilite la conception et la production en série de tels modèles, ainsi qu'une plus grande stabilité de stockage. En outre, étant donné que ces vaccins peuvent être conçus pour contenir des gènes de différentes souches de l'agent pathogène, ils peuvent fournir une immunité à la fois contre plusieurs autres souches.

L'idée que des gènes pourraient être utilisés pour créer des vaccins a été évoquée dans les années 1950-1960. Les premières études ont révélé que si le matériel génétique était introduit dans la cellule d'un animal, il en résultait la synthèse des protéines codées et des anticorps dirigés contre ces protéines.

Les organismes pathogènes portent à la surface des antigènes qui déclenchent le mécanisme de défense de l'organisme et aident ainsi à contrôler les dommages causés à l'organisme. Des cellules spéciales présentes dans tout le corps humain produisent des anticorps et des antigènes.

Ces cellules reconnaissent la forme d'un groupe déterminant particulier de l'antigène et produisent des anticorps spécifiques destinés à lutter non seulement contre la vaste gamme d'invasions microbiennes, mais également contre une gamme illimitée de produits chimiques de synthèse. En bref, le système mammifère peut se lier et désactiver presque toute molécule étrangère pénétrant dans le système.

Les vaccins sont préparés à partir de micro-organismes vivants ou morts pouvant être introduits dans le corps humain ou animal pour stimuler leur immunité. Ils peuvent imiter des agents infectieux et aider ensuite l'organisme à développer des réponses immunitaires protectrices.

Lorsqu'ils sont utilisés à grande échelle, les vaccins jouent un rôle majeur dans la lutte contre les maladies microbiennes au sein des communautés. L'objectif principal de la recherche sur les vaccins est d'identifier et de caractériser les antigènes individuels d'agents infectieux susceptibles de contribuer au développement d'une réponse immunitaire.

Le vaccin contre la polio a presque éliminé la maladie du monde. Les vaccins contre la typhoïde et le choléra ne sont toutefois pas encore très efficaces et sont en cours de traitement. Des recherches sont également en cours pour développer des vaccins contre des maladies telles que la syphilis, l'hépatite sérique, le paludisme et bien d'autres. Des recherches sur la vaccination contre le VIH sont en cours à l’échelle mondiale. Les vaccins contre les maladies bactériennes et parasitaires ont également beaucoup progressé.

Produits biopharmaceutiques:

De nombreux produits pharmaceutiques sont des composés dérivés de procédés chimiques synthétiques ou de sources naturelles telles que les plantes et les micro-organismes, ou sont des combinaisons des deux. Ces composés sont utilisés pour réguler les fonctions corporelles essentielles et pour lutter contre les organismes pathogènes.

Des efforts sont maintenant déployés pour exploiter les propres molécules régulatrices du corps humain, qui se trouvent normalement dans de très petites concentrations. Des quantités limitées de certains de ces composés ont toujours été dérivées d'organes de cadavres ou de banques de sang. Le génie génétique est maintenant reconnu comme un moyen pratique de générer certaines de ces molécules rares en plus grande quantité.

Cela implique l'insertion de la construction de gène dérivée d'origine humaine nécessaire dans un microorganisme hôte approprié qui produira une protéine thérapeutique (biopharmaceutique) en quantités liées à l'ampleur de l'opération. De tels produits ne présentent aucun risque de contamination par l'extraction de cadavres (comme la maladie dégénérative du cerveau). La maladie de Creulzfelt-Jakob a également été associée à l'administration d'hormone humaine à partir d'une extraction précoce.

Le développement réussi de produits biopharmaceutiques nécessite:

1. Recherche biochimique ou biomédicale avancée pour identifier et caractériser les composés natifs.

2. Biologie moléculaire spécialisée et technologie de clonage permettant d'identifier les séquences de gènes pertinentes et de les insérer dans un hôte mammifère ou microbiologique.

3. Technologie de bioprocédés pour faire croître les organismes afin d’isoler, de concentrer et de purifier les composés choisis.

