Генная инженерия: состояние на 2020

Представьте, что люди получили возможность выбирать эстетические, физические и интеллектуальные параметры для будущего ребёнка, лечить рак самостоятельно дома без дорогих лекарств и изнуряющих процедур, а также без труда избавляться от страшных и серьезных генетических заболеваний.

Какая технология служит предпосылкой к такого рода идеям и насколько мы близки к их воплощению в 2020 году — рассмотрим в данной статье.

Для того, чтобы понять что такое гены, необходимо начать с более привычного понятия клеток.

Клетки являются основными строительными блоками всего живого, человеческое тело состоит из триллионов из них. Они обеспечивают структуру тела, получают питательные вещества из пищи, преобразуют эти питательные вещества в энергию и выполняют специализированные функции. Клетки также содержат наследственный материал тела и могут делать копии самих себя.

В ядре каждой клетки молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) упакована в нитевидные структуры, называемые хромосомами. Каждая хромосома состоит из ДНК, многократно обмотанной белками, называемыми гистонами, которые поддерживают ее структуру.

В наших клетках содержатся тысячи генов, которые предоставляют информацию для производства определенных белков и ферментов, которые производят мышцы, кости и кровь, и которые, в свою очередь, поддерживают большинство функций нашего организма, таких как пищеварение, выработка энергии и рост.

Иначе говоря, гены представляют собой сегменты ДНК, которые содержат код для конкретного белка, который функционирует в одном или нескольких типах клеток организма.

Итак, гены состоят из ДНК, которая является основой для создания ферментов и белков, заставляющих наше тело работать.

Белки, вероятно, самый важный класс материала в организме. Они например, строят кости, позволяют мышцам двигаться, поддерживают биение сердца.

Насколько сейчас известно, у людей от 20 тысяч до 25 тысяч генов. У каждого человека есть две копии каждого гена, по одной унаследованной от каждого родителя.

Большинство генов у всех людей одинаковы, однако небольшое их количество (менее 1%) все же различаются, это и является причиной индивидуальных физический особенностей у людей. Гены влияют на все: от цвета наших волос до нашей иммунной системы.

Однако они не всегда строятся правильно. Небольшое изменение в них может изменить работу наших белков, которые затем изменят то, как мы дышим, ходим или даже перевариваем пищу.

Гены также могут изменяться по мере того, как они проходят через унаследованные мутации, или с возрастом. Также причиной изменения в генах может служить их повреждение химическими веществами и радиацией.

В ситуации, когда ген видоизменяется таким образом, что вызывает определенное заболевание, генная инженерия и является тем решением, способным помочь. Что же конкретно она из себя представляет?

Генная терапия — это введение, удаление или изменение генетического материала, в частности ДНК или РНК (рибонуклеиновая кислота), в клетке пациента для лечения определенного заболевания.

Важно сказать, что генная модификация по сути своей придумана не нами и возникла еще за долго до появления человека. Редактированием кусочков чужого генома всегда занимались вирусы а также некоторые бактерии.

Бактерия приносят в растения последовательности генов, которые нужны бактерии, и растение меняет свой геном. Поэтому люди, безусловно, развили и научились применять технологию видоизменения генов, но ни в коем случае не изобрели ее.

Существует три основных стратегии использования генной терапии для восстановления клеток-мишеней или тканей-мишеней до нормального, здорового состояния:

Наиболее часто используемый метод включает вставку «терапевтического» гена в геном для замены «ненормального» или «вызывающего болезнь» гена.

Чтобы вставить новые гены непосредственно в клетки, ученые используют средство, называемое «вектор», которое генетически спроектировано для доставки нужного гена. Чаще всего в качестве вектора выступают вирусы.

Прежде чем мы поговорим о вирусе в контексте генной терапии, давайте сначала обсудим основы встречающихся в природе вирусов.

Как известно из сезона простуды и гриппа, вирусы достаточно искусны в искусстве вторжения в наши тела — добавления своего генетического материала в наши клетки. Тем не менее исследователи научились использовать эту хитрую способность в своих интересах.

Вирус — это инфекционный агент, который может прикрепляться к клеткам нашего организма. Вирусы являются паразитами, они выживают, заражая хозяина. Так же, как люди и бактерии, вирусы естественным образом развивались здесь, на Земле.

После прикрепления к клетке человека вирус вставляет свой собственный генетический материал (ДНК или РНК) в ядро инфицированных клеток. Эта вставка позволяет вирусу копировать свою генетику в наших клетках. После репликации вирус переходит к заражению соседних клеток. В конце концов, хозяин заболевает от вирусной инфекции. Часто эта инфекция приводит к смерти.

Иначе говоря, вирусы обладают естественной способностью доставлять генетический материал в клетки и, следовательно, могут использоваться в качестве векторов.

