Человек редактированный, или Биомедицина будущего

Ген должен работать на своем месте

В предыдущей главе мы рассмотрели способы использования генов человека в бактериях или культурах клеток млекопитающих вне организма, чтобы синтезировать белки, которые могут быть использованы для разных целей. Например, есть люди, у которых нужный белок не производится самим организмом в необходимом количестве, потому что какой-то ген не работает вообще или работает недостаточно активно. Этим пациентам можно вводить соответствующий белок, синтезированный вне организма, и такая заместительная терапия позволит им вести более или менее нормальный образ жизни.

Возникает естественный вопрос: почему бы вместо заместительной терапии не исправить работу генов, которые находятся внутри организма?

В общем виде задача выглядит так: ДНК и гены — это осмысленный текст, с которым можно работать, то есть брать большой кусок какого-то гена, прикреплять к нему другой кусок генетического текста (называемый регуляторной последовательностью), и все это вместе вводить в определенные клетки организма, чтобы оно попало туда, куда нужно, а главное — стало работать. Но как это сделать?

Если посмотреть на достижения цивилизации, то синтетических открытий[6] типа теоремы Пифагора или теории относительности Эйнштейна было сделано не так уж много. Люди не столько изобретают нечто «из головы», сколько видят, как это устроено в природе, и потом немножко по-другому используют для собственных нужд. Возьмем, например, аденовирусы, с которыми каждый из нас сталкивается ежегодно, а то и по нескольку раз в году. Вдруг запершило в горле, потекло из глаз, из носа, а через два-три дня все прошло. Скорее всего, причиной была аденовирусная инфекция, так как этот вирус очень легко проникает в клетки слизистых оболочек глаз, носа и верхних дыхательных путей.

Цитомегаловирус, напротив, инфицирует преимущественно эпителиальные клетки легких, печени, кишечника, почек, мочевого пузыря, молочных и слюнных желез, половых органов.

Существуют ретровирусы, которые очень эффективно инфицируют другие специализированные клетки, в том числе клетки крови, включая также входящие в ее состав стволовые клетки. Одним из таких ретровирусов является хорошо известный вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).

Но теперь, когда мы узнали, какие вирусы есть, какие клетки они предпочитают, каков механизм инфицирования и вирусного размножения, давайте попробуем использовать эти знания, чтобы сделать искусственный вирус. Он должен эффективно заражать нужные нам клетки, нести гены, нужные нам, а не вирусу, и при этом не должен в этих клетках размножаться. Такие искусственные генетические конструкции на основе биологических молекул получили название вектор.

В результате работы генных инженеров появились вирусы, в которые встроен ген человека, но они не могут размножаться. Такая вирусная частица проникает в клетку человека и может либо встроиться в геном клетки и там остаться навсегда, не производя потомства, либо будет обеспечивать работу гена на протяжении некоторого времени. Например, всем сегодня известная вакцина «Спутник V» как раз состоит из вируса, который проникает в клетки, находится в них какое-то время и осуществляет там синтез S-белка коронавируса. Длительность работы вектора зависит от того, какой тип вируса использовался. Если в клетке поврежден какой-то ген и она не может синтезировать правильный белок, мы можем инфицировать эту клетку вирусом, который несет неповрежденную копию гена и может встроиться в геном клетки, например, ретровирусом, — в результате в клетке окажется работающая копия гена, которая будет синтезировать правильный белок. Мы вылечили клетку! А если мы возьмем в качестве вектора, скажем, аденовирус, то он не встраивается в геном клетки, поэтому доставленный вектором ген будет работать в ней только некоторое время, так как клетка утилизирует старый материал или погибает.

Детство генной терапии

Вся совокупность биомедицинских и генно-инженерных методов исправления (коррекции) функции генов с их использованием на уровне организма получила название генная терапия. Хотя генная терапия, несмотря на свою уже тридцатилетнюю историю, все еще пребывает в юношеском возрасте, у нее уже имеется колоссальное преимущество перед многими современными медицинскими подходами в том, что ее цель — устранить причину заболевания, а не просто симптомы болезни.

Первый случай успешного применения генной терапии для лечения врожденного иммунодефицита у четырехлетней девочки относится к 1990 году, который считается годом рождения генной терапии. Четырехлетняя Ашанти де Сильва получила генетическое лечение от тяжелого заболевания — сложного комбинированного иммунодефицита, связанного с недостатком фермента ADA. В лимфоциты малышки была введена генетическая конструкция, содержащая нормальный ген, а потом лимфоциты были возвращены обратно в организм. Процедура привела к долговременному, но не постоянному восстановлению иммунной системы у девочки. Этот первый успех был закреплен еще несколькими аналогичными случаями. Однако были и неудачи. Самый тяжелый удар в 1999 году нанесла генной терапии смерть Джесси Гелсинджера, восемнадцатилетнего американца. Этот трагический случай, серьезно приостановивший развитие нового лечебного метода, был связан с использованием аденовирусного вектора.

