атывать отдельный курс лечения, рассчитанный на конкретного пациента. В качестве доказательства осуществимости лечения на основе CRISPR была разработана терапия для одной из мутаций. Потенциально существует возможность найти и полноценное лечение этой болезни.
Новая CRISPR-терапия основывается на уже наработанных генетических технологиях. Первое лекарство от амавроза Лебера доставлялось при помощи аденоассоциированного вирусного вектора и называлось Luxturna. FDA одобрило этот препарат в 2017 г. для лечения LCA2, одного из вариантов амавроза Лебера. В данном случае вирус доставлял полезную нагрузку в клетки сетчатки, заменяя в них дефектный ген на рабочий. Казалось, Luxturna работала нормально и не оказывала побочных эффектов, а при аналогичном клиническом исследовании, проводившемся в Нидерландах, удалось улучшить зрение у 60 % участников исследования. Теперь, располагая как вирусным вектором, так и средствами редактирования по методу CRISPR, стало возможно модифицировать гены конкретных клеток in vivo.
Наступившая удивительная эпоха, когда стало возможным соматическое и терапевтическое редактирование геномов, – это только начало. После того как удастся убедиться в эффективности и безопасности этих процедур, мы сможем напрямую еще до рождения редактировать у эмбриона мутации, которые иначе оказались бы калечащими или даже смертельными. Мутации можно тщательно отслеживать в процессе развития и при необходимости исправлять, чтобы повысить шансы ребенка на выживание, а также улучшить качество жизни этого человека. Действительно, варианты лечения не только нацеленные на конкретный тип клеток, но и применяемые на нужном этапе развития – это максимально точный подбор препарата для пациента, какой только можно представить.
Генетическая терапия для перепрограммирования клеток
Но что, если человек страдает от заболевания негенетического характера? Или если генетическая аномалия слишком сложна, а в долгосрочной перспективе приводит к потере определенного типа клеток? Допустим, человек устойчиво слепнет и при этом известно, из-за потери каких клеток это происходит. В таких случаях также можно разработать высокоспецифичные виды лечения для конкретного пациента. В идеале хотелось бы перепрограммировать те или иные клетки, чтобы они брали на себя новую роль и восстанавливали утраченные функции.
Действительно, это рабочая идея. В сетчатке человеческого глаза около 200 млн клеток-палочек – это нейроны, позволяющие отличать свет от тьмы. Гораздо меньше (примерно 5 млн) в сетчатке клеток другого типа – колбочек. Эти нейроны отвечают за цветное зрение и распознавание узоров. Исследование Джеффри Мамма в 2018 г. показало, что в модельном организме (рыбки данио-рерио) при слепоте, вызванной повреждением колбочек, зрение можно воссоздать, модифицировав нейроны-палочки и превратив их в колбочки. Этого удалось добиться при помощи CRISPR-вмешательства с одновременным редактированием нескольких участков генома. В сетчатке часть нейронов-палочек превращается в нейроны-колбочки. Для человеческого глаза это было бы простым решением: если перепрограммировать 5 млн палочек, превратив их в колбочки, то незатронутых палочек останется еще очень много (195 млн). Такая процедура подразумевает именно перепрограммирование, а не редактирование и позволяет использовать имеющиеся клетки для борьбы с макулодистрофией и слепотой.
Но почему бы не совместить эти вещи? Можно ли сохранить все 200 млн палочек, но добавить к ним колбочки? Достаточно поднаторев в перепрограммировании клеток, можно повторно дифференцировать клетки, причем асимметрично (например, разделить на два заранее заданных типа). Такая парадигма позволила бы использовать существующие в ткани клетки и создать условия для развития нужного нам типа клеток.
После того как удастся обеспечить эффективность и безопасность таких исключительно сложных видов терапии на Земле, их можно будет опробовать в смоделированных марсианских условиях, на космических станциях и на самом Марсе. Технологии такого рода критически важны для решения проблем, с которыми нам придется столкнуться далеко от Земли. С учетом огромного разнообразия условий хотелось бы иметь возможность просто менять целевую последовательность или систему доставки. Чтобы не везти с собой целую аптеку, где у каждого препарата свое назначение и порядок применения, лучше обзавестись цельной системой с одним модульным компонентом (который можно синтезировать) и адаптировать ее к конкретным потребностям.
Так, планируется развернуть на орбите Марса обитаемую станцию, которая будет называться «Марсианский базовый лагерь». Компания Lockheed Martin намерена реализовать этот проект к 2040 г. Там нас ждут по-настоящему интересные исследования, касающиеся пределов выживаемости человека на других планетах и средств, которые потребуются для такой жизни. Можно было бы перепрограммировать человека на клеточном уровне, подстраивая организм к параметрам новой окружающей среды. Но сначала нужно выяснить, что нас ждет.
Генетическая защита в космосе
Отправившись к Марсу, мы выйдем за пределы радиационных поясов и земной магнитосферы. Эти пояса обеспечивают Земле и всем ее обитателям превосходную защиту от потоков жесткого солнечного и галактического излучения[13]. Этот электромагнитный щит создает непрерывно вращающееся земное ядро, состоящее из расплавленного железа. Магнитосфера отклоняет жесткое излучение, во многом благодаря ей Земля остается обитаемой.
Если прогуляться голышом по поверхности Марса, то вас ждут проблемы, и совсем не юридического характера. Беда в том, что вы обморозитесь и одновременно схватите дозу радиации из-за того, что в настоящее время магнитосфера на Марсе отсутствует[14]. Когда-то у Марса было расплавленное металлическое ядро и магнитный щит (кроме того, в тот период поверхность Марса была весьма многоводной), поэтому и климат там был гораздо мягче. Так что астронавты будут испытывать воздействие жесткого излучения не только во время полета, но и на поверхности Марса. Уровни облучения будут несопоставимыми с теми, которые мы получаем на Земле или во время уже состоявшихся космических полетов (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Уровни облучения и радиационные риски. Примерные дозы радиации, получаемые при экспедициях и процедурах различной длительности. Учитываются медицинские процедуры, пребывание на поверхности разных небесных тел, участие в космических полетах, рекомендуемые предельные дозы для астронавтов, рассчитанные в NASA, а также общие рекомендации, касающиеся естественного земного радиационного фона.
Комиссия по ядерному регулированию США считает, что любая ненулевая доза радиации повышает риск возникновения рака, а это означает, что «безопасного» порога облучения не существует. По мере того как астронавт облучается, разрушения на клеточном уровне накапливаются, поскольку организм не успевает чинить разрывы двойной спирали, перестановки нуклеотидов или мутации. Конечно, сильно поврежденные клетки могут самоуничтожаться ради блага остального организма, однако механизм апоптоза несовершенен и с возрастом все чаще сбоит. Все эти «молекулярные отказы» – клеточные, эпигенетические и генетические изменения и повреждения – в долгосрочной перспективе повышают риск развития сердечно-сосудистых и других заболеваний, в том числе онкологических.
Биологическое воздействие радиации на человека измеряют в зивертах (Зв). Один зиверт (или 1000 мЗв) – это доза, после получения которой на 5,5 % возрастает вероятность онкологического заболевания. Канцерогенность – один из основных рисков, присущих радиации. Воздействие 1 миллигрея (мГр) ионизирующего излучения на организм оказывает биологический эффект, равный 1 мЗв (0,001 Зв). Изучение радиации называется «дозиметрия», и иногда в ней используются другие единицы, в частности рентген (Р, 1 Р = 10 мГр) и рад (поглощенная доза радиации). Прямо скажем, радиологи не страдают от недостатка единиц измерения.
Скотт Келли, находившийся на околоземной орбите высотой 400 км, получал дозу радиации, эквивалентную четырем рентгеновским просвечиваниям грудной клетки в день (во время этой процедуры вы получаете примерно 0,1 мЗв). Соответственно, ежедневно он хватал по 0,43 мЗв. Такая дневная доза облучения гораздо ниже той, что досталась астронавтам «Аполлона» (13–16 мЗв)[15] на пути к Луне и обратно, а также ниже, чем облучение при некоторых рентгеновских исследованиях (например, велоэргометрия с радионуклидной визуализацией дает 49 мЗв). Однако к моменту возвращения на Землю дозиметр Скотта суммарно показывал 146 мЗв, это довольно серьезное облучение. Также важно отметить различие между разовой дозой (рис. 5.2) и радиационным облучением, полученным за долгий срок. Большая доза «залпом» опаснее, чем та же доза, накопленная за долгий срок, поскольку организм успевает восстанавливаться.
Рис. 5.2. Риски от разных разовых доз облучения: вероятные последствия для здоровья
Как показывают эпидемиологические исследования, вероятность смерти из-за рака, вызванного облучением, также зависит от места жительства человека. Чем выше в горах вы живете, тем тоньше атмосфера над головой и, следовательно, слабее защита от космического излучения. Но радиация также может поступать снизу, из грунта и пород, где содержатся уран, радон, торий и другие естественные радиоактивные вещества. Например, средняя естественная доза облучения жителя США составляет около 2,4 мЗв в год, что в четыре раза выше среднемирового уровня (0,6 мЗв). В Скалистых горах радиационный фон втрое выше, чем в среднем по США. Эти дозы невелики по сравнению с облучением в космосе, что видно на примере капитана Скотта Келли. Согласно расчетам Комиссии по ядерному регулированию, в результате продолжавшегося год полета риск онкологического заболевания для Скотта увеличился на 0,58 %.