Как заставить вирус работать курьером, зачем нужно заменять, редактировать и выключать гены и как это помогает лечить тяжелые генетические заболевания (и не только их).
Ген — это участок ДНК клетки. В нем закодирована информация — чаще всего о каком-либо белке (ферменте). Клеточный механизм «считывает» эту информацию и производит нужный организму белок. Можно сказать, что в генах содержатся сведения, по которым организм строит себя.
Но бывает, что внутри гена происходят изменения. То есть информация, которую кодирует ген, меняется. Это явление называется генной мутацией.
Если ген, отвечающий за производство какого-то белка, мутировал, значит, организм не сможет вырабатывать этот белок. Такая ситуация часто приводит к тяжелым заболеваниям.
Например, из-за мутации одного гена в X-хромосоме может перестать вырабатываться белок, который необходим для того, чтобы кровь сворачивалась (он называется антигемофильный глобулин). Такое заболевание называют гемофилией. Оно очень опасно: любая царапина может привести к гибели больного, потому что кровотечение просто не остановится.
Мутировавшие гены часто передаются от родителей к детям, поэтому заболевания, которые они вызывают, называют наследственными. Впрочем, бывают случаи, когда мутация гена возникает у самого человека и уже от него она будет передаваться потомкам.
Мутации генов приводят к самым разным проблемам: глухоте, слепоте, нарушениям иммунной системы, обмена веществ, нервной и сердечно-сосудистой систем, работы мозга. Лечение таких заболеваний в большинстве случаев было симптоматическим или поддерживающим: врачи пытались бороться с симптомами заболевания, вводить в организм недостающие белки. Но симптоматическая b-поддерживающая терапия, хоть и могла улучшить качество жизни пациента, не останавливала заболевание, которое прогрессировало и нередко приводило к смерти.
К тому же некоторые генетические заболевания требуют особого содержания больного. К примеру, человеку с тяжелым комбинированным иммунодефицитным синдромом (ТКИД) нужна практически стерильная среда. Из-за поломки гена в клетках крови не вырабатывается фермент ADA (аденозиддезаминаза). Без него у человека разрушается Т-клеточный иммунитет, и пациент становится беззащитным перед бактериями и вирусами.
Верхом на вирусе
Во второй половине ХХ века ситуация с генетическими заболеваниями сложилась неприятная. Ученые понимали их причины, но не могли повлиять на гены живого организма.
Однако в 1980-е годы все изменилось: исследователям дала подсказку сама природа. Ученые уже знали, что вирусы достаточно легко проникают внутрь клеток. Возникла идея: что, если с их помощью доставлять в клетки с дефектным геном его «правильную», рабочую копию? Такой способ транспортировки гена на вирусе назвали вектором. Так появилась генная терапия.
В общем виде этот механизм выглядит так. Исследователи готовят копию гена, который мутировал в клетке человека и не позволяет вырабатывать нужный организму белок. Только эта копия — функциональная, то есть она не содержит мутации. Функциональный ген с помощью вируса доставляют внутрь клетки. Клеточный механизм «считывает» информацию из функциональной копии, после чего начинается синтез нужного белка. В идеале потом клетки при делении еще и воспроизводят не дефектную, а правильную версию гена.
Первая замена гена у человека была сделана в 1990 году в Национальном институте здоровья США. У четырехлетней девочки Ашанти де Сильва, страдавшей ТКИД, взяли клетки крови, заменили в них с помощью вирусного вектора дефектные гены. После этого клетки вернули в ее организм. В результате иммунная система ребенка восстановилась настолько, что она смогла выходить из дома, учиться в школе и жить относительно нормальной жизнью. Пациентка не излечилась полностью, она продолжала получать лекарства, но в уменьшенных дозах. Но все же эффект был потрясающим.
Векторы и их повадки
Итак, чтобы использовать генную терапию для лечения конкретного заболевания, нужно:
· понимать, где именно произошла «поломка»: какого белка не хватает организму, какой ген в каких клетках кодирует этот белок;
· найти вектор, который доставит рабочую копию гена в нужные клетки;
· убедиться, что новая копия гена доставлена в нужные клетки и включилась в работу.
В этом процессе очень многое зависит от вектора. На него возлагаются очень серьезные надежды.
1. Вектор должен доставить ген в нужные клетки. Если ген предназначается для клеток печени, он не должен попадать в ткани почек.
2. Вектор должен доставить ген так, чтобы он интегрировался в клетку. Всегда есть опасность, что клетке «не понравится» новый ген и он будет уничтожен.
3. Вектор должен активировать ген. Если ген попадет в клетку, но не будет считываться, организм не начнет производить нужный белок.
Как уже говорилось, лучшие векторы — это вирусы. Они по своей природе «заточены» на то, чтобы доставлять в клетки чужеродные гены. Кроме того, вирусы можно модифицировать так, чтобы они при этом не размножались, не разрушали клетки и не вызывали развития заболеваний.
Чаще всего сейчас в генной терапии используют обезвреженные аденовирусы. В своем природном виде они вызывают у человека ОРВИ, но они легко поддаются модификации и могут выступать в качестве безвредных «курьеров».
Однако у вирусных векторов есть свои слабые стороны. Вирус — очень маленький объект даже по меркам микромира. И он не может переносить большие гены, поэтому не всегда годится для генной терапии.
Еще одна проблема: вирус может быть безвредным, но организм-то этого не знает. Появление вируса вызовет реакцию иммунной системы. Она может заблокировать доставку гена или даже убить клетку, в которую он был доставлен.
К сожалению, история генной терапии знает случай, когда пациент погиб из-за реакции иммунитета на вектор. В 1999 году от воспаления умер Джесси Гелсинджер, который получил вектор с аденовирусом во время лечения.
Для доставки больших генов используют плазмиды и липосомы. Плазмиды — это кольцевые молекулы ДНК, которые в природе используют бактерии для передачи генов друг другу. Для облегчения их проникновения в клетки задействуют липосомы. Получаются «пакеты», обернутые в мембрану. Липосомы доставляют содержимое в клетки путем слияния с клеточными мембранами. Этот способ доставки хуже, чем вирусный, зато он не вызывает реакций иммунной системы.
Другой вид векторов — виросомы. Это восстановленные оболочки вирусов. В медицине их используют также как контейнеры для вакцин или лекарств, которые нужно доставить внутрь клеток. В качестве векторов они удобны тем, что хорошо проникают в клетки, обладают избирательностью и не вызывают реакции иммунной системы.
Лучшие векторы — это вирусы. Они по своей природе «заточены» на то, чтобы доставлять в клетки чужеродные гены.
Ген можно доставить в клетку двумя способами. Первый — напрямую в человеческий организм. С одной стороны, так быстрее, и это дает возможность не только делать индивидуальное введение для каждого больного, но и выпускать лекарственные препараты для генной терапии. С другой стороны, зачастую нельзя заранее сказать, как ответит на вектор иммунитет пациента.
Второй способ длиннее. У пациента берут клетки, содержащие мутировавший ген. Их помещают в питательную среду и доставляют рабочую копию гена. А затем не спеша проверяют, встроился ли ген в клетку, активировался ли он в ней. Если все в порядке — клетки возвращают в организм больного. В таких случаях иммунная система не возмущается — вирусов-то в клетках уже нет.
Терапия не для всех
Нужно признать: генная терапия сегодня еще далека от массового применения. По большому счету ей мешают две причины.
1. Проблемы доставки и активации гена. Схема генной терапии просто выглядит на бумаге, на практике же появляется много сложностей. Ведь задача не в том, чтобы доставить один ген в единственную клетку. Клеток с дефектными генами в организме, как правило, миллионы. Во все должен попасть «правильный» ген, интегрироваться, активироваться и начать участвовать в выработке белка. Не факт, что этот процесс пойдет правильно. Например, иногда клетки «отключают» новые активные гены или делают еще какие-нибудь пакости.
В процессе терапии очень важно следить, чтобы гены не активировались случайно в других, нецелевых клетках. Никто заранее не скажет, что произойдет в этом случае. Причем неприятности могут ждать не только самого пациента. Если ген активируется в нецелевых репродуктивных клетках, проблема может передаваться по наследству детям пациента.
Ген может попасть в нужную клетку, но встроиться в неправильное место и повредить другой, вполне рабочий ген. В результате человек может получить другую болезнь. Так произошло с пятью детьми, которых лечили с помощью генной терапии от ТКИД. Метод, который считался уже успешным, дал осечку: у этих пациентов доставленный ген встроился в другой ген, отвечающий за скорость деления клеток крови. Они стали размножаться бесконтрольно, вызвав у пациентов лейкемию. Врачам удалось спасти четырех пациентов с помощью химиотерапии, но один ребенок умер.
Нужно отметить, что современные векторы намного безопаснее, они умеют встраивать гены в нужные места ДНК. К тому же можно провести терапию на клетках вне организма человека и убедиться, что все прошло правильно.
2. Коммерческие проблемы. Генная терапия стоит сейчас очень дорого. Чтобы выйти из стадии эксперимента, нужно провести серьезные клинические исследования, которые докажут эффективность и безопасность применяемых методов. При этом людей, страдающих заболеваниями, подходящих для генной терапии, сравнительно мало. Компании-разработчики сталкиваются, как это ни печально, с простой финансовой проблемой: они не могут окупить свои разработки.
Даже существующие сегодня технологии стоят дорого. Например, некоторые виды рака уже сейчас можно лечить генной терапией, но это требует индивидуальной работы с пациентом: нужно взять именно его клетки, доставить туда рабочие гены, вернуть клетки в организм.
Лекарства тоже стоят очень дорого. Рекордсмен среди препаратов по цене Zolgensma был зарегистрирован в 2019 году. Он используется для лечения спинальной атрофии, и один курс этого лекарства стоил на момент выхода на рынок 2,1 млн долларов. Конечно, не все препараты генной терапии имеют такую фантастическую цену, однако многие из них оцениваются миллионы рублей.
Тем не менее генная терапия делает успехи. Сейчас врачи уже могут не только заменять мутировавший ген, но и редактировать его участок, где находится дефект. Таким образом можно восстановить поврежденный ген, не заменяя его.
В некоторых случаях, когда клетки вырабатывают неправильный белок, врачи просто «выключают» ген, отвечающий за его производство.
Еще одно достижение — ученые научились регулировать активность выработки белка: ее можно увеличить или уменьшить с помощью генной терапии.
Какие болезни генная терапия лечит сейчас успешно
В целом генная терапия хорошо подходит для лечения моногенетических заболеваний, то есть тех, которые вызваны дефектом одного гена.
Методы генной терапии используют для лечения болезней крови. В некоторых случаях ее применяют как альтернативу пересадки костного мозга. Для пересадки нужно найти подходящего донора — такого, чьи клетки не будут вызывать реакции у иммунной системы больного. Нередко это очень сложно. В этих случаях на помощь придет генная терапия.
Хорошо поддаются лечению иммунные дефекты, причем не только генетически обусловленные. Сейчас существуют методы генной терапии, используемые и в лечении людей с ВИЧ.
Некоторые виды наследственной слепоты, при которых пациент теряет светочувствительные клетки в сетчатке, потенциально можно замедлить или даже обратить вспять.
Есть успехи в лечении отдельных онкологических заболеваний. Например, с помощью модифицированного вируса простого герпеса лечат меланому — рак кожи. Вирус модифицируют так, что он не вызывает герпес, а убивает раковые клетки. Кроме того, вирус посылает сигналы иммунной системе, «обучая» ее выявлять раковые клетки и бороться с ними. Препарат вводится в опухоль, и модифицированный вирус размножается в ней.
Нарушения липидного обмена тоже лечат генной терапией. В 2012 году в Европе одобрили препарат Glybera, доставляющий в мышечные клетки рабочую копию гена LPL (он отвечает за выработку липопротеинлипазы — феомента, который нужен для расщепления жиров в крови). У этого препарата есть один «маленький» недостаток — его годовой курс стоит 1,21 млн долларов.
Очевидно, настоящий бум генной терапии мир увидит, когда технологии и препараты кардинально подешевеют. А пока будем следить за успехами исследователей.