4. Expertise clinique et marketing.

Parlons maintenant de certains des principaux produits biopharmaceutiques déjà utilisés:

Insuline:

Des millions de personnes souffrent de diabète en raison d'un déficit en insuline. Ces patients doivent dépendre d'un apport d'insuline externe. Classiquement, l'insuline utilisée par les patients diabétiques était extraite de porcs et de bovins. Cela a été arrêté en raison de ses effets secondaires indésirables. Nous utilisons maintenant de l'insuline humaine recombinante, exempte de toute contamination et qui s'est révélée extrêmement efficace contre la maladie.

Somatostatine:

Cette hormone de croissance a été extrêmement difficile à isoler chez les animaux. Cependant, le clonage du gène humain de la somatostatine dans une bactérie a permis sa production à grande échelle. Cela s'est avéré être une aubaine pour le traitement du nanisme hypohypophysaire, dû à la déficience de cette hormone.

Interféron:

Les interférons sont des glycoprotéines (protéines avec des molécules de sucre attachées), qui pourraient jouer un rôle déterminant dans le contrôle de nombreux types d'infections virales, y compris le rhume. Ils inhibent également la croissance des cellules cancéreuses et stimulent les défenses immunitaires naturelles de l'organisme contre celles-ci.

En 1957, deux chercheurs britanniques ont reconnu ces interférons comme des substances produites dans le corps et susceptibles de rendre les cellules résistantes aux attaques de virus. Cependant, la rareté de ces composés a toujours entravé les efforts visant à comprendre l'étendue de leur efficacité. Récemment, en utilisant des techniques modernes, nous avons pu produire des molécules d'interféron, qui jouent un rôle dans le contrôle de diverses infections.

Lymphokines:

Ce sont des protéines produites par les lymphocytes (une partie du système immunitaire du corps) qui sont considérées comme importantes pour les réactions immunitaires. Ils ont la capacité de renforcer et de restaurer la capacité du système immunitaire à lutter contre les infections, les maladies et le cancer. Interlukin-2 est la lymphokine la plus couramment utilisée, produite par génie génétique.

Chacun de ces composés a aidé les scientifiques à atteindre de nouveaux niveaux d’administration réaliste de médicaments. La technologie de l’ADN recombinant a permis la synthèse de grandes quantités de ces produits. Cette pharmacie moléculaire connaît également un grand succès dans la production de produits pharmaceutiques destinés aux humains chez les animaux transgéniques.

Thérapie génique:

Cette technologie prometteuse utilise des gènes comme médicaments pour corriger les troubles génétiques héréditaires. En utilisant la thérapie génique, un gène défectueux ou manquant peut être remplacé pour corriger la cause génétique d'une maladie. Pour ce faire, on détermine la fonction du gène normal dans les cellules humaines, le type de protéine qu’elle donne à la cellule, ainsi que le niveau, la quantité et le moment de la formation de la protéine. Cela peut en outre indiquer si la bonne protéine est en train de se former au bon moment ou au bon endroit et comment lutter contre les effets d'un éventuel échec.

La thérapie génique est de deux types: thérapie génique des cellules germinales et thérapie génique des cellules somatiques. Dans la thérapie des cellules germinales, les changements sont dirigés vers la constitution génétique individuelle et peuvent être transmis à la progéniture. En revanche, dans la thérapie génique à cellules somatiques, les gènes fonctionnels sont introduits dans les cellules du corps qui en sont dépourvues. Les effets de la thérapie ne sont pas transmis à la génération suivante.

Le cas classique de la thérapie génique approuvée la plus ancienne était celui d'Ashanti DeSilva, âgée de quatre ans, qui était née avec une maladie génétique rare appelée déficit immunitaire sévère combiné (DICS). Ashanti avait un système immunitaire faible qui la rendait vulnérable à tous les germes qui passaient. Les enfants nés avec cette maladie développent généralement des infections accablantes et survivent rarement à l'âge adulte.

Ashanti a également été contrainte de mener une existence cloîtrée, évitant tout contact avec des personnes extérieures à sa famille, confinée dans l'environnement stérile de sa maison, et luttant contre des maladies fréquentes avec des quantités massives d'antibiotiques. Grâce à une thérapie génique, les médecins ont retiré les globules blancs de son corps et leur ont permis de se développer en laboratoire.

