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

Источники

Медицина будущего: как далеко мы от нее?
Наука в Сибири (sbras.info), 10/09/2019

Похожие новости

  • 07/08/2018

    Неутомима, как силы природы

    ​Исследование систем репарации ДНК — «ремонта» этой сложной молекулы — поистине масштабная задача, решением которой занимаются передовые исследовательские коллективы и звезды мировой науки. Одна из них — заведующая лабораторией биоорганической химии ферментов Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН член-корреспондент РАН — Ольга Ивановна Лаврик отмечает юбилей.
    738
  • 11/01/2019

    В Новосибирске предлагают построить центр клеточной иммунотерапии

     10 января губернатор Новосибирской области Андрей Травников посетил Научно-исследовательский институт фундаментальной и клинической иммунологии СО РАН. В ходе рабочей поездки главе регионе был представлен инновационный проект медицинского научно-исследовательского центра клеточной иммунотерапии и регенеративной медицины стоимостью 1,2 млрд.
    916
  • 27/07/2017

    Сибирские ученые-генетики создают клеточную модель болезни Гентингтона

    ​​​​​Ученые ФИЦ "Институт цитологии и генетики" и Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН используют методы редактирования генов для создания клеточной модели болезни Гентингтона.
    686
  • 20/06/2018

    Возможные перспективы Академгородка 2.0

    ​Ведущие ученые СО РАН продолжили обсуждение проектов развития научной инфраструктуры Новосибирского научного центра. Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН выступил инициатором проекта «Сибирский центр малотоннажной химии».
    1011
  • 13/07/2018

    Новосибирские ученые предложили создать Национальный центр генетических технологий

    ​ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» выступил с инициативой создания Национального центра генетических технологий. Как рассказал избранный директор ФИЦ ИЦиГ СО РАН член-корреспондент РАН Алексей Владимирович Кочетов, проект ЦГТ нацелен на решение сразу нескольких стратегических задач: «Прежде всего, мы хотим на одной площадке получить полный набор современных исследовательских технологий, обеспечивающий возможность фундаментального изучения генетических систем и процессов человека, животных, растений и микроорганизмов на базовых иерархических уровнях организации живых систем: молекулярно-генетическом, клеточном, тканевом, организменном, популяционном, экосистемном».
    1254
  • 04/10/2018

    Ночь научных историй пройдёт в Новосибирске

    За один вечер в новосибирском Академгородке прочтут 15 научно-популярных лекций и дадут ответы на вопросы участников.  Ночь научных историй пройдёт в воскресенье, 7 октября. Каждая лекция будет длиться по 30 минут, далее 15 минут уделят на вопросы-ответы, и 15 минут на перерыв, в течение которого можно будет перейти на другую площадку.
    1175
  • 26/12/2018

    Создан новый препарат для снижения артериального давления

    ​Российские ученые разработали принципиально новый препарат, который не дает артериальному давлению повышаться. Он блокирует синтез специфичных белков в клетках сердца, стимуляция которых повышает давление.
    2946
  • 17/09/2018

    Новосибирские ученые улучшили метод анализа белков

    Группа ученых из Новосибирского госуниверситета совместно с коллегами из Института цитологии и генетики СО РАН и Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН дополнила рентгеноструктурный анализ эволюционной информацией, чтобы лучше понять, как работают белки.
    622
  • 31/01/2018

    В Новосибирской области идет разработка проекта по созданию биофармацевтического научно-инжинирингового центра

    ​Новосибирская область может стать одним из ведущих федеральных центров по развитию науки и инжиниринга в области биотехнологий — территорией, привлекательной для инвестиций в биотехнологическую индустрию.
    1183
  • 31/01/2018

    Аркадий Дворкович: программа реиндустриализации новосибирской экономики реализуется успешно

    ​30 января Новосибирскую область с рабочим визитом посетил вице-премьер РФ Аркадий Дворкович. В региональном правительстве под его председательством проходит рабочая группа по программе реиндустриализации экономики области.
    1608