Генная терапия человека. Генетические заболевания - лечение в германии Виды генной терапии компенсация генетических дефектов

За свою относительно недолгую историю генная терапия претерпела и « взлеты и падения» : иногда ученые и практические врачи видели в ней чуть ли не панацею, а затем наступал период разочарования и скептицизма…
Идеи о возможности введения в организм генов с терапевтической целью были высказаны еще в начале 60-х годов минувшего столетия, однако реальные шаги были сделаны лишь в конце 80-х и были тесно связаны с международным проектом по расшифровке генома человека.

В 1990 г. была предпринята попытка генной терапии тяжелого, зачастую несовместимого с жизнью, наследственного иммунодефицита, вызванного дефектом в гене, кодирующем синтез фермента аденозиндезаминазы. Авторы исследования сообщили о четко выраженном терапевтическом эффекте. И хотя со временем возник ряд сомнений по поводу стойкости полученного эффекта и его конкретных механизмов, именно эта работа послужила мощнейшим толчком для развития генной терапии и привлекла многомиллиардные инвестиции.

Генная терапия — медицинский подход, основанный на введении в клетки генных конструкций для лечения различных заболеваний. Желаемый эффект достигается либо в результате экспрессии введенного гена, либо за счет подавления функции дефектного гена. Следует подчеркнуть, что целью генной терапии является не « лечение» генов как таковых, а лечение различных заболеваний с их помощью.

Как правило, в качестве « лекарственного препарата» используют фрагмент ДНК, содержащий необходимый ген. Это может быть просто « голая ДНК» , обычно в комплексе с липидами, белками и др. Но гораздо чаще ДНК вводят в составе специальных генетических конструкций (векторов), созданных на основе разнообразных вирусов человека и животных с помощью целого ряда генно-инженерных манипуляций. Например, из вируса удаляют гены, необходимые для его размножения. Это, с одной стороны, делает вирусные частицы практически безопасными, с другой, « освобождает место» для генов, предназначенных для введения в организм.

Принципиальным моментом генной терапии является проникновение генной конструкции в клетку (трансфекция), в подавляющем большинстве случаев — в ее ядро. При этом важно, чтобы генная конструкция достигла именно тех клеток, которые нужно « лечить» . Поэтому успешность генной терапии во многом зависит от выбора оптимального или, по крайней мере, удовлетворительного способа введения генных конструкций в организм.

С вирусными векторами ситуация более или менее предсказуема: они распространяются по организму и проникают в клетки подобно своим вирусам-предкам, обеспечивая достаточно высокий уровень органной и тканевой специфичности. Такие конструкции обычно вводят внутривенно, внутрибрюшинно, подкожно или внутримышечно.

Для « целевой доставки» невирусных векторов был разработан ряд специальных методов. Простейший метод доставки нужного гена в клетки in vivo — прямая инъекция генетического материала в ткань. Использование данного метода ограничено: инъекции можно делать только в кожу, тимус, поперечно-полосатые мышцы, некоторые плотные опухоли.

Другой способ доставки трансгена — баллистическая трансфекция. Она основана на « обстреле» органов и тканей микрочастицами тяжелых металлов (золото, вольфрам), покрытых фрагментами ДНК. Для « обстрела» используют специальную « генную пушку» .

При лечении заболеваний легких возможно введение генетического материала в дыхательные пути в виде аэрозоля.

Трансфекцию клеток можно также проводить ех vivo: клетки выделяют из организма, производят с ними генно-инженерные манипуляции, а затем вводят обратно в организм больного.

Лечим: наследственное …

На начальном этапе развития генной терапии ее основными объектами считались наследственные заболевания, вызванные отсутствием или недостаточной функцией одного гена, то есть моногенные. Предполагалось, что введение больному нормально функционирующего гена приведет к излечению от болезни. Неоднократно предпринимались попытки лечения « королевской болезни» — гемофилии, миодистрофии Дюшена, муковисцидоза.

Сегодня разрабатываются и испытываются методы генной терапии почти 30 моногенных заболеваний человека. Между тем, вопросов остается больше, чем ответов, а реальный терапевтический эффект в большинстве случаев не достигнут. Причинами этого, прежде всего, являются иммунная реакция организма, постепенное « затухание» функций введенного гена, а также невозможность добиться « адресного» встраивания переносимого гена в хромосомную ДНК.

Моногенным заболеваниям посвящены менее 10% исследований генной терапии, остальные же касаются ненаследственных патологий.

…и приобретенное

Приобретенные заболевания не связаны с врожденным дефектом в структуре и функции генов. Их генная терапия основывается на положении, что введенный в организм « терапевтический ген» должен привести к синтезу белка, который либо окажет лечебное действие, либо будет способствовать увеличению индивидуальной чувствительности к действию лекарственных средств.

Генная терапия может быть использована для предотвращения тромбообразования, восстановления сосудистой системы сердечной мышцы после инфаркта миокарда, профилактики и лечения атеросклероза, а также в борьбе с ВИЧ-инфекцией и онкологическими заболеваниями. Например, интенсивно развивается такой метод генной терапии опухолей, как повышение чувствительности опухолевых клеток к химиотерапевтическим препаратам, проводят клинические испытания с участием пациентов с плевральной мезотелиомой, раком яичников, глиобластомой. В 1999 г. был одобрен протокол лечения рака предстательной железы, подобраны безопасные дозы химиопрепаратов и продемонстрирован положительный лечебный эффект.

Безопасность и этика

Проведение генетических манипуляций с организмом человека предъявляет особые требования к безопасности: ведь любое введение в клетки чужеродного генетического материала может иметь отрицательныеотрицательные последствия. Неконтролируемое встраивание « новых» генов в те или иные участки генома больного может привести к нарушению функции « своих» генов, что, в свою очередь, может вызвать нежелательные изменения в организме, в частности образование раковых опухолей.

