Генная инженерия и медицина

Кто открыл метод генной инженерии?

В середине XX века ученые установили, каким образом происходит передача наследственной (генетической) информации, зашифрованной в молекулах ДНК. Это позволило начать опыты с целенаправленным изменением генома живых существ.

В 1972 году команда ученых Стэнфорда (США) получила рекомбинантную ДНК, сшив фрагменты генетического кода двух различных вирусов.

В 1972 Фридман и Роблин опубликовали статью в Журнале Science под заголовком “Генная терапия для генетических болезней человека?”. А Роджерс в 1970 предложил заменять дефектный ДНК у тех, кто страдал от генетических дефектов.

А год спустя биологи Герберт Бойер и Стэнли Коэн вывели первый организм, основанный на рекомбинантной ДНК.

В 1990 и 2000 годах генетики разработали две технологии молекулярных ножниц это ZFN (Zinc Finger Nuclease) и TALEN (Transcription Activator-like Effector Nucleases). Но они крайне трудны в использовании. Поэтому на поиск нужной формулы лабораториям мира требуются годы работы.

В начале 2010 года был предложен новый метод это CRISPR-Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, Cas разрезающий ДНК фермент). Он был известен с конца 1980.

В 2012 году биохимики Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна показали, как использовать CRISPR в генном редактировании. Причем не только вырезать плохой участок ДНК, но и вставлять вместо него хороший в качестве замены.

В 2020 году Нобелевской премией были отмечены химики Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна.

​​Первое разрешенное в истории США клиническое исследование генной терапии было проведено 14 сентября 1990 в Национальном институте здоровья (NIH) под руководством Вильяма Андерсона. Четырёхлетняя Ашанти Де Сильва получила лечение от тяжелого генетического дефекта сложного комбинированного иммунодефицита, связанного с недостатком фермента ADA.

В 2006 году была первая демонстрация эффективной борьбы с раком с использованием генной терапии. Используя генетически изменённые Т-киллеры лечение метастазов применили при меланоме у двух пациентов.

Во всем мире используется вакцина против очень опасного гепатита В и ее получают из генетически измененной культуры дрожжей. Ведется разработка ДНК вакцин, которые помогут “создать” иммунитет не только от инфекционных болезней, но и от ряда онкологических, генетических, аутоиммунных заболеваний и другой патологии.

Какие методы применяют в генной инженерии?

Генная инженерия позволяет целенаправленно, по заранее намеченной программе, экспериментально модифицировать геном с использованием генетической информации из разных систем: вирусов, бактерий, насекомых, животных и человека.

Применяя методы генной инженерии, ученые способны модифицировать структуру генов, а также создавать гибридные гены.

Генная инженерия это совокупность приемов, методов и технологий:

• выделения генов из организма (клеток);
• осуществления манипуляций с генами (в том числе получения рекомбинантных РНК и ДНК);
• затем введения их в другие организмы;

Методы генной инженерии позволяют встраивать в генетический материал отдельные гены или фрагменты ДНК, ранее обнаруженные в других организмах. Это дает возможность целенаправленно переносить желаемые генетические признаки и “выключать” отдельные гены.

Свойства любого организма, например цвет волос, способность усваивать глюкозу, возможность вырасти до 2 метров, зависят от белков. Белки кодируются определенными генами.

Ген можно “вырезать” из ДНК какого либо организма ферментами. Или, когда знают последовательность аминокислот в нужном белке, собрать ген этого белка из отдельных нуклеотидов. Затем “вставить” его в ДНК бактерии (растения, животного), которая начнет производить заданный белок.

Прошли  десятилетия научного поиска, отмеченные несколькими Нобелевскими ­премиями в таких исследованиях.

Значение генной инженерии для медицины

Сферы использования генной инженерии в медицине значительно расширяются. Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генноинженерных лекарственных веществ находятся на стадии клинических исследований.

Продукты генной инженерии прочно вошли в медицинскую практику. Это лекарства для лечения редких болезней, рекомбинантный инсулин, вакцины против вируса гепатита В. Так, без них в современной медицине, трудно представить диагностику и лечение во многих сферах терапии.

Генноинженерными методами производят некоторые высокоселективные аллергены для кожных проб, некоторые реагенты для иммуноферментного анализа и другие вещества.

На этапе доклинических испытаний медикаментов проводят испытания с генетически измененными ­животными.

Генная терапия это лечение наследственных, мультифакториальных и ненаследственных (инфекционных, злокачественных) или других видов заболеваний. Эта терапия проводится путем введения генов в соматические клетки пациентов с целью направленного изменения генных дефектов или придания клеткам новых свойств.

В настоящее время известно более 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.

Генные инженеры разрабатывают диагностические препараты, позволяющие обнаруживать генетические аномалии в период беременности. Это дает возможность предотвратить рождение ребенка с генетической аномалией.

Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значимое это получение человеческого инсулина в промышленных масштабах. Генные инженеры решили клонировать ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали.

В последнее время рассматриваются новые варианты применения генной инженерии в трансплантологии и редактировании генома эмбрионов. Возможность применения этой инновационной технологии порождает множество биоэтических вопросов. Например, уже применяют стволовые клетки эмбриона для лечения редких заболеваний, что стало в развитых странах доступно.

Где применяют в медицине генную инженерию?

Лекарства из бактерий

Это препараты заместительной терапии при:

• вирусных инфекциях (интерфероны);
• эндокринологических заболеваниях (инсулин);
• гематологических болезнях (эритропоэтин, факторы свертывания крови, некоторые моноклональные антитела);
• инфаркте миокарда и ишемическом инсульте (фибринолитики);

Например, лейкоцитарный интерферон, получаемый из лейкоцитов донорской крови, применяют для курса лечения онкобольного. При этом необходимо сотни доз, а из одного литра крови донора можно получить одну дозу интерферона. Чтобы обойти такую проблему, интерферон получают с помощью генной инженерии. Это путь выращивания рекомбинантных штаммов или псевдомонад, в которых встроили ген, отвечающий за синтез интерферона.