Ces cellules ont ensuite été réinsérées avec le gène manquant et les cellules sanguines génétiquement modifiées ont été réinjectées dans la circulation sanguine du patient. Les tests de laboratoire ont montré que la thérapie renforçait remarquablement le système immunitaire d'Ashanti, qui mène maintenant une vie normale.

Le principal de la thérapie génique est de corriger des anomalies monogéniques telles que la fibrose kystique et l'hémophilie, pour lesquelles aucun traitement efficace n'est encore disponible. Cependant, l'application efficace de cette thérapie nécessitera une compréhension profonde du mécanisme par lequel le gène défectueux (inhabituel) exerce son effet sur l'individu.

Une autre application intéressante de la thérapie génique apparaît dans le domaine des maladies des yeux telles que la rétinopathie diabétique. Les premières études suggèrent que la thérapie génique pourrait protéger les patients diabétiques contre la perte de vision due à la prolifération excessive et à la fuite des vaisseaux sanguins.

Empreinte génétique:

Le développement de la technique d'empreinte génétique s'est révélé extrêmement important pour identifier les criminels et établir la filiation. Le principe fondamental de cette technique repose sur le fait qu’aucun individu ne peut avoir la même composition génétique.

Les fragments d'ADN de la personne en question peuvent être prélevés sur un échantillon de tissu ou de sang à l'aide d'une enzyme de restriction. Ce fragment peut ensuite être étudié pour établir la composition génétique exacte de l'individu. Cette technique offre un taux de polymorphisme si élevé que la possibilité que deux personnes aient les mêmes caractéristiques ADN est très faible.

Diagnostic prénatal des maladies héréditaires:

La génétique moléculaire a une application importante dans le diagnostic prénatal de troubles héréditaires tels que les hémoglobinopathies. Par exemple, la technique d’analyse de l’ADN pour diagnostiquer la drépanocytose à partir des cellules du liquide amniotique a été mise au point en 1978.

Régénération tissulaire:

Greffe de peau:

La peau est probablement l'un des seuls organes pouvant être synthétisés artificiellement à partir d'une culture cellulaire et utilisés pour la greffe lorsqu'elle est gravement endommagée. Les cellules de la peau (kératinocytes) constituent 90% de l'épiderme. La prolifération de ces cellules est facilitée par les fibroblastes présents dans la couche cutanée de la peau.

Les fibroblastes sont utiles pour la culture de cellules cutanées. Ces cellules de fibroblastes, appelées cellules 3T3, sont utilisées avec les produits chimiques et les cellules souches nécessaires. Cependant, seulement environ un à dix pour cent des cellules épidermiques prolifèrent. La sous-culture dans un milieu frais provoque une croissance supplémentaire de ces cellules.

La greffe cutanée permet une récupération rapide et la normalisation de la peau endommagée. Les kératinocytes régénérés ont également été utilisés pour soigner un certain nombre d'autres maladies. Par exemple, les cicatrices cutanées peuvent être éliminées à l'aide d'une peau cultivée et des kératinocytes oraux cultivés peuvent être utilisés pour régénérer l'épithélium de la bouche.

Des kératinocytes d'urètre cultivés ont été utilisés pour réparer les défauts du pénis congénital. Les ulcères chroniques ont également été traités avec des greffes réussies et les allographes (peau d'un autre individu) ont permis de guérir ces ulcères.

Contrôle de fertilité:

Des scientifiques indiens ont mis au point avec succès des médicaments comme Centchroman pour la lutte contre la fertilité (contraceptif), qui ont donné d’excellents résultats sans aucun effet secondaire. Des approches immunologiques ont également été utilisées pour développer des vaccins anti-fertilité.

Les vaccins contraceptifs ont maintenant été mis au point à l’aide de l’hormone HCG (gonadotrophine chorionique humaine). Le vaccin provoque des anticorps contre le tétanos et l’hormone de grossesse HCG. Cela a considérablement réduit l'impact du tétanos, qui est l'une des principales causes de mortalité maternelle en Inde en raison de conditions non hygiéniques, en particulier dans le secteur rural.

