Прошло почти десять лет с тех пор, как пара биологов открыла CRISPR, технологию редактирования генов, которая позволяет ученым относительно легко изменять ДНК. В прошлом году эти двое ученых - Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье - получили Нобелевскую премию за свою работу. С момента открытия ученые всего мира изучают возможности использования этого метода для лечения заболеваний - от серповидно-клеточной анемии до ВИЧ.
До сих пор ученые использовали CRISPR для лечения заболеваний путем удаления некоторых клеток человека и применения технологии редактирования генов к клеткам в лаборатории. Например, в случае серповидноклеточной анемии, когда красные кровяные тельца приобретают неправильную форму и не могут функционировать должным образом, врачи удаляют клетки, называемые гемопоэтическими стволовыми клетками, которые со временем превращаются в красные кровяные тельца и другие клетки крови. Затем они применяют к этим клеткам технологию редактирования генов, которая вносит изменения для устранения генетического дефекта, вызывающего дефектные клетки крови, и вставляют клетки обратно в организм.
Но в последние несколько лет исследователи экспериментируют с новой тактикой: вводят технологию редактирования ДНК непосредственно в кровь. Этот метод имеет ряд преимуществ, включая возможность лечить более широкий спектр заболеваний с большей легкостью и меньшими затратами. В то же время некоторые исследователи берут паузу, отмечая, что этот новый метод несет в себе риски, включая ошибочное редактирование здоровых генов без хорошего способа остановить это.
"Я думаю, что нам определенно нужно с осторожностью относиться к любой новой технологии", - говорит Цяобинг Сюй, доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Тафтса. В то же время, по его словам, должно быть "желание продвигать технологию вперед".
Технология CRISPR быстро прогрессирует
В небольшом исследовании на шесть человек, опубликованном в прошлом месяце в New England Journal of Medicine, ученые попытались вылечить шесть человек с редким генетическим заболеванием под названием транстиретиновый амилоидоз с помощью новой технологии, которая доставляет CRISPR непосредственно в клетки печени. Транстиретиновый амилоидоз вызывает накопление в организме дефектного белка, называемого амилоидом, что приводит к прогрессирующему повреждению нервов и, во многих случаях, к сердечной недостаточности. Симптомы могут начаться уже в двадцатилетнем возрасте, а летальный исход обычно наступает через семь-двенадцать лет после появления симптомов. "Это действительно ужасная болезнь, - говорит Джулиан Гиллмор, профессор медицины в Королевской свободной больнице при Университетском колледже Лондона и ведущий автор исследования.
Исследование является первой частью ранних клинических испытаний препарата под названием NTLA-2001, который упаковывает технологию CRISPR в крошечный шарик, называемый липидной наночастицей. Эти контейнеры направляют технологию редактирования генов в печень, где производится почти весь транстиретин, дефектный белок. Там технология CRISPR приступает к работе, исправляя дефектные клетки, пока печень не выработает правильную версию транстиретина.
Основной целью исследования было изучение безопасности лечения, но, поскольку избыток амилоида вызывает симптомы, связанные с болезнью, любое уменьшение симптомов, наблюдаемое в ходе экспериментального исследования, указывает на то, что лечение работает. Участники исследования были разделены на две группы: три человека, получившие меньшую дозу липидных наночастиц с CRISPR, и три человека, получившие чуть большую дозу. У тех, кто получал меньшую дозу, количество дефектных клеток печени уменьшилось примерно наполовину, а в группе с большей дозой количество дефектных клеток сократилось почти на 90 процентов.
Исследование продолжается; ученые будут продолжать испытывать еще более высокие дозы препарата, чтобы выяснить, какая из них наиболее безопасна и эффективна. Они также будут наблюдать за всеми участниками в течение двух лет после лечения, чтобы выявить любые долгосрочные последствия, такие как рак или другие генетические заболевания, которые могут быть вызваны случайными изменениями генов. Такие последствия вызывают особую озабоченность при использовании CRISPR. Чтобы понять, почему, полезно знать немного больше о том, как работает эта технология.
Выстрел в темноте
CRISPR расшифровывается как "кластерные регулярно перемежающиеся короткие палиндромные повторы". Бактерии содержат короткие, повторяющиеся генетические последовательности в своих генах. Между этими сегментами бактерии хранят генетические последовательности вирусов, которые ранее инфицировали организм. Сохраняя кусочки вторгшегося микроорганизма, зараженные бактерии могут "запомнить" и атаковать вирусы с этими генами, разрезая их при повторном нападении. Белок под названием Cas-9 (Cas означает "CRISPR-ассоциированный") отвечает за разрезание генетического материала вторгающихся вирусов. Изучая эту систему, Дудна и Шарпантье поняли, что, изменив биологический "проводник", который использует белок, они могут заставить белок Cas-9 делать разрез ДНК в любом месте генома, чтобы деактивировать любые гены или вставить новые.
Хотя редактирование генов существовало и до CRISPR, новую технологию было гораздо проще внедрить, и, по сравнению с более ранними методами, она гораздо дешевле. Но у нее также есть ограничения. Технология CRISPR может "терпеть неточные последовательности", - говорит Мартин Шиллер, исполнительный директор Невадского института персонализированной медицины и профессор наук о жизни в Университете Невады, который не принимал участия в исследовании. Это означает, что он может иметь так называемые "нецелевые эффекты" - он может редактировать последовательности, которые почти, но не точно, идентичны дефектным генам, для исправления которых предназначена технология. Это может иметь серьезные последствия, говорит Шиллер. Например, генетическая мутация может ошибочно приучить клетки к бесконтрольному делению, вызывая рак.
Такая возможность причинения вреда осложняет одно из главных преимуществ новой технологии, которое заключается в том, что она позволяет CRISPR достигать всех или большинства клеток печени. В настоящее время нет другого способа использовать CRISPR для лечения заболеваний печени, говорит Сюй. Хотя можно редактировать клетки печени вне организма, врачи не могут удалить печень человека, чтобы отредактировать каждую клетку таким образом, а редактирование только некоторых клеток не позволит эффективно лечить болезнь. Проводились некоторые исследования по редактированию стволовых клеток печени вне организма, что повлияло бы на все клетки печени, но это было бы более дорогостоящим методом, и может быть трудно собрать достаточное количество клеток, говорит Сюй. С другой стороны, когда ученые используют CRISPR вне организма, говорит Шиллер, они могут проводить последовательность геномов, чтобы обнаружить любое несанкционированное редактирование. Но когда редактирование происходит в организме, у них нет возможности узнать, не пошло ли что-то не так.
Исследователи приняли меры предосторожности, чтобы избежать внецелевого воздействия. В ходе доклинических испытаний на клетках печени человека они использовали компьютерную программу для выявления областей, подверженных риску неправильного нацеливания CRISPR. Они обнаружили, что все эти участки находятся в некодирующих областях генома - насколько ученые могут судить, эти последовательности ДНК ничего не делают. Тем не менее, когда они исследовали эти области в образце клеток печени человека в чашке Петри в лаборатории, они не обнаружили никаких внецелевых эффектов.
Гиллмор, ведущий автор исследования, был успокоен этим выводом. Но не все убеждены, что технология всегда не будет иметь последствий. Шиллер отмечает, что исследование было небольшим, поэтому практически невозможно узнать, связан ли, например, рак, развившийся у участника через два года, с испытанием или это произошло бы в любом случае. "Это выстрел в темноту", - говорит он. "Мы не знаем, что произойдет".
Будущее CRISPR
Это новое достижение стало результатом почти десятилетней работы ученых по поиску новых терапевтических применений CRISPR. В 2019 году CRISPR был впервые испытан на женщине с серповидно-клеточной болезнью, а в прошлом году ученые впервые ввели CRISPR непосредственно в организм - в глаз, чтобы проверить лечение редкого генетического заболевания, вызывающего слепоту. Лечение ВИЧ с помощью CRISPR также оказалось успешным при испытании на мышах, хотя оно еще не было испытано на людях. Проводятся испытания методов иммунотерапии, в которых CRISPR используется для модификации иммунных клеток, чтобы они могли лучше атаковать рак.
[Соответствующая информация: Две женщины только что получили Нобелевскую премию за работу над техникой редактирования генов CRISPR]
Гиллмор и Сюй Тафт, который не участвовал в исследовании, считают новую технологию прорывом, и, хотя они признают, что редактирование генов всегда сопряжено с риском, полагают, что в будущем она может быть применена для лечения других заболеваний, поражающих клетки печени. Intellia Therapeutics, биотехнологическая компания, которая возглавила разработку NTLA-2001 и финансировала испытания вместе с фармацевтической компанией Regeneron, уже создала измененную версию препарата для лечения наследственного ангионевротического отека - генетического заболевания, вызывающего спонтанные эпизоды сильного отека под кожей, и надеется вскоре испытать его на людях. Как и в случае с транстиретиновым амилоидозом, этот препарат будет действовать на клетки печени, воздействуя на ген, влияющий на перепроизводство белка брадикинина, который приводит к отекам.
Однако у Шиллера все еще есть некоторые сомнения относительно потенциала нового метода. Поскольку CRISPR может иметь потенциально вредные внецелевые эффекты, он не видит его широкого применения в будущем в том же виде, в каком он использовался в данном исследовании. Вместо этого, по его мнению, CRISPR будет продолжать использоваться в основном в том виде, в котором он использовался ранее - для редактирования генов, когда клетки находятся вне организма. Он также считает более перспективным другой метод редактирования генов с меньшим количеством внецелевого редактирования, называемый TALEN, для лечения заболеваний, который, хотя и более сложен и дорог в использовании, по его мнению, может быть более безопасным.
Однако все трое согласны с тем, что редактирование генов будет играть ключевую роль в будущем медицины. В своих собственных исследованиях Сюй работает над созданием технологий, которые позволят доставлять генную терапию в различные органы, а не только в печень, используя один и тот же вид липидных наночастиц. Он надеется, что за этим новым достижением последуют технологии, которые смогут воздействовать на другие органы. Он также видит потенциал CRISPR для борьбы с другими неизлечимыми заболеваниями человека, такими как болезнь Хантингтона и болезнь Альцгеймера, которые могут иметь генетические компоненты.
"Если мы сможем использовать CRISPR для лечения этих заболеваний", - говорит он, - "это может принести большую пользу обществу".