Чтобы справляться с неизлечимыми заболеваниями и решать задачи регенеративной медицины, не обязательно вводить в организм человека сразу целые клетки, ткани и органы. Потенциально можно заставить функционировать как нужно то, что уже есть, подкорректировав гены. Так работает генная терапия, и она уже весьма широко применяется в клинической практике. Например, в мире одобрены продукты для лечения онкологических заболеваний, серповидноклеточной анемии, гемофилии A и B, бета-талассемии, мышечной дистрофии Дюшенна, наследственных дистрофий сетчатки, метахроматической лейкодистрофии, спинальной мышечной атрофии и др. О современных подходах к лечению мышечной дистрофии Дюшенна, в том числе о генной терапии, мы рассказывали в статье «Тяжелая жизнь без дистрофина: мышечная дистрофия Дюшенна».
Что можно делать с помощью генной терапии?
Замещать неработающие гены (аугментационная генная терапия). Например, при серповидноклеточной анемии можно собрать у пациента стволовые клетки, ввести в них ген гемоглобина A, и вернуть их в организм. В итоге будет вырабатываться нормальный гемоглобин. Другой пример — метахроматическая лейкодистрофия: редкое генетическое заболевание, вызванное дефицитом лизосомального фермента арилсульфатазы А (ARSA). Из-за дефектного гена фермент работает недостаточно эффективно, в клетках накапливаются сульфатиды, и происходит поражение нервной системы. На данный момент одобрена генная терапия, во время которой в миелоидные клетки вводят правильный ген ARSA, и они начинают вырабатывать фермент.
Генная ингибирующая терапия — антагонист аугментационной. Ее цель — заблокировать эффекты аномального белка, который вызывает патологию. Это можно сделать с помощью антисмысловых РНК, подавляющих экспрессию проблемного гена, или рибозимов (РНК, работающих как ферменты и разрушающих другие РНК). Технология CRISPR/Cas9 позволяет вырезать целые неправильные гены. Можно ввести в клетку ген, кодирующий белок, который будет подавлять аномальное соединение. Наибольший интерес ингибирующая генная терапия представляет в онкологии. Она дает возможность бороться со злокачественными опухолями, подавляя эффекты генов (их называют онкогенами), кодирующих белки, которые активируют бесконтрольные размножения клеток, делают их бессмертными.
Коррекция дефектных генов может быть выполнена вместо того, чтобы сразу вводить в клетку целый правильный дополнительный ген. Это более радикальная методика: клетка не только приобретает правильно функционирующий ген, но и лишается дефектного, а это значит, что его продукты не смогут оказывать негативного влияния.
Гено-специфическая таргетная терапия напоминает аугментационную, только во время нее в клетки вводят не недостающие, а определенные гены, чтобы добиться конкретного терапевтического эффекта. Например, так работает CAR-T-клеточная терапия при онкологических заболеваниях. В T-клетки пациента вводят гены, благодаря которым те начинают экспрессировать химерные антигенные рецепторы, способные распознавать антигены злокачественных клеток. В раковые клетки можно ввести ген, который будет кодировать белок, приводящий к «клеточному суициду». Применительно к регенеративной медицине особенно привлекательно выглядит возможность заставлять клетки синтезировать цитокины и факторы роста. Это удобнее, чем вводить данные вещества в клеточную культуру извне: обычно одного введения бывает недостаточно, при этом факторы роста зачастую быстро разрушаются и, как следствие, действуют недолго, а их производство — процесс недешевый.
Самый популярный способ ввести в клетку нужные гены — использовать вирусы (так называемые вирусные векторы), ведь они созданы для этого самой природой. Наиболее перспективны аденовирусные (самые распространенные — фигурируют в каждом пятом испытании генной терапии), аденоассоциированные вирусные (парвовирус рода Dependovirus) и ретровирусные (как правило, лентивирусные и гамма-ретровирусные) векторы. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки.
Существуют и невирусные способы доставки генов в клетки. Вот некоторые из них:
Липоплексы — комплексы катионных липосом с ДНК. В качестве переносчиков генетического материала они эффективны, универсальны, обеспечивают защиту от разрушения ферментами. Главный минус — неспецифичность доставки.
Полиплексы — полимерные системы, в которых комплекс с ДНК образуется за счет электростатических взаимодействий между катионными группами полимера и отрицательно заряженными нуклеиновыми кислотами.
Плазмидные векторы — это молекула ДНК, замкнутая в кольцо.
Бактериальные векторы можно использовать двумя способами. Во-первых, существует такое явление, как бактофекция — перенос плазмид из прокариотических клеток в клетки млекопитающих. Во-вторых, геном собственных клеток человека можно вообще не трогать, а вместо этого поселить в организме бактерии, измененные методами генной инженерии, и заставить их синтезировать нужные белки. А управлять этим процессом можно извне.
В зависимости от того, как проводят генную терапию, она бывает двух видов:
- In vivo — когда вектор (обычно вирусный) вводят сразу в организм пациента, внутривенно или непосредственно в пораженный орган.
- Ex vivo — когда генетическая модификация происходит «в пробирке». Из тела пациента извлекают клетки (например, берут кровь из вены и выделяют из нее лимфоциты), вводят в них нужные гены, размножают, а затем вводят обратно в организм.
В настоящее время применяются оба подхода, есть одобренные продукты. И методики продолжают совершенствоваться, а значит, со временем генная терапия сможет эффективнее решать всё более широкий круг задач, в том числе касающихся регенеративной медицины.
Впрочем, чтобы изменить работу генов, вовсе не обязательно менять их структуру. Такую возможность открывает эпигенетика, о которой Биомолекула рассказывала в одноименном спецпроекте. Метилирование ДНК, модификации гистонов, малые РНК — эти и другие механизмы «настраивают» активность разных генов в ответ на меняющиеся внешние условия, они играют роль в старении, дегенеративных изменениях, развитии различных заболеваний. Число исследований, посвященных роли эпигенетики, постоянно растет, и ученые пытаются использовать накопленные знания для разработки методов так называемой эпигенетической терапии. Уже предложен целый ряд решений: например, фармакологические препараты, влияющие на экспрессию генов; применение системы редактирования генов CRISPR/Cas9; некодирующих РНК.
Настройка активности генов может обеспечить гораздо более широкий и динамичный диапазон эффектов... не просто включение и выключение генов, а небольшие повышения и снижения их эффектов. Осуществляя настройку эпигенома, мы можем вносить точно контролируемые изменения в экспрессию генов примерно так же, как наши клетки делают это сами изо дня в день. Наши клетки не меняют свой геном. Наши клетки меняют свой эпигеном... Также мы можем контролировать продолжительность эпигенетических эффектов.
Дерек Джанц, сотрудник компании Tune Therapeutics, разрабатывающей платформу для модификации эпигенома TEMPO.
В конце концов, именно за счет этого клетки в организме человека такие разные, несмотря на то, что в них один и тот же набор генов. Чтобы приобрести определенный внешний вид и выполнять определенные функции, клетка не мутирует — она решает, какие гены «выключить», а какие оставить активными. И этим процессом потенциально можно управлять.
Больше о регенеративных процессах читайте в нашей новой статье!