Conseil génétique:

Cette application a vu le jour en raison de la prise de conscience croissante chez les personnes souhaitant que leurs enfants ne souffrent pas de maladies congénitales. Un conseiller en génétique informe le patient des conséquences d'un défaut génétique particulier.

Soumettre le liquide amniotique à divers tests peut examiner ces troubles congénitaux et les résultats obtenus pourraient être discutés avec le patient. Cela permettra aux futurs parents de réfléchir longtemps à l'avance au défaut du fœtus.

Le diagnostic génétique préimplantatoire:

Le diagnostic génétique pré-implantatoire (DPI) a vu le jour lorsque, grâce à la technologie de reproduction assistée (ART), les cellules souches du cordon ombilical d'un bébé à naître (seul le fœtus) ont été utilisées pour soigner une anémie de fanconi. Lorsque le fœtus était simplement une boule de cellules blastomères, des chercheurs de l’Institut de génétique de la reproduction du Illinois Masonic Medical Center ont séparé certaines de ces cellules.

Ces cellules ont été analysées et non seulement comme étant exemptes du gène de l’anémie de fanconi, mais également compatibles en termes d’antigènes des leucocytes humains (HLA). Les chercheurs ont implanté le reste de la boule de cellules de blastomères dans l'utérus de la mère. La mère a donné naissance à un enfant en bonne santé. Après un mois, ses cellules souches du cordon ombilical ont été infusées dans sa sœur.

Ce processus a été rendu possible grâce à un processus de développement inhérent appelé «clivage indéterminé». Comme tout autre vertébré, un embryon humain à huit cellules (appelé pro-embryon) peut continuer à se développer même après l’élimination d’une ou deux cellules.

En DPI, les embryons obtenus pour la fécondation in vitro sont soumis à de nombreux tests (biopsies). Ensuite, la constitution génétique est minutieusement examinée et seules les cellules libérées, qui sont exemptes de maladies génétiques, sont transférées à la mère. Cette technique est d'une grande aide dans le diagnostic des maladies génétiques.

Pharmacogénomique:

L'intervention des outils moléculaires dans le domaine pharmaceutique a donné naissance à un nouveau domaine de la pharmacogénomique. Fusion de la science pharmaceutique et de la génétique, la pharmacogénomique combine les sciences pharmaceutiques traditionnelles, notamment la biochimie, la structure moléculaire du gène, ainsi que son comportement et sa fonction au niveau des protéines.

Il s’agit essentiellement d’étudier l’incidence de la constitution génétique d’un individu sur la réaction du corps aux médicaments. Ce domaine à venir est une grande promesse pour le jour où il sera possible d'adapter les médicaments à chaque patient en tenant compte de son architecture génétique.

Les domaines dans lesquels la pharmacogénomique peut jouer un rôle important sont:

Drogues efficaces:

À l'aide d'outils moléculaires, les entreprises pharmaceutiques pourront mettre au point des médicaments à base de protéines, d'enzymes et de molécules d'ARN, associées à des gènes et à des maladies. Cela aidera à la découverte et à la délivrance ciblées de médicaments. L'administration de ces médicaments de haute précision conduira non seulement à des applications thérapeutiques maximales, mais réduira également les dommages causés aux cellules saines adjacentes.

Vaccins efficaces:

Les vaccins à base d'ADN et d'ARN présenteront des niveaux d'efficacité supérieurs. Cela activera non seulement le système immunitaire de l'individu, mais contribuera également à éviter le risque d'infection. De tels vaccins recombinants seront peu coûteux, faciles à stocker et pourront être conçus pour héberger des souches naturelles d'un agent pathogène en une seule fois.

Cibler la découverte de médicaments:

Les cibles du génome peuvent être utilisées pour développer de nouvelles thérapies. Ces nouveaux médicaments peuvent être essayés sur des groupes de population génétiques spécifiques. Cela réduira également le coût et le risque potentiel des essais cliniques en ne ciblant que les patients capables de réagir à un médicament.

