Генная Терапия – Как Работает, Что Лечит, Плюсы и Минусы Проблемы. Фетальная генная терапия: от теории — к практике Последовательность генной терапии схема

Статья на конкурс «био/мол/текст»: «Миша родился 12 февраля здоровым ребенком. Но в 1,5 месяца я стала замечать, что на всех фотографиях малыш занимает одну и ту же позу, как будто его ножки неподвижны. Уже через несколько недель нам поставили диагноз, посочувствовали и посоветовали начать планировать второго, здорового ребенка ». Из-за роковой комбинации генов Миша, как и остальные дети с этим заболеванием, был вынужден всю свою короткую жизнь бороться за каждое движение. Бороться отчаянно, изо всех сил, но в конце концов проиграть. Спинальная мышечная атрофия (СМА ) относится к числу генетических аномалий, перед которыми человечество пока бессильно. Однако успехи генной терапии, за которыми сегодня наблюдает медицинский мир, могут перевести и СМА, и другие тяжелые наследственные патологии в разряд излечимых. Более того - излечимых еще внутриутробно.

Генеральный спонсор конкурса - компания «Диаэм» : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр .

«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »

Природа ошибается, человек исправляет

Концепция генной терапии элегантна и красива, как все гениальное . Она заключается в доставке с помощью векторных систем здорового генетического материала в клетку с целью заменить им «ошибочные» гены, с которыми сопряжены различные заболевания (рис. 1).

«Биомолекула» уже писала подробно о том, какие возможности открывает генная терапия в лечении рака и наследственных аномалий, в частности, пигментного ретинита .

И если в 80-х годах прошлого века, когда о генной терапии заговорили довольно громко, ее теория многим казалась продолжением сценария ленты «Назад в будущее », то сегодня она стала реальностью, открывающей новые, поистине безбрежные перспективы.

Тем не менее очевидно, что генная терапия имеет ряд ограничений, особенно когда речь идет о наследственных заболеваниях. Прежде всего, патологический процесс в таких случаях может начаться еще внутриутробно. К моменту, когда заболевание, наконец, диагностируют, - а это порой происходит спустя годы после рождения ребенка, - могут развиться необратимые повреждения клеток и органов, что значительно сужает терапевтические возможности или вообще сводит их на нет .

Шанс решить эту проблему появился благодаря современной пренатальной диагностике, которая позволяет обнаружить хромосомные дефекты уже на ранних стадиях беременности. Получив любой фетальный материал с помощью инвазивных методик, можно быстро и достоверно диагностировать генетические заболевания. А в случаях с гемоглобинопатиями необходимость в инвазивных манипуляциях и вовсе отпадает: чтобы их выявить, достаточно исследовать фетальные ДНК, полученные из клеток крови матери .

Современные пренатальные диагностические методики в комбинации с достижениями генной терапии предоставляют уникальную возможность исправить «ошибку» природы и вмешаться в патологический процесс еще до необратимого повреждения клеток. Обеспечить лечение различных заболеваний ребенка в утробе матери или, по крайней мере, сдержать прогрессирование болезни, по всей вероятности, может фетальная генная терапия , или генная терапия плода .

Идея фетальной генной терапии далеко не нова: всего через несколько лет после первой попытки проведения генной терапии у взрослых, в 1994 году исследователи начали всерьез обсуждать применение инновационной методики внутриутробно . Сегодня, когда лечение генетических заболеваний в утробе матери уже практически превратилось из фантастической перспективы в реальность, опубликована масса работ, где подробно изучена фетальная генная терапия и ее преимущества по сравнению с генной терапией взрослых.

Пренатально vs постнатально

Предваряя вопросы о целесообразности внутриутробной коррекции генетической аномалии, сразу же остановимся на преимуществах генной терапии плода по сравнению с постнатальной генной терапией.

Широкие возможности воздействия на органы и системы

Известно, что при многих генетических заболеваниях (к примеру, буллезном эпидермолизе или кистозном фиброзе) бывает довольно сложно повлиять на основные звенья патологического процесса практически сразу после рождения. Коррекция же мутантных генов у развивающегося плода позволяет быстро увеличить популяцию стволовых клеток, обеспечив большой пул трансфицированных клеток и, как следствие, выраженный терапевтический эффект.

Упрощенное производство клинического вектора, переносящего генетический материал

Дозировка вирусного вектора, с помощью которого переносят генетический материал, зависит от массы тела. Благодаря малому размеру плода удается достигнуть гораздо более высокого биораспределения вектора при той же его дозировке, что в ходе генной терапии взрослого. Это позволяет сэкономить и время, и средства. Представить, насколько существенна экономия, помогают простые сравнительные данные: так, плод в 14–16 недель беременности (оптимальный срок индуцирования вектора) весит около 100 г, в то время как средняя масса тела взрослого составляет около 60 кг.

Повышение эффективности терапии за счет неполноценного иммунного ответа

Ряд исследований продемонстрировал, что гуморальный иммунитет к аденовирусам и аденоассоциированным вирусам (AAV) (рис. 2) определенных серотипов, которые обычно используются в качестве векторов, может приводить к неудаче при экспрессии трансгена . Это может стать одним из критических барьеров для успешной трансплантации.

В группу риска попадают около 50% взрослых, имеющих приобретенный иммунный ответ к этим вирусным векторам . Но даже при отсутствии чувствительности введение вектора у взрослых нередко приводит к развитию иммунного ответа, снижающего длительность и уровень трансгенной экспрессии. Так, после внутримышечной инъекции аденовирусного вектора с геном белка дистрофина взрослым мышам с миодистрофией Дюшенна образуются антитела к дистрофину , что сопряжено со значительным снижением эффективности экспрессии. В то же время плод в утробе матери иммунологически незрел, что позволяет доставлять вирусный вектор и трансгенный продукт без ограничения, которое накладывает иммунный ответ .

Очевидные преимущества фетальной терапии по сравнению с постнатальной коррекцией обеспечивают ее более высокую эффективность и целесообразность, особенно при тяжелых, опасных для жизни заболеваниях. Даже в случаях, когда полного излечения достигнуть невозможно, фетальная генная терапия может влиять на патологические звенья заболевания, облегчая его течение и улучшая прогноз. А, следовательно, именно она может стать единственной терапевтической альтернативой прекращению беременности для тысяч семей. Тем более что число заболеваний, которые потенциально могут оказаться под контролем при внедрении генной терапии плода в клиническую практику, поистине огромно.

Перспективы и возможности

Генная терапия плода, предположительно, способна взять под контроль множество опасных патологий. Лишь малая их толика представлена в таблице 1.

Кроме того, к числу патологий, которые, предположительно, могут поддаваться контролю с помощью фетальной терапии, относятся :

• Иммунодефицитные расстройства - синдром «голых» лимфоцитов , гипоплазия хряща, синдром Чедиака-Хигаши , хроническая гранулематозная болезнь , синдром Костмана , дефицит адгезии лейкоцитов, синдром Оменна , синдром Вискотта-Олдрича .
• Гемоглобинопатии - резус-болезнь, врожденная эритропоэтическая порфирия.
• Заболевания, сопряженные с дефицитом активности ферментов , - болезнь Гоше, болезнь Краббе , метахроматическая лейкодистрофия , мукополисахаридозы , болезнь Волмана , болезнь Ниманна-Пика .
• Другие - конгенитальный дискератоз , семейный гемафагоцитический лимфогистиоцистоз , инфантильный остеопетроз , синдром Швахмана-Даймонда и др.

Список заболеваний, которые могут оказаться «по плечу» фетальной генной терапии, поражает воображение: предположительно, эта методика позволит вмешаться в ранее неподвластные человеку патологические процессы, обусловленные моногенными заболеваниями. Их количество, по данным Всемирной организации здравоохранения, достигает десяти тысяч . Тем не менее важно учитывать существование ряда ограничений, и в первую очередь рисков для матери и плода, сопряженных с проведением внутриутробной генной терапии.

