Новый выпуск журнала «Наука из первых рук» вышел «по следам» всероссийской конференции с международным участием «Биотехнология - медицине будущего», состоявшейся в новосибирском Академгородке в июле 2017 г. Среди организаторов научного форума - Институт химической биологии и фундаментальной медицины и Институт цитологии и генетики СО РАН, а также Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, где биомедицинские исследования ведутся в рамках стратегической академической единицы «Синтетическая биология», объединяющей ряд российских и зарубежных участников, в первую очередь институты СО РАН биологического профиля. В первой, вводной статье выпуска ее авторы дают обзор самых актуальных направлений и перспективных результатов исследований, связанных с разработкой и внедрением в практическую медицину новых генно-инженерных, клеточных, тканевых, иммунобиологических и цифровых технологий, часть из которых детально представлена в других статьях номера.
|
Валентин Викторович Власов - академик РАН, научный руководитель Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (ИХБФМ СО РАН, Новосибирск), заведующий кафедрой молекулярной биологии и биотехнологии Новосибирского государственного университета. Лауреат Государственной премии РФ (1999). Автор и соавтор более 520 научных работ и 30 патентов. |
|
Дмитрий Владимирович Пышный - член-корреспондент РАН, доктор химических наук, директор и заведующий лабораторией биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор более 160 научных работ и 15 патентов. |
|
Павел Евгеньевич Воробьев - кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН (Новосибирск), доцент кафедры молекулярной биологии и биотехнологии Новосибирского государственного университета. Автор и соавтор 25 научных работ. |
Стремительное развитие биологической науки, обусловленное появлением высокопроизводительных приборов и созданием методов манипулирования информационными биополимерами и клетками, подготовило фундамент для развития медицины будущего. В результате исследований последних лет были разработаны эффективные диагностические методы, появились возможности для рационального конструирования противовирусных, противобактериальных и противоопухолевых препаратов, средств генотерапии и геномного редактирования. Современные биомедицинские технологии все в большей степени начинают влиять на экономику и определять качество жизни людей.
К настоящему времени детально исследованы строение и функции основных биологических молекул и разработаны методы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Эти биополимеры по своей природе являются «интеллектуальными» материалами, так как способны высокоспецифично «узнавать» и воздействовать на определенные биологические мишени. Путем направленного «программирования» таких макромолекул можно создавать рецепторные молекулярные конструкции для аналитических систем, а также лекарственные препараты, избирательно воздействующие на конкретные генетические программы или белки.
«Интеллектуальные препараты», созданные методами синтетической биологии, открывают возможности для таргетной (целенаправленной) терапии аутоиммунных, онкологических, наследственных и инфекционных заболеваний. Это дает основание говорить о внедрении в медицинскую практику подходов персонализированной медицины, ориентированной на лечение конкретного человека.
С помощью современных медицинских технологий и фармпрепаратов сегодня удается излечивать многие болезни, представлявшие в прошлом огромную медицинскую проблему. Но с развитием практической медицины и ростом продолжительности жизни все более актуальной становится задача здравоохранения в самом прямом смысле этого слова: не просто бороться с болезнями, но поддерживать имеющееся здоровье, чтобы человек мог вести активный образ жизни и оставаться полноценным членом общества до глубокой старости.
Такую задачу можно решить, обеспечив постоянный эффективный контроль за состоянием организма, который позволил бы избегать действия неблагоприятных факторов и предупреждать развитие заболевания, выявляя патологический процесс на самом раннем этапе, и ликвидировать саму причину возникновения болезни.
В этом смысле основную задачу медицины будущего можно сформулировать как «управление здоровьем». Сделать это вполне реально, если иметь полную информацию о наследственности человека и обеспечить мониторинг ключевых показателей состояния организма.
«Умная» диагностика
Для управления здоровьем необходимо иметь эффективные и простые малоинвазивные методы ранней диагностики заболеваний и определения индивидуальной чувствительности к терапевтическим препаратам, а также факторам внешней среды. Например, должны быть решены (и уже решаются) такие задачи, как создание систем для генной диагностики и выявления возбудителей инфекционных заболеваний человека, разработка методов количественного определения белков и нуклеиновых кислот - маркеров заболеваний.
Отдельно стоит выделить создание методов ранней неинвазивной диагностики (жидкостная биопсия ) опухолевых заболеваний, основанных на анализе внеклеточной ДНК и РНК. Источником таких нуклеиновых кислот служат как погибшие, так и живые клетки. В норме их концентрация относительно низка, но обычно возрастает при стрессе и развитии патологических процессов. При возникновении злокачественной опухоли в кровоток попадают нуклеиновые кислоты, выделяемые раковыми клетками, и такие характерные циркулирующие РНК и ДНК могут служить маркерами заболевания.
Будем здоровы!
Современные методы геномного секвенирования широко внедряются в медицину, и в ближайшем будущем все пациенты будут иметь генетические паспорта. Сведения о наследственных особенностях пациента - основа прогностической персонализированной медицины. Предупрежденный, как известно, вооружен. Человек, осведомленный о возможных рисках, может организовать свою жизнь таким образом, чтобы не допустить развития заболевания. Это касается и образа жизни, и выбора продуктов питания и терапевтических препаратов.
При условии постоянного отслеживания набора маркеров, сигнализирующих об отклонениях в работе организма, можно вовремя провести их коррекцию. Уже сейчас существует множество методов мониторинга состояния организма: например, с помощью датчиков, следящих за работой сердечно-сосудистой системы и качеством сна или устройств, анализирующих газообразные продукты в выдыхаемом человеком воздухе. Огромные возможности открываются в связи с развитием малоинвазивных технологий жидкостной биопсии и технологий анализа белков и пептидов, циркулирующих в кровотоке. На ранних стадиях болезни корректировать состояние организма во многих случаях можно «мягкими» методами: меняя характер питания, используя добавочные микроэлементы, витамины и пробиотики. В последнее время особое внимание уделяется возможностям корректировки отклонений в составе кишечной микрофлоры человека, которые ассоциированы с развитием большого числа патологических состояний.
Сейчас на основе подобных маркеров разрабатываются подходы к ранней диагностике рака, методы прогнозирования риска его развития, а также оценки степени тяжести течения болезни и эффективности терапии. Например, в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН было показано, что при раке предстательной железы повышается степень метилирования определенных участков ДНК. Был разработан метод, позволяющий выделить из образцов крови циркулирующую ДНК и проанализировать характер ее метилирования. Этот способ может стать основой точной неинвазивной диагностики рака простаты, которой на сегодня не существует.
Важным источником информации о состоянии здоровья могут служить так называемые некодирующие РНК , т. е. те РНК, которые не являются матрицей для синтеза белков. За последние годы было установлено, что в клетках образуется множество различных некодирующих РНК, участвующих в регуляции самых разных процессов на уровне клеток и целого организма. Изучение спектра микроРНК и длинных некодирующих РНК при различных состояниях открывает широкие возможности для быстрой и эффективной диагностики. В Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН (ИМКБ СО РАН, Новосибирск) и ИХБФМ СО РАН идентифицирован ряд микроРНК - перспективных маркеров опухолевых заболеваний.
С помощью современных технологий секвенирования РНК и ДНК может быть создана платформа для диагностики и прогноза онкологических заболеваний человека на основе анализа содержания микроРНК и генотипирования, т. е. установления конкретных генетических вариантов того или иного гена, а также для определения профилей экспрессии (активности) генов. Такой подход предполагает возможность быстрого и одновременного проведения множества анализов с помощью современных устройств - биологических микрочипов .
Биочипы представляют собой миниатюрные приборы для параллельного анализа специфических биологических макромолекул. Идея создания подобных устройств родилась в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта Российской академии наук (Москва) еще в конце 1980-х гг. За короткое время биочиповые технологии выделились в самостоятельную область анализа с огромным спектром практических приложений, от исследования фундаментальных проблем молекулярной биологии и молекулярной эволюции до выявления лекарственно устойчивых штаммов бактерий.
Сегодня в ИМБ РАН производятся и используются в медицинской практике оригинальные тест-системы для идентификации возбудителей ряда социально значимых инфекций, в том числе таких как туберкулез, с одновременным выявлением их резистентности к антимикробным препаратам; тест-системы для оценки индивидуальной переносимости препаратов группы цитостатиков и многое другое.
Развитие биоаналитических диагностических методов требует постоянного повышения чувствительности - способности давать достоверный сигнал при регистрации малых количеств детектируемого вещества. Биосенсоры - это новое поколение устройств, позволяющих специфично анализировать содержание различных маркеров заболеваний в образцах сложного состава, что особенно важно при диагностике заболеваний.
ИХБФМ СО РАН в сотрудничестве с новосибирским Институтом физики полупроводников СО РАН разрабатывает микробиосенсоры на основе полевых транзисторов , являющихся одними из самых чувствительных аналитических устройств. Такой биосенсор позволяет в реальном времени отслеживать взаимодействие биомолекул. Его составной частью является одна из таких взаимодействующих молекул, которая играет роль молекулярного зонда. Зонд захватывает из анализируемого раствора молекулярную мишень, по наличию которой можно судить о конкретных характеристиках здоровья пациента.
«Комплементарное» лекарство
Расшифровка геномов человека и возбудителей различных инфекций открыла дорогу для разработки радикальных подходов к терапии болезней путем направленного воздействия на их первопричину - генетические программы, ответственные за развитие патологических процессов. Глубокое понимание механизма возникновения заболевания, в который вовлечены нуклеиновые кислоты, дает возможность сконструировать терапевтические нуклеиновые кислоты, восполняющие утраченную функцию либо блокирующие возникшую патологию.
Такое воздействие может быть осуществлено с помощью фрагментов нуклеиновых кислот - синтетических олигонуклеотидов , способных избирательно взаимодействовать с определенными нуклеотидными последовательностями в составе генов-мишеней по принципу комплементарности . Сама идея использовать олигонуклеотиды для направленного воздействия на гены была впервые выдвинута в лаборатории природных полимеров (впоследствии - отдел биохимии) Новосибирского института биоорганической химии СО РАН (ныне - Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН). В Новосибирске были созданы и первые препараты ген-направленного действия для избирательной инактивации вирусных и некоторых клеточных РНК.
Подобные ген-направленные терапевтические препараты сегодня активно разрабатываются на основе нуклеиновых кислот, их аналогов и конъюгатов (антисмысловых олигонуклеотидов, интерферирующих РНК, аптамеров, систем геномного редактирования). Исследования последних лет показали, что на основе антисмысловых олигонуклеотидов можно получить широкий спектр биологически активных веществ, действующих на различные генетические структуры и запускающих процессы, приводящие к временному «выключению» генов либо изменению генетических программ - появлению мутаций . Было доказано, что с помощью подобных соединений можно подавить функционирование определенных матричных РНК живой клетки, воздействуя на синтез белков, а также защитить клетки от вирусной инфекции.
Сегодня антисмысловые олигонуклеотиды и РНК, подавляющие функции мРНК и вирусных РНК, применяются не только в биологических исследованиях. Ведутся испытания ряда противовирусных и противовоспалительных препаратов, созданных на основе искусственных аналогов олигонуклеотидов, а некоторые из них уже начинают внедряться в клиническую практику.
Лаборатория биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН, работающая в этом направлении, была создана в 2013 г. благодаря научному мегагранту Правительства РФ. Ее организатором стал профессор Йельского университета, Нобелевский лауреат С. Альтман. В лаборатории ведутся исследования физико-химических и биологических свойств новых перспективных искусственных олигонуклеотидов, на основе которых разрабатываются РНК-направленные противобактериальные и противовирусные препараты.
В рамках проекта, руководимого С. Альтманом, было выполнено масштабное систематическое исследование воздействия различных искусственных аналогов олигонуклеотидов на патогенные микроорганизмы: синегнойную палочку, сальмонеллу, золотистый стафилококк, а также вирус гриппа. Были определены гены-мишени, воздействием на которые можно наиболее эффективно подавить эти патогены; проводится оценка технологических и терапевтических характеристик самых действующих аналогов олигонуклеотидов, в том числе проявляющих антибактериальную и противовирусную активность.
В ИХБФМ СО РАН впервые в мире были синтезированы фосфорилгуанидиновые производные олигонуклеотидов. Эти новые соединения электронейтральны, устойчивы в биологических средах и прочно связываются с РНК- и ДНК-мишенями в широком диапазоне условий. Благодаря спектру уникальных свойств они перспективны для применения в качестве терапевтических агентов, а также могут быть использованы для повышения эффективности средств диагностики, основанных на биочиповых технологиях.
«Антисмысловое» воздействие на матричные РНК не ограничивается простым блокированием сплайсинга (процесса «созревания» РНК) или синтеза белка. Более эффективным является ферментативное разрезание мРНК, спровоцированное связыванием терапевтического олигонуклеотида с мишенью. При этом олигонуклеотид - индуктор расщепления - может в дальнейшем связаться с другой молекулой РНК и повторить свое действие. В ИХБФМ СО РАН исследовали действие олигонуклеотидов, образующих при связывании с мРНК комплексы, которые могут служить субстратами фермента РНКазы Р. Этот фермент и сам представляет собой РНК с каталитическими свойствами (рибозим ).
Чрезвычайно мощным средством подавления активности генов оказались не только антисмысловые нуклеотиды, но и двуцепочечные РНК, действующие по механизму РНК-интерференции . Суть этого явления в том, что, попадая в клетку, длинные дцРНК разрезаются на короткие фрагменты (так называемые малые интерферирующие РНК , siPНК), комплементарные определенному участку матричной РНК. Связываясь с такой мРНК, siPНК запускают действие ферментативного механизма, разрушающего молекулу-мишень.
Использование этого механизма открывает новые возможности для создания широкого спектра высокоэффективных нетоксичных препаратов для подавления экспрессии практически любых, в том числе вирусных, генов. В ИХБФМ СО РАН на основе малых интерферирующих РНК сконструированы перспективные противоопухолевые препараты, показавшие хорошие результаты в экспериментах на животных. Одна из интересных находок - двуцепочечные РНК оригинального строения, стимулирующие в организме производство интерферона , эффективно подавляющие процесс метастазирования опухолей. Хорошее проникновение препарата в клетки обеспечивают носители - новые катионные липосомы (липидные пузырьки), разработанные совместно со специалистами Московского государственного университета тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова.
Новые роли нуклеиновых кислот
Разработка метода полимеразной цепной реакции, позволяющего в неограниченных количествах размножать нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК, и появление технологий молекулярной селекции нуклеиновых кислот сделали возможным создание искусственных РНК и ДНК с заданными свойствами. Молекулы нуклеиновых кислот, избирательно связывающие определенные вещества, называются аптамерами . На их основе могут быть получены препараты, блокирующие функции любых белков: ферментов, рецепторов или регуляторов активности генов. В настоящее время получены уже тысячи самых разных аптамеров, находящих широкое применение в медицине и технике.
Один из мировых лидеров в этой области - американская компания Soma Logic Inc . - создает так называемые сомамеры , которые селективно отбирают из библиотек химически модифицированных нуклеиновых кислот по уровню сродства к тем или иным мишеням. Модификации по азотистому основанию придают таким аптамерам дополнительную «белковоподобную» функциональность, что обеспечивает высокую стабильность их комплексам с мишенями. Кроме того, это увеличивает вероятность успешного отбора сомамеров к тем соединениям, к которым подобрать обычные аптамеры не удалось.
Среди аптамеров, имеющих сродство к клинически значимым мишеням, к настоящему времени имеются кандидаты на терапевтические препараты, достигшие третьей, ключевой фазы клинических испытаний. Один из них - Macugen - уже используется в клинической практике для терапии заболеваний сетчатки глаза; препарат для лечения возрастной макулярной дегенерации сетчатки Fovista успешно заканчивает испытания. И на очереди множество подобных препаратов.
Но терапия - это не единственное предназначение аптамеров: они вызывают огромный интерес у биоаналитиков в качестве распознающих молекул при создании аптамерных биосенсоров .
В ИХБФМ совместно с Институтом биофизики СО РАН (Красноярск) разрабатываются биолюминесцентные аптасенсоры с переключаемой структурой. Получены аптамеры, которые играют роль репортерного блока сенсора, к Са 2+ -активируемому фотопротеину обелину , представляющему собой удобную биолюминесцентную метку. Этот сенсор способен «улавливать» молекулы лишь определенных белков, которые необходимо детектировать в образце. В настоящее время по этой схеме конструируются переключаемые биосенсоры к модифицированным белкам крови, служащим маркерами диабета.
Новым объектом среди терапевтических нуклеиновых кислот является и сама матричная (информационная) РНК. Компания Moderna Therapeutics (США) сейчас проводит масштабные клинические исследования мРНК. При попадании в клетку мРНК действуют в ней как ее собственные. В результате клетка получает возможность производить белки, которые могут предотвратить или остановить развитие заболевания. Большая часть таких потенциальных терапевтических препаратов направлена против инфекционных (вирус гриппа, вирус Зика, цитомегаловирус и др.) и онкологических заболеваний.
Белки как лекарство
Огромные успехи синтетической биологии за последние годы отразились и в разработке технологий производства терапевтических белков, уже широко применяющихся в клинике. В первую очередь это относится к противоопухолевым антителам, с помощью которых стала возможной эффективная терапия целого ряда онкологических заболеваний.
Сейчас появляются все новые противоопухолевые белковые препараты. Примером может служить препарат лактаптин , созданный в ИХБФМ СО РАН на основе фрагмента одного из основных белков молока человека. Исследователи обнаружили, что этот пептид индуцирует апоптоз («самоубийство») клеток стандартной опухолевой клеточной культуры - аденокарциномы молочной железы человека. С использованием методов генной инженерии был получен ряд структурных аналогов лактаптина, из которых был выбран наиболее эффективный.
Испытания на лабораторных животных подтвердили безопасность препарата и его противоопухолевую и антиметастатическую активность в отношении ряда опухолей человека. Уже разработана технология получения лактаптина в субстанции и лекарственной форме, изготовлены первые экспериментальные партии препарата.
Терапевтические антитела все шире применяются и для лечения вирусных инфекций. Специалистам ИХБФМ СО РАН удалось генно-инженерными методами создать гуманизированное антитело против вируса клещевого энцефалита. Препарат прошел все доклинические испытания, доказав свою высокую эффективность. Оказалось, что защитные свойства искусственного антитела в сто раз выше, чем коммерческого препарата антител, получаемого из сыворотки доноров.
Вторжение в наследственность
Открытия последних лет расширили возможности генотерапии, которые до недавнего времени представлялась фантастикой. Технологии геномного редактирования , основанные на применении РНК-белковой системы CRISPR/Cas, способны распознавать определенные последовательности ДНК и вносить в них разрывы. При «ремонте» (репарации ) таких нарушений можно исправлять мутации, ответственные за заболевания, или вводить в терапевтических целях новые генетические элементы.
Редактирование генов открывает перспективы радикального решения проблемы генетических заболеваний путем модификации генома при использовании экстракорпорального оплодотворения . Принципиальная возможность направленного изменения генов эмбриона человека уже доказана экспериментально, и создание технологии, обеспечивающей появление на свет детей, свободных от наследственных заболеваний, задача ближайшего будущего.
С помощью геномного редактирования можно не только «исправлять» гены: этот подход можно использовать для борьбы с вирусными инфекциями, не поддающимися обычной терапии. Речь идет о вирусах, встраивающих свой геном в клеточные структуры организма, где он оказывается недоступным для современных противовирусных препаратов. К таким вирусам относятся ВИЧ-1, вирусы гепатита В, папилломавирусы, полиомавирусы и ряд других. Системы геномного редактирования могут инактивировать вирусную ДНК внутри клетки, разрезав ее на безопасные фрагменты либо внеся в нее инактивирующие мутации.
Очевидно, что применение системы CRISPR/Cas в качестве средства коррекции мутаций человека станет возможным лишь после ее усовершенствования с целью обеспечения высокого уровня специфичности и проведения широкого спектра испытаний. Кроме того, для успешной борьбы с опасными вирусными инфекциями необходимо решить проблему эффективной доставки терапевтических агентов в целевые клетки.
Сначала была клетка - стволовая
Одним из наиболее быстро развивающихся направлений в медицине является клеточная терапия . В ведущих странах уже проходят клинические испытания клеточных технологий, разработанных для лечения аутоиммунных, аллергических, онкологических и хронических вирусных заболеваний.
В России пионерные работы по созданию средств терапии на основе стволовых клеток и клеточных вакцин были выполнены в Институте фундаментальной и клинической иммунологии СО РАН (Новосибирск). В результате исследований были разработаны методы лечения онкологических заболеваний, гепатита В и аутоиммунных заболеваний, которые уже начали применяться в клинике в экспериментальном режиме.
Чрезвычайно актуальными в наши дни стали проекты создания банков культур клеток пациентов с наследственными и онкологическими заболеваниями для тестирования фармакологических препаратов. В Новосибирском научном центре такой проект уже реализуется межинститутским коллективом под руководством проф. С. М. Закияна. Новосибирские специалисты отработали технологии внесения мутаций в культивируемые клетки человека, в результате чего были получены клеточные модели таких заболеваний, как боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера, спинальная мышечная атрофия, синдром удлиненного интервала QT и гипертрофическая кардиомиопатия.
Разработка методов получения из обычных соматических клеток плюрипотентных стволовых , способных превратиться в любую клетку взрослого организма, привела и к появлению клеточной инженерии, позволяющей восстанавливать пораженные структуры организма. Удивительно быстро развиваются технологии получения трехмерных структур для клеточной и тканевой инженерии на основе биоразрушаемых полимеров: протезов сосудов, трехмерных матриксов для выращивания хрящевой ткани и конструирования искусственных органов.
Так, специалисты ИХБФМ СО РАН и Национального медицинского исследовательского центра им. Е. Н. Мешалкина (Новосибирск) разработали технологию создания протезов сосудов и сердечных клапанов методом электроспиннинга . С помощью этой технологии из раствора полимера можно получить волокна толщиной от десятков нанометров до нескольких микрон. В результате серии экспериментов удалось отобрать изделия с выдающимися физическими характеристиками, которые сейчас успешно проходят доклинические испытания. Благодаря высокой био- и гемосовместимости такие протезы со временем замещаются собственными тканями организма.
Микробиом как объект и субъект терапии
К настоящему времени хорошо изучены и расшифрованы геномы многих микроорганизмов, поражающих человека. Ведутся исследования и сложных микробиологических сообществ, постоянно связанных с человеком, - микробиомов .
Существенный вклад в эту область исследований внесли и отечественные ученые. Так, специалисты ГНЦ ВБ «Вектор» (Кольцово, Новосибирская обл.) впервые в мире расшифровали геномы вирусов Марбург и натуральной оспы, а ученые ИХБФМ СО РАН - геномы вируса клещевого энцефалита, возбудителей клещевого боррелиоза, распространенных на территории РФ. Также были изучены микробные сообщества, ассоциированные с различными видами опасных для человека клещей.
В развитых странах сегодня активно ведутся работы, направленные на создание средств регуляции микробиома организма человека, в первую очередь его пищеварительного тракта. Как оказалось, от состава микробиома кишечника в огромной степени зависит состояние здоровья. Методы воздействия на микробиом уже существуют: например, обогащение его новыми терапевтическими бактериями, использование пробиотиков , благоприятствующих размножению полезных бактерий, а также прием бактериофагов (вирусов бактерий), избирательно убивающих «вредные» микроорганизмы.
В последнее время работы по созданию средств терапии на основе бактериофагов активизировались во всем мире в связи с проблемой распространения лекарственно-устойчивых бактерий. Россия - одна из немногих стран, где применение бактериофагов в медицине разрешено. В РФ существует промышленное производство препаратов, разработанных еще в советское время, и чтобы получать более эффективные бактериофаги, необходимо их совершенствовать, и эта задача может быть решена методами синтетической биологии.
Решением ее занимаются в ряде научно-исследовательских организаций РФ, в том числе в ИХБФМ СО РАН. В институте охарактеризованы промышленно производимые в РФ фаговые препараты, расшифрованы геномы ряда бактериофагов, а также создана их коллекция, в которую вошли и уникальные вирусы, перспективные для применения в медицине. В клинике института отрабатываются механизмы оказания персонализированной помощи больным, страдающим от бактериальных инфекций, вызванных лекарственно-устойчивыми микроорганизмами. Последние возникают при лечении диабетической стопы, а также в результате пролежней или послеоперационных осложнений. Разрабатываются и методы коррекции нарушений состава микробиома человека.
Совершенно новые возможности использования вирусов открываются в связи с созданием технологий получения интеллектуальных систем высокоизбирательного действия на определенные клетки. Речь идет об онколитических вирусах , способных поражать только опухолевые клетки. В экспериментальном режиме несколько таких вирусов уже применяются в Китае и США. Работы в этой области ведутся и в России, в них принимают участие специалисты из московских и новосибирских научно-исследовательских организаций: ИМБ РАН, ГНЦ ВБ «Вектор», Новосибирского государственного университета и ИХБФМ СО РАН.
Быстрое развитие синтетической биологии дает основание ожидать в ближайшие годы важных открытий и появления новых биомедицинских технологий, которые избавят человечество от многих проблем и позволят реально управлять здоровьем, а не только лечить наследственные и «благоприобретенные» заболевания.
Фронт исследований в этой области чрезвычайно широк. Уже сейчас доступные гаджеты представляют собой не просто игрушки, но реально полезные приборы, ежедневно обеспечивающие человека информацией, необходимой для контроля и поддержания здоровья. Новые технологии быстрого углубленного обследования дают возможность предсказать или своевременно обнаружить развитие болезни, а персонализированные препараты на основе «умных» информационных биополимеров позволят радикально решить проблемы борьбы с инфекционными и генетическими заболеваниями в самом ближайшем будущем.
Литература
1.
Брызгунова О. Е., Лактионов П. П. Внеклеточные нуклеиновые кислоты мочи: источники, состав, использование в диагностике // Acta Naturae
. 2015. Т. 7. № 3(26). С. 54–60.
2.
Власов В. В., еще две фамилии и др. Комплементарные здоровью. Прошлое, настоящее и будущее антисмысловых технологий // Наука из первых рук. 2014. Т. 55. № 1. С. 38–49.
3.
Власов В. В., Воробьев П. Е., Пышный Д. В. и др. Правда о фаготерапии, или памятка врачу и пациенту // Наука из первых рук. 2016. Т. 70. № 4. С. 58–65.
4.
Власов В. В., Закиян С. М., Медведев С. П. «Редакторы геномов». От «цинковых пальцев» до CRISPR // Наука из первых рук. 2014. Т. 56. № 2. С. 44–53.
5.
Лифшиц Г. И., Слепухина А. А., Субботовская А. И. и др. Измерение параметров гемостаза: приборная база и перспективы развития // Медицинская техника. 2016. Т. 298. № 4. С. 48–52.
6.
Рихтер В. А. Женское молоко - источник потенциального лекарства от рака // Наука из первых рук. 2013. Т. 52. № 4. С. 26–31.
7.
Kupryushkin M. S., Pyshnyi D. V., Stetsenko D. A. Phosphoryl guanidines: a new type of nucleic Acid analogues // Acta Naturae
. 2014. V. 6. № 4(23). P. 116–118.
8.
Nasedkina T. V., Guseva N. A., Gra O. A. et al. Diagnostic microarrays in hematologic oncology: applications of high- and low-density arrays // Mol. Diagn. Ther.
2009. V. 13. N. 2. P. 91–102.
9.
Ponomaryova A. A., Morozkin E. S., Rykova E. Y. et al. Dynamic changes in circulating miRNA levels in response to antitumor therapy of lung cancer // Experimental Lung Research
. 2016. V. 42. N. 2. P. 95–102.
10.
Vorobyeva M., Vorobjev P. and Venyaminova A. Multivalent Aptamers: Versatile Tools for Diagnostic and Therapeutic Applications // Molecules
. 2016. V. 21. N. 12. P. 1612–1633.
Медицинские биотехнологии, использующие живые системы и их продукты, принципиально меняют подход к разработке лекарственных средств и увеличивают шансы победить или вообще предотвратить трудноизлечимые заболевания.
Клиническая картина мира
Инвестиции в медицинcкие разработки постоянно растут. Мировые расходы на R&D в области Life Science, по данным Industrial Research Institute (IRI), за последние десять лет увеличились втрое и составили $169,3 млрд в 2016 году. Причем 85% ресурсов приходится на биофармацевтический сектор. По затратам на R&D медицина является лидером наряду с ICT (Information and Communication Technology — $204,5 млрд в 2016 году).
Однако доля расходов на исследования в общих тратах частного и государственного секторов на здравоохранение даже в развитых странах сравнительно невелика. В США — лидере среди стран по вложениям в R&D — их доля в 2016 году составляла 4,9% от общих расходов на здравоохранение, оцениваемых в $3,2 трлн. В России — 1,8% от общих расходов в $9,7 млрд, или 544 млрд руб.
Потребности медицины определяет клиническая картина мира. В XXI веке она складывается из сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, старческих недугов, наследственных и даже орфанных (редких) болезней разной этиологии. Кроме того, наука по-прежнему ищет способы борьбы с масштабными вирусными инфекциями, не поддающимися классической вакцинации (гриппом, ВИЧ-инфекцией), и новыми экзотическими — ТОРС, Эбола, Зика.
В первую очередь фармкомпании и государство вкладывают средства туда, где гарантирован успех в лечении и возврат вложенных средств. «Выбор актуальных направлений в медицине базируется на потенциале конечного продукта с точки зрения его эффективности, на запросе потребителя, которым может выступать государство как представитель пациентов, а также интересе частных компаний и инвесторов в реализации прорывных проектов с высокой окупаемостью», — отмечает генеральный директор компании Future Biotech Денис Курек.
В частности, основные силы российских разработчиков по заказу государства брошены на создание эффективного и доступного лекарства от рака — второй после заболеваний сердечно-сосудистой системы причины смертности в России. Ежегодный объем госзакупок на лечение онкозаболеваний превышает 60 млрд руб. — такие данные приводят в DSM Group. «Аудитория у болезни широкая, стоимость препаратов высока. Отдача от инвестиций в разработку лекарства от онкозаболеваний происходит довольно быстро», — говорит эксперт фармацевтического рынка, генеральный директор DSM Group Сергей Шуляк.
Достижения последних лет в области биологии, химии, иммунологии, клеточной биологии и других науках позволяют сделать рывок в области прикладного их применения в практической медицине. Рождаясь на стыке этих наук, медицинские биотехнологии в ближайшие 20 лет могут удивить человечество не меньше, чем, например, информационные технологии.
Иммунотерапия
Одной из самых перспективных технологий создания современных лекарств от онкологических и аутоиммунных заболеваний является биосинтез моноклональных антител (МКА). Близкие по своей структуре к человеческим иммуноглобулинам — белкам крови, являющимся одним из основных механизмов защиты организма от инфекционных заболеваний, МКА низкотоксичны и более безопасны по сравнению с традиционной химиотерапией.
Первый импортный иммунотерапевтический препарат ипилимумаб (TM Yervoy) нового поколения, который является моноклональным антителом, способным связывать и подавлять защиту клеток метастатической меланомы (рака кожи), был выведен на рынок в 2014 году компанией Bristol-Myers Squibb. Компания Biocad планирует в 2018-2019 годах выпуск в России препарата, действующего по тому же принципу, но более широкого спектра действия. Об этом ранее заявляла министр здравоохранения РФ Вероника Скворцова.
Сегодня стоимость лекарства в России — около 100 тыс. руб. за упаковку. Курс лечения с поддерживающим ипилимумаб препаратом того же класса и той же компании — ниволумабом (TM Opdivo) обойдется в два раза дороже. Импортные препараты пока монополисты нового рынка. Российские разработки призваны снизить стоимость жизненно важных лекарств. Программа «Фарма-2020» субсидирует разработки в этой области (см. диаграмму). В частности, первый российский препарат на основе МКА — ритуксимаб — Biocad выпустила в 2014 году в результате государственно-частного партнерства на средства федерального бюджета.
Стимулирование отрасли (с 2015 года препараты российского производства имеют существенные преференции в госзакупках ЛС) позволило российским технологиям серьезно продвинуться в создании лекарств нового поколения и потеснить препараты импортного производства. По данным DSM Group, в 2015 году в госзакупках по программе «Семь нозологий» доля препаратов российского производства выросла с 3 до почти 20%. В рамках этой программы наиболее дорогие лекарства для семи редких заболеваний, включая злокачественные новообразования кроветворной и лимфоидной тканей, централизованно закупаются на средства федерального бюджета. За последние два года значительно выросли объемы закупок, в том числе отечественных противоопухолевых препаратов, по государственной программе льготного лекарственного обеспечения (ОНЛС).
Вакцины против аутоиммунных заболеваний
Антицитокиновая терапия — последнее слово в лечении аутоиммунных заболеваний, при которых некоторые иммунные клетки, призванные защищать организм, начинают его убивать. Однако в ее современном виде у этой технологии есть очевидные недостатки — организм не всех больных на нее отвечает, нет надежных биомаркеров, которые позволили бы предсказать успех этой очень дорогой терапии.
Дальнейшее развитие метода, по словам научного руководителя Федерального исследовательского центра фундаментальной основы биотехнологии РАН, завкафедрой биотехнологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова академика Константина Скрябина, связывают с созданием препаратов на основе биспецифических, как их называют, антител с заданными свойствами, или бинарных вакцин. Это биоконструкции на основе антител, образно говоря, с двумя руками. Одной антитело держится за поверхность «сошедшей с ума» иммунной клетки, а второй, как хоккейный вратарь в ловушку, ловит выделяющиеся из клетки вредные цитокины и нейтрализует их.
На рынке они появятся, вероятно, не раньше середины 2020-х годов. Создание таких лекарств — путь долгий и дорогой.
Предметом исследования являются не только сами антитела, но и мишени — деструктивная клетка или вещество, которое активирует ее деятельность и которое нужно нейтрализовать. «Определение мишени — важная часть инновации в создании лекарства», — говорит Константин Скрябин.
«Нужно понимать, о какой «сошедшей с ума» патологической клетке идет речь и с помощью какой мишени эту клетку можно отличить от здоровых клеток. Главное — это наличие адекватной мишени, открытой фундаментальными биологами, исследователями», — согласен медицинский директор Национальной иммунобиологической компании (входит в госкорпорацию «Ростех») Александр Власов.
Выращивание тканей
Существующие технологии уже позволяют выращивать ткани и даже целые органы за счет ресурсов самого организма (аутологичных клеток, широко известные стволовые клетки — их разновидность). Но главная проблема в том, что для клеточного строительства нужен матрикс — каркас, который в идеале по окончании строительства должен замениться восстановленной тканью и бесследно исчезнуть.
Разработка МГУ предлагает в качестве такого каркаса для наращивания ткани фиброин (белок) шелка тутового шелкопряда. До сих пор на рынке матриксов конкурировали синтетические биоразлагаемые полимеры, но использование природных материалов выглядит более перспективным. Первые результаты биопротезирования тонкого кишечника у крыс обнадеживают, что эта технология будет востребованной.
«Чтобы выращивать новые ткани и органы, например кожу или тонкий кишечник, клетки должны образовывать нужную структуру конкретного органа. Белок шелка тутового шелкопряда позволяет структурировать ткань», — отмечает Константин Скрябин. По его мнению, технология имеет большое будущее.
Генная инженерия
Наука не только научилась читать геном человека со всей наследственной информацией, но и нашла способ его редактировать, что открывает новые возможности для лечения онкологии, вируса иммунодефицита человека и моногенных заболеваний. Лидирует по использованию редактирования генома терапия ВИЧ-инфекции с шестью зарегистрированными на сегодняшний день клиническими исследованиями. «Перспективы применения редактирования генома безграничны. В области трансплантации органов и тканей, например, особое место занимают разработки по преодолению межвидовой гисто-
совместимости. «Отредактированные» животные, например свиньи, с учетом физиологии и архитектоники органов и тканей могут быть универсальными донорами для человека», — отмечают авторы доклада «Редактирование генома и возможности генной терапии в онкологии» фонда «Сколково».
Мировые медтехнологии, по словам академика Скрябина, перешли к превентивным мерам в отношении трудноизлечимых заболеваний. В начале 2000-х годов чтение генома обошлось в $3 млрд, сейчас технология позволяет это сделать за $1 тыс. Одна из американских компаний, специализирующаяся на этой услуге, анонсировала возможность получать всю генетическую информацию человека в течение двух часов по цене, не превышающей $100.
Результатом поиска на протяжении последних 20 лет подхода к проведению неинвазивной диагностики генетических заболеваний плода стала возможность на раннем сроке — уже после десятой недели беременности — определять свободные фрагменты ДНК из клеток плода в крови матери. Достаточно забора крови матери. В Европе сделано уже 400 тыс. анализов с использованием фетального материала, циркулирующего в материнском кровотоке, в Китае — 500 тыс. В России проведены пока только первые пять тысяч анализов. В стране нет зарегистрированного необходимого оборудования, иностранные аналоги очень дороги, поэтому услуга недоступна в повседневной медицинской практике. Кроме того, по словам Константина Скрябина, государственная система обязательного медицинского страхования (ОМС) оплачивает стандартные методики пренатальной диагностики, так называемого прокола — забора необходимых материалов околоплодной жидкости с проникновением инструментов в полость матки.
По словам исполнительного директора кластера биомедицинских технологий фонда «Сколково» Кирилла Каема, будущее за Big Data в медицине: «Собрав данные по большим популяциям населения, можно полностью изменить парадигму здоровья. Эти данные будут давать вероятностный прогноз о рисках и позволят заниматься профилактикой не только в традиционном виде, а делать конкретные вмешательства, которые позволят остановить развитие заболеваний».
Александр Власов ждет перспективных решений в области продления жизни и комфортного старения от западных специалистов. Фундаментальных исследований вопросов старения, по его словам, в нашей стране пока мало.
В начале 2019 года в Санкт-Петербурге состоится значимое для российской науки и медицины событие: 26–30 января пройдет очередная зимняя школа Future Biotech . Спикерами зимней школы в этом году станут ученые из ведущих научных центров мира: Гарварда, Йеля, Университетского колледжа в Лондоне и многих других. Также в школе примут участие именитые российские ученые, деятельные бизнесмены, руководители наукоемких стартапов и увлеченные наукой студенты, аспиранты и молодые исследователи. Ключевая тема в этом году неразрывно связана с медициной и посвящена технологиям редактирования генома и генной терапии.
Философия школы Future Biotech
В-третьих, это безусловно беспрецедентный по своим масштабам научный контент! На лекциях можно будет узнать о самых последних открытиях из первых рук - непосредственно от ученых, ведущих исследования, - и обсудить с ними самые «горячие» подробности.
Таким образом, школа одновременно является тем самым связующим звеном между научными исследованиями и бизнесом, которое пока недостаточно развито в России, а также площадкой для развития профессионального нетворкинга и прокачивания своих знаний.
В этом году ключевой темой школы станут редактирование генома и генная терапия. Сегодня эти технологии - наиболее перспективные и финансируемые направления мировой медицины и фармацевтики. В 2016 году рынок препаратов для генной терапии оценивался в $584 млн. А к 2023 году, по прогнозам аналитиков, глобальная выручка от продажи таких препаратов превысит $4,4 млрд - это более 30% роста ежегодно!
Современные методы генной инженерии в комплексе с другими подходами на наших глазах совершают революцию в борьбе с ранее неизлечимыми генетическими, онкологическими и аутоиммунными заболеваниями. Генная инженерия приходит нам на помощь и в борьбе с устойчивыми к большинству известных антибиотиков бактериями, которые грозят стать главной причиной смертности в мире уже к 2050 году.
Истории и методам генной инженерии посвящены две статьи нашего спецпроекта «12 методов в картинках » . - Ред .
Сегодня на мировом рынке присутствуют лишь единичные препараты на основе генной терапии, десятки находятся на разных стадиях клинических испытаний. Как следует из отчета Allied Market Research , подавляющее большинство препаратов генной терапии производится для больных с онкологическими патологиями. И в ближайшее время - как минимум до 2023 года - эта ниша сохранит свое первенство на рынке. Следом за лекарствами от рака идут средства генной терапии редких заболеваний, сердечно-сосудистых болезней, неврологических расстройств и инфекций .
Ближайшее десятилетие пройдет под эгидой внедрения новых терапий, направленных на лечение агрессивных видов рака, генетических, нейродегенеративных, аутоиммунных патологий, а также внедрения в практику антибиотиков нового поколения. И в этот переломный момент российской науке и индустрии необходимо приложить все усилия, чтобы занять свое место на мировом биофармацевтическом рынке, стать активным участником перспективных исследований и, таким образом, обеспечить россиянам доступ к передовой медицине в будущем. Шагом на пути к достижению этой глобальной цели должна стать зимняя школа Future Biotech 2019. Для этого ее организаторы пригласили в Санкт-Петербург ведущих мировых ученых, работы которых охватывают наиболее перспективные направления биомедицины и биотехнологий. Об этих направлениях мы и поговорим в следующей главе.
Какие прорывы в медицине нас ожидают?
Мир, в котором почти нет неизлечимых болезней, - уже не просто мечта фантастов: это мир, где методы генотерапии и редактирования генома стали главным оружием медицины (рис. 3). Уже сегодня благодаря этим подходам удалось достигнуть значительного прогресса в лечении нескольких ранее неизлечимых патологий, о которых мы и поговорим далее.
Генотерапия: на пути к миру без неизлечимых заболеваний
Чтобы продолжить рассказ, давайте освежим в памяти терминологию. Наследственные заболевания, вызванные «поломками» в ДНК, называются генетическими . Если они спровоцированы мутацией в одном единственном гене - их принято называть моногенными . К таким болезням относятся, например, фенилкетонурия , болезнь Гоше и серповидноклеточная анемия . Существуют патологии, причиной которых является поломка сразу в нескольких генах (они называются полигенными ) или дефект значительной части хромосомы (хромосомные болезни). К полигенным заболеваниям относятся некоторые виды рака, сахарный диабет, шизофрения, эпилепсия, ишемическая болезнь сердца и многое другое. Наибольшего успеха сегодня удалось добиться в лечении моногенных генетических заболеваний, так как исправить один-единственный ген - методически более простая задача, чем бороться с полигенными болезнями или хромосомными аномалиями (однако и здесь всё не безнадёжно!). В борьбе с генетическими болезнями генная терапия и редактирование генома - главные инструменты будущего в руках генного инженера.
Концепция генной терапии элегантна и красива, как всё гениальное. Она заключается в доставке в клетку здорового гена, который заменяет собой его «дефектный» вариант. Большинство прошедших клинические испытания и одобренных видов терапий использует вирусные векторные системы для доставки и встраивания здорового варианта гена в клетки (рис. 4). В ближайшем будущем ученые пророчат развитие невирусных систем доставки генов в клетку.
Существует два основных подхода: постнатальная генотерапия (иногда ее называют соматической) и генотерапия плода (иначе пренатальная, или фетальная генная терапия, о которой мы недавно писали в статье «Фетальная генная терапия: от теории - к практике » ).
В первом случае гены вводят в соматические клетки организма, что позволяет улучшить состояние пациента, однако отредактированный геном не передается потомкам, так как редактирование затрагивает лишь отдельные популяции клеток, не изменяя при этом геномы клеток, продуцирующих гаметы. Такой способ оправдан для борьбы, например, с онкологическими заболеваниями. Во втором случае ДНК вводят в эмбрион на ранней стадии развития, что позволяет отредактировать все, большинство или значительную часть клеток плода. При данном подходе изменения наследуются, так как половые клетки тоже будут нести эти изменения. Этот подход перспективен для борьбы с наиболее тяжелыми наследственными патологиями.
Американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) уже одобрило 16 препаратов на основе генной и клеточной терапии. Среди них есть средства для лечения агрессивных видов рака крови, предстательной железы и редкой наследуемой формы ретинальной слепоты.
Пренатальная терапия имеет ряд преимуществ перед постнатальной, самым большим из которых является помощь на ранней стадии развития болезни, когда патологический процесс еще не успел зайти далеко. Благодаря современным методам пренатальной диагностики исправлять дефектные гены можно на ранних сроках беременности, уже в 14–16 недель. Коррекция мутантных генов у развивающегося плода позволяет быстро увеличить популяцию стволовых клеток со «здоровым» вариантом гена, а значит, заболевание можно вылечить полностью или, по крайней мере, значительно облегчить его течение. Несмотря на радужные перспективы, на данный момент перед учеными стоит ряд нерешенных задач. Фетальная генная терапия увеличивает риск выкидыша и преждевременных родов из-за развития иммунных реакций у матери и ребенка. Кроме того, она может привести к неожиданным, а иногда и катастрофическим последствиям уже на постнатальной стадии развития. Вносимый ген может неспецифически встроиться в любое место генома и, таким образом, нарушить работу других генов, спровоцировав генетическое или онкологическое заболевание. Другой побочный эффект фетальной генотерапии - мозаицизм (явление, при котором часть клеток имеет «исправленный» ген, а остальные несут его «сломанную» версию), который может привести к весьма непредсказуемым последствиям в будущем.
С точки зрения потенциальных рисков очевидно, что фетальная генная терапия должна использоваться только для лечения тяжелых генетических заболеваний, других вариантов коррекции которых не существует. К таким патологиям относятся некоторые редкие генетические заболевания, например миодистрофия Дюшенна , спинальная мышечная атрофия , фатальная семейная бессонница , фенилкетонурия и фибродисплазия . Для их лечения сегодня активно разрабатывают варианты генных терапий, некоторые из которых находятся на финальных стадиях клинических испытаний. Среди редчайших генетических патологий, безусловно, есть и болезнь Гоше - нейродегенеративное заболевание, тяжелая форма которого на данный момент не поддается лечению и всегда летальна. Болезнь Гоше - самая частая форма среди редких наследственных ферментопатий , то есть болезней, связанных с дефектами ферментов. На ее примере была впервые продемонстрирована высокая эффективность фетальной генотерапии в экспериментах на мышах, а теперь ученые готовятся к испытаниям и на людях . Это значит, что будущее, где дети с вышеупомянутыми неизлечимыми генетическими заболеваниями смогут выздоравливать, наступит довольно скоро.
Генотерапия может быть чрезвычайно эффективна и в постнатальный период , в том числе для лечении взрослых пациентов. Спинальная мышечная атрофия (СМА) стала еще одним орфанным (то есть редким генетическим) заболеванием, долгожданную надежду на лечение которого подарила генная терапия . 23 декабря 2016 г. FDA зарегистрировало первое лекарство для СМАйликов (так ласково называют пациентов с этой болезнью) - нусинерсен (коммерческое название Spinraza ). По результатам клинических испытаний у 51% пациентов улучшились моторные навыки, а также снизились риск смерти и постоянной вентиляции легких по сравнению с контрольной группой.
Крайне эффективна постнатальная генная терапия и при борьбе с онкологическими заболеваниями, которые являются одной из лидирующих причин смертности в странах с высоким уровнем жизни по данным ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения). На данный момент одобрено два препарата: Yescarta и Kymriah , направленных на лечение высокоагрессивных видов В-клеточной лимфомы с использованием технологии CAR-T. Суть этой технологии заключается в искусственной «настройке» иммунитета пациента против опухолевых клеток. У больного берут T-лимфоциты и в лаборатории при помощи безвредного вирусного вектора вводят в их геном ген химерного антигенного рецептора (CAR) , который позволяет модифицированным Т-клеткам узнавать специфический антиген на поверхности злокачественных B-клеток. Затем модифицированные Т-лимфоциты вновь вводятся в кровь пациента. Там они начинают атаковать собственные B-лимфоциты, уничтожая злокачественных «перебежчиков». Однако при данной терапии высок риск развития аутоиммунных реакций. Это связано с тем, что антигены, по которым наши воины (модифицированные Т-лимфоциты) узнают «перебежчиков», могут иногда встречаться и на поверхности здоровых клеток. Исследователи активно работают над решением этой проблемы .
Терапии на основе CAR-T - пожалуй, самый успешный на сегодняшний день вариант лечения на стыке клеточной и генной терапий! Эта технология позволяет добиться полной ремиссии примерно в половине случаев лечения или продлить жизнь пациентов в большинстве остальных случаев.
Генная терапия на Future Biotech
Технологии, в основе которых лежат редактирование геномов собственных клеток пациента (CAR-T) и РНК-интерференция, помимо биологических и биоэтических ограничений имеют еще одну серьезную проблему: экстремальная дороговизна! Например, полный курс лечения препаратом Yescarta стоит $350 000, а годовой курс терапии, включающей в себя еженедельные инъекции Patisiran , обойдется пациенту в $450 000. Все эти проблемы ученым и фармацевтическим компаниям предстоит решить в самом ближайшем будущем.
Технология CRISPR-Cas9. Самый точный инструмент редактирования генома
В последнее время в прессе постоянно пишут о разнообразных успехах этого подхода, и не зря: ведь технология редактирования генома с помощью системы CRISPR-Cas9 - это поистине эпохальная разработка (рис. 5)!
На «Биомолекуле» так много статей о великой и могучей технологии CRISPR-Cas9, что мы посвятили ей целый раздел ! - Ред.
Проблема столь массового распространения резистентности среди бактерий имеет множество причин. Сам процесс приобретения устойчивости естественен и неизбежен, однако злоупотребление антибиотиками, их неправильная утилизация и массовое попадание в окружающую среду ускорили этот процесс настолько, что некоторые инфекции не поддаются лечению даже комплексами из новых препаратов. Поэтому поиск новых антибиотиков является приоритетной задачей для современной науки .
Самая распространенная мишень всех известных антибиотиков - аппарат синтеза белка бактерий. Аппарат трансляции прокариот отличается от нашего, что позволяет использовать специфические ингибиторы синтеза белка у бактерий без вреда для собственных клеток нашего организма. Из-за массового распространения генов устойчивости у бактерий ученые активно изучают их белоксинтезирующий аппарат и ищут новые мишени и ингибиторы трансляции. На
18–19 сентября в Москве состоялась конференция «Постгеномные технологии», приуроченная к 100-летию со дня рождения академика Г.К. Скрябина. Организаторами мероприятия выступили Российская Академия наук, научный совет по биотехнологиям РАН, ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН.
Академик В.А. Тутельян, главный научный сотрудник ФГБУН «ФИЦ Питания и биотехнологий» сделал доклад на тему «Современная биотехнология в производстве пищи: проблема биобезопасности». В.А. Тутельян напомнил собравшимся, что наша страна в свое время стояла у истоков промышленной биотехнологии и была мировым лидером в этой части. В области медицины это направление возглавлял академик А.А. Покровский, в области сельского хозяйства и животноводства - академик Л.К. Эрнст, в области производства и создания производственных мощностей - академик В.А. Быков. А академику Г.К. Скрябину удалось объединить все усилия и создать колоссальный прорыв в развитии промышленной биотехнологии в Советском Союзе.
«В Институте питания, где я практически всю жизнь работаю, по указанию академика Скрябина была создана специальная лаборатория, которая объединяла порядка 70 человек, - рассказал В.А. Тутельян. - Это был очень масштабный проект, сопоставимый, не побоюсь сказать, с атомным проектом, потому что более 70 научно-исследовательских институтов всех ведомств объединились для решения этой задачи, и руководил всей этой работой Георгий Константинович Скрябин».
В период с 1964 по 1990 годы происходило интенсивное развитие промышленной биотехнологии. Работали 11 заводов, дающие 1,5 млн тонн кормового белка. Это обеспечивало 100% потребности, в первую очередь птицеводства и животноводства. Производство аминокислот, витаминов, других ингредиентов также обеспечивало 100%-ю потребность Советского Союза. При этом во главе угла всегда стояли проблемы безопасности, поэтому все научно-исследовательские институты медицинского профиля работали в этом направлении, в том числе, Институт питания.
«Сейчас трудно сказать, какое количество исследований было проведено, - рассказал В.А. Тутельян, - какое количество животных и людей участвовало в работе по доказательству безопасности. Один из них - это я, когда, будучи аспирантом, с удовольствием переходил из здания института на другую сторону, где тогда была столовая (сейчас её уже нет), и нас полгода кормили продукцией микробиологического синтеза, трансформированной через животных - кур, свиней и так далее. При этом нас детально изучали, изучали биохимические и все прочие параметры для того, чтобы доказать абсолютную безопасность. Пока, как видите, жив».
Упражнение с граблями. Заход третий
Но в начале 90-х, по словам докладчика, мы наступили на грабли второй раз. Первый раз - в 1948-м году, когда генетику объявили лженаукой, второй раз - в 1994 году, когда была уничтожена собственная биотехнология. «К чему мы пришли в уже ближайшее время? - напомнил академик. - Кормовой белок - ноль, и тут же упало все птицеводство, и мы начали закупать «ножки Буша». Полностью прекратилось производство витаминов, и сейчас ни одного грамма своих субстанций у нас не производится. Это преступление! Нет аминокислот - мы их полностью закупаем в Китае и Японии. А это что такое? Это, в первую очередь, парентеральное питание, необходимое при катастрофах, военных конфликтах - без этого мы просто не выживем. Стоит только санкциями или другими мерами перекрыть эти поставки, и мы останемся без всех этих жизненно необходимых продуктов».
Однако сейчас, по словам академика В.А. Тутельяна, мы переживаем эпоху Возрождения. Учреждена Комиссия РАН по генно-инженерной деятельности. Сформирована законодательная и нормативная база, принят целый ряд законов, которые позволяют проводить исследования и пытаться догнать зарубежных лидеров. «Авторские коллективы, принимавшие активные участие в разработке этих законов, - последователи и ученики Г.К. Скрябина», - подчеркнул В.А. Тутельян.
Многие технологии сегодня кажутся фантастикой. Так, начинаются интенсивные исследования по созданию ГМ-животных, птицы, рыбы с заданными полезными свойствами. Институт биологии гена выращивает ГМ-коз, вырабатывающих человеческий лактоферрин, а в Институте животноводства создаются гибриды животных, способные предотвращать многие человеческие заболевания. При этом на первом месте по важности стоит биологическая оценка безопасности ГМО-животного.
«Есть риск, что путем запрещений такого рода разработок мы в третий раз наступим на те же грабли, - подытожил В.А. Тутельян. - Нужно ли это делать? Мы активно работаем на уровне Государственной думы, там есть немало людей здравомыслящих, которые понимают, что если мы сейчас отстанем, то мы отстанем уже навсегда, и это будет преступление перед народом. Развитие современного сельского хозяйства, животноводства, медицины без использования биотехнологий бесперспективно. Это много шагов назад, и мы их делать не должны».
Питаться, чтобы выжить
Академик В.А. Быков сделал доклад на тему «Метаболомика и липидомика в постгеномной биотехнологии». Валерий Алексеевич напомнил собравшимся, что биотехнология во всем цивилизованном мире - это приоритетное направление научно-технического прогресса, использующее биообъекты и биопроцессы для целенаправленного воздействия на окружающую среду и получения полезных для человека продуктов, а также обеспечения контроля качества и оценки их безопасности.
«В базовые показатели качества жизни входит не только питание, но и воздух, и вода, и еда, в целом наше здоровье и среда обитания, - пояснил академик. - Биотехнология участвует в формировании всей совокупности этих проблем, направленных на улучшение качества и продолжительности жизни человека, повышение репродуктивного и трудового потенциала».
XX I век ознаменован замечательными событиями, связанными с развитием биотехнологии. Последняя волна революции здесь началась с 2000-го года, когда президент Клинтон выдвинул инициативу создания нанотехнологий, предполагающих манипуляции на атомарном и молекулярном уровне.
А для нас всё началось в 60-е годы прошлого века, когда возник вопрос, каким образом развиваться, чтобы обеспечить пропитание людям? Ведь в ХХ век человечество входит с народонаселением около миллиарда, а в ХХI век - 7,5, хотя на самом деле где-то 8. При этом сохранились все основные ресурсы земного шара. «О чем это говорит? - поставил вопрос В.А. Быков. - О том, что мы стоим на пороге нового технологического уклада, без которого разрешить проблему комфортного существования человека, видимо, не удастся».
Для наглядности докладчик представил слайд: если взять за основу 500 килограммов веса коровы, которая дает примерно 500 граммов белка в сутки, то такое же количество дрожжей в сутки дает уже 50 тонн микробного белка. Это рост на порядки. Вот почему биотехнология, опирающаяся на микроорганизмы как средства производства, является возможностью перехода к новому технологическому укладу для человечества.
Мы живём в море микроорганизмов
Член-корреспондент А.М. Боронин вспомнил о том, как рождался пущинский Институт биохимии и физиологи микроорганизмов, сегодня носящий имя Г.К. Скрябина. Процессом руководил сам академик Скрябин, и воспоминания о нём как об ученом, руководителе и человеке у всех сотрудников остались самые светлые и позитивные. Докладчик напомнил о том, что как ученый академик Скрябин был прежде всего микробиологом, и в этом плане главной его заслугой является развитие микробиологии в нашей стране. «В связи с этим я хочу напомнить, что мы в буквальном смысле живем в океане микроорганизмов, - сказал А.М. Боронин. - Несметное количество микроорганизмов окружает нас, находясь в воде, в морях, на суше, в растениях, животных. В одном гектаре почвы находится до 5 тонн биомассы микроорганизмов. Общая биомасса микроорганизмов на нашей планете превышает биомассу растений, насекомых, животных вместе взятых».
Биоразнообразие микроорганизмов огромно и удивительно. Поэтому одной из задач микробиологической науки является систематизация этого мира. Для этого пытались применять разные системы, но все они оказывались не слишком удобными. В 1977 году появилась работа Карла Вёзе: он предложил филогенетическую систему классификации, основанную на сравнении рибосом путем сравнения структуры 16S рРНК, которую по многим показателям можно рассматривать как некий хронометр эволюции, в том числе живого микроорганизма. Это открыло возможности для изучения и систематизации мира микроорганизмов и, в частности, открытия суперцарства архей, которые обитают в самых разных экосистемах, начиная от морских глубин и термальных источников. Методами биоинформатики были открыты локиархеи, у которых обнаружен цитоскелет и другие признаки фагоцитоза.
Дальнейшее развитие технологий позволило расширить эти исследования, в результате чего в самое последнее время произошли существенные изменения в нашем представлении об эволюционном древе.
«Наверное, нас ожидает еще много сюрпризов, и некоторые ученые говорят, что не исключено появление новых доменов в древе жизни, связанных с нахождением других организмов, - подчеркнул А.М. Боронин. - Эти исследования дают пищу для попыток понять эволюционные процессы, которые происходили и происходят до сих пор, причем зачастую прямо на наших глазах».
Микробиология на переднем крае науки
Всё это имеет не только огромную фундаментальную, но и прикладную пользу. Одним из таких примеров является исследование причины возникновения полирезистентных микроорганизмов, перед которыми оказываются бессильными самые современные антибиотики. Это представляет собой громадную медицинскую проблему, справиться с которой пока не удается. Именно микробиологи здесь находятся на переднем крае работы по расшифровке механизмов такого рода проблем и поиске путей их преодоления.
Еще один пример работы микробиологов - это хорошо известная история с Helicobacter pylori , за открытие которой в 2005 году была получена Нобелевская премия. В результате этой работы было показано, что этот микроорганизм ответственен за возникновение у человека язвы желудка. Дальнейшие исследования подтвердили это предположение и, более того, показали, что эта бактерия ответственна не только за язву, но и за развитие рака желудка. Вот почему сегодня врачи рекомендуют практически всем пациентам с проблемами желудочно-кишечного тракта сдать соответствующий анализ: раннее обнаружение «враждебной» бактерии позволяет успешно предотвратить самые тяжелые последствия.
Но в то же время самые последние исследования выявили, что наличие Helicobacter pylori снижает риск возникновения астмы. А отсутствие его ведет к увеличению риска заболевания гастроэзофагеальным рефлюксом и аденокарциномой. То есть мы видим всю сложность поведения и многообразие свойств микроорганизмов.
Поэтому сегодня стоит вопрос о дальнейшем исследовании микробиома человека с целью выяснения всех его функций и определения роли отдельных микроорганизмов, влияющих на жизнь человека.
«Мы все знаем, что микроорганизмы способствуют перевариванию пищи, выделяют определенные витамины, участвуют в становлении, развитии и поддержании иммунной системы, - напомнил А.М. Боронин. - Они в известной мере пытаются оградить нас от заболеваний путём борьбы с патогенами либо путём простой конкуренции. Это сложный мир, намного более древний и, возможно, разнообразный, чем наш, и наша задача - попытаться в нем разобраться, чтобы на основе научных данных перейти к новому поколению пробиотиков, способствующих стабилизации микробиома или его поправкам в случаях, когда он выходит из равновесия под действием тех же самых антибиотиков. Ведь не секрет, что большое количество используемых антибиотиков и неумеренное их употребление становятся причиной ряда серьезных нарушений в работе ЖКТ. Можете представить себе, какой стресс испытывает наш микробиом и какие могут быть последствия. А последствия могут быть самыми тяжелыми. Скажем, в толстой кишке может появиться один из видов пластидов, который приводит к заболеванию, способному окончиться летальным исходом».
По словам докладчика, мы недооцениваем влияние на нас мира микроорганизмов. В последнее время появляются данные о том, что микробиология влияет не только на наше физическое здоровье, но и на поведение, и на психику, и даже на религиозность человека. Поэтому изучение биологии микроорганизмов - это ключ к пониманию природы глобальной экосистемы, подчеркнул А.М. Боронин.
Собравшиеся также вспомнили Г.К. Скрябина, его неоценимый вклад в развитие отечественной биологической науки, многолетнюю службу на посту Главного Ученого секретаря Академии наук, удивительную работоспособность, дружелюбие и неистощимую жизненную энергию, которой он обладал. По мнению всех собравшихся, именно такие люди, как Г.К. Скрябин, делают историю страны, приумножают её научное и человеческое достояние. По словам председателя конференции академика М.П. Кирпичникова, Г.К. Скрябин был не просто выдающимся ученым, но и выдающимся гражданином своей страны. Именно такие люди и делают свою страну по-настоящему великой.
Наталия Лескова
Биотехнологии, несмотря на весь пафос и инновационность названия – одна из наиболее древних отраслей, появившаяся тогда, когда само понятие науки еще не было устоявшимся. При этом, безо всяких сомнений, сегодня биотехнологии в широком смысле данного понятия, являются одним из наиболее перспективных и многообещающих направлений изучения возможностей использования живых организмов.
Фактически же человечество впервые столкнулось в биотехнологиями (в самом простом и широком понимании) в тот же момент, когда они столкнулись с “биотой” – то есть биологически активным населением самых разнообразных сущностей на нашей планете: при выпечке хлеба, пивоварении (в обоих случаях это дрожжевые культуры) и при самых первых, робких, шагах в селекции тех растений, которые помогали прокормиться.
Конечно, осознанное и планомерное развитие биотехнологий началось позже, фактически – не так давно по меркам науки, в конце XVII века, когда было открыто существование микроорганизмов. Огромную роль в этом открытии сыграл петербургский академик К. С. Кирхгов, который открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путем получить сахар из доступного отечественного сырья (в первую очередь – свеклы). А термину “биотехнологии” мы обязаны венгерскому инженеру Карлу Эреки, которые впервые использовал его в своих работах в 1917 году. Большая заслуга в первоначальном становлении биотехнологий, как направлению науки биологии, также отдается и одному из самых известнейших микробиологов – Луи Пастеру, благодаря открытиям которого никто более не сомневался в том, что биотехнологии являются самостоятельным научным направлением.
Первый же патент в области биотехнологий был выдан в 1891 году в США – японский биохимик Дз. Такамине открыл методику использования ферментных препаратов в промышленных целях: применять диастазу для осахаривания растительных отходов.
В XX веке развитие биотехнологий обрело новый вид и множество направлений – в частности, они начали оказывать влияние на другие отрасли и области хозяйственно-экономической деятельности человека. Стоит сказать лишь, что активное развитие бродильной и микробиологической промышленности дало нам сотни, если не тысячи, методик и препаратов, существенно улучшающих жизнь каждого человека: стало возможным производство антибиотиков, пищевых концентратов, а также осуществление контроля за ферментацией продуктов растительного и животного происхождения, что безумно важно для обеспечения продовольствием.
Выделение и очищение до приемлемого уровня первого антибиотика – пенициллина, стало возможным лишь в 1940 году, одновременно выведя всю отрасль биотехнологий на совершенно новый уровень и ставя новые задачи, такие как: поиск и отработка технологий производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня безопасности при приеме лекарственных препаратов пациентом и так далее.
В сегодняшнем мире биотехнологии уже фактически неразрывно связаны с инжинерией (в том числе и генной), энергетикой, медициной, сельским хозяйством, экологией и многими другими отраслями и научными направлениями мысли.
За последние 100 лет, благодаря безудержному прогрессу во всех направлениях, спектр задач и методики их решения в биотехнологиях значительно поменялись. В основе т.н. “новой” биотехнологии лежат уже очень продвинутые и высокотехнологичные методы генной и клеточной инжинерии, с помощью которых проводится множество сложных операций, в том числе – воссоздание из отдельных фрагментов клеток их жизнеспособных копий.
На стыке биотехнологии и других научных областей могут рождаться самые интересные и неожиданные решений, позволяющие глубже узнавать и использовать потенциал самых разнообразных живых организмов. Как следствие, мы больше узнаем о тех процессах, с помощью которых мы получаем:
– Материалы и композиты
– Топливо и способы синтеза
– Лекарственные препараты и вакцины
– Методы диагностики и профилактики заболеваний, в том числе генетически обусловленных
– Не говоря о процессах старения, являющихся в некотором смысле “философским камнем” мира биотехнологий, есть множество абсолютно приземленных и, простите, “простых” перспектив применения в реальной жизни с её практикой.
В первую очередь здесь, конечно, неоправданно нелюбимые необразованным читателем/зрителем/слушателем “генно-модифицированные организмы”, пресловутый “ГМО”. На самом деле человечество, с того самого мгновения, как оно сменило кочевничество на оседлый образ жизни и начало обрабатывать землю и разводить скот, занималось созданием “генно-модифицированных” культур в сельском хозяйстве. Без этого у нас бы не было урожая в принципе, так как условия биоценоза (то есть устойчивого развития организмов) просто не позволили бы вырастить ни корову, ни пшеницу. И именно поэтому биотехнологии в области растительных культур могут решить множество проблем, от голода и обеспечения продуктами, до улучшения качества жизни всех людей вследствие гармонизации уровней питательности самых разнообразных продуктов растительного происхождения.
Не нужно думать, что биотехнологии сегодня достигли пика собственного развития – такое мнение было бы в корне неверно. Происходит дальнейшая фрагментация “биотехнологий” на емкие направления, занимающиеся собственными прикладными задачами. К примеру, в России была принята “Комплексная программа развития биотехнологий”, в рамках которой планируется создание глобально конкурентноспособного секта биоэкономики и предприятий, работающих в этой области. При этом ожидается, что к 2020 году объем этого сектора составил не менее 1% ВВП, а к 2030 – не менее 3% ВВП Российской Федерации. Это не просто амбициозные планы, это суровая реальность, которой необходимо соответствовать.
На какие отрасли могут оказать влияние биотехнологии в самом ближайшем будущем? Почти на все, ведь мы видим дальнейшую интеграцию различных научных и прикладных областей друг с другом.
Возьмем для примера космическую отрасль, которая уже сегодня активно работает с микроорганизмами, применяя настоящие биотехнологические методы. К примеру, благодаря отправке различных видов микроорганизмов на МКС, мы знаем, что огромное число бактерий устойчиво к жесткому космическому излучению самых разнообразных спектров и волн. Более того, мы обнаружили на Земле микроорганизмы, находящиеся в состоянии анабиоза (грубо говоря: “спячки”), которые вышли из него только будучи облучены космическими лучами. Они микроорганизмы просто не могли образоваться на нашей планете, они были занесены к нам в процессе формирования Солнечной системы с других космических объектов нашей галактики.
Как еще биотехнологии могут повлиять на освоение людьми ближайшего к нам космоса? Представьте себе даже простую исследовательскую экспедицию к другим планетам в пределах нашей локальной группы – например, к Марсу. Помимо психологической устойчивости экипажа такой экспедиции (а полет будет длится минимально год при текущем уровне развития ракетных и других видов двигателей, пригодных для межпланетного сообщения), ей понадобится приличный запас продовольствия и топлива. Даже сейчас на МКС невозможно доставить годовой запас продовольствия для группы из 3-5 космонавтов – это слишком тяжело и потребуется несколько ракет-носителей. Что уж говорить о долгосрочной космической миссии, в рамках которой возможности пополнения запасов “по-дороге” просто не будет.
Поэтому и потребуется наладить бесперебойное выращивание пищи на месте – только такая схема обеспечит безопасность и миссии полета, и колонизации. С этим согласны и ученые “Национальной лаборатории им. Беркли” в США, которые и предлагают, как-раз, прибегнуть к использованию последних достижений в области синтетической биологии. Что это значит?
Исследователи подсчитали, что для экспедиции на Марс продолжительностью примерно около двух с половиной лет, использование современных методов, применяемых в биотехнологиях, позволит в два с половиной раза сократить потребность в горючем топливе и на ⅓ – в продовольствии. В докладе исследователи отметили, что последние разработки на стыке биологии и нанотехнологий также помогут в строительстве жилых модулей. Непосредственно на другой планете, будь то Марс или какая-то другая. Все необходимые для этого материалы можно синтезировать прямо на месте, а строительные блоки получат по технологии многослойной 3D-печати.
Естественно, есть у биотехнологий и многочисленные “противовесы” и сдерживающие факторы, первыми из которых идут социально-этические и религиозные предпосылки. Человек может, фактически, использовать возможности живых организмов для решения самых разнообразных задач в бесконечном цикле, но, на практике, лишь до определенного момента – некоторой черты, переходить которую “нельзя”. В первую очередь это касается полного клонирования живых организмов (вспомним овечку “Долли” и все то, что о ней говорилось). Сегодня это запрещено в большинстве развитых стран, а людям, которые вопреки всему готовы этим заниматься, приходится искать и финансирование, и условия для работы там, где они не нарушают никаких законов – например, в нейтральных водах мирового океана (которые не контролируются национальными законами ни одной страны).
При этом, конечно, никто сегодня не исключает того факта, что в будущем полное клонирование человека станет возможным. Как это простимулирует всю отрасль биотехнологий и какие новые наукоемкие направления работы в ней появятся вслед за этим событием – покажет будущее.
Это что касается общего развития биотехнологий, как большой научной и промышленной отрасли на стыке технологий и биологии. А на какие профессии и сферы занятости влияют широкие “биотехнологии”, как понятия? На самом деле, их множество. Попробуем перечислить лишь наиболее интересные и перспективные.
Это специалист по замещению существующих и формально устаревающих решений в различных отраслях новыми методиками из области биотехнологий (например биотопливо вместо дизельного топлива, или органические строительные материалы вместо цемента, бетона и стали).
Это специалист по планированию, проектированию и созданию технологий замкнутого цикла с участием генетически модифицированных организмов и микроорганизмов (биоректоры, системы производства еды в городских условиях).
Это специалист, занимающийся проектированием городов нового типа, с использованием последних достижений в области биотехнологий, в том числе чистых биологических энергоресурсов и систем контроля загрязнения окружающей среды.
Это специалист по созданию новых лекарственных биопрепаратов с заданными свойствами, которые смогуз аменить искуственно синтезированные лекарства.
Это специалист по обустройству и обслуживанию агропромышленных хозяйств на крышах и стенах небоскребов и жилых домов, то есть в условиях городской застройки. Здесь могут быть как продукты питания, так и разведение домашнего скота.
Это специалист, применяющий свойства и организацию живой природы и живых организмов (в том числе и человека) для создания автоматизированных систем и усовершенствования вычислительной техники. Например, распределенные вычислительные сети на базе микроорганизмов уже сегодня решают специфические задачи, не подвластные компьютерному моделированию.