world-weather.ru/pogoda/russia/saratov/
Погода в Перми

Рустам Гильфанов: как биоинженерия может помочь человечеству и с какими рисками связано ее развитие

У технологий биоинженерии большое будущее, однако есть несколько серьезных препятствий

Биоинженерия — наука, которая примиряет между собой принципы биологии и инженерии1. Кому-то это покажется очевидным уже из самого названия дисциплины, однако за этим простым определением скрывается грандиозная история. По сути, биоинженерия — это слияние двух казавшихся не сопоставимыми миров, воплощенная мечта писателей-фантастов XIX века: человек рассматривает организмы как инженерную систему и учится корректировать их, улучшать и совершенствовать.

Эта дисциплина уже привнесла немало в наш мир: с помощью достижений биоинженерии мы диагностируем заболевания с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) и артроскопии, используем кардиостимуляторы. Огромное количество ставших повседневными вещей — плод колоссального труда биоинженерной науки.

Именно биоинженерия дает шанс человечеству излечиться от болезней, считавшихся неизлечимыми, включая рак, повлиять на процессы старения, открывает новые возможности в регенеративной медицине. Что же сейчас находится на передовом краю биоинженерии? Откуда ожидать прорывов и — да, я осмелюсь использовать это слово — чудес? Обозначу ключевые, на мой взгляд, точки — и постараюсь наметить, куда мы придем в ближайшие десятилетия.

Путь к здоровью через самообновление клеток

Стволовые клетки способны при делении создавать и выделять новые, специализированные клетки, помимо себе подобных. Таким образом происходит обновление тканей организма: здоровые клетки заменяют больные. Ученые используют для выращивания несколько типов стволовых клеток — из эмбриона, из пуповинной крови или плаценты, из костного мозга взрослых.

Впервые о стволовых клетках заговорили в конце XIX века. Российский ученый Александр Максимов в 1909 году закрепил этот термин в науке и построил теорию стволовой клетки. Первыми учеными, экспериментально обосновавшими использование этого метода, стали американские исследователи Джеймс Тилл и Эрнест Маккалох в 1960-х годах. Они облучали мышей смертельной дозой радиации и пересаживали им клетки костного мозга другой мыши — те выживали.

Сейчас метод трансплантации костного мозга используется для лечения онкогематологических, аутоиммунных заболеваний и прочно вошел в клиническую практику. При этом типе заболеваний используется также трансплантация гемопоэтических (кроветворных) стволовых клеток, забираемых из костного мозга или из пуповинной крови. Такую кровь при желании родители новорожденных сохраняют в биобанках.

В 1981 году Мартин Эванс и Мэттью Кауфманн доказали существование уже эмбриональных стволовых клеток, обладающих способностью преобразовываться в несколько типов тканей (такое свойство называется плюрипотентность) или даже целый организм. Но с использованием клеток эмбрионов связан ряд вопросов этического характера, ограничивающий исследования в этой области.

Следующим этапом стало изобретение технологии, позволяющей репрограммировать клетки взрослых в стволовые со свойством плюрипотентности, которым обладают эмбриональные стволовые клетки. За это изобретение японский ученый Синъя Яманака (он использовал клетки кожи) в 2012 году получил Нобелевскую премию. Открытие дало мощный толчок к развитию отрасли и спровоцировало взрыв исследований.

Пока не наработано достаточного клинического опыта, чтобы утвердительно ответить на вопрос, надежно ли лечение с помощью стволовых клеток заболеваний, не связанных с заболеваниями крови. Потенциал использования стволовых клеток признается учеными. Этот метод испытывается на эффективность при лечении болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера, рассеянного склероза. Но пока использование этих методов официально не утверждено — хотя целый ряд стратегий лечения нейродегенеративных заболеваний с помощью стволовых клеток уже разработан2.

Причем эта индустрия уже вызывает колоссальный резонанс: запрос на методы терапии нейродегенеративных патологий настолько велик, что FDA уже вынуждена выдавать разрешения в ускоренном формате3. И дальше ситуация будет лишь усугубляться.

В Японии, например, в 2019 году официально разрешили использовать стволовые клетки из костного мозга для лечения повреждений спинного мозга при травмах позвоночника. Технология названа Stemirac. Эффективность такой терапии была подтверждена клиническими испытаниями на 13 добровольцах — правда, у исследователей возникли вопросы к уровню их доказательности4.

Легализованы методы терапии с использованием стволовых клеток и в регенеративной медицине — правда, в том, что касается выращивания тканей вне организма человека. Например, в 2014 году Европейское агентство по лекарственным средствам (EMA) рекомендовало к использованию первое лекарственное средство, содержащее стволовые клетки — Holoclar от Chiesi5.

