Синтетическая медицина
Всеволод Белоусов, ПостНаука
Прежде чем говорить о синтетической медицине, нужно сказать о синтетической биологии. Это новый термин, но уже устоявшийся в науке. Люди, которые следят за последними достижениями в биологии и биомедицинской науке, могли заметить, что все хорошее, что случилось в этой области за последнее время, произошло как раз в сфере знания, которую можно назвать «синтетическая биология». Синтез здесь – это не понятие химического синтеза, а скорее философское понятие, а именно получение новых систем, в данном случае живых, с новыми свойствами из тех, что раньше не сочетались друг с другом. То есть создание нового из того, что существовало раньше, но в других комбинациях.
Типичным примером синтетической биологии является оптогенетика, когда мы берем светочувствительные молекулы, например, из одноклеточных водорослей или из бактерий – белки-антенны, которые улавливают свет. Через них под действием света проходит ток ионов, и, если мы встраиваем такие белки в нейроны мыши, мы можем с помощью света управлять активностью нейронов грызуна. То есть мы получили светочувствительную нервную систему. Другой пример – это системы CRISPR/Cas, являющиеся компонентами иммунитета бактерий. Мы берем эту систему, переносим ее в клетки эукариот и получаем редактирование генома – управляем местами, где можно разрезать геном, а потом интегрировать туда новую генетическую информацию.
Другой пример – флуоресцентные белки и биосенсоры, когда мы берем флуоресцентный белок медузы или кораллов, встраиваем его в клетки эукариот или прокариот, в любые живые системы. Это позволяет нам следить под микроскопом за процессами, которые там происходят. В случае биосенсоров мы берем к флуоресцентному белку еще какой-то белок, умеющий менять конформацию, то есть форму, в ответ на стимул. Сшив их вместе на уровне гена, мы получаем белок, меняющий флуоресценцию в ответ на стимул.
Это все примеры, когда мы фактически переставляем генетическую информацию о белке из одной системы в другую и получаем живую систему с новыми свойствами, которая позволяет нам исследовать процессы так, как мы раньше не умели: управлять активностью нейронов, резать ДНК и редактировать информацию. Все началось с флуоресцентных белков. Это была первая область, которая совершила революцию в биомедицинских исследованиях. Сам по себе флуоресцентный белок – green fluorescent protein (GFP) – был открыт в 1960-х годах, но никак не использовался, потому что мы не знали о его генетической информации. Но потом был найден ген зеленого флуоресцентного белка и затем перенесен в другие живые организмы. Мы заставили их светиться, тем самым научились по флуоресценции наблюдать за процессами в живых системах. Биосенсоры были неким усложнением этой тематики.
В нашей стране синтетическая биология началась с того момента, когда российский биолог Сергей Анатольевич Лукьянов пошел в зоомагазин, купил кораллы и из них были клонированы гены красных флуоресцентных белков. В тот момент стало доступно многоцветное мечение клеток и наблюдение за параметрами в них. В наших исследованиях мы активно используем синтетическую биологию – как для конструирования биосенсоров, так и для управления активностью в клетках. Я уже говорил про оптогенетику. У нее есть ряд недостатков, которые мешают ее практическому применению, в том числе в биомедицинских технологиях. Когда оптогенетика появилась, была большая надежда, что теперь мы научимся не только управлять поведением или памятью мыши, но и корректировать человеческие патологии. Один из недостатков этой технологии, который мешает применять ее к человеку, – это синий или вообще видимый свет, использующийся для активации светочувствительных антенн. Свет плохо проникает сквозь живую ткань. Чтобы активировать нейрон в глубине мозга человека или животного, все равно придется имплантировать оптоволокно.
Второй недостаток – это сравнительно низкая проводимость. То есть ток через один светочувствительный ионный канал довольно небольшой. Приходится довольно сильно светить синим светом, чтобы активировать нейрон. А сильное освещение повреждает ткань. Главное ограничение оптогенетики в медицине в том, что наша иммунная система обязательно рано или поздно распознает клетки, несущие чужеродный белок. Она будет их атаковать, вырабатывать антитела и в конце концов уничтожит ткань. Поэтому мы разрабатываем альтернативную стратегию, которая позволит обойти эти недостатки путем использования не светочувствительных ионных каналов, а температурочувствительных, температурозависимых каналов.
Когда мы трогаем теплое или холодное, мы чувствуем это как раз потому, что у нас в сенсорных нейронах на мембранах расположены термочувствительные антенны. Их можно активировать не только температурой. Каждая из них имеет еще химическую молекулу, которой можно их активировать. Например, в остром перце есть вещество капсаицин – это активатор химических каналов, чувствующих тепло, поэтому у вас возникает ложное чувство жжения. Такие сенсорные молекулы есть у многих видов животных. В экспериментах мы берем их из змей. У многих змей, например, гремучих, щитомордников, относящихся к ямкоголовым, есть на морде орган – ямка, являющаяся тепловизором. Там находятся сенсорные нейроны, улавливающие тепло.
