Наступает век генной хирургии

Александр Телишев, «Русская планета»

Известный российско-американский биолог Константин Северинов выступил вчера в стенах культурного центра ЗИЛ с лекцией, в рамках которой он поведал публике о том, как развитие генных технологий на протяжении прошлого века повлияло на облик медицины, и изложил свое мнение о том, как они изменятся в будущем. По его словам, обществу не стоит бояться трансгенных продуктов и генетических медицинских исследований, так как они уже спасли тысячи и миллионы жизней и в ближайшем будущем, которое он называет «веком генной хирургии», они будут влиять на нашу жизнь еще больше.

Константин Северинов входит в небольшую группу отечественных ученых, которые вернулись в Россию в середине 2000 годов после того, как получили признание и известность за рубежом. Сегодня он одновременно является профессором американского университета Ратгерса в Нью-Джерси, профессором Сколтеха и сотрудником Института молекулярной генетики РАН. На его счету свыше 200 публикаций в ведущих научных журналах, в том числе таких престижных, как Nature и PNAS. Северинов, вместе с Дмитрием Ливановым и Константином Сониным, считается сегодня одним из идеологов проведенной в 2013 году реформы РАН и преобразования Академии в «клуб ученых».

Начал ученый свой рассказ с заявления о том, что многие люди не понимают, как глубоко укоренились и насколько широко используются различные генетические технологии в медицине уже сегодня. «Это, конечно, очень субъективный взгляд на то, как развивалась медицина и биология, но я решил рассказать вам о технологиях, которые уже повлияли на жизни сотен тысяч и миллионов людей. Мы все являемся бенефициарами этих открытий и инноваций, и многие люди просто не понимают, что это действительно так».

Для понимания того, насколько сильно медицина и вся экономика планеты в целом сегодня опирается на генетику и молекулярную биологию, нам нужно, как подчеркивает Северинов, обратить свой взгляд в прошлое: в конце XVIII – в начале XIX века были открыты вакцины – первое средство для борьбы с инфекциями, изобретенное человеком.

«Сама по себе технология вакцинации крайне проста – в организм вводится ослабленная форма возбудителя болезни, которая сама по себе безвредна, но при этом она помогает нашей иммунной системе найти способы борьбы с реальной угрозой. Развивается естественным образом иммунный ответ – это то, что дала нам природа, то, что мы получили в ходе эволюции, так как паразиты окружали нас всегда, и мы выработали способ борьбы с ними», – объясняет Северинов.

Константин Северинов. Источник: sk.ru

По словам Северинова, медики и биологи достаточно быстро столкнулись с проблемой – не всегда можно найти ослабленную форму патогена, которая была бы пригодна для вакцинации. К примеру, ученые в начале XX века долго и безуспешно искали способы борьбы с вирусом полиомиелита. Проблема заключалась в том, что этот патоген крайне плохо размножается вне организма человека, из-за чего ученые не могли получить достаточное количество вируса для того, чтобы вырвать его молекулярные «зубы» и проверить безопасность такой вакцины, не прибегая к опытам на людях.

«Два человека – американец Джонас Солк и наш соотечественник Михаил Чумаков – нашли способ получить очень большое количество вируса. Подобные вакцины не были идеальны и обладали серьезнейшими и даже необратимыми побочными эффектами, однако они позволяли человеку продолжить свое существование, а не умереть», – продолжает ученый.

Вторая серьезная проблема, с которой достаточно быстро столкнулись ученые, разрабатывающие вакцины, – то, что многие вирусы и бактерии меняются очень быстро. К примеру, как объясняет Северинов, новые штаммы вируса гриппа появляются каждый год, и ученым постоянно приходится гадать, как поменяется патоген в следующий сезон для получения вакцины. По его словам, подобные прогнозы невозможно делать без глубинного понимания того, как устроен геном вируса и как меняются его гены, что пока остается нерешенной задачей для молекулярных биологов.

Есть и альтернативный способ борьбы с болезнетворными бактериями – антибиотики. Они были изобретены значительно позже, в конце первой трети прошлого столетия, когда британский биолог Александр Флеминг случайным образом открыл пенициллин. После того, как антибиотики начали широко применяться в медицинской практике, ученым стало ясно, что они не являются панацеей – выяснилось, что микробы очень быстро приобретают устойчивость к ним. Пенициллин, как подчеркивает Северинов, сегодня игнорируют около 95% штаммов бактерий, живущих в больницах и поражающих пациентов, чей иммунитет ослаблен операциями или другими болезнями.

«Какие есть тренды с развитием антибиотиков? К сожалению, они не самые приятные – золотой век антибиотиков прошел, и начиная с 90-х годов прошлого века, нам не удалось открыть ни одного нового антибиотика, однако бактерии становятся все более невосприимчивыми к лекарствам. В текущем столетии может возникнуть парадоксальная ситуация – болезни, которые мы считали тривиальными и легко подавляемыми при помощи антибиотиков в XX веке, могут стать серьезной проблемой для медиков в ближайшем будущем. Просто ходить и копать под кустом бессмысленно – новых антибиотиков в природе вы не найдете», – отметил российский биолог.

По его словам, выход из этой патовой ситуации для вакцин и антибиотиков все же есть, и он как раз заключается в том, что было открыто и создано за последние 50 лет в области молекулярной биологии.

«Мы все состоим из клеток, и все мы являемся воплощением той генетической информации, которая записана в нашей ДНК. В ней нет только вашего имени, но зато есть все другое. ДНК можно представить в виде некого текста, состоящего из слов-генов. Именно за счет них у людей рождаются мальчики и девочки, а у кошек – котята. В общей сложности наш геном содержит около 30 тысяч таких «слов», каждое из которых содержит в себе инструкции по сборке белков, которые отвечают за движения мышц, работу глаз, за переваривание пищи и за все остальные процессы в организме. Если в этом слове будет опечатка, то эта ошибка найдет отражение и в структуре белка, и он не будет работать. Это и есть генетическая болезнь», – объясняет Северинов.

По его словам, первый серьезный прорыв в молекулярной биологии и в области ее приложения к медицине произошел в 70-х годах прошлого века, когда биологи открыли в бактериях процесс, который сегодня называется молекулярным клонированием. «Открытие молекулярного клонирования породило целый класс принципиально новых лекарств, а также те страхи, которые присущи тем людям, которые боятся генно-модифицированных организмов. В сущности, они боятся повторения этого в организме человека, однако это невозможно с точки зрения молекулярной биологии. Что на самом деле происходит?».

Как объясняет Северинов, в бактериях присутствует особый, как он называет, «эгоистический тип» ДНК, который ученые называют плазмидами или псевдохромосомами. Они представляют собой маленькие кольцевые цепочки ДНК, «думающие, что они тоже хромосомы», способные делиться и передаваться по наследству. Именно эти молекулы отвечают за приобретение устойчивости к антибиотикам.

«Вернер Арбер, Гамильтон Смит и Дэниел Натанс обнаружили в семидесятых годах ХХ века в бактериях особую систему – так называемые молекулярные ножницы, особый белок, умеющий разрезать плазмидную ДНК. Эта система способна узнавать особую последовательность "букв" внутри плазмиды и раскусывать нить строго в этом месте. В этот разрез может проникать чужеродная ДНК, полученная от других бактерий или из внешней среды, и присоединяться к разрезанным концам. Благодаря этому микробы могут обмениваться "рецептами" защиты от антибиотиков».

Ученые практически сразу сообразили, что плазмиды внутри бактерий можно использовать во благо человечества – при их помощи можно «обучить» микроб или дрожжи производить молекулы антибиотиков или других лекарств, инструкции по сборке которых содержатся в геномах других микробов.

«Хорошо это или плохо? Уже через два года после этого открытия, Арбер созвал конференцию биологов и предложил им обсудить возможность того, а не стоит ли запретить эту технологию. Причины для этого были – в некоторых странах, в том числе и в Советском союзе, ее начали использовать для создания бактериологического оружия. Никто вам не мешает вставить в безобидную кишечную палочку плазмиду, который кодирует что-то совсем нехорошее, превращая ее в микроба-убийцу. Но при этом никто не мешает вам сделать что-то обратное», – поясняет Северинов.

По словам профессора, открытие плазмид дало человечеству первый пример того, как молекулярная биология и медицина могут улучшить нашу жизнь и спасти миллионы людей. Речь идет о пересадке генов, необходимых для производства инсулина, в бактериальные плазмиды, что открыло дорогу для массового производства этого гормона, в регулярных инъекциях которого нуждаются сегодня миллионы людей.

«Инсулин производится в поджелудочной железе людей. Как его получать? Один из вариантов – брать трупы и выделять гормон, но, во-первых, трупов не напасешься, и во-вторых, инсулина в них очень мало. Поэтому медики достаточно долгое время использовали другой источник инсулина – поджелудочные свиней или коров, забитых на скотобойне. Он очень похож по своей структуре на человеческий гормон, но все же отличается от него на одну аминокислоту, из-за чего при долгосрочном использовании животного инсулина в организме диабетиков возникала масса крайне неприятных побочных эффектов. В свиней мы, конечно, не превращаемся, но становится очень плохо. Как нам это сделать? Ответ – молекулярное клонирование», – продолжает биолог.

Но и бактериальный инсулин, как оказалось, тоже не очень хорош – его нужно очищать и у него тоже есть побочные эффекты. Поэтому со временем, по мере развития молекулярной биологии, все лаборатории мира перешли на производство инсулина в специальных культурах из человеческих клеток, в которых вставлено нечто похожее на бактериальную плазмиду. Объем рынка для этой индустрии, как отмечает профессор, составляет десятки миллиардов долларов.

«Все люди, которые боятся ГМО, теперь должны понять, что практически весь инсулин, от которого зависит жизнь всех диабетиков на земле, рождается в генно-модифицированных бактериях или клетках человека. Аналогичным образом производится интерферон, противовирусный препарат, и эритропоэтин – лекарство для борьбы с лейкемией. Это огромный рынок, и количество рекомбинантных белков будет все больше увеличиваться»

«Приручение» бактерий и открытие механизма молекулярного клонирования дало медикам еще один принципиально новый способ бороться с инфекциями, который уходит своими корнями к вакцинам и тому, как организм борется с патогенами. В 80-х годах прошлого века молекулярные биологи поняли, что они могут использовать иммунную систему для управляемого производства антител. «Если вы помните, для того, чтобы создать вакцину или провести вакцинацию, нам нужно найти кого-нибудь, догнать его и вколоть ему чего-нибудь. Теперь нам это не нужно благодаря новой, чрезвычайно мощной и перспективной технологии моноклональных антител»,

По словам Северинова, работает она следующим образом – «в животное или подопытного вводится антиген – некий раствор вещества, части патогена, которые вам по каким-то причинам интересны. Иммунная система начнет реагировать на них и производить различные антитела в клетках, которые сосредоточены в селезенке. И в этот момент раз в жизни мы можем поблагодарить бога, природу или кого еще за то, что существует рак. Оказывается, можно слить те клетки, которые производят антитела и раковые клетки. Возникнет новая клетка, гибридома, которая приобретет вечную жизнь от раковой клетки, а от иммунной – способность производить антитела. Возникает целая молекулярная фабрика в пробирке, производящая одну и ту же молекулу».

Такие антитела можно вырабатывать не только для борьбы с бактериями и вирусами, но и с другими угрозами – например, с тем же раком. В принципе, как объясняет Северинов, антитела можно «натаскать» на распознавание особых белковых выростов на поверхности раковых клеток, которых нет на обычных клетках, и делать их заметными для иммунной системы человека.

На сегодняшний день существует несколько десятков таких лекарств, которые заметно продлевают жизнь людям с раковой опухолью или помогают им избавиться от рака. Существуют моноклональные препараты для борьбы с раком прямой кишки, лимфомы и многих других болезней. Однако и у этой технологии есть проблемы – антитела, полученные таким образом, часто бывают не совсем совместимы с человеческой иммунной системой из-за различий в устройстве наших генов и генов мышей, которые управляют ее работой.

Молекулярная биология нашла ответ и на этот вызов – в конце 80 годов биологи научились заменять мышиные гены, отвечающие за работу иммунной системы, на их аналоги из ДНК человека. Благодаря созданию таких «гуманизованных» мышей через 4-5 лет, по оценкам Северинова, на рынке появятся десятки новых противораковых препаратов, на 100% совместимых с человеческой иммунной системой.

Но что делать, задает вопрос в аудиторию лектор, если проблема заключается не в бактериях, вирусах, паразитах или даже раковых клетках, а в мелких ошибках в самой ДНК или в нарушениях в работе самого организма, которые приводят к развитию столь серьезных болезней, как лейкемия или болезнь Паркинсона? Последние достижения в области молекулярной биологии позволяют надеяться на то, что медики найдут решение для них.

В первую очередь, речь идет о перепрограммированных стволовых клетках – обычных клетках кожи или других соединительных тканей, которых ученые заставили «забыть» свои прежние функции и превратиться в аналог эмбриональных клеток, способных превратиться в любые ткани взрослого организма. Это открытие было совершено совсем недавно – в 2005 или 2006 году японский молекулярный биолог Синъя Яманака опубликовал статью, в которой он описал способ превращения клеток, содержащихся в крови, в стволовые клетки.

«На гаражах и заборах часто пишут о "лечении стволовыми клетками". Я должен вас сразу предупредить, что все, что вы слышали или еще услышите от таких людей, является полным жульничеством. Нет никаких клинически одобренных технологий лечения стволовыми клетками, за исключением – формально – процедур по пересадке кроветворных частей костного мозга при лейкемии», – предупреждает Северинов.

