Клеточная инженерия
Клеточная инженерия — это целенаправленный процесс добавления, удаления или модификации генетических последовательностей в живых клетках для достижения целей биологической инженерии, таких как изменение производства клеток, изменение требований к росту и пролиферации клеток, добавление или удаление функций клеток и многое другое. Для достижения этих модификаций в клеточной инженерии часто используются технологии ДНК, а также тесно связанные методы тканевой инженерии. Клеточная инженерия может быть охарактеризована как промежуточный уровень во все более специфических дисциплинах биологической инженерии, которые включают органную инженерию, тканевую инженерию, белковую инженерию и генную инженерию.
Область клеточной инженерии набирает все большую популярность по мере того, как биомедицинские исследования в области тканевой инженерии развиваются и становятся более специфичными. Количество публикаций в этой области выросло с нескольких тысяч в начале 2000-х годов до почти 40 000 в 2020 году.
Обзор
[ редактировать ]Улучшение производства натуральных клеточных продуктов
[ редактировать ]Одна из общих форм клеточной инженерии включает изменение естественного производства клеток для достижения более желаемого выхода или более короткого времени производства. [1] Возможный метод изменения естественного производства клеток включает усиление или подавление генов, которые участвуют в метаболизме продукта. Например, исследователям удалось сверхэкспрессировать гены-переносчики в клетках яичника хомячка , чтобы увеличить выход моноклональных антител . [2] Другой подход может включать включение биологически чужеродных генов в существующую клеточную линию. Например, кишечную палочку , которая синтезирует этанол, можно модифицировать с помощью генов Zymomonas mobilis, чтобы сделать ферментацию этанола основным продуктом клеточной ферментации. [3]
Изменение требований к ячейкам
[ редактировать ]Другой полезной модификацией клеток является корректировка требований к субстрату и росту клетки. Изменяя потребности клеток, можно значительно сократить затраты на сырье, оборудование и навыки, необходимые для выращивания и поддержания клеточных культур. Например, ученые использовали зарубежные ферменты для создания обычного промышленного штамма дрожжей , который позволяет клеткам расти на субстрате, более дешевом, чем традиционная глюкоза . [4] Поскольку биологическая инженерия фокусируется на снижении затрат на масштабирование, исследования в этой области в основном сосредоточены на способности различных ферментов метаболизировать недорогие субстраты. [5]
Увеличение клеток для производства новых продуктов
[ редактировать ]Тесно связанный с областью биотехнологии , этот предмет клеточной инженерии использует методы рекомбинантной ДНК , чтобы побудить клетки создавать желаемый продукт, такой как белок , антитело или фермент . Одним из наиболее ярких примеров этого подвида клеточной инженерии является трансформация E. Coli в транскрипт и трансляцию предшественника инсулина , что резко снизило стоимость производства. [6] Аналогичное исследование было проведено вскоре после этого в 1979 году, в ходе которого E. Coli была трансформирована для экспрессии человеческого гормона роста для использования в лечении гипофизарной карликовости. [7] Наконец, большой прогресс был достигнут в конструировании клеток для производства антигенов с целью создания вакцин . [8]
Настройка свойств ячеек
[ редактировать ]В рамках биоинженерии различные методы модификации клеток используются для изменения присущих клеткам свойств, таких как плотность роста, скорость роста, урожайность, термостойкость, морозоустойчивость, химическая чувствительность и уязвимость к патогенам. [1] Например, в 1988 году одна группа исследователей из Технологического института Иллинойса успешно экспрессировала ген гемоглобина Vitreoscilla в E. Coli , чтобы создать штамм, который был более толерантен к условиям с низким содержанием кислорода, например, к тем, которые встречаются в промышленных биореакторах высокой плотности. [9]
Инженерия стволовых клеток
[ редактировать ]Один отдельный раздел клеточной инженерии включает в себя изменение и настройку стволовых клеток. Большая часть недавних исследований в области терапии и лечения стволовыми клетками подпадает под вышеупомянутые методы клеточной инженерии. Стволовые клетки уникальны тем, что они могут дифференцироваться в различные другие типы клеток, которые затем могут быть изменены для производства новых терапевтических средств или обеспечения основы для дальнейших усилий по клеточной инженерии. [10] Один из примеров направленной инженерии стволовых клеток включает частичную дифференцировку стволовых клеток в миоциты , чтобы обеспечить выработку промиогенных факторов для лечения саркопении или атрофии мышц из-за неактивности. [11]
История
[ редактировать ]Фраза «инженерия ячеек» впервые была использована в опубликованной в 1968 году статье для описания процесса совершенствования топливных элементов. [12] Затем этот термин был принят в других статьях, пока не стал использоваться более конкретный термин «инженерия топливных элементов».
