Интересно, чем закончатся наши исследования

Кажется, прошлая тема про ГМО-лосося весьма неплохо зашла Хабрачитателям. Пока мы готовим материал по модификации растений, я предлагаю посмотреть не менее интересную тему — генная модификация Homo Sapiens. Это очень спорная и холиварная тема, игнорировать которую бесполезно.

Сразу дам несколько тезисов, которые могут показаться спорными, но которые так или иначе надо решать в научном сообществе:

1. Мы вырождаемся. Каждый год выживают все более слабые особи, которые рожают детей и отягощают генофонд. Это надо чинить.
2. Простые запреты не помогут. Если эксперименты запретят в Европе, то их выполнит, например, Китай.
3. На лечении генетических заболеваний мы не остановимся. Рано или поздно подключатся военные со своими суперсолдатами и те, кто хочет более сильных и умных детей с голубыми глазами.

Попробую дать обзор на реально существующие техники вмешательства в генотип людей и заодно разберем, чем нам это грозит.

Что такое генотерапия

Давайте для начала определимся с терминологией. Генотерапия — это вмешательство в геном человека с целью лечения тех или иных заболеваний. Причем, вмешательство идет только в соматические клетки. Это те клетки, которые не участвуют в размножении. Нам явно не надо какие-то мутации и багфиксы закреплять в новых поколениях. Пока, по крайней мере.

Реальные эксперименты на животных начались примерно в 1980-х годах, но тогда это были только робкие шаги. Всякого рода красоты вроде ДНК-принтеров, экспрессирующихся векторов для эукариотов у нас не было.

Куда мы реально можем вмешаться?

Плазмиды

Для начала можно не трогать ядро клетки, которое содержит основную генетическую информацию. Можно воспользоваться плазмидами.

1) Хромосомная ДНК бактерии 2) Плазмиды

Плазмиды — это почти исключительно бактериальная штука. Иногда встречаются у примитивных грибов и некоторых растений. По сути, это ДНК, но свернутая в кольцо и плавающая отдельно в цитоплазме. То есть такой отдельный механизм для хранения генетического материала. Для бактерий они очень важны для передачи положительных мутаций, например, чтобы «рассказать соседям» о вариантах защиты от антибиотика. Фишка плазмид при использовании у людей в том, что они разваливаются сами по себе через какое-то время после введения в клетку. А еще они не затрагивают основной генетический аппарат клетки. То есть основную прошивку не затронет.

Патчим kernel

Далее, у нас есть возможность непосредственно отредактировать фрагмент кода в ядре. Это более инвазивная процедура и она уже сопряжена с рисками неточной вставки или вырезания кусочка ДНК. Но это практически единственный вариант радикально починить какой-то тяжелый генетический дефект, так как соматические клетки будут делиться и передавать пропатченную версию ДНК своим потомкам.

Митохондрии

Митохондрии — это что-то вроде атомных реакторов в клетке. Потребляют жирные кислоты и глюкозу, а на выходе штампуют макроэрги — вещества с высокой энергией связи. Например, АТФ. Это универсальное «топливо» для всех активных реакций, например для работы осмотических мембранных насосов против градиента концентрации.

У них есть особенность — свой собственный генетический аппарат. Собственно, они на полуавтономных симбионтов похожи именно поэтому. Их генетический аппарат имеет смысл править при врожденных мутациях в митохондриальной ДНК. Обычно это тоже очень тяжелые врожденные синдромы.

Вирусный вектор — это как шприц

Первый ключевой момент — разработка инструментария доставки — вирусных векторов. Первый такой вирус для млекопитающих был разработан в 1984 году. В качестве молекулярного шприца использовали мышиный ретровирус. Он сам по себе являлся весьма неприятным инструментом, так как с высокой вероятностью провоцировал онкологические заболевания. Собственно, его второе название murine leukemia virus (MLVs). В дальнейшем разработки перешли на более безопасные варианты.

Что вообще такое вирусный вектор? Это такой специально модифицированный вирус, который срабатывает только один раз. Как шприц. Для этого он должен отвечать нескольким критериям:

Безопасность

Вирусный вектор не должен иметь возможность самопроизвольно размножаться. Для этого у них есть встроенный kill-switch. Их геном изначально так поврежден, что автономно размножаться они не могут. В лабораторной среде они размножаются на культуре клеток только в присутствии незаменимых компонентов и дополнительных вспомогательных вирусов, которые производят часть нужных для сборки белков. То есть в культуральном флаконе лаборатории размножается, а в организме срабатывает один раз, выходит из клетки в полусобранном виде и умирает.

Низкая цитотоксичность

Многие вирусы очень жестоко обращаются с клетками носителя. После фазы инкубации клетка дохнет от истощения и из ее бренных останков во все стороны разлетаются новые вирионы. При этом есть и вирусы, которые особо не влияют на нормальную физиологию клеток, на которых паразитируют. Например, аденовирусы.

Стабильность

Вирусы должны быть генетически стабильны. Например, грипп не подойдет. Он вообще не имеет внятных механизмов «контроля четности» и ему все равно, что хеш после копирования не сошелся. Это его эволюционная стратегия. Те же коронавирусы, напротив имеют механизмы контроля и репарации, что дает большую стабильность генетического материала. Хотя их не используют как вектор по другим причинам. Таким образом, задача состоит в том, чтобы вирус в процессе своего размножения в биореакторах сохранил тот самый payload — полезную нагрузку без изменений.

Специфичность типа клеток

Вирус должен доставить свою нагрузку не абы куда, а точно в конкретный тип клеток. Это значит, что если нам надо вылечить заболевание, связанное с дефектными эритроцитами, то вирус должен очень точно поражать именно мультипотентные стволовые клетки-предшественники клеток крови. И при этом не зацепить, например, мышечную ткань.

