Сегодня перед биотехнологом стоит много нерешённых технологических задач. Можно изменять биологические организмы для обеспечения потребностей людей с помощью клеточных и генно-инженерных методов. Например, улучшать качество продуктов, получать новые виды растений и модифицировать животных, придавать живым организмам необходимые свойства и создавать новые лекарственные препараты методами генной инженерии, искусственного отбора, гибридизации.

Однако, чтобы работать биотехнологом, нужно знать не только генетику, молекулярную биологию, биохимию, клеточную биологию, но также ботанику, химию, математику, информационные технологии, физику и другое. Грубо говоря, биотехнологи - это инженеры в области естественных и точных наук. Генеральный директор инновационной биотехнологической Biocad Дмитрий Морозов рассказал об этой интересной профессии и будущем биотехнологий.

Biocad - это международная инновационная биотехнологическая компания. В ней есть научно-исследовательский центр, проводятся доклинические и клинические исследования собственных фармацевтических препаратов. Департамент перспективных исследований Biocad занимается разработкой лекарственных препаратов передовой генной и клеточной терапии, а, кроме того, поиском и анализом сигнальных путей, закономерностей и мишеней, которые позволяют разрабатывать препараты превентивной медицины.

Дмитрий Морозов,

генеральный директор компании Biocad

Что такое биотехнология?

Биотехнология - это использование живых систем, клеток, организмов для практических нужд человека. То есть использование современной науки для манипуляции с живыми объектами, чтобы получить некую выгоду и улучшить жизнь человека.

Биотехнология отталкивается от потребностей. Например, не зря люди ездят на север и изучают гейзеры. Они понимают, что 10 лет могут искать и ничего не найти. Но они всё равно это делают, потому что рано или поздно найдут какую-нибудь бактерию, которая позволит делать дешёвое биотопливо, используя один ген этой бактерии. Так или иначе каждый человек, когда занимается наукой, надеется её применить (кроме теоретических физиков, хотя, наверное, они тоже захотели бы в космос полететь). В компании Biocad мы используем микроорганизмы для создания лекарств.

В биотехнологии много дисциплин, и все успешные проекты и направления связаны с их комбинацией.

Говорят, все открытия происходят на стыке разных специальностей: математика, биология - биоинформатика; биология, химия - биохимия; медицина, информатика, биология - биомедицинская информатика. Это всё отдельные блоки, которыми занимаются разные люди. Биотехнология сегодня, наверное, более всего уделяет внимание созданию лекарств разных типов. Кроме фармацевтического направления биотехнологии интересно сельское хозяйство (улучшение свойств еды), экология, энергетика (получение биотоплива) и прочее. И, конечно, в будущем можно думать о коррекции человека.

Генная инженерия и биотехнология

В биотехнологии важное место занимает генная инженерия. Она широко распространена в исследованиях, однако вовсе не обязательно использовать её методы, чтобы получить полезные свойства у объекта. Например, можно разобраться в особенностях метаболизма организма: как он живёт в нормальной среде обитания и что получится, если мы переведём его в другую среду обитания, с другими питательными факторами, в другую атмосферу - возможно, это поможет ему в итоге, и это может быстрее размножаться. Но это же не генная инженерия.

Биотехнология - это манипуляции со знаниями, которые есть о данном объекте. Генная инженерия просто расширяет круг возможностей, разных комбинаций, даёт возможность совершать манипуляции на уровне молекул, поэтому более точна.

Биотехнология на самом деле существует столько, сколько сельское хозяйство. В сельском хозяйстве часто есть конкретная практическая цель - например, вывести породу быстрых лошадей или устойчивое к холоду растение. Этим люди занимаются уже сотни лет с помощью селекции, которая на самом деле является генетическим методом отбора.

Биотехнологическая этика: как общество относится к биотеху?

Люди по-разному воспринимают нововведения в биотехнологии. Есть негативные и позитивные примеры восприятия.

Негативные - это, например, мнение, что внедрение нового приведёт к появлению вирусов, которые будут распространяться по всему миру и от которых нет ни вакцины, ни лечения, и что периодические эпидемии именно с этим и связаны.

Из позитивных - например, можно создать вирус, который на время меняет цвет глаз. Постепенно они становятся своего цвета, и каплями антибиотиков можно снова сделать их голубыми. Это мало связано со здравоохранением в привычном смысле, но всё равно здорово. Подобные манипуляции уже в теории можно делать, и к таким технологиям общество относится позитивно и с улыбкой. Однако в целом люди боятся внедрения новых технологий. Да и чтобы внедрить новое, нужно на высшем уровне обсудить этические вопросы того или иного воздействия препарата, и обычно это происходит долго.

Биотехнология в Biocad: лечение нуклеиновой кислотой

Два года назад в Biocad мы открыли Департамент перспективных исследований, основная цель которого - создание лекарственных продуктов передовой генной терапии. Этот термин объединяет три группы лекарственных препаратов, которые не похожи на все остальные лекарства, к которым мы привыкли.

Во-первых, это препараты для генной терапии, во-вторых, это препараты, в основе которых лежит манипуляция с соматическими и стволовыми клетками человека, в-третьих, это препараты тканевой инженерии.

В основе действия классических лекарств лежит либо малая молекула химической природы, либо какой-то белок, например, антитело, который можно легко получить с помощью биотехнологических методов. В нашей разработке лекарственным веществом, то есть действующим фактором, является нуклеиновая кислота РНК или ДНК.

Это новый способ воздействия на организм человека. Это направление не так давно стало бурно развиваться, поэтому к нему пока что относятся с осторожностью.

Как работают препараты для генной терапии

Наше лекарство - это рекомбинантный вирус, наночастица на базе вируса, внутри которой находится ген, которого недостаёт больному человеку. Направлены эти продукты, как правило, на заболевания, которые плохо поддаются лечению (наследственные заболевания с тяжёлыми проявлениями вплоть до летального исхода в раннем возрасте: дистрофия, нарушение зрения, световосприятия, иммунодефициты). Это в основном моногенные заболевания, в которых проявление болезни обусловлено дефектом одного гена. В таких случаях они очень хорошо лечатся. В лаборатории мы создаем терапевтические вирусные частицы, а биоинформатики помогают нам моделировать их работу.

В случае полигенных заболеваний , например, рака, можно использовать методы генной терапии для модификаций клеток иммунной системы человека, чтобы получать иммунные клетки с высокой специфичностью к опухолевым клеткам. В лабораториях наши учёные осуществляют полный цикл разработки этих двух типов продуктов (от идеи до создания прототипов, готовых для тестирования на животных). Такого в России нет, наверное, нигде.

Перспективные исследования в биотехнологии

медицина будущего: Развитие новых типов лекарств

Наш департамент назван по аналогии с Управлением перспективных исследовательских проектов США (DARPA). Они пытаются внедрять достижения науки в целях увеличения обороноспособности страны - это ускоренная регенерация, универсальные доноры, оружие и прочее.

Возможно, в ближайшие 5-10 лет благодаря взаимосвязи кибернетики и биотехнологии действительно будут созданы умные лекарства. Например, создание очень маленьких чипов : это капсула или робот с частицами лекарственного средства, циркулирующие в крови, из которых в зависимости от состояния человека нужное вещество будет впрыскиваться в кровь. Подобным занимаются, например, в MIT. Уже есть успешные примеры: в зависимости от уровня глюкозы в организм вбрасывается инсулин, что минимизирует степень инвазивности лечебной процедуры. Человек один раз внедрил чип, сделал инъекцию и на очень длительное время забыл, что нужно принимать лекарство.

Даже известный футуролог Рэй Курцвелл говорит, что люди начнут жить дольше с помощью нанороботов к 2025 году. Скорее всего, он имеет ввиду препараты, которые будут бороться с онкологическими заболеваниями.

Нанороботы - новый формат препаратов, потому что с точки зрения веществ, из которых состоят лекарства, люди уже всё сделали. Мы ничего больше предложить не можем - типов химических соединений, которые можно использовать для терапии немного. Это либо белки, либо малые молекулы, либо нуклеиновые кислоты , которые теперь тоже применяются.

Вариантов и тех, и других, и третьих, конечно, можно сделать безграничное количество, но они имеют ограниченный потенциал применения, так как работают по общим химическим принципам. По-другому воздействовать на клетку уже никак невозможно.

Поэтому в будущем главным вопросом будет доставка нанороботами этих трёх «блоков», что приведет к появлению новых форматов терапии.

Конечно, большинство хочет просто принять таблетку, но не все лекарственные вещества можно в неё «вложить». Более простой вариант - капсула. Более эффективный - инъекция и суппозитории. И если был бы какой-то универсальный способ лечения, например, закалывать какой-то чип с концентратом лекарственного средства под кожу, но раз в год, думаю, многие бы на это пошли.

Фото предоставлено компанией Biocad.

Диагностика заболеваний

Развитие малоинвазивных методов диагностики будет нужно человеку, чтобы, грубо говоря, по капле крови можно было быстро определять состояние человека: есть ли у него онкологическое заболевание и, если да, то есть ли метастазы, что за рак и прочее.

Сейчас это можно делать по определённому количеству миллилитров крови с помощью высокопроизводительных методов, но пока это довольно дорого. Мы идём к индивидуальному профилированию человека, чтобы знать про себя всё до уровня молекулы. Человек будет понимать, что конкретно с ним происходит в данный момент.

Может возникнуть нечто вроде социальной сети профайлов, где будут храниться все данные - например, по экспрессии генов за последний месяц. Кажется, что здесь всё легко, но на самом деле это миллиарды последовательностей, сотни генов с разными мутациями, разной степени значимости. Поэтому нужен будет новый класс врачей-теоретиков, которые будут уметь интерпретировать это огромное количество данных.

Регенерация, искусственный интеллект

Наверное, в будущем мы научимся регенерировать ткани и органы. Уже сейчас выращивают органы с нуля до реального размера из клетки благодаря 3D-печати. Также пытаются восстанавливать спинной мозг после травмы - печатать нейроны в месте повреждения. Иными словами, прививать человеку его же клетки, размноженные в лабораторных условиях.

Также учёные будут больше использовать искусственный интеллект и нейросети, чтобы создавать новые лекарственные препараты. Самообучающийся ИИ должен будет сам накапливать достаточное количество знаний, которые позволят ему давать правильные ответы. Если это не контролировать, может, наверное, произойти катастрофа, но, с другой стороны, он сможет значительно развязать руки исследователям и дать возможность генерировать новые идеи, ведь ИИ будет брать на себя все рутинные процедуры.

То, что такому маленькому и плохо развитому острову как Куба удалось оказаться во главе научных исследований, представляющих интерес для всего мира, не перестает удивлять.

Только в области борьбы с раком список достижений весьма внушительный. Доктор Рональдо Перес Родригес из Центра молекулярной иммунологии недавно заявил на международной конференции, посвященной этой проблеме о том, что Куба располагает 28 зарегистрированными и находящими на разных этапах разработки препаратами для борьбы с раком.

Различные терапевтические вакцины, моноклональные антитела, интерфероны и пептиды, разрабатываемые в научных учреждениях в области биотехнологий , сегодня являются надеждой на облегчение для многих миллионов страдающих от этой страшной болезни.

Однако кубинские достижения в этой области оказались наиболее впечатляющими. Созданный 30 лет назад Центр генной инженерии и биотехнологии (ЦГИБ), достиг значительных результатов и снес весомый вклад в диагностику, профилактику и лечение более чем двух десятков заболеваний.

В настоящее время ЦГИБ разрабатывает более 50 научно-исследовательских проектов, которые включают вакцины, рекомбинантные белки для терапевтического применения, синтетические пептиды и ветеринарные продукты для сельскохозяйственного применения.

Наиболее значимым продуктом является Heberprot-P , облегчающий заживление сложных язв диабетической стопы и уменьшающий риск ампутации. Препарат уже принимают около 49 тысяч пациентов на Кубе и 185 тысяч за ее пределами.

Эти цифры, несомненно, увеличатся после того, как этот медикамент будет включен в список жизненно важных лекарственных препаратов России. Елена Максимкина - директор Департамента государственного регулирования обращения лекарственных средств Министерства здравоохранения Российской Федерации и сопредседатель Российско-Кубинской рабочей группы по здравоохранению, обратила внимание на положительные результаты клинических исследований средства Heberprot-P, а министр здравоохранения Вероника Скворцова прокомментировала его эффективность во время телемоста президенту Владимиру Путину .

Препарат улучшит жизнь 200 тысяч россиян, страдающих от этого заболевания каждый год, сократит число ампутаций и тем самым снизит скорость потери трудоспособности, а также увеличит продолжительность жизни.

Другими инновационными продуктами кубинской биофармацевтической отрасли, привлекшими к себе внимание, как в России, так и в других странах стали: HeberNasvac - лекарственное средство для лечения гепатита В и Proctokinasa - медикамент с доказанной эффективностью лечения геморроя. В области сельского хозяйства и ветеринарии выделяют биологический родентицид Биорат (Biorat) и нематицид HeberNem .

«Куба является поразительным примером успеха в научных исследованиях», заявил Кирилл Каем, вице-президент биомедицинского кластера Сколково. «Я не сразу поверил в то, что общий объем доходов от биофармацевтических продуктов на Кубе сравним с показателями в Российской Федерации», добавил он.

Кубинские исследовательские проекты в этой области, в основном связанные с онкологией и нейродегенеративными заболеваниями, в настоящее время, изучаются инновационным центром, и ожидается, что некоторые из них получат финансирование для проведения совместных исследований. Все свидетельствует в пользу того, что научное сотрудничество между Кубой и Россией в этой сфере будет развиваться.

Научный потенциал острова очень велик и это не случайно. Все дело в правительственной стратегии, которая была заложена в самом начале революции и насчитывает уже несколько десятилетий. «Будущее нашей страны обязательно должно быть будущим ученых людей», сказал Фидель Кастро еще в 1960 г. Даже в худшие годы кризиса, научное сообщество всегда имело господдержку, которая сегодня приносит результаты.

Если столь многое было достигнуто сейчас, несмотря на экономические трудности и блокаду со стороны США , ограничивающие доступ к технологиям и рынкам, чего сможет достичь этот научный потенциал в будущем, открывшись всему миру и когда ученые будут получать ту зарплату, которую они заслуживают? Возможно, тогда и наступит будущее ученых людей.

Биотехнологии – медицине будущего

Новый выпуск журнала «НАУКА из первых рук» вышел «по следам» всероссийской конференции с международным участием «Биотехнология – медицине будущего», состоявшейся в новосибирском Академгородке в июле 2017 г. Среди организаторов научного форума – Институт химической биологии и фундаментальной медицины и Институт цитологии и генетики СО РАН, а также Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, где биомедицинские исследования ведутся в рамках стратегической академической единицы «Синтетическая биология», объединяющей ряд российских и зарубежных участников, в первую очередь институты СО РАН биологического профиля. В первой, вводной статье выпуска ее авторы дают обзор самых актуальных направлений и перспективных результатов исследований, связанных с разработкой и внедрением в практическую медицину новых генно-инженерных, клеточных, тканевых, иммунобиологических и цифровых технологий, часть из которых детально представлена в других статьях номера

Стремительное развитие биологической науки, обусловленное появлением высокопроизводительных приборов и созданием методов манипулирования информационными биополимерами и клетками, подготовило фундамент для развития медицины будущего. В результате исследований последних лет были разработаны эффективные диагностические методы, появились возможности для рационального конструирования противовирусных, противобактериальных и противоопухолевых препаратов, средств генотерапии и геномного редактирования. Современные биомедицинские технологии все в большей степени начинают влиять на экономику и определять качество жизни людей.

К настоящему времени детально исследованы строение и функции основных биологических молекул и разработаны методы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Эти биополимеры по своей природе являются «интеллектуальными» материалами, так как способны высокоспецифично «узнавать» и воздействовать на определенные биологические мишени. Путем направленного «программирования» таких макромолекул можно создавать рецепторные молекулярные конструкции для аналитических систем, а также лекарственные препараты, избирательно воздействующие на конкретные генетические программы или белки.

«Интеллектуальные препараты», созданные методами синтетической биологии, открывают возможности для таргетной (целенаправленной) терапии аутоиммунных, онкологических, наследственных и инфекционных заболеваний. Это дает основание говорить о внедрении в медицинскую практику подходов персонализированной медицины, ориентированной на лечение конкретного человека.

С помощью современных медицинских технологий и фармпрепаратов сегодня удается излечивать многие болезни, представлявшие в прошлом огромную медицинскую проблему. Но с развитием практической медицины и ростом продолжительности жизни все более актуальной становится задача здравоохранения в самом прямом смысле этого слова: не просто бороться с болезнями, но поддерживать имеющееся здоровье, чтобы человек мог вести активный образ жизни и оставаться полноценным членом общества до глубокой старости.

БУДЕМ ЗДОРОВЫ! Современные методы геномного секвенирования широко внедряются в медицину, и в ближайшем будущем все пациенты будут иметь генетические паспорта. Сведения о наследственных особенностях пациента – ​основа прогностической персонализированной медицины. Предупрежденный, как известно, вооружен. Человек, осведомленный о возможных рисках, может организовать свою жизнь таким образом, чтобы не допустить развития заболевания. Это касается и образа жизни, и выбора продуктов питания и терапевтических препаратов.
При условии постоянного отслеживания набора маркеров, сигнализирующих об отклонениях в работе организма, можно вовремя провести их коррекцию. Уже сейчас существует множество методов мониторинга состояния организма: например, с помощью датчиков, следящих за работой сердечно-сосудистой системы и качеством сна или устройств, анализирующих газообразные продукты в выдыхаемом человеком воздухе. Огромные возможности открываются в связи с развитием малоинвазивных технологий жидкостной биопсии и технологий анализа белков и пептидов, циркулирующих в кровотоке. На ранних стадиях болезни корректировать состояние организма во многих случаях можно «мягкими» методами: меняя характер питания, используя добавочные микроэлементы, витамины и пробиотики. В последнее время особое внимание уделяется возможностям корректировки отклонений в составе кишечной микрофлоры человека, которые ассоциированы с развитием большого числа патологических состояний.

Такую задачу можно решить, обеспечив постоянный эффективный контроль за состоянием организма, который позволил бы избегать действия неблагоприятных факторов и предупреждать развитие заболевания, выявляя патологический процесс на самом раннем этапе, и ликвидировать саму причину возникновения болезни.

В этом смысле основную задачу медицины будущего можно сформулировать как «управление здоровьем». Сделать это вполне реально, если иметь полную информацию о наследственности человека и обеспечить мониторинг ключевых показателей состояния организма.

«Умная» диагностика

Для управления здоровьем необходимо иметь эффективные и простые малоинвазивные методы ранней диагностики заболеваний и определения индивидуальной чувствительности к терапевтическим препаратам, а также факторам внешней среды. Например, должны быть решены (и уже решаются) такие задачи, как создание систем для генной диагностики и выявления возбудителей инфекционных заболеваний человека, разработка методов количественного определения белков и нуклеиновых кислот – ​маркеров заболеваний.

Отдельно стоит выделить создание методов ранней неинвазивной диагностики (жидкостная биопсия ) опухолевых заболеваний, основанных на анализе внеклеточной ДНК и РНК. Источником таких нуклеиновых кислот служат как погибшие, так и живые клетки. В норме их концентрация относительно низка, но обычно возрастает при стрессе и развитии патологических процессов. При возникновении злокачественной опухоли в кровоток попадают нуклеиновые кислоты, выделяемые раковыми клетками, и такие характерные циркулирующие РНК и ДНК могут служить маркерами заболевания.

Сейчас на основе подобных маркеров разрабатываются подходы к ранней диагностике рака, методы прогнозирования риска его развития, а также оценки степени тяжести течения болезни и эффективности терапии. Например, в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН было показано, что при раке предстательной железы повышается степень метилирования определенных участков ДНК. Был разработан метод, позволяющий выделить из образцов крови циркулирующую ДНК и проанализировать характер ее метилирования. Этот способ может стать основой точной неинвазивной диагностики рака простаты, которой на сегодня не существует.

Важным источником информации о состоянии здоровья могут служить так называемые некодирующие РНК , т. е. те РНК, которые не являются матрицей для синтеза белков. За последние годы было установлено, что в клетках образуется множество различных некодирующих РНК, участвующих в регуляции самых разных процессов на уровне клеток и целого организма. Изучение спектра микроРНК и длинных некодирующих РНК при различных состояниях открывает широкие возможности для быстрой и эффективной диагностики. В Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН (ИМКБ СО РАН, Новосибирск) и ИХБФМ СО РАН идентифицирован ряд микроРНК – ​перспективных маркеров опухолевых заболеваний.

УЗНАТЬ ВРАГА В ЛИЦО Современные технологии с применением биологических микрочипов позволяют быстро и эффективно идентифицировать возбудителей ряда болезней (туберкулеза, СПИДа, гепатитов В и С, сибирской язвы, инфекций новорожденных), фиксировать наличие определенных биотоксинов, определять хромосомные транслокации при лейкозах, регистрировать белковые маркеры онкозаболеваний, определять генетическую предрасположенность к болезням и индивидуальную чувствительность к некоторым типам терапии. Технологии также можно использовать для генетической идентификации личности при проведении судебно-генетических экспертиз и формирования баз данных ДНК.
ИХБФМ СО РАН участвовал в реализации двух крупных международных проектов по разработке олигонуклеотидных микрочипов, финансировавшихся американской Программой сотрудничества в области биотехнологий Департамента здравоохранения США (Biotechnology Engagement Program, US Department of Health and Human Services , BTEP/DHHS). В рамках первого проекта с участием специалистов ИМБ им. В. А. Энгельгардта созданы микрочипы, позволяющие точно идентифицировать различные штаммы вирусов оспы и герпеса. Были разработаны два варианта конструкции микрочипов (на стеклянной подложке и с гелевыми спотами), а также портативный флуоресцентный детектор для их анализа. В рамках второго проекта был создан универсальный микрочип для типирования вируса гриппа А, позволяющий достоверно различать 30 подтипов этого вируса на основе определения двух поверхностных белков вируса – ​гемагглютинина и нейраминидазы

С помощью современных технологий секвенирования РНК и ДНК может быть создана платформа для диагностики и прогноза онкологических заболеваний человека на основе анализа содержания микроРНК и генотипирования, т. е. установления конкретных генетических вариантов того или иного гена, а также для определения профилей экспрессии (активности) генов. Такой подход предполагает возможность быстрого и одновременного проведения множества анализов с помощью современных устройств – ​биологических микрочипов .

Биочипы представляют собой миниатюрные приборы для параллельного анализа специфических биологических макромолекул. Идея создания подобных устройств родилась в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта Российской академии наук (Москва) еще в конце 1980-х гг. За короткое время биочиповые технологии выделились в самостоятельную область анализа с огромным спектром практических приложений, от исследования фундаментальных проблем молекулярной биологии и молекулярной эволюции до выявления лекарственно устойчивых штаммов бактерий.

Сегодня в ИМБ РАН производятся и используются в медицинской практике оригинальные тест-системы для идентификации возбудителей ряда социально значимых инфекций, в том числе таких как туберкулез, с одновременным выявлением их резистентности к антимикробным препаратам; тест-системы для оценки индивидуальной переносимости препаратов группы цитостатиков и многое другое.

Мировой лидер «биочипостроения» – ​американская компания Affymetrix Inc . – ​производит биочипы с высокой плотностью молекулярных зондов, основываясь на фотолитографических технологиях, использующихся для получения полупроводниковых микросхем. На одном таком чипе на площади менее 2 см 2 могут располагаться миллионы точек-спотов размером в несколько микрон. Каждая подобная точка содержит несколько миллионов одинаковых олигонуклеотидов, ковалентно связанных с поверхностью микрочипа

Развитие биоаналитических диагностических методов требует постоянного повышения чувствительности  – ​способности давать достоверный сигнал при регистрации малых количеств детектируемого вещества. Биосенсоры  – ​это новое поколение устройств, позволяющих специфично анализировать содержание различных маркеров заболеваний в образцах сложного состава, что особенно важно при диагностике заболеваний.

ИХБФМ СО РАН в сотрудничестве с новосибирским Институтом физики полупроводников СО РАН разрабатывает микробиосенсоры на основе полевых транзисторов , являющихся одними из самых чувствительных аналитических устройств. Такой биосенсор позволяет в реальном времени отслеживать взаимодействие биомолекул. Его составной частью является одна из таких взаимодействующих молекул, которая играет роль молекулярного зонда. Зонд захватывает из анализируемого раствора молекулярную мишень, по наличию которой можно судить о конкретных характеристиках здоровья пациента.

«Комплементарное» лекарство

Расшифровка геномов человека и возбудителей различных инфекций открыла дорогу для разработки радикальных подходов к терапии болезней путем направленного воздействия на их первопричину – ​генетические программы, ответственные за развитие патологических процессов. Глубокое понимание механизма возникновения заболевания, в который вовлечены нуклеиновые кислоты, дает возможность сконструировать терапевтические нуклеиновые кислоты, восполняющие утраченную функцию либо блокирующие возникшую патологию.

Двуцепочечные молекулы нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, формируются благодаря взаимодействию пар нуклеотидов, способных к взаимному узнаванию и образованию комплексов за счет формирования водородных связей. Это свойство называется «комплементарностью»

Такое воздействие может быть осуществлено с помощью фрагментов нуклеиновых кислот – ​синтетических олигонуклеотидов , способных избирательно взаимодействовать с определенными нуклеотидными последовательностями в составе генов-мишеней по принципу комплементарности . Сама идея использовать олигонуклеотиды для направленного воздействия на гены была впервые выдвинута в лаборатории природных полимеров (впоследствии – ​отдел биохимии) Новосибирского института биоорганической химии СО РАН (ныне – ​Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН). В Новосибирске были созданы и первые препараты ген-направленного действия для избирательной инактивации вирусных и некоторых клеточных РНК.

Подобные ген-направленные терапевтические препараты сегодня активно разрабатываются на основе нуклеиновых кислот, их аналогов и конъюгатов (антисмысловых олигонуклеотидов, интерферирующих РНК, аптамеров, систем геномного редактирования). Исследования последних лет показали, что на основе антисмысловых олигонуклеотидов можно получить широкий спектр биологически активных веществ, действующих на различные генетические структуры и запускающих процессы, приводящие к временному «выключению» генов либо изменению генетических программ – ​появлению мутаций . Было доказано, что с помощью подобных соединений можно подавить функционирование определенных матричных РНК живой клетки, воздействуя на синтез белков, а также защитить клетки от вирусной инфекции.

«ЛЕЧИМ» БЕЛОК Регуляция экспрессии генов под действием «антисмысловых» олигонуклеотидов возможна на различных уровнях. Так, олигонуклеотиды, комплементарные последовательности матричной РНК, подавляют экспрессию генов на стадии трансляции, т. е. синтеза белка. Но терапевтические нуклеиновые кислоты могут вмешиваться и в другие молекулярно-биологические процессы, например, исправлять нарушения в процессе сплайсинга при созревании мРНК. При одном из таких нарушений в клетках синтезируется «неправильный» дистрофин – ​белок, являющийся важным структурным компонентом мышечной ткани. Это приводит к возникновению тяжелого заболевания – ​миодистрофии Дюшенна. В ИХБФМ СО РАН разработаны терапевтические олигонуклеотиды для лечения этого заболевания, и уже подана заявка на соответствующий патент.

Сегодня антисмысловые олигонуклеотиды и РНК, подавляющие функции мРНК и вирусных РНК, применяются не только в биологических исследованиях. Ведутся испытания ряда противовирусных и противовоспалительных препаратов, созданных на основе искусственных аналогов олигонуклеотидов, а некоторые из них уже начинают внедряться в клиническую практику.

Лаборатория биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН, работающая в этом направлении, была создана в 2013 г. благодаря научному мегагранту Правительства РФ. Ее организатором стал профессор Йельского университета, Нобелевский лауреат С. Альтман. В лаборатории ведутся исследования физико-химических и биологических свойств новых перспективных искусственных олигонуклеотидов, на основе которых разрабатываются РНК-направленные противобактериальные и противовирусные препараты.

В рамках проекта, руководимого С. Альтманом, было выполнено масштабное систематическое исследование воздействия различных искусственных аналогов олигонуклеотидов на патогенные микроорганизмы: синегнойную палочку, сальмонеллу, золотистый стафилококк, а также вирус гриппа. Были определены гены-мишени, воздействием на которые можно наиболее эффективно подавить эти патогены; проводится оценка технологических и терапевтических характеристик самых действующих аналогов олигонуклеотидов, в том числе проявляющих антибактериальную и противовирусную активность.

В ИХБФМ СО РАН впервые в мире были синтезированы фосфорилгуанидиновые производные олигонуклеотидов. Эти новые соединения электронейтральны, устойчивы в биологических средах и прочно связываются с РНК- и ДНК-мишенями в широком диапазоне условий. Благодаря спектру уникальных свойств они перспективны для применения в качестве терапевтических агентов, а также могут быть использованы для повышения эффективности средств диагностики, основанных на биочиповых технологиях.

Среди коммерческих фирм лидером в создании терапевтических нуклеиновых кислот является американская компания Ionis Pharmaceuticals, Inc . (США). После многолетних клинических исследований были введены в медицинскую практику антисмысловые препараты: Kynamro  – ​снижающий уровень «плохого» холестерина, Alicaforsen  – ​для лечения язвенного колита и Spinraza  – ​для терапии дистрофии Дюшенна. Препараты Ionis против ряда других заболеваний проходят клинические испытания. Лидер в создании терапевтических интерферирующих РНК – ​компания Alnylam Pharmaceuticals  – ​также проводит клинические испытания целой серии препаратов для лечения тяжелых заболеваний (таких как наследственный амилоидоз, тяжелые формы гиперхолестеролемии, гемофилия), эффективные методы терапии которых в настоящее время отсутствуют

«Антисмысловое» воздействие на матричные РНК не ограничивается простым блокированием сплайсинга (процесса «созревания» РНК) или синтеза белка. Более эффективным является ферментативное разрезание мРНК, спровоцированное связыванием терапевтического олигонуклеотида с мишенью. При этом олигонуклеотид – ​индуктор расщепления – ​может в дальнейшем связаться с другой молекулой РНК и повторить свое действие. В ИХБФМ СО РАН исследовали действие олигонуклеотидов, образующих при связывании с мРНК комплексы, которые могут служить субстратами фермента РНКазы Р. Этот фермент и сам представляет собой РНК с каталитическими свойствами (рибозим ).

Чрезвычайно мощным средством подавления активности генов оказались не только антисмысловые нуклеотиды, но и двуцепочечные РНК, действующие по механизму РНК-интерференции . Суть этого явления в том, что, попадая в клетку, длинные дцРНК разрезаются на короткие фрагменты (так называемые малые интерферирующие РНК , siPНК), комплементарные определенному участку матричной РНК. Связываясь с такой мРНК, siPНК запускают действие ферментативного механизма, разрушающего молекулу-мишень.

Использование этого механизма открывает новые возможности для создания широкого спектра высокоэффективных нетоксичных препаратов для подавления экспрессии практически любых, в том числе вирусных, генов. В ИХБФМ СО РАН на основе малых интерферирующих РНК сконструированы перспективные противоопухолевые препараты, показавшие хорошие результаты в экспериментах на животных. Одна из интересных находок – ​двуцепочечные РНК оригинального строения, стимулирующие в организме производство интерферона , эффективно подавляющие процесс метастазирования опухолей. Хорошее проникновение препарата в клетки обеспечивают носители – ​новые катионные липосомы (липидные пузырьки), разработанные совместно со специалистами Московского государственного университета тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова.

Новые роли нуклеиновых кислот

Разработка метода полимеразной цепной реакции, позволяющего в неограниченных количествах размножать нуклеиновые кислоты – ​ДНК и РНК, и появление технологий молекулярной селекции нуклеиновых кислот сделали возможным создание искусственных РНК и ДНК с заданными свойствами. Молекулы нуклеиновых кислот, избирательно связывающие определенные вещества, называются аптамерами . На их основе могут быть получены препараты, блокирующие функции любых белков: ферментов, рецепторов или регуляторов активности генов. В настоящее время получены уже тысячи самых разных аптамеров, находящих широкое применение в медицине и технике.

Один из мировых лидеров в этой области – ​американская компания Soma Logic Inc . – ​создает так называемые сомамеры , которые селективно отбирают из библиотек химически модифицированных нуклеиновых кислот по уровню сродства к тем или иным мишеням. Модификации по азотистому основанию придают таким аптамерам дополнительную «белковоподобную» функциональность, что обеспечивает высокую стабильность их комплексам с мишенями. Кроме того, это увеличивает вероятность успешного отбора сомамеров к тем соединениям, к которым подобрать обычные аптамеры не удалось.

Развитие синтетической биологии происходит на базе революционного прорыва в области олигонуклеотидного синтеза. Синтез искусственных генов стал возможным благодаря созданию высокопроизводительных синтезаторов генов, в которых использованы микро- и нанофлюидные системы. Сегодня созданы приборы, позволяющие быстро «собирать» искусственные гены и/или бактериальные и вирусные геномы, аналоги которых в природе отсутствуют.
Примером развития микрочиповых технологий могут служить американская фирма LC Sciences и немецкая Febit Gmbh . Биочиповый реактор производства LC Sciences с использованием стандартных реагентов для олигонуклеотидного синтеза позволяет одновременно синтезировать 4-8 тыс. разных олигонуклеотидов. Микрочиповый реактор фирмы Febit Gmbh состоит из 8 независимых фрагментов, на каждом из которых одновременно синтезируется до 15 тыс. разных олигонуклеотидов. За сутки таким образом можно получить до полумиллиона олигонуклеотидов – ​строительных блоков будущих генов

Среди аптамеров, имеющих сродство к клинически значимым мишеням, к настоящему времени имеются кандидаты на терапевтические препараты, достигшие третьей, ключевой фазы клинических испытаний. Один из них – ​Macugen  – ​уже используется в клинической практике для терапии заболеваний сетчатки глаза; препарат для лечения возрастной макулярной дегенерации сетчатки Fovista успешно заканчивает испытания. И на очереди множество подобных препаратов.

Но терапия – ​это не единственное предназначение аптамеров: они вызывают огромный интерес у биоаналитиков в качестве распознающих молекул при создании аптамерных биосенсоров .

В ИХБФМ совместно с Институтом биофизики СО РАН (Красноярск) разрабатываются биолюминесцентные аптасенсоры с переключаемой структурой. Получены аптамеры, которые играют роль репортерного блока сенсора, к Са 2+ -активируемому фотопротеину обелину , представляющему собой удобную биолюминесцентную метку. Этот сенсор способен «улавливать» молекулы лишь определенных белков, которые необходимо детектировать в образце. В настоящее время по этой схеме конструируются переключаемые биосенсоры к модифицированным белкам крови, служащим маркерами диабета.

Новым объектом среди терапевтических нуклеиновых кислот является и сама матричная (информационная) РНК. Компания Moderna Therapeutics (США) сейчас проводит масштабные клинические исследования мРНК. При попадании в клетку мРНК действуют в ней как ее собственные. В результате клетка получает возможность производить белки, которые могут предотвратить или остановить развитие заболевания. Большая часть таких потенциальных терапевтических препаратов направлена против инфекционных (вирус гриппа, вирус Зика, цитомегаловирус и др.) и онкологических заболеваний.

Белки как лекарство

Огромные успехи синтетической биологии за последние годы отразились и в разработке технологий производства терапевтических белков, уже широко применяющихся в клинике. В первую очередь это относится к противоопухолевым антителам, с помощью которых стала возможной эффективная терапия целого ряда онкологических заболеваний.

Сейчас появляются все новые противоопухолевые белковые препараты. Примером может служить препарат лактаптин , созданный в ИХБФМ СО РАН на основе фрагмента одного из основных белков молока человека. Исследователи обнаружили, что этот пептид индуцирует апоптоз («самоубийство») клеток стандартной опухолевой клеточной культуры – ​аденокарциномы молочной железы человека. С использованием методов генной инженерии был получен ряд структурных аналогов лактаптина, из которых был выбран наиболее эффективный.

Испытания на лабораторных животных подтвердили безопасность препарата и его противоопухолевую и антиметастатическую активность в отношении ряда опухолей человека. Уже разработана технология получения лактаптина в субстанции и лекарственной форме, изготовлены первые экспериментальные партии препарата.

Терапевтические антитела все шире применяются и для лечения вирусных инфекций. Специалистам ИХБФМ СО РАН удалось генно-инженерными методами создать гуманизированное антитело против вируса клещевого энцефалита. Препарат прошел все доклинические испытания, доказав свою высокую эффективность. Оказалось, что защитные свойства искусственного антитела в сто раз выше, чем коммерческого препарата антител, получаемого из сыворотки доноров.

Вторжение в наследственность

Открытия последних лет расширили возможности генотерапии, которые до недавнего времени представлялась фантастикой. Технологии геномного редактирования , основанные на применении РНК-белковой системы CRISPR/Cas, способны распознавать определенные последовательности ДНК и вносить в них разрывы. При «ремонте» (репарации ) таких нарушений можно исправлять мутации, ответственные за заболевания, или вводить в терапевтических целях новые генетические элементы.

Редактирование генов открывает перспективы радикального решения проблемы генетических заболеваний путем модификации генома при использовании экстракорпорального оплодотворения . Принципиальная возможность направленного изменения генов эмбриона человека уже доказана экспериментально, и создание технологии, обеспечивающей появление на свет детей, свободных от наследственных заболеваний, задача ближайшего будущего.

С помощью геномного редактирования можно не только «исправлять» гены: этот подход можно использовать для борьбы с вирусными инфекциями, не поддающимися обычной терапии. Речь идет о вирусах, встраивающих свой геном в клеточные структуры организма, где он оказывается недоступным для современных противовирусных препаратов. К таким вирусам относятся ВИЧ‑1, вирусы гепатита В, папилломавирусы, полиомавирусы и ряд других. Системы геномного редактирования могут инактивировать вирусную ДНК внутри клетки, разрезав ее на безопасные фрагменты либо внеся в нее инактивирующие мутации.

Очевидно, что применение системы CRISPR/Cas в качестве средства коррекции мутаций человека станет возможным лишь после ее усовершенствования с целью обеспечения высокого уровня специфичности и проведения широкого спектра испытаний. Кроме того, для успешной борьбы с опасными вирусными инфекциями необходимо решить проблему эффективной доставки терапевтических агентов в целевые клетки.

Сначала была клетка – ​стволовая

Одним из наиболее быстро развивающихся направлений в медицине является клеточная терапия . В ведущих странах уже проходят клинические испытания клеточных технологий, разработанных для лечения аутоиммунных, аллергических, онкологических и хронических вирусных заболеваний.

В России пионерные работы по созданию средств терапии на основе стволовых клеток и клеточных вакцин были выполнены в Институте фундаментальной и клинической иммунологии СО РАН (Новосибирск). В результате исследований были разработаны методы лечения онкологических заболеваний, гепатита В и аутоиммунных заболеваний, которые уже начали применяться в клинике в экспериментальном режиме.

Чрезвычайно актуальными в наши дни стали проекты создания банков культур клеток пациентов с наследственными и онкологическими заболеваниями для тестирования фармакологических препаратов. В Новосибирском научном центре такой проект уже реализуется межинститутским коллективом под руководством проф. С. М. Закияна. Новосибирские специалисты отработали технологии внесения мутаций в культивируемые клетки человека, в результате чего были получены клеточные модели таких заболеваний, как боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера, спинальная мышечная атрофия, синдром удлиненного интервала QT и гипертрофическая кардиомиопатия.

Разработка методов получения из обычных соматических клеток плюрипотентных стволовых , способных превратиться в любую клетку взрослого организма, привела и к появлению клеточной инженерии, позволяющей восстанавливать пораженные структуры организма. Удивительно быстро развиваются технологии получения трехмерных структур для клеточной и тканевой инженерии на основе биоразрушаемых полимеров: протезов сосудов, трехмерных матриксов для выращивания хрящевой ткани и конструирования искусственных органов.

Так, специалисты ИХБФМ СО РАН и Национального медицинского исследовательского центра им. Е. Н. Мешалкина (Новосибирск) разработали технологию создания протезов сосудов и сердечных клапанов методом электроспиннинга . С помощью этой технологии из раствора полимера можно получить волокна толщиной от десятков нанометров до нескольких микрон. В результате серии экспериментов удалось отобрать изделия с выдающимися физическими характеристиками, которые сейчас успешно проходят доклинические испытания. Благодаря высокой био- и гемосовместимости такие протезы со временем замещаются собственными тканями организма.

Микробиом как объект и субъект терапии

К настоящему времени хорошо изучены и расшифрованы геномы многих микроорганизмов, поражающих человека. Ведутся исследования и сложных микробиологических сообществ, постоянно связанных с человеком, – ​микробиомов .

Существенный вклад в эту область исследований внесли и отечественные ученые. Так, специалисты ГНЦ ВБ «Вектор» (Кольцово, Новосибирская обл.) впервые в мире расшифровали геномы вирусов Марбург и натуральной оспы, а ученые ИХБФМ СО РАН – ​геномы вируса клещевого энцефалита, возбудителей клещевого боррелиоза, распространенных на территории РФ. Также были изучены микробные сообщества, ассоциированные с различными видами опасных для человека клещей.

В развитых странах сегодня активно ведутся работы, направленные на создание средств регуляции микробиома организма человека, в первую очередь его пищеварительного тракта. Как оказалось, от состава микробиома кишечника в огромной степени зависит состояние здоровья. Методы воздействия на микробиом уже существуют: например, обогащение его новыми терапевтическими бактериями, использование пробиотиков , благоприятствующих размножению полезных бактерий, а также прием бактериофагов (вирусов бактерий), избирательно убивающих «вредные» микроорганизмы.

В последнее время работы по созданию средств терапии на основе бактериофагов активизировались во всем мире в связи с проблемой распространения лекарственно-устойчивых бактерий. Россия – ​одна из немногих стран, где применение бактериофагов в медицине разрешено. В РФ существует промышленное производство препаратов, разработанных еще в советское время, и чтобы получать более эффективные бактериофаги, необходимо их совершенствовать, и эта задача может быть решена методами синтетической биологии.

Решением ее занимаются в ряде научно-исследовательских организаций РФ, в том числе в ИХБФМ СО РАН. В институте охарактеризованы промышленно производимые в РФ фаговые препараты, расшифрованы геномы ряда бактериофагов, а также создана их коллекция, в которую вошли и уникальные вирусы, перспективные для применения в медицине. В клинике института отрабатываются механизмы оказания персонализированной помощи больным, страдающим от бактериальных инфекций, вызванных лекарственно-устойчивыми микроорганизмами. Последние возникают при лечении диабетической стопы, а также в результате пролежней или послеоперационных осложнений. Разрабатываются и методы коррекции нарушений состава микробиома человека.

Совершенно новые возможности использования вирусов открываются в связи с созданием технологий получения интеллектуальных систем высокоизбирательного действия на определенные клетки. Речь идет об онколитических вирусах , способных поражать только опухолевые клетки. В экспериментальном режиме несколько таких вирусов уже применяются в Китае и США. Работы в этой области ведутся и в России, в них принимают участие специалисты из московских и новосибирских научно-исследовательских организаций: ИМБ РАН, ГНЦ ВБ «Вектор», Новосибирского государственного университета и ИХБФМ СО РАН.

Быстрое развитие синтетической биологии дает основание ожидать в ближайшие годы важных открытий и появления новых биомедицинских технологий, которые избавят человечество от многих проблем и позволят реально управлять здоровьем, а не только лечить наследственные и «благоприобретенные» заболевания.

Фронт исследований в этой области чрезвычайно широк. Уже сейчас доступные гаджеты представляют собой не просто игрушки, но реально полезные приборы, ежедневно обеспечивающие человека информацией, необходимой для контроля и поддержания здоровья. Новые технологии быстрого углубленного обследования дают возможность предсказать или своевременно обнаружить развитие болезни, а персонализированные препараты на основе «умных» информационных биополимеров позволят радикально решить проблемы борьбы с инфекционными и генетическими заболеваниями в самом ближайшем будущем.

Литература

Брызгунова О. Е., Лактионов П. П. Внеклеточные нуклеиновые кислоты мочи: источники, состав, использование в диагностике // Acta Naturae. 2015. Т. 7. № 3(26). С. 54-60.

Власов В. В., еще две фамилии и др. Комплементарные здоровью. Прошлое, настоящее и будущее антисмысловых технологий // НАУКА из первых рук. 2014. T. 55. № 1. С. 38-49.

Власов В. В., Воробьев П. Е., Пышный Д. В. и др. Правда о фаготерапии, или памятка врачу и пациенту // НАУКА из первых рук. 2016. Т. 70. № 4. С. 58-65.

Власов В. В., Закиян С. М., Медведев С. П. «Редакторы геномов». От «цинковых пальцев» до CRISPR // НАУКА из первых рук. 2014. Т. 56. № 2. С. 44-53.

Лифшиц Г. И., Слепухина А. А., Субботовская А. И. и др. Измерение параметров гемостаза: приборная база и перспективы развития // Медицинская техника. 2016. Т. 298. № 4. С. 48-52.

Рихтер В. А. Женское молоко – источник потенциального лекарства от рака // НАУКА из первых рук. 2013. Т. 52. № 4. С. 26-31.

Kupryushkin M. S., Pyshnyi D. V., Stetsenko D. A. Phosphoryl guanidines: a new type of nucleic Acid analogues // Acta Naturae. 2014. V. 6. № 4(23). P. 116-118.

Nasedkina T. V., Guseva N. A., Gra O. A. et al. Diagnostic microarrays in hematologic oncology: applications of high- and low-density arrays // Mol Diagn Ther. 2009. V. 13. N. 2. P. 91-102.

Ponomaryova A. A., Morozkin E. S., Rykova E. Y. et al. Dynamic changes in circulating miRNA levels in response to antitumor therapy of lung cancer // Experimental Lung Research. 2016. V. 42 N. 2. P. 95-102.

Vorobyeva M., Vorobjev P. and Venyaminova A. Multivalent Aptamers: Versatile Tools for Diagnostic and Therapeutic Applications // Molecules. 2016. V. 21 N. 12. P. 1612-1633.

18–19 сентября в Москве состоялась конференция «Постгеномные технологии», приуроченная к 100-летию со дня рождения академика Г.К. Скрябина. Организаторами мероприятия выступили Российская Академия наук, научный совет по биотехнологиям РАН, ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН.

Академик В.А. Тутельян, главный научный сотрудник ФГБУН «ФИЦ Питания и биотехнологий» сделал доклад на тему «Современная биотехнология в производстве пищи: проблема биобезопасности». В.А. Тутельян напомнил собравшимся, что наша страна в свое время стояла у истоков промышленной биотехнологии и была мировым лидером в этой части. В области медицины это направление возглавлял академик А.А. Покровский, в области сельского хозяйства и животноводства - академик Л.К. Эрнст, в области производства и создания производственных мощностей - академик В.А. Быков. А академику Г.К. Скрябину удалось объединить все усилия и создать колоссальный прорыв в развитии промышленной биотехнологии в Советском Союзе.

«В Институте питания, где я практически всю жизнь работаю, по указанию академика Скрябина была создана специальная лаборатория, которая объединяла порядка 70 человек, - рассказал В.А. Тутельян. - Это был очень масштабный проект, сопоставимый, не побоюсь сказать, с атомным проектом, потому что более 70 научно-исследовательских институтов всех ведомств объединились для решения этой задачи, и руководил всей этой работой Георгий Константинович Скрябин».

В период с 1964 по 1990 годы происходило интенсивное развитие промышленной биотехнологии. Работали 11 заводов, дающие 1,5 млн тонн кормового белка. Это обеспечивало 100% потребности, в первую очередь птицеводства и животноводства. Производство аминокислот, витаминов, других ингредиентов также обеспечивало 100%-ю потребность Советского Союза. При этом во главе угла всегда стояли проблемы безопасности, поэтому все научно-исследовательские институты медицинского профиля работали в этом направлении, в том числе, Институт питания.

«Сейчас трудно сказать, какое количество исследований было проведено, - рассказал В.А. Тутельян, - какое количество животных и людей участвовало в работе по доказательству безопасности. Один из них - это я, когда, будучи аспирантом, с удовольствием переходил из здания института на другую сторону, где тогда была столовая (сейчас её уже нет), и нас полгода кормили продукцией микробиологического синтеза, трансформированной через животных - кур, свиней и так далее. При этом нас детально изучали, изучали биохимические и все прочие параметры для того, чтобы доказать абсолютную безопасность. Пока, как видите, жив».

Упражнение с граблями. Заход третий

Но в начале 90-х, по словам докладчика, мы наступили на грабли второй раз. Первый раз - в 1948-м году, когда генетику объявили лженаукой, второй раз - в 1994 году, когда была уничтожена собственная биотехнология. «К чему мы пришли в уже ближайшее время? - напомнил академик. - Кормовой белок - ноль, и тут же упало все птицеводство, и мы начали закупать «ножки Буша». Полностью прекратилось производство витаминов, и сейчас ни одного грамма своих субстанций у нас не производится. Это преступление! Нет аминокислот - мы их полностью закупаем в Китае и Японии. А это что такое? Это, в первую очередь, парентеральное питание, необходимое при катастрофах, военных конфликтах - без этого мы просто не выживем. Стоит только санкциями или другими мерами перекрыть эти поставки, и мы останемся без всех этих жизненно необходимых продуктов».

Однако сейчас, по словам академика В.А. Тутельяна, мы переживаем эпоху Возрождения. Учреждена Комиссия РАН по генно-инженерной деятельности. Сформирована законодательная и нормативная база, принят целый ряд законов, которые позволяют проводить исследования и пытаться догнать зарубежных лидеров. «Авторские коллективы, принимавшие активные участие в разработке этих законов, - последователи и ученики Г.К. Скрябина», - подчеркнул В.А. Тутельян.

Многие технологии сегодня кажутся фантастикой. Так, начинаются интенсивные исследования по созданию ГМ-животных, птицы, рыбы с заданными полезными свойствами. Институт биологии гена выращивает ГМ-коз, вырабатывающих человеческий лактоферрин, а в Институте животноводства создаются гибриды животных, способные предотвращать многие человеческие заболевания. При этом на первом месте по важности стоит биологическая оценка безопасности ГМО-животного.

«Есть риск, что путем запрещений такого рода разработок мы в третий раз наступим на те же грабли, - подытожил В.А. Тутельян. - Нужно ли это делать? Мы активно работаем на уровне Государственной думы, там есть немало людей здравомыслящих, которые понимают, что если мы сейчас отстанем, то мы отстанем уже навсегда, и это будет преступление перед народом. Развитие современного сельского хозяйства, животноводства, медицины без использования биотехнологий бесперспективно. Это много шагов назад, и мы их делать не должны».

Питаться, чтобы выжить

Академик В.А. Быков сделал доклад на тему «Метаболомика и липидомика в постгеномной биотехнологии». Валерий Алексеевич напомнил собравшимся, что биотехнология во всем цивилизованном мире - это приоритетное направление научно-технического прогресса, использующее биообъекты и биопроцессы для целенаправленного воздействия на окружающую среду и получения полезных для человека продуктов, а также обеспечения контроля качества и оценки их безопасности.

«В базовые показатели качества жизни входит не только питание, но и воздух, и вода, и еда, в целом наше здоровье и среда обитания, - пояснил академик. - Биотехнология участвует в формировании всей совокупности этих проблем, направленных на улучшение качества и продолжительности жизни человека, повышение репродуктивного и трудового потенциала».

XX I век ознаменован замечательными событиями, связанными с развитием биотехнологии. Последняя волна революции здесь началась с 2000-го года, когда президент Клинтон выдвинул инициативу создания нанотехнологий, предполагающих манипуляции на атомарном и молекулярном уровне.

А для нас всё началось в 60-е годы прошлого века, когда возник вопрос, каким образом развиваться, чтобы обеспечить пропитание людям? Ведь в ХХ век человечество входит с народонаселением около миллиарда, а в ХХI век - 7,5, хотя на самом деле где-то 8. При этом сохранились все основные ресурсы земного шара. «О чем это говорит? - поставил вопрос В.А. Быков. - О том, что мы стоим на пороге нового технологического уклада, без которого разрешить проблему комфортного существования человека, видимо, не удастся».

Для наглядности докладчик представил слайд: если взять за основу 500 килограммов веса коровы, которая дает примерно 500 граммов белка в сутки, то такое же количество дрожжей в сутки дает уже 50 тонн микробного белка. Это рост на порядки. Вот почему биотехнология, опирающаяся на микроорганизмы как средства производства, является возможностью перехода к новому технологическому укладу для человечества.

Мы живём в море микроорганизмов

Член-корреспондент А.М. Боронин вспомнил о том, как рождался пущинский Институт биохимии и физиологи микроорганизмов, сегодня носящий имя Г.К. Скрябина. Процессом руководил сам академик Скрябин, и воспоминания о нём как об ученом, руководителе и человеке у всех сотрудников остались самые светлые и позитивные. Докладчик напомнил о том, что как ученый академик Скрябин был прежде всего микробиологом, и в этом плане главной его заслугой является развитие микробиологии в нашей стране. «В связи с этим я хочу напомнить, что мы в буквальном смысле живем в океане микроорганизмов, - сказал А.М. Боронин. - Несметное количество микроорганизмов окружает нас, находясь в воде, в морях, на суше, в растениях, животных. В одном гектаре почвы находится до 5 тонн биомассы микроорганизмов. Общая биомасса микроорганизмов на нашей планете превышает биомассу растений, насекомых, животных вместе взятых».

Биоразнообразие микроорганизмов огромно и удивительно. Поэтому одной из задач микробиологической науки является систематизация этого мира. Для этого пытались применять разные системы, но все они оказывались не слишком удобными. В 1977 году появилась работа Карла Вёзе: он предложил филогенетическую систему классификации, основанную на сравнении рибосом путем сравнения структуры 16S рРНК, которую по многим показателям можно рассматривать как некий хронометр эволюции, в том числе живого микроорганизма. Это открыло возможности для изучения и систематизации мира микроорганизмов и, в частности, открытия суперцарства архей, которые обитают в самых разных экосистемах, начиная от морских глубин и термальных источников. Методами биоинформатики были открыты локиархеи, у которых обнаружен цитоскелет и другие признаки фагоцитоза.

Дальнейшее развитие технологий позволило расширить эти исследования, в результате чего в самое последнее время произошли существенные изменения в нашем представлении об эволюционном древе.

«Наверное, нас ожидает еще много сюрпризов, и некоторые ученые говорят, что не исключено появление новых доменов в древе жизни, связанных с нахождением других организмов, - подчеркнул А.М. Боронин. - Эти исследования дают пищу для попыток понять эволюционные процессы, которые происходили и происходят до сих пор, причем зачастую прямо на наших глазах».

Микробиология на переднем крае науки

Всё это имеет не только огромную фундаментальную, но и прикладную пользу. Одним из таких примеров является исследование причины возникновения полирезистентных микроорганизмов, перед которыми оказываются бессильными самые современные антибиотики. Это представляет собой громадную медицинскую проблему, справиться с которой пока не удается. Именно микробиологи здесь находятся на переднем крае работы по расшифровке механизмов такого рода проблем и поиске путей их преодоления.

Еще один пример работы микробиологов - это хорошо известная история с Helicobacter pylori , за открытие которой в 2005 году была получена Нобелевская премия. В результате этой работы было показано, что этот микроорганизм ответственен за возникновение у человека язвы желудка. Дальнейшие исследования подтвердили это предположение и, более того, показали, что эта бактерия ответственна не только за язву, но и за развитие рака желудка. Вот почему сегодня врачи рекомендуют практически всем пациентам с проблемами желудочно-кишечного тракта сдать соответствующий анализ: раннее обнаружение «враждебной» бактерии позволяет успешно предотвратить самые тяжелые последствия.

Но в то же время самые последние исследования выявили, что наличие Helicobacter pylori снижает риск возникновения астмы. А отсутствие его ведет к увеличению риска заболевания гастроэзофагеальным рефлюксом и аденокарциномой. То есть мы видим всю сложность поведения и многообразие свойств микроорганизмов.

Поэтому сегодня стоит вопрос о дальнейшем исследовании микробиома человека с целью выяснения всех его функций и определения роли отдельных микроорганизмов, влияющих на жизнь человека.

«Мы все знаем, что микроорганизмы способствуют перевариванию пищи, выделяют определенные витамины, участвуют в становлении, развитии и поддержании иммунной системы, - напомнил А.М. Боронин. - Они в известной мере пытаются оградить нас от заболеваний путём борьбы с патогенами либо путём простой конкуренции. Это сложный мир, намного более древний и, возможно, разнообразный, чем наш, и наша задача - попытаться в нем разобраться, чтобы на основе научных данных перейти к новому поколению пробиотиков, способствующих стабилизации микробиома или его поправкам в случаях, когда он выходит из равновесия под действием тех же самых антибиотиков. Ведь не секрет, что большое количество используемых антибиотиков и неумеренное их употребление становятся причиной ряда серьезных нарушений в работе ЖКТ. Можете представить себе, какой стресс испытывает наш микробиом и какие могут быть последствия. А последствия могут быть самыми тяжелыми. Скажем, в толстой кишке может появиться один из видов пластидов, который приводит к заболеванию, способному окончиться летальным исходом».

По словам докладчика, мы недооцениваем влияние на нас мира микроорганизмов. В последнее время появляются данные о том, что микробиология влияет не только на наше физическое здоровье, но и на поведение, и на психику, и даже на религиозность человека. Поэтому изучение биологии микроорганизмов - это ключ к пониманию природы глобальной экосистемы, подчеркнул А.М. Боронин.

Собравшиеся также вспомнили Г.К. Скрябина, его неоценимый вклад в развитие отечественной биологической науки, многолетнюю службу на посту Главного Ученого секретаря Академии наук, удивительную работоспособность, дружелюбие и неистощимую жизненную энергию, которой он обладал. По мнению всех собравшихся, именно такие люди, как Г.К. Скрябин, делают историю страны, приумножают её научное и человеческое достояние. По словам председателя конференции академика М.П. Кирпичникова, Г.К. Скрябин был не просто выдающимся ученым, но и выдающимся гражданином своей страны. Именно такие люди и делают свою страну по-настоящему великой.

Наталия Лескова

Новый выпуск журнала «Наука из первых рук» вышел «по следам» всероссийской конференции с международным участием «Биотехнология - медицине будущего», состоявшейся в новосибирском Академгородке в июле 2017 г. Среди организаторов научного форума - Институт химической биологии и фундаментальной медицины и Институт цитологии и генетики СО РАН, а также Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, где биомедицинские исследования ведутся в рамках стратегической академической единицы «Синтетическая биология», объединяющей ряд российских и зарубежных участников, в первую очередь институты СО РАН биологического профиля. В первой, вводной статье выпуска ее авторы дают обзор самых актуальных направлений и перспективных результатов исследований, связанных с разработкой и внедрением в практическую медицину новых генно-инженерных, клеточных, тканевых, иммунобиологических и цифровых технологий, часть из которых детально представлена в других статьях номера.

Об авторах

Валентин Викторович Власов - академик РАН, научный руководитель Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (ИХБФМ СО РАН, Новосибирск), заведующий кафедрой молекулярной биологии и биотехнологии Новосибирского государственного университета. Лауреат Государственной премии РФ (1999). Автор и соавтор более 520 научных работ и 30 патентов.

Дмитрий Владимирович Пышный - член-корреспондент РАН, доктор химических наук, директор и заведующий лабораторией биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор более 160 научных работ и 15 патентов.

Павел Евгеньевич Воробьев - кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН (Новосибирск), доцент кафедры молекулярной биологии и биотехнологии Новосибирского государственного университета. Автор и соавтор 25 научных работ.

Стремительное развитие биологической науки, обусловленное появлением высокопроизводительных приборов и созданием методов манипулирования информационными биополимерами и клетками, подготовило фундамент для развития медицины будущего. В результате исследований последних лет были разработаны эффективные диагностические методы, появились возможности для рационального конструирования противовирусных, противобактериальных и противоопухолевых препаратов, средств генотерапии и геномного редактирования. Современные биомедицинские технологии все в большей степени начинают влиять на экономику и определять качество жизни людей.

К настоящему времени детально исследованы строение и функции основных биологических молекул и разработаны методы синтеза белков и нуклеиновых кислот. Эти биополимеры по своей природе являются «интеллектуальными» материалами, так как способны высокоспецифично «узнавать» и воздействовать на определенные биологические мишени. Путем направленного «программирования» таких макромолекул можно создавать рецепторные молекулярные конструкции для аналитических систем, а также лекарственные препараты, избирательно воздействующие на конкретные генетические программы или белки.

«Интеллектуальные препараты», созданные методами синтетической биологии, открывают возможности для таргетной (целенаправленной) терапии аутоиммунных, онкологических, наследственных и инфекционных заболеваний. Это дает основание говорить о внедрении в медицинскую практику подходов персонализированной медицины, ориентированной на лечение конкретного человека.

С помощью современных медицинских технологий и фармпрепаратов сегодня удается излечивать многие болезни, представлявшие в прошлом огромную медицинскую проблему. Но с развитием практической медицины и ростом продолжительности жизни все более актуальной становится задача здравоохранения в самом прямом смысле этого слова: не просто бороться с болезнями, но поддерживать имеющееся здоровье, чтобы человек мог вести активный образ жизни и оставаться полноценным членом общества до глубокой старости.

Такую задачу можно решить, обеспечив постоянный эффективный контроль за состоянием организма, который позволил бы избегать действия неблагоприятных факторов и предупреждать развитие заболевания, выявляя патологический процесс на самом раннем этапе, и ликвидировать саму причину возникновения болезни.

В этом смысле основную задачу медицины будущего можно сформулировать как «управление здоровьем». Сделать это вполне реально, если иметь полную информацию о наследственности человека и обеспечить мониторинг ключевых показателей состояния организма.

«Умная» диагностика

Для управления здоровьем необходимо иметь эффективные и простые малоинвазивные методы ранней диагностики заболеваний и определения индивидуальной чувствительности к терапевтическим препаратам, а также факторам внешней среды. Например, должны быть решены (и уже решаются) такие задачи, как создание систем для генной диагностики и выявления возбудителей инфекционных заболеваний человека, разработка методов количественного определения белков и нуклеиновых кислот - маркеров заболеваний.

Отдельно стоит выделить создание методов ранней неинвазивной диагностики (жидкостная биопсия ) опухолевых заболеваний, основанных на анализе внеклеточной ДНК и РНК. Источником таких нуклеиновых кислот служат как погибшие, так и живые клетки. В норме их концентрация относительно низка, но обычно возрастает при стрессе и развитии патологических процессов. При возникновении злокачественной опухоли в кровоток попадают нуклеиновые кислоты, выделяемые раковыми клетками, и такие характерные циркулирующие РНК и ДНК могут служить маркерами заболевания.

Будем здоровы!

Современные методы геномного секвенирования широко внедряются в медицину, и в ближайшем будущем все пациенты будут иметь генетические паспорта. Сведения о наследственных особенностях пациента - основа прогностической персонализированной медицины. Предупрежденный, как известно, вооружен. Человек, осведомленный о возможных рисках, может организовать свою жизнь таким образом, чтобы не допустить развития заболевания. Это касается и образа жизни, и выбора продуктов питания и терапевтических препаратов.

При условии постоянного отслеживания набора маркеров, сигнализирующих об отклонениях в работе организма, можно вовремя провести их коррекцию. Уже сейчас существует множество методов мониторинга состояния организма: например, с помощью датчиков, следящих за работой сердечно-сосудистой системы и качеством сна или устройств, анализирующих газообразные продукты в выдыхаемом человеком воздухе. Огромные возможности открываются в связи с развитием малоинвазивных технологий жидкостной биопсии и технологий анализа белков и пептидов, циркулирующих в кровотоке. На ранних стадиях болезни корректировать состояние организма во многих случаях можно «мягкими» методами: меняя характер питания, используя добавочные микроэлементы, витамины и пробиотики. В последнее время особое внимание уделяется возможностям корректировки отклонений в составе кишечной микрофлоры человека, которые ассоциированы с развитием большого числа патологических состояний.

Сейчас на основе подобных маркеров разрабатываются подходы к ранней диагностике рака, методы прогнозирования риска его развития, а также оценки степени тяжести течения болезни и эффективности терапии. Например, в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН было показано, что при раке предстательной железы повышается степень метилирования определенных участков ДНК. Был разработан метод, позволяющий выделить из образцов крови циркулирующую ДНК и проанализировать характер ее метилирования. Этот способ может стать основой точной неинвазивной диагностики рака простаты, которой на сегодня не существует.

Важным источником информации о состоянии здоровья могут служить так называемые некодирующие РНК , т. е. те РНК, которые не являются матрицей для синтеза белков. За последние годы было установлено, что в клетках образуется множество различных некодирующих РНК, участвующих в регуляции самых разных процессов на уровне клеток и целого организма. Изучение спектра микроРНК и длинных некодирующих РНК при различных состояниях открывает широкие возможности для быстрой и эффективной диагностики. В Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН (ИМКБ СО РАН, Новосибирск) и ИХБФМ СО РАН идентифицирован ряд микроРНК - перспективных маркеров опухолевых заболеваний.

С помощью современных технологий секвенирования РНК и ДНК может быть создана платформа для диагностики и прогноза онкологических заболеваний человека на основе анализа содержания микроРНК и генотипирования, т. е. установления конкретных генетических вариантов того или иного гена, а также для определения профилей экспрессии (активности) генов. Такой подход предполагает возможность быстрого и одновременного проведения множества анализов с помощью современных устройств - биологических микрочипов .

Биочипы представляют собой миниатюрные приборы для параллельного анализа специфических биологических макромолекул. Идея создания подобных устройств родилась в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта Российской академии наук (Москва) еще в конце 1980-х гг. За короткое время биочиповые технологии выделились в самостоятельную область анализа с огромным спектром практических приложений, от исследования фундаментальных проблем молекулярной биологии и молекулярной эволюции до выявления лекарственно устойчивых штаммов бактерий.

Сегодня в ИМБ РАН производятся и используются в медицинской практике оригинальные тест-системы для идентификации возбудителей ряда социально значимых инфекций, в том числе таких как туберкулез, с одновременным выявлением их резистентности к антимикробным препаратам; тест-системы для оценки индивидуальной переносимости препаратов группы цитостатиков и многое другое.

Развитие биоаналитических диагностических методов требует постоянного повышения чувствительности - способности давать достоверный сигнал при регистрации малых количеств детектируемого вещества. Биосенсоры - это новое поколение устройств, позволяющих специфично анализировать содержание различных маркеров заболеваний в образцах сложного состава, что особенно важно при диагностике заболеваний.

ИХБФМ СО РАН в сотрудничестве с новосибирским Институтом физики полупроводников СО РАН разрабатывает микробиосенсоры на основе полевых транзисторов , являющихся одними из самых чувствительных аналитических устройств. Такой биосенсор позволяет в реальном времени отслеживать взаимодействие биомолекул. Его составной частью является одна из таких взаимодействующих молекул, которая играет роль молекулярного зонда. Зонд захватывает из анализируемого раствора молекулярную мишень, по наличию которой можно судить о конкретных характеристиках здоровья пациента.

«Комплементарное» лекарство

Расшифровка геномов человека и возбудителей различных инфекций открыла дорогу для разработки радикальных подходов к терапии болезней путем направленного воздействия на их первопричину - генетические программы, ответственные за развитие патологических процессов. Глубокое понимание механизма возникновения заболевания, в который вовлечены нуклеиновые кислоты, дает возможность сконструировать терапевтические нуклеиновые кислоты, восполняющие утраченную функцию либо блокирующие возникшую патологию.

Такое воздействие может быть осуществлено с помощью фрагментов нуклеиновых кислот - синтетических олигонуклеотидов , способных избирательно взаимодействовать с определенными нуклеотидными последовательностями в составе генов-мишеней по принципу комплементарности . Сама идея использовать олигонуклеотиды для направленного воздействия на гены была впервые выдвинута в лаборатории природных полимеров (впоследствии - отдел биохимии) Новосибирского института биоорганической химии СО РАН (ныне - Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН). В Новосибирске были созданы и первые препараты ген-направленного действия для избирательной инактивации вирусных и некоторых клеточных РНК.

Подобные ген-направленные терапевтические препараты сегодня активно разрабатываются на основе нуклеиновых кислот, их аналогов и конъюгатов (антисмысловых олигонуклеотидов, интерферирующих РНК, аптамеров, систем геномного редактирования). Исследования последних лет показали, что на основе антисмысловых олигонуклеотидов можно получить широкий спектр биологически активных веществ, действующих на различные генетические структуры и запускающих процессы, приводящие к временному «выключению» генов либо изменению генетических программ - появлению мутаций . Было доказано, что с помощью подобных соединений можно подавить функционирование определенных матричных РНК живой клетки, воздействуя на синтез белков, а также защитить клетки от вирусной инфекции.

Сегодня антисмысловые олигонуклеотиды и РНК, подавляющие функции мРНК и вирусных РНК, применяются не только в биологических исследованиях. Ведутся испытания ряда противовирусных и противовоспалительных препаратов, созданных на основе искусственных аналогов олигонуклеотидов, а некоторые из них уже начинают внедряться в клиническую практику.

Лаборатория биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН, работающая в этом направлении, была создана в 2013 г. благодаря научному мегагранту Правительства РФ. Ее организатором стал профессор Йельского университета, Нобелевский лауреат С. Альтман. В лаборатории ведутся исследования физико-химических и биологических свойств новых перспективных искусственных олигонуклеотидов, на основе которых разрабатываются РНК-направленные противобактериальные и противовирусные препараты.

В рамках проекта, руководимого С. Альтманом, было выполнено масштабное систематическое исследование воздействия различных искусственных аналогов олигонуклеотидов на патогенные микроорганизмы: синегнойную палочку, сальмонеллу, золотистый стафилококк, а также вирус гриппа. Были определены гены-мишени, воздействием на которые можно наиболее эффективно подавить эти патогены; проводится оценка технологических и терапевтических характеристик самых действующих аналогов олигонуклеотидов, в том числе проявляющих антибактериальную и противовирусную активность.

В ИХБФМ СО РАН впервые в мире были синтезированы фосфорилгуанидиновые производные олигонуклеотидов. Эти новые соединения электронейтральны, устойчивы в биологических средах и прочно связываются с РНК- и ДНК-мишенями в широком диапазоне условий. Благодаря спектру уникальных свойств они перспективны для применения в качестве терапевтических агентов, а также могут быть использованы для повышения эффективности средств диагностики, основанных на биочиповых технологиях.

«Антисмысловое» воздействие на матричные РНК не ограничивается простым блокированием сплайсинга (процесса «созревания» РНК) или синтеза белка. Более эффективным является ферментативное разрезание мРНК, спровоцированное связыванием терапевтического олигонуклеотида с мишенью. При этом олигонуклеотид - индуктор расщепления - может в дальнейшем связаться с другой молекулой РНК и повторить свое действие. В ИХБФМ СО РАН исследовали действие олигонуклеотидов, образующих при связывании с мРНК комплексы, которые могут служить субстратами фермента РНКазы Р. Этот фермент и сам представляет собой РНК с каталитическими свойствами (рибозим ).

Чрезвычайно мощным средством подавления активности генов оказались не только антисмысловые нуклеотиды, но и двуцепочечные РНК, действующие по механизму РНК-интерференции . Суть этого явления в том, что, попадая в клетку, длинные дцРНК разрезаются на короткие фрагменты (так называемые малые интерферирующие РНК , siPНК), комплементарные определенному участку матричной РНК. Связываясь с такой мРНК, siPНК запускают действие ферментативного механизма, разрушающего молекулу-мишень.

Использование этого механизма открывает новые возможности для создания широкого спектра высокоэффективных нетоксичных препаратов для подавления экспрессии практически любых, в том числе вирусных, генов. В ИХБФМ СО РАН на основе малых интерферирующих РНК сконструированы перспективные противоопухолевые препараты, показавшие хорошие результаты в экспериментах на животных. Одна из интересных находок - двуцепочечные РНК оригинального строения, стимулирующие в организме производство интерферона , эффективно подавляющие процесс метастазирования опухолей. Хорошее проникновение препарата в клетки обеспечивают носители - новые катионные липосомы (липидные пузырьки), разработанные совместно со специалистами Московского государственного университета тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова.

Новые роли нуклеиновых кислот

Разработка метода полимеразной цепной реакции, позволяющего в неограниченных количествах размножать нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК, и появление технологий молекулярной селекции нуклеиновых кислот сделали возможным создание искусственных РНК и ДНК с заданными свойствами. Молекулы нуклеиновых кислот, избирательно связывающие определенные вещества, называются аптамерами . На их основе могут быть получены препараты, блокирующие функции любых белков: ферментов, рецепторов или регуляторов активности генов. В настоящее время получены уже тысячи самых разных аптамеров, находящих широкое применение в медицине и технике.

Один из мировых лидеров в этой области - американская компания Soma Logic Inc . - создает так называемые сомамеры , которые селективно отбирают из библиотек химически модифицированных нуклеиновых кислот по уровню сродства к тем или иным мишеням. Модификации по азотистому основанию придают таким аптамерам дополнительную «белковоподобную» функциональность, что обеспечивает высокую стабильность их комплексам с мишенями. Кроме того, это увеличивает вероятность успешного отбора сомамеров к тем соединениям, к которым подобрать обычные аптамеры не удалось.

Среди аптамеров, имеющих сродство к клинически значимым мишеням, к настоящему времени имеются кандидаты на терапевтические препараты, достигшие третьей, ключевой фазы клинических испытаний. Один из них - Macugen - уже используется в клинической практике для терапии заболеваний сетчатки глаза; препарат для лечения возрастной макулярной дегенерации сетчатки Fovista успешно заканчивает испытания. И на очереди множество подобных препаратов.

Но терапия - это не единственное предназначение аптамеров: они вызывают огромный интерес у биоаналитиков в качестве распознающих молекул при создании аптамерных биосенсоров .

В ИХБФМ совместно с Институтом биофизики СО РАН (Красноярск) разрабатываются биолюминесцентные аптасенсоры с переключаемой структурой. Получены аптамеры, которые играют роль репортерного блока сенсора, к Са 2+ -активируемому фотопротеину обелину , представляющему собой удобную биолюминесцентную метку. Этот сенсор способен «улавливать» молекулы лишь определенных белков, которые необходимо детектировать в образце. В настоящее время по этой схеме конструируются переключаемые биосенсоры к модифицированным белкам крови, служащим маркерами диабета.

Новым объектом среди терапевтических нуклеиновых кислот является и сама матричная (информационная) РНК. Компания Moderna Therapeutics (США) сейчас проводит масштабные клинические исследования мРНК. При попадании в клетку мРНК действуют в ней как ее собственные. В результате клетка получает возможность производить белки, которые могут предотвратить или остановить развитие заболевания. Большая часть таких потенциальных терапевтических препаратов направлена против инфекционных (вирус гриппа, вирус Зика, цитомегаловирус и др.) и онкологических заболеваний.

Белки как лекарство

Огромные успехи синтетической биологии за последние годы отразились и в разработке технологий производства терапевтических белков, уже широко применяющихся в клинике. В первую очередь это относится к противоопухолевым антителам, с помощью которых стала возможной эффективная терапия целого ряда онкологических заболеваний.

Сейчас появляются все новые противоопухолевые белковые препараты. Примером может служить препарат лактаптин , созданный в ИХБФМ СО РАН на основе фрагмента одного из основных белков молока человека. Исследователи обнаружили, что этот пептид индуцирует апоптоз («самоубийство») клеток стандартной опухолевой клеточной культуры - аденокарциномы молочной железы человека. С использованием методов генной инженерии был получен ряд структурных аналогов лактаптина, из которых был выбран наиболее эффективный.

Испытания на лабораторных животных подтвердили безопасность препарата и его противоопухолевую и антиметастатическую активность в отношении ряда опухолей человека. Уже разработана технология получения лактаптина в субстанции и лекарственной форме, изготовлены первые экспериментальные партии препарата.

Терапевтические антитела все шире применяются и для лечения вирусных инфекций. Специалистам ИХБФМ СО РАН удалось генно-инженерными методами создать гуманизированное антитело против вируса клещевого энцефалита. Препарат прошел все доклинические испытания, доказав свою высокую эффективность. Оказалось, что защитные свойства искусственного антитела в сто раз выше, чем коммерческого препарата антител, получаемого из сыворотки доноров.

Вторжение в наследственность

Открытия последних лет расширили возможности генотерапии, которые до недавнего времени представлялась фантастикой. Технологии геномного редактирования , основанные на применении РНК-белковой системы CRISPR/Cas, способны распознавать определенные последовательности ДНК и вносить в них разрывы. При «ремонте» (репарации ) таких нарушений можно исправлять мутации, ответственные за заболевания, или вводить в терапевтических целях новые генетические элементы.

Редактирование генов открывает перспективы радикального решения проблемы генетических заболеваний путем модификации генома при использовании экстракорпорального оплодотворения . Принципиальная возможность направленного изменения генов эмбриона человека уже доказана экспериментально, и создание технологии, обеспечивающей появление на свет детей, свободных от наследственных заболеваний, задача ближайшего будущего.

С помощью геномного редактирования можно не только «исправлять» гены: этот подход можно использовать для борьбы с вирусными инфекциями, не поддающимися обычной терапии. Речь идет о вирусах, встраивающих свой геном в клеточные структуры организма, где он оказывается недоступным для современных противовирусных препаратов. К таким вирусам относятся ВИЧ-1, вирусы гепатита В, папилломавирусы, полиомавирусы и ряд других. Системы геномного редактирования могут инактивировать вирусную ДНК внутри клетки, разрезав ее на безопасные фрагменты либо внеся в нее инактивирующие мутации.

Очевидно, что применение системы CRISPR/Cas в качестве средства коррекции мутаций человека станет возможным лишь после ее усовершенствования с целью обеспечения высокого уровня специфичности и проведения широкого спектра испытаний. Кроме того, для успешной борьбы с опасными вирусными инфекциями необходимо решить проблему эффективной доставки терапевтических агентов в целевые клетки.

Сначала была клетка - стволовая

Одним из наиболее быстро развивающихся направлений в медицине является клеточная терапия . В ведущих странах уже проходят клинические испытания клеточных технологий, разработанных для лечения аутоиммунных, аллергических, онкологических и хронических вирусных заболеваний.

В России пионерные работы по созданию средств терапии на основе стволовых клеток и клеточных вакцин были выполнены в Институте фундаментальной и клинической иммунологии СО РАН (Новосибирск). В результате исследований были разработаны методы лечения онкологических заболеваний, гепатита В и аутоиммунных заболеваний, которые уже начали применяться в клинике в экспериментальном режиме.

Чрезвычайно актуальными в наши дни стали проекты создания банков культур клеток пациентов с наследственными и онкологическими заболеваниями для тестирования фармакологических препаратов. В Новосибирском научном центре такой проект уже реализуется межинститутским коллективом под руководством проф. С. М. Закияна. Новосибирские специалисты отработали технологии внесения мутаций в культивируемые клетки человека, в результате чего были получены клеточные модели таких заболеваний, как боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера, спинальная мышечная атрофия, синдром удлиненного интервала QT и гипертрофическая кардиомиопатия.

Разработка методов получения из обычных соматических клеток плюрипотентных стволовых , способных превратиться в любую клетку взрослого организма, привела и к появлению клеточной инженерии, позволяющей восстанавливать пораженные структуры организма. Удивительно быстро развиваются технологии получения трехмерных структур для клеточной и тканевой инженерии на основе биоразрушаемых полимеров: протезов сосудов, трехмерных матриксов для выращивания хрящевой ткани и конструирования искусственных органов.

Так, специалисты ИХБФМ СО РАН и Национального медицинского исследовательского центра им. Е. Н. Мешалкина (Новосибирск) разработали технологию создания протезов сосудов и сердечных клапанов методом электроспиннинга . С помощью этой технологии из раствора полимера можно получить волокна толщиной от десятков нанометров до нескольких микрон. В результате серии экспериментов удалось отобрать изделия с выдающимися физическими характеристиками, которые сейчас успешно проходят доклинические испытания. Благодаря высокой био- и гемосовместимости такие протезы со временем замещаются собственными тканями организма.

Микробиом как объект и субъект терапии

К настоящему времени хорошо изучены и расшифрованы геномы многих микроорганизмов, поражающих человека. Ведутся исследования и сложных микробиологических сообществ, постоянно связанных с человеком, - микробиомов .

Существенный вклад в эту область исследований внесли и отечественные ученые. Так, специалисты ГНЦ ВБ «Вектор» (Кольцово, Новосибирская обл.) впервые в мире расшифровали геномы вирусов Марбург и натуральной оспы, а ученые ИХБФМ СО РАН - геномы вируса клещевого энцефалита, возбудителей клещевого боррелиоза, распространенных на территории РФ. Также были изучены микробные сообщества, ассоциированные с различными видами опасных для человека клещей.

В развитых странах сегодня активно ведутся работы, направленные на создание средств регуляции микробиома организма человека, в первую очередь его пищеварительного тракта. Как оказалось, от состава микробиома кишечника в огромной степени зависит состояние здоровья. Методы воздействия на микробиом уже существуют: например, обогащение его новыми терапевтическими бактериями, использование пробиотиков , благоприятствующих размножению полезных бактерий, а также прием бактериофагов (вирусов бактерий), избирательно убивающих «вредные» микроорганизмы.

В последнее время работы по созданию средств терапии на основе бактериофагов активизировались во всем мире в связи с проблемой распространения лекарственно-устойчивых бактерий. Россия - одна из немногих стран, где применение бактериофагов в медицине разрешено. В РФ существует промышленное производство препаратов, разработанных еще в советское время, и чтобы получать более эффективные бактериофаги, необходимо их совершенствовать, и эта задача может быть решена методами синтетической биологии.

Решением ее занимаются в ряде научно-исследовательских организаций РФ, в том числе в ИХБФМ СО РАН. В институте охарактеризованы промышленно производимые в РФ фаговые препараты, расшифрованы геномы ряда бактериофагов, а также создана их коллекция, в которую вошли и уникальные вирусы, перспективные для применения в медицине. В клинике института отрабатываются механизмы оказания персонализированной помощи больным, страдающим от бактериальных инфекций, вызванных лекарственно-устойчивыми микроорганизмами. Последние возникают при лечении диабетической стопы, а также в результате пролежней или послеоперационных осложнений. Разрабатываются и методы коррекции нарушений состава микробиома человека.

Совершенно новые возможности использования вирусов открываются в связи с созданием технологий получения интеллектуальных систем высокоизбирательного действия на определенные клетки. Речь идет об онколитических вирусах , способных поражать только опухолевые клетки. В экспериментальном режиме несколько таких вирусов уже применяются в Китае и США. Работы в этой области ведутся и в России, в них принимают участие специалисты из московских и новосибирских научно-исследовательских организаций: ИМБ РАН, ГНЦ ВБ «Вектор», Новосибирского государственного университета и ИХБФМ СО РАН.

Быстрое развитие синтетической биологии дает основание ожидать в ближайшие годы важных открытий и появления новых биомедицинских технологий, которые избавят человечество от многих проблем и позволят реально управлять здоровьем, а не только лечить наследственные и «благоприобретенные» заболевания.

Фронт исследований в этой области чрезвычайно широк. Уже сейчас доступные гаджеты представляют собой не просто игрушки, но реально полезные приборы, ежедневно обеспечивающие человека информацией, необходимой для контроля и поддержания здоровья. Новые технологии быстрого углубленного обследования дают возможность предсказать или своевременно обнаружить развитие болезни, а персонализированные препараты на основе «умных» информационных биополимеров позволят радикально решить проблемы борьбы с инфекционными и генетическими заболеваниями в самом ближайшем будущем.

Литература
1. Брызгунова О. Е., Лактионов П. П. Внеклеточные нуклеиновые кислоты мочи: источники, состав, использование в диагностике // Acta Naturae . 2015. Т. 7. № 3(26). С. 54–60.
2. Власов В. В., еще две фамилии и др. Комплементарные здоровью. Прошлое, настоящее и будущее антисмысловых технологий // Наука из первых рук. 2014. Т. 55. № 1. С. 38–49.
3. Власов В. В., Воробьев П. Е., Пышный Д. В. и др. Правда о фаготерапии, или памятка врачу и пациенту // Наука из первых рук. 2016. Т. 70. № 4. С. 58–65.
4. Власов В. В., Закиян С. М., Медведев С. П. «Редакторы геномов». От «цинковых пальцев» до CRISPR // Наука из первых рук. 2014. Т. 56. № 2. С. 44–53.
5. Лифшиц Г. И., Слепухина А. А., Субботовская А. И. и др. Измерение параметров гемостаза: приборная база и перспективы развития // Медицинская техника. 2016. Т. 298. № 4. С. 48–52.
6. Рихтер В. А. Женское молоко - источник потенциального лекарства от рака // Наука из первых рук. 2013. Т. 52. № 4. С. 26–31.
7. Kupryushkin M. S., Pyshnyi D. V., Stetsenko D. A. Phosphoryl guanidines: a new type of nucleic Acid analogues // Acta Naturae . 2014. V. 6. № 4(23). P. 116–118.
8. Nasedkina T. V., Guseva N. A., Gra O. A. et al. Diagnostic microarrays in hematologic oncology: applications of high- and low-density arrays // Mol. Diagn. Ther. 2009. V. 13. N. 2. P. 91–102.
9. Ponomaryova A. A., Morozkin E. S., Rykova E. Y. et al. Dynamic changes in circulating miRNA levels in response to antitumor therapy of lung cancer // Experimental Lung Research . 2016. V. 42. N. 2. P. 95–102.
10. Vorobyeva M., Vorobjev P. and Venyaminova A. Multivalent Aptamers: Versatile Tools for Diagnostic and Therapeutic Applications // Molecules . 2016. V. 21. N. 12. P. 1612–1633.