Страхи и риски

Специфические риски пренатального переноса генов кардинально отличаются от рисков постнатальной генной терапии. Они включают краткосрочные неблагоприятные реакции и долгосрочные постнатальные эффекты. Их актуальность обостряется в связи с тем, что гипотетически экспрессия генов плода может оказывать непредсказуемое действие как на пренатальное, так и на постнатальное развитие .

Прежде всего, непосредственно сама процедура переноса связана с увеличением вероятности выкидыша, хориоамнионита и преждевременных родов. В исследованиях зафиксированы воспалительные реакции на вектор, в частности, инфильтрация печени и некроз печени при фетальной генной терапии овец .

Успех фетальной генной терапии может быть нейтрализован иммунным ответом плода, и это несет определенные риски для конечного результата. Гуморальный и клеточный ответы на введение вектора или трансгенного белка при посредстве трансдукторных систем клеток может элиминировать продукты переноса или нивелировать трансгенную экспрессию. При этом в исследованиях продемонстрирована зависимость силы иммунного ответа от срока гестации. Значительные иммунные реакции на введение лентивирусного вектора на ранних и средних сроках беременности зарегистрированы не были, тогда как при введении аденовирусного вектора на поздних сроках наблюдался мощный гуморальный ответ против капсидного антигена .

Одна из чрезвычайно важных проблем фетальной генной терапии заключается в потенциальном риске, который возникает при передаче плоду донорских последовательностей ДНК. Поскольку векторная интеграция в зародышевые клетки, по всей вероятности, будет носить случайный характер, она теоретически может иметь катастрофические последствия для плода. По сути, ребенок, получивший внутриутробно донорский генетический материал, рождается мутантом. Этическая составляющая генной терапии тревожит умы ученых и богословов. Последние еще со времен рождения самой известной в истории науки овечки предупреждают об опасностях, которые несет человечеству вмешательство в замысел божий.

Еще один важный аспект обусловлен вероятностью мутагенеза в клетках плода, приводящего к дефекту какого-либо функционального гена, что в конечном счете может стать причиной теперь уже нового, приобретенного генетического заболевания или злокачественной опухоли. Ее вероятность выглядит еще более реальной с учетом данных исследования на мышах, в ходе которого экспрессия генов у зародышей мышей дала толчок развитию опухоли печени .

В этом контексте могут оказаться далеко не случайными результаты двух исследований, продемонстрировавших развитие серьезных побочных эффектов после успешной генной терапии Х-сцепленного комбинированного иммунодефицита: в первом случае была зафиксирована манифестация моноклонального лимфопролиферативного заболевания, а во втором - альфа/бета Т-клеточной пролиферации. И в первом, и во втором случаях ретровирусный вектор интегрировался в непосредственной близости от гена LMO2 в пролиферирующих Т-клетках .

Теоретически генная терапия ex vivo может быть более безопасной по сравнению с in vivo фетальным введением вектора. Хотя это и не исключает вероятность мутагенеза в клетках, которые ретровирально трансдуцируются in vitro , введение мутагена можно легче определять и контролировать. Тем не менее полностью исключить эти осложнения, увы, нельзя.

И, наконец, фетальная генная терапия повышает восприимчивость клеток зародыша к трансдукции . Низкоуровневая ретровирусная трансдукция в предшественники зародышевых клеток наблюдалась в мужских и женских гонадах после внутрибрюшинного введения вектора эмбрионам овец и обезьян соответственно . Анализ факторов, приводящих к непреднамеренной трансдукции, показал, что восприимчивость зародышевой ткани к ней зависит от гестационного возраста с более высокими показателями трансдукции на ранней стадии беременности .

С точки зрения потенциальных рисков очевидно, что фетальная генная терапия может быть обоснованным методом лечения только тяжелых генетических заболеваний, других вариантов коррекции которых не существует. И среди них, безусловно, болезнь Гоше, возможность внутриутробной генной терапии которой продемонстрировали в исследовании, опубликованном совсем недавно.

Первый пошел: болезнь Гоше

В июле 2018 года журнал Nature Medicine опубликовал результаты исследования на мышах, проведенного под руководством Симона Уоддингтона (Simon Waddington ) из лондонского Института женского здоровья. Результаты работы продемонстрировали эффективность фетальной генной терапии в лечении нейродегенеративных заболеваний и, в частности, болезни Гоше . Это самая частая форма среди редких наследственных ферментопатий, в основе которой лежит дефицит активности лизосомного фермента глюкозоцереброзидазы (рис. 3), обусловленный мутациями в гене глюкозилцерамидазы . В зависимости от характера мутаций, может развиваться тяжелая нейропатическая форма заболевания, манифестирующая с младенчества, или форма с более постепенным началом и менее выраженными симптомами. В то время как более легкие формы болезни Гоше хорошо поддаются заместительной терапии, тяжелая форма пока остается летальной. Признаки неизлечимой формы болезни Гоше появляются в первые месяцы жизни и включают прогрессирующую мышечную гипотонию, задержку и регресс психомоторного развития и другие неврологические признаки.

В ходе исследования Уоддингтон с соавторами продемонстрировал, что интракраниальное введение аденоассоциированного вирусного вектора 9 (AAV9) эмбриону мышей на 16 день гестации приводило к повышению экспрессии глюкозоцереброзидазы, что останавливало нейродегенерацию. При этом активность фермента в головном мозге была сравнима с таковой у здоровых мышей. Несмотря на то, что у больных грызунов все же диагностировался воспалительный процесс в головном мозге, они развивались достоверно лучше, чем мыши из группы контроля, которых пришлось усыпить через две недели после лечения из-за тяжести заболевания.

Мыши, подвергшиеся фетальной генной терапии, жили, по крайней мере, 18 недель, были фертильными и мобильными. Интересно, что введение вектора постнатально также облегчало течение заболевания, однако было менее эффективным, чем пренатальная экспрессия.

Поскольку AAV9 был способен проникать в мозг из кровотока, команда Уоддингтона провела еще один эксперимент, в ходе которого ввели значительно более высокую дозу вектора не в головной мозг, а непосредственно в кровь зародышей мышей. Мыши после экспрессии были в основном неотличимы от здоровых особей, но, поскольку по условиям эксперимента продолжительность их жизни составила только 55 дней, ученые не смогли сделать выводы о долгосрочной эффективности внутривенной генной терапии.

Эксперимент Уоддингтона стал самой сложной на сегодня работой, в ходе которой была проведена фетальная генная терапия у животных. Сегодня команда работает с корпорацией Apollo Therapeutics , объединившей усилия трех британских университетов и трех крупнейших фармацевтических компаний. Уоддингтон с коллегами преследуют новую цель: на сей раз перед ними стоит задача получить доклинические данные и потенциально протестировать лечение людей. И пока скептики размышляют над кругом возможностей применения фетальной генной терапии у человека, который может значительно сужаться из-за того, что болезнь Гоше не входит в пренатальные тесты, команда Уоддингтона уверенной поступью шагает в будущее. Будущее, где смогут выздоравливать дети с болезнью Гоше, миодистрофией Дюшенна, СМА и многими другими редкими, но сегодня, увы, неизлечимыми заболеваниями.

Литература

1. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники ;
Immune responses to gene therapy vectors: influence on vector function and effector mechanisms . Gene Ther . 11 , S10-S17;
2. Soyoung C. Gilchrist, Martin P. Ontell, Stefan Kochanek, Paula R. Clemens. (2002). Immune Response to Full-Length Dystrophin Delivered to Dmd Muscle by a High-Capacity Adenoviral Vector . Molecular Therapy . 6 , 359-368;
3. Heather A. Hartman, Avery C. Rossidis, William H. Peranteau. (2018). In Utero Gene Therapy and Genome Editing . Curr Stem Cell Rep . 4 , 52-60;
4. Anna L. David, Donald Peebles. (2008). . Best Practice & Research Clinical Obstetrics & Gynaecology . 22 , 203-218;
5. Сводка с генотерапевтических фронтов. Новая стратегия нейтрализации гемофилии ;
6. Charles Coutelle. (2008). Why Bother?: Is In Utero Gene Therapy Worth the Effort? . Molecular Therapy . 16 , 219-220;
7. Mike Themis, Simon N. Waddington, Manfred Schmidt, Christof von Kalle, Yoahe Wang, et. al.. (2005). Oncogenesis Following Delivery of a Nonprimate Lentiviral Gene Therapy Vector to Fetal and Neonatal Mice . Molecular Therapy . 12 , 763-771;
8. European Society of Gene Therapy (ESGT) Press release, Bernd Gansbacher. (2003). Report of a second serious adverse event in a clinical trial of gene therapy for X-linked severe combined immune deficiency (X-SCID) . J. Gene Med. . 5 , 261-262;
9. Giulia Massaro, Citra N. Z. Mattar, Andrew M. S. Wong, Ernestas Sirka, Suzanne M. K. Buckley, et. al.. (2018). Fetal gene therapy for neurodegenerative disease of infants . Nat Med . 24 , 1317-1323.

Введение

С каждым годом в научных журналах появляется всё больше статей о медицинских клинических исследованиях, в которых, так или иначе, применялось лечение, основанное на введении различных генов - генная терапия. Это направление выросло из таких хорошо развивающихся разделов биологии, как молекулярная генетика и биотехнология.

Зачастую, когда обычные (консервативные) методы уже перепробованы, именно генная терапия может помочь пациентам выжить и даже полностью выздороветь. Например, это касается наследственных моногенных заболеваний, то есть таких, которые вызваны дефектом в одном-единственном гене, а также и многих других . Или, к примеру, генная терапия может выручить и спасти конечность тем больным, у которых сужен просвет сосудов в нижних конечностях и вследствие этого развилась стойкая ишемия окружающих тканей, то есть эти ткани испытывают сильный недостаток питательных веществ и кислорода, которые в норме разносятся кровью по организму . Хирургическими манипуляциями и лекарствами таких пациентов лечить зачастую не получается, зато если локально заставить клетки выбрасывать наружу больше белковых факторов, которые повлияли бы на процесс образования и прорастания новых сосудов, то ишемия стала бы гораздо менее выраженной и жить больным станет гораздо легче.

Генную терапию сегодня можно определить как лечение заболеваний путем введения генов в клетки пациентов с целью направленного изменения генных дефектов или придания клеткам новых функций. Первые клинические испытания методов генной терапии были предприняты совсем недавно - 22 мая 1989 года в целях диагностики рака. Первым наследственным заболеванием, в отношении которого были применены методы генной терапии, оказался наследственный иммуннодефицит .

С каждым годом число успешно проведенных клинических испытаний лечения различных заболеваний с использованием генной терапии растёт, и к январю 2014 г. достигло 2 тысяч .

Вместе с тем и в современных исследованиях по генной терапии необходимо учитывать, что последствия манипулирования генами или «перетасованными» (рекомбинантными) ДНК in vivo (лат. буквально "в живом") изучены недостаточно. В странах с наиболее продвинутым уровнем исследований в этой области, особенно в США, медицинские протоколы с использованием смысловых последовательностей ДНК подвергаются обязательной экспертизе в соответствующих комитетах и комиссиях. В США таковыми являются Консультативный комитет по рекомбинантным ДНК (Recombinant DNA Advisory Committee, RAC) и Управление по лекарствам и пищевым продуктам (Food and Drug Administration, FDA) с последующим обязательным утверждением проекта директором Национальных институтов здоровья (National Institutes of Health) .

Итак, мы определились, что данное лечение основано на том, что если какие-то ткани организма испытывают недостаток некоторых отдельных белковых факторов, то это можно исправить введением в эти ткани соответствующих генов, кодирующих белки, и всё станет более или менее замечательно. Сами белки вводить не получится, потому что наш организм тут же среагирует неслабой иммунной реакцией, да и длительность действия была бы недостаточной. Теперь следует определиться с методом доставки гена в клетки.

Трансфекция клеток

Для начала стоит ввести определения некоторых терминов.

Транспорт генов осуществляется благодаря вектору - это молекула ДНК, используемая как «транспортное средство» для искусственного переноса генетической информации в клетку. Выделяют множество разновидностей векторов: плазмидные, вирусные, а также космиды, фазмиды, искусственные хромосомы и т.д. Принципиально важно, что векторы (в частности, плазмидные) обладают характерными для них свойствами:

1. Точка начала репликации (ori) - последовательность нуклеотидов, с которой начинается удвоение ДНК. Если векторная ДНК не сможет удваиваться (реплицироваться), то необходимый лечебный эффект не будет достигнут, потому что она просто быстро расщепится внутриклеточными ферментами-нуклеазами, а из-за недостатка матриц будет в итоге образовано гораздо меньше молекул белка. Следует отметить, что эти точки специфичны для каждого биологического вида, то есть если векторную ДНК предполагается получать путём её размножения в культуре бактерий (а не просто химическим синтезом, что обычно гораздо дороже), то потребуются отдельно две точки начала репликации - для человека и для бактерий;

2. Сайты рестрикции - специфические короткие последовательности (чаще палиндромные), которые узнаются специальными ферментами (эндонуклеазы рестрикции) и разрезаются ими определённым образом - с образованием «липких концов» (рис.1).

Рис.1 Образование "липких концов" с участием рестриктаз

Эти сайты необходимы для того, чтобы сшить векторную ДНК (которая, по сути, является «болванкой») с нужными терапевтическими генами в единую молекулу. Такая сшитая из двух или нескольких частей молекула зовётся «рекомбинантной»;

3. Понятно, что нам желательно бы получить миллионы копий рекомбинантной молекулы ДНК. Опять-таки, если мы имеем дело с культурой клеток бактерий, то далее эту ДНК нужно выделить. Проблема заключается в том, что далеко не все бактерии проглотят нужную нам молекулу, некоторые не станут этого делать. Чтобы эти две группы всё-таки различить, в векторную ДНК вставляют селективные маркёры - участки устойчивости к определённым химическим веществам; теперь если в среду добавить эти самые вещества, то выживут только те, которые обладают устойчивостью к ним, а остальные погибнут.

Все эти три составляющие можно наблюдать и в самой первой искусственно синтезированной плазмиде (рис.2).

Рис.2

Сам процесс внедрения плазмидного вектора в определённые клетки называется трансфекцией . Плазмида - это довольно короткая и обычно кольцевая молекула ДНК, которая находится в цитоплазме бактериальной клетки. Плазмиды не связаны с бактериальной хромосомой, они могут реплицироваться независимо от нее, могут выбрасываться бактерией в окружающую среду или, наоборот, поглощаться (процесс поглощения - трансформация ). С помощью плазмид бактерии могут обмениваться генетической информацией, например, передавать устойчивость к определённым антибиотикам.

Плазмиды существуют в бактериях в естественных условиях. Но никто не может помешать исследователю искусственно синтезировать плазмиду, которая будет обладать нужными для него свойствами, вшить в нее ген-вставку и внедрить в клетку. В одну и ту же плазмиду можно вшивать разные вставки .

Методы генной терапии

Существует два основных подхода, различающиеся природой клеток-мишеней:

1. Фетальная, при которой чужеродную ДНК вводят в зиготу (оплодотворённую яйцеклетку) или эмбрион на ранней стадии развития; при этом ожидается, что введённый материал попадёт во все клетки реципиента (и даже в половые клетки, обеспечив тем самым передачу следующему поколению). В нашей стране она фактически запрещена ;

2. Соматическая, при которой генетический материал вводят уже родившемуся в неполовые клетки и он не передаётся половым клеткам.

