У ученых появились инструменты для прямого изменения генетики человека, а это значит, что теперь мы можем лечить болезни, отредактировав несколько нитей проблемной ДНК. Это стало возможным благодаря технологии редактирования генов CRISPR, создатели которой получили Нобелевскую премию по химии в 2020 году.

Сама возможность редактирования генов существует уже более 30 лет, но CRISPR позволяет изменять геномы быстрее, дешевле и точнее, чем прежде. В декабре прошлого года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило первую в истории терапию на основе CRISPR, предназначенную для лечения серповидно-клеточной болезни. В феврале соответствующая терапия получила одобрение и в Евросоюзе. Но есть и весьма неожиданные препятствия для максимального использования потенциала CRISPR в разработке новых методов лечения.

Разработка эффективных генных терапий зависит от расширения наших знаний о геноме человека. Ученым давно известно, что определенные генетические мутации, нарушающие обычные функции клеток, могут вызывать развитие рака, и разрабатывают лекарства, нейтрализующие эти мутации. Технология генетического секвенирования ускорила этот прогресс, позволив исследователям анализировать генетику образцов опухолей, полученных от онкологических пациентов после участия в клинических испытаниях, чтобы понять, почему некоторые люди реагируют на лекарство лучше, чем другие.

В ходе клинических испытаний препарата для лечения колоректального рака исследователи ретроспективно обнаружили: опухоли с мутацией в гене KRAS (который регулирует рост клеток) не отвечают на лечение. В результате теперь клиницистов просят подтверждать отсутствие мутации в гене KRAS у пациентов, прежде чем назначать им этот препарат. Были разработаны новые препараты, направленные на борьбу с мутациями в гене KRAS.

Технология основана на уникальной особенности бактериальной иммунной системы, которая используется организмом для защиты от вирусов. CRISPR встречается в бактериях естественным образом (название — сокращение от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats: кластерные регулярно чередующиеся короткие палиндромные повторы), оно функционирует как база данных «фотороботов» бактерий, содержащая фрагменты генетического кода чужеродных вирусов, которые пытались вторгнуться в организм в прошлом. При возникновении новых инфекций бактерии запускают сегменты РНК, которые сканируют вирусную ДНК на предмет совпадения с «фотороботом». Затем отправляются специальные белки, которые измельчают вирус и нейтрализуют его. Чтобы превратить CRISPR в биотехнологическую платформу, этот комплекс белок-РНК был адаптирован из бактерий и внедрен в клетки человека и животных, где он оказался столь же эффективным в поиске и отрезании нитей ДНК.

Использование CRISPR на людях требует некоторых корректировок. Например, ученые должны научить систему искать информацию в человеческой ДНК, а это значит, что ей потребуется иная «база данных», чем та, которая изначально была нужна бактериям. Для использования этого процесса крайне важна искусственная РНК, так называемая направляющая РНК. Она разработана таким образом, чтобы соответствовать генам, обнаруженным у человека. Теоретически, направляющие РНК ищут и находят определенную последовательность ДНК, связанную с конкретным заболеванием. Специальный белок, прикрепленный к направляющей РНК, действует подобно молекулярным ножницам, отрезая проблемный ген.

Серповидноклеточной анемией страдает примерно 20 миллионов человек по всему миру, а вызвана она вызвана мутацией в одном гене, что делает ее более простой для изучения. При серповидноклеточной болезни генетическая мутация искажает форму гемоглобина — белка, который помогает красным кровяным тельцам переносить и доставлять кислород от легких к тканям всего организма. У людей с серповидно-клеточной болезнью красные кровяные тельца выглядят как серпы, а не как обычные диски. В результате они могут застрять в кровеносных сосудах, блокируя кровоток и вызывая такие проблемы, как боль, инсульт, инфекции и смерть. В начале 1990-х годов врачи заметили, что пациенты с серповидно-клеточной анемией, имеющие более высокий уровень фетального гемоглобина, живут дольше. Серия геномных исследований ассоциаций, проведенных в 2008 году, указала на ген BCL11A как на возможную мишень для терапевтических препаратов. Эти исследования ассоциаций устанавливают взаимосвязь между конкретными генами и заболеваниями, определяя кандидатов для редактирования генов CRISPR.

Новый метод лечения, который называется Casgevy и разработан компанией Vertex Pharmaceuticals, нацелен на ген под названием BCL11A. Инактивация этого гена останавливает производство мутировавшей формы гемоглобина и увеличивает производство нормального фетального гемоглобина без накипи, который у людей обычно перестает вырабатываться после рождения. Из 45 пациентов, получавших Casgevy с начала испытаний, 28 смогли продержаться достаточно долго, чтобы проанализировать результаты, сообщили, что у них не было сильных болевых кризов. Когда лечение выходит за пределы клинических условий, его точный эффект может меняться. И если базовый набор данных не отражает разнообразия популяции пациентов, то генная терапия, полученная на их основе, может работать по-разному для каждого человека.

Серповидно-клеточная болезнь — относительно простое заболевание, которое изучается уже долгое время. Генетическая мутация, вызывающая его, была обнаружена в 1956 году. Но, по иронии судьбы, та самая группа населения, которая может получить наибольшую пользу от Casgevy, может упустить все преимущества будущих прорывных методов лечения. Ученые, разрабатывающие CRISPR-методы лечения, полагаются на так называемый референсный геном, который представляет собой составное изображение «нормального» генома человека и может быть использован для определения генов, представляющих интерес для лечения заболевания. Однако большинство доступных эталонных геномов представляют белых европейцев. Это проблема, потому что ДНК не всех людей идентична. Например, недавнее секвенирование геномов африканцев показало, что в них на 10 % больше ДНК, чем в стандартном эталонном геноме, доступном исследователям. Исследователи предполагают: это связано с тем, что большинство современных людей вышло из Африки. По мере расхождения и сближения популяций возникали генетические узкие места, что приводило к потере генетических вариаций по сравнению с исходной популяцией.

Большинство широкогеномных ассоциативных исследований также необъективны, так как в них много данных от белых людей и мало от черных и азиатов. Таким образом, хотя эти исследования могут помочь выявить важные гены, которые могут привести к эффективному лечению населения, чьи гены составляют большинство справочных данных, то есть белых людей, те же самые методы лечения могут не работать столь же хорошо для небелых групп населения. В случае с печально известным геном рака молочной железы BRCA1, где одна генная мутация может иметь серьезные клинические последствия и связана с повышенным риском развития рака, основные мутации в гене отличаются у людей разного происхождения. Эти различия, большие или маленькие, могут иметь значение. Хотя подавляющее большинство человеческих геномов одинаковы, небольшая часть букв, составляющих наши гены, может отличаться от человека к человеку и от популяции к популяции, что потенциально может иметь серьезные медицинские последствия. Иногда во время секвенирования обнаруживаются генетические вариации неизвестного значения. Эти варианты могут быть клинически важными, но из-за отсутствия разнообразия в предыдущих исследовательских популяциях никто не изучал их достаточно тщательно, чтобы понять их влияние.

Эти ограничения затрагивают ученых как на начальном, так и на последующих этапах разработки. Для исследователей, использующих технологию CRISPR в доклинической работе, отсутствие разнообразия в базах данных геномов может затруднить выявление возможного негативного влияния таких генетических вариаций на разрабатываемые ими методы лечения.

Рекомендуем почитать:

Исследователи из МТИ и Гарварда начали разрабатывать проект, целью которого было изучение различий в генетических моделях опухолей пациентов-европейцев по сравнению с пациентами-африканцами. CRISPR стал универсальным инструментом, который можно было использовать не только для лечения, но и для диагностики и фундаментальных исследований. Как оказалось, люди разного происхождения по-разному реагируют на лечение рака: у африканцев результат хуже, чем у европейцев.

Когда команда ученых попыталась разработать направляющие CRISPR, они обнаружили, что их направляющие совпадают с геномами клеток людей с европейским и восточноазиатским происхождением, чьи образцы составляют большую часть эталонного генома, но не с клетками людей южноазиатского или африканского происхождения, которые гораздо меньше представлены в базах данных. В сочетании с другими ошибками в данных, используемых в исследованиях рака, несоответствие направляющих РНК усложнило изучение биологии опухолей неевропеоидных пациентов. Генетические различия между группами предков не только влияют на то, будет ли технология CRISPR работать вообще, но и могут привести к непредвиденным побочным эффектам, когда инструмент делает разрезы в местах, выходящих за пределы предполагаемой генетической цели. Одним из таких побочных эффектов может быть рак.

Чтобы лучше предсказать возможные нецелевые правки, ученые разработали инструмент под названием CRISPRme, который делает прогнозы на основе индивидуальных и популяционных вариаций в генетике. Чтобы проверить его, ученые изучили направляющую РНК, используемую для лечения серповидно-клеточной болезни, и обнаружили внецелевую правку, присутствующую в клетках, полученных от африканского пациента.

В данный момент неизвестно, имеет ли обнаруженная инструментом CRISPRme внецелевая правка какие-либо негативные последствия. Когда FDA одобрило терапию серповидно-клеточной анемии, регуляторы потребовали провести постмаркетинговое исследование для изучения внецелевых эффектов. Любые внецелевые правки, влияющие на кровь человека, должны быть легко обнаружены в клетках крови, а взять кровь проще, чем, например, собрать клетки из внутреннего органа. Генетический вариант, при котором произошел нецелевой эффект, встречается примерно у каждого десятого человека с африканскими корнями.

Одним из перспективных кандидатов для будущей CRISPR-терапии является ген, выделяющийся при заболеваниях почек: APOL1. Исследователи выявили этот ген, когда изучали риск развития заболеваний почек у черных американцев. В то время как исследования геномных ассоциаций выявили тысячи отдельных генов, повышающих риск у людей европейского происхождения, у афроамериканцев этот единственный ген был ответственен за 3–5-кратное повышение риска развития заболеваний почек. Вариант APOL1 распространен среди афроамериканцев, потому что он защищает людей от развития африканской сонной болезни, которую распространяет муха цеце, обитающая на большей части континента. Это похоже на историю с мутацией серповидных клеток, которая может защитить людей от малярии.

Этот вариант также предрасполагает к развитию сердечно-сосудистых заболеваний, высокого кровяного давления и болезней, связанных с Covid, что, вероятно, объясняет, почему у афроамериканцев во время пандемии Covid было больше смертей, чем у белых американцев.

В настоящее время изучается возможность применения CRISPR-терапии для лечения заболеваний почек, но использование этого инструмента сопряжено с определенными сложностями. Удаление гена APOL1 вызовет иммунную реакцию, поэтому придется как-то предотвратить нежелательные побочные эффекты или найти родственный, но редактируемый ген, как это было сделано с серповидно-клеточной анемией. Альтернативная стратегия на основе РНК, использующая CRISPR, также находится в разработке. Прежде чем превратиться в белок, ДНК должна быть транскрибирована в последовательность мессенджерной РНК. Вместо того чтобы постоянно изменять геном, РНК-редактирование изменяет последовательность РНК, которая затем может изменить производство белков. Однако эффект от этого не столь вечен: он длится несколько месяцев, а не всегда, что может быть полезно для лечения временных заболеваний. Может оказаться, что генная терапия просто не подходит для решения проблемы. Иногда лучше всего работает более традиционный подход.

Несмотря на существующие ограничения, новые CRISPR-методы будут появляться все чаще. По данным на начало 2023 года, более 200 человек прошли курс лечения экспериментальными CRISPR-терапевтическими препаратами от рака, заболеваний крови, инфекций и других болезней. В разработке находится CRISPR-терапия от компании Intellia Therapeutics, которая лечит транстиретиновый амилоидоз — редкое заболевание, влияющее на работу тканей сердца и нервов. Препарат показал хорошие результаты в ранних испытаниях и сейчас набирает участников для исследования III фазы. Другой CRISPR-препарат компании Intellia для лечения наследственного ангионевротического отека — заболевания, вызывающего сильные отеки по всему телу, — должен выйти на фазу III в конце этого года.

По мере того, как CRISPR-бум продолжается, некоторые исследовательские группы постепенно увеличивают разнообразие своих генетических источников. Есть еще проект Human Pangenome, цель которого — создать эталонный геном, отражающий более глобальное разнообразие. Первый проект был опубликован в мае прошлого года. Другой проект под названием «исследование PAGE» направлен на включение в исследования геномных ассоциаций более разнообразных по происхождению популяций. Но при нынешних темпах, по прогнозам экспертов, потребуются годы, чтобы достичь паритета в генетических базах данных. Кроме того, научное сообщество должно укрепить доверие с теми, кому оно пытается помочь. А это значит, что «первое поколение» CRISPR-терапевтов может оказаться более «тупым» инструментом, чем могло бы быть. Однако если удастся усовершенствовать исходные геномы, чтобы они отражали более широкий круг людей, то последующие поколения CRISPR будут более персонализированными и, следовательно, более эффективными для большего числа людей. Найти гены и создать лекарства, которые будут работать, конечно, очень важно, но в конечном итоге это только половина успеха. Другая проблема — смогут ли пациенты позволить себе эти инновационные методы лечения и получить к ним доступ. В США это действительно может быть проблемой, а в ЕС лечение прежде неизлечимых болезней — по меньшей мере некоторых из них — может стать доступно буквально всем желающим в течение ближайших пяти лет.

Прочитано: 261