Что уже реально делают в плане генотерапии

Первая генетическая коррекция человека была проведена в 1990 году.Четырёхлетняя Ашанти ДеСильва получила лечение от тяжелого генетического дефекта сложного комбинированного иммунодефицита, связанного с недостатком фермента ADA. Надо отметить, что редактировали не геном стволовых клеток, которые производят Т-лимфоциты, а уже взрослые Т-клетки из ее же собственной донорской крови. То есть она нуждалась в повторении этих процедур в дальнейшем. Далее была серия успешных экспериментальных протоколов для лечения SCID (Severe combined immunodeficiency) по схожей методике.

В 1999 году произошел инцидент, который ощутимо затормозил исследования в этой области. Джесси Гелсинджер, страдал от генетического заболевания печени, из-за которого она была неспособна обезвреживать аммиак. Через 4 суток после введения аденовирусного вектора со здоровой копией гена он умер в результате гипериммунного ответа и полиорганной недостаточности. В дальнейшем FDA пришли к выводу о многочисленных нарушениях в протоколе исследования.

В 2006 появились первые сообщения об удачных протоколах индивидуальной генотерапии для лечения онкологии. Т-киллеры программируются на конкретный вид опухоли и затем выпускаются в организм пациента.

В 2011 году признали терапию ВИЧ у пациента Геро Хюттера в 2008 году. Метод не особо применим для широкой аудитории, так как требует полного удаления своего костного мозга, а затем имплантация скорректированных клеток с двойной дельта-32 мутацией, которая отключает рецептор CCR5.

К 2013 году в мире было разрешено всего пять генных препаратов. Три от онкологии, глибера для лечения наследственного дефицита липопротеинлипазы и неоваскулген. Последний, кстати, разработали полностью у нас.

Неоваскулген

Результаты лечения Неоваскулгеном.

Этот препарат относится к плазмидным, то есть он не редактирует свой геном клетки, а только доставляет в нее плазмиды, которые работают ограниченное время.

Препарат представляет собой кольцевую ДНК (плазмиду), несущую человеческий ген VEGF 165, кодирующий синтез фактора роста эндотелия сосудов (VEGF — Vascular Endothelial Growth Factor). Стимулируя образование и рост коллатеральных сосудов, Неоваскулген призван оказать длительный лечебный эффект и улучшить качество жизни пациентов. Развитие микроциркуляторного русла в ишемизированной ткани нижней конечности способствует насыщению тканей кислородом, заживлению язв, увеличивает дистанцию безболевой ходьбы.

Институт стволовых клеток человека

Механизм действия интересный. Клетки в месте инъекции начинают синтезировать VEGF — это фактор роста сосудов. В результате, в этом участке начинает нарастать новая разветвленная капиллярная сеть. Это критично для пациентов с хронической ишемией нижних конечностей из-за диабета и атеросклероза, например. До этого препарата ампутаций было больше. Сейчас его протестировали еще и для использования в стоматологии для приживления имплантов.

Генопрепарат смешивают с костным материалом и ушивают. В итоге сосуды быстро прорастают и формируется нужная ткань без отторжения. На кроликах уже точно моделировали при трансплантации фрагментов черепа. Люди на очереди, насколько мне известно.

Zolgensma

Спинальная мышечная атрофия — заболевание очень мрачное, по клинике отчасти похожее на боковой амиотрофический склероз, которым страдал Хокинг, но имеет другие причины. В результате развития заболевания прогрессирует паралич, который заканчивается смертью из-за невозможности дышать.

Zolgensma — это первый лекарственный препарат для генной терапии спинальной мышечной атрофии. Выпускается компанией AveXis (Novartis). Рабочая копия гена SMN вводится с помощью аденоассоциированного вируса (AAV) серотипа 9, AAV9, который способен преодолевать гематоэнцефалический барьер и проникать в клетки пациента. Одна проблема — стоит совершенно чудовищных денег. Одна инъекция стоит больше 2,1 миллиона долларов (около 152 миллионов рублей). Но результаты тоже потрясающие. У людей восстанавливается моторная функция и в дальнейшем заболеванием не прогрессирует. По идее, такие дорогостоящие манипуляции должно оплачивать государство. Для отдельных людей стоимость лечения редких заболеваний просто неподъемная.

Что дальше?

Вот тут вопрос очень сложный. Мы действительно накапливаем дефектные гены в популяции. Раньше ребенок с пороком сердца бы просто умер — сейчас его спасут и он даст потомство с этим дефектом. Раньше много беременностей не сохранялось — сейчас беременных вытягивают с минимальным процентом выкидышей и завершают успешными родами. По сути, мы ломаем механизмы естественной выбраковки популяции. Это правильно и гуманно, но что-то надо делать с накапливающимися мутациями генофонда.

Либо мы придем к зеленым карточкам и разрешениям на размножение, либо научимся надежно и безопасно исправлять генетические аномалии. Было бы круто выкинуть близорукость, системную дисплазию соединительной ткани и кучу других врожденных дефектов. А еще наконец починить этот дурацкий сломанный ген, отвечающий за синтез витамина С из глюкозы, как у всех нормальных млекопитающих.

Вот только дальше нас ждет неизвестное будущее. Больше всего настораживает потенциальное расслоение общества, когда самые богатые слои населения будут модифицировать своих детей на отсутствие сахарного диабета, атеросклероза, а заодно еще и задавить немного миостатин, чтобы выглядели атлетичными без особых усилий. Круто же. Но пугает.