Кордюм Виталий Арнольдович, член-корреспондент НАН и АМН Украины
Чем проще идея, тем труднее она для практической реализации. Сколько спорят, есть ли жизнь на Марсе! Идея решения удивительно проста – полететь туда и посмотреть на месте. К таким “простым” идеям до недавнего времени относилась проблема радикального лечения болезней. Поскольку болезнь возникает вследствие того, что в организме “что-то не так”, то сделать чтобы было “так” и болезни не станет. К сожалению, как при всех простых идеях, уже со следующего шага, сразу после их изложения начинались неразрешимые проблемы. В данном случае таким первым последующим шагом было выяснение что же это такое, “что-то”, что такое “так” и что такое “не так”, которое надо вернуть в “так”.
Сегодня известно, что первоосновой, информационной базой всего организма являются гены. Изменение их структуры или активности является первопричиной изменений в организме. А болезнь причинно-следственно связана с дефектом одного из них (или некоторой их части), т. е. ген и есть то самое “что-то”. Тогда следует заменить дефектные гены на полноценные и “не так” вернется в “так” – больной выздоровеет радикально.
Попробуем сформулировать что для этого надо. Надо знать, какой же конкретно ген отвечает своим дефектом за данную патологию. Этот ген надо получить. Получив – ввести обратно в клетку. Сделать так, чтобы после введения было обеспечено его требуемое функционирование. В свою очередь каждое из этих “надо” состоит из блока сложнейших проблем, любая из которых требует для своего решения выполнения многих задач “ну очень” высокой степени трудности. Если же все это соотнести в виде реальных технологий к человеку, то еще недавно казалось, что спокойно можно прогнозировать реализацию этой “простой” идеи на какое-нибудь пятое или, еще лучше, шестое тысячелетие. Скорее всего, так было бы действительно лучше. Но реальность оказалась иной.
Предтечей грядущего стали очень странные на то время работы Грифитса, который в 1928 г. обнаружил, что непатогенный пневмококк можно превратить в патогенный посредством какого-то вещества, которое содержится в клетках и которое можно из клеток извлечь. Естественно, это не могло восприниматься иначе чем курьез. Но он как заноза требовал решения. Ведь вещество вызывало не просто изменения, а совершенно (и всегда!) конкретные. И даже не мелкие изменения, а появление патогенности. Ну, ладно, еще бы утрату, а то ведь появление! Решение курьезу было найдено через 15 лет. В то время, когда на планете бушевала вторая мировая война и на полях ее сражений решались судьбы человеческой цивилизации, в тиши лабораторий Эвери и Мак Карти решали судьбу самого человечества. Естественно, они об этом даже не подозревали. Но именно ими тогда было показано, что полимерными молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты, т. е. химически очищенным веществом, впервые полученным еще в конце прошлого столетия Мишером, можно передавать наследственные признаки. Вещество является материальным носителем наследственности!!!
Тогда это было сделано на микроорганизмах. Но иллюзий, что такое возможно только для них, уже не питал никто. И когда Уотсон и Крик выбрали для расшифровки пространственной структуры именно ДНК – они знали что делали. Предложенная ими в 1953 г. модель строения вещества наследственности показала ту основу, с которой можно работать. Работать как с любой молекулой, делая искусственно наследственность. Технически тогда еще это было невозможно. Но все прекрасно понимали, что это дело только времени.
Осознавая случившееся, в своем грустном прогнозе Чаргаф предупреждал, что овладение техникой производства наследственности в пробирке и реализация ее в живое “нечто”, приведет к последствиям, по сравнению с которыми атомные бомбы, стершие с лица земли Хиросиму и Нагасаки, будут воспринимать как пасхальные яйца. Но джин уже был выпущен из бутылки. Стремительно развивалась база знаний, развертывался гиганский фронт работ, создавалось то, что позже получило название “молекулярная генетика” и “молекулярная биология”.
Несколько раз казалось, что решающий шаг уже сделан, но это были только зарницы. Гром грянул в 1972 г. Бергом была впервые получена, а Бойером создана универсальная технология получения генов и объединения их в любых комбинациях – техника рекомбинантных молекул. Практически стало возможным создание любых генетических конструкций. Но на первых порах молекулярный арсенал новой технологии был ограничен, а фантазия исследователей жестко зашорена. Поэтому начали с реализации новых возможностей на старой основе. Например, гормон роста видоспецифичен. Для того чтобы его использовать как лекарство, из умершего человека извлекали гипофиз, из гипофиза выделяли гормон роста, очищали, разливали по ампулам и в таком виде поставляли пациентам. Очевидно, что источник подобного препарата был, мягко говоря, ограничен. Но иного-то не было.
Техника рекомбинантных молекул позволяла выделить ген человека, сделать требуемую конструкцию, ввести в клетки (прокариатические или эукаротические) и из них, уже в неограниченном количестве, получать человеческие белки и пептиды. Оставался последний логический шаг. Зачем ген вводить в бактерии (или иные объекты), получать из них человеческий продукт, чистить, фасовать, а затем опять вводить человеку? Ведь тот же ген можно прямо ввести человеку в его клетки, и пусть они себе синтезируют что требуется. Этот последний шаг переводил генные технологии на уровень непосредственно человека. Человек должен был стать прямым и непосредственным объектом генетических манипуляций – манипуляций, меняющих его генетический аппарат. Сначала на уровне соматических клеток, а далее, как ясно было всем – и зародышевых.
По аналогии с имеющимися, такую технологию тогда называли своим истинным именем – генная инженерия человека. И первый опыт генной инженерии на людях (вначале по самой примитивной, в прямом смысле этого термина, методике) был поставлен в середине 70-х годов. Возмущению мировой общественности не было пределов. Все понимали, что, начав за здравие, кончат обязательно иначе. Почти 15 лет общественное мнение держало оборону. Но законы человеческого разума неумолимы – все что возможно технически, на что нет непреодолимых принципиальных запретов, обязательно будет воплощено в жизнь. Возможности исправления генетических дефектов, радикального избавления от любых болезней, имели столь очевидное для каждого значения (личное, для близких, для детей), что возражения падали одно за другим. Для того чтобы окончательно успокоить сомневающихся, изменили терминологию. Теперь это стало называться “генная терапия”. Ну есть лечение травами, микроэлементами, витаминами, антибиотиками и т. д. Добавим еще лечение генами. И в конце 80-х годов, сначала в США, а затем и в ряде других стран сугубо демократически, с всеобщего согласия начались санкционированные испытания на людях, теперь уже под названием “генной терапии”.
Сегодня на различных стадиях разработки находится более двухсот клинических протоколов генной терапии. Как это реализуется практически? В генной терапии достаточно четко можно выделить три принципиальных подхода: лечение классических наследственных болезней, “хирургическая” генная терапия и лечение массовых патологий. Они различаются особенностями участия в них наследственного аппарата человека.
Классические наследственные болезни (в основном моногенные) характеризуются дефектом гена, который имеется во всех клетках организма. Этот дефект и ведет к патологии. Одна (но конкретная) нуклеотидная замена в гене глобина приводит к серповидноклеточной анемии; выпадение фрагмента гена глобина – к талассемии и т. д. Нарушен только один ген. Все остальное в организме не нарушено. И, теоретически, если ввести в клетки полноценный ген, то он обеспечит синтез полноценного продукта, наступит радикальное излечение. Конечно, здесь имеется очень много особенностей. Но в случаях наиболее простых (и наиболее распространенных) наследственных дефектов – это так. По своим функциям гены делятся на общеклеточные (они работают во всех клетках, поддерживая их существование) и тканеспецифические. Так, гемоглобин нужен и, соответственно, вырабатывается только в эритроидных клетках. Во всех остальных он не функционирует, и для клетки не имеет значения дефектен он или нет. Поэтому достаточно полноценный ген глобина ввести только в клетки эритроидного ряда. Поскольку же они, в свою очередь, образуются из стволовых, то достаточно ввести полноценный ген (конечно, в составе адекватной молекулярной конструкции) в относительно небольшое и, главное, доступное для такой процедуры количество стволовых клеток. Через некоторое время “не то”, станет “тем”.
“Хирургическая” генная терапия используется при таких болезнях, которые характеризуются тем, что и гены и их регуляция в организме полноценные. Но возникла патология в генетическом аппарате локальной группы (или групп) клеток. Например, при злокачественных опухолях. Убрать бы эти клетки из организма, все до единой, и болезнь бы ушла. Для достижения такой цели в генной терапии используют своеобразный временно-локальный подход. В случае онкологических болезней из биопсийного материала отделяют и переводят в культуру опухольпроникающие лимфоциты. Их размножают, вводят в них ген, кодирующий соответствующий иммунноактивный продукт (интерлейкин 2, фактор некроза опухоли и т. д.), и возвращают в организм больного. Такие генетически трансформированные лимфоциты уничтожают опухолевые клетки. Но время жизни лимфоцитов – примерно месяц. Если за это время они уничтожают все опухолевые клетки – задача выполнена, и сами измененные лимфоциты исчезают. Если опухоль разрушена за это время только частично, процедуру повторяют. Вводимые гены можно раз от раза варьировать. И так – до победы. Гены приводящие к гибели опухоли можно вводить и в сами опухолевые клетки. Но общим принципом здесь является то, что после излечения (полного) в организме не остается и тех генетически измененных клеток, которые такое излечение обеспечили.
При массовых патологиях сами гены не нарушены. Но в результате каких-то, в разных случаях разных, многоуровневых и множественных событий нарушена регуляция функционирования одного или нескольких генов. Простое введение в клетки еще одного (или нескольких) таких же генов ничего не дает. Ведь и собственный ген не нарушен. А регуляция на то и регуляция, чтобы держать активность на заданном уровне. Начни все гены функционировать по максимуму своих возможностей – организм мгновенно пойдет в разнос. До такой жуткой патологии даже природа не додумалась. Тут и болезни никакой дополнительной не надо. Именно поэтому большинство генов у человека ткане- и стадиоспецифические. Они функционируют на определенной стадии индивидуального развития и только в определенных тканях, часто вообще в ограниченном числе клеток.
Например, диабет. Повреждения гена инсулина, приводящие к диабету, описаны как уникальные наследственные болезни. А при остальных (практически всех) случаях этой болезни ген инсулина не нарушен. Но функционирует он только в -клетках поджелудочной железы (и весьма ограниченно – в некоторых клетках центральной нервной системы). А во всех остальных – выключен множественной, для надежности, регуляцией. Человек может умирать от нехватки инсулина, но регуляция не позволит включиться ни одному гену инсулина ни в одной другой клетке. Поэтому при генной терапии массовых патологий, в силу указанных особенностей, создают такие молекулярные конструкции, в которых клеточная регуляция не может выключить вводимый ген, хотя на собственный, резидентный, она действует. Достигается это тем, что у гена убираются все “свои” регуляторные участки и ставятся другие. Возникает молекулярная химера – структурный ген (кодирующий белок) остается исходным (таким же как в клетках), а регуляторные последовательности берутся от иных генов (часто вообще не клеточных). Теперь клетка не может выключить своей регуляцией вводимый извне ген. И он будет функционировать на заданном уровне, уйдя от нарушенной в организме регуляции.
Остается последняя задача – ввести созданную молекулярную конструкцию в клетки организма. Принципиально это можно осуществить двумя путями. Первый путь предусматривает извлечение из организма клеток (стволовых или вообще способных к размножению), обработку их созданным генетическим материалом (если надо – с последующим отбором и подращиванием) и возвращение в организм. По второму пути молекулярная конструкция вводится непосредственно в организм – в кровь или прямой инъекцией в ткань.
Для того, чтобы конструкция вошла в клетки, ее одевают в вирусный капсид, соединяют с лигандом к соответствующему рецептору, помещают в липосому и т. д.
История состояния на сегодня и прогноз развития на обозримую перспективу генных технологий в медицине. Рекомбинантные белки
Генная
диагностика Последовательность генома
Генная
вакцинация Генная терапия Искусственные органы Внутриклеточная иммунизация
Белковая
инженерия Генная инженерия человека 1972 Сформировано представление об общности молекулярных основ живого Создание техники рекомбинантных ДНК 1980
Первый генно-инженерный синтез пептида человека (соматостатин) в бактериях
Первый, санкционированный к применению, пептид человека (инсулин), полученный в бактериях по генно-инженерной технологии
Первые несанкционированные опыты на людях по генной терапии (аргининемия), называемой тогда “генной инженерией человека”
Вторая группа несанкционированных опытов на людях по генной терапии, все еще называемой “генной инженерией человека” Разработка на животных технологий изменения в поколениях методами генной инженерии 1990 Широкое получение рекомбинантных белков и пептидов для лечения, иммунизации и диагностики
Закладываются основы генной диагностики
Быстрое совершенствование и расширение возможностей генной диагностики Создан и начал функционировать проект “Геном человека” Работы по генной вакцинации с использованием «параллельных» вакцин
Первые санкционированные опыты на людях по отработке технологии генной терапии
Первые санкционированные опыты на людях по генной терапии с целью лечения Закладываются основы технологий уничтожения заданных клеток в организме. Создание технологий получения кожи человека Формирование первых представлений о внутриклеточной вакцинации Разработка общих теоретических представлений белковой инженерии Получение первых моделей наследственных болезней на животных и стремительно набирающая темпы разработка технологии изменения в поколениях модельных животных методами генной инженерии 1997 Массовая индустрия, применение, испытания и получение новых рекомбинантных белков и пептидов человека для лечения, иммунизации и диагностики. Здесь уже фактически нет ограничений Перенос генной диагностики в клиники, расширение ее спектра, нарастающие темпы разработки практически приемлемых технологий генной диагностики зигот Стремительно развивается проект “Геном человека”, определена первичная последовательность более 10% всех структурных генов человека Быстро набирающие темпы исследования по генной вакцинации Набирающая темпы и расширяющаяся по номенклатуре генная терапия человека с массовой развивающейся базой и подготовкой новых возможностей Создание и разработка различных технологий уничтожения любых заданных клеток на животных моделях. Разработка технологий получения искусственных биологических органов и разных тканей Первые санкционированные опыты на людях по внутриклеточной иммунизации, лавинообразный рост исследований Медленно и очень тяжело, но неуклонно набирают темпы исследования по белковой инженерии Массовое получение моделей наследственных болезней человека на животных и продолжение совершенствования технологии широких изменений в поколениях 2000 Массовое применение рекомбинантных белков в медицине становится рутинным Генная диагностика становится рутинным клиническим анализом. Начало практического перехода к диагностике дефектов одновременно нескольких генов, а так же патологий, при которых влияние генов выражено «слабо» Определение четверти всех структурных генов человека и быстрое дальнейшее продвижение программы “Геном человека” Первые санкционированные опыты на людях по генной вакцинации Начало клинического масштабирования генной терапии. Первые опыты на людях по генной терапии возрастной патологии Разработка технологий уничтожения любых клеток, их сообществ, тканей и органов. Первые опыты на людях по подсадке искусственно созданных биологических органов и разных тканей Подготовка к масштабированию внутриклеточной иммунизации Ускорение работ по белковой инженерии, основанных на прорыве в области теории расчета строения и функции белка на основе данных о его первичной структуре Методическая готовность для генной терапии на уровне зародышевых клеток человека 2010 Рекомбинантные белки и пептиды человека как основные терапевтические и профилактические средства для употребления «извне», (инъекции, мази и т.д.) Генная диагностика множественных нарушений в геномах – «слабых мутаций» – становится рутинным клиническим исследованием Окончание определения полной последовательности всего генома человека. Переход на масштабные определения геномов у индивидуумов Практическое применение технологии генной вакцинации. Обеспечение требуемого функционирования любых введенных на постнатальном уровне генов Устранение отдельных генетических дефектов как рутинная клиническая процедура. Клиническое масштабирование генной терапии возрастной патологии Начало масштабированных замен тканей и органов искусственно созданными аналогами из модифицированных и выращенных вне организма клеток данного индивидуума Лечение и профилактика вирусных и опухолевых болезней на основе внутриклеточной иммунизации как рутинная клиническая процедура
Первые санкционированные опыты на людях по белковой инженерии.
Опыты по белковой инженерии на животных Начало санкционированных опытов по преобразованию человека в поколениях (генная инженерия на зародышевых клетках) Начало санкционированных работ по полномасштабной реконструкции человека на постнатальном уровне и в поколениях
Вероятно, читающий это описание, уже понял, что за всей легкостью изложения типа “создание соответствующих молекулярных конструкций”, “ген начал функционировать несмотря на регуляцию, выключающую свой, такой же, но клеточный ген” и т. д. стоят технические и технологические трудности почти фантастической сложности. Задача же состоит в том, чтобы генная терапия из рекордов виртуозов превратилась в рутинную медицинскую процедуру. Поэтому сегодня уже создан и стремительно расширяется фронт работ по решению такой задачи. Сегодня на людях испытывают технологии генной терапии гемофилии, муковисцидоза, синдрома врожденного иммунодефицита, опухолевой болезни и некоторых других. Лечение более чем десятка патологий уже апробировано генной терапией на животных и проходит путь формального санкционирования для перехода на людей. Для лечения еще нескольких десятков болезней технологии оттачиваются на животных. Для этого создаются специальные их линии с генетическими дефектами, аналогичными таковым при генетически детерминированных болезнях человека.
Поскольку критический этап, связанный с решением принципиальных вопросов, пройден, в генную терапию начали устремляться могущественные фирмы с практически неограниченными материальными и финансовыми возможностями. Это, безусловно, не просто ускорит работы по доведению генной терапии до клиник, но и расширит сферу ее применения. Уже сегодня полномасштабно ставится вопрос о генной вакцинации, о внутриклеточной иммунизации, пересадке генетически адаптированных тканей и органов и т. д. Но реальностью становится и то, что казалось принципиально неразрешимым – генная терапия разных видов возрастной патологии. Нами, совместно с группой исследователей под руководством академика В.В.Фролькиса, показано, что могут быть созданы молекулярные конструкции, способные оказывать терапевтический эффект у старых животных более интенсивно, чем у молодых. Продемонстрировано это на примере нарушений, связанных с сосудами, что само по себе более чем актуально. Но это значит также, что можно создать системы генных воздействий и на иные виды возрастной патологии.
Если теперь все это свести воедино, то пугавший когда-то термин “генная терапия человека” окажется безнадежно устаревшим в силу своей ограниченности. Сегодня полноразмерным является комплекс “генных технологий человека”, уже начинающий плавно перерастать в еще более широкомасштабный комплекс ближайшего будущего – технологии “биологической реконструкции человека”. Для тех, кто не работает в данной области, такие понятия звучат как нечто за гранью фантастики. А специалисты развитых стран прогнозируют начало рутинного применения в клиниках первых технологий генной терапии рубежом оканчивающегося века, т. е. всего-то через каких-нибудь 3 года. С последующим крутым нарастанием. И для того, чтобы представить себе очень недалекое будущее на поддающуюся прогнозу глубину, можно посмотреть на приведенную слева схему.