Генная терапия in vivo основана на прямом введении клонированных (размноженных) и определенным образом упакованных последовательностей ДНК в определённые ткани больного. Особенно перспективным для лечения генных болезней in vivo представляется введение генов с помощью аэрозольных или инъецируемых вакцин. Аэрозольная генотерапия разрабатывается, как правило, для лечения лёгочных заболеваний (муковисцидоз, рак легких).

Разработке программы генной терапии предшествует много этапов. Это и тщательный анализ тканеспецифической экспрессии соответствующего гена (т. е., синтеза на матрице гена какого-то белка в определённой ткани), и идентификация первичного биохимического дефекта, и исследование структуры, функции и внутриклеточного распределения его белкового продукта, а также биохимический анализ патологического процесса. Все эти данные учитываются при составлении соответствующего медицинского протокола.

Важно, что при составлении схем коррекции генов оценивается эффективность трансфекции, степень исправления первичного биохимического дефекта в условиях клеточных культур (in vitro, "в пробирке") и, что особенно важно, in vivo на животных - биологических моделях. Только после этого можно приступать к программе клинических испытаний .

Прямая доставка и клеточные носители терапевтических генов

Существует множество методов внедрения чужеродной ДНК в эукариотическую клетку: некоторые зависят от физической обработки (электропорация, магнетофекция и т.д.), другие - от применения химических материалов или биологических частиц (например, вирусов), которые используются как переносчики. Сразу стоит оговориться, что обычно комбинируются химические и физические методы (например, электропорация + окутывание ДНК липосомами)

Прямые методы

1. Трансфекция на химической основе может быть классифицирована на несколько видов: с использованием вещества циклодекстрина, полимеров, липосом или наночастиц (с или без химической или вирусной функционализации, т.е. модификации поверхности).
а) Один из самых дешевых методов - использование фосфата кальция. Он повышает эффективность включения ДНК в клетки в 10-100 раз. ДНК образует с кальцием прочный комплекс, что обеспечивает его эффективное поглощение. Недостаток - ядра достигает всего около 1 - 10% ДНК. Метод используется in vitro для переноса ДНК в клетки человека (рис.3);

Рис.3

б) Применение сильноразветвленных органических молекул - дендример, для связывания ДНК и переноса её в клетку (рис.4);

Рис.4

в) Очень эффективным методом для трансфекции ДНК является внедрение её через липосомы - малые, окруженные мембраной тельца, которые могут сливаться с клеточной цитоплазматической мембраной (ЦПМ), представляющая собой двойной слой из липидов. Для эукариотических клеток трансфекция производится эффективнее с применением катионных липосом, потому что клетки к ним более чувствительны. Процесс имеет своё название - липофекция. Этот метод сегодня считается одним из самых безопасных. Липосомы нетоксичны и неиммуногенны. Однако, эффективность переноса генов с помощью липосом ограничена, поскольку внесенная ими ДНК в клетках обычно сразу же захватывается лизосомами и разрушается. Введение ДНК в клетки человека с помощью липосом сегодня является главным при терапии in vivo (рис.5);

Рис.5

г) Еще один метод - использование катионных полимеров, таких как диэтиламиноэтил-декстран или полиэтиленимин. Отрицательно заряженные молекулы ДНК связываются с положительно заряженными поликатионами, и этот комплекс далее проникает в клетку путём эндоцитоза. ДЭАЭ-декстран изменяет физические свойства плазматической мембраны и стимулирует поглощение этого комплекса клеткой. Главный недостаток метода заключается в том, что ДЭАЭ-декстран в высоких концентрациях токсичен. Метод не получил распространения в генотерапии;

д) С помощью гистонов и других ядерных белков. Эти белки, содержащие много положительно заряженных аминокислот (Lys, Arg), в естественных условиях помогают компактно уложить длинную цепь ДНК в сравнительно небольшое ядро клетки.

2. Физические методы:

а) Электропорация - очень популярный метод; мгновенное повышение проницаемости мембраны достигается за счет того, что клетки подвергаются коротким воздействиям интенсивного электрического поля. Показано, что в оптимальных условиях количество трансформантов может достигать 80% выживших клеток. На человеке на сегодняшний день не используется (рис.6).

Рис.6

б) «Cell squeezing» - метод, изобретенный в 2013 г. Он позволяет доставить молекулы в клетки путём "мягкого сдавливания" клеточной мембраны. Метод исключает возможность токсичности или неправильного попадания по мишени, так как он не зависит от внешних материалов или электрических полей;

в) Сонопорация - метод искусственного переноса чужеродных ДНК в клетки с помощью воздействия на них ультразвуком, вызывающим открывание пор в клеточной мембране;
г) Оптическая трансфекция - метод, при котором производится крошечное отверстие в мембране (около 1 мкм в диаметре) при использовании сильносфокусированного лазера;
д) Гидродинамическая трансфекция - метод доставки генетических конструкций, белков и т.д. путем контролируемого повышения давления в капиллярах и межклеточной жидкости, что вызывает кратковременное повышение проницаемости клеточных мембран и образование в них временных пор. Осуществляется быстрой инъекцией в ткань, доставка при этом является неспецифичной. Эффективность доставки для скелетной мышцы - от 22 до 60% ;

е) Микроинъекция ДНК - введение в ядро клетки животных с помощью тонких стеклянных микротрубочек (d=0,1-0,5 мкм). Недостаток - сложность метода, высока вероятность разрушения ядра либо ДНК; можно трансформировать ограниченное число клеток. Не используется для человека.

3. Методы на основе частиц.

а) Прямой подход к трансфекции - генная пушка, при этом ДНК сцепляют в наночастицу с инертными твердыми веществами (чаще золото, вольфрам), которая затем «выстреливает» направленно в ядра клеток-мишеней. Этот метод применяется in vitro и in vivo для введения генов, в частности, в клетки мышечных тканей, например при таком заболевании, как миодистрофия Дюшена. Размеры частиц золота - 1-3 мкм (рис.7).

Рис.7

б) Магнитофекция - метод, использующий силы магнетизма для доставки ДНК в клетки-мишени. Сначала нуклеиновые кислоты (НК) ассоциируются с магнитными наночастицами, а далее, под действием магнитного поля, частицы загоняются в клетку. Эффективность почти 100%-ная, отмечена явная нетоксичность. Уже через 10-15 мин частицы регистрируются в клетке - это гораздо быстрее других методик.
в) Импалефекция (impalefection; "impalement", букв. "сажание на кол" + "infection") - метод доставки с применением наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки и нановолокна. При этом клетки буквально протыкаются подстилкой из нанофибрилл . Приставка «нано» применяется для обозначения их очень маленьких размеров (в пределах миллиардных долей метра) (рис.8).

Рис.8

Отдельно стоит выделить такой метод, как РНК-трансфекция: в клетку доставляется не ДНК, а молекулы РНК - их «преёмники» в цепи биосинтеза белка; при этом активизируются специальные белки, разрезающие РНК на короткие фрагменты -- т.н. малые интерферирующих РНК (миРНК). Эти фрагменты связываются с другими белками и, в конце концов, это приводит к угнетению экспрессии клеткой соответствующих генов. Таким образом можно заблокировать в клетке действие тех генов, которые потенциально на данный момент приносят больше вреда, чем пользы. Широкое применение РНК-трансфекция нашла, в частности, в онкологии.

Основные принципы доставки генов с использованием плазмидных векторов рассмотрены. Теперь можно перейти к рассмотрению вирусных методов. Вирусы - это неклеточные формы жизни, чаще всего представляющие собой молекулу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), обёрнутой в белковую оболочку. Если вырезать из генетического материала вируса все те последовательности, которые вызывают возникновение заболеваний, то весь вирус также можно успешно превратить в «транспортное средство» для нашего гена.

Процесс внедрения ДНК в клетку, опосредованное вирусом, называется трансдукцией .
На практике чаще всего используют ретровирусы, аденовирусы и аденоассоциированные вирусы (AAV). Для начала стоит разобраться, каким должен быть идеальный кандидат для трансдукции среди вирусов. Критерии таковы, что он должен быть:

Стабилен;
. ёмок, то есть вмещать достаточное количество ДНК;
. инертным в отношении метаболических путей клетки;
. точным - в идеале, должен встраивать свой геном в конкретный локус генома ядра хозяина и др.

В реальной жизни очень сложно скомбинировать хотя бы несколько пунктов, так что обычно выбор происходит при рассмотрении каждого индивидуального случая в отдельности (рис.9).

Рис.9

Из всех трёх перечисленных наиболее используемых вирусов самыми безопасными и одновременно самыми точными являются AAV. Их почти что единственный недостаток - сравнительно малая ёмкость (ок. 4800 п.н.), которая, однако, оказывается достаточной для многих генов .

Помимо перечисленных методов достаточно часто генная терапия применяется в комбинации с клеточной: при этом сначала в питательную среду высаживают культуру определённых клеток человека, после этого тем или иным способом внедряют в клетки нужные гены, некоторое время культивируют и снова пересаживают в организм хозяина. В результате клеткам можно вернуть их нормальные свойства. Так, к примеру, модифицировали белые клетки крови человека (лейкоциты) при лейкемии (рис.10).

Рис.10

Судьба гена после его попадания в клетку

Так как с вирусными векторами всё более-менее ясно в силу их свойства более эффективно доставлять гены до конечной цели - ядра, то остановимся на судьбе плазмидного вектора.

На данном этапе мы добились того, что ДНК прошла первый большой барьер - цитоплазматическую мембрану клетки.

Далее, в комплексе с другими веществами, оболочкой или без, ей необходимо достигнуть клеточного ядра, чтобы специальный фермент - РНК-полимераза - синтезировала молекулу информационной РНК (иРНК) на матрице ДНК (этот процесс называется транскрипция ). Только после этого иРНК выйдет в цитоплазму, образует комплекс с рибосомами и согласно генетическому коду синтезируется полипептид - например, фактор роста сосудов (VEGF), который начнёт выполнять определённую терапевтическую функцию (в данном случае - запустит процесс образования ветвлений сосудов в ткани, подверженной ишемии).

Что касается экспрессии введенных генов в требуемом типе клеток, то эта задача решается с помощью регуляторных элементов транскрипции. Ткань, в которой происходит экспрессия, часто определяется комбинацией специфичного для этой ткани энхансера («усиливающей» последовательности) с определенным промотором (последовательность нуклеотидов, с которой РНК-полимераза начинает синтез), который может быть индуцируемым . Известно, что активность генов можно модулировать in vivo внешними сигналами, а так как энхансеры могут работать с любым геном, то в вектора можно вводить еще инсуляторы, которые помогают энхансеру работать независимо от его положения и могут вести себя как функциональные барьеры между генами. Каждый энхансер содержит набор участков связывания активирующих или супрессирующих белковых факторов . С помощью промоторов можно также регулировать уровень экспрессии генов. Например, есть металлотионеиновые или температурочувствительные промоторы; промоторы, управляемые гормонами.

Экспрессия гена зависит от его положения в геноме. В большинстве случаев существующие вирусные методы приводят лишь к случайному встраиванию гена в геном. Чтобы исключить такую зависимость, при конструировании векторов снабжают ген известными нуклеотидными последовательностями, которые позволяют гену экспрессироваться независимо от места его встраивания в геном.

Наиболее простой путь регуляции экспрессии трансгена - это обеспечение его индикаторным промотором, который чувствителен к физиологическому сигналу, такому, как выделение глюкозы или гипоксия. Такие «эндогенные» контролирующие системы могут быть полезны в некоторых ситуациях, таких, как осуществление глюкозозависимого контроля продукции инсулина. Более надежны и универсальны «экзогенные» системы контроля, когда экспрессия гена контролируется фармакологически введением маленькой лекарственной молекулы. В настоящее время известны 4 основные системы контроля - регулируемые тетрациклином (Tet), стероидом насекомых, экдизоном или его аналогами, антипрогестиновым препаратом майфпристоном (RU486) и химическими димеризаторами, такими, как рапамицин и его аналоги. Все они включают лекарственно зависимое привлечение домена активации транскрипции к основному промотору, ведущему нужный ген, но отличаются по механизмам этого привлечения .

Заключение

Обзор данных позволяет прийти к заключению, что, несмотря на усилия многих лабораторий мира, все уже известные и испытанные in vivo и in vitro векторные системы далеки от совершенства . Если проблема доставки чужеродной ДНК in vitro практически решена, а ее доставка в клетки-мишени разных тканей in vivo успешно решается (главным образом путем создания конструкций, несущих рецепторные белки, в том числе и антигены, специфичные для тех или иных тканей), то другие характеристики существующих векторных систем - стабильность интеграции, регулируемая экспрессия, безопасность - все еще нуждаются в серьезных доработках.

Прежде всего, это касается стабильности интеграции. До настоящего времени интеграция в геном достигалась только при использовании ретровирусных либо аденоассоциированных векторов. Повысить эффективность стабильной интеграции можно путем совершенствования генных конструкций типа рецептор-опосредованных систем либо путем создания достаточно стабильных эписомных векторов (то есть ДНК-структур, способных к длительному пребыванию внутри ядер). В последнее время особое внимание уделяется созданию векторов на базе искусственных хромосом млекопитающих. Благодаря наличию основных структурных элементов обычных хромосом такие мини-хромосомы длительно удерживаются в клетках и способны нести полноразмерные (геномные) гены и их естественные регуляторные элементы, которые необходимы для правильной работы гена, в нужной ткани и в должное время.

Генная и клеточная терапия открывает блестящие перспективы для восстановления утраченных клеток и тканей и генно-инженерного конструирования органов, что, несомненно, существенно расширит арсенал методов для медико-биологических исследований и создаст новые возможности для сохранения и продления жизни человека .

Миодистрофия Дюшенна — одно из нечасто встречающихся, но все же относительно распространенных генетических заболеваний. Болезнь диагностируется в трех-пятилетнем возрасте, обычно у мальчиков, проявляясь поначалу лишь в затрудненных движениях, к десяти годам страдающий такой миодистрофией уже не может ходить, к 20−22 годам его жизнь заканчивается. Она вызвана мутацией гена дистрофина, который находится в Х-хромосоме. Он кодирует белок, соединяющий мембрану мышечной клетки с сократительными волокнами. Функционально это своеобразная пружина, обеспечивающая плавное сокращение и целостность клеточной мембраны. Мутации в гене приводят к дистрофии скелетных мышечных тканей, диафрагмы и сердца. Лечение заболевания носит паллиативный характер и позволяет лишь немного облегчить страдания. Однако с развитием генной инженерии появился свет в конце тоннеля.

О войне и мире

Генная терапия — это доставка внутрь клетки конструкций на основе нуклеиновых кислот для лечения генетических заболеваний. С помощью такой терапии можно исправить генетическую проблему на уровне ДНК и РНК, меняя процесс экспрессии нужного белка. Например, в клетку можно доставить ДНК с исправленной последовательностью, с которой синтезируется функциональный белок. Или, напротив, возможны удаления определенных генетических последовательностей, что также поможет уменьшить вредные последствия мутации. В теории это просто, однако на практике генная терапия базируется на сложнейших технологиях работы с объектами микромира и представляет собой совокупность передовых ноу-хау в области молекулярной биологии.

Инъекция ДНК в пронуклеус зиготы — одна из самых ранних и наиболее традиционных технологий создания трансгенов. Инъекция производится вручную с помощью сверхтонких игл под микроскопом с 400-кратным увеличением.

