Философия школы Future Biotech

История школы Future Biotech началась в 2012 году, и с тех пор ее масштабы и география продолжают расти. На нашем сайте есть замечательная статья Веры Башмаковой (редактора «Биомолекулы»), в которой она подробно рассказала о самых главных вехах в истории школы, начиная с возникновения этой идеи у Александра Василевского и Дмитрия Кузьмина — отцов-основателей школы [1]. Помимо истории, в статье есть ссылки на все лекции школ с 2013 по 2017 годы. В ней можно найти видеозаписи докладов и даже скачать эксклюзивные презентации спикеров. Разве не здорово?!

В прошлом году случилось важное изменение в структуре мероприятия — впервые зимняя школа Future Biotech прошла на английском языке (рис. 1). Благодаря этому множество иностранных ученых не только смогли выступить на школе (и быть понятыми), но и активно общались с участниками как в рабочей, так и в более расслабленной атмосфере, закладывая фундамент будущих коллабораций.

Мы искренне надеемся, что это подстегнет наших читателей, еще только начинающих свой карьерный путь, усиленно вкладывать силы и ресурсы в изучение английского языка. Именно незнание языка часто является ограничивающим фактором для участия в международных мероприятиях и препятствует развитию научного нетворкинга в целом. — Ред.

В этом году школа пройдет 26–30 января в Санкт-Петербурге, и ее география будет обширна как никогда раньше: в ней примут участие ученые из США, Франции, Великобритании, Германии, Канады, Дании, Израиля и, конечно же, из России (рис. 2а–п). Кроме этого необходимо отметить, что в этом году у школы есть Программный комитет, в который входят деятельные российские ученые, работающие в России и за рубежом. Именно благодаря их авторитету и связям удалось сформировать столь весомую научную программу.

«Что же такого значительного в этом событии?» — наверняка спросите вы.

Во-первых, на таких мероприятиях ученые рассказывают о топовых направлениях в своей области, а предприниматели и потенциальные организаторы стартапов могут узнать, какие тренды в науке наиболее актуальны, чтобы инвестировать в них в будущем, например на площадках бизнес-акселераторов, стремительно набирающих популярность в России.

Во-вторых, чтобы сделать российский биотех эффективным, инновационным и конкурентоспособным, представителям науки и бизнеса прежде всего необходимо наладить контакты с иностранными коллегами: коллаборировать, ездить на стажировки в ведущие научные центры и компании, вступать в международные консорциумы по решению конкретных задач. Возможно, вы удивитесь, но очень часто главным ограничивающим фактором являются даже не деньги, которые так или иначе можно получить через гранты или специальные фонды, а отсутствие нужных контактов и связей. Налаживание таких контактов (в научной и деловой среде это называется «нетворкинг») как раз и является одной из приоритетных задач школы Future Biotech (передружить всех между собой, как точно подметила Вера в своей статье [1]).

В-третьих, это безусловно беспрецедентный по своим масштабам научный контент! На лекциях можно будет узнать о самых последних открытиях из первых рук — непосредственно от ученых, ведущих исследования, — и обсудить с ними самые «горячие» подробности.

Таким образом, школа одновременно является тем самым связующим звеном между научными исследованиями и бизнесом, которое пока недостаточно развито в России, а также площадкой для развития профессионального нетворкинга и прокачивания своих знаний.

В этом году ключевой темой школы станут редактирование генома и генная терапия. Сегодня эти технологии — наиболее перспективные и финансируемые направления мировой медицины и фармацевтики. В 2016 году рынок препаратов для генной терапии оценивался в $584 млн. А к 2023 году, по прогнозам аналитиков, глобальная выручка от продажи таких препаратов превысит $4,4 млрд — это более 30% роста ежегодно!

Современные методы генной инженерии в комплексе с другими подходами на наших глазах совершают революцию в борьбе с ранее неизлечимыми генетическими, онкологическими и аутоиммунными заболеваниями. Генная инженерия приходит нам на помощь и в борьбе с устойчивыми к большинству известных антибиотиков [2] бактериями, которые грозят стать главной причиной смертности в мире уже к 2050 году.

Истории и методам генной инженерии посвящены две статьи нашего спецпроекта «12 методов в картинках» [3]. — Ред.

Сегодня на мировом рынке присутствуют лишь единичные препараты на основе генной терапии, десятки находятся на разных стадиях клинических испытаний. Как следует из отчета Allied Market Research, подавляющее большинство препаратов генной терапии производится для больных с онкологическими патологиями. И в ближайшее время — как минимум до 2023 года — эта ниша сохранит свое первенство на рынке. Следом за лекарствами от рака идут средства генной терапии редких заболеваний, сердечно-сосудистых болезней, неврологических расстройств и инфекций [4].

Ближайшее десятилетие пройдет под эгидой внедрения новых терапий, направленных на лечение агрессивных видов рака, генетических, нейродегенеративных, аутоиммунных патологий, а также внедрения в практику антибиотиков нового поколения. И в этот переломный момент российской науке и индустрии необходимо приложить все усилия, чтобы занять свое место на мировом биофармацевтическом рынке, стать активным участником перспективных исследований и, таким образом, обеспечить россиянам доступ к передовой медицине в будущем. Шагом на пути к достижению этой глобальной цели должна стать зимняя школа Future Biotech 2019. Для этого ее организаторы пригласили в Санкт-Петербург ведущих мировых ученых, работы которых охватывают наиболее перспективные направления биомедицины и биотехнологий. Об этих направлениях мы и поговорим в следующей главе.

Какие прорывы в медицине нас ожидают?

Мир, в котором почти нет неизлечимых болезней, — уже не просто мечта фантастов: это мир, где методы генотерапии и редактирования генома стали главным оружием медицины (рис. 3). Уже сегодня благодаря этим подходам удалось достигнуть значительного прогресса в лечении нескольких ранее неизлечимых патологий, о которых мы и поговорим далее.

Генотерапия: на пути к миру без неизлечимых заболеваний

Чтобы продолжить рассказ, давайте освежим в памяти терминологию. Наследственные заболевания, вызванные «поломками» в ДНК, называются генетическими. Если они спровоцированы мутацией в одном единственном гене — их принято называть моногенными. К таким болезням относятся, например, фенилкетонурия, болезнь Гоше и серповидноклеточная анемия. Существуют патологии, причиной которых является поломка сразу в нескольких генах (они называются полигенными) или дефект значительной части хромосомы (хромосомные болезни). К полигенным заболеваниям относятся некоторые виды рака, сахарный диабет, шизофрения, эпилепсия, ишемическая болезнь сердца и многое другое. Наибольшего успеха сегодня удалось добиться в лечении моногенных генетических заболеваний, так как исправить один-единственный ген — методически более простая задача, чем бороться с полигенными болезнями или хромосомными аномалиями (однако и здесь всё не безнадёжно!). В борьбе с генетическими болезнями генная терапия и редактирование генома — главные инструменты будущего в руках генного инженера.

Концепция генной терапии элегантна и красива, как всё гениальное. Она заключается в доставке в клетку здорового гена, который заменяет собой его «дефектный» вариант. Большинство прошедших клинические испытания и одобренных видов терапий использует вирусные векторные системы для доставки и встраивания здорового варианта гена в клетки (рис. 4). В ближайшем будущем ученые пророчат развитие невирусных систем доставки генов в клетку.

Существует два основных подхода: постнатальная генотерапия (иногда ее называют соматической) и генотерапия плода (иначе пренатальная, или фетальная генная терапия, о которой мы недавно писали в статье «Фетальная генная терапия: от теории — к практике» [5]).

В первом случае гены вводят в соматические клетки организма, что позволяет улучшить состояние пациента, однако отредактированный геном не передается потомкам, так как редактирование затрагивает лишь отдельные популяции клеток, не изменяя при этом геномы клеток, продуцирующих гаметы. Такой способ оправдан для борьбы, например, с онкологическими заболеваниями. Во втором случае ДНК вводят в эмбрион на ранней стадии развития, что позволяет отредактировать все, большинство или значительную часть клеток плода. При данном подходе изменения наследуются, так как половые клетки тоже будут нести эти изменения. Этот подход перспективен для борьбы с наиболее тяжелыми наследственными патологиями.

Американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) уже одобрило 16 препаратов на основе генной и клеточной терапии. Среди них есть средства для лечения агрессивных видов рака крови, предстательной железы и редкой наследуемой формы ретинальной слепоты.

Пренатальная терапия имеет ряд преимуществ перед постнатальной, самым большим из которых является помощь на ранней стадии развития болезни, когда патологический процесс еще не успел зайти далеко. Благодаря современным методам пренатальной диагностики исправлять дефектные гены можно на ранних сроках беременности, уже в 14–16 недель. Коррекция мутантных генов у развивающегося плода позволяет быстро увеличить популяцию стволовых клеток со «здоровым» вариантом гена, а значит, заболевание можно вылечить полностью или, по крайней мере, значительно облегчить его течение. Несмотря на радужные перспективы, на данный момент перед учеными стоит ряд нерешенных задач. Фетальная генная терапия увеличивает риск выкидыша и преждевременных родов из-за развития иммунных реакций у матери и ребенка. Кроме того, она может привести к неожиданным, а иногда и катастрофическим последствиям уже на постнатальной стадии развития. Вносимый ген может неспецифически встроиться в любое место генома и, таким образом, нарушить работу других генов, спровоцировав генетическое или онкологическое заболевание. Другой побочный эффект фетальной генотерапии — мозаицизм [6] (явление, при котором часть клеток имеет «исправленный» ген, а остальные несут его «сломанную» версию), который может привести к весьма непредсказуемым последствиям в будущем.

С точки зрения потенциальных рисков очевидно, что фетальная генная терапия должна использоваться только для лечения тяжелых генетических заболеваний, других вариантов коррекции которых не существует. К таким патологиям относятся некоторые редкие генетические заболевания, например миодистрофия Дюшенна [7], спинальная мышечная атрофия [8], фатальная семейная бессонница, фенилкетонурия и фибродисплазия. Для их лечения сегодня активно разрабатывают варианты генных терапий, некоторые из которых находятся на финальных стадиях клинических испытаний. Среди редчайших генетических патологий, безусловно, есть и болезнь Гоше — нейродегенеративное заболевание, тяжелая форма которого на данный момент не поддается лечению и всегда летальна. Болезнь Гоше — самая частая форма среди редких наследственных ферментопатий [9], то есть болезней, связанных с дефектами ферментов. На ее примере была впервые продемонстрирована высокая эффективность фетальной генотерапии в экспериментах на мышах, а теперь ученые готовятся к испытаниям и на людях [5]. Это значит, что будущее, где дети с вышеупомянутыми неизлечимыми генетическими заболеваниями смогут выздоравливать, наступит довольно скоро.

Генотерапия может быть чрезвычайно эффективна и в постнатальный период, в том числе для лечении взрослых пациентов. Спинальная мышечная атрофия (СМА) стала еще одним орфанным (то есть редким генетическим) заболеванием, долгожданную надежду на лечение которого подарила генная терапия [8]. 23 декабря 2016 г. FDA зарегистрировало первое лекарство для СМАйликов (так ласково называют пациентов с этой болезнью) — нусинерсен (коммерческое название Spinraza). По результатам клинических испытаний у 51% пациентов улучшились моторные навыки, а также снизились риск смерти и постоянной вентиляции легких по сравнению с контрольной группой.

Крайне эффективна постнатальная генная терапия и при борьбе с онкологическими заболеваниями, которые являются одной из лидирующих причин смертности в странах с высоким уровнем жизни по данным ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения). На данный момент одобрено два препарата: Yescarta и Kymriah, направленных на лечение высокоагрессивных видов В-клеточной лимфомы с использованием технологии CAR-T. Суть этой технологии заключается в искусственной «настройке» иммунитета пациента против опухолевых клеток. У больного берут T-лимфоциты и в лаборатории при помощи безвредного вирусного вектора вводят в их геном ген химерного антигенного рецептора (CAR) [10], который позволяет модифицированным Т-клеткам узнавать специфический антиген на поверхности злокачественных B-клеток. Затем модифицированные Т-лимфоциты вновь вводятся в кровь пациента. Там они начинают атаковать собственные B-лимфоциты, уничтожая злокачественных «перебежчиков». Однако при данной терапии высок риск развития аутоиммунных реакций. Это связано с тем, что антигены, по которым наши воины (модифицированные Т-лимфоциты) узнают «перебежчиков», могут иногда встречаться и на поверхности здоровых клеток. Исследователи активно работают над решением этой проблемы [11].