Помимо этого, негативные генетические изменения могут возникнуть в соматических и половых клетках. В первом случае речь идет о судьбе одного человека, где риск, связанный с генетической коррекцией несравнимо меньший, чем риск смертельного исхода от имеющегося заболевания. При введении же генных конструкций в половые клетки нежелательные изменения в геноме могут быть переданы будущим поколениям. Поэтому совершенно естественным представляется стремление запретить эксперименты по генетической модификации половых клеток не только из медицинских, но и из этических соображений.

Ряд морально-этических проблем связан с разработкой подходов к генному вмешательству в клетки развивающегося эмбриона человека, то есть с внутриматочной генной терапией (терапией in utero). В США возможность использования генной терапии in utero рассматривается только для двух тяжелейших генетических заболеваний: тяжелого комбинированного иммунодефицита, вызванного дефектом в гене фермента аденозиндезаминазы, и гомозиготной бета-талассемии — тяжелого наследственного заболевания, связанного с отсутствием всех четырех глобиновых генов или мутациями в них. Уже разработан и готовится к предварительным испытаниям ряд генных конструкций, доставка которых в организм, как предполагается, приведет к компенсации генетических дефектов и устранению симптомов этих болезней. Однако риск возникновения отрицательных генетических последствий таких манипуляций достаточно велик. Поэтому этичность внутриматочной генной терапии также остается спорной.

В январе этого года в США опять были временно запрещены эксперименты по генной терапии. Причиной стали опасные осложнения, возникшие у двух детей после генной терапии наследственного иммунодефицита. Несколько месяцев назад во Франции у одного из детей, считавшихся излеченными благодаря генной терапии, был обнаружен лейкозоподобный синдром. Эксперты не исключают, что именно использование в ходе терапии векторов на основе ретровирусов может быть причиной развития осложнений у детей. Теперь представители Управления по контролю пищевых продуктов и лекарственных препаратов (FDA) будут рассматривать вопрос о продолжении экспериментов по генной терапии в индивидуальном порядке, причем лишь в том случае, если других способов лечения заболевания не существует.

Не панацея, но — перспектива

Нельзя отрицать, что реальные успехи генной терапии в лечении конкретных больных довольно скромны, а сам подход все еще находится на стадии накопления данных и разработки технологий. Генная терапия не стала и, очевидно, никогда не станет панацеей. Регуляторные системы организма настолько сложны и так мало изучены, что простое введение гена в большинстве случаев не вызывает необходимого лечебного эффекта.

Однако при всем этом перспективность генной терапии трудно переоценить. Есть все основания надеяться на то, что прогресс в сфере молекулярной генетики и генно-инженерных технологий приведет к несомненным успехам в лечении заболеваний человека с помощью генов. И, в конце концов, генная терапия по праву займет свое место в практической медицине.

Судя по всему, генная терапия может получить несколько неожиданное применение. По прогнозам ученых, в 2012 г. состоятся Олимпийские игры, где выступят трансгенные суперспортсмены. « ДНК-допинг» даст несомненные преимущества
в развитии силы, выносливости и скорости. Можно не сомневаться, что в условиях жесткой спортивной конкуренции найдутся атлеты, готовые к генетической модификации, даже учитывая возможный риск, связанный с применением новой технологии.

Генная терапия - это лечение наследственных, ненаследственных, которое осуществляется путем введения в клетки пациента других генов. Целью терапии является устранение генных дефектов либо придание клеткам новых функций. Намного проще ввести в клетку здоровый, полноценно работающий ген, чем исправлять дефекты в имеющемся.

Генная терапия ограничивается исследованиями в соматических тканях. Это связано с тем, что любое вмешательство в половые и зародышевые клетки может дать совершенно непредсказуемый результат.

Применяемая в настоящее время методика эффективна при лечении как моногенных, так и мультифакториальных заболеваний (злокачественные опухоли, некоторые виды тяжелых сердечно-сосудистых, вирусных заболеваний).

Около 80% всех проектов генной терапии касаются ВИЧ-инфекции и В настоящее время ведутся исследования таких как гемофилия В, муковисцидоз, гиперхолестеринемия.

Лечение подразумевает:

· выделение и размножение отдельных типов клеток пациента;

· введение чужеродных генов;

· отбор клеток, в которых «прижился» чужеродный ген;

· вживление их больному (например, посредством переливания крови).

Генная терапия основывается на введении клонированных ДНК в ткани больного. Самыми эффективными методами при этом считаются инъекционные и аэрозольные вакцины.

Генная терапия работает в двух направлениях:

1. Лечение моногенных заболеваний. К ним относятся нарушения в работе головного мозга, которые связаны с какими-либо повреждениями клеток, которые вырабатывают нейромедиаторы.

2. Лечение Основные подходы, использующиеся в данной области:

· генетическое усовершенствование иммунных клеток;

· повышение иммунореактивности опухоли;

· блок экспрессии онкогенов;

· защита здоровых клеток от химиотерапии;

· ввод генов-супрессоров опухоли;

· производство противоопухолевых веществ здоровыми клетками;

· продукция противоопухолевых вакцин;

· локальное воспроизведение нормальных тканей при помощи антиоксидантов.

Использование генной терапии имеет много плюсов и в некоторых случаях является единственным шансом на нормальную жизнь для больных людей. Тем не менее, эта область науки до конца не изучена. Существует международный запрет на испытания на половых и доимплантационных зародышевых клетках. Это сделано с целью предотвращения нежелательных генных конструкций и мутаций.

Разработаны и общепризнанны некоторые условия, при которых допускаются клинические испытания:

Ген, перенесенный в клетки-мишени, должен быть активен продолжительное время.

В чужеродной среде ген должен сохранять свою эффективность.

Перенос гена не должен вызывать негативных реакций в организме.

Существует ряд вопросов, которые и сегодня остаются актуальными для многих ученых по всему миру:

Смогут ли ученые, работающие в области генной терапии, разработать полную генокоррекцию, которая не будет представлять угрозы потомству?

Будет ли необходимость и полезность генотерапевтической процедуры для отдельной супружеской пары превосходить риск этого вмешательства для будущего человечества?

Оправданы ли подобные процедуры, учитывая в будущем?

Каким образом будут соотноситься подобные процедуры на человеке с вопросами гомеостаза биосферы и общества?

В заключении можно отметить, что генетическая терапия на современном этапе предлагает человечеству пути лечения самых тяжелых заболеваний, которые совсем недавно считались неизлечимыми и смертельными. Однако, в то же время, развитие этой науки ставит перед учеными новые проблемы, которые необходимо решать уже сегодня.

Порядка двухсот миллионов жителей планеты являются потенциальными кандидатами для генной терапии, а несколько тысяч уже стали пациентами-пионерами и в рамках испытаний получили лечение от ранее неизлечимых заболеваний. Кандидат медицинских наук, врач-терапевт Лаборатории регенеративной медицины Медицинского центра МГУ, старший научный сотрудник Факультета фундаментальной медицины МГУ, победитель «Научных боев» Политеха - 2015 Павел Макаревич объяснил T&P, как работает генная терапия и с какими проблемами сталкиваются ученые, разрабатывая этот принципиально другой метод лечения многих серьезных болезней.

Павел Макаревич

200 миллионов потенциальных кандидатов - это очень много. До половины случаев, в которых помогает генная терапия, это наследственные заболевания: гемофилия, иммунодефициты, болезни накопления, энзимопатия, 25–30% случаев - это онкологические заболевания, оставшиеся 20% - все остальное: кардиология, неврология, болезни нервной системы и даже травмы, например повреждения нерва или другие, более тяжелые случаи. Такое распределение связано с тем, что наследственные заболевания протекают крайне тяжело и зачастую имеют летальный исход, и там нет другого лечения в принципе, за исключением генной терапии.

В качестве лечебного действующего вещества в генной терапии используется генетическая информация, а точнее молекулы, которые ее несут: нуклеиновые кислоты РНК (реже) и ДНК (чаще). В каждой клетке есть «ксерокс» - экспрессионный аппарат - механизм, с помощью которого клетка переводит генетическую информацию в белки, позволяющие ей правильно функционировать. То состояние, когда есть правильный ген и хорошо работающий «ксерокс» (который вообще-то должен работать всегда, иначе такая клетка нежизнеспособна), с точки зрения генной терапии можно условно назвать здоровьем клетки. В любой клетке есть полная библиотека этих оригиналов - генов, которые клетка использует для правильной экспрессии белков и нормального функционирования. При патологии возможны самые различные ситуации. Например, когда по какой-то причине потерян важный оригинал (ген) или большая его часть и восстановить такую потерю уже невозможно. В такой ситуации развиваются такие заболевания, как, например, миодистрофия Дюшенна, которая приводит к прогрессивному параличу всех мышц тела и заканчивается смертью в 25–27 лет - как правило, от остановки дыхания.

Другой пример - небольшая «поломка», не такая фатальная, но тем не менее приводящая к тому, что этот белок не работает - не выполняет своей биологической функции. И если это, например, VIII фактор свертывания крови, то у человека развивается гемофилия. В обеих этих ситуациях наша задача - доставить в ткань «нормальную», рабочую копию гена, то есть как бы подложить в этот «ксерокс» правильный оригинал, чтобы наладить работу клетки и, может быть, целого организма, продлевая таким образом ему жизнь. Работает ли это? Да, такие подходы эффективны в экспериментах на животных и уже проходят стадии клинических испытаний на пациентах, хотя следует признать, что трудностей на пути хватает.

Мы также разрабатываем подходы для лечения ишемических заболеваний, которые гораздо более распространены, чем наследственная патология, хотя, несомненно, для них существует и множество других способов лечения. Дело в том, что каждый человек, который болеет ишемической болезнью сердца или конечностей, рано или поздно оказывается в состоянии, когда единственным способом лечения для него может оказаться генная терапия.

С помощью генной терапии лечится большая группа заболеваний, связанных с поражением центральной нервной системы, - болезнь Паркинсона, Альцгеймер, боковой амиотрофический склероз. Существуют вирусы, которые имеют склонность атаковать центральную нервную систему, и это свойство можно использовать во благо. Например, вирус герпеса живет в нервах, и с его помощью в нервную систему можно доставлять факторы роста и цитокины, которые замедляют развитие этих заболеваний. Это как раз пример того, когда вирус, вызывающий заболевание, редактируется, лишается белков, отвечающих за его патогенное действие, и используется как кассета, а факторы роста защищают нейроны от гибели, которая происходит при этих заболеваниях и становится причиной гибели больного. Таким образом получается, что вирусы, несущие гены факторов роста, замедляют прогресс болезни и продлевают жизнь пациента.

Или, например, слепота - состояние, которое полностью лишает человека зрительных образов на всю жизнь. Одна из причин слепоты - так называемая врожденная атрофия Лебера, которая развивается из-за мутации в гене RPE 65. В мире сейчас уже около 80 людей обрели минимальные зрительные возможности благодаря генной терапии - модифицированному аденовирусу, который доставил «рабочий» RPE 65 в ткани глаза и повысил его чувствительность к свету.

Как мы доставляем генетическую информацию в ткани: локально, в конкретный орган, или сразу в весь организм? Есть два варианта. Первый - это плазмида, то есть кольцевая молекула ДНК. Она супер спирализуется, становится очень маленькой и компактной, и мы «упаковываем» ее в какой-нибудь химический полимер, чтобы облегчить ее проникновение в клетку. В чем здесь проблема? Плазмидная ДНК через 12–14 дней будет удалена из клетки, и продукция белка остановится. В такой ситуации мы можем предпринять два решения: первое - ввести дополнительную дозу плазмидной ДНК (благо она не иммуногенна), второе - ввести туда сразу несколько генов (например, для усиления эффектов цитокинов на регенерацию ткани), чтобы увеличить силу действия в тот короткий период времени, в течение которого будет идти продукция белков.

Другой выход (о нем мы уже упоминали выше) - это вирусы. Изначально вирусы - патогенные частицы, вызывающие заболевания, но в нашем случае они могут использоваться и для доставки генетической информации в клетки. С помощью методов генетической инженерии мы можем убрать у вируса белки, отвечающие за его патогенное действие, оставив ему лишь то, что необходимо для проникновения в клетку, и нагрузив нужной нам информацией. Тогда вирус из оружия превращается в кассету для доставки полезной, лечебной генетической информации.

Получается, что у нас есть два очень мощных способа доставки гена, и вирус явно выглядит более предпочтительным, потому что он сам может находить свои мишени в организме: например, вирус гепатита найдет печень, а вирус герпеса - нейроны. Плазмида, кольцевая ДНК, работает только там, куда ее ввели. Возникает вопрос: почему мы до сих пор вообще пользуемся плазмидами, если есть вирусы? Ответ такой: вирусы иммуногенны, они вызывают иммунный ответ. И, как вариант, они могут быть либо уничтожены иммунной системой до того, как успеют сработать, либо, как худший вариант, они могут вызывать побочные действия - мощные иммунные реакции на введение вируса. Получается очень хрупкий баланс между эффективностью и безопасностью, который определяет судьбу препаратов, которые мы разрабатываем, и, если препарат показал себя небезопасным на этапе разработки, это тупик.

Чтобы разработать, получить и протестировать новый препарат для генной терапии, лаборатория или даже целый институт должны работать несколько лет. Это, мягко говоря, недешево, пока это штучное производство, и протоколы, если они не спонсируются разработчиком, очень дорогие. Есть два или три препарата, зарегистрированных в Европе, один в Японии, в России пока только один - «Неоваскулген», препарат для стимуляции роста сосудов.

Препараты, которые используются для генной терапии, имеют не изученную ранее фармакокинетику, фармакодинамику. Вся проблема в том, что на данный момент об этом накоплено очень мало информации по сравнению с тем, сколько ее вокруг обычных препаратов. Это означает, что все риски, связанные с генной терапией, теоретически должны учитываться при разработках. Допустим, мы знаем, что не нужно испытывать тысячекратную дозу аспирина на практике, и мы этого не делаем. В отношении генной терапии, поскольку мы пока не знаем фармакокинетику (а значит, и многих особенностей действия препаратов), мы должны учитывать все существующие возможные эффекты, и это сильно растягивает исследование во времени.

Вторая проблема заключается в том, что каждый препарат имеет свой уникальный тип действия. Это означает, что нужно доказывать его безопасность и эффективность на уникальных моделях, а это тоже растягивает период, после которого можно сказать: «Да, лекарство может быть выведено в клинику или на рынок, и это безопасно». Поэтому я считаю, что это во многом вопрос времени и опыта человечества в этой области, который, как и в любом drug-девелопменте, будет накапливаться ценой больших проблем: остановленных исследований, побочных эффектов. Но я также знаю, что это вопрос затраченных усилий сотен исследователей и потенциальный способ помочь миллионам людей. В настоящее время уже накоплен опыт и извлечены некоторые уроки, которые помогают идти дальше.

Здоровье

Концепция замены дефективных генов здоровыми, которая стала активно приобретать научную оболочку еще в начале девяностых годов прошлого века , казалось, подарит надежду самым безнадежным больным. Однако с момента первого эксперимента по генной терапии, осуществленном в 1990-ом году, оптимизма у ученых несколько поубавилось – и все из-за определенных неудач и трудностей в реализации методов генной терапии. Однако возможности, которые предлагает генная терапия для лечения болезни Паркинсона, кистозного фиброза, различных видов рака, и многих других заболеваний, поистине безграничны. Именно поэтому ученые трудятся не покладая рук , стараясь преодолеть все возникающие у них на пути трудности, связанные с генотерапией.

Что такое генотерапия?

Так чем же является генная терапия на самом деле? Для того, чтобы ответить на данный вопрос, необходимо напомнить, что основной функцией генов в нашем организме является регулирование производства белков , необходимых для нормальной работы и здоровья всех клеток. Но некоторые генетические дефекты (изъяны в генах) мешают выполнению их главной функции, в той или иной степени препятствуя выработке белков. Целью же генной терапии (генотерапии) является замена дефективных генов здоровыми . Это поможет наладить воспроизводство соответствующего белка, а значит, человек будет излечен от определенной болезни.

Если рассматривать идеальный сценарий развития, клетки с подкорректированными молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) начнут делиться, производя, в свою очередь, множественные копии исправленного гена, что позволит организму избавиться от генетической аномалии и полностью излечиться. Однако введение здоровых генов в больные клетки (как и попытки исправить соответствующие отклонения) является крайне сложным процессом, который пока крайне редко приводил к успеху . Именно поэтому большинство современных исследований направлено на разработку безопасных и надежных механизмов введения генов в поврежденные клетки.

Виды генной терапии: терапия ex vivo и in vivo

Генная терапия, в зависимости от способа введения ДНК в геном пациента, может осуществляться либо в культуре клеток (ex vivo), либо непосредственно в организме (in vivo) . В случае с генной терапией ex vivo, клетки изымаются из организма пациента, генетически модифицируются, а затем вводятся обратно в организм индивидуума. Этот метод особенно полезен в лечении заболеваний крови, так как клетки крови можно довольно легко изъять и ввести обратно. Однако в случае с большинством других заболеваний, изъять клетки из организма и ввести обратно далеко не так просто. К примеру, в случае с заболеваниями сердца, обусловленными генетическими причинами , эффективным мероприятием является так называемая генная терапия in vivo, когда изменения генов осуществляются непосредственно в организме пациента. Для того чтобы проделать данную процедуру, генетическая информация доставляется непосредственно в клетку посредством вектора – молекулы нуклеиновой кислоты, используемой в генной инженерии для передачи генетического материала . В большинстве случаев, для того чтобы осуществить эту передачу, исследователи используют не опасные для здоровья и жизни вирусы.

Способы доставки в клетку генетической информации

Как показывают многочисленные исследования, использование различных вирусов является весьма эффективным решением, которое позволяет пробраться через имунную защиту организма , а затем инфицировать клетки, используя их для распространения вируса. Для осуществления данной процедуры, генные инженеры выбрали наиболее подходящие вирусы из группы ретровирусов и аденовирусов. Ретровирусы привносят генетическую информацию в виде рибонуклеиновой кислоты (РНК), молекулы, похожей на молекулу ДНК, которая помогает перерабатывать генетическую информацию, сохраненную в ДНК. Как только удается проникнуть вглубь так называемой клетки-мишени, из молекулы РНК получается копия молекулы ДНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией. Как только новая молекула ДНК оказывается присоединенной к клетке, все новые копии клеток будут содержать этот модифицированный ген.

Аденовирусы несут генетическую информацию сразу в виде ДНК, который доставляется в неделящуюся клетку. Хотя эти вирусы доставляют ДНК непосредственно в ядро клетки-мишени , ДНК не совмещается с геномом клетки. Таким образом, модифицированный ген и генетическая информация не передаются дочерним клеткам. Преимуществом генной терапии, проводимой с помощью аденовирусов, заключается в том, что существует возможность введения генов в клетки нервной системы и в слизистую оболочку дыхательных путей, опять же, посредством вектора. Кроме того, существует и третий метод генной терапии, осуществляемый посредством так называемых аденоассоциированных вирусов. Эти вирусы содержат относительно небольшое количество генетической информации , и их гораздо сложнее вывести, чем ретровирусы и аденовирусы. Однако преимущество аденоассоциированных вирусов заключается в том, что они не вызывают реакции иммунной системы человека.

Сложности, при использовании вирусов в генной терапии

Главная проблема, которая связана со способом доставки генетической информации в клетку посредством вирусов, заключается в том, что полностью проконтролировать соединение генов с клеткой-мишенью чрезвычайно сложно . Это может быть крайне опасно, так как не исключена так называемая экспрессия генов, которая способна превратить здоровые клетки в раковые. На данный момент времени, эта проблема является особенно насущной в работе с ретровирусами. Вторая проблема, решение которой пока невозможно организовать , заключается в том, что одной процедуры применения генной терапии, чаще всего, бывает недостаточно. Большинство генетических терапий необходимо время от времени повторять. И, в третьих, использование вирусов для доставки генетической информации в клетку, осложняется риском возникновения реакции иммунной системы организма. Это также является крайне серьезной проблемой, особенно в тех случаях, когда требуется неоднократное повторение процедуры генной терапии , так как организм пациента постепенно адаптируется и начинает все эффективнее бороться с вводимыми вирусами.

Генная терапия: исследования продолжаются

Если говорить об успехах, то на данный момент времени генетическая терапия является крайне эффективным мероприятием в лечении так называемого комбинированного иммунодефицита , сцепленного с X-хромосомой ген. С другой стороны, случаев успешного использования генотерапии для лечения данной болезни крайне мало. Кроме того, само лечение представляет собой рискованное мероприятие, так как способно вызвать у пациентов ряд симптомов, которые встречаются у людей, страдающих от лейкемии. Помимо данного заболевания, случаев использования генной терапии, которые были бы так же эффективны, очень и очень мало, хотя последние исследования и дают надежду на скорое использование генотерапии для лечения больных, страдающих от артрита, рака мозга, серповидно-клеточной анемии, расщелины сетчатки и от некоторых других состояний.

Получается, что о практическом применении генной терапии в медицине говорить еще очень рано. Тем не менее, исследователи продолжают искать способы безопасного и эффективного использования генной терапии , проведя большую часть экспериментов в живой ткани, перенесенной из организма в искусственную внешнюю среду. Среди этих экспериментов крайне интересными представляются исследования, в рамках которых ученые пытаются ввести в клетку-мишень искусственную, 47-ю хромосому. Недавние научные изыскания позволили ученым лучше разобраться в процессах, происходящих при внедрении молекулы РНК . Это позволило разработать механизм подавления транскрипции гена (так называемое выключение гена), который, возможно, принесет пользу в лечении болезни Гамильтона. Ученые сообщают также о том, что им удалось разработать способ доставки генетической информации в клетки мозга, чего раньше нельзя было осуществить с помощью вектора, так как данная молекула была чересчур велика для этой цели . Иными словами, исследования продолжаются, а это значит, что у человечества есть все шансы научиться бороться с заболеваниями посредством использования методов генной терапии.

Обратите внимание!

Эта работа представлена на конкурс научно-популярных статей в номинации «Лучший обзор».

Смертельные клешни

Человечество столкнулось с этой загадочной болезнью еще до нашей эры. Ее пытались понять и лечить ученые мужи в самых различных уголках мира: в Древнем Египте - Еберс, в Индии - Сушрута, Греции - Гиппократ. Все они и многие другие медики вели борьбу с опасным и серьезным противником - раком. И хоть эта битва продолжается до сих пор, сложно определить, есть ли шансы на полную и окончательную победу. Ведь чем больше мы изучаем болезнь, тем чаще возникают вопросы - можно ли полностью излечить рак? Как избежать болезни? Можно ли сделать лечение быстрым, доступным и недорогим?

Благодаря Гиппократу и его наблюдательности (именно он увидел сходство опухоли и щупалец рака) в древних врачебных трактатах появился термин карцинома (грец. carcinos) или рак (лат. cancer). В медицинской практике по-разному классифицируют злокачественные новообразования: карциномы (из эпителиальных тканей), саркомы (из соединительной, мышечной тканей), лейкемия (в крови и костном мозге), лимфомы (в лимфатической системе) и другие (развиваются в других типах клеток, например, глиома - рак головного мозга). Но в быту более популярен термин «рак», который подразумевает любую злокачественную опухоль.

Мутации: погибнуть или жить вечно?

Многочисленные генетические исследования выявили, что возникновение раковых клеток - это результат генетических изменений. Ошибки в репликации (копировании) и репарации (исправлении ошибок) ДНК приводят к изменению генов, в том числе и контролирующих деление клетки. Основными факторами, которые способствуют повреждению генома, а в дальнейшем - приобретению мутаций, - являются эндогенные (атака свободных радикалов, образующихся в процессе обмена веществ, химическая нестабильность некоторых оснований ДНК) и экзогенные (ионизирующее и УФ-излучение, химические канцерогены). Когда мутации закрепляются в геноме, они способствуют трансформации нормальных клеток в раковые. Такие мутации в основном случаются в протоонкогенах, которые в норме стимулируют деление клетки. В результате может получиться постоянно «включенный» ген, и митоз (деление) не прекращается, что, фактически, означает злокачественное перерождение. Если же инактивирующие мутации происходят в генах, которые в норме ингибируют пролиферацию (гены-супрессоры опухолей), контроль над делением утрачивается, и клетка становится «бессмертной» (рис. 1).

Рисунок 1. Генетическая модель рака: рак толстой кишки. Первый шаг - потеря или инактивация двух аллелей гена АРS на пятой хромосоме. В случае семейного рака (familiar adenomatous polyposis, FAP) одна мутация гена АРС наследуется. Потеря обоих аллелей ведет к образованию доброкачественных аденом. Последующие мутации генов на 12, 17, 18 хромосомах доброкачественной аденомы могут привести к трансформации в злокачественную опухоль. Источник: .

Очевидно, что развитие определенных видов рака включают в себя изменение большинства или даже всех этих генов и может проходить различными путями. Из этого следует, что каждую опухоль следует рассматривать как биологически уникальный объект. На сегодняшний день существуют специальные генетические информационные базы по раку, содержащих данные о 1,2 млн. мутаций из 8207 образцов тканей, относящихся к 20 видам опухолей: атлас Ракового Генома (Cancer Genome Atlas) и каталог соматических мутаций при раке (Catalogue of Somatic Mutations in Cancer (COSMIC)) .

Результатом сбоя работы генов становится неконтролируемое деление клеток, а на последующих стадиях - метастазирование в различные органы и части тела по кровеносным и лимфатическим сосудам. Это достаточно сложный и активный процесс, который состоит из нескольких этапов. Отдельные раковые клетки отделяются от первичного очага и разносятся с кровью по организму. Затем с помощью специальных рецепторов они прикрепляются к эндотелиальным клеткам и экспрессируют протеиназы, которые расщепляют белки матрикса и образуют поры в базальной мембране. Разрушив внеклеточный матрикс, раковые клетки мигрируют вглубь здоровой ткани. За счет аутокринной стимуляции они делятся, образуя узел (1–2 мм в диаметре). При недостатке питания часть клеток в узле погибает, и такие «дремлющие» микрометастазы могут достаточно долго оставаться в тканях органа в латентном состоянии. В благоприятных условиях узел разрастается, в клетках активируются ген фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и фактора роста фибробластов (FGFb), а также инициируются ангиогенез (формирование кровеносных сосудов) (рис. 2).

Однако клетки вооружены специальными механизмами, защищающими от развития опухолей:

Традиционные методы и их недостатки

Если системы защиты организма не справились, и опухоль все-таки начала развиваться, спасти может только вмешательство медиков. На протяжении длительного периода врачами используются три основные «классические» терапии:

• хирургическая (полное удаление опухоли). Используется, когда опухоль имеет небольшие размеры и хорошо локализована. Также удаляют часть тканей, которые контактируют со злокачественным новообразованием. Метод не применяется при наличии метастазов;
• лучевая - облучение опухоли радиоактивными частицами для остановки и предотвращения деления раковых клеток. Здоровые клетки тоже чувствительны к этому излучению и часто погибают;
• химиотерапия - используются лекарства, тормозящие рост быстро делящихся клеток. Лекарства оказывают негативное воздействие и на нормальные клетки.

Вышеописанные подходы не всегда могут избавить больного от рака. Часто при хирургическом лечении остаются единичные раковые клетки, и опухоль может дать рецидив, а при химиотерапии и лучевой терапии возникают побочные эффекты (снижение иммунитета, анемия, выпадение волос и др.), которые приводят к серьезным последствиям, а часто и к смерти пациента. Тем не менее, с каждым годом улучшаются традиционные и появляются новые методы лечения, которые могут победить рак, такие как биологическая терапия, гормональная терапия, использование стволовых клеток, трансплантация костного мозга, а также различные поддерживающие терапии. Наиболее перспективной считается генная терапия, так как она направлена на первопричину рака - компенсацию неправильной работы определенных генов.

Генная терапия как перспектива

По данным PubMed, интерес к генной терапии (ГТ) раковых заболеваний стремительно растет, и на сегодняшний день ГТ объединяет ряд методик, которые оперируют с раковыми клетками и в организме (in vivo ) и вне его (ех vivo ) (рис. 3).

Рисунок 3. Две основные стратегии генной терапии. Еx vivo - генетический материал с помощью векторов переносится в клетки, выращиваемые в культуре (трансдукция), а затем трансгенные клетки вводят реципиенту; in vivo - введение вектора с нужным геном в определенную ткань или орган. Картинка из .

Генная терапии іn vivo подразумевает перенос генов - введение генетических конструкций в раковые клетки или в ткани, которые окружают опухоль . Генная терапия ех vivo состоит из выделения раковых клеток из пациента, встраивания терапевтического «здорового» гена в раковый геном и введения трансдуцированных клеток обратно в организм пациента. Для таких целей используются специальные векторы, созданные методами генной инженерии. Как правило, это вирусы, которые выявляют и уничтожают раковые клетки, при этом оставаясь безвредными для здоровых тканей организма, или невирусные векторы.

Вирусные векторы

В качестве вирусных векторов используют ретровирусы, аденовирусы, аденоассоциированные вирусы, лентивирусы, вирусы герпеса и другие. Эти вирусы отличаются по эффективности трансдукции, по взаимодействию с клетками (распознавание и заражение) и ДНК. Главным критерием является безопасность и отсутствие риска неконтролируемого распространения вирусной ДНК: если гены вставляются в неправильном месте генома человека, они могут создать вредные мутации и инициировать развитие опухоли. Также важно учитывать уровень экспрессии перенесенных генов, чтобы предотвратить воспалительные или иммунные реакции организма при гиперсинтезе целевых белков (Таблица 1).

Невирусные векторы

Для переноса трансгенных ДНК также применяют невирусные векторы. Полимерные переносчики лекарственных средств - конструкции из наночастиц - используются для доставки препаратов с низкой молекулярной массой, например, олигонуклеотидов, пептидов, миРНК. Благодаря небольшим размерам, наночастицы поглощаются клетками и могут проникать в капилляры, что очень удобно для доставки «лечебных» молекул в самые труднодоступные места в организме. Данная техника часто используется для ингибирования ангиогенеза опухоли. Но существует риск накопления частиц в других органах, например, костном мозге, что может привести к непредсказуемым последствиям . Самыми популярными невирусными методами доставки ДНК являются липосомы и электропорация.

Синтетические катионные липосомы в настоящее время признаны перспективным способом доставки функциональных генов. Положительный заряд на поверхности частиц обеспечивает слияние с отрицательно заряженными клеточными мембранами. Катионные липосомы нейтрализуют отрицательный заряд цепи ДНК, делают более компактной ее пространственную структуру и способствуют эффективной конденсации. Плазмидно-липосомный комплекс имеет ряд важных достоинств: могут вмещать генетические конструкции практически неограниченных размеров, отсутствует риск репликации или рекомбинации, практически не вызывает иммунного ответа в организме хозяина. Недостаток этой системы состоит в низкой продолжительности терапевтического эффекта, а при повторном введении могут появляться побочные эффекты .

Электропорация является популярным методом невирусной доставки ДНК, довольно простым и не вызывающим иммунного ответа. С помощью индуцированных электрических импульсов на поверхности клеток образуются поры, и плазмидные ДНК легко проникают во внутриклеточное пространство . Генная терапия іn vivo с использованием электропорации доказала свою эффективность в ряде экспериментов на мышиных опухолях. При этом можно переносить любые гены, например, гены цитокинов (IL-12) и цитотоксические гены (TRAIL), что способствует развитию широкого спектра терапевтических стратегий. Кроме того, этот подход может быть эффективным для лечения и метастатических, и первичных опухолей .

Выбор техники

В зависимости от типа опухоли и ее прогрессии, для пациента подбирается наиболее эффективная методика лечения. На сегодняшний день разработаны новые перспективные техники генной терапии против рака, среди которых онколитическая вирусная ГТ, пролекарственная ГТ (prodrug therapy), иммунотерапия, ГТ с использованием стволовых клеток.

Онколитическая вирусная генная терапия

Для этой методики используются вирусы, которые с помощью специальных генетических манипуляций становятся онколитическими - перестают размножаться в здоровых клетках и воздействуют только на опухолевые. Хорошим примером такой терапии является ONYX-015 - модифицированный аденовирус, который не экспрессирует белок Е1В. При отсутствии этого белка вирус не может реплицироваться в клетках с нормальным геном p53 . Два вектора, сконструированных на базе вируса простого герпеса (HSV-1) - G207 и NV1020 - также несут в себе мутации нескольких генов, чтобы реплицироваться только в раковых клетках . Большим преимуществом техники является то, что при проведении внутривенных инъекций онколитические вирусы разносятся с кровью по всему организму и могут бороться с метастазами. Основные проблемы, которые возникают при работе с вирусами - это возможный риск возникновения иммунного ответа в организме реципиента, а также неконтролируемое встраивание генетических конструкций в геном здоровых клеток, и, как следствие, возникновение раковой опухоли.

Геноопосредованная ферментативная пролекарственная терапия

Базируется на введении в опухолевую ткань «суицидных» генов, в результате работы которых раковые клетки погибают. Данные трансгены кодируют ферменты, активирующие внутриклеточные цитостатики, ФНО-рецепторы и другие важные компоненты для активации апоптоза. Суицидная комбинация генов пролекарства в идеале должна соответствовать следующим требованиям : контролируемая экспрессия гена; правильное превращение выбранного пролекарства в активное противораковое средство; полная активация пролекарства без дополнительных эндогенных ферментов.

Минус терапии состоит в том, что в опухолях присутствуют все защитные механизмы, свойственные здоровым клеткам, и они постепенно адаптируются к повреждающим факторам и пролекарству. Процессу адаптации способствует экспрессия цитокинов (аутокринная регуляция), факторов регуляции клеточного цикла (отбор самых стойких раковых клонов), MDR-гена (отвечает за восприимчивость к некоторым медикаментам).

Иммунотерапия

Благодаря генной терапии, в последнее время начала активно развиваться иммунотерапия - новый подход для лечения рака с помощью противоопухолевых вакцин. Основная стратегия метода - активная иммунизация организма против раковых антигенов (ТАА) с помощью технологии переноса генов [?18].

Главным отличием рекомбинантных вакцин от других препаратов является то, что они помогают иммунной системе пациента распознавать раковые клетки и уничтожать их. На первом этапе раковые клетки получают из организма реципиента (аутологичные клетки) или из специальных клеточных линий (аллогенные клетки), а затем выращивают их в пробирке. Для того чтобы эти клетки могли узнаваться иммунной системой, вводят один или несколько генов, которые производят иммуностимулирующие молекулы (цитокины) или белки с повышенным количеством антигенов. После этих модификаций клетки продолжают культивировать, затем проводят лизис и получают готовую вакцину.

Широкое разнообразие вирусных и невирусных векторов для трансгенов позволяет экспериментировать над различными типами иммунных клеток (например, цитотоксическими Т-клетками и дендритными клетками) для ингибирования иммунного ответа и регрессии раковых клеток. В 1990-х годах было высказано предположение, что опухолевые инфильтрирующие лимфоциты (TIL) являются источником цитотоксических Т-лимфоцитов (CTL) и естественных киллеров (NK) для раковых клеток . Так как TIL можно легко манипулировать ех vivo , они стали первыми генетически модифицированными иммунными клетками, которые были применены для противораковой иммунотерапии . В Т-клетках, изъятых из крови онкобольного, изменяют гены, которые отвечают за экспрессию рецепторов для раковых антигенов. Также можно добавлять гены для большей выживаемости и эффективного проникновения модифицированных Т-клеток в опухоль. С помощью таких манипуляций создаются высокоактивные «убийцы» раковых клеток .

Когда было доказано, что большинство видов рака имеют специфические антигены и способны индуцировать свои защитные механизмы , была выдвинута гипотеза, что блокировка иммунной системы раковых клеток облегчит отторжение опухоли. Поэтому для производства большинства противоопухолевых вакцин в качестве источника антигенов используют опухолевые клетки пациента или специальные аллогенные клетки. Основные проблемы иммунотерапии опухолей - вероятность возникновения аутоиммунных реакций в организме больного, отсутствие противоопухолевого ответа, иммуностимуляция роста опухоли и другие.

Стволовые клетки

Мощным инструментом генной терапии является использование стволовых клеток в качестве векторов для передачи терапевтических агентов - иммуностимулирующих цитокинов, «суицидных» генов, наночастиц и антиангиогенных белков . Стволовые клетки (СК), кроме способности к самообновлению и дифференцировке, имеют огромное преимущество по сравнению с другими транспортными системами (нанополимерами, вирусами): активация пролекарства происходит непосредственно в опухолевых тканях, что позволяет избежать системной токсичности (экспрессия трансгенов способствует разрушению только раковых клеток). Дополнительным позитивным качеством является «привилегированное» состояние аутологичных СК - использованные собственных клеток гарантирует 100%-совместимость и повышает уровень безопасности процедуры . Но все же эффективность терапии зависит от правильной ех vivo передачи модифицированного гена в СК и последующего переноса трансдуцированных клеток в организм пациента. Кроме того, прежде чем применять терапию в широких масштабах, нужно детально изучить все возможные пути трансформации СК в раковые клетки и разработать меры безопасности для предупреждения канцерогенного преобразования СК.

Заключение

Если подвести итоги, можно с уверенностью говорить, что наступает эпоха персонализированной медицины, когда для лечения каждого онкобольного будет подбираться определенная эффективная терапия. Уже разрабатываются индивидуальные программы лечения, которые обеспечивают своевременный и правильный уход и приводят к значительному улучшению состояния пациентов. Эволюционные подходы для персонализированной онкологии, такие как геномный анализ, производство таргетных препаратов, генная терапия рака и молекулярная диагностика с использованием биомаркеров уже приносят свои плоды .

Особенно перспективным методом лечения онкозаболеваний является генная терапия. На данный момент активно проводятся клинические испытания, которые часто подтверждают эффективность ГТ в тех случаях, когда стандартное противораковое лечение - хирургия, лучевая терапия и химиотерапия - не помогает. Развитие инновационных методик ГТ (иммунотерапии, онколитической виротерапии, «суицидной» терапии и др.) сможет решить проблему высокой смертности от рака, и, возможно, в будущем диагноз «рак» не будет звучать приговором.

Рак: узнать, предупредить и устранить болезнь.

Литература

1. Уильямс С. Клаг, Майкл Р.Каммингм. Мир биологии и медицины. Основы генетики. Москва: Техносфера, 2007. - 726 с;
2. Биоинформатика: большие БД против «большого Р» ;
3. Cui H., Cruz-Correa M. et al. (2003).