Моделирование живых органов и бактерии, редактирующие гены — кое-что из арсенала медицины будущего уже сегодня является экспериментальной терапией

Живая модель мозга для опытов

Чтобы создать эффективную терапию, нужно определить патогенетический механизм заболевания, то есть причину изначального дефекта и всю последующую цепочку нарушений, которые он влечет за собой. Далее ученые должны придумать, как устранить дефект, а затем проверить, работает ли данная терапия.

Все использовавшиеся до настоящего времени методы — например, опыты на животных — имеют ограничения, особенно, когда дело касается такого сложного и закрытого органа, как мозг.

Поистине революционным прорывом в этом направлении стало выращивание органоидов — миниатюрных органов — из клеток самих пациентов.

Как это происходит?

Исследователи используют немного жировой или кожной ткани человека и с помощью специальной технологии превращают их в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS). Плюрипотентными они называются потому, что имеют потенциал превращения в клетки самых разных тканей и органов. В специально созданных условиях они могут дифференцироваться даже в нейроны.

Российские ученые тоже работают в этом направлении. Сотрудники Института цитологии и генетики в Новосибирске исследуют влияние гена CNTN6 на развитие головного мозга. Этот ген кодирует белок контактин 6, который не работает у некоторых людей с нарушениями интеллекта, причем сбой, предположительно, происходит на стадии развития мозга у эмбриона.

Сибирские ученые создали миниатюрные модели мозга из iPS людей с интеллектуальными нарушениями и с мутацией гена CNTN6. Эти органоиды живут около трех месяцев и вырастают до пяти миллиметров, развиваясь по тому же пути, что и мозг человеческого эмбриона.

Для начала ученые планируют подтвердить или опровергнуть гипотезу о связи нарушений в развитии мозга с мутацией гена CNTN6. Если она подтвердится, то тестирование на соответствующую мутацию можно будет использовать в перинатальном скрининге. В перспективе же это может определить направление поиска тех медицинских вмешательств, которые способны компенсировать генетический дефект.

Похожее исследование провели недавно ученые американского Института Солка, которые попытались проникнуть в тайну происхождения аутизма.

«Существует гипотеза, что отклонения в нормальном развитии мозга ведут к аутизму, однако то, как возникают эти отклонения, как нормально развивающийся мозг становится аутичным, остается серой зоной», — говорит Саймон Шафер, один из авторов исследования.

Рабочая группа использовала образцы клеток кожи восьми человек с аутизмом и пяти нейротипиков. Полученные плюрипотентные стволовые клетки были затем конвертированы в нейроны.

Исследователи наблюдали за развитием нервной ткани и обнаружили, что на стадии стволового нейрона (предшествующего окончательной дифференцировке клетки в нейрон) определенная группа генов включалась раньше, приводя к ускоренному развитию. В результате нейроны людей с аутизмом росли быстрее и становились крупнее, чем нейроны здоровых людей, и давали более длинные и сложные ответвления.

Открытие калифорнийских ученых может привести к созданию тестов ранней диагностики и новых терапий для одной из фенотипических подгрупп аутизма — с увеличенным размером головы.

Ученые моделируют и другие органы, например, кишечник. Такие микроорганы близки к настоящим с поправкой на размеры и ограниченные функции.

Модель кишечника на чипе

Если органоиды можно назвать самоорганизующимися моделями, то органы на чипе, основой для которых служат те же iPS, конструируются их создателями.

Плюрипотентные стволовые клетки высаживают на сложно устроенный чип из прозрачного полимера размером не более обычной флэшки, который вместе с ними должен имитировать определенный биологический процесс. В модели «легкие на чипе» несколько слоев клеток легочной ткани контактируют, с одной стороны, с кровью, с другой – с воздухом, при этом клеточные слои то растягивают, то сжимают, как в настоящих дышащих легких.

Научный коллектив Лейденского университета (Нидерланды) вместе с коллегами из биотехнологической компании Mimetas и фармацевтической компании Roche описывают в своей статье созданный ими «кишечник на чипе». Он представляет собой множество микротрубочек-канальцев из прозрачного материала, выстланных эпителиальными клетками, по которым можно пропускать растворы с разными веществами и наблюдать, как клетки на них реагируют. Чип здесь – это своеобразная «упаковка», держащая всю структуру

Кишечный эпителий должен не только пропускать полезные вещества в кровь и лимфу, но и служить барьером для потенциально вредных веществ. Если эпителиальный барьер нарушен, это приведет к проблемам со здоровьем. Причины и механизмы таких нарушений очень удобно наблюдать в прозрачном чипе.

Чтобы проверить, насколько точно эта модель представляет реальный кишечник, ученые пустили по ее трубочкам аспирин, который, как уже известно, может привести к перфорации кишечной стенки. И вот результат: именно это и произошло в миниатюрном кишечном чипе, а значит он прекрасно воспроизводит настоящий орган и может быть использован для проверки новых лекарств. С его помощью ученые будут тестировать побочные эффекты препаратов и рассчитывать оптимальные дозы.

Бактерии режут гены

Еще одна амбициозная цель ученых — редактирование генов.

Сегодня для этого существует несколько перспективных технологий, самая продвинутая из которых — CRISPR/Cas9.

Аббревиатура CRISPR расшифровывается как «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами» (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats). Они являются частью иммунной системы бактерий, которые постоянно должны отражать атаки своих естественных врагов — вирусов.

Каждый раз, когда бактерии удается убить вирус, она разрезает остатки его генетического материала (РНК) и сохраняет их внутри последовательностей CRISPR, а затем эта информация используется в случае новой вирусной атаки. При нападении бактерия производит белки Cas9, которые несут фрагмент генетического материала вируса. Если этот участок и ДНК атакующего вируса совпадают, Cas9 разрезает генетический материал вражеского агента и нейтрализует угрозу.

Биологи Дженнифер Дудна (США) и Эммануэль Шарпантье (Франция) установили поразительный факт: если белку Cas9 дать любую молекулу РНК, и затем запустить его в организм, он будет искать в ДНК этого организма, генетические фрагменты, совпадающие с этой РНК. Обнаружив соответствие, он начнет измельчать их. И этот механизм можно использовать для разрезания любого генома в нужном месте.

Зачем – объясняем на мышах.

Отредактированные мыши больше не страдают миодистрофией

Совсем недавно ученые из Университета Дьюка (США) объявили об удачном эксперименте коррекции гена, ответственного за мышечную дистрофию Дюшена.

Профессор биомедицинской инженерии Чарльз Герсбах совместно с аспирантом Кристофером Нельсоном внутривенно ввели дозу терапевтического агента CRISPR нескольким взрослым и новорожденным мышам с мутацией, вызывающей мышечную дистрофию.

Мышей наблюдали в течение года, и со здоровьем у них было все хорошо – миодисторфия не развивалась. Однако обнаружились и побочки. Исследователи установили, что CRISPR/Cas9, исправив генетический дефект, внес в ген некоторые незапланированные изменения. И хотя они не принесли никакого вреда на физическом уровне, требуется дальнейшая работа для того, чтобы инструмент стал более точным.

Группа ученых из Института Солка успешно использовала CRISPR/Cas9 для редактирования у мышей мутаций гена LMNA, приводящей к прогерии, которую называют еще синдром Хатчинсона-Гилфорда. Этот синдром приводит к ускоренному старению организма и развитию множества болезней (сердечной недостаточности, рака, болезни Альцгеймера).

Пройдя терапию, мыши продемонстрировали улучшения в состоянии сердца и сосудов, повышенную активность, и их продолжительность жизни была больше на 25%, чем обычно у мышей с таким заболеванием. Ученые надеются, что усовершенствовав технологию, они смогут применить ее для лечения прогерии у людей. Сегодня от нее лекарств не существует.

Есть и обнадеживающие результаты использования CRISPR/Cas9 для коррекции у мышей такого генетического нарушения, как синдром ломкой хромосомы Х, самой частой причины интеллектуальной недостаточности, от которой страдает 1 из 3600 новорожденных мальчиков.

Первый человеческий пациент

28 февраля 2019 года было объявлено о первом случае использования CRISPR/Cas9 для лечения человека от бета-талассемии. Это совместное достижение швейцарской компании CRISPR Therapeutics и американской Vertex.

Бета-талассемия — генетическое нарушение, приводящее к снижению синтеза полипептидных цепей, входящих в структуру нормального гемоглобина. Врачи взяли образцы стволовых клеток из крови человека, применили CRISPR для редактирования их ДНК, а затем поместили клетки обратно в организм.

«Лечение первого пациента в нашем исследовании является важной вехой в развитии медицинской науки и практики, началом наших попыток полностью реализовать потенциал терапий CRISPR/Cas9 как нового класса лекарственных препаратов, способных полностью трансформировать практику лечения серьезных заболеваний», — говорит генеральный директор CRISPR Therapeutics Самарт Кулкарни.

Компания заявила также, что есть уже первый кандидат с серповидноклеточной анемией (также генетическое заболевание крови), готовый испробовать на себе терапию CRISPR/Cas9.

Однако специалистам только предстоит убедиться в безопасности технологии, прежде чем ее начнут применять широко. Ферменты Cas9 иногда ошибаются и редактируют ДНК в неожиданных местах, как мы уже знаем из экспериментов на животных.

В настоящее время в Китае ведется большое исследование применения CRISPR/Cas9 для лечения онкологических заболеваний у людей.

Трудно сказать, сколько времени потребуется ученым для совершенствования этой терапии до приемлемого уровня точности.

Источники:

10 Possible Medical Treatments of the Future

Stem Cell Culture Is Moving To The Third Dimension

Сибирские ученые вырастили миниатюрный мозг. С его помощью будут изучать слабоумие

In gene editing milestone, first patient treated in Vertex, CRISPR Therapeutics study

CRISPR «для чайников»: краткий путеводитель по главной биотехнологии

Fragile X syndrome neurons restored using CRISPR/Cas9-guided activation strategy

DMD: Single CRISPR treatment provides long-term benefits in mice

Миникишечник на чипе оказался похож на настоящий

Иллюстрации: Оксана Романова