Для чего же тогда можно использовать стволовые клетки сегодня? По словам биолога, в первую очередь речь идет о персонализированном подборе лекарств и моделировании сложных и неизлечимых болезней, таких как болезнь Паркинсона или Альцгеймера. «Что это значит? Подавляющее большинство лекарств сегодня тестируется на животных. Людей, в общем-то, жалко, это во время Второй мировой войны могли экспериментировать с антибиотиками, а сегодня все клинические испытания проводятся изначально на мышах, отличающихся принципиально иной физиологией. Стволовые клетки позволяют нам создавать человеческие ткани и проверять новые препараты на них. Это не совсем то, что представляют себе люди, но это именно то, что будет сделано в ближайшее время».

Органы и ткани человеческого тела, пригодные для трансплантации, можно будет выращивать только в далеком будущем, когда медики и биологи научатся управлять главной чертой стволовых клеток – их способностью к неограниченному делению и смене «специализации». Дело в том, что сегодня никто не может дать гарантий, что внутри органа, выращенного из стволовых клеток, или внутри их культуры не возникнет раковой опухоли.

«К сожалению, стволовые клетки – это почти что раковые клетки, или наоборот. Да, действительно, можно получить популяцию стволовых клеток и затем попытаться подлечить какую-то болезнь у этого индивида размноженными «полувзрослыми» клетками. Но с большой вероятностью вы введете вместе с нормальными клетками зародыши будущих опухолей. Единственным исключением здесь является кроветворная ткань – ее клетки превращаются в эритроциты, внутри которых нет ДНК и которые, соответственно, не могут стать раковыми», – объясняет Северинов.

Даже если эта проблема будет решена, массовому распространению клеточной терапии по клиникам мира будет мешать то, что стволовые клетки крайне сложно создавать и размножать в больших количествах.

«По этой причине все эти российские банки стволовых клеток и прочие подобные проекты являются полным надувательством. Они обещают, что если с вами что-то случится, то бац – стволовая клетка – и у вас все хорошо. Например, что-то произошло со спинным мозгом. Да, его действительно можно починить, если ввести клетки-прародители нейронов через несколько дней. Однако специалисты этих центров не знают, когда с вами произойдет несчастье, и пока они разморозят стволовые клетки и вырастят из них нужные органы, пройдет несколько месяцев, и выясняется, что сделать это нельзя. Нужен не просто банк стволовых клеток, а целый склад «запчастей», подходящих для данного человека» – рассказывает биолог, предупреждая доверчивых граждан.

Решить эту проблему можно двумя способами. Первый из них – создать гигантский национальный банк стволовых клеток, в котором будут храниться клетки и готовые ткани, совместимые с точки зрения иммунологии с относительно широкими группами людей. Такие проекты уже есть – в Японии, под руководством Яманаки, такой банк будет создан к 2022 году. Япония, как подчеркивает лектор – мононациональная и однородная страна, и поэтому там такой проект будет работать для 9 из 10 японцев. В России и в других уголках мира с богатой историей миграций народов и этнически разнородным населением это не будет работать.

На помощь России и другим многонациональным странам приходит технология, открытая совсем недавно – в 2013 году, но которая была изобретена природой сотни миллионов лет назад. Как отмечает Северинов, два года назад молекулярные биологи обнаружили в одной из бактерий уникальный генетический «антивирус» – особый белок CRISPR, который постоянно считывает ДНК микроба, ищет в нем фрагменты, вставленные вирусом, ориентируясь на встроенную геномную базу «вирусных сигнатур», и удаляет их.

Другая группа ученых под руководством калифорнийского биолога Чжена Фэня в прошлом году поняла, что этот бактериальный «антивирус» можно использовать для практически ничем не ограниченного редактирования генома человека и других животных, вставки и удаления генов или замены конкретных «букв» в их структуре.

«Должен вам признаться, что я тоже участвую в разработке этих технологий. Этот белок – универсальный молекулярный скальпель, который позволяет вам, если вы знаете, где находится опечатка, ее изменить. Он работает совершенно как часы. Сейчас туда идут совершенно чудовищные деньги, наступает революция, подобная той, что происходила в 70-х годах с молекулярным клонированием. А сейчас мы переходим к молекулярной хирургии», – объясняет Северинов.

По его словам, открытие данной системы позволяет соединить все те инновации, о которых он говорил выше. В случае со стволовыми клетками можно решить проблему поиска подходящих доноров, создав универсальные культуры клеток, быстрее создавать человеческие антитела, напрямую защищаться от вирусов и бактерий. Первые медицинские плоды от открытия CRISPR, по мнению Северинова, публика увидит примерно через 4-5 лет.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
27.11.2014