V časopisih in drugih medijih vse pogosteje slišimo izraz biološka zdravila. Kaj biološka zdravila pravzaprav so? Danes se izraz pojavlja predvsem v kontekstu sodobnih načinov zdravljenja nekaterih vrst raka in vnetnih bolezni, kot so revmatoidni artritis, luskavica in Crohnova bolezen. Kot bomo videli, pa gre za veliko več. Biološka zdravila so izredno široka skupina zdravil.
V grobem jih lahko delimo na tradicionalna biološka zdravila in na sodobna biotehnološka zdravila. Tradicionalna biološka zdravila izvirajo neposredno iz žive narave. Pridobljena so z izolacijo iz rastlin, živalskih ali človeških tkiv ali pa z metodami klasične biotehnologije, ki obsega predvsem pridobivanje antibiotikov iz mikroorganizmov. Sodobna biološka zdravila so se pojavila šele z razvojem genetike in molekularne biologije in so večinoma pridobljena s tehnologijo rekombinantne DNK.
Najbolj znana zdravila, ki sodijo med tradicionalna biotehnološka zdravila, so antibiotiki. Antibiotike izdelujejo številne bakterije in glive, jih sproščajo v svoje okolje in si s tem zagotovijo svoj življenjski prostor med drugimi mikroorganizmi. Bakterije ali glive, ki izločajo antibiotike, lahko gojimo v umetnih napravah, biofermentorjih. S procesom izolacije in čiščenja pridemo do učinkovine, antibiotika, ki je naše najpomembnejše orožje proti bakterijskim okužbam. Tradicionalna biotehnološka zdravila so tudi cepiva, ki preprečijo oziroma omejijo virusno ali bakterijsko okužbo, tako da spodbudijo delovanje našega imunskega sistema. Narejena so iz oslabljenih ali mrtvih patogenih mikroorganizmov, njihovih toksinov ali drugih sestavnih makromolekul. Ti delci ne povzročajo bolezni, seznanijo pa celice imunskega sistema s povzročiteljem bolezni, in ko telo pride v stik z njim, je že pripravljeno na boj.
Med tradicionalnimi biološkimi zdravili, pridobljenimi z izolacijo iz človeških tkiv, so dandanes pomembni predvsem posamezni proteini, izolirani iz krvi, kot so na primer dejavniki strjevanja krvi za zdravljenje hemofilije. Iz živalske krvi še vedno pridobivamo določena protitelesa, ki jih uporabljamo za pasivno imunizacijo. To pomeni, da v organizem vnesemo protitelesa, ki jih je izdelal neki drug organizem, zato da bi na hitro zaščitili telo, še preden se aktivira lasten imunski odziv. Primer so protistrupi proti kačjim pikom, ki jih pridobivajo iz konjske krvi. Druge učinkovine iz človeških ali živalskih tkiv so predvsem zgodovinskega pomena. Tako smo pred letom 1985 rastni hormon, somatotropin, za zdravljenje pritlikavosti pridobivali iz posmrtno odstranjenih človeških hipofiz. Za sto miligramov rastnega hormona je bilo potrebnih 35 000 hipofiz, kar je zadostovalo le za 30 zdravljenj. Za zdravljenje sladkorne bolezni tipa I pa smo uporabljali inzulin, izoliran iz goveje ali prašičje trebušne slinavke.
Druga velika skupina bioloških zdravil so sodobna biološka zdravila. Po naravi so to proteinske molekule, sestavljene iz aminokislin. Kadar gre za krajša zaporedja (do sto) aminokislin, govorimo o peptidih. Dovolj kratka zaporedja je mogoče pripraviti tudi s kemijsko sintezo. Na ta način pridobivajo nekatere peptidne hormone in njim podobne analoge ter še nekaj drugih peptidnih učinkovin, ki jih zaradi zgradbe in področja zdravljenja uvrščamo med biološka zdravila, čeprav so pridobljena sintezno. Najhitreje rastočo skupino sodobnih bioloških učinkovin predstavljajo monoklonska protitelesa. Protitelesa so proteinske molekule, ki jih tvorijo celice imunskega sistema. Vežejo se na tuje snovi, ki se znajdejo v telesu, in jih onesposobijo. Monoklonska protitelesa so populacija identičnih protiteles – proteinov, ki jih izdeluje določen klon limfocitov B, ki izhaja iz ene same starševske celice, zato vsebujejo enaka prepoznavna mesta, s katerimi se vežejo na točno določeno tarčo. Prva, ki so se pojavila na tržišču, so bila mišja in so jih tudi pridobivali s pomočjo miši. Ker je zdravljenje uspešnejše, če so protitelesa čim bolj podobna človeškim, jih danes pridobivamo s tehnologijo rekombinantne DNK (opisane v nadaljevanju).
V širšo skupino sodobnih bioloških zdravil sodijo tudi genska zdravila. Tu gre za terapevtske gene, ki jih s pomočjo posebnih nosilcev (glej prispevek o genskem zdravljenju) vnašamo v telesne celice, da bi na ta način nadomestili okvarjen gen, ki je vzrok za bolezen.
Sodobna biološka zdravila so večinoma pridobljena s tehnologijo rekombinantne DNK ali, z drugimi besedami, z genskim inženiringom. Za kaj torej gre? V vsaki celici se nahajajo molekule DNK (genski material), ki nosijo zapis za vse proteine, ki sestavljajo celico in so pomembni za njeno normalno delovanje, od česar je odvisno tudi normalno delovanje tkiva in organizma. Kadar vzamemo določeno zaporedje DNK (gen) enega organizma in ga združimo z DNK drugega organizma, dobimo rekombinantno DNK, ki jo lahko vnesemo v neki gostiteljski organizem, kjer pride do prepisovanja in nastajanja tujega proteina. Kakšen je smisel tega postopka? Nekatere bolezni se pri človeku pojavijo zaradi pomanjkanja določenega proteina, kar je običajno posledica okvarjenega gena. Proteini, ki delujejo kot hormoni, imajo še posebej pomembno vlogo pri ohranjanju normalnega delovanja telesa. Tako se pomanjkanje inzulina pokaže kot sladkorna bolezen. Pred razvojem tehnologije rekombinantne DNK so ljudje uporabljali inzulin, izoliran iz kravjih in prašičjih trebušnih slinavk. Ker se kravji in prašičji inzulin razlikujeta od človeškega, ju je človeški imunski sistem prepoznal kot tujka in sprožil imunsko reakcijo, ki je preprečila njegovo nadaljnje delovanje, bolezen pa se je poslabšala. Rekombinantni inzulin je enak človeškemu in zaradi tega so imunski odziv nanj in drugi neželeni učinki precej manj verjetni. Nekateri proteini (na primer rastni hormon) se v človeških tkivih nahajajo v zelo majhnih količinah. Njihova izolacija je zahtevna in draga. Pri uporabi proteinov, izoliranih iz človeških tkiv, preti nevarnost prenosa človeških virusov in prionskih beljakovin, ki povzročajo Creutzfeldt-Jakobovo bolezen, poznano kot človeški analog bolezni norih krav. Z razvojem tehnologije rekombinantne DNK oziroma genskega inženiringa so pričeli pripravljati številne rekombinantne človeške proteine in s tem omogočili zdravljenje bolezni, ki so bile prej neozdravljive.
Za pripravo rekombinantnega proteina najprej potrebujemo gen, ki nosi zapis zanj in ga dobimo iz človeških celic. Izoliran gen vstavimo v ustrezen vektor – molekulo DNK, ki bo omogočila njegov vnos v gostiteljski organizem. Vektorji so najpogosteje plazmidi ali bakteriofagi (virusi, ki napadejo bakterije). Nekateri bakteriofagi so sposobni svojo DNK najprej spraviti v celico in jo nato vgraditi v bakterijski kromosom. Plazmidi so manjše krožne dvoverižne molekule DNK, ki se pojavljajo pri bakterijah in so sposobne samostojnega podvojevanja. Bakterije poleg svojega kromosoma (velika krožna DNK) vsebujejo tudi plazmide, ki jih lahko med sabo izmenjujejo. Proces se imenuje konjugacija in je med drugim tudi vzrok za povečevanje odpornosti bakterij proti antibiotikom. Vektor, ki nosi izbrani tuji gen, pomnožimo, da dobimo veliko kopij popolnoma enakega zaporedja DNK. Temu rečemo molekulsko kloniranje. Nato ga vstavimo v ustrezen gostiteljski organizem. Prvi in še vedno najpogosteje uporabljan gostiteljski organizem je bakterija Escherichia coli. Ker je genski kod univerzalen, lahko človeški gen vgradimo v bakterijsko DNK. Bakteriji lastni mehanizmi bodo poskrbeli, da se bo človeški gen v njej pričel prepisovati in posledično bo bakterija izdelovala človeški protein. Za pravilno sintezo večjih in bolj zapletenih proteinov pa so potrebni bolj kompleksni gostitelji, kot so kvasovke ali celice sesalcev. Gostiteljsko celico, ki izdeluje želeni protein, razmnožimo v posebnih gojiščih, iz katerih lahko nato izoliramo večje količine proteina, ki je izhodiščni material za pripravo biološkega zdravila.
Tehnologijo rekombinantne DNK uporabljamo tudi za spreminjanje okvarjene DNK v živih organizmih, kar je osnova genskega zdravljenja. Spreminjanje določenih genov pri rastlinah lahko poveča njihovo odpornost proti suši ali zajedavcem, kar je lahko zelo koristno v poljedelstvu. Če odpornost proti škodljivcem »vgradimo« v rastline, lahko zmanjšamo porabo strupenih pesticidov na poljih.
Veliko pozornosti je genski inženiring pritegnil, ko so ga uporabili na živalih za pripravo klonov, torej živali s povsem enakim genskim zapisom (najbolj znana je ovca Dolly). Pripravili so tudi živali z novimi geni in dobili vrsto z novimi lastnostmi. Tako so na primer v genom majhne akvarijske ribice vstavili gen za fluorescentni zeleni protein, ki so ga izolirali iz meduze, in dobili gensko spremenjeno ribico, ki sveti zeleno. S pomočjo gensko spremenjenih živali lahko pridobivamo tudi biološka zdravila. Antitrombin je najpomembnejši zaviralec strjevanja krvi in ga dajejo bolnikom pri operativnih posegih, da bi preprečili nastanek krvnih strdkov. Včasih so ga izolirali iz plazme krvodajalcev, potem pa so gen za človeški protein antitrombin vstavili v zarodne celice koze. Genu so dodali poseben regulatorni odsek DNK, ki zagotavlja, da protein nastaja v mlečnih žlezah in se izloča v mleko, od koder ga izolirajo.
Biološka zdravila prihodnosti temeljijo na vse boljšem poznavanju genetike in molekularne biologije, njihov razvoj in proizvodnja pa sta odvisna od genskega inženiringa.
