Биомедицина: Основы и Применение в Клинической Практике

Введение

Отрасль медицинской науки, применяющая биологические и физиологические принципы к клинической практике, фармацевтическая компания. Биомедицина (также именуемая западной медициной, основной медициной или традиционной медициной) – это отрасль медицинской науки, применяющая биологические и физиологические принципы к клинической практике. Биомедицина делает акцент на стандартизированном, основанном на доказательствах лечении, подтвержденном биологическими исследованиями, которое проводится квалифицированными врачами, медсестрами и другими лицензированными специалистами. Биомедицина также связана со многими другими областями здравоохранения и биологических наук. Более века она является доминирующей системой медицины в западном мире. Она включает в себя множество биомедицинских дисциплин и областей специализации, которые обычно содержат префикс "био", таких как молекулярная биология, биохимия, биотехнология, клеточная биология, эмбриология, нанобиотехнология, биологическая инженерия, лабораторная медицинская биология, цитогенетика, генетика, генная терапия, биоинформатика, биостатистика, системная биология, нейронаука, микробиология, вирусология, иммунология, паразитология, физиология, патология, анатомия, токсикология и многие другие, которые в целом относятся к наукам о жизни, применяемым в медицине.

Обзор

Биомедицина является краеугольным камнем современного здравоохранения и лабораторной диагностики. Она охватывает широкий спектр научных и технологических подходов: от диагностики *in vitro* до экстракорпорального оплодотворения *in vitro*, от молекулярных механизмов муковисцидоза до популяционной динамики вируса ВИЧ, от понимания молекулярных взаимодействий до изучения канцерогенеза, от однонуклеотидного полиморфизма (СНП) до генной терапии. Биомедицина базируется на молекулярной биологии и объединяет все аспекты развития молекулярной медицины в масштабные структурные и функциональные взаимосвязи генома, транскриптома, протеома, физиома и метаболома человека, с акцентом на разработку новых технологий для прогнозирования, диагностики и терапии. Биомедицина включает изучение (пато)физиологических процессов с применением методов биологии и физиологии. Подходы варьируются от изучения молекулярных взаимодействий до анализа последствий на уровне *in vivo*. Эти процессы исследуются с целью разработки новых стратегий диагностики и терапии. В зависимости от тяжести заболевания, биомедицина выявляет проблему у пациента и решает ее посредством медицинского вмешательства. Медицина фокусируется на излечении болезней, а не на улучшении здоровья. В социальных науках биомедицина рассматривается несколько иначе. С антропологической точки зрения, биомедицина выходит за рамки биологии и научных фактов, представляя собой социокультурную систему, которая коллективно конструирует представление о реальности. Несмотря на то, что традиционно считается, что биомедицина лишена предвзятости благодаря принципам доказательной медицины, Гейнс и Дэвис Флойд (2004) подчеркивают, что сама биомедицина имеет культурную основу, поскольку отражает нормы и ценности своих создателей.

Молекулярная биология

Молекулярная биология – это процесс синтеза и регуляции ДНК, РНК и белка клетки. Молекулярная биология включает в себя различные методы, такие как полимеразная цепная реакция (ПЦР), гелевый электрофорез и блоттинг макромолекул для манипулирования ДНК. Полимеразная цепная реакция проводится путем помещения смеси целевой ДНК, ДНК-полимеразы, праймеров и нуклеотидных оснований в прибор. Прибор нагревается и охлаждается при разных температурах, чтобы разорвать водородные связи, удерживающие ДНК, и позволить нуклеотидным основаниям присоединяться к двум матрицам ДНК после их разделения. Гелевый электрофорез – это метод, используемый для идентификации сходства ДНК между двумя неизвестными образцами ДНК. Этот процесс начинается с приготовления агарозного геля. Этот желеобразный лист содержит лунки для заливки ДНК. Прикладывается электрический ток, в результате чего ДНК, имеющая отрицательный заряд из-за фосфатных групп, притягивается к положительному электроду. Различные фрагменты ДНК перемещаются с разной скоростью, поскольку некоторые фрагменты больше других. Таким образом, если два образца ДНК демонстрируют схожий рисунок при гелевом электрофорезе, можно заключить, что эти образцы ДНК соответствуют друг другу. Блоттинг макромолекул – это процесс, выполняемый после гелевого электрофореза. В емкости готовят щелочной раствор. В раствор помещают губку, а на губку – агарозный гель. Затем на агарозный гель помещают нитроцеллюлозную бумагу, а сверху на нее – бумажные полотенца для создания давления. Щелочной раствор поднимается вверх по направлению к бумажным полотенцам. В процессе этого ДНК денатурирует в щелочном растворе и переносится вверх на нитроцеллюлозную бумагу. Затем бумагу помещают в пластиковый пакет и заполняют раствором, содержащим фрагменты ДНК, называемые зондом, обнаруженные в целевом образце ДНК. Зонды гибридизуются с комплементарной ДНК полос, уже присутствующих на нитроцеллюлозном образце. Затем зонды промывают, и остаются только те, которые гибридизировались с комплементарной ДНК на бумаге. Далее бумагу приклеивают к рентгеновской пленке. Радиоактивность зондов создает темные полосы на пленке, называемые авторадиографией. В результате на пленке отображаются только образцы ДНК, схожие с образцом зонда. Это позволяет сравнивать сходные последовательности ДНК нескольких образцов ДНК. В целом, процесс обеспечивает точное определение сходства как в схожих, так и в различных образцах ДНК.

Molecular biology is the process of synthesis and regulation of a cell's DNA, RNA, and protein. Molecular biology consists of different techniques including Polymerase chain reaction, Gel electrophoresis, and macromolecule blotting to manipulate DNA. Polymerase chain reaction is done by placing a mixture of the desired DNA, DNA polymerase, primers, and nucleotide bases into a machine. The machine heats up and cools down at various temperatures to break the hydrogen bonds binding the DNA and allows the nucleotide bases to be added onto the two DNA templates after it has been separated. Gel electrophoresis is a technique used to identify similar DNA between two unknown samples of DNA. This process is done by first preparing an agarose gel. This jelly like sheet will have wells for DNA to be poured into. An electric current is applied so that the DNA, which is negatively charged due to its phosphate groups is attracted to the positive electrode. Different rows of DNA will move at different speeds because some DNA pieces are larger than others. Thus if two DNA samples show a similar pattern on the gel electrophoresis, one can tell that these DNA samples match. Macromolecule blotting is a process performed after gel electrophoresis. An alkaline solution is prepared in a container. A sponge is placed into the solution and an agarose gel is placed on top of the sponge. Next, nitrocellulose paper is placed on top of the agarose gel and a paper towels are added on top of the nitrocellulose paper to apply pressure. The alkaline solution is drawn upwards towards the paper towel. During this process, the DNA denatures in the alkaline solution and is carried upwards to the nitrocellulose paper. The paper is then placed into a plastic bag and filled with a solution full of the DNA fragments, called the probe, found in the desired sample of DNA. The probes anneal to the complementary DNA of the bands already found on the nitrocellulose sample. Afterwards, probes are washed off and the only ones present are the ones that have annealed to complementary DNA on the paper. Next the paper is stuck onto an x ray film. The radioactivity of the probes creates black bands on the film, called an autoradiograph. As a result, only similar patterns of DNA to that of the probe are present on the film. This allows us the compare similar DNA sequences of multiple DNA samples. The overall process results in a precise reading of similarities in both similar and different DNA sample.

Биохимия

Биохимия – это наука о химических процессах, происходящих в живых организмах. Для выживания живым организмам необходимы такие элементы, как углерод, водород, азот, кислород, кальций и фосфор. Эти элементы составляют четыре макромолекулы, необходимые для жизни: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Углеводы, состоящие из углерода, водорода и кислорода, являются молекулами, запасающими энергию. Самый простой углевод – глюкоза (CHO) – используется в клеточном дыхании для производства АТФ, аденозинтрифосфата, который обеспечивает клетки энергией. Белки – это цепочки аминокислот, выполняющие, в частности, функции сокращения скелетных мышц, катализаторов, транспортных и запасных молекул. Белковые катализаторы могут ускорять биохимические процессы, снижая энергию активации реакции. Гемоглобины также являются белками, переносящими кислород к клеткам организма. Липиды, также известные как жиры, представляют собой небольшие молекулы, образованные из биохимических субъединиц – кетоацильных или изопреновых групп. Они подразделяются на восемь категорий: жирные кислоты, глицеролипиды, глицерофосфолипиды, сфинголипиды, сахаролипиды и поликетиды (полученные в результате конденсации кетоацильных субъединиц); стерольные липиды и пренольные липиды (полученные в результате конденсации изопреновых субъединиц). Их основное назначение – долгосрочное хранение энергии. Благодаря своей уникальной структуре липиды обеспечивают более чем в два раза больше энергии, чем углеводы. Липиды также могут служить изоляцией. Кроме того, липиды используются в производстве гормонов для поддержания гормонального баланса и формирования структуры клеточных мембран. Нуклеиновые кислоты являются ключевым компонентом ДНК – основного носителя генетической информации, часто находящейся в ядре клетки, и контролируют метаболические процессы клетки. ДНК состоит из двух комплементарных антипараллельных цепей, состоящих из различных последовательностей нуклеотидов. РНК – это одноцепочечная молекула, транскрибируемая из ДНК и используемая для трансляции ДНК, то есть для синтеза белков на основе последовательностей РНК.

Biochemistry is the science of the chemical processes which takes place within living organisms. Living organisms need essential elements to survive, among which are carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, calcium, and phosphorus. These elements make up the four macromolecules that living organisms need to survive: carbohydrates, lipids, proteins, and nucleic acids. Carbohydrates, made up of carbon, hydrogen, and oxygen, are energy storing molecules. The simplest carbohydrate is glucose, CHO, is used in cellular respiration to produce ATP, adenosine triphosphate, which supplies cells with energy. Proteins are chains of amino acids that function, among other things, to contract skeletal muscle, as catalysts, as transport molecules, and as storage molecules. Protein catalysts can facilitate biochemical processes by lowering the activation energy of a reaction. Hemoglobins are also proteins, carrying oxygen to an organism's cells. Lipids, also known as fats, are small molecules derived from biochemical subunits from either the ketoacyl or isoprene groups. Creating eight distinct categories: fatty acids, glycerolipids, glycerophospholipids, sphingolipids, saccharolipids, and polyketides (derived from condensation of ketoacyl subunits); and sterol lipids and prenol lipids (derived from condensation of isoprene subunits). Their primary purpose is to store energy over the long term. Due to their unique structure, lipids provide more than twice the amount of energy that carbohydrates do. Lipids can also be used as insulation. Moreover, lipids can be used in hormone production to maintain a healthy hormonal balance and provide structure to cell membranes. Nucleic acids are a key component of DNA, the main genetic information storing substance, found oftentimes in the cell nucleus, and controls the metabolic processes of the cell. DNA consists of two complementary antiparallel strands consisting of varying patterns of nucleotides. RNA is a single strand of DNA, which is transcribed from DNA and used for DNA translation, which is the process for making proteins out of RNA sequences.