Методы генной инженерии имеют следующие преимущества при получении таких ­лекарств:

• Отказ от специфического сырья, которое полностью не очищается. Например, гипофизы умерших использовались для получения соматотропного гормона.
• Идентичность веществ по структуре с человеческим (например, инсулин, производившийся из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней, отличался от человеческого по одной и трем аминокислотам и это часто приводило к нежелательным ­реакциям).
• Более низкая цена и удобное производство. Например, для получения 200 г сухого вещества инсулина требуется поджелудочных желез от более чем 6000 свиней (или коров), а то же количество может быть произведено бактериями, содержащимися в 1000 л специальной жидкости.

Вакцины

• ДНК–вакцины это важнейший успех генной инженерии в медицине, для иммунопрофилактики и перспективного метода лечения опухолей и аутоиммунных заболеваний.
• Белок оболочки вируса гепатита В (“австралийский антиген”) и белки нескольких типов вируса папилломы человека для соответствующих вакцин продуцируют трансгенные дрожжи. Принцип тот же (что с инсулином), только вместо человеческого синтезируется вирусный белок. Так же идет испытания противогриппозной вакцины, в основе которой лежит иммуногенный белок клеточной стенки.
• Также возможно создание вирусных и бактериальных векторов, когда при этом гены высоко иммуногенных белков вводятся в непатогенные вирусы и бактерии. Например, штаммы шигелл начинают экспрессировать антигены малярийного плазмодия, а сальмонеллы  вырабатывают белки вируса иммунодефицита человека. Попадая в организм они индуцируют не только гуморальный, но и клеточный иммунный ответ.

Какие заболевания можно вылечить с помощью генной инженерии?

Около половины случаев, в которых помогает генная терапия, это наследственные заболевания: гемофилия, иммунодефициты, болезни накопления, энзимопатия.

Около 25–30% случаев это онкологические заболевания.

А оставшиеся 20% это все остальное: кардиология, неврология, болезни нервной системы и даже травмы (например, повреждения нерва).

Методы генотерапии при онкологии

Еще одной сферой использования генной инженерии в медицине является CAR-T-терапия. На сегодняшний день одним из наиболее перспективных направлений в терапии онкологических заболеваний является адоптивная клеточная иммунотерапия.

При проведении такой терапии выделяют, активируют и размножают аутологичные T-лимфоциты, а затем вводят их обратно пациенту, что приводит к частичной регрессии опухоли;

Введение Т-леток, модифицированных химерными антигенными рецепторами (CAR-T-клеток), является одним из наиболее активно развивающихся направлений иммуноонкологии.

CAR-T-клетки представляют собой генетически модифицированные собственные Т-клетки пациентов, которые содержат химерный антигенный рецептор. Этот рецептор содержит в себе часть антитела, специфического к антигену опухоли и часть, рецептора Т-клеток.

С использованием CAR-T-терапии получены обнадеживающие результаты при гематологических опухолевых заболеваниях. Клинические испытания CAR-T-клеток, направленных против В-лимфоцитарного антигена CD19. Клинические результаты показывают их эффективность при лечении резистентных к химиотерапии опухолей В-клеточного происхождения.

Генетические заболевания и генотерапия

Генетические патологии нельзя вылечить. В ряде случаев можно лишь ослабить их симптомы. Генетические заболевания часто несовместимы с жизнью или значительно сокращают её. Как правило, они становятся причиной умственной отсталости, характеризуются врождёнными пороками развития и дефектами, а также инвалидностью человека.

Около половины случаев, в которых помогает генная терапия, это наследственные заболевания: гемофилия, иммунодефициты, болезни накопления, энзимопатия.

В настоящее время известно более 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.

Испытания препаратов генной терапии с разным успехом проходят при синдроме Вискотта — Олдрича, хронической гранулематозной болезни, муковисцидоза, мышечных дистрофиях Дюшена и Беккера, болезни Паркинсона, лизосомальных болезнях накопления, меланома.

Первое зарегистрированное в Европе в конце 2012 г. лекарственное средство генной терапии при редкой болезни гиперхиломикронемии стоит около $ 1,6 миллиона на ­курс.

Лечение наследственных заболеваний, установленных с рождения при помощи скрининга новорожденных (муковисцидоз, энзимопатия, фенилкетонурия, болезни накопления) это возможность развития ребенка более полноценно.

С ноября 2022 года в Украине неонатальный скрининг (скрининг новорожденных) будет проводится на исключение 21 заболевания (до этого скрининг охватывал только 4 заболевания).

Частые вопросы о генной инженерии

Что такое генная инженерия простыми словами?

Генная инженерия это совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами, введения их в другие организмы и выращивания искусственных организмов после удаления выбранных генов из ДНК.

Что такое молекулярные ножницы?

Молекулярные ножницы это общее название для ферментов рестрикции. Ферменты рестрикции это типы белков, которые разрезают двухцепочечные молекулы ДНК в определенных точках. Эти ферменты необходимы для манипулирования ДНК, которые применяют в генной инженерии.

Как генная инженерия помогает в медицине?

Благодаря генной инженерии стало возможным создание новых диагностических препаратов, вакцин и препаратов для заместительной терапии, а также лечение наследственных заболеваний.

💁‍♂️Если у вас остались вопросы о возможностях генной инженерии, то подписывайтесь на нашу рассылку и мы вместе сможем разобраться.👈