Holoclar применяется при лечении редкого заболевания глаз — дефицита лимбальных стволовых клеток (LSCD) из-за ожогов, которое может привести к слепоте. Лимбальные стволовые клетки расположены в глазу на границе между роговицей (прозрачная часть) и склерой (белком глаза). Эти клетки важны для регенерации и заживления эпителия роговицы, а ожоги могут вызвать их потерю. На небольшом неповрежденном участке роговицы берется биопсия, и из полученного материала с использованием клеточной культуры в лаборатории выращивается живая ткань, которая затем трансплантируется в пораженный глаз.

Таким образом, у пациента снижен риск отторжения по сравнению с трансплантацией ткани от донора, кроме того, не требуется хирургического вмешательства на другом глазу — только небольшая биопсия.

Есть и неудачные эксперименты — например, по исследованию регенеративного потенциала сердца. Научная группа Пьеро Анверса более 15 лет занималась исследованием якобы обнаруженных стволовых клеток сердца (c-kit-положительные клетки). Считалось, что с помощью этих клеток возможно самообновление сердечной мышцы.

Метод допустили до испытаний на людях. Открытие могло бы быть революционным, но в нескольких лабораториях попытались повторить доклинические испытания и даже близко не добились описываемого Анверсой эффекта. В итоге весной 2018 года Гарвардская медицинская школа и больница Брайхема, где работал Анверса, отозвали 31 статью группы ученых из-за выявления «сфальцифицированных и/или сфабрикованных данных». Клинические испытания были приостановлены. Эта история подорвала потенциал исследований в этой области.

Новые нейроны: как вылечить болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона — хроническое заболевание нервной системы, связанное с гибелью нейронов, отвечающих за выработку гормона дофамин. В результате у больных развиваются двигательные нарушения, возможны психические отклонения, деменция. Болезнь пока считается неизлечимой. Этот диагноз был поставлен в 2000-х фронтмену группы Black Sabbath Оззи Осборну.

Осборн в 2020 году отважился пройти экспериментальное лечение эмбриональными стволовыми клетками. Его дочь Келли Осборн говорила, что результаты были ошеломительными: «Он хочет встать. Он хочет что-то делать. Он хочет снова стать частью этого мира. Он лучше ходит. Он лучше говорит. Его симптомы слабеют». К тому моменту в мире уже проводилось несколько испытаний применения стволовых клеток в лечении этого нейродегенеративного заболевания, однако ни один из методов не утвержден до сих пор.

Дальше всех продвинулись в Японии. В 2018 году человеку впервые была проведена операция по пересадке выращенных из стволовых клеток нейронов6. Ученые Университета Киото вырастили предшественников нейронов, продуцирующих дофамин, из клеток кожи. В ходе трехчасовой операции команда под руководством нейрохирурга Такаюки Кикучи пересадила 2,4 млн таких клеток в 12 участков мозга 50-летнего пациента. Операция прошла успешно.

Операция проводилась как часть клинических испытаний группы Университета Киото под руководством Дзюна Такахаси. Исследования продолжаются: в 2021 году Такахаси объявил, что работает над анализом побочных эффектов.

Методом уже заинтересовался японский фармпроизводитель Sumitomo Dainippon Pharma, который к 2023 году готов организовать производство технологии. Успех применения индуцированных стволовых клеток при болезни Паркинсона может открыть возможности для изобретения лечения и других нейродегенеративных заболеваний.

Клетки, обученные вырабатывать инсулин

С помощью тех же эмбриональных стволовых клеток ученые научились синтезировать инсулин-продуцирующие клетки, идентичные здоровым клеткам поджелудочной железы. Это значит, что появилась надежда, что больные диабетом 1 типа смогут отказаться от ежедневных уколов инсулина.

За выработку инсулина, регулирующего уровень глюкозы в крови, в организме отвечают бета-клетки поджелудочной железы. Иммунная система больных диабетом 1 типа убивает продуцируемые поджелудочной железой бета-клетки и как следствие инсулина вырабатывается недостаточно. Для его восполнения диабетикам и нужны ежедневные инъекции инсулина.

Еще с 1990-х годов врачи практиковали трансплантацию от донора так называемых островков Лангерганса — скоплений продуцирующих инсулин бета-клеток поджелудочной железы. Но существовали ограничения по донорскому материалу и последствия — организм получал «чужеродный» материал и начинал атаковать клетки. Реакция на трансплантат подавлялась иммунодепрессантами.

В 2014 году ученые Гарвардского университета объявили, что научились выращивать из эмбриональных стволовых клеток миллионы бета-клеток, которые могут быть трансплантированы пациентам с диабетом7. Подобных результатов позже удалось добиться и другим исследовательским группам. Но пока остался нерешенным вопрос, как защищать эти клетки от атак иммунной системы.