«Ген дистрофина, мутации которого порождают миодистрофию Дюшенна, огромный, — рассказывает директор по развитию биотехнологической компании «Марлин Биотех», кандидат биологических наук Вадим Жерновков. — Он включает в себя 2,5 млн пар нуклеотидов, что можно было бы сравнить с количеством букв в романе «Война и мир». И вот представим себе, что мы вырвали из эпопеи несколько каких-то важных страниц. Если на этих страницах описываются существенные события, то понимание книги было бы уже затруднено. Но с геном все сложнее. Найти другую копию «Войны и мира» несложно, и тогда недостающие страницы можно было бы прочитать. Но ген дистрофина находится в X-хромосоме, а у мужчин она одна. Таким образом, в половых хромосомах у мальчиков при рождении хранится лишь одна копия гена. Другую взять негде.

Наконец, при синтезе белка из РНК важно сохранение рамки считывания. Рамка считывания определяет, какая группа из трех нуклеотидов считывается как кодон, что соответствует одной аминокислоте в белке. Если произошло удаление в гене фрагмента ДНК, не кратное трем нуклеотидам, происходит сдвиг рамки считывания — кодировка изменяется. Это можно было бы сравнить с ситуацией, когда после вырванных страниц во всей оставшейся книге все буквы заменятся на следующие по алфавиту. Получится абракадабра. Вот то же самое происходит с неправильно синтезируемым белком».

Биомолекулярный пластырь

Один из эффективных методов генной терапии для восстановления нормального синтеза белка — пропуск экзонов с помощью коротких нуклеотидных последовательностей. В «Марлин Биотех» уже отработана технология работы с геном дистрофина с помощью такого метода. Как известно, в процессе транскрипции (синтеза РНК) сначала формируется так называемая прематричная РНК, заключающая в себе как кодирующие белок участки (экзоны), так и некодирующие (интроны). Далее начинается процесс сплайсинга, в ходе которого интроны и экзоны разъединяются и формируется «зрелая» РНК, состоящая только из экзонов. В этот момент некоторые экзоны можно заблокировать, «залепить» с помощью особых молекул. В итоге в зрелой РНК не окажется тех кодирующих участков, от которых мы предпочли бы избавиться, и таким образом восстановится рамка считывания, белок будет синтезироваться.

«Эту технологию мы отладили in vitro, — рассказывает Вадим Жерновков, то есть на клеточных культурах, выращенных из клеток пациентов с миодистрофией Дюшенна. Но отдельные клетки — это не организм. Вторгаясь в процессы клетки, мы должны наблюдать последствия вживую, однако привлечь к испытаниям людей не представляется возможным по разным причинам — от этических до организационных. Поэтому возникла необходимость получения модели миодистрофии Дюшенна с определенными мутациями на основе лабораторного животного».

Как уколоть микромир

Трансгенные животные — это полученные в лаборатории животные, в геном которых целенаправленно, осознанно внесены изменения. Еще в 70-е годы прошлого века стало понятно, что создание трансгенов — это важнейший метод исследования функций генов и белков. Одним из самых ранних методов получения полностью генно-модифицированного организма стала инъекция ДНК в пронуклеус («предшественник ядра») зигот оплодотворенных яйцеклеток. Это логично, так как модифицировать геном животного проще всего в самом начале его развития.

На схеме продемонстрирован процесс CRISPR/Cas9, в котором участвуют субгеномная РНК (sgRNA), ее участок, работающий как РНК-гид, а также белок-нуклеаза Cas9, который рассекает обе нити геномной ДНК в указанном РНК-гидом месте.

Инъекция в ядро зиготы — весьма нетривиальная процедура, ведь речь идет о микромасштабах. Яйцеклетка мыши имеет диаметр 100 мкм, а пронуклеус — 20 мкм. Операция происходит под микроскопом с 400-кратным увеличением, однако инъекция — это самая что ни на есть ручная работа. Разумеется, для «укола» применяется не традиционный шприц, а специальная стеклянная игла с полым каналом внутри, куда набирается генный материал. Один ее конец можно держать в руке, а другой — сверхтонкий и острый — практически не виден невооруженным глазом. Конечно, такая хрупкая конструкция из боросиликатного стекла не может храниться долго, поэтому в распоряжении лаборатории есть набор заготовок, которые непосредственно перед работой вытягиваются на специальном станке. Используется особая система контрастной визуализации клетки без окрашивания — вмешательство в пронуклеус само по себе травматично и является фактором риска для выживания клетки. Краска стала бы еще одним таким фактором. К счастью, яйцеклетки достаточно живучи, однако количество зигот, которые дают начало трансгенным животным, составляют лишь несколько процентов от общего числа яйцеклеток, в которые была сделана инъекция ДНК.

Следующий этап — хирургический. Проводится операция по трансплантации микроинъецированных зигот в воронку яйцевода мыши-реципиента, которая станет суррогатной матерью будущим трансгенам. Далее лабораторное животное естественным путем проходит цикл беременности, и на свет появляется потомство. Обычно в помете находится около 20% трансгенных мышат, что также говорит о несовершенстве метода, ибо в нем присутствует большой элемент случайности. При инъекции исследователь не может контролировать, как именно внедренные фрагменты ДНК встроятся в геном будущего организма. Высока вероятность таких комбинаций, которые приведут к гибели животного еще на эмбриональной стадии. Тем не менее метод работает и вполне годен для ряда научных целей.

Развитие трансгенных технологий позволяет производить животные белки, востребованные фармацевтической промышленностью. Эти белки экстрагируются из молока трансгенных коз и коров. Также есть технологии получения специфических белков из куриного яйца.

Ножницы для ДНК

Но есть более эффективный способ на основе целевого редактирования генома по технологии CRISPR/Cas9. «Сегодня молекулярная биология в чем-то подобна эпохе дальних морских экспедиций под парусами, — говорит Вадим Жерновков. — Практически каждый год в этой науке происходят значительные открытия, которые могут изменить нашу жизнь. Например, несколько лет назад микробиологи обнаружили у давно, казалось бы, изученного вида бактерий иммунитет к вирусным инфекциям. В результате дальнейших исследований выяснилось, что ДНК бактерий содержат в себе особые локусы (CRISPR), с которых синтезируются фрагменты РНК, умеющие комплементарно связываться с нуклеиновыми кислотами чужеродных элементов, например с ДНК или РНК вирусов. С такой РНК связывается белок Cas9, представляющий собой фермент-нуклеазу. РНК служит для Cas9 гидом, помечающим определенный участок ДНК, в котором нуклеаза совершает разрез. Примерно три-пять лет назад появились первые научные труды, в которых разрабатывалась технология CRISPR/Cas9 для редактирования генома».

Трансгенные мыши позволяют создавать живые модели тяжелых генетических заболеваний человека. Люди должны быть благодарны этим крохотным существам.

По сравнению со способом введения конструкции для случайного встраивания, новый метод позволяет подобрать элементы системы CRISPR/Cas9 таким образом, чтобы точно нацелить РНК-гиды на нужные участки генома и добиться целенаправленной делеции или вставки нужной последовательности ДНК. В этом методе тоже возможны ошибки (РНК-гид иногда соединяется не с тем участком, на который его нацеливают), однако при использовании CRISPR/Cas9 эффективность создания трансгенов составляет уже около 80%. «Этот метод имеет широкие перспективы, и не только для создания трансгенов, но и в других областях, в частности в генной терапии, — говорит Вадим Жерновков. — Однако технология находится только в начале пути, и представить себе, что в ближайшее время исправлять генный код людей будут с помощью CRISPR/Cas9, довольно сложно. Пока есть вероятность ошибки, есть и опасность, что человек лишится какой-то важной кодирующей части генома».

Молоко-лекарство

Российской компании «Марлин Биотех» удалось создать трансгенную мышь, в которой полностью воспроизведена мутация, приводящая к миодистрофии Дюшенна, и следующим этапом станут испытания технологий генной терапии. Вместе с тем создание моделей генетических заболеваний человека на основе лабораторных животных — не единственное возможное применение трансгенов. Так, в России и западных лабораториях ведутся работы в области биотехнологий, позволяющие получать важные для фарминдустрии лекарственные белки животного происхождения. В качестве продуцентов могут выступать коровы или козы, у которых можно изменять клеточный аппарат производства содержащихся в молоке белков. Из молока можно экстрагировать лекарственный белок, который получен не химическим способом, а с помощью природного механизма, что повысит эффективность лекарства. В настоящее время разработаны технологии получения таких лекарственных белков, как лактоферрин человека, проурокиназа, лизоцим, атрин, антитромбин и другие.

Генная терапия - это лечение наследственных, ненаследственных, которое осуществляется путем введения в клетки пациента других генов. Целью терапии является устранение генных дефектов либо придание клеткам новых функций. Намного проще ввести в клетку здоровый, полноценно работающий ген, чем исправлять дефекты в имеющемся.

Генная терапия ограничивается исследованиями в соматических тканях. Это связано с тем, что любое вмешательство в половые и зародышевые клетки может дать совершенно непредсказуемый результат.

Применяемая в настоящее время методика эффективна при лечении как моногенных, так и мультифакториальных заболеваний (злокачественные опухоли, некоторые виды тяжелых сердечно-сосудистых, вирусных заболеваний).

Около 80% всех проектов генной терапии касаются ВИЧ-инфекции и В настоящее время ведутся исследования таких как гемофилия В, муковисцидоз, гиперхолестеринемия.

Лечение подразумевает:

· выделение и размножение отдельных типов клеток пациента;

· введение чужеродных генов;

· отбор клеток, в которых «прижился» чужеродный ген;

· вживление их больному (например, посредством переливания крови).

Генная терапия основывается на введении клонированных ДНК в ткани больного. Самыми эффективными методами при этом считаются инъекционные и аэрозольные вакцины.

Генная терапия работает в двух направлениях:

1. Лечение моногенных заболеваний. К ним относятся нарушения в работе головного мозга, которые связаны с какими-либо повреждениями клеток, которые вырабатывают нейромедиаторы.

2. Лечение Основные подходы, использующиеся в данной области:

· генетическое усовершенствование иммунных клеток;

· повышение иммунореактивности опухоли;

· блок экспрессии онкогенов;

· защита здоровых клеток от химиотерапии;

· ввод генов-супрессоров опухоли;

· производство противоопухолевых веществ здоровыми клетками;

· продукция противоопухолевых вакцин;

· локальное воспроизведение нормальных тканей при помощи антиоксидантов.

Использование генной терапии имеет много плюсов и в некоторых случаях является единственным шансом на нормальную жизнь для больных людей. Тем не менее, эта область науки до конца не изучена. Существует международный запрет на испытания на половых и доимплантационных зародышевых клетках. Это сделано с целью предотвращения нежелательных генных конструкций и мутаций.

Разработаны и общепризнанны некоторые условия, при которых допускаются клинические испытания:

Ген, перенесенный в клетки-мишени, должен быть активен продолжительное время.

В чужеродной среде ген должен сохранять свою эффективность.

Перенос гена не должен вызывать негативных реакций в организме.

Существует ряд вопросов, которые и сегодня остаются актуальными для многих ученых по всему миру:

Смогут ли ученые, работающие в области генной терапии, разработать полную генокоррекцию, которая не будет представлять угрозы потомству?

Будет ли необходимость и полезность генотерапевтической процедуры для отдельной супружеской пары превосходить риск этого вмешательства для будущего человечества?

Оправданы ли подобные процедуры, учитывая в будущем?

Каким образом будут соотноситься подобные процедуры на человеке с вопросами гомеостаза биосферы и общества?

В заключении можно отметить, что генетическая терапия на современном этапе предлагает человечеству пути лечения самых тяжелых заболеваний, которые совсем недавно считались неизлечимыми и смертельными. Однако, в то же время, развитие этой науки ставит перед учеными новые проблемы, которые необходимо решать уже сегодня.

14943 0

Установление локализации и последовательности гена, мутации которого вызывают конкретные заболевания, а также самой мутации и современные способы ее тестирования позволяют диагностировать заболевание в нео- и даже пренатальный период развития организма. Это дает возможность смягчить проявление генетического дефекта с помощью медикаментозного лечения, диеты, переливания крови и т.д.

Однако такой подход не приводит к исправлению самого дефекта и, как правило, наследственные заболевания не излечиваются. Ситуация осложняется еще и тем, что мутация одного гена может давать самые разные последствия на организм. Если мутация гена вызывает изменения активности фермента, который он кодирует, то это может привести к накоплению токсичного субстрата или, наоборот, к дефициту соединения, необходимого для нормального функционирования клетки.

Хорошо известным примером такого заболевания является фенилкетонурия. Его вызывает мутация в гене печеночного фермента фенилаланиндегидроксилазы, катализирующего превращение фенилаланина в тирозин. В результате повышается уровень эндогенного фенилаланина в крови, что вызывает неправильное формирование миелиновой оболочки вокруг аксонов нервных клеток центральной нервной системы и, как следствие, тяжелую умственную отсталость.

Если мутация затрагивает ген структурного белка, то это может приводить к серьезным нарушениям на уровне клеток, тканей или органов. Примером такого заболевания является кистозный фиброз.

Делеция в гене, кодирующем белок, который называется транспортер кистозного фиброза, приводит к синтезу дефектного белка (отсутствие фенилаланина 508) и нарушениям транспорта ионов хлора сквозь клеточные мембраны. Одним из наиболее вредных последствий этого является то, что слизь, которая выстилает и защищает легкие, становится ненормально густой. Это затрудняет доступ к клеткам легких и способствует накоплению вредных микроорганизмов. Клетки, выстилающие воздухоносные пути легких, погибают и заменяются фиброзной рубцовой тканью (отсюда название болезни). В результате пациент погибает от нарушения дыхания.

Наследственные заболевания отличаются сложными клиническими проявлениями, и их традицинное лечение имеет в основном симптоматический характер: для лечения фенилкетонурии назначают безаланиновую диету, дефектные белки заменяют функциональным внутривенным введением, для компенсации утраченных функций проводят трансплантацию костного мозга или других органов. Все эти меры, как правило, малоэффективны, дороги, длительны, и лишь немногие пациенты доживают до старости. Поэтому разработка принципиально новых видов терапии очень актуальна.

Генная терапия

В 1990 г. в США доктором У. Френч Андерсоном (W. French Andrson) были предпринята первая попытка генотерапии для лечения тяжелого комбинированного иммунодефицита (ТКИД) у трехлетней девочки Ашанти де Силва (Ashanthi da Silva). Это заболевание вызывается мутацией в гене, кодирующем аденозанаденилазу (АДА). Дефицит этого фермента способствует накоплению в крови аденозина и дезоксиаденозина, токсическое действие которых приводит к гибели В- и Т-лимфоцитов периферической крови и, как следствие, иммунодефициту.

Дети с таким заболеванием должны быть защищены от любых инфекций (содержаться в специальных стерильных камерах), поскольку любая болезнь может оказаться смертельной. Через 4 года после начала лечения у ребенка наблюдалась экспрессия нормально функционирующей АДА и облегчение симптомов ТКИД, что позволило ей покинуть стерильную камеру и жить нормальной жизнью.

Таким образом, была продемонстрирована принципиальная возможность успешной генетической терапии соматических клеток. Начиная с 90-х гг. проходят испытания генной терапии целого ряда генетических заболеваний, среди которых такие тяжелейшие, как гемофилия, СПИД, разные виды злокачественных новообразований, муковисцидоз и др. На данный момент поддаются излечению с помощью трансгенеза уже около 10 болезней человека.

Разнообразие генетических заболеваний предопределило развитие множества подходов генной терапии. При этом решаются 2 главные проблемы: средство доставки терапевтического гена; способ обеспечения адресной доставки к клеткам, предназначенным для коррекции. К настоящему времени все подходы к генной терапии соматических клеток можно разделить на две категории: терапия ex vivo и in vivo (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Схема проведения генной терапии ex vivo (а) и in vivo (а)

Генная терапия in vivo предусматривает доставку терапевтического гена непосредственно в клетки определенной ткани пациента. Рассмотрим эти подходы подробнее.

Генная терапия ex vivo включает следующие этапы:
1) получение дефектных клеток больного и их культивирование;
2) перенос нужного гена в изолированные клетки с помощью трансфекции терапевтической генной конструкции;
3) отбор и наращивание генетически исправленных клеток;
4) трансплантация или трансфузия этих клеток пациенту.

Использование собственных клеток пациента гарантирует, что после их возвращения у него не разовьется иммунный ответ. Процедура переноса генной конструкции должна быть эффективной, а нормальный ген должен стабильно поддерживаться и непрерывно экспрессироваться.

Средством переноса генов, созданного самой природой, являются вирусы. С целью получения эффективных векторов для доставки генов в основном используют две группы вирусов - аденовирусы и ретровирусы (рис. 3.16). В генной терапии применяют варианты генетически обезвреженных вирусов.

Рис. 3.16. Вирусы, применяемые для создания терапевтических векторов

Рис. 3.17. Генетическая карта типичного ретровируса (а) и карта ретровирусного вектора (а)

При получении ретровирусного вектора полноразмерную ДНК ретро-вируса встраивают в плазмиду, удаляют большую часть гена gag и полностью гены pol и env, а вместо них встраивают «терапевтический» ген Т и при необходимости маркерный селективный ген Rg с собственным промотором (рис. 3.17, б). Транскрипция гена Т будет контролироваться все тем же сильным промотором, локализованным на 5"-LTR участке. На основе этой схемы созданы различные ретровирусные векторы и максимальный размер ДНК-вставки примерно 8 тыс. п.о.

Полученную таким образом конструкцию можно саму по себе использовать для трансформации, но ее эффективность и последующая интеграция в геном клетки-хозяина крайне низки. Поэтому была разработана методика упаковки полноразмерной РНК ретровирусного вектора в интактные вирусные частицы, которые с высокой частотой проникают в клетку и гарантированно встраиваются в геном хозяина. Для этого была создана так называемая «пакующая» клеточная линия. В двух разных участках хромосом этих клеток вшиты ретровирусные гены gag и pol-env, лишенные способности паковаться из-за отсутствия последовательности + (84*+) (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Схема получения упакованного вирусного вектора

Ретровирусы активно инфицируют только интенсивно делящиеся клетки. Для переноса генов их обрабатывают очищенными частицами упакованного ретровирусного вектора или совместно культивируют с производящей их клеточной линией, а затем осуществляют селекцию для разделения клеток-мишеней и пакующих клеток.

Трансдуцированные клетки тщательно проверяют на уровень синтеза продукта терапевтического гена, отсутствие компетентных по репликации ретровирусов, отсутствие изменений способности клеток к росту или функционированию.

Наиболее пригодными для проведения генной терапии являются клетки костного мозга. Это связано с наличием в нем тотипотентных эмбриональных стволовых клеток, которые могут пролиферировать и дифференцироваться в различные типы клеток -В- и Т-лимфоциты, макрофаги, эритроциты, тромбоциты и остеокласты. Именно эти клетки применяют для лечения целого ряда наследственных заболеваний, среди них уже упомянутый нами тяжелый комбинированный иммунодефицит, болезнь Гоше, серповидноклеточная анемия, талассемия, остеопороз и др.

Помимо тотипотентных стволовых клеток костного мозга, которые трудно выделять и культивировать, используют стволовые клетки из пупoвинной крови (предпочтительное использование для генотерапии новорожденных), а также клетки печени - гепатоциты - для лечения гиперхолестеролемии.

При генной терапии in vivo особенно важно обеспечить доставку терапевтического гена к дефектным клеткам. Такую адресную доставку могут обеспечить модифицированные векторы, созданные на основе вирусов, способных инфицировать специфические виды клеток. Рассмотрим подход, разработанный для лечения уже упомянутого выше кистозного фиброза. Поскольку легкие являются открытой полостью, терапевтические гены к ним доставить относительно легко. Клонированный вариант здорового гена был введен в инактивированный аденовирус (рис. 3.19). Специфика этого типа вируса заключается в том, что он инфицирует выстилку легких, вызывая простуду.

Рис. 3.19. Схема получения вектора на основе аденовируса

Кроме ретро- и аденовирусов в экспериментах по генной терапии используют и другие типы вирусов, например вирус Herpes simplex. Особенностью этого двунитевого (152 тыс. п.о.) ДНК-вируса является его способность специфически поражать нейроны. Известно множество генетических заболеваний, поражающих центральную и периферическую нервную систему - опухоли, метаболические нарушения, нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона).

Вирус простого герпеса I типа (HSV) является весьма подходящим вектором для терапии таких заболеваний. Капсид этого вируса сливается с мембраной нейрона, и его ДНК транспортируется в ядро. Предложено несколько способов переноса терапевтического гена с помощью HSV-векторов и проведены успешные испытания на экспериментальных животных.

Вирусные векторы имеют несколько недостатков: высокая стоимость, ограниченная клонирующая емкость и возможная воспалительная реакция. Так, в 1999 г. в результате развившегося необычайно сильного иммунного ответа на введение аденовирусного вектора погиб 18-летний доброволец, принимавший участие в испытаниях препарата. В 2002 г. у двух детей во Франции во время лечения от иммунодефицита (введением терапевтических генов в стволовые клетки с помощью ретровирусов) развилось состояние, похожее на лейкемию.

Поэтому разрабатываются невирусные системы доставки генов. Самый простой и неэффективный способ - это инъекция плазмидной ДНК в ткани. Второй подход - это бомбардировка тканей микрочастицами золота (1-3 мкм), конъюгированными с ДНК. При этом терапевтические гены экспрессируются в тканях-мишенях и их продукты - терапевтические белки - поступают в кровь. Основным недостатком этого подхода является преждевременная инактивация или разрушение этих белков компонентами крови.

Доставку ДНК можно осуществить, упаковав ее в искусственную липидную оболочку. Полученные таким образом сферические частицы-липосомы легко проникают через клеточную мембрану. Созданы липосомы с самыми разными свойствами, однако пока эффективность такой доставки невысока, поскольку большая часть ДНК подвергается лизосомному разрушению. Также для доставки генетической конструкции синтезируют конъюгаты ДНК с различными молекулами, способными обеспечить ее сохранность, адресную доставку и проникновение в клетку.

В последние годы проводятся интенсивные эксперименты по созданию искусственной 47-й хромосомы, которая позволила бы включить большое количество генетического материала с полным набором регуляторных элементов для одного или нескольких терапевтических генов. Это дало бы возможность использовать геномный вариант терапевтического гена и тем самым обеспечить его стабильность и эффективную длительную экспрессию. Проведенные эксперименты показали, что создание искусственной хромосомы человека, содержащей терапевтические гены, вполне реально, однако пока непонятно, каким образом вводить такую огромную молекулу в ядро клетки-мишени.

Основными проблемами, которые стоят перед генной терапией, помимо риска тяжелой иммунной реакции, являются трудности длительного хранения и функционирования терапевтической ДНК в организме пациента, мультигенность многих болезней, делающая их трудной мишенью для генной терапии, а также риск использования вирусов в качестве векторов.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова