Биологически активные вещества: получение и применение

# Биологически активные вещества: особенности получения и применения
**Ключевые слова:** гормональные препараты, рекомбинантные технологии,
биотехнология, заместительная терапия, инсулин, соматотропин, эритропоэтин, агонисты
ГПП-1, паратиреоидный гормон
## Введение
Гормоны представляют собой органические соединения, синтезируемые в эндокринных
железах, которые поступают в кровоток и регулируют метаболические процессы,
физиологические функции, рост и дифференцировку клеток тканей-мишеней[reference:0].
Согласно классификации по химической структуре, выделяют четыре основных класса
гормонов: пептиды и белки (инсулин, соматотропин, глюкагон), стероиды
(кортикостероиды, половые гормоны), производные аминокислот (тиреоидные гормоны,
катехоламины) и эйкозаноиды[reference:1][reference:2].
История получения гормональных препаратов прошла путь от экстракции из тканей
животных до современных биотехнологических платформ. В данной статье
рассматриваются классические и современные методы получения гормонов, а также
анализируются новейшие разработки 2025–2026 гг. на основе данных научной литературы
и официальных источников.
## Классические методы получения гормонов
### Экстракция из тканей животных
На протяжении большей части XX века основным источником гормональных препаратов
служили ткани и органы сельскохозяйственных животных. Этот подход, восходящий к
традициям органотерапии, основывался на представлении о том, что введение здоровых
органов животных может компенсировать недостаточность соответствующих органов
человека[reference:3].
В период с 1923 по 1980-е годы инсулин производился исключительно из поджелудочной
железы крупного рогатого скота и свиней[reference:4]. Для лечения одного пациента с
сахарным диабетом в течение года требовалось 50–60 животных. Свиной инсулин
отличался от человеческого всего на одну аминокислоту, однако этого было достаточно
для развития аллергических реакций у значительной части пациентов[reference:5].
На основе представленной картинки гормоны классифицируются по химической структуре
на **четыре основных класса**:
--### 1. Аминные гормоны (Amine Hormones)
- **Строение:** Производные аминокислот с модифицированными группами. Например,
у норадреналина карбоксильная группа заменена на бензольное кольцо.
- **Пример:** Норадреналин (norepinephrine).
- **Особенность:** Содержат аминогруппу и ароматическое ядро.
---
### 2. Пептидные гормоны (Peptide Hormones)
- **Строение:** Короткие цепочки аминокислот (несколько десятков остатков),
соединённых пептидными связями.
- **Пример:** Окситоцин (oxytocin) — состоит из 9 аминокислот (Gly, Leu, Pro, Cys, Asp, Cys,
Glu, Tyr, Ile).
- **Особенность:** Синтезируются в виде предшественников, требуют процессинга.
--### 3. Белковые гормоны (Protein Hormones)
- **Строение:** Длинные полипептидные цепи (сотни аминокислотных остатков), часто
имеют сложную трёхмерную структуру.
- **Пример:** Человеческий гормон роста (Human Growth Hormone).
- **Особенность:** Обладают высокой молекулярной массой, синтезируются в
эндокринных железах.
--### 4. Стероидные гормоны (Steroid Hormones)
- **Строение:** Производные холестерина, имеют характерную
циклопентанпергидрофенантреновую структуру (четыре углеродных кольца).
- **Примеры:** Тестостерон (testosterone), прогестерон (progesterone).
- **Особенность:** Липофильны, проходят через клеточную мембрану и действуют через
внутриклеточные рецепторы.
--Таким образом, картинка наглядно иллюстрирует **классификацию гормонов по
химической природе**, что является основой для понимания их биосинтеза, механизма
действия и методов получения (в том числе биотехнологических).
Биотехнологический процесс получения рекомбинантных гормонов — это
многоступенчатая и высокотехнологичная процедура. Полный цикл включает в себя всё: от
работы с генетическим материалом до получения готового лекарственного
препарата[reference:0].
Ниже представлена стандартная технологическая схема, которая с некоторыми
вариациями используется для производства большинства рекомбинантных пептидных
гормонов (инсулин, соматотропин, эритропоэтин и др.).
### � Основные этапы биотехнологического производства гормонов
1. **Конструирование экспрессионного вектора**
Сначала выделяют ген, кодирующий нужный гормон человека. Этот ген встраивают в
небольшую кольцевую молекулу ДНК — плазмиду, которая будет служить «челноком» для
доставки гена в клетку-продуцент. Плазмида также содержит регуляторные элементы
(промотор), обеспечивающие активную работу гена[reference:1][reference:2].
2. **Создание и культивирование клеток-продуцентов**
Сконструированной плазмидой трансформируют (заражают) клетки микроорганизмов,
например, *E. coli* (кишечную палочку) или дрожжи *Pichia pastoris*[reference:3]. В ходе
ферментации эти клетки начинают активно размножаться в больших промышленных
биореакторах и синтезировать целевой человеческий белок[reference:4][reference:5].
3. **Накопление биомассы и выделение гормона**
Клетки *E. coli* часто накапливают целевой белок в нерастворимой форме — в «тельцах
включения». Чтобы его извлечь, клетки разрушают, а затем тельца включения отделяют от
остатков[reference:6][reference:7]. Если же используют дрожжи *P. pastoris*, гормон может
секретироваться (выделяться) прямо в питательную среду, что упрощает его дальнейшую
очистку[reference:8][reference:9].
4. **Растворение и ренатурация (восстановление нативной структуры)**
После выделения телец включения их необходимо растворить (солюбилизировать). Для
этого используются специальные буферы, содержащие, например,
мочевину[reference:10][reference:11]. Затем проводят процесс ренатурации, в ходе
которого растворенный белок под подобранным условиям сворачивается в свою
правильную, нативную трехмерную структуру, обретая биологическую
активность[reference:12][reference:13].
5. **Многоступенчатая хроматографическая очистка**
Это самый ответственный этап, цель которого — отделить целевой белок от посторонних
примесей и добиться высокой чистоты препарата (>98%)[reference:14][reference:15].
Обычно используется несколько методов хроматографии последовательно:
* **Ионообменная хроматография:** разделяет белки по их заряду[reference:16].
* **Гидрофобная хроматография:** разделяет белки по их способности
взаимодействовать с водой[reference:17].
* **Гель-фильтрация:** разделяет белки по размеру молекул[reference:18].
6. **Ферментативное отщепление метки (если необходимо)**
В некоторых случаях, особенно при производстве инсулина, целевой белок синтезируют
в виде более крупного предшественника (гибридного белка). На заключительном этапе от
этой молекулы с помощью ферментов (например, трипсина и карбоксипептидазы Б)
отщепляют «метку», получая зрелый активный гормон[reference:19].
7. **Формулирование и лиофилизация**
Очищенный гормон смешивают со вспомогательными веществами для стабилизации его
структуры (формулируют). Чаще всего для обеспечения длительного срока хранения и
удобства транспортировки полученный препарат подвергают лиофилизации —
осторожной сушке в вакууме из замороженного состояния[reference:20].
В итоге получается **активный, высокоочищенный гормональный препарат (обычно
>98,5%)** для клинического применения[reference:21].
**Основные недостатки классических методов:**
1. Дефицит сырья и зависимость от животноводства
2. Риск контаминации примесями и пирогенами
3. Видовая специфичность (иммуногенность препаратов животного происхождения)
4. Трудности стандартизации и масштабирования
## Современные биотехнологические методы получения гормонов
Переломным моментом в производстве гормональных препаратов стало развитие
технологий рекомбинантной ДНК. Этот подход позволил осуществлять направленный
синтез гормонов в клетках-продуцентах — микроорганизмах или культурах клеток
млекопитающих.
### Рекомбинантный инсулин
**Историческая веха.** В октябре 1982 года Управление по санитарному надзору за
качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило препарат Humulin
компании Eli Lilly — первый в истории лекарственный препарат, полученный методом
генной инженерии[reference:9]. Разработка технологии заняла всего четыре года — от
экспрессии рекомбинантного инсулина в бактериях до запуска промышленного
производства[reference:10]. Процесс одобрения занял лишь пять месяцев, что значительно
быстрее среднего показателя того времени (30,5 месяца)[reference:11].
**Технологические платформы.** В настоящее время используются две основные системы
экспрессии для производства рекомбинантного инсулина: бактерии *Escherichia coli* и
дрожжи *Saccharomyces cerevisiae*[reference:12]. Преимущества *E. coli* как продуцента
включают высокую продуктивность, низкую стоимость культивирования, простоту условий
выращивания, быстрый рост и отсутствие эндотоксинов[reference:13].
Технологический процесс включает встраивание гена, кодирующего проинсулин, в ДНК
микроорганизма-продуцента. Синтезированный проинсулин (неактивная форма)
впоследствии подвергается ферментативному отщеплению C-пептида с образованием
активного рекомбинантного инсулина[reference:14]. Преимущество метода заключается в
возможности лёгкого масштабирования процесса.
К 2004 году доля генно-инженерного человеческого инсулина в общем мировом объёме
производства гормона превысила 70%[reference:15].
В России промышленным производством генно-инженерного инсулина занимается, в
частности, завод «Медсинтез», который одним из первых в стране освоил выпуск готовых
лекарственных форм рекомбинантного инсулина[reference:16].
### Рекомбинантный гормон роста (соматотропин)
Соматотропин — пептидный гормон, состоящий из 191 аминокислотного остатка с
молекулярной массой 22125 Да, вырабатываемый передней долей гипофиза[reference:17].
Важно отметить, что аминокислотная последовательность соматотропина человека
отличается от соматотропинов животных на 34–35%, что объясняет низкую эффективность
и иммуногенность препаратов животного происхождения[reference:18].
Переход к рекомбинантным технологиям был обусловлен не только проблемой видовой
специфичности, но и серьёзными рисками безопасности. Препараты гормона роста,
получаемые из гипофизов трупов, были связаны с возможностью передачи болезни
Крейтцфельдта-Якоба, что сделало их применение неприемлемым.
Современные промышленные способы получения рекомбинантного гормона роста
человека основаны на ферментации клеток *E. coli*, продуцирующих человеческий
гормон роста, с последующим выделением телец включения и многоступенчатой
очисткой, обеспечивающей чистоту целевого продукта не менее 98%[reference:19].
Разработаны также альтернативные системы экспрессии, например, на основе дрожжей
*Saccharomyces cerevisiae* с использованием рекомбинантной плазмидной ДНК,
кодирующей полипептид соматотропина[reference:20].
**Области применения:**
- Гипофизарный нанизм (карликовость)
- Синдром Шерешевского–Тернера
- Комплексная терапия сахарного диабета II типа, гипертонии, атеросклероза, сердечнососудистой недостаточности, ожирения[reference:21]
### Рекомбинантный эритропоэтин
Эритропоэтин является примером гормона, требующего правильного
посттрансляционного гликозилирования для сохранения биологической активности. Это
делает невозможным его производство в бактериальных системах, которые не способны
осуществлять такие модификации.
Для получения рекомбинантного эритропоэтина используются клеточные линии
млекопитающих, преимущественно клетки яичника китайского хомячка (CHO) и клетки
почки хомячка (BHK)[reference:22][reference:23].
Технологический процесс включает:
1. Трансфекцию клеточной линии плазмидой, содержащей ген человеческого
эритропоэтина[reference:24]
2. Селекцию трансфектантов в среде с антибиотиком G418[reference:25]
3. Амплификацию интегрированных последовательностей в среде, содержащей
гипоксантин, аминоптерин и тимидин (ГАТ)[reference:26]
4. Культивирование на синтетических питательных средах *in vitro* с последующей
секрецией целевого продукта[reference:27]
Выход рекомбинантного эритропоэтина при стационарном культивировании достигает 4
мг/л культуральной жидкости[reference:28]. Современные исследования направлены на
оптимизацию состава питательных сред, включая снижение концентрации сыворотки и
добавление специфических усилителей продуктивности, таких как NMDA, 13-цис-ретиналь
и Pluronic F-68[reference:29].
## Новейшие разработки 2025–2026 гг.
### 1. Обеспечение полной независимости России в заместительной гормонотерапии
В июне 2025 года на Петербургском международном экономическом форуме директор
Национального медицинского исследовательского центра эндокринологии им. академика
И. И. Дедова Наталья Мокрышева объявила о разработке в России последнего
недостающего гормона для заместительной терапии — паратиреоидного
гормона[reference:30]. Запуск производства запланирован на 2026 год, что позволит
полностью отказаться от дорогостоящего импорта из США и других стран[reference:31]. В
настоящее время все остальные дефицитные состояния в России уже обеспечены
соответствующей терапией[reference:32].
### 2. Функциональная модификация стероидных гормонов
В сентябре 2025 года учёные Тульского университета Льва Толстого представили
инновационный метод функциональной модификации стероидных
гормонов[reference:33]. Разработка основана на использовании каталитических систем с
контролируемой селективностью, что обеспечивает высокую точность вносимых
изменений в молекулярную структуру стероидного ядра[reference:34].
**Ключевые характеристики метода:**
- Возможность введения дополнительных функциональных групп в молекулы гормонов
- Расширение спектра биологической активности
- Создание производных стероидов с заданными свойствами
- Высокая селективность воздействия
- Сокращение использования токсичных реагентов
- Упрощённая схема синтеза по сравнению с традиционными методами[reference:35]
Разработка найдёт применение в производстве современных гормональных препаратов,
создании противоопухолевых средств и новых противовоспалительных
лекарств[reference:36].
### 3. Имплантируемые «живые аптечки» для непрерывного высвобождения гормонов
В марте 2026 года биоинженеры Северо-Западного университета (США) представили
имплантируемое устройство размером с USB-флешку, содержащее миллионы живых
клеток, производящих и выделяющих лекарственные вещества на базе антител и
гормонов на протяжении более месяца[reference:37].
Устройство снабжено специальной капсулой, которая одновременно изолирует клетки от
иммунной системы хозяина и производит кислород путём электрокаталитического
расщепления воды[reference:38]. Процессы могут гибко управляться по беспроводному
каналу связи, что позволяет адаптировать выработку лекарств под нужды конкретного
пациента[reference:39].
В экспериментах на лабораторных крысах устройство, содержащее три культуры клеток,
продуцирующих антитела к ВИЧ, инсулин и гормон насыщения лептин, поддерживало
стабильные концентрации всех трёх молекул в кровотоке в течение месяца[reference:40].
Данная разработка рассматривается как основа для создания «искусственной
поджелудочной железы» и других терапевтических имплантатов для лечения хронических
заболеваний[reference:41].
### 4. Отечественная технология производства субстанций агонистов ГПП-1
Учёные Центра синтетической биотехнологии Первого МГМУ имени И. М. Сеченова
разработали новую биотехнологию получения фармацевтической субстанции для
производства агонистов рецепторов ГПП-1 (глюкагоноподобного пептида 1-го типа),
включая семаглутид — препараты нового класса для лечения сахарного диабета 2-го типа
и ожирения[reference:42][reference:43].
До настоящего времени большинство доступных на российском рынке препаратованалогов рецепторов ГПП-1 производились из фармацевтической субстанции китайского
производства[reference:44]. Разработанная технология позволяет локализовать полный
цикл производства этих лекарств на территории России[reference:45].
**Ключевые особенности разработки:**
- Использование генетически модифицированного штамма *E. coli* в качестве
продуцента[reference:46]
- Секреция целевого продукта непосредственно в культуральную жидкость, что упрощает
очистку и сокращает время производства[reference:47]
- Продуктивность технологии превышает 1 грамм белка-предшественника на
литр[reference:48]
Планируется передача технологии индустриальному партнёру для промышленного
производства фармацевтической субстанции[reference:49].
## Применение гормональных препаратов в клинической практике
Современные гормональные препараты находят широкое применение в следующих
областях медицины:
| Класс гормонов | Основные области применения |
|:--------------|:---------------------------|
| Инсулин и его аналоги | Сахарный диабет 1-го и 2-го типов |
| Соматотропин (гормон роста) | Гипофизарный нанизм, синдром Шерешевского–Тернера,
возрастные дефицитные состояния |
| Эритропоэтин | Анемия при хронической почечной недостаточности, онкологических
заболеваниях |
| Агонисты ГПП-1 | Сахарный диабет 2-го типа, ожирение |
| Паратиреоидный гормон | Гипопаратиреоз, постхирургический гипокальциемический
синдром |
| Стероидные гормоны | Заместительная терапия при недостаточности коры
надпочечников, гормонально-зависимые опухоли, воспалительные заболевания |
## Заключение
Эволюция методов получения гормональных препаратов представляет собой наглядную
иллюстрацию прогресса биотехнологии в целом. Классические методы экстракции из
тканей животных, сыгравшие важнейшую роль в становлении эндокринологии как
клинической дисциплины, постепенно уступили место рекомбинантным технологиям,
обеспечивающим получение высокоочищенных гормонов, идентичных эндогенным
молекулам человека.
Рекомбинантный инсулин, одобренный в 1982 году, стал первым препаратом,
произведённым методом генной инженерии, и открыл эру биофармацевтики. Вслед за
ним были разработаны технологии получения рекомбинантных соматотропина и
эритропоэтина, требующие использования различных систем экспрессии — от бактерий до
клеток млекопитающих.
Новейшие разработки 2025–2026 гг. демонстрируют дальнейшее развитие этой области.
Россия движется к полной независимости в заместительной гормонотерапии,
разрабатывая собственные технологии производства паратиреоидного гормона и
агонистов ГПП-1. Тульские учёные предложили метод функциональной модификации
стероидных гормонов, открывающий возможности для создания препаратов с
улучшенными свойствами. Американские исследователи представили имплантируемые
«живые аптечки», способные непрерывно продуцировать гормоны непосредственно в
организме пациента.
Совокупность этих достижений позволяет утверждать, что биотехнология гормональных
препаратов продолжает активно развиваться, предлагая всё более эффективные,
безопасные и доступные решения для заместительной и патогенетической терапии
эндокринных заболеваний.
---