Мы взяли каналы из змей и научились управлять активностью нейронов мыши или рыбки данио, интегрируя в них термочувствительные каналы. Это такой большой, комплексный проект, в котором мы сотрудничаем в том числе с физиками, с группой Алексея Желтикова из МГУ, создающей для нас инструменты фотоники, для того чтобы облучать клетки инфракрасными лазерами. С помощью этой технологии мы уже научились управлять активностью нейронов. Главный ион, проходящий через термочувствительный канал, – это кальций, являющийся универсальным ионом-мессенджером во всех клетках человеческого организма. Через него зачастую реализуется функция клетки. Например, у вас есть бета-клетка поджелудочной железы, которая секретирует инсулин в ответ на подъем глюкозы в крови. Ключевым событием в бета-клетке, которая приводит к выбросу инсулина, является повышение концентрации кальция в цитозоле этой клетки. Интегрировав в бета-клетку ионные термочувствительные каналы из змей, мы можем лазерным излучением или любым другим способом доставки тепла управлять активностью клеток, а с помощью биосенсоров наблюдать за тем, как растет, падает или изменяется концентрация иона кальция внутри клетки.
Все эти методы имеют непосредственные терапевтические применения, которые мы сейчас начинаем разрабатывать. Например, мы можем наделять не только наши сенсорные нейроны свойством термочувствительности, но и какие-то клетки в других органах, то есть любые клетки, имеющие ненейрональную природу. В отличие от ситуации с бактериальными или водорослевыми опсинами, эти клетки не будут атакованы иммунной системой, потому что белки, которые мы будем использовать для терапии, являются нашими белками. Иммунная система обучена их не видеть и не реагировать на них. Это одно из перспективных, на наш взгляд, направлений, которым мы занимаемся сейчас в лаборатории.
Есть большая область в синтетической медицине, которая все еще связана с оптогенетикой, – восстановление зрения. При многих заболеваниях, связанных с деградацией сетчатки, фоторецепторов сетчатки, все еще можно использовать оптогенетику. В глаз иммунная система не «ходит» – это иммунно привилегированная зона. Организм считает, что раз глаз закрыт стекловидным телом, то туда не должна попадать инфекция, поэтому иммунной системе там делать нечего. Сейчас в продвинутых фазах клинических испытаний есть технологии, основанные на оптогенетике, когда у пациента деградировали палочки, колбочки, клетки сетчатки, но осталось несколько слоев нейронов, которые в норме собирают от палочек и колбочек информацию и уводят ее в зрительный нерв и мозг. Есть идея, успешно реализованная, с помощью вирусных систем доставки интегрировать в эти клетки светочувствительные белки из водорослей и сделать эти клетки фоточувствительными, светочувствительными. После этого пациенты обретают зрение. Конечно, не такое хорошее, как нормальное зрение, но, судя по всему, оно позволяет различать крупные детали, светотени, паттерны. Человек может ориентироваться в пространстве, основываясь на этих стимулах. Дальше глаза эту технологию увести сложно, потому что иммунная система атакует чужеродные элементы.
Другие компоненты синтетической медицины, те же биосенсоры, интегрировать непосредственно в человека нельзя. Но с их помощью можно наблюдать за процессами, происходящими в живых системах, в культуре клеток, органоидах, в мыши, которая может являться моделью патологии. Впоследствии с помощью этих же систем можно осуществлять поиск или скрининг химических веществ, потенциальных лекарственных препаратов, воздействующих на этот процесс. Например, у нас есть молекула пероксида водорода, которая, с одной стороны, представляет собой сигнальную молекулу в клетке, а с другой – в патологических условиях ее повышенная концентрация может вызывать окислительный стресс. Создав биосенсор на пероксид водорода, мы можем наблюдать, как в живых системах он меняется в патологических контекстах. Также с помощью этого же биосенсора осуществлять поиск химических молекул, которые могут снижать его концентрацию или, наоборот, повышать, делать это в конкретных компартментах или субкомпартментах клеток. Это возможно, поскольку биосенсор является белковой молекулой, мы можем к нему присоединить сигнал внутриклеточной локализации, который будет говорить клеточной машине по сортингу белков: «Доставь этот белок в митохондрию» или «Отправь этот белок в ядро». Таким образом, мы будем иметь флуоресцентный белок или биосенсор не просто в клетке, а в специфической точке клетки, где, как мы предполагаем, проходит патологический процесс.
Часть технологий синтетической биологии может, как, например, термогенетика, перейти в синтетическую медицину непосредственно и использоваться как метод терапии. А есть технологии, такие как флуоресцентные белки и биосенсоры, которые можно использовать опосредованно для изучения патологических процессов и их возможной коррекции. Отдельно стоит упомянуть технологии редактирования генома, потому что это тоже синтетическая биология. Сейчас большое количество клинических испытаний ведется по редактированию генома соматических клеток, когда не нужно исправлять весь организм, а есть, например, отдельные клетки мышцы, в которой в результате генетической поломки белка не реализуется нормально функция сокращения мышцы. Доставляя с помощью вирусных систем в эти клетки системы редактирования генома CRISPR/Cas, мы можем менять эти гены и восстанавливать функцию мышцы. Другой вариант – недавно нашумевший случай с редактированием генома близнецов в Китае, когда меняется непосредственно генетическая информация всего организма на этапе раннего эмбриогенеза. Можно во всем организме изменить ген, потому что он затем будет уже впаян в геном навсегда. В этом случае возникает много этических вопросов. Однако понятно, что в таких странах, как Китай, где понятие этики в культуре совсем другое, чем, например, в США или Европе, и критерии более мягкие и размытые, эти технологии будут развиваться, хотим мы этого или нет. Это то место, где синтетическая биология входит в медицину наиболее стремительно.
Об авторе:
Всеволод Белоусов – доктор биологических наук, профессор РАН, руководитель Лаборатории молекулярных технологий ИБХ РАН.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru