Эксперт № 12 (2013)

Поколение R

Галина Костина

Уже через пару десятилетий человека будут обновлять с помощью регенеративных клеточных и генных технологий, как забарахлившую машину в автосервисе

Рисунок: Константин Батынков

Нынешнее поколение вполне может рассчитывать на то, что лет через двадцать медицина сможет обновлять органы и ткани, корректировать поломки генома. Начало нынешнего года изобилует информацией о достижениях в области клеточных технологий. Российский ученый Константин Агладзе вместе с японскими коллегами выращивает из стволовых клеток сердечную мышцу, которая ритмично сокращается на наших глазах. Там же, в Японии, ученые делают подход к неизлечимой пока болезни глаз — макулодистрофии — с помощью клеток, полученных путем перепрограммирования из клеток кожи самих пациентов.

Эти новости вселяют куда больший оптимизм, чем десятки тысяч новостей о стволовых клетках, которые мы слышали последние десять лет. Все понимали, что для получения любых здоровых клеток организма нужны такие, которые появляются в организме зародыша, то есть всемогущие. Они могут превращаться в клетки сердечной мышцы, костей, печени, кожи, мозга — всего их в наших тканях более 200 разных видов. Этические проблемы использования всемогущих эмбриональных стволовых клеток сильно тормозили научные исследования. Была еще одна проблема — подсаживать чужие стволовые или уже дифференцированные в нужном направлении клетки сложно: организм их отторгает, и нужны всяческие ухищрения, чтобы заставить эти клетки функционировать. Свои же перепрограммированные клетки организму намного ближе.

Качественный скачок в этой области произошел благодаря японскому ученому Синъе Яманаке . Он смог вернуть взрослые клетки в состояние плюрипотентности, когда они могут превратиться в разные клетки организма. Их назвали индуцированными плюрипотентными клетками (iPS). «Мы еще не в полной мере осознаем революционность открытия, сделанного Синъей Яманакой в области стволовых клеток, это действительно новая эра», — говорили его коллеги и после вручения ему азиатской «нобелевки» ShawPrize в 2008 году, и после Нобелевской премии в 2012-м, и в конце февраля 2013-го, после вручения новой премии Breakthrough Prize in Life Sciences Foundation, учрежденной Марком Цукербергом , Юрием Мильнером и Сергеем Брином .

Создание индуцированных плюрипотентных клеток журнал Science в конце прошлого года назвал одним из важнейших прорывов последнего десятилетия. В этом же списке еще один знаковый прорыв — технология редактирования генома. Генетические болезни обусловлены поломками в одном или нескольких генах. Ученые научились влезать в ядро клетки и с помощью технологии редактирования генома менять испорченный ген на здоровый. Поскольку здоровый ген должен работать в определенной ткани, наиболее перспективной исследователям представляется комбинация клеточного и генетического метода: у пациента берут, к примеру, клетки кожи, перепрограммируют их в iPS, затем в них редактируют геном, а после этого превращают скорректированные клетки, допустим, в нейроны и вводят их в определенную часть мозга.

Гонки от лабораторий до больничной койки

Как замечательно, что из Яманаки не получился хороший хирург, каковым он пытался стать после окончания Университета Кобэ. «Меня называли Дзяманака (от слова “дзяма” — досадная помеха), — вспоминал ученый. — Операции, на которые у способных хирургов уходило минут двадцать, у меня длились два часа». Намаявшись от собственной бесталанности в клинике, Яманака подался в науку. Уехал в США, занимался там генетикой, вернулся в Японию, где и науку тоже собрался было бросить, но в Университете Нара ему предложили заняться темой стволовых клеток, за которую он взялся, хотя поначалу и без особого энтузиазма. Однако задача получения стволовых клеток из сформировавшихся взрослых, в частности из клеток кожи, настолько увлекла ученого, что уже через шесть лет он впервые в мире получил так называемую индуцированную плюрипотентную клетку мыши, а в 2007 году — iPS человека.

В работе Яманаки важную роль сыграли открытия в области генетики: в частности, уже было известно, какие гены работают в эмбриональных всемогущих клетках. Логика ученого была проста: во взрослой клетке надо включить именно те гены, которые работают в эмбриональной. Яманака выделил 24, на его взгляд, главных и внедрил их с помощью специальной ретровирусной конструкции в фибробласт (предшественник клетки кожи). Потом он методом перебора искал то минимальное количество генов, которое будет держать клетку в состоянии, близком к эмбриональному. Так он составил магический коктейль из четырех генов, который тут же стали называть коктейлем Яманаки. Вскоре после этого Джеймс Томсон из Университета Висконсин-Мэдиссон создал свой коктейль из четырех генов, два из которых были теми же генами, что использовал Яманака, но еще два — другие. Томсон тоже получил индуцированные плюрипотентные клетки. «Подобные исследования ведутся во многих лабораториях, в том числе у нас, — рассказывает заведующий лабораторией Института общей генетики РАН, профессор Сергей Киселев , — поскольку идет поиск наиболее безопасных и эффективных методов. Известно, что один из генов, используемых в начальных опытах Яманакой, ответствен за развитие опухолей. Впрочем, даже о тех конструкциях, где этого онкогена нет, исследователи пока говорят с осторожностью, их еще надо проверять и проверять на безопасность!» Американским ученым из Университета Скриппса в Калифорнии под руководством Шэна Дина , а также группе Роберта Ланцы из компании Advanced Cell Technology (ACT) в Санта-Монике, штат Калифорния, вроде бы удалось репрограммировать клетки мыши не с помощью генов, а с помощью их продуктов — белков, что должно снять хотя бы проблему возможного опухолеобразования.

Естественно, после столь впечатляющих успехов ученых стартуют гонки от лабораторий до клиник: рынок обещает быть многомиллиардным. Уже в этом году в Центре биологии развития при институте Riken в Кобэ должны начаться первые в мире клинические испытания iPS. Масайо Такахаси , сотрудничающий с Яманакой, будет использовать их для лечения возрастной макулодистрофии, при которой гибнут клетки сетчатки и человек начинает слепнуть. Эта болезнь встречается примерно у 1% населения старше 50 лет. В первом исследовании примет участие шесть пациентов. У них возьмут с плеча кусочек кожи размером с перечное зерно, выделят оттуда фибробласты, репрограммируют их в iPS, затем с помощью специфических факторов превратят в клетки сетчатки глаза, после чего трансплантируют их в пораженную область глаза, чтобы заместить погибшие клетки. Этих исследований ждут во всем мире: они помогут определить, насколько безопасной и эффективной может быть такая методика, приживутся ли трансплантируемые клетки, не возникнет ли опухоли. Многочисленные доклинические испытания, по заверениям Такахаси, показали, что у мышей и приматов опухолей не появлялось.

Роберт Ланца из Advanced Cell Technology, комментируя это событие, высказался за осторожность. Он не представляет, что FDA позволила бы начать такие исследования без более массивной доказательной базы доклинических испытаний, чем у японцев. Ланца планирует в этом году начать клинические исследования полученных путем репрограммирования тромбоцитов, предназначенных для лечения расстройств свертываемости крови. Но сначала их будут вводить здоровым людям. Исследования Ланцы более безопасны: тромбоциты не имеют клеточного ядра, не могут делиться, соответственно, не могут стать причиной опухоли. Такахаси же объясняет, что он не случайно выбрал для начала глазное заболевание: ситуация в глазе легко контролируется и в случае чего проблема легко решается хирургическим путем. Если эти исследования будут успешными, следом могут стартовать уже наработанные методики для терапии различных заболеваний. Эта же технология исследуется в опытах по созданию не только здоровых клеток, но и различных тканей и даже органов.

Понятно, что японцы изо всех сил стремятся быть пионерами в области, в которой их соотечественник совершил форменный переворот. Правительство выделяет на стволовые клетки беспрецедентные инвестиции, в этом году — 21,4 млрд иен. Ожидается, что ближайшие десять лет будут объявлены японским правительством «десятилетием iPS» с бюджетом около 90 млрд иен.

Сейчас объем мирового рынка регенеративной медицины составляет примерно 3,6 млрд долларов, а к 2030 году, по прогнозам японского правительства, он достигнет более 180 млрд долларов. С введением новых регенеративных технологий затраты на лечение, по мнению японского министерства здравоохранения, могут сократиться на 60%, ведь с их помощью можно будет лечить очень многие болезни, в том числе пока не поддающиеся стандартной терапии.

Нужно тыкать в гены пальцами

Понимание роли генов в клетке и возможности манипулировать ими помогли созданию iPS. Эти же знания привели к идее лечения генами. Если болезнь связана с мутацией в каком-то гене, то совершенно естественно желание заменить его на здоровый. Идеи о возможности введения правильных или здоровых генов с целью лечения высказывались еще с 1970-х, после эпохального открытия ДНК. С тех пор ученые многому научились: они могут делать конструкции с нужным правильным геном и вирусной основой, которая будет «провозить» ген в ядро. Ученые используют свойство вируса проникать в ядро, где, собственно, и хранится ДНК. Но до клиники дело не доходило. Слишком много еще оставалось проблем. Во-первых, хотя вирус технологически лишался возможности размножаться в клетке, он все равно мог вызвать непредсказуемые реакции организма; во-вторых, конструкция могла встроиться в любое место генома и теоретически нарушить работу других генов. А могла вообще никуда не встроиться и не дать никакого эффекта. Шли многочисленные исследования, в основном на животных. В исключительных случаях разрешалось применение не очень проверенной генной терапии. Первый такой случай произошел в 1990 году. Уильям Андерсен впервые применил генную терапию для Ашанти де Сильва , девочки, которой не было и пяти лет. У нее была страшная, не совместимая с жизнью болезнь — врожденный иммунодефицит — вследствие дефекта в гене, кодирующем фермент аденозиндезаминазу (ADA). Дети с таким диагнозом не могут сопротивляться инфекциям, поэтому какое-то время они живут в своеобразном стерильном пузыре. Андерсен взял у Ашанти клетки костного мозга, внедрил в них здоровый ген ADA, нарастил эти клетки в культуре и ввел в организм девочки. Таких процедур ей делали несколько. Сейчас Ашанти около тридцати, она работает, у нее есть дети. Этот опыт чрезвычайно вдохновил и ученых, и врачей, и общественность. Правда, после пары случаев гибели пациентов, к которым была применена генная терапия (хотя и не было доказано, что виноваты генные методы), исследователей попросили не торопиться лечить людей.

Ученые думали, как можно осуществить встраивание нужного гена в геном. С некоторых пор стало известно, что в природе такие вставки происходят, например, при зачатии ребенка: смешиваясь, хромосомы мамы и папы могут обмениваться частями ДНК. Но как добиться такого направленного обмена во взрослом состоянии? Помогло открытие неких белков, которые назвали «цинковыми пальцами». «Кстати, одним из авторов этого открытия был наш соотечественник из биотехнологической компании Sangamo BioSciences Федор Урнов, — рассказывает Сергей Киселев. — Ученые показали, что “цинковые пальцы” могут легко прилипать к соответствующим участкам ДНК». Используя эти качества, исследователи синтезировали много конструкций с такими белками, которые могли не только швартоваться в определенных местах генома, но и вырезать, к примеру, испорченный ген, чтобы на его место мог встроиться специально запущенный в клетку здоровый ген. Правда, эту технологию быстро прикупила другая американская компания, которая продает такие белки за приличные деньги. Однако исследователи нашли выход. «Существуют похожие белки растительного происхождения, так называемые талены, — продолжает Киселев. — К тому же выяснилось, что их возможности гораздо шире, чем у “цинковых пальцев”, работать с ними легче, и они могут быть более эффективными. Поэтому конструкции с таленами позволяют проводить почти ювелирное редактирование генома в клетках». Кстати, журнал Science назвал эту технологию одним из десяти научных прорывов наряду с созданием iPS.

Параллельно велись поиски других методов, которые могли бы корректировать работу поломанных генов. К примеру, Мицуо Осимура из Университета Тоттори в 2011 году предложил свою технологию генной терапии для лечения генетического заболевания — миодистрофии Дюшена, в результате которого нарушается работа мышечного аппарата. Осимура делает дополнительную искусственную хромосому, в которой находится нужный ген без мутации, вставляет хромосому в стволовую клетку и затем запускает в организм. Осимура публиковал результаты своих успешных опытов на мышах. «Эта технология может быть хороша, когда нужно исправить работу какого-нибудь очень большого гена, например дистрофина. К его колоссальному размеру трудно подобрать “пальцы” или талены», — говорит Сергей Киселев. Впрочем, такие методы пока направлены на замену одного гена, а это касается примерно 10% всех генетических заболеваний. «Лечение так называемых мультигенных болезней, к которым, в частности, относится рак, — гораздо более сложная задача. Возможно, для начала она может решаться не с помощью замены генов в самой ДНК, а с помощью генов, которые, не встраиваясь в геном, будут продуцировать нужные организму белки». Таким же методом могут лечиться и другие заболевания, не только генетические. К примеру, созданный группой Киселева и компанией «Институт стволовых клеток человека» (ИСКЧ) препарат «Неоваскулген» от ишемии нижних конечностей основан на конструкции с включенным геном, кодирующим синтез фактора роста сосудистого эндотелия. «Представьте себе водопроводные трубы, которые со временем сплющились, где-то прорвались, — объясняет Сергей Киселев, — и их нужно починить. Иначе дома останутся без воды. Так и ноги остаются без хорошего кровоснабжения, когда сосуды повреждаются». На снимках, полученных в процессе клинических исследований, хорошо видно, как «Неоваскулгеном» был стимулирован рост сосудов, буквально спасший некоторых пациентов от ампутации. По данным ИСКЧ, в России диагноз «хроническая ишемия нижних конечностей» ежегодно ставят примерно 140 тыс. человек, из них 30–40 тыс. приговорены болезнью к лишению конечностей.

«Неоваскулген» был зарегистрирован в конце 2012 года и стал третьим в мире одобренным генным препаратом. Первые два — противоопухолевые средства, созданные в Китае, работают по такому же принципу. В конце прошлого года «сдалась» и Европа: там был зарегистрирован геннотерапевтический препарат «Глибера» для лечения редкого и тяжелого заболевания, связанного с дефицитом липопротеинлипазы, в результате чего больные этим генетическим заболеванием не в состоянии усваивать жиры. «Глибера» стала четвертым в мире средством генной коррекции. В фазе клинических испытаний находится около сотни препаратов для генной терапии, пока в основном это лекарства, основанные на конструкциях с вирусами, либо препараты с генами, которые не будут встраиваться в геном, а будут, как «Неоваскулген», продуцировать белки.

«Первое десятилетие нового века действительно можно назвать поворотным для клеточных и генных технологий, позволяющих лечить как генетические, так и многочисленные другие заболевания, связанные с нехваткой тех или иных белков в организме, — считает Сергей Киселев. — Причем что касается генетических болезней, то будущее, скорее всего, за комбинированными методами, когда в индуцированных плюрипотентных клетках будет корректироваться геном, а затем эти клетки будут дифференцироваться в нужный тип».

Схема

Медицина становится похожей на автосервис