Занимавшийся разработкой в Гарвардском университете Дуглас Мелтон позже основал свой стартап Semma, продолживший изучение технологии. В 2019 году этот стартап за $1 млрд приобрела американская биофармацевтическая компания Vertex. В марте Vertex объявила о наборе 17 пациентов в первое клиническое исследование этого метода — то есть трансплантация стволовых бета-клеток впервые опробуется на людях. Первые итоги будут подведены в 2024 году.

Стоит ли ожидать клонирования человека

В 1995 году группа ученых во главе с Яном Уилмутом рапортовали об успешном клонировании двух овец. Исследователям удался первый успешный опыт клонирования взрослого млекопитающего — появилась знаменитая овечка Долли, выросшая во взрослую особь8. Механизм был следующим: из оплодотворенной яйцеклетки удалили ядро, где находится ДНК, и поместили туда ядро из соматических (не половых и не стволовых) клеток взрослой особи этого же вида. Яйцо имплантировали в матку самки. До этого у той же группы ученых были опыты по клонированию овец, но с использованием клеток эмбрионов. И Долли появилась не с первого раза: всего у ученых было 236 попыток. За заслуги по первому клонированию млекопитающего королева Елизавета II удостоила Уилмута рыцарского звания.

Долли прожила 6,5 лет и была усыплена из-за заболевания легких, вызванного вирусом. Но несмотря на опасения исследователей, вероятные причины были не в природе ее появления, а неправильных условиях содержания и плохой наследственности: овца-донор также умерла от рака.

После Долли ученые клонировали и другие виды млекопитающих: мышей, кошек, собак, свиней, коров, коз и даже верблюда, всего — 28 видов животных. А опыты по созданию клона обезьян долгое время оказывались неудачными. Методом переноса ядра соматической клетки это удалось сделать в 2017 году в Китае. С помощью клонирования хотели сохранить и вымирающие виды животных: в 2001 году ученые клонировали гаура — крупного быка, находящегося на грани вымирания. Правда, гуар прожил всего двое суток9.

В 2008 году японским ученым удалось клонировать труп мыши, пролежавшей в морозильнике 16 лет, используя ядра клеток мозга10. До этого считалось, что «воскрешение» замороженных вымерших видов (например, мамонта), невозможно, поскольку «живых» клеток в материале не осталось, а ДНК неизбежно подвергается деградации. Несмотря на успех эксперимента, материала для полноценного «воскрешения», например, мамонта, слишком мало, поэтому ожидать результата в ближайшие годы точно не стоит.

Эксперименты же по клонированию свиней, которые, как известно, имеют наиболее близкие к человеку строение и размер внутренних органов, были немногочисленны. Это было важным для оценки возможности последующей трансплантации органов свиньи человеку. Шотландская биотехнологическая компания PPL Therapeutics в 2002 году объявила о том, что получила клоны пяти поросят с органами, подходящими для пересадки человеку. О подобных испытаниях заявляли и другие компании.

Теоретически возможно и клонирование человека. Канадская компания Clonaid даже заявляла, что создала первого клона человека по имени Ева. Девочку, однако, никто не видел, как и доказательств эксперимента. Опытам в этой сфере препятствуют, опять же, этические, религиозные, юридические проблемы. К тому же если клонированный человек и имеет тот же геном, что у донора, но как быть с его уникальной личностью, его статусом и правами? Если же рассматривать генетическую копию человека как источник работоспособных органов для пересадки, такое отношение нарушает базовые этические нормы.

Что тормозит развитие биоинженерных технологий

Несмотря на то что методы, использующие биоинженерные технологии, могут навсегда изменить способы и эффективность лечения опасных и неизлечимых заболеваний, исследования в этой области встречаются с различными этическими и юридическими ограничениями.

Рассмотрим использование эмбриональных стволовых клеток. В 1980-х годах несколько стран договорились ограничить 14 днями возраст эмбриона, который можно растить для исследований. В мае 2021 года этот запрет был ослаблен11 из-за развития и усложнения технологий: теперь в индивидуальном порядке и под контролем разрешается выходить за рамки двухнедельного срока.

Расширение «правила 14 дней» приняли во внимание рекомендации и в США, где в течение десятилетий колебались со своей позицией по применению эмбриональных стволовых клеток. Еще в 2000-е годы, во время президентства Джорджа Буша, в США действовал запрет на государственное финансирование исследований, связанных с эмбриональными стволовыми клетками12. Администрация Барака Обамы в 2009 году сняла это ограничение, увидев перспективу победить неизлечимые пока болезни.

Европа долгое время финансировала подобные разработки. Но в 2011 году Европейский суд по правам человека запретил13  патентовать методики с использованием эмбриональных стволовых клеток. Такой запрет был введен в ответ на обращение Greenpeace по патенту, выданному Оливеру Брюстле на получение нервных клеток из стволовых клеток эмбриона. В Greenpeace сочли неэтичным уничтожение эмбрионов в научных целях. Исследовательское сообщество неоднозначно восприняло такое решение, посчитав, что это надолго затормозит развитие такой перспективной сферы. Позже, в 2014 году, суд пересмотрел14  свое решение, посчитав, что клетки, полученные из неоплодотворенной яйцеклетки посредством партеногенеза, не могут развиться в человека, а значит, не являются в полном смысле эмбрионом.

Создание эмбрионов из клетки человека относится к терапевтическому клонированию. Но есть и репродуктивное — создание человека, генетически идентичного другому человеку. Еще в 1998 году был принят дополнительный протокол к Конвенции о правах человека и биомедицине о запрете клонирования человеческих существ.

Его подписали 24 из 43 стран-членов Совета Европы. Россия в подписании протокола не участвовала, но приняла в 2002 году федеральный закон, вводящий запрет на клонирование человека, продолжающий действовать и сейчас. В 2005 году ООН призвала страны — члены ООН принять законодательные акты, запрещающие клонирование человека как противоречащее человеческому достоинству. Во многих странах за эксперименты с репродуктивным клонированием человека предусмотрена уголовная ответственность.

Куда приведет биоинженерия?

Ученые видят огромный потенциал стволовых клеток как инструмента для самовосстановления организма. Изучение всех возможностей и, что не менее важно, последствий работы со стволовыми клетками со временем может привести к открытию методов терапии заболеваний, считающихся на сегодняшний момент неизлечимыми. Тем более после того, как была открыта возможность преобразования соматических клеток человека в плюрипотентные стволовые клетки.

Использование эмбриональных стволовых клеток и клонирование в любом случае будет ограничиваться определенными этическими и юридическими нормами, границы которых, возможно, со временем будут меняться по мере появления новых открытий.

Исследовать потенциальные последствия применения новаторских методов лечения помогают современные цифровые технологии, позволяющие выстраивать модели применения тех или иных методов терапии, индивидуализировать подход в каждом случае, структурировать и обрабатывать получаемые массы данных.

1 https://thebiologist.rsb.org.uk/biologist-features/spotlight-on-bioengineering
2 Vasic V, Barth K, Schmidt MHH. Neurodegeneration and Neuro-Regeneration-Alzheimer's Disease and Stem Cell Therapy. Int J Mol Sci. 2019 Aug 31;20(17):4272. doi: 10.3390/ijms20174272. PMID: 31480448; PMCID: PMC6747457.
3 https://www.jwatch.org/na54036/2021/09/29/aducanumab-controversy-how-do-clinicians-proceed
4 David Cyranoski. Japan’s approval of stem-cell treatment for spinal-cord injury concerns scientists. — Nature, 2019. — https://www.nature.com/articles/d41586-019-00178-x
5 https://www.ema.europa.eu/en/news/first-stem-cell-therapy-recommended-approval-eu
6  David Cyranoski. ‘Reprogrammed’ stem cells implanted into patient with Parkinson’s disease (https://www.nature.com/articles/d41586-018-07407-9)
7 Pagliuca, F., Millman, J. and Gürtler, M, et. al. Generation of functional human pancreatic beta cells in vitro. — Cell, 2014. (https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(14)01228-8)
8 Ian Wilmut et al. Viable Offspring Derived from Fetal and Adult Mammalian Cells. — Nature, 1997 (https://www.nature.com/articles/385810a0)
9 Миненко И.А., Сердюков Д.Г. К вопросу об истории клонирования. — Вестник новых медицинских технологий, 2014. (https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-ob-istorii-klonirovaniya/viewer)
10 Sayaka Wakayama et al. Production of healthy cloned mice from bodies frozen at −20°C for 16 years. PNAS, 2008. (https://www.pnas.org/content/105/45/17318)
11 https://www.isscr.org/policy/guidelines-for-stem-cell-research-and-clinical-translation
12 Varnee Murugan. Embryonic Stem Cell Research: A Decade of Debate from Bush to Obama. — Yale journal of biology and medicine, 2009. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2744932/)
13 https://curia.europa.eu/juris/document/document.jsf?text=&docid=111402&pageIndex=0&doclang=EN&mode=lst&dir=&occ=first&part=1&cid=611304
14 Ewen Callaway & Alison Abbott. European court clears way for stem-cell patents. — Nature, 2014 (https://www.nature.com/articles/nature.2014.16610)

Об Авторе: Рустам Гильфанов – IT-бизнесмен, сооснователь крупной IT-компании, венчурный партнер фонда LongeVC

Источник
www.km.ru
16.03.2022
Источник: www.km.ru

 Вы еще не подписаны?

подпишитесь прямо сейчас и вы вы узнайте первым самое интересное!

Нравится наш проект?

Поделитесь в социальных сетях, помогите нам продвигаться дальше ! спасибо!

обновлен05.07.2022 @ 22:30 всего 3,468,смотрят 4 Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru