Текст книги "Человек редактированный, или Биомедицина будущего"

Автор книги: Сергей Киселев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 12 страниц)

Работа с генами вне клетки

Благодаря открытию генетической рекомбинации человечество получило возможность работать с генами, которыми, как оказалось, можно манипулировать вне организма. Работа эта непростая. Например, надо получить ген, то есть вырезать из полного генетического текста всего пару предложений, а для этого сделать два разрыва в ДНК человека. В коротеньком генетическом тексте бактериальной клетки, который у кишечной палочки, любимицы молекулярных биологов и генных инженеров, в тысячу раз меньше, чем у человека, фермент рестрикции делает только один разрыв, чтобы можно было вставить туда вырезанный ген.

Сегодня рынок рекомбинантных технологий исчисляется триллионами долларов. В 2020 году объем этого рынка, приходящийся только на медицину, составил более шестисот миллиардов долларов. А начиналось все с инсулина, производство которого до сих пор составляет порядка пятидесяти процентов всей медицинской части рынка. Другие составляющие – это онкология, аутоиммунные заболевания и, конечно, вакцины, изготовленные на основе рекомбинантных технологий.

Широко применяются рекомбинантные технологии и в сельском хозяйстве, в том числе в растениеводстве. Дело в том, что у растений, как и у многих видов животных, существуют свои бактерии и вирусы – точно такой же инструментарий, как тот, что используется для разработки медицинских технологий или промышленных биотехнологий. Это значит, что с помощью вирусов растений можно делать ускоренный перенос генов между различными их видами. Рекомбинантные технологии позволяют улучшать пищевые свойства растений, повышать их сопротивляемость вредителям и урожайность.

Медицина и разработка методов интенсивного земледелия для решения проблемы голода – это два важнейших направления, основанных на рекомбинантных технологиях, которые позволили чуть больше чем за сто лет увеличить среднюю продолжительность жизни человека в развитых странах почти на пятнадцать лет – с шестидесяти пяти до восьмидесяти лет.

Продукты генной инженерии

Давайте подробнее рассмотрим, что дала нам генная инженерия. Прежде всего, это возможность синтезировать с помощью бактерий белки человека, например инсулин, о котором мы уже говорили, или различные интерлейкины, интерфероны и другие цитокины – «гормоны» иммунной системы. Все они синтезированы в бактериальных клетках, – благодаря этому мы имеем возможность покупать в аптеках препараты, их содержащие.

Сегодня генно-инженерным путем производится множество синтетических антител, направленных на подавление роста опухоли. Первым таким лекарством был герцептин, он используется для лечения рака молочной железы. Антитела могут специфично связываться с рецепторами на поверхности опухолевых клеток человека, что тормозит рост опухоли.

Однако для того, чтобы с помощью биотехнологий делать полезные человеку белки, можно использовать не только бактериальные клетки. Например, есть такой лекарственный препарат – эритропоэтин. В спорте он печально известен как допинговый препарат, потому что стимулирует образование эритроцитов (красных кровяных телец): при его применении кровь становится более обогащенной кислородом и получается больший энергетический запас. Однако высокие результаты в спорте – вовсе не главная цель получения этого препарата. С его недостатком в организме (вследствие мутаций в гене, кодирующем его производство) связан целый ряд болезней человека. Искусственно полученный эритропоэтин используется как лекарственное средство при онкологических заболеваниях, почечной недостаточности, при трансплантации, анемиях и т. д. – спектр колоссально широк, но для его производства бактериальные клетки не подходят. Почему? Потому что функциональный эритропоэтин – это очень сложная белковая молекула, глобула.

Мы уже говорили, что белок не только обладает определенной линейной последовательностью, закодированной в нашей ДНК, но и претерпевает так называемые посттрансляционные (после того, как с молекулы PHК синтезировалась линейная аминокислотная последовательность белковой молекулы) модификации, когда отдельные аминокислоты белка под действием ферментов претерпевают изменения. Например, гликозилирование – присоединение к определенным аминокислотам белковой молекулы остатков сахаров. После этого молекула белка сворачивается в глобулу.

Так вот, оказывается, что многие посттрансляционные модификации не работают в бактериальной клетке, и глобулы имеют неправильную конформацию.

Поэтому многие рекомбинантные белки, для функционирования которых, как для эритропоэтина, важны модификации и правильная конформация, получают в культурах клеток животных, в том числе и человека.

Может возникнуть естественный вопрос: зачем встраивать ген человека в клетки человека и других млекопитающих, если аналогичный ген уже есть в этих клетках?

Дело в том, что гены, которые находятся в геноме каждой клетки, в организме работают только в определенные моменты или в определенных тканях и клетках. Так, белок эритропоэтин синтезируется клетками почек и печени, хотя кодирующий его ген присутствует во всех клетках. Активируют работу гена определенные фрагменты генетического текста, получившие название промоторы.

Эти генетические элементы есть у бактерий, у вирусов, у всех организмов. Однако бактериальные промоторы не будут работать в клетках млекопитающих просто потому, что в этих клетках нет бактериальных белков, которые узнают генетический текст промотора и запускают работу гена. А вот если вирус (например, гриппа) способен инфицировать клетки человека и размножаться в них, это значит, что его – вируса – промоторы, регуляторные элементы включения генов, универсальны для вируса и человека. С очень высокой степенью вероятности они смогут контролировать и работу генов человека, если их правильно разместить в генно-инженерной конструкции.

УПРАВЛЯЮЩИЕ РАБОТОЙ ГЕНОВ

Сформировавшись из одной клетки, наш организм становится многоклеточным, и во взрослом состоянии насчитывает около 10¹⁴ клеток более двухсот различных типов. У нас есть кровь, глаза, волосы и т. д., причем в клетках, составляющих различные органы, – один и тот же геном, который был заложен в исходной зиготе. Но представьте себе, какой будет ужас, если в волосяном фолликуле вдруг заработают гены, предназначенные обеспечивать, скажем, генерацию эритроцитов, и волосы станут красными от эритроцитов! Или в глазах начнут работать те гены, которые контролируют рост волосяного фолликула...

Думаете, ничего подобного не может быть? Увы, это происходит, когда начинается патологический процесс. Но в норме работа генов в каждом клеточном типе контролируется исключительно строго отдельными участками ДНК. Определенный район ДНК, который лежит в непосредственной близости к гену и обеспечивает проявление этого гена, называется промотором (от англ, promote – «продвигать», «способствовать», «рекламировать»). Когда-то эти участки генома относились к так называемой мусорной ДНК, потому что ученые не знали ничего об их назначении. Теперь мы знаем, что регуляторные (промоторные) последовательности, составляющие около десяти процентов генома, есть у каждого гена или их комбинаций.

Знание генетического текста вирусных промоторов оказалось для ученых крайне важным. Нам уже известно, что вирусы не могут размножаться вне клетки, а попав в нее, вирусный геном начинает усиленно функционировать, обеспечивая размножение вируса, то есть все его промоторы должны быть очень активны. Этим и воспользовались наблюдательные генные инженеры. Они предположили, что если в генетическую конструкцию поместить вирусный промотор, а за ним смонтировать нужный ген, кодирующий, например, синтез эритропоэтина, то вирусный промотор, способный работать в любых клетках, обеспечит высокий уровень синтеза и вне организма – в выбранной культуре клеток млекопитающих. Таким образом, начав когда-то с бактерий, люди со временем точно так же научились работать с клетками млекопитающих и человека in vitro (вне организма), чтобы вводить туда с помощью генных манипуляций определенные гены и производить нужные биомедицинские белки.

Подведем небольшой итог. Ученые начали с бактерий: в бактерию можно ввести любой ген, она очень быстро размножается, передавая нужный ген по наследству, и синтезирует необходимые белки. На следующем уровне мы научились получать нужный белок не только в клетках бактерий: любой белок человека сегодня удается синтезировать в человеческих клетках, культивируемых вне организма.

Возможности генной терапии

Ген должен работать на своем месте

В предыдущей главе мы рассмотрели способы использования генов человека в бактериях или культурах клеток млекопитающих вне организма, чтобы синтезировать белки, которые могут быть использованы для разных целей. Например, есть люди, у которых нужный белок не производится самим организмом в необходимом количестве, потому что какой-то ген не работает вообще или работает недостаточно активно. Этим пациентам можно вводить соответствующий белок, синтезированный вне организма, и такая заместительная терапия позволит им вести более или менее нормальный образ жизни.

Возникает естественный вопрос: почему бы вместо заместительной терапии не исправить работу генов, которые находятся внутри организма?

В общем виде задача выглядит так: ДНК и гены – это осмысленный текст, с которым можно работать, то есть брать большой кусок какого-то гена, прикреплять к нему другой кусок генетического текста (называемый регуляторной последовательностью), и все это вместе вводить в определенные клетки организма, чтобы оно попало туда, куда нужно, а главное – стало работать. Но как это сделать?

Если посмотреть на достижения цивилизации, то синтетических открытий[6]6
  Синтетические открытия – это принципиально новое понимание того, что ранее считалось общеизвестным. – Прим. ред.


[Закрыть] типа теоремы Пифагора или теории относительности Эйнштейна было сделано не так уж много. Люди не столько изобретают нечто «из головы», сколько видят, как это устроено в природе, и потом немножко по-другому используют для собственных нужд. Возьмем, например, аденовирусы, с которыми каждый из нас сталкивается ежегодно, а то и по нескольку раз в году. Вдруг запершило в горле, потекло из глаз, из носа, а через два-три дня все прошло. Скорее всего, причиной была аденовирусная инфекция, так как этот вирус очень легко проникает в клетки слизистых оболочек глаз, носа и верхних дыхательных путей.

Цитомегаловирус, напротив, инфицирует преимущественно эпителиальные клетки легких, печени, кишечника, почек, мочевого пузыря, молочных и слюнных желез, половых органов.

Существуют ретровирусы, которые очень эффективно инфицируют другие специализированные клетки, в том числе клетки крови, включая также входящие в ее состав стволовые клетки. Одним из таких ретровирусов является хорошо известный вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).

Но теперь, когда мы узнали, какие вирусы есть, какие клетки они предпочитают, каков механизм инфицирования и вирусного размножения, давайте попробуем использовать эти знания, чтобы сделать искусственный вирус. Он должен эффективно заражать нужные нам клетки, нести гены, нужные нам, а не вирусу, и при этом не должен в этих клетках размножаться. Такие искусственные генетические конструкции на основе биологических молекул получили название вектор.

ЧТО ТАКОЕ ВЕКТОР

Вспомните математику: там вектор это направленный отрезок, а в генетике, молекулярной биологии и сегодняшней биомедицине вектор – это биологическая молекула, которая направленно может что-то доставлять в определенный тип клеток или тканей. Это тот «паровозик», который протаскивает нужный нам терапевтический материал в нужное время в нужное место и заставляет его работать. Вектором (то есть несущим) он называется потому, что обеспечивает направленность доставки терапевтического средства. Слово «вектор» очень часто используется и в фармакологии, где оно тоже означает некий носитель, позволяющий осуществить направленную доставку лекарства. В случае генной терапии вектор – это сопутствующая генетическая последовательность (чаще всего молекула ДНК), которая обеспечивает терапевтический эффект внедряемого нами лечебного гена. Векторы не обязательно должны быть вирусами, но вирусные векторы очень эффективны.

В результате работы генных инженеров появились вирусы, в которые встроен ген человека, но они не могут размножаться. Такая вирусная частица проникает в клетку человека и может либо встроиться в геном клетки и там остаться навсегда, не производя потомства, либо будет обеспечивать работу гена на протяжении некоторого времени. Например, всем сегодня известная вакцина «Спутник V» как раз состоит из вируса, который проникает в клетки, находится в них какое-то время и осуществляет там синтез S-белка коронавируса. Длительность работы вектора зависит от того, какой тип вируса использовался. Если в клетке поврежден какой-то ген и она не может синтезировать правильный белок, мы можем инфицировать эту клетку вирусом, который несет неповрежденную копию гена и может встроиться в геном клетки, например, ретровирусом, – в результате в клетке окажется работающая копия гена, которая будет синтезировать правильный белок. Мы вылечили клетку! А если мы возьмем в качестве вектора, скажем, аденовирус, то он не встраивается в геном клетки, поэтому доставленный вектором ген будет работать в ней только некоторое время, так как клетка утилизирует старый материал или погибает.

Детство генной терапии

Вся совокупность биомедицинских и генно-инженерных методов исправления (коррекции) функции генов с их использованием на уровне организма получила название генная терапия. Хотя генная терапия, несмотря на свою уже тридцатилетнюю историю, все еще пребывает в юношеском возрасте, у нее уже имеется колоссальное преимущество перед многими современными медицинскими подходами в том, что ее цель – устранить причину заболевания, а не просто симптомы болезни.

ВСЕ БОЛЕЗНИ – ОТ ГЕНОВ

Все болезни человека так или иначе связаны с генами. Посмотрите вокруг: один человек каждый год болеет гриппом, а другой не подхватывает даже насморк десятилетиями. Бывает, что человек, ведущий здоровый образ жизни, начинает принимать лекарства от болезней сердца уже в сорок лет, а иной курильщик и в шестьдесят может не знать, где оно находится. У одного аллергия на кашу, у другого на рыбу. Это все заложено в наших генах и в их проявлении.

Первый случай успешного применения генной терапии для лечения врожденного иммунодефицита у четырехлетней девочки относится к 1990 году, который считается годом рождения генной терапии. Четырехлетняя Ашанти де Сильва получила генетическое лечение от тяжелого заболевания – сложного комбинированного иммунодефицита, связанного с недостатком фермента ADA. В лимфоциты малышки была введена генетическая конструкция, содержащая нормальный ген, а потом лимфоциты были возвращены обратно в организм. Процедура привела к долговременному, но не постоянному восстановлению иммунной системы у девочки. Этот первый успех был закреплен еще несколькими аналогичными случаями. Однако были и неудачи. Самый тяжелый удар в 1999 году нанесла генной терапии смерть Джесси Гелсинджера, восемнадцатилетнего американца. Этот трагический случай, серьезно приостановивший развитие нового лечебного метода, был связан с использованием аденовирусного вектора.

Проблема в том, что вирусы, как бы мы ни пытались сделать их безопасными, все равно могут вызвать у человека какие-то негативные последствия. Именно это произошло с Джесси Гелсинджером. У него было редкое генетическое заболевание, которое приводило к накоплению аммония в крови. Более тяжелые формы этой болезни приводят к гибели на первом месяце жизни, но у Джесси была относительно легкая форма, которую у него диагностировали в двухлетнем возрасте, и он находился на специальной диете, потребляя еще и по несколько десятков различных лекарственных препаратов ежедневно. Ему ввели нормальную копию гена в составе аденовирусного вектора, но, увы, какой-то фактор оказался неучтенным. Молодой человек в короткий срок скончался от побочных явлений. Дальнейшие исследования в области генной терапии по требованию регулятора (американского Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, FDA) пришлось немедленно прекратить.

Когда стали разбираться, почему произошла эта дня, то выяснились два важных момента. Во-первых был нарушен протокол и пациенту ввели чуть ли не в сто раз больше вирусного вектора, чем было запланировано. Во-вторых, у пациента, который был тяжело болен на протяжении последних шестнадцати лет, оказалась гиперчувствительность именно к аденовирусу, который использовался в качестве вектора.

В общем-то, произошел несчастный случай, но если мы хотим применять генную терапию, то должны гораздо лучше знать особенности индивидуальных геномов, чтобы не возникали неожиданные побочные последствия.

Несмотря на все «недетские» проблемы первоначального периода, генная терапия продолжала интенсивно развиваться. В 2009 году авторитетный научный журнал Science назвал успех генной терапии одним из величайших достижений первого десятилетия XXI века.

Какие же конкретные достижения генной терапии дали основание для такого лестного вывода? Первое из них – устранение генетического заболевания под названием амавроз Лебера, главным симптомом которого является полная слепота с детства.

Врожденный амавроз Лебера

Глаз человека имеет удивительное строение. Он чем-то похож на фотоаппарат или камеру смартфона, у которых есть фотопленка или светочувствительная матрица, где формируется изображение. В фотопленке светочувствительными элементами были зерна серебра, а в современном смартфоне их аналогами являются фотодиоды – маленькие элементы из кремния или другого полупроводника. Фотодиоды преобразуют световой импульс в электрический и передают его дальше – для программной обработки изображения.

А у нас в глазу находятся светочувствительные клетки (фоторецепторы), которые вместо серебра или кремния содержат особые белковые структуры – диски, уложенные один на другой, как стопка монет. Когда на верхний диск попадает квант света, начинается химическая реакция, которая преобразуется в электрохимический импульс. Именно так элемент изображения попадает в нашу центральную нервную систему – в мозг, где происходит обработка полученных сигналов.

К сожалению, эти диски, как и зерна серебра в фотопленке, расходуются по мере использования. Для здорового организма в этом нет ничего страшного, так как на смену израсходованным дискам, подпирая их снизу, поднимаются вновь синтезированные такие же белковые структуры. Однако прежние диски необходимо утилизировать должным образом, ведь если подобный «мусор» оставлять в клетке или выбрасывать наружу, то с годами пробиться через эту преграду не сможет никакой свет. Поэтому рядом с клетками-фоторецепторами расположены клетки пигментного эпителия сетчатки – профессиональные мусорщики! Они энергично поглощают сброшенные фоторецепторами использованные диски. Если же эти белковые диски по какой-то причине не уничтожаются как мусор, фоторецепторные клетки либо не развиваются, либо деградируют.

Одна из форм редких наследственных болезней глаз получившая название амавроз. Лебера, как раз связана с тем, что имеется мутация в гене RPE65 (от слов retinal pigment epithelium – пигментный эпителий сетчатки). Именно он ответствен за развитие и функционирование профессиональных мусорщиков – клеток пигментного эпителия сетчатки. Если имеется мутация в гене RPE65, то человек не будет видеть с ранних лет, поскольку биологический мусор накапливается, и это приводит к гибели всех светочувствительных клеток глаза. Что же делать?

Именно с решением этой проблемы связан, по мнению журнала Science, первый большой успех генной терапии. В качестве вектора исследователи решили взять аденоассоциированный вирус, поскольку он легко проникает в слизистые и, в отличие от аденовируса, может встраиваться в хорошо известный участок генома клетки. Мы же хотим, чтобы исправный ген остался в клетке на всю жизнь! Для этого генетики путем генно-инженерных манипуляций встроили в вектор ген RPE65 и ввели полученный препарат, позже названный Люкстурна (Luxturna), в глаза больным амаврозом Лебера.

Первые шаги в новом направлении были сделаны еще в начале 2000-х, а в 2009 году в журнале Science были опубликованы сообщения о первых значительных успехах в рамках этого исследования. Собственно говоря, это были результаты первой фазы клинических исследований. Около десятка пациентов получили инъекцию генного терапевтического препарата, содержавшего нормальный ген RPE65, и больше чем в половине случаев это привело к появлению зрения на уровне различения предметов. Больные избавились от полной слепоты, впервые увидели мир и смогли самостоятельно передвигаться по улицам и обслуживать себя. Это было очень большим достижением генной терапии, и в 2017 году в США (чуть позже и в Великобритании) препарат Люкстурна был зарегистрирован и одобрен для лечения наследственной дистрофии сетчатки глаз.

К сожалению, лечение подходит не всем. Требуется большая и долгая индивидуальная подготовительная работа. Первое условие успеха – пациенты должны быть достаточно молодыми (лучше детьми), потому что с возрастом клетки, в которых должен работать ген RPE65, погибают, а вместе с ними и фоторецепторы. Чем дольше длится заболевание, тем меньше шансов восстановить зрение.

ПОЧЕМУ ТАК ДОРОГО?

Цена препарата Люкстурна в США – порядка восьмисот пятидесяти тысяч долларов, хотя себестоимость его производства меньше пяти тысяч долларов. За что же, спрашивается, надо платить остальные восемьсот сорок пять тысяч долларов? Это стоимость тех усилий и вложений, которые были сделаны за время исследований и разработки препарата. Начавшись в 2000-х, они продолжались пятнадцать лет и завершились в 2017 году выпуском препарата.

Эти исследования проводились сначала в лаборатории, то есть in vitro («в пробирке»). По полученным результатам публиковались статьи, на использование результатов получались патенты. Патенты на применение генов, на векторные молекулы, на способы введения, анализа... на все. Потом были выполнены исследования на животных, причем надо было создать определенные модели, чтобы доказать близость заболевания животного к проявлению аналогичного заболевания человека, и доказать, что препарат излечивает, что он безопасен, и только потом переходить к стадии клинических исследований на человеке. Все эти затраты, а также интеллектуальная собственность, используемая при разработке препарата, как раз и оценивается в такую колоссальную сумму, которая распределяется между небольшим количеством выпущенных упаковок препарата, так как заболевание довольно редкое.

В США наберется всего три—пять тысяч человек, имеющих такую патологию, а в Великобритании – меньше двух тысяч человек. Расходы на лечение редких заболеваний (они называются орфанными) берет на себя государство. Поэтому когда Великобритания предложила ежегодно закупать у компании Novartis две тысячи доз, но по двести тысяч фунтов за дозу, компания легко согласилась. Стабильный, хоть и меньший доход лучше, чем ничего.