§ 60. ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ В МЕДИЦИНІ. ДОСЯГНЕННЯ РЕГЕНЕРАТИВНОЇ МЕДИЦИНИ ТА ОНКОЛОГІЇ

Основні поняття й ключові терміни: Генотерапія. Регенеративна медицина. Онкологія.

Пригадайте! Що таке генна інженерія, регенерація, онкологія?

Новини науки

У боротьбі зі СНІДом медицина досягла значних результатів, але ліків проти ВІЛ до цих пір не створено. Можливо, допоможе генна інженерія. Спеціалісти Каліфорнійського університету за допомогою методів генної інженерії «озброїли» стовбурові клітини рецептором вірусного антигена, щоб вони могли відшукати і знищити заражені вірусом людські клітини. Унікальність таких клітин полягає ще й у тому, що вони живуть в організмі протягом майже 2 років і формують імунітет до ВІЛ.

Які досягнення генної інженерії у медицині?

Генна інженерія, як ви уже знаєте, є напрямом молекулярної біології та генетики, що розробляє лабораторні методи цілеспрямованого утворення організмів з новими комбінаціями спадкових властивостей. Генна інженерія виявилася дуже перспективною для медицини передусім у створенні нових методів біотехнології: отримання ліків (інсулін, соматостатин, інтерферони, соматотропін), створення й застосування рекомбінантних вакцин (наприклад, проти гепатиту В і папіломи людини), генетичного тестування (наприклад, для визначення спадкової схильності новонароджених до певних хвороб). Найпоширенішими є методи генотерапії.

Іл. 99. Основні стратегії генотерапії – ex vivo та in vivo

Генотерапія – це лікування захворювань шляхом заміни дефектних генів нормальними. Основою генотерапії є методи внесення змін у генетичний апарат клітин пацієнтів з метою спрямованої зміни генних дефектів або надання клітинам нових функцій. Залежно від способу введення ДНК у геном пацієнта генотерапія може відбуватися в культурі клітин (ex vivo) або безпосередньо в організмі (in vivo) (іл. 99). У генотерапії вирізняють такі види, як:

• а) фетальна генотерапія – чужорідну ДНК вводять у зиготу (ембріон) на ранній стадії розвитку;
• б) соматична генотерапія – введення генів у соматичні клітини пацієнта;
• в) позаорганізмова генотерапія – введення генів у культивовані клітини і пересадка цих клітин пацієнтам;
• г) активація власних генів організму з метою подолання дії мутантного гена.

Нині у світі вже близько 400 проектів перебувають на стадії клінічних випробувань, серед яких лікування муковісцидозу, гемофілії, імунодефіцитів, серпоподібно-клітинної анемії тощо. Одним із основних інструментів для сучасних генотерапевтичних проектів є технологія редагування ДНК – CRISPR/Cas9. За допомогою цієї системи розроблено технології для видалення ВІЛ із клітин живого організму, лікування хвороби Паркінсона, амаврозу Лебера, пухлин мозку, раку крові та ін.

У світі розроблено препарати для лікування вологої дистрофії сітківки ока – однієї з найпоширеніших причин сліпоти в людей похилого віку. У 2018 р. затверджено застосування першого в світі препарату, механізм дії якого пов’язаний з РНК-інтерференцією. Це патисаран для лікування спадкового амілоїдозу. В Україні розроблено метод терапії інфаркту міокарда із застосуванням інтерферуючих РНК.

Отже, генотерапія уможливлює безпосередній вплив на гени, що є причиною виникнення багатьох моно- й полігенних спадкових захворювань людини.

Які досягнення регенеративної медицини?

Регенеративна медицина формується на стику біології, медицини та інженерії. Вважають, що вона може докорінно змінити способи зміцнення здоров’я шляхом відновлення, підтримки і поліпшення функцій органів і тканин.

У наш час регенеративна медицина досягла значних успіхів у розробленні методів лікування різноманітних захворювань, зокрема печінки, серцево-судинних захворювань, хвороб ока, травм центральної нервової системи тощо. Нині для лікування цукрового діабету І типу можна застосовувати методику, за якої з підшлункової залози донора відбирають клітини, що можуть синтезувати інсулін, і вживлюють їх людині з діабетом. Розроблено методику, за якої для регенерації кісток в ушкоджену ділянку вводять подрібнену кісткову тканину, що стимулює процеси регенерації.

Багато досягнень у галузі регенеративної медицини пов’язано з використанням стовбурових клітин (ембріональних, клітин пуповинної крові). Напрям у медицині, заснований на застосуванні регенеративного потенціалу стовбурових клітин дорослого організму для лікування низки важких захворювань, називається цитотерапією. Сьогодні в Україні дозволено проведення клінічних випробувань з лікування таких патологій із застосуванням стовбурових клітин: панкреонекроз, цироз печінки, гепатити, опікова хвороба, цукровий діабет II типу, розсіяний склероз.

Іл. 100. Створення химерних ембріонів клітин людини і вівці

Вирощування органів зі стовбурових клітин поза організмом дає змогу розв’язати проблеми отримання потрібної кількості донорського матеріалу для трансплантації органів. Наприклад, технологія химерних ембріонів дає змогу зі стовбурових клітин отримати клітини серцевого м’яза, клапани серця з наступною їх трансплантацією пацієнтам з хворим серцем (іл. 100).

Перспективний напрям використання стовбурових клітин – створення банків пуповинної крові. Стовбурові клітини цієї крові мають високу здатність до поділу та подальшої диференціації, можуть тривалий час зберігатися і використовуватися для лікування захворювань (наприклад, онкологічних, серцево-судинних).

Отже, регенеративна медицина – це сукупність методів відновлення уражених хворобою або пошкоджених тканин за допомогою активації ендогенних стовбурових клітин або трансплантації клітин.

У чому суть найновіших підходів сучасної онкології?

Онкологія (від грец. онкос – пухлина, логос – вчення) – розділ медицини, предметом якого є діагностика та лікування новоутворень. Сучасні уявлення про молекулярно-біологічні зміни в клітинах докорінно змінили підходи до розв’язування найгостріших проблем онкології.

Одним з таких підходів є біотерапія раку (використання інтерферону, його індукторів, пробіотиків), що уможливлює підвищення протипухлинного захисту організму, зниження токсичності цитостатиків.

Важливим підходом до розв’язування проблем сучасної онкології є також вакцинотерапія, головною метою якої є формування у хворого довготривалої імунної реакції, що здатна стримувати розвиток пухлинного процесу, попереджати розвиток рецидивів і метастазів. Результати вітчизняних клінічних досліджень довели, що застосування протипухлинної вакцини на основі продуктів мікробного походження забезпечує суттєве підвищення ефективності лікування хворих на рак легенів, шлунка, шлунково-кишкового тракту завдяки здатності «кілерних» клітин імунної системи розпізнати пухлинну клітину та знищити її.

Нині розвивається новий напрям у променевій терапії. Це терапія, що передбачає можливість формування поля опромінення, що повторює точні розміри і конфігурацію наявного пухлинного процесу, на який і припадає основне навантаження на тлі значного зменшення променевого впливу на навколишні тканини.

Найновіший і найперспективніший підхід у лікуванні онкологічних захворювань – це імунотерапія. «Сьогодні спрямованість лікування онкологічних захворювань нарешті змінилася від боротьби з клітинами пухлин на стимулювання власних сил організму», – зазначають науковці. Імунотерапія – це метод лікування, що є максимально фізіологічним для організму людини і дає змогу досягти значного прогресу в лікуванні раку з мінімальною шкодою для здорових клітин організму. Метою сучасної імунотерапії є не знищення ракової клітини, а модифікація клітин імунної системи (Т-лімфоцитів) для безпосередньої боротьби з пухлинами. Подолати онкологічну хворобу можливо за допомогою активації власного імунітету пацієнта, і це довели лауреати Нобелівської премії 2018 р. в галузі фізіології і медицини американець Д. Еллісон і японець Т. Хондзе.

Отже, основними підходами в розвитку сучасної онкології є біотерапія, вакцинотерапія, променева терапія та імунотерапія.

Самостійна робота з таблицею. Новітні напрями розвитку медицини

Заповніть таблицю та схарактеризуйте основи новітніх напрямів розвитку медицини. Назвіть проблеми розвитку сучасної медицини в Україні у цих напрямах.

Наука, що є основою

Біологічні процеси, що є основою

§ 60. ДОСЯГНЕННЯ МОЛЕКУЛЯРНОЇ БІОЛОГІЇ ТА ГЕНЕТИКИ У МЕДИЦИНІ: ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ ЛЮДИНИ

Застосування методів генної інженерії щодо людини є однією з найбільш дискусійних тем. Чи потрібне втручання у геном людини? Якщо так, то у який спосіб? Чи це безпечно? Які при цьому можливі біоетичні проблеми?

Генна терапія. Найбільш радикальним способом боротьби з різними захворюваннями, спричиненими змінами генетичної інформації клітин, є виправлення або знищення самої генетичної причини захворювання, а не її наслідків. Найбільше досліджень пов’язано з генною терапією онкологічних захворювань (мал. 60.1).

Мал. 60.1. Діаграма, що ілюструє сучасний стан застосування досліджень у галузі генної терапії щодо різних захворювань людини (у %): 1 – онкологічні; 2 – моногенні; 3 – серцево-судинні; 4 – інфекційні; 5 – інші

Пригадаємо: генна терапія – лікування спадкових хвороб внесенням змін у геном людини.

Стратегії генної терапії такі:

• клітини, які потрібно вилікувати, втратили функцію певного гена. Тоді в клітину потрібно доставити ген, здатний цю функцію відновити;
• хворобу спричинено надлишковою функцією, не властивою нормальній клітині. Це відбувається, зокрема, у разі інфекцій або пухлинних захворювань. Тоді варто пригнітити таку зайву функцію;
• підходи, спрямовані на підсилення імунної відповіді організму.

Досягнення сучасної генної терапії людини. Перше повідомлення про успішне застосування соматичної генної терапії з’явилося у 1990 р. щодо чотирирічної дівчинки Ашанти Де Сильва із уродженим імунодефіцитом. Нині вона має функціональну імунну систему і веде нормальне життя. У 2012 р. у США та Європейському Союзі ліцензію на комерційне використання отримав перший засіб генної терапії для лікування недостатності ферменту ліпопротеїнліпази, що призводить до важкого ураження підшлункової залози. Однак через непомірну вартість цього лікування (близько 1 000 000 $) цією можливістю скористалась тільки одна людина у 2016 р. Улітку 2018 р. у США правління із санітарного нагляду за якістю харчових продуктів і медикаментів (Food and Drug Administration, FDA) схвалило використання генної терапії для пацієнтів у віці від 3 до 25 років із гострим лімфобластним лейкозом. Ця терапія ґрунтується на створенні химерних антигенних рецепторів CAR-Т. Трансгенні Т-лімфоцити, «оснащені» цими рецепторами, здатні розпізнавати злоякісні клітини, а потім знищувати їх (мал. 60.2).

Пройшов перший етап випробування генно-інженерний препарат SPK-FIX. Це вірусний вектор, який несе нормальну копію гена фактору зсідання крові IX і призначений для лікування однієї з форм гемофілії. Наприкінці лютого 2018 р. учений із Шеньчженського університету оголосив, що йому вдалося успішно відредагувати геном людської яйцеклітини. Він використав технологію редагування ДНК CRISPR/Cas9 (мал. 60.3). Метою редагування було вимкнути ген, який кодує білок, що дає змогу ВІЛ потрапити в клітину. Потенційно редагування ДНК може допомогти в боротьбі проти майже будь-яких захворювань – від спадкових до тих, які поки що є невиліковними (рак, ВІЛ, хвороба Альцгеймера тощо).

Мал. 60.2. Процес антиракової терапії за допомогою створення особливих антигенних рецепторів CAR-T (chimeric antigen receptor)

Безпечність втручань у геном людини та біоетичні проблеми генної інженерії людини. Як будь-який метод лікування, генна терапія також має недоліки й побічні ефекти. Це пов’язано насамперед з методами доставляння генів у відповідні клітини. Найчастіше як вектори використовують віруси, які можуть спричинити бурхливу імунну відповідь у пацієнта або ризик розвитку інфекції, якщо модифікований вірус буде взаємодіяти з незміненими вірусами, наявними у клітинах пацієнта. Ще один ризик: вбудовування в геном привнесеного гена є випадковим, а це може призвести до появи додаткових мутацій і розвитку різних патологій. Останні дослідження показали що, поруч із місцями, де «попрацювала» CRISPR/Cas9, спостерігають видалені або замінені ділянки ДНК у кілька тисяч пар основ. Так постало питання щодо безпеки CRISPR/Cas9.

Мал. 60.3. Система CRISPR/Cas9 – комплекс РНК і білків, що впізнає задану послідовність генома, де робить дволанцюговий розріз ДНК. Залежно від того, як відбуватиметься репарація, цільовий ген може втратити свою функцію чи буде замінений на нормальну копію

Біоетичні питання застосування генної інженерії людини стосуються насамперед використання статевих клітин та ембріонів. Зрозуміло, що ці питання мають бути врегульовані законодавчо.

Ключові терміни та поняття

Перевірте здобуті знання

1. Які хвороби можна лікувати за допомогою генної терапії? 2. Які відомі стратегії генної терапії? 3. Які досягнення сучасної генної терапії? 4. Із чим можуть бути пов’язані побічні ефекти генної терапії?

У яких випадках можливе або необхідне генно-інженерне втручання у геном ембріонів людини?