Используя технологию CRISPR, можно спрограммировать иммунный ответ против патогенов, которых не смогла одолеть обычная вакцинация, пишут ученые

Редактирование клеток под микроскопом. Фото: Gregor Fischer/dpa/ТАСС

Вакцинация – долгожитель среди медицинских технологий. С 1796 года, когда Эдвард Дженнер привил мальчика коровьей оспой, прошло большее 200 лет, за которые вакцины предотвратили миллионы потенциальных смертей от опасных инфекций.

В то же время очевидно, что современные вакцины далеки от совершенства. Они несут определенные риски, например, для детей и взрослых с нарушениями работы иммунной системы. Кроме того, не все они одинаково эффективны, а некоторые из них дают защиту лишь на сравнительно короткий период.

Недолгий иммунитет

«Мы просто не знаем, по каким правилам мы должны действовать, чтобы индуцировать долговременный иммунитет», – говорит доктор Стэнли Плоткин, один из самых известных вакцинологов мира.

В этом году 83-летний ученый и его жена привились от гриппа дважды.

Ежегодные мета-анализы неизменно демонстрируют более чем скромную эффективность прививки, даже в те годы, когда вакцинный штамм совпадает с сезонным: она помогает примерно 1 из 71 вакцинированного, при этом у пожилых людей и маленьких детей результат еще ниже.

А в 2018 году на основании данных 11 исследований было установлено, что длительность действия противогриппозной вакцины не превышает 90 дней.

С учетом того, что кампания иммунизации от гриппа начинается в сентябре, даже счастливчик, получивший в результате защиту от инфекции, может растерять ее к пику сезона. Вот почему доктор Плоткин решил привиться дважды.

Но все было бы не так страшно, если бы речь шла исключительно о гриппе, вирус которого, как известно, постоянно мутирует.

Фото: Кирилл Шипицин/ТАСС

Проблема в том, что эпидемиологи периодически фиксируют вспышки других профилактируемых инфекционных заболеваний в сообществах, где уровень иммунизации составляет 95-98%.

Защита «ломается», когда сообщество очень «густое», то есть его члены постоянно и близко контактируют друг с другом. Такое происходит в ряде религиозных сообществ (например, у ортодоксальных иудеев), в некоторых провинциях Китая с высокой плотностью населения.

Но дело не только в высокой плотности. В самых обычных районах и в школах, в которых ученики живут не в кампусе, а дома, фиксируются вспышки паротита, а у детей помладше – коклюша.

Почему вакцина от дифтерии защищает человека на долгие десятилетия, а вакцина от коклюша дает гораздо менее стойкий иммунитет?

Этот феномен обескураживает ученых. Иммунолог Стэнфордского университета Бали Пулендран признается, что единственное, в чем он сегодня уверен, это то, что научное сообщество не имеет приемлемого объяснения этого явления.

Память клеток

Клетки эндометрия человека в лаборатории Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН. Снимок через микроскоп/Архив ИБР РАН/ТАСС

Иммунитет против инфекционного агента основан на памяти клеток иммунной системы.  За нее отвечает подвид лейкоцитов – В-клетки. При контакте с антигеном (специфической молекулой, торчащей из поверхности вируса) они способны производить антитела к этому антигену. Такая способность В-клеток обеспечивается тем, что ДНК В-клетки постоянно, независимо от стимуляции, производит компоненты антител.

Когда вирус или его фрагмент попадает в организм в результате инфицирования или вакцинации, В-клетки в срочном порядке начинают собирать антитела к нему из готовых компонентов, причем делают они это с высокой точностью.

Технология создания искусственного иммунитета, как мы уже описали выше, не так проста. У нас до сих пор нет вакцины от ВИЧ, вируса Эпштейна-Барра, который может стать причиной онкологического заболевания, и ряда других инфекций.

Эти патогены причиняют огромные страдания людям и уносят миллионы жизней ежегодно.

Для вакцинологов совсем не очевидно, какой именно фрагмент антигена способен стать триггером для продукции эффективного антитела В-клетками, именно поэтому процесс создания вакцины от конкретной инфекции может растянуться на годы и даже десятилетия.

Но что если подойти к этому делу с другой стороны? Возможно ли «перепрыгнуть» этап вакцинации и индуцировать производство антител иным способом?

На сцену выходит CRISPR

CRISPR. Фото: Gregor Fischer/dpa/ТАСС

Иммунолог Джастин Тейлор из Центра исследования рака Фреда Хатчинсона (Сиэтл, США) задался амбициозной целью: заменить одну из старейших медицинских технологий абсолютно инновационной, а именно CRISPR, технологией редактирования ДНК.

На эту мысль его навел метод прямого вливания уже готовых антител. Так называемые широко нейтрализующие антитела используются для контроля вирусной нагрузки у людей с ВИЧ. Эта технология работает, но проблема заключается в том, что привнесенные извне, антитела живут лишь 21 день или немногим больше, а значит, больному необходимы регулярные инъекции.

Но почему бы не отредактировать ДНК В-клеток таким образом, чтобы они начали самостоятельно продуцировать те антитела, которые необходимы конкретному пациенту для борьбы с его заболеванием? Именно это попробовали сделать Тейлор и его коллеги у себя в лаборатории при помощи CRISPR.

Аббревиатура CRISPR расшифровывается как «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами» (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats). Они являются частью иммунной системы бактерий, постоянно отражающих атаки своих естественных врагов – вирусов, ДНК которых они разрезают на части. Способность разрезать ДНК дает возможность использовать CRISPR как своеобразные ножницы для исправления генетических мутаций, приводящих к заболеванию. В настоящее время ведутся активные исследования с целью превратить CRISPR в эффективную и безопасную медицинскую технологию.

Выращенные в чашке Петри В-клетки исследователи подвергли электрическому разряду, открыв, таким образом, портал, через который они ввели CRISPR, разрезавший ДНК клеток в точно определенном месте. Затем они использовали безвредный вирус AAV в качестве вектора доставки ДНК антител к респираторно-сенцитиальному вирусу в В-клетки мышей.

В человеческие В-клетки были доставлены ДНК антител к ВИЧ, гриппу и вирусу Эпштейна-Барра. Используя эти ДНК, В-клетки должны были «починить» первоначальный разрез.

План сработал примерно в 15% мышиных клеток, что же касается человеческих, то отредактированными оказались до 59%.

Но самое интересное произошло, когда отредактированные мышиные В-клетки экспериментаторы ввели мышам с нарушенной иммунной системой. В их крови появились антитела к респираторно-сенцитиальному вирусу, и когда животных инфицировали этим вирусом, иммунная система быстро и успешно справилась с ним.

Отредактированные В-клетки иммунизировали мышей не хуже высоко эффективной вакцины!

Используя технологию CRISPR, можно спрограммировать иммунный ответ против патогенов, которых не смогла одолеть обычная вакцинация, пишут Тейлор и другие авторы работы в статье, которую они представили для публикации.

Наблюдение за процессом редактирования клеток в стереомикроскоп. Фото: Gregor Fischer/dpa/ТАСС

Многообещающие результаты получила и команда конкурентов из Научно-исследовательского института Скриппса под руководством Джеймса Восса (Ла-Хойя, США). Им удалось отредактировать В-клетки трех доноров таким образом, что они начали производить антитела к ВИЧ.

Все это первые шаги, и пройдут годы, прежде чем технология станет применяться на практике. Ее серьезное ограничение заключается в дороговизне. Если вакцины производятся промышленным способом, то отредактированные В-клетки должны быть персонализированными, чтобы избежать реакции отторжения.

Это значит, что от конкретного пациента должны быть получены собственные клетки, затем отредактированы, после чего их введут обратно, иммунизируя его от ВИЧ, вируса Эпштейна-Барр или от иной инфекции. Такую технологию на поток не поставишь.

С другой стороны, не все медицинские технологии имеют поточный характер, и даже самые смелые и дорогие из них постепенно находят путь к пациенту.

Самый большой вызов для ученых, считает Тейлор, это не дать вирусам обхитрить себя при помощи дрейфа (медленного и постепенного изменения) антигена, как это происходит, например, при отклонении естественного вируса от вакцинного. Однако технология CRISPR вполне способна, по мнению ученого, справиться с этой проблемой.

Потенциал подобной инновации высоко оценили эксперты Фонда Билла и Мелинды Гейтс, ведь всего одна инъекция отредактированных В-клеток способна и защитить, и вылечить от опасной инфекции.

«Мы считаем вполне возможным, что защита от вирусов при помощи редактирования клеток станет реальностью», – заявил директор отдела Инновационных технологических решений Фонда.

«Мы живем в очень интересное время», – добавил он.

Источники:

Vaccines don’t work against some viruses. CRISPR might one day fix that

How long do vaccines last? The surprising answers may help protect people longer