Первое использование этого термина в биологическом контексте было в 1971 году в статье, в которой описываются методы прививки репродуктивных колпачков между клетками водорослей. [13] Несмотря на растущую популярность этой фразы, границы между клеточной инженерией и другими формами биологической инженерии остаются неясными. [1]
Примеры
[ редактировать ]- Терапевтическая Т-клеточная инженерия: [14] изменение Т-клеток для нацеливания на антигены, связанные с раком, для лечения
- моноклональных антител : Производство [15] улучшение производства моноклональных антител с использованием сконструированных клеток
- in vivo Фабрики клеток : [16] создание клеток для производства терапевтических средств в организме пациента
- Направленная дифференцировка стволовых клеток : [17] использование внешних факторов для направления дифференцировки стволовых клеток
- Конъюгаты антитело-лекарственное средство : [18] разработка связей антител и цитотоксических препаратов для лечения заболеваний
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Кэмерон, Дуглас К.; Тонг, И-Тех (1 января 1993 г.). «Клеточная и метаболическая инженерия» . Прикладная биохимия и биотехнология . 38 (1): 105–140. дои : 10.1007/BF02916416 . ISSN 1559-0291 . ПМИД 8346901 . S2CID 28117582 .
- ^ Табути, Хисахиро; Сугияма, Томоя; Танака, Саэко; Тайнака, Сатоши (2010). «Сверхэкспрессия переносчика таурина в клетках яичника китайского хомячка может повысить жизнеспособность клеток и выход продукта, одновременно способствуя потреблению глютамина» . Биотехнология и биоинженерия . 107 (6): 998–1003. дои : 10.1002/бит.22880 . ISSN 1097-0290 . ПМИД 20661907 . S2CID 9824980 .
- ^ Ингрэм, Лоу; Конвей, Т; Кларк, ДП; Сьюэлл, GW; Престон, Дж. Ф. (1 октября 1987 г.). «Генная инженерия получения этанола в Escherichia coli» . Прикладная и экологическая микробиология . 53 (10): 2420–2425. Бибкод : 1987ApEnM..53.2420I . дои : 10.1128/aem.53.10.2420-2425.1987 . ПМК 204123 . ПМИД 3322191 .
- ^ Ледесма-Амаро, Родриго; Нико, Жан-Марк (октябрь 2016 г.). «Метаболическая инженерия для расширения спектра субстратов Yarrowia lipolytica» . Тенденции в биотехнологии . 34 (10): 798–809. дои : 10.1016/j.tibtech.2016.04.010 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 27207225 .
- ^ Прието, Массачусетс; Перес-Аранда, А; Гарсия, JL (1 апреля 1993 г.). «Характеристика ароматической гидроксилазы Escherichia coli с широким диапазоном субстратов» . Журнал бактериологии . 175 (7): 2162–2167. дои : 10.1128/jb.175.7.2162-2167.1993 . ПМК 204336 . ПМИД 8458860 .
- ^ Гёддель, Д.В.; Клейд, Д.Г.; Боливар, Ф.; Хейнекер, HL; Янсура, генеральный директор; Креа, Р.; Хиросе, Т.; Крашевский, А.; Итакура, К.; Риггс, AD (1 января 1979 г.). «Экспрессия в Escherichia coli химически синтезированных генов человеческого инсулина» . Труды Национальной академии наук . 76 (1): 106–110. Бибкод : 1979ПНАС...76..106Г . дои : 10.1073/pnas.76.1.106 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 382885 . ПМИД 85300 .
- ^ Гёддел, Дэвид В.; Хейнекер, Герберт Л.; Ходзуми, Тоёхара; Арентцен, Рене; Итакура, Кейичи; Янсура, Дэниел Г.; Росс, Майкл Дж.; Миоццари, Джузеппе; Креа, Роберт; Сибург, Питер Х. (октябрь 1979 г.). «Прямая экспрессия в Escherichia coli последовательности ДНК, кодирующей гормон роста человека» . Природа 281 (5732): 544–548. Бибкод : 1979Nature.281..544G . дои : 10.1038/ 281544a0 ISSN 1476-4687 . ПМИД 386136 . S2CID 4237998 .
- ^ Насименто, ИП; Лейте, ООО (декабрь 2012 г.). «Рекомбинантные вакцины и разработка новых стратегий вакцинации» . Бразильский журнал медицинских и биологических исследований . 45 (12): 1102–1111. дои : 10.1590/S0100-879X2012007500142 . ISSN 0100-879X . ПМЦ 3854212 . ПМИД 22948379 .
- ^ Дикшит, Канак Л.; Вебстер, Дейл А. (30 октября 1988 г.). «Клонирование, характеристика и экспрессия бактериального гена глобина витреоциллы в Escherichia coli» . Джин . 70 (2): 377–386. дои : 10.1016/0378-1119(88)90209-0 . ISSN 0378-1119 . ПМИД 2850971 .
- ^ Ли, Шэнвэнь Кальвин; Ван, Ланг; Цзян, Хун; Асеведо, Хулиана; Чанг, Энтони Кристофер; Лаудон, Уильям Гюнтер (1 марта 2009 г.). «Инженерия стволовых клеток для лечения заболеваний сердца: возможности и проблемы» . Международная клеточная биология . 33 (3): 255–267. дои : 10.1016/j.cellbi.2008.11.009 . ISSN 1065-6995 . ПМИД 19084605 . S2CID 20486657 .
- ^ Фикс, Деннис К.; Махмассани, Зиад С.; Петрочелли, Джонатан Дж.; де Харт, Наоми ММП; Феррара, Патрик Дж.; Художник Джесси С.; Нистор, Габриэль; Лейн, Томас Э.; Кирстед, Ханс С.; Драммонд, Мика Дж. (01 декабря 2021 г.). «Устранение дефицита возрастных скелетных мышц во время неиспользования и восстановления в ответ на лечение продуктом секротома, полученным из частично дифференцированных плюрипотентных стволовых клеток человека» . Геронаука . 43 (6): 2635–2652. дои : 10.1007/s11357-021-00423-0 . ISSN 2509-2723 . ПМЦ 8602548 . ПМИД 34427856 .
- ^ Тербер, WC (1 мая 1968 г.). «Завершение «Обсуждения« Электростанции на топливных элементах для глубоководной подводной лодки »» (1968, ASME J. Eng. Ind., 90, стр. 266–267)» . Журнал техники для промышленности . 90 (2): 267. дои : 10.1115/1.3604626 . ISSN 0022-0817 .
- ^ Бонотто, С.; Кирхманн, Р.; Манил, П. (1 января 1971 г.). «Клеточная инженерия в вертлужной впадине: метод трансплантации для получения крупных клеток с двумя или более репродуктивными колпачками» . Джорнале Ботанико Итальяно . 105 (1): 1–9. дои : 10.1080/11263507109431460 . ISSN 0017-0070 .
- ^ Саделен, Мишель; Ривьер, Изабель; Ридделл, Стэнли (май 2017 г.). «Терапевтическая Т-клеточная инженерия» . Природа . 545 (7655): 423–431. Бибкод : 2017Natur.545..423S . дои : 10.1038/nature22395 . ISSN 1476-4687 . ПМЦ 5632949 . ПМИД 28541315 .
- ^ Рита Коста, А.; Элиза Родригес, М.; Энрикес, Мариана; Азередо, Хоана; Оливейра, Росарио (01 февраля 2010 г.). «Руководство по клеточной инженерии для производства моноклональных антител» . Европейский журнал фармацевтики и биофармацевтики . 74 (2): 127–138. дои : 10.1016/j.ejpb.2009.10.002 . hdl : 1822/11473 . ISSN 0939-6411 . ПМИД 19853660 .
- ^ Мансури, Майсам; Фюссенеггер, Мартин (29 сентября 2021 г.). «Терапевтическая клеточная инженерия: проектирование программируемых синтетических генетических цепей в клетках млекопитающих» . Белок и клетка . 13 (7): 476–489. дои : 10.1007/s13238-021-00876-1 . ISSN 1674-8018 . ПМЦ 9226217 . ПМИД 34586617 . S2CID 238217661 .
- ^ Клаузула, Келли С.; Лю, Ли Дж.; Тобита, Кимимаса (апрель 2010 г.). «Направленная дифференцировка стволовых клеток: роль физических сил» . Клеточная связь и адгезия . 17 (2): 48–54. дои : 10.3109/15419061.2010.492535 . ISSN 1541-9061 . ПМЦ 3285265 . ПМИД 20560867 .
- ^ Петтинато, Марк К. (27 октября 2021 г.). «Введение в конъюгаты антитело-лекарственное средство» . Антитела . 10 (4): 42. дои : 10.3390/antib10040042 . ISSN 2073-4468 . ПМЦ 8628511 . ПМИД 34842621 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Институт клеточной инженерии Медицинского факультета Университета Джонса Хопкинса
- Клеточная и тканевая инженерия , факультет биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли.