Свиньи имеют большой потенциал в качестве биомедицинских моделей для изучения процессов развития человека, врожденных заболеваний и механизмов реагирования на патогены, а также могут использоваться в качестве доноров органов для ксенотрансплантации и инструментов для разработки вакцин и лекарств. Такое разнообразное использование свиней в биомедицине связано с тем, что по своим анатомическим размерам, строению тканей и органов, физиологии, иммунологии и геному свиньи имеют много общего с человеком. Так, например, сходные размеры и особенности физиологии позволяют использовать свиней для проверки расчетов эффективных и безопасных доз лекарственных препаратов. Однако наиболее интригующими являются перспективы развития ксенотрансплантологии, т.е. практики пересадки органов свиньи в организм человека. Благодаря схожим размерам, особенностям иммунологических и физиологических процессов появилась возможность использовать для трансплантации весьма широкий спектр органов и тканей.
Свинья – многообещающий модельный объект для изучения заболеваний человека
Несмотря на то, что свиньи в качестве модельных животных используются куда реже мышей и крыс, тем не менее количество статей, в которых свинья фигурирует в качестве объекта исследования, исчисляется тысячами, а широта приложения этого модельного объекта поражает воображение. В таблице суммированы направления, в которых свиньи используются в качестве модельных животных. Наиболее перспективными среди них можно назвать изучение нервной системы и органов чувств, сердца и сердечно-сосудистой системы, репродуктивной, дыхательной, выделительной систем и многое другое.
Однако, несмотря на такие оптимистичные прогнозы в плане возможностей приложения этих животных как модели, стоит отметить и существенные различия между организмами человека и свиньи, такие как различное расположение некоторых мышц, шесть долей печени у свиньи против четырех долей у человека и разные типы гематоплацентарного барьера. Поэтому важным этапом на пути к использованию свиней в качестве объектов исследований стала разработка моделей генетически модифицированных свиней.
Использование различных методов редактирования генома свиньи было начато еще в 1980-х годах. Сейчас методы генной инженерии часто используются на свиньях в дополнение к аналогичным воздействиям на организм грызунов, что позволяет всесторонне изучить возможности того или иного метода и оценить его дальнейшее использование в медицине.
Технология переноса ядра соматических клеток сделала возможным точечную модификацию генома свиньи, которую можно использовать для получения моделей редких генетических заболеваний человека. Например, глаз свиньи стал моделью для изучения очень редких наследственных офтальмологических заболеваний. Дело в том, что он похож на глаз человека строением и кровоснабжением сетчатки, отсутствием тапетума (тот самый слой вещества позади сетчатки, из-за которого у кошек так блестят глаза на фотографиях), а также сопоставимой толщиной склеры. С помощью генноинженерных методов был получен фенотип GUCY2D с нарушением работы фермента гуанилатциклазы 2D, вызывающим редкий вариант дистрофии колбочек сетчатки, или амавроз Лебера. Другой редкий фенотип был получен благодаря внедрению в клетки сетчатки аллеля ELOVL4, вызывающего ювенильную макулярную дистрофию сетчатки, или болезнь Штатгарта. Полученные генномодифицированные модели могут быть использованы для разработки способов лечения этих заболеваний.
Свиньи и ксенотрансплантология
Ксенотрансплантация открывает возможности сразу для нескольких областей медицины. В одних только Соединенных Штатах количество людей, которые нуждаются в донорских органах, достигает 100 000 человек, что создает огромный дефицит последних. Использование донорских органов свиньи позволило бы не просто преодолеть эту острую проблему, но и иметь необходимый запас органов для пересадки. Однако если бы межвидовая пересадка органов была легко доступна, все бы ей давно уже пользовались, не так ли? К сожалению, все не так просто. Если, например, свиной сердечный клапан пересаживают человеку уже более 50 лет, то с более сложными тканями и органами есть ряд проблем.
Основное затруднение при трансплантации органов от человека к человеку и, тем более, от свиньи к человеку, заключается в иммунной реакции организма, которая сопровождается быстрым отторжением пересаженного органа. Сегодня на помощь трансплантологам приходят технологии редактирования генома, такие как хорошо известный CRISPR/Cas, позволяющий модифицировать геном свиньи таким образом, чтобы убрать те эпитопы, которые чаще всего атакует иммунная система. Как оказалось, больше других иммунитету не нравится так называемый α-Gal эпитоп — фрагмент углевода галактоза-α1,3-галактоза, который обнаружен в наружной мембране клеток большинства млекопитающих, за исключением приматов, в том числе и человека [30]. Редактированием этого эпитопа уже занимается компания Revivicor, которая разработала технологию производства генномодифицированных органов свиньи. Они создали линию животных GalSafe™, у которых отсутствует α-Gal эпитоп. Помимо отторжения органов при пересадке человеку, этот эпитоп также обвиняют в появлении пищевой аллергии у человека при поедании красного мяса (свинины, говядины, баранины), которое возникает после укуса клеща. По задумке производителей, модифицированная GalSafe™ свинина не должна вызывать аллергической реакции. Помимо этого эпитопа, существует ряд других, которые также служат барьером к успешному использованию органов свиньи в трансплантологии.
Несмотря на сложности в развитии ксенотрансплантологии, уже сейчас существует несколько многообещающих биотехнологических стартапов, которые занимаются разработкой генномодифицированных органов. Один из них — вышеупомянутый Revivicor, команде которого удалось отредактировать 10 генов, участвующих в отторжении трансплантата. Далее, используя метод переноса ядра соматической клетки, отредактированное ядро было пересажено в яйцеклетку и подсажено свиноматке. Данная технология пока находится на стадии разработки, но уже имеет впечатляющие результаты. Два основных продукта компании — UHeart™ и UKidney™ (соответственно генномодифицированные сердце и почка), которые, в случае успеха их испытаний, можно будет пересаживать человеку. Другая команда — eGenesis из Массачусетса (США) — сосредоточили свои усилия на производстве ксенотрансплантатов сердца для пересадки детям до двух лет. С помощью технологии CRISPR они внесли более 70 изменений в геном свиньи, местами заставив «замолчать» некоторые свиные гены, местами «добавив» немного генов человека, а где-то просто «удалили» ДНК, принадлежащую ретровирусам.
Внедрению в практику данной технологии также мешают зоонозные инфекции, которые могут передаваться от свиньи к человеку через орган-трансплантат. Большинство подобных инфекций можно избежать, если выращивать свиней в стерильных условиях, однако некоторые вирусы, например, эндогенный вирус свиней (PERV), способен вести себя как типичный ретровирус и встраиваться в геном клеток человека. С использованием технологии CRISPR были выведены свиньи с подавленной экспрессией (сайленсинг) 25 разных участков генома, через которые PERV мог внедряться в ДНК человека. Определенной вехой в ксенотрансплантологии стала пересадка свиного сердца человеку с терминальной стадией сердечной недостаточности в 2021 году в больнице Мэриленда, США. Пациент, находящийся на аппарате жизнеобеспечения после операции по трансплантации, был под наблюдением еще 7 недель, после чего врачи были вынуждены снова подключить его к аппарату жизнеобеспечения. До сих пор не понятно, что стало причиной ухудшения состояния реципиента; одной из главных версий указывалась возможность инфицирования цитомегаловирусом. Однако этот случай показывает, что технология может быть использована в медицине, и ее внедрение — всего лишь вопрос времени.
Больше о современном свиноводстве читайте на сайте "Биомолекулы"!