Поколение генетически неуязвимых
Генетические технологии в медицине на пороге прорыва. В ближайшее время будет возможно омолаживание иммунитета и лечение ряда генетических болезней. В обозримом будущем станет обыденной профилактика рака и сердечно-сосудистых заболеваний на этапе планирования ребенка
«Главный хайп в науке последнего времени — редактирование генома. И этот хайп не пустой, он может способствовать реальным прорывам, — считает заведующий лабораторией геномной инженерии МФТИ, директор Института персонализированной медицины Национального медицинского исследовательского центра эндокринологии Павел Волчков.
Компания Intellia Therapeutics в конце июня опубликовала позитивные промежуточные результаты клинических исследований на шести добровольцах лечения редкого генетического заболевания — транстиретинового амилоидоза. Эта болезнь вызвана мутациями человеческого гена важного для жизни белка транстиретина (он отвечает за транспорт гормонов щитовидной железы и связан с восстановлением нервных клеток). В результате поломки транстиретин меняет свою структуру и, вместо того чтобы работать нормально, слипается во вредные отложения — амилоиды. После публикации результатов испытаний акции Intellia в течение нескольких дней скакнули с 88 до 170 долларов за штуку. Важным фактором возбуждения инвесторов стало то, что для редактирования генома была использована самая хайповая технология современности — CRISPR, за которую Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье получили Нобелевскую премию по химии в 2020 году.
CRISPR — это аббревиатура от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (кластеризованные регулярные промежуточные короткие палиндромные повторы). Если коротко, это маленькие кусочки текста бактериального генома, которые одинаково читаются, с какой стороны ни идти (палиндромы). Их существование было загадкой, поскольку бактериальный геном, в отличие от нашего, очень экономный, маленькая бактерия не может себе позволить содержать бессмысленные тексты в геноме. Загадка разрешилась удивительным образом: оказалось, что эти палиндромы отвечают за клеточный иммунитет. Внутри повторяющихся фрагментов CRISPR бактерия хранит куски враждебных вирусных геномов, а рядом с этими фрагментами у нее есть ген Cas. Когда бактерия читает вместе CRISPR и Cas, то получается фермент, которые прилипает к аналогичным сохраненным в палиндромах кускам вирусов и разрезает его. Это те самые «молекулярные ножницы», что избирательно режут вирусы, с которыми бактерия уже встречалась.
Открытие было само по себе интересным — тем, как остроумно устроена иммунная система у бактерий. Но в современной биологии такие вещи сразу пытаются применить к технологии. С помощью CRISPR ученые научились резать и точно редактировать любые ДНК, в том числе человеческие, с этой технологией уже связаны тысячи патентов.
Обычно Нобелевскую премию не дают за столь недавние открытия (сам механизм был открыт в 2007 году, а в 2013-м сразу несколько групп показали его применимость в животных клетках). Обычно для Нобелевки ученый должен быть еще живым, но уже почти памятником. Похожий случай был с Нобелевской премией 2012 года, которую дали в том числе Синъя Яманаке за iPS, то есть за «индуцированные плюрипотентные стволовые клетки», за открытие возможности сделать стволовые (молодые, не специализированные) клетки из разных «взрослых» клеток и потом из них вырастить самые разные ткани. И в том и в другом случае среди ученых был консенсус, что это очень важно, в том числе потому, что открывает перспективы технологического применения.
Но на самом деле первые попытки создания коммерческой, практичной в медицине системы редактирования генов относятся еще к 1990 годам. Компания Sangamo Therapeutics, которая базируется в Калифорнии (в ней работал наш соотечественник Федор Урнов) использовала технологию «цинковых пальцев». Эта технология использует тот факт, что специальные домены белков (содержащие в своем составе атомы цинка) могут узнавать определенные последовательности ДНК, и при соединении со специальным ферментом тоже могут точно разрезать ген в нужном месте. В Sangamo забирали у пациентов с ВИЧ Т-клетки (СД4-клетки, которые и являются мишенью вируса), редактировали их так, чтобы они были устойчивы к ВИЧ, а потом возвращали их в организм.
Прямо сейчас происходит мировая гонка в применении CRISPR и других технологий редактирования генома для терапии самых разных болезней. Дальше всего продвинулись в США и в Китае, но и в России есть группы, которые делают прорывные вещи. К ним можно отнести лаборатории Павла Волчкова, который в 2014 году вернулся в Россию из США, где был в самом центре главных событий — он работал в той самой гарвардской лаборатории, откуда вышли Intellia, создатель РНК-вакцины Moderna и другие ныне миллиардные корпорации. Павел Волчков рассказал «Эксперту», как устроены технологические прорывы в современной генетике, почему так сложно заниматься передовой наукой в России и какое будущее ждет человечество, когда новые технологии дозреют до массового применения.
Как делают прорывы
— Как вы оказались в гуще событий?
— Я работал в Гарварде у Деррика Росси, создателя знаменитой теперь компании Moderna, кроме того, он основал CRISPR Therapeutics и Intellia. Этот успех не может не заразить: на моих глазах лабораторные разработки стали многомиллиардным бизнесом. В нашей лаборатории была сделана работа по получению из фибробластов человека с помощью модифицированных РНК модифицированных индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.
Мы делали заделы по тем патентам, которые легли в основу этой компании, в том числе по модифицированным РНК, способам их доставки в организм. Мы в нашей лаборатории придумали использовать и псевдонуклеотиды для модификации РНК.
— А зачем в вакцине Moderna вместо настоящего нуклеотида уридина используют искусственный псевдоуридин? (РНК, как и ДНК, состоят из четырех нуклеотидов, «букв» генома.)
— ДНК, как и РНК, при определенных концентрациях токсичны для клеток. Клетка понимает, что если в цитоплазме слишком много РНК, то, скорее всего, это вирус, и включает клеточный иммунный ответ. Этот же механизм связан с различными аутоиммунными заболеваниями. Но если РНК модифицировать, клетка уже не уничтожает ее. Было опробовано огромное количество разных псевдонуклеотидов, одни оказались более эффективны, другие — менее эффективны. И делалось это тогда отчасти на ощупь, путем скрининга, потому что мы еще до конца не знали, как клетка «видит» чужие РНК и ДНК. Сейчас мы уже хорошо знаем, как работает клеточный иммунный ответ и на что он реагирует.
В результате этого опыта чистой наукой я больше не могу заниматься. Я понимаю, что можно достойно заниматься и чистой лабораторной наукой, но когда ты почувствовал вкус технологического и бизнес-прорыва…
— Бизнес и технологии способны менять мир прямо сейчас, а не когда-то потом...
— Именно. Вы не можете просто создавать знания, вы начинаете создавать технологии, которые меняют всё — нас самих, наш образ жизни, продолжительность жизни, качество жизни. То, что мы делаем, изменит человечество, то, как мы будем жить в последующие двести лет. Вернулся в Россию я с намерением сделать свою компанию.
— Почему надо было возвращаться, вы же были в самом эпицентре событий?
— В Америке вы не можете делать большой бизнес, если вы всего лишь постдок (исследователь, который защитил диссертацию, но еще не стал профессором. — «Эксперт»). Постдок — соавтор в статьях, но не более того, в лучшем случае вас сделают соавтором в патенте, но точно не обладателем его. Если ты хочешь делать свои компании, ты должен сделать шаг выше.
А у меня тогда было несколько предложений из России. Я выбрал одно из них, и оно оказалось крайне неудачным, потому что случился 2014 год, доллар скакнул — со всеми вытекающими.
Я пришел на Физтех, и меня тогда поддержали и администрация Физтеха, и компания «ХимРар». Но как делать свою компанию? Вы не можете компанию сделать на пустом месте. Вам нужна интеллектуальная собственность. Вы должны сделать какую-то базовую свою технологию, потому что ни один инвестор не готов будет в вас инвестировать альтруистически, без какого-то задела.
Впрочем, как раз в России инвесторы — это часто искренние люди со своей настоящей целью. В моем конкретном кейсе это человек, семья, у которых есть ребенок с генетическим заболеванием. Так был создан проект по созданию генной терапии генетической болезни сетчатки.
И сейчас ситуация перевернулась, от недостатка частного финансирования я пришел к тому, что мне порой приходится отказываться от инвестиций, я уже могу не потянуть инвестиции, в том числе потому, что у нас сейчас в России ужасный кадровый голод.
— Почему?
— Все, кто мог, ушли куда угодно, но только не в науку. Оставшись в науке в России, вы обрекаете себя на жуткую бюрократизацию процессов, потому что у нас большинство научных денег — государственные. А государственные деньги в России в целом высокотоксичные, их невозможно тратить эффективно. Пример. Как я в Америке закупал реагенты? Я к вечеру получал результаты (обычно поздно вечером), планировал на завтра эксперимент, заказывал реактивы, а на следующий день все, что, нужно уже было на моем столе. В России очень хорошие сроки поставки реагентов — восемь месяцев. Сначала согласования внутри организации, потом тендеры, потом условия поставки. Я не говорю про отчеты по грантам — это нереальный ужас. В России проще не тратить деньги на науку. Извините, но я должен это сказать: делать науку сейчас в России бессмысленно, проще деньгами топить электростанцию. Мы просто сильно проигрываем по скоростям из-за этой всей ерунды.
— А вы-то как работаете?
— Доклинические исследования на животной модели мы делаем в Австралии, клинические — в Соединенных Штатах. Зачем мы это делаем в Америке? Потому что нужны будут дополнительные инвестиции, чем дальше вы идете в клинические испытания, тем дороже стоит удовольствие, в среднем тратится от пятидесяти до ста миллионов долларов, чтобы пройти через клинические испытания и вывести препарат на рынок. Я гражданин России, но я все равно это делаю в Америке, потому в России невыгодно. И до тех пор, пока в России будет невыгодно, никто здесь реальные инновации делать не будет. Можно пытаться пройти через государственные инвестиции, но они, как я сказал, очень токсичны.
Тем не менее какие-то вещи в России можно делать. Мы пытаемся трансформировать реальность в России и своей основной работой, и тем, что пытаемся помочь изменить нормативное законодательство, потому что то, что сейчас существует, — это просто бред.
Как доставить ген
— Можно подробнее про сами ваши главные технологические продукты?
— Когда мы делали наш пионерский продукт, мы не хотели, как китайцы, просто копировать чужие патенты, и пришлось некоторые куски технологии покупать за существенные деньги. И мы очень быстро поняли, что нам нужны свои патентно-чистые технологии. И мы создали свою собственную систему доставки генетического материала в клетки на основе аденоассоциированных вирусов. Это дизайнерский искусственный непатогенный вирус, специально нами созданный для доставки генетического материала в клетки.
— И чем ваша система доставки уникальна?
— Пока мы это полностью не запатентовали все нюансы раскрывать сложно, но бегло могу пройтись. В принципе, возможны две стратегии. Можно было бы селекцией отобрать вирусы с полезными мутациями и таким образом получить более или менее приемлемую систему. Но мы выбрали наиболее продвинутый, биоинформационный путь. В частности, мы создаем нужные оболочечные белки, сначала предсказывая их структуру с помощью вычислительных систем. В этой задаче мы пересекаемся с компанией AlphaFold, это гугловский искусственный интеллект, которые может предсказывать, какой формы будет белок, исходя из последовательности кодирующего его гена.
— Зачем вам нужна структура белка при создании искусственного вирусного вектора-доставщика?
— Нужно, чтобы искусственный вирус эффективно собирался в правильный пространственный пазл.
— То есть у вашего вектора оболочечные белки, которых не бывает в природе?
— И их невозможно нейтрализовать существующими антителами.
— Но если вы часто будете делать генную терапию, иммунитет появится? И вы сделаете другой вектор?
— Это один из нюансов генной терапии. Если у вас совсем новый, необычный белок, значит, этот белок ваш организм никогда не видел, к нему может возникнуть иммунный ответ как на новую угрозу. Но с другой стороны, если у вас уже известный антиген, но против него уже есть антитела, тоже возникнет сильный ответ. Поэтому нам важно, чтобы наши вирусы и не вызывали неспецифический иммунный ответ, и чтобы к ним не было существующих антител. Надо, чтобы они были «невидимками». И это мы проектируем с помощью информационных технологий.
— А как убедиться, что ваши вирусы-невидимки не станут собственно патогенными вирусами?
— Мы поэтому и взяли в качестве исходной модели именно аденоассоциированный вирус. Эти вирусы максимально безопасны, это такой уникальный вирус, который не может вызвать болезни. Мы специально не делаем векторы из естественных патогенов, например из аденовирусов, лентивирусов, герпесвирусов и так далее по списку. Все это патогены. Аденоассоциированный вирус работает только в присутствии вирусов-помощников, аденовирусов, а без них не работает.
— У вас есть собственная технология доставки. А что и куда вы доставляете?
— Нужную нам ДНК в ядро клетки, туда, где и должна находиться ДНК. Без специального белка интегразы (хотя некоторые лекторы утверждают обратное, и мне стыдно за уровень знаний даже у некоторых биологов), она не может встроиться в геном, она существует в ядре в виде отдельной частицы, эписомы. Поэтому аденоассоциированные вирусы хорошо использовать для тканей, в которых клетки практически не обновляются, например сетчатки глаза или центральной нервной системы. Если клетка не делится, чужая ДНК так и остается в ее ядре, а если делится, то доставленная вами информация теряется.
— А если у вас меняется технологическая задача? И вам нужно доставлять в другие ткани и в другие клетки?
— Для этого у нас есть библиотека аденоассоциированных вирусов, у нас их охарактеризовано тысячи на разной стадии, хорошо охарактеризованы десятки. Мы можем делать огромное количество разных аденоассоциированных вирусов с разными свойствами. Собственно, в этом наше ключевое преимущество.
— Какие продукты у вас сейчас на подходе?
— Помимо нашей базовой платформы по доставке у нас есть геннотерапевтические проекты. Я уже сказал о генной терапии сетчатки. У нас есть проекты вместе с Центром эндокринологии, где помимо доставки мы используем и редактирование генома. В сетчатке это не нужно — ее клетки не регенерируют. А вот надпочечники, например, — это ткань, которая достаточно быстро обновляется. Если вы туда просто аденоассоциированным вирусом будете доставлять функциональную копию нужного вам гена (мы работаем с врожденной дисфункцией коры надпочечников, и для ее терапии нам нужно доставлять рабочий ген фермента 21-гидроксилазы, которая участвует в синтезе гормонов альдостерона и кортизола), то терапевтический эффект будет длиться всего шесть-восемь недель, пока не обновятся клетки надпочечников. Поэтому в данном случае наша стратегия не просто доставить ген в ядро, а все-таки отредактировать поломанный ген или вставить в клеточный геном его здоровую копию. Этим мы как раз занимаемся совместно с Центром эндокринологии и достигли хороших успехов в терапии врожденной дисфункции коры надпочечников (гиперплазии надпочечников). Это одно из самых распространенных генетических заболеваний, частота этого заболевания 1 к 10 000.
— На какой стадии разработка?
— Идет тестирование на животных. Мы привезли из Японии хорошую мышиную модель — мыши с таким же заболеванием. Но показанная пока эффективность — это эффективность только для мышей, биобезопасность показана тоже для мышиного генома. А мышиный геном от человеческого достаточно сильно отличается. Мы сейчас делаем химерную модель, мыши, но с человеческим куском генома вместо мышиного, и его уже редактируем — это более продвинутая модель нужна перед выходом на испытания.
— Вы еще говорили в интервью о вакцине против коронавируса.
— Мы можем часть своих векторов на основе аденоассоциированного вируса пустить под вакцины. Но речь идет о создании не одной вакцины, а целой платформы. И наша платформа может иметь свои плюсы. Стратегия «Спутника» в том, чтобы использовать для доставки S-гена два разных аденовируса, что уменьшает вероятность того, что вакцина не подействует из-за иммунного ответа...
— А на ассоциированный вектор вообще нет иммунного ответа?
— Да, и это понимаем далеко не только мы. О создании вакцины на основе аденоассоциированного вируса уже объявил Biocad. Мы тоже работаем в этом направлении, но у нас все на стадии лабораторной разработки. Понятно, что сейчас какое-то количество вакцин уже есть и нет необходимости сильно спешить, мы хотим сделать не просто хорошую, а собственную вакцину со своим чистым патентом. Сейчас мы упражняемся на SARS-CoV-2, но цель — платформенное решение практически для любых вакцин, причем на основе собственной платформы.
— Что еще у вас интересного на подходе?
— Проект борьбы со старением. У нас стареет все — кожа, внутренние органы, мозг. А еще у нас стареет иммунная система. Иммунная система у нас стареет, потому что мы (с точки зрения эволюции) и не должны были жить долго и счастливо, а должны были передать гены детям и умереть примерно в возрасте тридцати лет. Поэтому в человеке многие системы не «сделаны» в расчете на долгую жизнь.
За долгую жизнь мы сталкиваемся с самыми разными инфекциями. И если бы у нас сохранялись все иммунные клетки, которые боролись с ними, то кровь у нас в какой-то момент начала бы представлять собой густой гель. Поэтому часть Т- и B-клеток утилизируются, а некоторые клетки остаются — в них хранится память иммунитета. Когда мы рождаемся, у нас весь пул иммунных клеток «наивны», они никогда не видели свои мишени, когда мы молоды, у нас все еще много таких клеток. У нас в организме есть и система получения новых «наивных» Т-клеток в костном мозге. Но все равно по мере жизни в крови становится все больше клеток, которые помнят прошлые болезни, и все меньше наивных клеток, которые нужны для противодействия еще не известному врагу.
— Это и есть старение?
— Это и есть старение. Стареющая иммунная система эффективна в распознавании известных патогенов, но все менее эффективна в распознавании новых. Примерно в десять раз хуже старая иммунная система работает против новых инфекций, просто потому, что в старости мы используем существенно меньший пул «наивных» Т-клеток, чтобы из них сформировать новый иммунитет.
И главный вызов — обнаружение новых антигенов, которые возникают в результате мутаций при онкологических процессах. Мы эффективно с ними справляемся в течение нашей молодости, но очень плохо начинаем реагировать на эти вызовы с возрастом.
В связи с этим мы делаем платформу, которая могла бы восстанавливать нашу иммунную систему.
Мы уже сделали систему, которая нам позволяет из эмбриональных стволовых клеток или из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток получать предшественников Т-клеток, пре-Т-клетки. Это клетки, которые еще не вошли в тимус, но они достаточно зрелые, чтобы попасть именно в тимус, а не куда-нибудь еще. Вы можете в малых дозах их давать в вену, и у вас эти клетки окажутся в тимусе, и там запустится процесс дозревания их и правильной селекции Т-клеток. Таким образом мы можем восстанавливать пул «наивных» Т-клеток. Это во-первых. Во-вторых, мы можем проводить редактирование генома на стадии стволовых клеток, фактически сделать с будущими иммунными клетками, которые мы введем в организм, все то, что мы хотим, — например лечить аутоиммунные заболевания или делать их устойчивыми к разным патогенам.
— Это похоже на прорыв. Вы уже опубликовали это?
— Мы сейчас готовим публикацию, но, я думаю, это еще полгода займет, три месяца точно. У нас уже есть драфт статьи, мы понимаем, какие эксперименты нужно доделать, и это будет хорошая публикация. Есть еще нюансы с патентованием этого, поэтому публикацию мы можем и задержать — мы сначала должны приобрести необходимые патенты.
Будущее человечество
— Какие еще технологии на подходе в мире, которые могут изменить будущее человечества?
— В медицине мы пока крайне эгоистичны, мы — в смысле люди. Мы готовы лечить текущие заболевания, но у нас очень плохо с профилактикой. Человечество вообще ментально еще не готово платить за решение проблем, которые пока еще не возникли, но точно возникнут. Но сейчас мы всё больше и больше понимаем, что профилактика — это самое главное, ведь именно на этапе профилактики мы могли бы предотвращать многие заболевания. И я не говорю про здоровый образ жизни, про то, как нужно заниматься физкультурой и правильно питаться, это банальности. Это мы всегда знали, но всегда не делали почему-то.
Но мы уже сейчас можем предотвращать с помощью определенных технологий (это направление развивается в том числе в моей лаборатории) будущее развитие онкологии. Сначала животные в лаборатории у нас в принципе не будут болеть раком, а потом и люди, если мы дойдем до клинических испытаний.
— Тоже за счет работы с иммунитетом?
— Отчасти да. Но это начало, пионерские работы, я бы пока на этом подробно не останавливался. Но то, что мы сейчас уже можем делать на животных, — это фантастическая история.
Вообще, в движении к генетической профилактике на первом этапе нам должна помочь ранняя диагностика. А какая возможна максимально ранняя диагностика? Генетика родителей будущего ребенка! Это еще один пул проектов, которые мы делаем здесь, на Физтехе. Вы уже, наверное, поняли, что у нас очень много биоинформатики, много компьютеризации, машинного обучения.
Геном — это такая большая программа. Мы пытаемся разобраться, как наш геном работает. Один из способов разобраться — на семи миллиардах ныне живущих примеров. В человечестве есть много всего — люди с разными болезнями и разными их проявлениями. Накапливая эту информацию в большой базе данных и сопоставляя ее с генетической информацией, мы можем лучше понимать, как именно работает и разворачивается в организме человека его генетическая программа.
Понятно, есть простые случаи: один ген — одна болезнь, такие случаи мы умеем быстро находить и предсказывать со стопроцентной вероятностью. Но чаще всего все сложнее. Тем не менее любой генотип и соответствующий ему сложный фенотип (свойства организма как такового. — «Эксперт») можно делить на части и постепенно находить закономерности. В этом направлении мы работаем с целым рядом крупных частных партнеров, разрабатываем такие системы анализа совокупности генетических данных и метаданных о массах людей, которых мы можем вовлечь в исследования. На данный момент это уже миллионы, когда-нибудь это станет сотнями миллионов и миллиардами проанализированных случаев. И чем более тщательно мы медицинскую историю массы жизней будем собирать, тем легче будет строить прогнозы и назначать профилактику. Понятно, что эта система самообучающаяся и работает принцип снежного кома — по мере роста данных как снежный ком будут расти возможности предсказания.
Из футуристического много сказано о редактирование эмбрионов. У нас этим занимается Денис Ребриков (проректор Медицинского университета имени Н. И. Пирогова, глава лаборатории редактирования генома НМИЦ акушерства гинекологии и перинатологии имени В. И. Кулакова, он впервые создал лабораторный человеческий эмбрион, содержащий ген неуязвимости к ВИЧ. — «Эксперт»). Но чаще всего то, что мы давно делаем с животными, мы не можем начать делать с человеком. Почему? Потому что для животных 25 процентов или 50 процентов успеха — это нормально, это высокая эффективность. Для человека, когда безопасность и эффективность не близка к ста процентам, — это беда. Нужна высокая эффективность и низкие побочные эффекты. А мы пока еще далеко не там. Поэтому научное сообщество на данный момент считает недопустимым редактирование эмбриона.
Однако сейчас уже есть сопутствующие клеточные технологии, которые позволяют получать герминальные клетки, то есть клетки, из которых получаются сперматозоиды и яйцеклетки. Пока что плохо получаются, но тем не менее. А эти клетки вы без риска можете отредактировать и отобрать нужные — с нужным геном и без посторонних побочных эффектов. Можно же секвенировать весь геном этого клона и доказать, что в нем нет мутаций, которые могли бы вызвать побочный эффект.
Мы уже близки к тому, чтобы начать использовать такого рода технологии для редактирования и улучшения генома будущих детей. Это максимально профилактическая медицина. Мы уже сейчас понимаем, как сделать животных и людей, которые никогда не болели бы онкологией, которые никогда не болели бы определенными сердечно-сосудистыми заболеваниями, аутоиммунными заболеваниями. Мы можем уберечь будущее человечество от этих напастей.
— От чего тогда в будущем люди будут умирать?
— Наверное, у нас есть встроенная есть система старения, и мы уже тогда будем с ней бороться. Но для начала неплохо бы победить самые смертоносные заболевания, и мы уже сейчас понимаем, как это делать.
Тут вопрос, скорее, когда общество дозреет. Оно будет дозревать тем скорее, чем больше будет прогрессировать технология.
— Почему?
— Я слишком долго прожил в Америке, я знаю, что деньги решают очень многие вопросы. Как только инвесторы понимают, что возникла технологически зрелая штука, они начинают туда инвестировать, и параллельно они будут инвестировать в изменение законодательства — и общественного мнения. Я думаю, что рано или поздно мы как раз сместимся к полностью профилактической медицине, которая будет осуществляться на этапе планирования детей.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl