НОВОСТИ СИБИРСКОЙ НАУКИ

от 11.09.2019 г.

Оригинал статьи


Медицина будущего: как далеко мы от нее?



​Развитие науки явно демонстрирует прогресс медицины. Изучая достижения и ошибки предшественников и используя современные научные открытия из разных областей, человек стремится не только улучшить качество своей жизни в целом, но и продлить ее. Особое внимание общественности привлекают заманчивые перспективы бессмертия, достигаемые благодаря модификации генов и пересадке искусственных органов. Но так ли всё просто на самом деле?

Шаг первый

В последние несколько лет появились новейшие методы редактирования геномов – это системы TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nucleases) и CRISPR (Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats)-сas9. «Главной компонент системы редактирования генома — комплекс из белка-“ножниц” сas9 и некодирующей РНК, способной найти участок ДНК, который нужно отредактировать. С помощью CRISPR-сas9 можно вносить точечные изменения, встраивать в определенные места новые гены или, наоборот, удалять участки нуклеотидных последовательностей, исправлять фрагменты генов», — говорит заведующий лабораторией геномного редактирования Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН кандидат химических наук Григорий Александрович Степанов.

Направленное вмешательство в геном позволяет решать множество задач: создавать модифицированные виды бактерий или животных с новыми ценными свойствами, разрабатывать методы генотерапии, открывающие возможность исправить врожденные генетические нарушения. Но при использовании этих инструментов редактирования могут возникнуть некоторые проблемы, связанные с точностью работы сas9. В частности, речь идет о том, что белок сas9 может допустить ошибки в последовательности направляющей РНК («разрезать» ДНК неточно), приводящие к нецелевым (побочным или незапланированным) эффектам.

Насколько это эффективно?

В прошлом году была новость о том, что китайские ученые отредактировали геном двух близняшек на стадии эмбрионального развития, что, предположительно, должно обеспечить устойчивость к такому заболеванию, как ВИЧ. Была задача: выключить ген CCR5, который связан с формированием белка, позволяющего вирусу попасть в клетку. Среди научного сообщества эксперимент вызвал множество вопросов: может ли такое вмешательство в ДНК влиять на умственные способности близнецов, ведь генетическая наследственность определяет почти 50 % личных и умственных способностей человека, обоснованно и не преждевременно ли проводить подобные генетические вмешательства, были ли полностью оценены все риски эксперимента — как будущими родителями, так и самими учеными? «Здесь важно учитывать и морально-этический аспект. Мы можем прийти к тому, что “отредактированные” люди от нас будут как-либо отличаться. Как именно — пока неизвестно. Стоит ли ставить такие эксперименты — это большой вопрос», — говорит Григорий Степанов.

Сейчас разрабатывают лечение для моногенных заболеваний при помощи геномного редактирования. Например, при помощи технологии ex vivo с использованием метода CRISPR-сas9. Это подразумевает проведение экспериментов в живой ткани, перенесенной из организма в искусственную внешнюю среду. Наиболее распространенная техника ex vivo использует клетки или ткани, извлеченные из живого организма и выращенные (сохраненные) в стерильных лабораторных условиях. На взятых клеточных образцах применяется геномное редактирование, после чего уже отредактированные клетки возвращаются обратно в организм. Например, забрав клетки крови, которые работают неправильно, и исправив их, можно потом эти же улучшенные клетки отдать обратно. Авторы нового исследования из Стэнфордского университета разработали новый вид генной терапии на базе CRISPR-сas9, который может помочь в лечении серповидноклеточной анемии — тяжелой болезни крови. Она развивается в результате мутации в одном из генов, отвечающих за синтез гемоглобина. Из-за одной «опечатки» в гене HBB молекулы гемоглобина в эритроцитах деформируются, растягивая их в своеобразные полумесяцы, и эритроциты из-за своей формы не переносят кислород. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature. «Важно то, какие клетки подвергаются редактированию: зрелые или стволовые. От этого зависит, как человеческий организм впоследствии отреагирует на внесенные изменения: станут ли отредактированные правильные клетки возобновляемыми», — комментирует Григорий Степанов. Однако стоит понимать, что практическое применение CRISPR-сas9 в медицине требует улучшения фактора надежности и безопасности.

Насколько это безопасно?

Еще один важный аспект — безопасность. Любое лекарство и всё, что касается прямого использования на людях, сначала должно пройти этапы испытаний. Геномное редактирование требует дополнительных исследований и создания новых систем модификации генов. Усовершенствование системы CRISPR-сas9 позволит добиться упрощения белкового каталитического компонента, повышения избирательности действия системы, создания более эффективных средств доставки в разные типы клеток. То есть одна из первых задач, стоящих перед учеными всего мира, — улучшить существующие системы геномного редактирования. «Есть два варианта: помимо существующего белка сas9 пытаться искать новые — лучшие — ферменты либо самим улучшать то, что уже имеем. Этим занимаются параллельно: и ищут новое, и улучшают старое, повышая точность геномного редактора. Поиск новых методов редактирования генов в основном ведут зарубежные лаборатории. У нас же изучают опубликованные исследования и работают над подтверждением их функциональности или специфичности», — говорит Григорий Степанов.

Без научного экспериментального применения ничего не получится, поэтому ученые всего мира проводят эксперименты на крысах, мышах и приматах. В некоторых случаях тесты проводятся на людях. Это делается с согласия самих пациентов, когда ситуация безвыходная и когда специалисты уверены, что польза превосходит потенциальную опасность. Пример подобного лечения связан с использованием метода CRISPR-cas9 для удаления комплексной ДНК вируса гепатита B. В этом исследовании полностью вырезали полный фрагмент ДНК вируса гепатита. Инструменты для создания генома предлагают возможность прямого расщепления вирусной ДНК, способствуя вирусному «разминированию». Система CRISPR-сas9 может специально нацеливать и расщеплять области в геноме гепатита В, что приводит к устойчивому подавлению экспрессии (процесса, когда наследственная информация от гена преобразуется в РНК или белок) и репликации вирусных генов. Метод был опробован на печени, как фильтрующем органе, который старается забрать всё чужеродное, что попадает в организм. Именно поэтому доставить сторонний белок (cas9) легче в печень. Есть успешные результаты такого варианта лечения, однако прежде всего сейчас перед учеными стоит задача именно улучшить системы геномного редактирования.

Шаг второй

Создание полноценных искусственных органов — это еще один важный шаг в науке и медицине, который должен произойти в ближайшее время. Причин, по которым человеку нужны такие органы, немало. Это способ как сохранения человеческой жизни в случае ожидания донорского органа или же возможность пересадки самого «импланта будущего», так и вариант изучения определенных болезней на искусственных органах.

Органы в животных

Есть такие заболевания, при которых ни хирургическими, ни терапевтическими методами невозможно восстановить функции органа. В таких случаях медицина прибегает к его замене. Существует несколько видов трансплантации в зависимости от того, кем являются донор и реципиент: например, абсолютно разными людьми, родственниками или однояйцевыми близнецами. Вместе с тем ведутся исследования в области ксенотрансплантации — имплантации человеку тканей от животного.

Межвидовая трансплантация открывает перспективу неограниченного предложения органов и клеток для пересадки, однако с этим связано множество рисков. Один из самых опасных — иммунное отторжение. Но наряду с этим выявляются и новые риски, например эндогенные ретровирусы свиньи. Их потенциальная опасность связана с возможностью рекомбинации с эндогенными ретровирусами человека при трансплантации органов, состоящих из клеток свиньи. В результате может появиться новый штамм вируса с высокой вирулентностью.

Ученые прибегают к двум способам решения проблемы иммунного отторжения. С одной стороны, можно выращивать химерных животных (состоящих из генетически разнородных тканей), в которых отдельные органы состоят из человеческих клеток, а с другой — можно модифицировать геном животного, чтобы его клетки становились невидимыми для иммунной системы человека. Что касается таких трансгенных животных — есть два направления: ломать те гены, которые отвечают за производство антигенов (на что и реагируют наши иммунные клетки) и вставлять человеческие клетки, блокирующие иммунный ответ у человека при пересадке искусственных органов. Проблема образования эндогенных ретровирусов тоже исследуется. Благодаря технологии CRISPR-сas9 уже создано несколько линий свиней с измененным генотипом, полученным в результате встраивания в геном чужеродных генов. Трансгенные свиньи имеют встроенные малые интерферирующие РНК, направленные против белков вирусов. Тем самым РНК-интерференция позволяет предотвратить попытки образования эндогенных вирусов.

Концепция создания химерных животных пока изучается и дорабатывается. Для того чтобы из преднамеренно введенных человеческих клеток в теле свиньи можно было выращивать, например, поджелудочную железу для дальнейшей пересадки пациенту, ограничивают модификацию генома так, что введенный ген, отвечающий за нейрогенез, становится отключенным. «По итогу получится свинья, в теле которой будет искусственно выращена здоровая поджелудочная железа, — говорит младший научный сотрудник сектора геномных механизмов онтогенеза ФИЦ “Институт цитологии и генетики СО РАН” Татьяна Александровна Шнайдер, — однако не стоит забывать, что подобная стратегия пока тестируется исключительно на лабораторных мышах».

Органы в пробирках

Помимо создания органов в животных, ученые могут их выращивать в пробирках. В ФИЦ ИЦиГ СО РАН ведутся работы по созданию мини-мозгов из стволовых клеток. Подобные органоиды нужны, чтобы изучить влияние определенного гена, который у некоторых людей с нарушение умственного развития не функционирует по причине мутации. Также органоиды служат материалом для изучения шизофрении и болезни Альцгеймера.

Человеческий мозг обладает сложной структурой, поэтому вероятность того, что из мини-мозгов будет выращен полностью самостоятельно функционирующий орган, мала. В том числе это связано с тем, что они достигают определенной величины и прекращают развиваться. «Размер органоидов ограничен из-за отсутствия сосудов. Для нормального формирования им нужно кровоснабжение. Важно научиться дополнительно создавать кровеносные сосуды внутри органа», — утверждает Татьяна Шнайдер.

Технологии создания сложных искусственных органов «из пробирки» (таких как сердце или почки) дорогие и сложные. Это перспектива не ближайших двух-трех десятилетий, но, безусловно, тенденции развития и изучения есть. Более простые искусственно созданные органы существуют, их пересаживают пациентам. Например, уже на протяжении нескольких лет американские исследователи в области регенеративной медицины практикуют пересадку искусственного мочевого пузыря, созданного из клеток пациента. Однако говорить о том, что совсем скоро ученые смогут предотвратить старение благодаря замене изношенных органов новыми, созданными в лабораторных условиях, пока рано.

Анастасия Федотова, студентка ГИ НГУ