Терапии на основе CAR-T — пожалуй, самый успешный на сегодняшний день вариант лечения на стыке клеточной и генной терапий! Эта технология позволяет добиться полной ремиссии примерно в половине случаев лечения или продлить жизнь пациентов в большинстве остальных случаев.

Основная проблема при исправлении дефектного гена на уровне ДНК в постнатальный период такая же, как и в случае генотерапии плода, — высокий риск неспецифического встраивания гена в геном, что может привести к раковой трансформации клеток или апоптозу (их запрограммированной гибели). Все эти побочные эффекты потенциально летальны, однако их можно избежать, воздействуя на работу «сломанных» генов с помощью еще одного крайне перспективного для современной биомедицины метода — РНК-интерференции [12]. Это защитный «антивирусный» механизм эукариот, направленный на разрушение двухцепочечных фрагментов РНК, которые чаще всего являются одной из стадий развития вирусов.

Несмотря на то, что с момента открытия РНК-интерференции прошло уже 20 лет, в медицину технология начала входить совсем недавно. Настраивая этот защитный механизм, ученые научились блокировать работу генов на уровне матричной РНК. Сегодня десятки препаратов на основе РНК-интерференции находятся [13] на разных стадиях клинических испытаний. А совсем недавно (10 августа 2018 года) один из них — Patisiran — был одобрен FDA для лечения опасного наследственного нейродегенеративного заболевания — транстиретинового амилоидоза — и, таким образом, стал первым лекарством на основе РНК-интерференции [14].

Технологии, в основе которых лежат редактирование геномов собственных клеток пациента (CAR-T) и РНК-интерференция, помимо биологических и биоэтических ограничений имеют еще одну серьезную проблему: экстремальная дороговизна! Например, полный курс лечения препаратом Yescarta стоит $350 000, а годовой курс терапии, включающей в себя еженедельные инъекции Patisiran, обойдется пациенту в $450 000. Все эти проблемы ученым и фармацевтическим компаниям предстоит решить в самом ближайшем будущем.

Технология CRISPR-Cas9. Самый точный инструмент редактирования генома

В последнее время в прессе постоянно пишут о разнообразных успехах этого подхода, и не зря: ведь технология редактирования генома с помощью системы CRISPR-Cas9 — это поистине эпохальная разработка (рис. 5)!

На «Биомолекуле» так много статей о великой и могучей технологии CRISPR-Cas9, что мы посвятили ей целый раздел! — Ред.

В природе системы CRISPR-Cas обеспечивают адаптивный иммунитет к вирусам у прокариот. Они обнаружены примерно у 50% бактерий и 90% архей [15]. Однако люди научились использовать это оружие бактерий для своих нужд. Благодаря CRISPR-Cas9 сегодня мы можем не только «исправить» дефектный ген напрямую в живом органе, но и получить целый организм с полностью отредактированным геномом. И здесь нельзя не упомянуть об одном нашумевшем событии...

В ноябре 2018 года китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил [16] о рождении первых младенцев с отредактированным геномом, устойчивых к ВИЧ. Для удаления гена рецептора, который делает Т-клетки человека восприимчивыми к вирусу, группа ученых использовала широко известную технологию CRISPR-Сas9. Эта новость взбудоражила мировую общественность, вызвала множество споров и критику в адрес ученого. И это не удивительно, ведь вопрос редактирования генома человека пока остается нерешенной этической дилеммой. Кроме того, технология CRISPR-Cas9 еще не до конца отработана: ее применение может повлечь такие опасные побочные эффекты как мозаицизм (когда часть клеток организма несет исправленный ген, а часть — его «сломанную» версию) и «нецелевое» редактирование, часто приводящее к раковой трансформации. К моменту написания этой статьи не было проведено независимой экспертизы, поэтому нельзя сказать наверняка, правдиво ли заявление китайского ученого. Однако можно с полной уверенностью заявить, что технически это вполне осуществимо.

Давайте рассмотрим другой менее ангажированный пример, результаты которого подтверждены научными публикациями — главным «мерилом» значимости исследований. В 2017 году были опубликованы результаты экспериментов на человеческих эмбрионах по освобождению их от мутаций, вызывающих гипертрофическую кардиомиопатию [17]. К слову, это первое исследование в США по редактированию человеческих эмбрионов. В 2018 году было проведено лечение мышечной дистрофии Дюшенна у собак (от этого заболевания страдают и люди) [18]: уровень дистрофина удалось поднять до 92% от нормы. С помощью CRISPR/Cas9 можно будет лечить в первую очередь простые моногенные заболевания вроде бета-талассемии, муковисцидоза или гемофилии.

Как уже было сказано выше, редактирование геномов человеческих эмбрионов остается нерешенной этической дилеммой, однако правовой статус этого вопроса разнится в зависимости от страны. В начале 2016 года Министерство здравоохранения Великобритании разрешило редактирование генома эмбрионов человека в исследовательских целях; на тех же условиях оно разрешено и в США. Однако все полученные генномодифицированные эмбрионы должны быть уничтожены в течение 14 дней после их получения. И, конечно, их нельзя подсаживать женщине для вынашивания. В Китае из-за скандала, связанного с рождением близнецов, правительство ввело временный запрет на любые исследования, связанные с редактированием человеческого генома. В России подобные работы пока ограничены недавно принятым ретроградным законом о ГМО.

Пример с системой CRISPR/anti-CRISPR хорошо иллюстрирует тот факт, что все живые организмы участвуют в «гонке вооружений», и если у кого-то появилось новое оружие, вскоре природа обязательно «изобретет» и способ его обойти [19]. Люди уже давно научились извлекать выгоду из этой «холодной войны», и самый яркий тому пример — антибиотики! Однако у этой медали есть и обратная сторона, имя которой — множественная антибиотикорезистентность.

Поиск новых антибиотиков — актуальнейшая задача современности

По расчетам британского исследования Review on Antimicrobial Resistance, человечество может остаться без эффективных лекарств против инфекций и погрузиться в постантибиотическую эпоху уже к 2050 году (рис. 6). Одна из главных угроз человечества сегодня — мультирезистентный золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus, MRSA) [20]. Он с трудом поддается лечению, угрожает жизни человека и может привести к сепсису, пневмонии и инфекциям кровотока. Согласно статистике, от MRSA ежегодно умирает более 18 000 человек, заражается же им в пять раз больше (только инвазивно, при операциях) [21].

Проблема столь массового распространения резистентности среди бактерий имеет множество причин. Сам процесс приобретения устойчивости естественен и неизбежен, однако злоупотребление антибиотиками, их неправильная утилизация и массовое попадание в окружающую среду ускорили этот процесс настолько, что некоторые инфекции не поддаются лечению даже комплексами из новых препаратов. Поэтому поиск новых антибиотиков является приоритетной задачей для современной науки [22].

Самая распространенная мишень всех известных антибиотиков — аппарат синтеза белка бактерий. Аппарат трансляции прокариот отличается от нашего, что позволяет использовать специфические ингибиторы синтеза белка у бактерий без вреда для собственных клеток нашего организма. Из-за массового распространения генов устойчивости у бактерий ученые активно изучают их белоксинтезирующий аппарат и ищут новые мишени и ингибиторы трансляции. На Зимней школе Future Biotech направление по поиску новых рибосомных антибиотиков представят сразу несколько спикеров, среди которых есть и ученые с российскими корнями.

Данные исследования позволят облегчить разработку новых поколений антимикробных препаратов, а также найти клинические подходы для предотвращения распространения устойчивости к большинству применяемых в клинике антибиотиков среди патогенных бактерий.

Биотехнологии будущего: есть ли будущее у российских исследований?

Совсем недавно человечество шагнуло в новую эру — высокоэффективной генной терапии, редактирования геномов и продвинутых биотехнологий. Это вселяет надежду, что в ближайшие десятилетия будет побеждено множество ранее неизлечимых заболеваний. Однако на сегодняшний день мы имеем лишь единичные препараты на основе перспективных подходов генной инженерии и отсутствие устоявшейся клинической практики их использования. Перед нами лежит сложный путь по разработке лекарств и их внедрению в массовую медицину (рис. 7).

Это еще раз подчеркивает важность таких мероприятий как зимняя школа Future Biotech: на ней решается сразу несколько приоритетных для общества задач. Во-первых, школа является площадкой, на которой наука и бизнес находят точки пересечения. Это рождает понимание того, в каких направлениях стоит двигаться российской индустрии, чтобы занять сильные позиции на международном рынке и обеспечить гражданам доступ к передовой медицине. Во-вторых, школа выполняет образовательную функцию. Ученые из России могут узнать больше о работе своих иностранных коллег, а зарубежные исследователи, в свою очередь, о разработках, которые ведутся в России, но, к сожалению, недостаточно хорошо освещаются в мировой прессе. В-третьих, школа призвана «передружить всех между собой» и, таким образом, открывает широкие возможности для коллабораций, карьерного роста или поиска способов реализации своей идеи. На ней формируется сообщество, которое катализирует важные для российского общества процессы.

Заключение

История буквально творится на наших глазах. За последние 2–3 года медицина получила возможность эффективно бороться с ранее неизлечимыми генетическими и онкологическими заболеваниями, такими как агрессивные формы B-клеточной лимфомы, болезнь Гоше и амилоидная полинейропатия. И это только начало! Крайне важно, чтобы о перспективных биомедицинских технологиях узнали «в нужное время в нужном месте». В случае России такой площадкой уже стала Зимняя школа Future Biotech.

Литература

1. Зимняя школа «Современная биология и Биотехнологии будущего»: передружить всех между собой!;
2. Петренко А. (2017). Борьба за выживание. Погибнет ли человечество из-за устойчивости к антибиотикам. Forbes;
3. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники;
4. Шариффулина В. (2018). ДНК как лекарство: клеточная и генная терапия меняют фармацевтику. Forbes;
5. Фетальная генная терапия: от теории — к практике;
6. Геномная головоломка: открой в себе мозаика;
7. Вылечить миодистрофию Дюшенна: конкуренция групп, единство методик;
8. Надежда для СМАйликов;
9. Болезнь Паркинсона: что изучать? как изучать?;
10. CAR-T-клетки, получаемые in situ (in vivo), — путь к удешевлению и широкодоступности технологии?;
11. Лищук О. (2016). Химера против рака. N+1;
12. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
13. Есть ли смысл в антисенсах?;
14. Первый препарат на основе РНК-интерференции: смерть мРНК — жизнь пациенту!;
15. CRISPR-системы: иммунизация прокариот;
16. Dennis Normile. (2018). CRISPR bombshell: Chinese researcher claims to have created gene-edited twins. Science;
17. Hong Ma, Nuria Marti-Gutierrez, Sang-Wook Park, Jun Wu, Yeonmi Lee, et. al.. (2017). Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature. 548, 413-419;
18. Leonela Amoasii, John C. W. Hildyard, Hui Li, Efrain Sanchez-Ortiz, Alex Mireault, et. al.. (2018). Gene editing restores dystrophin expression in a canine model of Duchenne muscular dystrophy. Science. 362, 86-91;
19. Анти-CRISPR: ответ вирусов;
20. Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
21. Nichols H. (2017). All you need to know about MRSA. Medical News Today;
22. Антибиотикорезистентность: How to make antibiotics great again*?;
23. Когда ослепшие прозреют?;
24. Roope Männikkö, Zakhar O. Shenkarev, Michael G. Thor, Antonina A. Berkut, Mikhail Yu Myshkin, et. al.. (2018). Spider toxin inhibits gating pore currents underlying periodic paralysis. Proc Natl Acad Sci USA. 115, 4495-4500.