Однако прежде чем вирус можно использовать для переноса терапевтических генов в клетки человека, его модифицируют, чтобы устранить его способность вызывать инфекционное заболевание.

В 1952 году биологи впервые обратили внимание на эффективный метод, который вирус будет использовать для введения ДНК в клетки своего хозяина.

В 1971 году, почти 20 лет спустя, ученые начали использовать этот метод вирусной инъекции для генной терапии человека.

На сегодняшний день система доставки вируса остается наиболее распространенной формой доставки генетического материала с помощью генной терапии.

Во многих ранних экспериментах по генной терапии использовался тип вируса, называемый ретровирусом. Ретровирус заражает клетки одной цепью РНК. Оказавшись внутри клетки, этот вирус использует свой собственный механизм (фермент обратной транскриптазы) для производства ДНК. Затем эта ДНК вводится в геном клетки-хозяина.

Ретровирусы, однако, могут интегрироваться только в геном активно делящихся клеток. Следовательно, многие клетки (например, нейроны) устойчивы к ретровирусной инфекции и интеграции.

Многие испытания генной терапии основаны на использовании модифицированного лентивируса. Лентивирус — это тип ретровируса.

В последнее время многие испытания генной терапии проводятся с вирусом, называемым AAV (аденоассоциированный вирус).

AAV — это небольшой вирус, который заражает людей и некоторых обезьян. Этот тип вируса стал предпочтительным по следующим причинам:

Недостатком AAV является то, что пропускная способность этого вирусного вектора ограничена. Это означает, что невозможно вставить большие гены в AAV. Ученые в настоящее время пытаются преодолеть это ограничение.

Концепция генной терапии кажется простой, но это явно упрощение, и существуют многочисленные проблемы и риски, которые препятствуют генной терапии с использованием вирусных векторов. Вот некоторые из них:

Нежелательная реакция иммунной системы. Иммунная система вашего организма может воспринимать недавно введенные вирусы как злоумышленников и атаковать их. Это может вызвать воспаление и, в тяжелых случаях, отказ органов.

Ориентация на неправильные клетки. Поскольку вирусы могут поражать более одного типа клеток, возможно, что измененные вирусы могут заразить дополнительные клетки, а не только клетки-мишени, содержащие мутированные гены. Если это произойдет, здоровые клетки могут быть повреждены, вызывая другие заболевания, в том числе рак.

Инфекция, вызванная вирусом. Вполне возможно, что после попадания в организм вирусы могут восстановить свою первоначальную способность вызывать заболевание.

Возможность возникновения опухоли. Если новые гены будут вставлены в неправильное место в вашей ДНК, есть вероятность, что вставка может привести к образованию опухоли.

Кроме того, когда вирусы используются для доставки ДНК к клеткам внутри тела пациента, существует небольшая вероятность того, что эта ДНК может непреднамеренно попасть в репродуктивные клетки. Если это произойдет, это может привести к изменениям, которые могут быть переданы детям пациента.

Тем не менее этот основной способ введения генов в настоящее время демонстрирует большие перспективы, и врачи и ученые прилагают все усилия, чтобы решить любые потенциальные проблемы, которые могут существовать.

Они используют тестирование на животных и другие меры предосторожности, чтобы определить и избежать этих рисков, прежде чем проводить какие-либо клинические испытания на людях.

В 2014 году MIT Technology Review назвал эту технологию редактирования генов как «самое большое биотехнологическое открытие века».

«Не будет преувеличением сказать, что CRISPR был революционным открытием», — говорит Марк Меркола, доктор философии, профессор сердечно-сосудистой медицины и член Стэнфордского института сердечно-сосудистых заболеваний.

«С CRISPR мы можем проводить генетические эксперименты, которые были бы невообразимыми всего несколько лет назад, не только в отношении наследственных заболеваний, но и генов, которые способствуют приобретенным заболеваниям, включая СПИД, рак и болезни сердца».

Еще давным давно многие ученые отмечали, что система CRISPR является естественной защитной системой организма от бактерий. В 1993 году Франциско Мохика был первым исследователем, который охарактеризовал то, что сейчас называется CRISPR.

Однако профессору Дудне и ее коллегам приписывают прорывное открытие того, как CRISPR может использоваться для того, чтобы можно было самостоятельно направить изменения генома в бактериях. Ученые на фото изменили систему, чтобы сделать ее более удобной для других ученых.

В 2012 году лаборатории Дудны и Шарпантье упростили компонент направляющей РНК (объединяя 2 элемента РНК в один). Затем они подтвердили, что CRISPR можно использовать для прямого разрезания двухцепочечной ДНК в любом желаемом месте.

В 2013 году д-р Фенг Чжан (Широкий институт Массачусетского технологического института и Гарварда) открыл ключевое новшество в настройке CRISPR, оптимизировав систему для клеток млекопитающих (то есть людей).

Что же представляет из себя это технология, в чем ее основное отличие от предыдущих способов модификации генов и в чем заключается ее революционность? Давайте разбираться.

CRISPR/Cas9 — это метод, который позволяет осуществлять высокоточную и быструю модификацию ДНК в геноме, с его помощью может быть задан любой набор генетических инструкций в организме.

Одна из создателей CRISPR французский генетик Emmanuelle Marie Charpentier описывает технологию так:

Технология возникла в рамках проекта фундаментальных исследований, целью которого было выяснение того, как бактерии борются с вирусными инфекциями.

Бактериям приходится сталкиваться с вирусами в среде своего обитания, и вирусную инфекцию можно представить как тикающую бомбу замедленного действия: у бактерии есть всего несколько минут, чтобы ее обезвредить до того как бактерия будет разрушена.

В клетках многих бактерий существует адаптивная именная система — CRISPR, позволяющая им выявлять и разрушать вирусную ДНК. В состав системы CRISPR входит белок Cas9, который способен искать, расщеплять и в конечном итоге уничтожать вирусную ДНК особым способом.

Именно в ходе этого исследования по изучению активности этого белка Cas9 ученые поняли, что могут использовать его активность в генно-инженерной технологии.

CRISPR (англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats) — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами

Важно обратить внимание на названия, потому что в нем заложены 2 основные части, заложенные в систему: во-первых, это повторы. Повторы — это короткие сегменты ДНК 20–40 букв в длину, которые являются палиндромными, то есть могут быть прочтены одинаково в обоих направлениях. (Как, например: «а роза упала на лапу Азора»). На рисунке повторы показаны последовательностью из цветных букв.

Однако между повторами есть пробелы (серый цвет). В этих пробелах находятся так называемые «cпейсеры» (англ. spacer DNA). Они, в свою очередь, уже не идентичные, каждый из спейсеров уникален. Этот факт очень озадачил ученых, когда они пытались их распознать в 80-е и 90-е годы.

Но уже в 2000 -е ученые выяснили, что именно cпейсеры идеально соответствуют ДНК вирусов, поразившим когда-то эту конкретную бактерию. То есть в спейсерах хранится информация о всех вирусах когда-либо поражавших данную бактерию. Таким образом получается, что спейсеры — это ни что иное как элемент иммунной системы бактерии.

Итак, когда бактериофаг (вирус) впрыскивает свою ДНК внутрь клетки, обычно, если отсутствует иммунная система, это приводит к ее разрушению и смерти.

Тем не менее при наличии системы CRISPR клетка транскрибирует и переводит ДНК вируса при помощи белка CAS, для того чтобы создать CRISP РНК, инструмент который и будет бороться с вирусной ДНК и в итоге разрушит ее еще до начала заражения.

Система CRISPR-Cas9 состоит из двух ключевых молекул, которые вносят изменения В ДНК:

Таким образом мы можем заменять вполне конкретные участки ДНК на те, которые нам необходимы.

Резюмируя еще раз основное отличие CRISPR CAS 9 как технологии от прежних методов:

Теоретически технология CRISPR может позволить нам редактировать любую генетическую мутацию по желанию, излечивая заболевание, которое она вызывает. Однако на практике мы только начинаем разработку CRISPR в качестве терапии, и много чего по прежнему остается непонятным.

Но если бы у вас была хоть какая-то возможность вылечить какое-нибудь генетическое заболевание, с чего бы вы начали? Ниже представлены семь болезней, с которыми ученые уже борются с помощью CRISPR-Cas9, и которые в конечном итоге могут стать первыми состояниями, которые будут использоваться для применения этой революционной технологии:

Первые применения CRISPR могли бы быть при раке. Действительно, одно из первых и самых передовых клинических испытаний CRISPR, которое в настоящее время проводится в Китае, заключается в тестировании потенциала инструмента редактирования генов для лечения пациентов с запущенным раком пищевода.

Лечение тестируется в онкологической больнице Ханчжоу, начинается с извлечения у пациента иммунных Т-клеток. Используя CRISPR, клетки модифицируются для удаления гена, который кодирует белок PD-1 — некоторые опухоли способны связываться с этим белком на поверхности иммунных клеток и инструктировать их не атаковать.

Затем модифицированные клетки помещают в пациента с более высокой способностью атаковать раковые клетки.

До настоящего времени, по крайней мере, 86 человек с различными формами рака прошли курс лечения CRISPR в Китае. В США другое исследование CRISPR, в котором первые пациенты прошли лечение в апреле 2019 года, также нацелено на рак.

Ученые из Университета Пенсильвании используют CRISPR для удаления PD-1, а также для изменения молекулы на поверхности иммунных клеток, чтобы они могли находить и атаковать опухоли.

Первое исследование CRISPR в Европе и США, в котором был зарегистрирован первый пациент в феврале этого года, направлено на лечение бета-талассемии и серповидноклеточной анемии, двух заболеваний крови, которые влияют на транспорт кислорода в крови.

Терапия, разработанная CRISPR Therapeutics и Vertex Pharmaceuticals, заключается в сборе стволовых клеток костного мозга у пациента и использовании технологии CRISPR, чтобы заставить их вырабатывать фетальный гемоглобин, естественную форму несущего кислород белка, который связывает кислород гораздо лучше, чем взрослая форма.

Перед началом испытания FDA отложило его в США, чтобы прояснить некоторые вопросы безопасности. Несколько месяцев спустя трюм был снят, и лечение было назначено для ускоренного определения обоих состояний.

Гемофилия — еще одно заболевание крови, с которым может справиться технология CRISPR. CRISPR Therapeutics работает с Casebia над терапией CRISPR в естественных условиях, где инструмент для редактирования генов доставляется непосредственно в печень.

CRISPR — отличный кандидат для лечения генетической слепоты. Многие наследственные формы слепоты вызваны специфической мутацией, что позволяет легко поручить CRISPR-Cas9 нацеливаться и модифицировать один ген.

Кроме того, глаз является частью тела, лишенной иммунитета, то есть активность иммунной системы там ограничена. Это становится преимуществом ввиду опасений относительно возможности того, что CRISPR может вызвать против него иммунные реакции, которые блокируют его активность и приводят к побочным эффектам.

Editas Medicine работает над терапией CRISPR для лечения врожденного амавроза Лебера, наиболее частой причины наследственной слепоты у детей, для которой нет лечения.

Компания ставит своей целью выявить наиболее частые мутации, вызывающие заболевание, используя CRISPR для восстановления функции светочувствительных клеток до того, как дети полностью потеряют зрение.

Существует несколько способов, с помощью которых технология CRISPR может помочь нам в борьбе со СПИДом. Один из них использует CRISPR, чтобы вырезать ДНК вируса ВИЧ из его укрытия в ДНК иммунных клеток. Этот подход может быть использован для атаки на вирус в его скрытой, неактивной форме, что делает возможным полное избавление от вируса.

Другой подход может сделать нас устойчивыми к ВИЧ-инфекции. Некоторые люди рождаются с естественной устойчивостью к ВИЧ благодаря мутации в гене, известном как CCR5, который кодирует белок на поверхности иммунных клеток, который ВИЧ использует в качестве точки входа для заражения клеток. Мутация изменяет структуру белка, так что вирус больше не может связываться с ним.

Этот подход был использован в очень спорном случае в Китае в прошлом году. CRISPR-Cas9 использовался для редактирования человеческих эмбрионов, чтобы сделать их устойчивыми к ВИЧ-инфекциям.

Эксперимент вызвал возмущение среди научного сообщества, причем некоторые исследования указывают на то, что «дети CRISPR» могут подвергаться большему риску умереть моложе. Общее мнение, по-видимому, заключается в том, что необходимы дополнительные исследования, прежде чем этот подход можно будет использовать у людей.

Муковисцидоз является генетическим заболеванием, которое вызывает серьезные проблемы с дыханием. Хотя существуют способы лечения симптомов, продолжительность жизни человека с этим заболеванием составляет всего около 40 лет.

Технология CRISPR может помочь нам найти причину проблемы, отредактировав мутации, вызывающие муковисцидоз, которые находятся в гене CFTR.

Исследователи доказали, что можно использовать CRISPR в клетках легких человека, полученных от пациентов с муковисцидозом, и зафиксировать наиболее распространенную мутацию, лежащую в основе заболевания. Следующим шагом будет его тестирование на людях, что планируют сделать и Editas Medicine, и CRISPR Therapeutics.

Однако муковисцидоз может быть вызван множеством различных мутаций в гене CFTR, а это означает, что для различных генетических дефектов необходимо будет разработать различные методы лечения CRISPR. Editas заявил, что он будет смотреть на наиболее распространенные мутации, а также некоторые из редких, для которых нет лечения.

Мышечная дистрофия Дюшенна вызвана мутациями в гене DMD, который кодирует белок, необходимый для сокращения мышц. Дети, рожденные с этим заболеванием, страдают от прогрессирующей мышечной дегенерации, и в настоящее время нет никакого лечения, кроме паллиативной помощи.

Исследования на мышах показали, что технология CRISPR может использоваться для устранения множественных генетических мутаций, лежащих в основе заболевания.

В прошлом году группа исследователей в США раскрыла инновационный метод, который вместо того чтобы фиксировать каждую мутацию в отдельности, использовал CRISPR, чтобы сократить 12 стратегических «горячих точек мутации», охватывающих большинство из примерно 3000 различных мутаций, вызывающих это мышечное заболевание.

Компания под названием Exonics Therapeutics была выделена для дальнейшего развития этого подхода.

Editas Medicine также работает над терапией CRISPR при мышечной дистрофии Дюшенна. Он также следует более широкому подходу, где вместо фиксации мутаций CRISPR удаляет целые участки мутированного белка, что делает белок более коротким, но все же функционирующим.

Болезнь Хантингтона — это нейродегенеративное состояние с сильным генетическим компонентом. Заболевание вызвано аномальным повторением определенной последовательности ДНК в гене Хантингтина. Чем больше количество копий, тем раньше болезнь проявится.

Лечение Хантингтона может быть сложным, так как любое нецелевое воздействие CRISPR на мозг может иметь очень опасные последствия. Чтобы уменьшить риск, ученые ищут способы настроить инструмент редактирования генов, чтобы сделать его более безопасным.

Американские исследователи разработали KamiCas9, версию CRISPR-Cas9, которая включает «кнопку самоуничтожения». Группа польских исследователей выбрала сочетание CRISPR-Cas9 с ферментом под названием nickase, чтобы сделать редактирование генов более точным.

Университеты и фармацевтические компании уже не единственные платформы, доступные ученым. Многие независимые ученые проводят эксперименты в небольших частных лабораториях.

Некоторые биологи работают из временных лабораторий в своем собственном подвале, другие присоединяются к общественным лабораторным пространствам, которые открыты для публики.

Эти небольшие независимые лаборатории являются частью более широкого движения, называемого «Самодельная биология» («Сделай сам») (англ. Do-it-yourself biology (DIY biology). Фраза «биохакерство» часто используется для описания этого процесса подпольной или неинституциональной биотехнологии.

Джошуа Зайнер — бывший сотрудник синтетической биологии НАСА и один из первых биохакеров, который применил CRISPR CAS9 для редактирования собственного генома.

В 2017 году он сделал инъекцию CRISPR с ретровирусом, несущим новую версию гена, кодирующего мышечный белок миостатин, на биотехнологической конференции, транслируя трюк в прямом эфире, чем вызвал огромный резонанс обсуждений в обществе.

Сделал он это, разумеется, не ради хлеба и зрелищ, а пытаясь донести до людей несколько очень интересных и важных идей, касаемо применения технологии.

По словам ученого, основной целью эксперимента было не сделать себе больше мышц или изменить свою ДНК.

Доктор Зайнер считает, что CRISPR настолько прорывная технология, что она должна быть доступна всем людям, и если CRISPR станет ключевым научным инструментом будущего, то ученые-любители уже сейчас должны учиться экспериментировать с ним у себя дома.

В настоящее время Джошуа Зайнер является генеральным директором и основателем компании ODIN, которая занимается продажей наборов для редактирования генов своими руками у себя дома.

Наборы содержат все необходимое начинающему ученому для проведения экспериментов CRISPR на дрожжах или бактериях.

За $130 вы можете попробовать переработать бактерии, чтобы они могли выжить на еде, с которой обычно бы не справились. Или за $160 можете включить эукариот и отредактировать ген дрожжей ADE2, чтобы дать ему красный пигмент.

Вот основные идеи, которые продвигает Зайнер:

Итак, Зайнер стремится сделать технологию редактирования генов доступной для всех, независимо от социально-экономического положения или предыдущего научного опыта, через ODIN.

Как же сейчас обстоят дела с доступность генной терапии для больных?

Как уже было сказано ранее, модификация ДНК с помощью CRISPR не является ни чрезмерно дорогой, ни запредельно трудной для выполнения. Однако делает ли это доступной ее для потребителя?

Когда на рынке появилось первое поколение препаратов, их высокие цены вызвали споры и заставили задуматься о том, как финансировать инновационные методы лечения.

Luxturna, единовременное лечение наследственной болезни глаз сетчатки, стоит $850 тысяч в США и £613 410 в Великобритании. Zolgensma, лекарство для лечения атрофии мышц позвоночника, стоит в США $2,1 млн, а Zynteglo, предназначенная для лечения редкого генетического заболевания крови, стоит $1,78 млн.

Цены вызвали критику со стороны групп пациентов и комментаторов, что привело к появлению заголовков о рекордных ценах на лекарства. Но биотехнологические компании защищают затраты, утверждая, что альтернативные методы стоят дороже.

«Мнение о том, что Zolgensma является самой дорогой терапией в мире, откровенно ошибочно», — говорит Дэвид Леннон, президент AveXis, биотехнологии, приобретенной Novartis, которая его разработала.

«Когда вы рассматриваете стоимость терапии в течение чьей-то жизни, вы говорите о миллионах долларов. Тот факт, что мы сжимаем стоимость в одну процедуру, делает ее дорогой».

AveXis считает, что альтернативная стоимость лечения ребенка со спинальной мышечной атрофией составляет $4 млн в течение 10 лет.

Лечение, о котором говорит Леннон, называется Spinraza и требует четырех однократных инъекций на общую сумму $750 тысяч долларов в первый год, а затем поддерживающие дозы каждые четыре месяца на всю жизнь при ежегодной стоимости в $375 тысяч.

Гемофилия, еще одно заболевание, хорошо подходящее для генной терапии, сейчас обходится сильно дороже.Если пациент испытывает кровотечение, он может стоить плательщикам до $1 млн в год.

Дело в том, что сейчас тратится огромные средства на поддержание жизнедеятельности людей с серьезными заболеваниями в течение многих лет, и терапии, которые длятся иногда всю жизнь.

Многие виды лечения некоторых заболеваний включают в себя хроническую паллиативную помощь, обеспечивающую постепенные улучшения или временные задержки в прогрессирование болезни. Все это невероятно дорого.

Генная терапия же предлагает решение, которое, грубо говоря, будет бороться с причиной болезни, а не симптомами, обеспечивание длительный или пожизненный эффект при одноразовом введении лекарства. Это все равно что купить квартиру, вместо того чтобы ее снимать.

Даже если первоначальная стоимость одобренной генной терапии составляет несколько миллионов долларов, эта терапия представит наиболее экономически эффективный вариант лечения всего через несколько лет по сравнению с нынешним лечением.

Главный вопрос сейчас — как могут системы здравоохранения адаптироваться под это новую форму финансирования, чтобы помочь донести лекарства до тех пациентов, кому они отчаянно нужны.

Становится ясно, что генная терапия на самом деле сэкономит драгоценные доллары системы здравоохранени за счет снижения прямых медицинских расходов, повышения качества жизни пациентов, их социальной интеграции и других косвенных сбережения. Однако реформы, которые потребуется и займут еще немало времени.

Как показывают текущие цены, вывести лекарство для генной терапии на рынок дорого. От разработки препарата до утверждения требуется много лет.

Даже если лекарство будет одобрено регулирующими органами, затраты могут быть такими высокими, а количество пациентов настолько незначительным, что для фармацевтических компаний в конечном итоге не будет никакого коммерческого смысла производить и продавать такие лекарства.

Иначе говоря, мы имеем революционное лекарство, которые имеет потенциал в вылечивание самых изнуряющих болезней, но рыночная структура, которая существует на сегодняшний день, никак не способна сделать их доступными для людей.

В то время как конгресс США занимается долгими обсуждениями касаемо разработки новый системы финансирования, появляются идеи и технологии, бросающие вызов фарминдустрии в целом.

Эндрю Гессель — синтетический биолог, некогда работающий в фармацевтической отрасли. Его главное разочарование — это темп, с которым любое новое лекарство выходит на рынок, поэтому он решил пойти по собственному пути и поставил своей основной целью «взлом биофармацевтической промышленности»

Для понимания идей Эндрю необходимо сказать пару слов об области науки, которой он занимается.

Синтетическая биология — это направление, объединяющее в себе молекулярную биологию, генную инженерию, физику и химию, которое занимается созданием простых и удобных биологических систем для перепрограммирования живых организмов с целью решения необходимых задач в разных областях.

Итак, почему развитие синтетической биологии — это огромный прорыв в области генной инженерии?

Во-первых, именно с помощью методов синтетической биологии мы получили возможность с легкостью манипулировать не только реальными генами, но и искусственно конструировать любую генетическую последовательность и использовать ее в нужных нам целях.

Во-вторых, синтетическая биология внесла огромный вклад в развитие генной инженерии тем, что сделала ее гораздо более простой и доступной для понимания, чем прежде.

Работая как с компьютерами, так и с биологическим материалом, ученые в основном имеют дело с элементарными (наименьшими) составляющими. В программировании это нули и единицы, в биологии же это буквы «A, C, T и G», которые составляют генетический код. Все еще невероятно сложно для обычного человека.

Развитие синтетической биологии позволило создать из блоков кода модули, чем существенно облегчила ученым задачу. Теперь мы знаем, что определенная последовательность букв ACTG — это переключатель, который может «выключить» ген, а другая их последовательность — это репортерный ген и так далее.

Иначе говоря, теперь мы имеем не просто буквенные последовательности, а конкретные модули, обладающие определенными функциями, которые мы можем с лёгкостью использовать для конструирование биологических схем.

Именно поэтому сегодня кто угодно может экспериментировать с генной инженерией у себя дома, будь это хоть 10-летний ребенок.

Синтетическая биология таким образом позволила теперь сделать генную инженерию понятной и доступной не только для биологов, но и для обычных людей.

Гессель считает, что основная проблема с развитием медицины на сегодняшний день, состоит в том, что все происходит очень долго и требует очень больших затрат.

Под оцифровкой биологии Гессель имеет ввиду создание на компьютере вирусов, содержащих ДНК, которые в последствии могут быть использованы, например, для борьбы с раком.

Как известно, все раковые опухоли разные. В своей компании Humane Genomics Гессель планирует создать вирусы, ДНК которых направлено точно на конкретные опухоли. Специальные ДНК принтеры будут печатать определенную ДНК и помещать ее в вирусы. Таким образом люди получат доступ к персонализированномулечению рака.

В 2016 году Гессель в сотрудничестве с ветеринарной школой в Алабамском Политехническом институте уже разработали первый синтетически созданный вирус, который борется с раком для собак.

На первый взгляд, все это может показаться чем-то из мира фантастики, однако миниатюризация оборудования уже создана, а сами девайсы уже запроектированы, как скоро мы получим их для широкого использования, — всего лишь вопрос времени.

В целом у Зайнера и Гесселя цель по сути своей одна и та же — сделать биотехнологии доступными всем и каждому. Только Зайнер делает это с помощью своих наборов Crispr-kits, а Хейл через оцифровку биоэлементов.

Изменения, которые влечет генетическая инженерия, могут быть рассмотрены с двух сторон. С одной стороны, эти изменения существенно помогут нам в борьбе с серьезными генетическими заболеваниями и сильно улучшат уровень жизни людей в моменте. С другой стороны, эти изменения прямо влияют на человеческую эволюцию.

Люди манипулируют генетическим кодом, и эти манипуляции передаются из поколения в поколение. Поэтому главный вопрос, касающийся редактирования генов на сегодняшний день, — это имеем ли мы право «играть в Бога» и менять мир раз и навсегда? Мы думаем, что знаем, что делаем, что точно просчитываем, какие изменения мы вносим в гены.

Однако всегда есть вероятность, что либо мы что-то упустим, либо наша технология не сможет уловить другие изменения, которые были сделаны не нами. И тогда возникает опасение, что эти изменения приводят к устойчивости к антибиотикам или другим мутациям, которые распространяются в популяции и которые очень трудно контролировать.

По сути — это создание неизлечимых болезней или других потенциальных мутаций, которые мы не могли бы контролировать. Сообществу ученых, медиков и юристов предстоят еще не мало исследований, конференций и саммитов для того, чтобы такого рода опасения ушли.

На ряду с этим главным этическим беспокойством имеется еще ряд вопросов, вызывающий в обществе много волнений.

Важной этической проблемой в исследованиях является то, что выгоды технологии должно быть больше, чем рисков. Применение CRISPR/Cas9 на данный момент все еще сопряжено с рисками, поскольку может вызывать мутации — мишени, которые могут быть вредными.

Высокая частота нежелательных эффектов была обнаружена в клетках человека. Проблема заключается в том, что большие геномы могут содержать несколько последовательностей ДНК, идентичных или высоко гомологичных предполагаемой последовательности ДНК-мишени.

CRISPR/Cas9 может также расщеплять эти непреднамеренные последовательности, вызывая мутации, которые могут вызывать гибель или трансформацию клеток. В настоящее время ученые работают над уменьшением мутаций, но необходимо и дальнейшее улучшение, особенно для точных модификаций, необходимых для терапевтических вмешательств.

Этические проблемы были подняты относительно возможности редактирования генома в зародышевой линии человека. Ранее все терапевтические вмешательства на людях с использованием редактирования генома проводились в соматических (не принимающие участия в половом размножении) клетках.

Но эксперимент китайских исследователей вызвал обеспокоенность по поводу возможности внесения изменений в зародышевую линию человека.

Разница заключается в том, что предполагаемые терапевтические генетические модификации в зародышевой линии могут передаваться следующим поколениям.

В целом терапевтические вмешательства по редактированию генома в соматических клетках являются этически приемлемыми, учитывая баланс между рисками и выгодами и использованием информированного согласия.

Но клетки зародышевой линии это совершенно другое. Поскольку метод CRISPR/Cas9 может вызывать мутации и побочные эффекты, непредсказуемые изменения могут быть переданы будущим поколениям.

Многие ученые выступают категорически против таких вмешательств и предлагают ввести запрет на редактирований в зародышах.

Уже в 1997 году ЮНЕСКО выпустила Всеобщую декларацию о геноме человека и правах человека, рекомендовав мораторий на вмешательство генетически в зародышевую линию человека.

В декабре 2015 года на международном саммите по геномному редактированию человека, на котором собрались члены национальных научных академий Америки, Великобритании и Китая, обсуждалась этическая сторона данного вопроса.

Они согласились продолжить базовые и клинические исследования в соответствии с соответствующими правовыми и этическими принципами, но изменение гаметоцитов и эмбрионов для генерации наследственных изменений у людей было объявлено безответственным.

Российское сообщество генетиков, клиницистов и биоэтиков также достигло консенсуса в отношении использования технологий редактирования на человеческих эмбрионах и половых клетках в клинических целях. Они считают, что такие эксперименты на данный момент преждевременны и требуют более глубокого исследования и обсуждений.

Тем не менее в феврале 2016 года британские ученые получили разрешение регулирующих органов на генетическую модификацию эмбрионов человека с использованием CRISPR/Cas9 и связанных с ним методов только для исследований.

Следовательно, геномное редактирование человеческих эмбрионов по терапевтическим причинам до сих пор существует. Риск наследственных непредсказуемых генетических мутаций выше, чем возможные преимущества терапии, затрагивающей принцип отсутствия вреда.

Очевидно, что техника должна быть полностью безопасной, чтобы пробовать терапию в зародышевой линии. Ведь если был нанесен ущерб, возникнет проблема, за которую ответственность понесут уже следующие поколения людей.

Другой этический вопрос для обсуждения — это возможность нетерапевтических вмешательств с использованием редактирования генома. Его использование в зародышевой линии запрещено по соображениям безопасности.

Но эффективность техники CRISPR/Cas9 увеличивает возможность вмешательства в соматические клетки, для того чтобы генетика соответствовала нашим жизненным интересам. Например, техника может быть использована для повышения работоспособности спортсменов или для предотвращения агрессивного поведения или уменьшения зависимости.

Как правило, генная терапия направлена на улучшение здоровья пациента для его собственной пользы, но в будущем может случиться так, что система уголовного правосудия, например, потребует редактирования генома генов, связанных с насилием, для рецидивистов или опасных насильственных преступников.

В социальном плане возникнет проблема, когда некоторые группы населения или отдельные лица будут генетически улучшены, имея преимущество над другими, например, в интеллектуальном или физическом потенциале, что может послужить причиной локальным и глобальным конфликтам.

Производство человеческих органов у животных также поднимает множество этический возражений.

Развитие человеческих/животных химер для трансплантации органов может дать надежду многим, кому приходится стоять в очереди за донорскими органами.

Впервые эти этические соображение относительно химер были подняты в связи с медицинскими методами, которые сегодня достаточно широко распространены. Например, биологические клапаны сердца свиньи, крупного рогатого скота и лошади часто имплантируют пациентам с дисфункцией клапана сердца, а инсулин, извлеченный из поджелудочной железы свиньи, обычно используется пациентами с диабетом.

Оправдано ли считать, что свинья с поджелудочной железой человеческого происхождения является химерой, производство которой должно быть запрещено, тогда как человек с митральным клапаном свиного происхождения является допустимой химерой?

Два ответа в зависимости от принятой точки зрения. Что касается благополучия животных, эксперименты на свиньях уже строго регламентированы, чтобы избежать ненужных страданий животных во время исследований.

Тот факт, что химерные животные выращиваются для целей человеческой органной культуры, не должен вызывать больше этических споров, чем выращивание их для потребления.

Одна из действительно важных проблем относительно химер — это медицинская сторона вопроса. Дело в том, что ретровирусы, встроенные в геном животных, могут передаваться человеку. Действительно, эффекты этих ретровирусов могут быть известны у животных, но нет возможности предсказать то, что они могут вызвать у людей.

Опасение заключается в том, что ткани человека, вырабатываемые животными, могут быть источником новых зоонозов, что поднимает этические проблемы, связанные с защитой людей, участвующих в клинических исследованиях, для проверки безопасности таких органов.

Более того, невозможность предвидеть потенциальные риски, связанные с трансплантацией органов человека, выращенных у свиней, требует предельной осторожности.

Также химеры подняли этические проблемы по поводу риска нарушения порядка природы, создавая моральную путаницу в отношении того, как относиться к организму, как к животному или человеку? Каким образом должны мы должны будет его классифицировать? Вариантов существует огромное множество, все они должны будут быть зафиксированны и регламентированны.

Несмотря на все выше изложенные опасения, технология в любом случае рано или поздно будет использоваться, неважно хотим мы этого или нет. Ее масштаб и сила слишком велики для того, что бы кто то мог ее запретить или остановить ее развитие.

Так или иначе, будущее уже здесь.

#геном #медицина #днк