Drogues plus sûres:

Désormais, au lieu d’utiliser la méthode conventionnelle d’essais et d’erreurs consistant à associer les patients au type de médicaments approprié, les médecins seront en mesure d’analyser la constitution génétique d’un patient et de prescrire un traitement médicamenteux approprié. Ces médicaments de nouvelle génération vont également accélérer la récupération.

Dépistage des maladies:

Les informations sur le code génétique du patient, son comportement, son style de vie et son environnement peuvent être utilisées à l'avance pour l'informer de l'incidence de la maladie. Cela facilitera une surveillance attentive et un traitement à un stade approprié pour minimiser les dommages.

Détermination du dosage du médicament:

Les médecins prescrivent généralement le dosage du médicament en fonction du poids et de l'âge du patient. Ceci peut être remplacé par des dosages basés sur la génétique de la personne, c'est-à-dire comment son corps traite le médicament et le temps nécessaire pour le métaboliser. Cela renforcera la valeur thérapeutique du médicament et aidera à prévenir le risque de surdosage.

Profilage de gène:

Les outils biotechnologiques modernes ont pratiquement révolutionné le domaine médical. Un de ces outils, le microréseau, s'est révélé extrêmement avantageux. Cette technique permet d'identifier les différences moléculaires entre les différents gènes exprimés.

L'image moléculaire détaillée obtenue par cette technique aidera à concevoir des médicaments moléculaires, tout comme les méthodes d'imagerie radiographique à haute résolution ont aidé à traiter des maladies à des niveaux anatomiques. L'une des études récentes utilisant l'expression de gènes basée sur des micro-réseaux d'ADN portait sur la classification moléculaire du cancer.

Il a été rapporté que le profilage permettait de distinguer des souches pathologiques distinctes, telles que la leucémie myéloïde aiguë et la leucémie lymphoblastique aiguë, sur la base de leur modèle d'expression génique distinct. Les puces à ADN ont également contribué à révéler d’autres maladies nouvelles.

Les cellules souches et leurs applications:

Les cellules souches sont les cellules capables de se diviser pendant une période indéterminée en culture pour donner naissance à des cellules spécialisées. Nous savons tous que le développement humain commence lorsqu'un spermatozoïde féconde un ovule et crée une seule cellule (embryon) capable de former un organisme entier.

Les cellules souches embryonnaires sont les cellules qui peuvent donner naissance à 210 types de tissus différents dans le corps humain. Bien qu'une seule cellule souche puisse donner naissance à des cellules plus spécialisées, elle ne peut cependant pas former à elle seule l'être humain tout entier. Ces cellules sont appelées cellules pluripotentes - car elles sont capables de donner naissance à la plupart des tissus d'un organisme.

Comme les cellules souches sont capables de se différencier en différents types de tissus, celles-ci pourraient être utilisées en «thérapie cellulaire». Les cellules souches peuvent être stimulées pour se développer en une cellule spécialisée et peuvent ainsi offrir la possibilité d’une source renouvelable de remplacement des cellules et tissus endommagés / endommagés.

Il peut guérir de nombreuses maladies comme les maladies de Parkinson et d'Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux, les brûlures, les maladies cardiaques, le diabète, l'arthrose, la polyarthrite rhumatoïde; tumeurs malignes, erreurs innées du métabolisme et beaucoup plus. Par exemple, la transplantation de cellules musculaires cardiaques saines peut donner de nouveaux espoirs aux patients atteints de maladie cardiaque, dont le cœur ne peut plus pomper de manière adéquate.

Les études sur les cellules souches ont fait naître l'espoir de développer des cellules du muscle cardiaque à partir de cellules souches humaines et de les transplanter dans un muscle cardiaque défaillant afin d'accroître la fonction du cœur défaillant. Le diabète de type I est une autre maladie importante, qui perturbe la production d'insuline par des cellules pancréatiques spécialisées, appelées cellules d'îlots.

Des études suggèrent que la transplantation de tout le pancréas ou d'un îlot isolé pourrait remplacer le besoin d'injections d'insuline. Les lignées cellulaires d'îlots dérivées de cellules souches peuvent être utilisées pour la recherche sur le diabète et, éventuellement, pour la transplantation. La biologie des cellules souches a le potentiel de sauver de nombreuses vies.