Проблема в том, что вирусы, как бы мы ни пытались сделать их безопасными, все равно могут вызвать у человека какие-то негативные последствия. Именно это произошло с Джесси Гелсинджером. У него было редкое генетическое заболевание, которое приводило к накоплению аммония в крови. Более тяжелые формы этой болезни приводят к гибели на первом месяце жизни, но у Джесси была относительно легкая форма, которую у него диагностировали в двухлетнем возрасте, и он находился на специальной диете, потребляя еще и по несколько десятков различных лекарственных препаратов ежедневно. Ему ввели нормальную копию гена в составе аденовирусного вектора, но, увы, какой-то фактор оказался неучтенным. Молодой человек в короткий срок скончался от побочных явлений. Дальнейшие исследования в области генной терапии по требованию регулятора (американского Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, FDA) пришлось немедленно прекратить.

Когда стали разбираться, почему произошла эта дня, то выяснились два важных момента. Во-первых был нарушен протокол и пациенту ввели чуть ли не в сто раз больше вирусного вектора, чем было запланировано. Во-вторых, у пациента, который был тяжело болен на протяжении последних шестнадцати лет, оказалась гиперчувствительность именно к аденовирусу, который использовался в качестве вектора.

В общем-то, произошел несчастный случай, но если мы хотим применять генную терапию, то должны гораздо лучше знать особенности индивидуальных геномов, чтобы не возникали неожиданные побочные последствия.

Несмотря на все «недетские» проблемы первоначального периода, генная терапия продолжала интенсивно развиваться. В 2009 году авторитетный научный журнал Science назвал успех генной терапии одним из величайших достижений первого десятилетия XXI века.

Какие же конкретные достижения генной терапии дали основание для такого лестного вывода? Первое из них — устранение генетического заболевания под названием амавроз Лебера, главным симптомом которого является полная слепота с детства.

Врожденный амавроз Лебера

Глаз человека имеет удивительное строение. Он чем-то похож на фотоаппарат или камеру смартфона, у которых есть фотопленка или светочувствительная матрица, где формируется изображение. В фотопленке светочувствительными элементами были зерна серебра, а в современном смартфоне их аналогами являются фотодиоды — маленькие элементы из кремния или другого полупроводника. Фотодиоды преобразуют световой импульс в электрический и передают его дальше — для программной обработки изображения.

А у нас в глазу находятся светочувствительные клетки (фоторецепторы), которые вместо серебра или кремния содержат особые белковые структуры — диски, уложенные один на другой, как стопка монет. Когда на верхний диск попадает квант света, начинается химическая реакция, которая преобразуется в электрохимический импульс. Именно так элемент изображения попадает в нашу центральную нервную систему — в мозг, где происходит обработка полученных сигналов.

К сожалению, эти диски, как и зерна серебра в фотопленке, расходуются по мере использования. Для здорового организма в этом нет ничего страшного, так как на смену израсходованным дискам, подпирая их снизу, поднимаются вновь синтезированные такие же белковые структуры. Однако прежние диски необходимо утилизировать должным образом, ведь если подобный «мусор» оставлять в клетке или выбрасывать наружу, то с годами пробиться через эту преграду не сможет никакой свет. Поэтому рядом с клетками-фоторецепторами расположены клетки пигментного эпителия сетчатки — профессиональные мусорщики! Они энергично поглощают сброшенные фоторецепторами использованные диски. Если же эти белковые диски по какой-то причине не уничтожаются как мусор, фоторецепторные клетки либо не развиваются, либо деградируют.

Одна из форм редких наследственных болезней глаз получившая название амавроз. Лебера, как раз связана с тем, что имеется мутация в гене RPE65 (от слов retinal pigment epithelium — пигментный эпителий сетчатки). Именно он ответствен за развитие и функционирование профессиональных мусорщиков — клеток пигментного эпителия сетчатки. Если имеется мутация в гене RPE65, то человек не будет видеть с ранних лет, поскольку биологический мусор накапливается, и это приводит к гибели всех светочувствительных клеток глаза. Что же делать?

Именно с решением этой проблемы связан, по мнению журнала Science, первый большой успех генной терапии. В качестве вектора исследователи решили взять аденоассоциированный вирус, поскольку он легко проникает в слизистые и, в отличие от аденовируса, может встраиваться в хорошо известный участок генома клетки. Мы же хотим, чтобы исправный ген остался в клетке на всю жизнь! Для этого генетики путем генно-инженерных манипуляций встроили в вектор ген RPE65 и ввели полученный препарат, позже названный Люкстурна (Luxturna), в глаза больным амаврозом Лебера.

Первые шаги в новом направлении были сделаны еще в начале 2000-х, а в 2009 году в журнале Science были опубликованы сообщения о первых значительных успехах в рамках этого исследования. Собственно говоря, это были результаты первой фазы клинических исследований. Около десятка пациентов получили инъекцию генного терапевтического препарата, содержавшего нормальный ген RPE65, и больше чем в половине случаев это привело к появлению зрения на уровне различения предметов. Больные избавились от полной слепоты, впервые увидели мир и смогли самостоятельно передвигаться по улицам и обслуживать себя. Это было очень большим достижением генной терапии, и в 2017 году в США (чуть позже и в Великобритании) препарат Люкстурна был зарегистрирован и одобрен для лечения наследственной дистрофии сетчатки глаз.

К сожалению, лечение подходит не всем. Требуется большая и долгая индивидуальная подготовительная работа. Первое условие успеха — пациенты должны быть достаточно молодыми (лучше детьми), потому что с возрастом клетки, в которых должен работать ген RPE65, погибают, а вместе с ними и фоторецепторы. Чем дольше длится заболевание, тем меньше шансов восстановить зрение.

Тяжелый комбинированный иммунодефицит

Приведу еще один пример генной терапии, очень успешный, хотя начиналось все неоднозначно. Есть такое заболевание — алимфоцитоз, или тяжелый комбинированный иммунодефицит. Это результат мутации в некоторых генах, которые, как мы помним, присутствуют в каждой клетке, но работают только в клетках иммунной системы — Т-лимфоцитах крови. Если какой-то из этих генов в лимфоцитах крови не работает, не происходит синтез необходимого белка, то наступает иммунодефицитное состояние. Дети рождаются с полным отсутствием иммунной защиты организма и подвержены любой инфекции, в результате чего умирают в первые годы жизни. Они могут жить только в стерильных условиях. К счастью, это очень редкое заболевание.

Дэвиду Веттеру удалось прожить девять лет. История его жизни легла в основу американского фильма «Bubble boy» («Парень из пузыря», 2001 год). В фильме все кончается хорошо, но в реальности, к сожалению, счастливого конца не получилось. На протяжении всей своей жизни Дэвид жил в специальных стерильных условиях в пузыре-коконе. Это пагубно сказалось на его психике. Потребность в развитии, желание быть человеком и жить полноценной жизнью, а также давление общественности привели к тому, что врачи все-таки согласились попробовать провести операцию по пересадке костного мозга, которая могла бы его спасти. Но чуда не произошло, спасти мальчика не удалось — он умер от рака крови, вызванного вирусом, попавшим в костный мозг донора. Дэвид так и не попробовал кока-колу, о которой мечтал всю жизнь.

Но с появлением генной терапии появилась надежда: а вдруг удастся лечить такой вид иммунодефицита с помощью этого нового метода? Шансы на успех были, ведь кровь — уникальная ткань человека, и работать с ней гораздо легче, чем с другими тканями организма. Неслучайно первые попытки людей совершать какие-то манипуляции с кровью восходят к началу XVI или даже середине XV века.

Но вернемся к алимфоцитозу. Ход рассуждений исследователей был примерно таким. Мы знаем, что у данного человека имеется мутация гена, вызывающая неправильную работу Т-лимфоцитов, отвечающих за иммунитет. Значит, если в лабораторных условиях ввести в стволовые клетки крови, из которых образуются лимфоциты, вирусный вектор, содержащий нормальную копию нужного гена, а потом трансплантировать обратно тому же самому пациенту, то, может быть, из них образуются «правильные» лимфоциты, способные обеспечить иммунную защиту?

Клинические исследования начались в 1999 году и проводились параллельно во Франции и Великобритании с участием двадцати мальчиков. Введение ретровирусного вектора, содержащего нормальную копию гена рецептора Т-лимфоцитов, в гемопоэтические стволовые клетки (дающие начало всем клеткам крови) восстановило развитие функциональных Т-клеток и, таким образом, запустило нормальную работу иммунной системы. Однако в 2003 году была опубликована информация, что у четырех мальчиков во Франции развилась лейкемия — онкологическое заболевание крови.

Клинические исследования были приостановлены. Ученые многих лабораторий начали изучать причины возникновения болезни. Скоро стало ясно, что в двух случаях виноваты не испытатели, а судьба, так как у детей обнаружились мутации в других генах, приводящие к лейкемии. А вот у двух других мальчиков «виновной» оказалась большая доза лекарства, которое исследовалось. Когда повышалось количество вводимого ретровируса, он начинал встраиваться в определенное место генома, где активизировал работу протоонкогена, то есть гена, который может вызвать онкологию. Примерно так выглядит разница между тем, куда попадет брошенная наугад горсть песка и где окажется солидная кучка песка, брошенная лопатой. Во втором случае песок так и ляжет в какое-то одно место кучкой. То же самое так и происходит и в геноме. Ситуация была критической. С одной стороны, малыши, которые из-за основного заболевания долго не проживут в любом случае, с другой — понятные механизмы возникновения опухолевого процесса, которые можно контролировать. Чашу весов в сторону продолжения исследований склонили настойчивые родители мальчиков. Аргументируя свою позицию, они заявляли, что детская лейкемия сегодня лечится с эффективностью более восьмидесяти процентов, а от алимфоцитоза, тяжелого комбинированного иммунодефицита, излечения нет вообще. В результате исследования с использованием пониженной дозы векторного вируса были продолжены. Эти события привели к разработке высокочувствительных методов для обнаружения мест встраивания вирусов в геном и улучшения дизайна векторов.

Надо подчеркнуть, что негативная информация запоминается лучше, чем позитивная, поэтому большинство помнит случаи лейкемии, о которых трубили средства массовой информации, а вот огромный успех, достигнутый этими испытаниями, остался почти незамеченным. Десяток лет назад были опубликованы результаты долгосрочного наблюдения за девятью мальчиками из французского исследования, которым на тот момент было восемь—одиннадцать лет. Один из четырех детей, У которых в ходе этого испытания развился лейкоз, умер. Трое других успешно прошли курс химиотерапии и были среди семи детей, у которых наблюдалось долговременное восстановление иммунитета: более десяти лет они живут нормальной жизнью. Результаты лондонского исследования показывают аналогичное влияние на восстановление иммунитета, и только у одного ребенка развилась излечимая лейкемия.

Это опять свидетельствует о том, что избыточная доза вектора — не единственный фактор, воздействующий на результат генной терапии. Возможно, здесь еще играют роль некоторые индивидуальные особенности генома — все-таки мы все разные.

В 2016 году для использования на европейском рынке коммерческих медицинских препаратов было одобрено лекарство Стримвелис (Strimvelis), предназначенное для лечения комбинированного иммунодефицита. Около четверти века занял путь от первого эксперимента до клинического применения. Сегодня в мире коммерчески доступен целый ряд генно-терапевтических препаратов. Помимо упомянутых, это противоопухолевые препараты, зарегистрированные в Китае, — Гендицин (Gendicine, 2003 год) и Онкорин (Опсоппе, 2005 год), — пионеры одобренной официально генной терапии, и препарат, стимулирующий рост кровеносных сосудов, Неоваскулген (Neovasculgene, 2011 год), зарегистрированный в Российской Федерации, одним из разработчиков которого является автор этих строк.

Через несколько лет в США и Европе были зарегистрированы противоопухолевые препараты: Имлиджик (Imlygic) для лечения меланомы, Кимриа (Kymriah), Эскарта (Yescarta), Текартус (Tecartus) для лечения лимфом, а также Золгенсма (Zolgensma) для лечения спинальной мышечной атрофии.

Далеко не все генные препараты имели успех и оказались востребованными. Генный препарат Глибера (Glybera) для лечения нарушения липидного обмена был одобрен в Европе по цене около одного миллиона евро за курс лечения в 2014 году. Всего один человек сумел предоставить страховым компаниям необходимые бумаги для получения нужной суммы и препарата. Надо отметить, что в Европе потребителями этого вида лечения могут быть чуть более ста пятидесяти человек ежегодно. В 2017 году лицензию на данный препарат продлевать не стали, и он ушел с рынка. Но не только коммерция может быть причиной неуспеха. Летом 2020 года была опубликована информация о трех летальных исходах в ходе клинических исследований высокодозной генной терапии нейромиопатии — редкого заболевания, связанного с плохим развитием скелетных мышц. Негативный эффект введения вируса, послужившего вектором, сказался в данном случае на печени и желудочно-кишечном тракте. В группе низких доз негативных эффектов не было.

Давайте повторим вкратце суть метода генной терапии. Мы берем вирус — это некий генетический текст, вставляем в него ген — опять-таки целый фрагмент генетического текста, добавляем туда же регуляторную последовательность, и у нас получается терапевтический вектор, который мы направляем в клетки человека, чтобы они заработали по-другому — так, как нужно нам или как они работают в норме.

Генная терапия доказала свою эффективность, она будет развиваться и идти своим путем. В ней мы используем ДНК и гены как небольшие фрагменты текста. Сейчас исследователи могут работать с параграфами генетического текста — еще не на уровне каждой отдельной буквы-нуклеотида, но уже и не на уровне Целой книги или ее главы.

Рис. 5. Вирус-векторная терапия

Найти и обезвредить

Генная терапия — это выдающееся достижение человека, которое позволило, пусть не очень эффективно, но все же восстанавливать или изменять функцию гена за счет того, что его нормальная копия может быть внесена в организм в составе вектора. Пользуясь тем же сравнением с текстами на бумаге, мы должны «напечатать» целую страницу или параграф правильного генетического текста и «вклеить» дополнительно в книгу текст так, чтобы на этой странице (в этом параграфе) сохранилась функция гена и проявилась в виде синтезируемого белка. Благодаря созданию генной терапии, ученые научились работать с генетическим текстом, но не путем коррекции одиночных букв, а используя достаточно большие фрагменты. Поэтому приходится вставлять целиком новый, правильный фрагмент, а неправильный при этом никуда не исчезает.

Легко сказать «вставить правильный фрагмент (страницу)», но эта задача представляется абсолютно невыполнимой, если мы вспомним, что в нашем организме ни много ни мало сто триллионов клеток, и в каждой имеется генетический текст объемом в три гигабайта.

К счастью, делать это во всех клетках организма не приходится. Во-первых, можно ограничиться только теми из них, которые из-за мутации какого-то гена отвечают за нарушенную функцию определенных тканей. А во-вторых, порой достаточно внести исправления в генетический аппарат только части этих клеток, чтобы человек уже мог полноценно жить.

В этой главе мы разбирали лечение с помощью генной терапии тяжелого комбинированного иммунодефицита, когда в кроветворных стволовых клетках имеется мутация, приводящая к тому, что организм полностью лишен иммунитета. Если мы добавляем нормальную копию гена в часть стволовых кроветворных клеток, этого часто оказывается достаточно, чтобы восстановилась их функция (в данном случае иммунитет). Получается, что фактически мы не лечим поврежденный ген (он никуда не исчезает, до него ученые пока не могут добраться), а просто дополняем часть клеток организма нормальным геном.

К сожалению, есть заболевания, при которых эта тактика не подходит. Вспомним, что у нас в каждой клетке (кроме половых) имеется двойной набор хромосом, а значит, и два различающихся генома — от мамы и от папы. Предположим, что есть мутация в мамином аллеле[7] какого-то гена, но приводит она не к тому, что этот ген совсем не работает, а к тому, что он работает неправильно — синтезируется измененный белок. И даже если со второго аллеля у нас продуцируется правильный белок, наличие неправильного может привести к гибели клеток и деградации ткани, а без нее организм не может нормально функционировать.

Получается, что возможны ситуации, когда добавление еще одного здорового аллеля в клетку не приведет к излечению. А что приведет? Тут мы и приходим к пониманию, что умения работать с генетическим текстом целыми страницами или параграфами явно недостаточно. В данном случае в тех клетках, где нам нужна рабочая, функционирующая копия конкретного гена, необходимо исправить очень точно, побуквенно, генетическую мутацию, то есть именно тот нарушенный фрагмент генетического текста, который имеется в мамином аллеле. И только в этом случае мы сумеем устранить заболевание.

Но как это сделать? Как можно внутри клетки, среди трех миллиардов букв генетического текста правильно найти несколько нужных букв (обычно две-три), да еще их исправить? Воистину это задача, по сложности достойная человека, и она волновала ученых уже давно. Ведь речь идет о том, чтобы исправлять буквы генетического текста не в пробирке, как это делалось на заре генной инженерии, а в живой клетке! Даже в генной терапии, то есть на следующем, более высоком уровне, ученые пытаются работать с генами в клетке, но, увы, не могут найти одиночные буквы, а вклеивают в генетическую книгу целые листы, прочтение которых приведет к нормализации работы организма.

Новая задача генетики теперь выглядит так: суметь в каждой из 10¹⁴ клеток организма найти и обезвредить одну из 3 х 10⁹ букв.