Клеточная терапия - биомедицинская технология, основанная на использовании стволовых клеток или их продуктов

Генетическая диагностика - биомедицинская технология, позволяющая определить наличие наследственных заболеваний, вероятность их носительства, определять предрасположенность к некоторым заболеваниям и осуществлять генетически обоснованный выбор средств лекарственной терапии

Генная терапия - биомедицинская технология, использующая методы генной инженерии в медицинской практике

Биоинформатика - создание и применение вычислительных методов для поиска региона ДНК, кодирующего гены, расшифровки генома, конструирования лекарств, разработки лекарств, изучения структуры белка и так далее.

Биоинженерия - биомедицинская технология, направленная изменение, усовершенствование и создание новых биообъектов в целях медицинского применения.

2. Международный проект «Геном человека» и его цели

Проект по расшифровке генома человека (The Human Genome Project, HGP) - международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20-25 тыс. генов в человеческом геноме.

Геном - это наследственный аппарат клетки, содержащий весь объем информации, необходимой для развития организма, его существования в определенных условиях среды, эволюции и передачи всех наследственных свойств в ряду поколений. В настоящее время, когда речь идет о геноме, как правило имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов. Однако необходимо уточнить, что генетическая информация, необходимая для функционировании организмов, содержится не только в ядре, но и в некоторых других органеллах клетки (в частности, в митохондриях). Митохондриальный геном человека невелик по сравнению с ядерным геномом; однако его вклад в клеточный метаболизм весьма существенен.

Одной из особенностью генома человека является то, что только 1,2% всей ДНК кодирует структуру молекул белков, тогда как более 80% ДНК представлено повторяющимися последовательностями различной протяженности, более половина которых составляет так называемая «паразитическая» («эгоистическая») ДНК, функции которой остаются неизвестными. В конце 2002 года при сравнительном компьютерном анализе геномов человека и лабораторной мыши сделано наблюдение, позволившее предположить, что именно в повторяющихся участках геномной ДНК закодирована информация, обеспечивающая всю программу индивидуального развития.

Работа над реализацией программы «Геном человека» официально началась 1 октября 1990 г. в США и контролировало ее Министерство энергетики совместно с Государственными институтами здоровья США. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном - в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Кроме очевидной фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения.

Цели проекта были сформулированы следующим образом:

· завершить составление детальной генетической карты, на которой были бы помечены гены, отстоящие друг от друга на расстоянии, не превышающем в среднем 2 млн оснований (1 млн оснований принято называть 1 мегабаза, сокращенно Мб, от англ. слова base - основание);

· составить физические карты каждой хромосомы (разрешение 0,1 Мб);

· получить карту всего генома в виде охарактеризованных по отдельности клонов (5 тыс. оснований в клоне, или 5 килобаз, Кб);

· завершить к 2004 году полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);

· нанести на полностью завершенную карту все гены человека (к 2005 году).

Другая, часто упускаемая из виду цель проекта «Геном человека» - исследование этических, правовых и социальных последствий расшифровки генома. Важно исследовать эти вопросы и найти наиболее подходящие решения до того, как они станут почвой для разногласий и политических проблем.

Ожидалось, что, когда все указанные цели будут достигнуты, исследователи определят все функции генов и разработают методы биологического и медицинского применения полученных данных.

Когда программа планировалась, было решено, что необходимо отработать методы на более простых моделях. Сначала изучили 8 разных представителей мира микроорганизмов, затем список расширяли, и в настоящее время секвенсовые карты составлены уже для 18 организмов, имеющих малый размер генома (от 1 до 20 Мб). В их числе представители многих родов бактерий: архебактерии, спирохеты, хламидии, кишечная палочка, возбудители пневмоний, сифилиса, гемофилии, метанобразующие бактерии, микоплазмы, риккетсии, цианобактерии. Закончен анализ генома первого эукариотического одноклеточного организма - дрожжей Saccharomyces cerevisae и первого многоклеточного животного организма - нематоды C. elegans.

Геном любого отдельно взятого организма уникален, поэтому определение последовательности человеческого генома в принципе должно включать в себя и секвенирование многочисленных вариаций каждого гена. Однако, в задачи проекта «Геном человека» не входило определение последовательности всей ДНК, находящейся в человеческих клетках; а некоторые гетерохроматиновые области (в общей сложности около 8%) остаются несеквенированными до сих пор.

Прежде всего, это центральные регионы каждой хромосомы, известные как центромеры, которые содержат большое количество повторяющихся последовательностей ДНК. Их сложно секвенировать при помощи современных технологий.

Во-вторых, концы хромосом, называемые теломерами, также состоящие из повторяющихся последовательностей, и по этой причине в большинстве из 46 хромосом их расшифровка не завершена. Точно не известно, какая часть последовательности остаётся не расшифрованной до теломер, но как и с центромерами, существующие технологические ограничения препятствуют их секвенированию.

В-третьих, в геноме каждого индивидуума есть несколько локусов, которые содержат членов мультигенных семейств, которые также сложно расшифровать с помощью основного на сегодняшний день метода фрагментирования ДНК. В частности, эти семейства кодируют белки, важные для иммунной системы.

Кроме перечисленных регионов, остаётся ещё несколько брешей, разбросанных по всему геному, некоторые из которых довольно крупные, но есть надежда, что все они будут закрыты в ближайшие годы.

Все люди имеют в той или иной степени уникальные геномные последовательности. Поэтому данные, опубликованные проектом «Геном человека», не содержат точной последовательности геномов каждого отдельного человека. Это комбинированный геном небольшого количества анонимных доноров. Полученная геномная последовательность является основой для будущей работы по идентификации разницы между индивидуумами. Основные усилия здесь сосредоточены на выявлении однонуклеотидного полиморфизма.

Последовательность человеческой ДНК сохраняется в базах данных, доступных любому пользователю через Интернет. Национальный центр биотехнологической информации США хранят геномные последовательности в базе данных известной как GenBank, вместе с последовательностями известных и гипотетических генов и белков. Другие организации, к примеру Калифорнийский Университет в Санта-Круз и Ensembl поддерживают дополнительные данные и аннотации, а также мощные инструменты для визуализации и поиска в этих базах. Были разработаны компьютерные программы для анализа данных, потому что сами данные без таких программ интерпретировать практически невозможно.

В проекте «Геном человека», исследователи взяли у большого числа доноров образцы крови (женщин) и спермы (мужчин). Из числа собранных образцов источником ДНК стали лишь несколько. Таким образом, личности доноров были скрыты, чтобы ни доноры, ни учёные не могли знать, чья именно ДНК была секвенирована. Учёные HGP использовали белые кровяные клетки из крови двух мужчин и двух женщин доноров (случайно выбранных из 20 образцов каждого пола) - каждый донор стал источником отдельной библиотеки ДНК.

В ходе проекта создавали последовательно три типа карт хромосом: генетические, физические и секвенсовые (от англ. слова sequence - последовательность). Выявление всех генов, присутствующих в геноме человека, и установление хотя бы примерного расстояния между ними позволят локализовать каждый ген в хромосомах. Такие генетические карты помимо инвентаризации генов и указания места их расположения ответят на исключительно важный вопрос о вовлеченности генов в образование отдельных признаков организма. Ведь многие признаки формируются под контролем нескольких генов, часто расположенных в разных хромосомах, и знание локализации каждого из них будет способствовать лучшему распознаванию законов дифференцировки клеток, органов и тканей, а также лучшему лечению болезней.

Генетическая карта (карта сцепления) показывает расположение определенных сайтов (локусов) вдоль хромосомы.

Второй тип карт - это физические карты хромосом. Еще в 60-е годы цитогенетики использовали методы окрашивания хромосом для выявления так называемых бэндов (поперечных полосок) на хромосомах. Полосы можно было физически заметить в микроскоп. Установление соответствия полос и генов дало возможность внести в изучение хромосом новые детали. Затем были разработаны методы, позволившие физически следить за присоединением коротких отрезков радиоактивно-меченых или флуоресцентно-меченых ДНК к хромосомной ДНК. Локализация этих меток повысила разрешение структуры хромосом. Использование метода так называемой флуоресцентной in situ гибридизации (FISH-метод) дало возможность достичь разрешения от 2 до 5 Мб, а потом повысить его (при изучении хромосом делящихся клеток) до 100 Кб.

В 70-х годах ученые научились «разрезать» ДНК на участки ферментами. Эти ферменты были названы рестрикционными. С их помощью построили так называемые рестрикционные физические карты, в короткий срок были разработаны другие физические и химические методы, приведшие к увеличению степени разрешения физических карт в сотни раз.

Наконец, разработка методов изучения точных последовательностей нуклеотидов в ДНК, или методов секвенирования, открыла путь к созданию секвенсовых карт, на которых степень разрешения доведена до своего максимального значения: на этих картах должно быть указано положение всех нуклеотидов в ДНК.

Работа над интерпретацией данных генома находится всё ещё в своей начальной стадии. Ожидается, что детальное знание человеческого генома откроет новые пути к успехам в медицине и биотехнологии. Ясные практические результаты проекта появились ещё до завершения работы. Несколько компаний начали предлагать простые способы проведения генетических тестов, которые могут показать предрасположенность к различным заболеваниям, включая рак груди, нарушения свёртываемости крови, кистозный фиброз, заболевания печени и многим другим. Также ожидается, что информация о геноме человека поможет поиску причин возникновения рака, болезни Альцгеймера и другим областям клинического значения и, вероятно, в будущем может привести к значительным успехам в их лечении.

Более того, глубокое понимание процесса заболевания на уровне молекулярной биологии может предложить новые терапевтические процедуры. Учитывая установленную огромную роль ДНК в молекулярной биологии и её центральную роль в определении фундаментальных принципов работы клеточных процессов, вероятно, что расширение знаний в данной области будет способствовать успехам медицины в различных областях клинического значения, которые без них были бы невозможны.

Анализ сходства в последовательностях ДНК различных организмов также открывает новые пути в исследовании теории эволюции. Во многих случаях вопросы эволюции теперь можно ставить в терминах молекулярной биологии. И в самом деле, многие важнейшие вехи в истории эволюции (появление рибосомы и органелл, развитие эмбриона, иммунной системы позвоночных) можно проследить на молекулярном уровне. Ожидается что этот проект прольёт свет на многие вопросы о сходстве и различиях между людьми и нашими ближайшими сородичами (приматами, а на деле и всеми млекопитающими).

Особые перспективы исследования генома человека открывают методы секвенирования нового поколения. В связи с развитием новых методов значительно упростился и ускорился процесс секвенирования генома. Это позволяет проводить секвенирование большого количества геномов человека для определения однонуклеотидного полиморфизма.

3. Этические проблемы медицинской биотехнологии

Этика - это правила взаимоотношения людей, способствующие возрастанию дружелюбия и снижению агрессивности. К этому сводится вся суть этических принципов, независимо от того, какие это взаимоотношения - межиндивидуальные или отношения групп людей.

При этом генетическая этика имеет одно характерное отличие от других разделов биомедицинской этики: не только сам испытуемый, но и его прямые потомки в нескольких поколениях могут оказаться объектами воздействия измененной генетической информации.

Этические принципы медицинской генетики сформулированы в рекомендациях Всемирной Организацией Здравоохранения. В руководстве ВОЗ изложены как общие этические принципы деятельности генетической службы, так и частные - применительно к отдельным направлениям медицинской генетики: генетическому консультированию, генетическому скринингу, пресимптоматическому тестированию и тестированию на предрасположенность к заболеваниям, пренатальной диагностике, работе банков ДНК и др.

По рекомендациям ВОЗ генетическая служба в своей деятельности должна придерживаться следующих этических принципов:

· Справедливое распределение общественных ресурсов для профилактики наследственных заболеваний и врожденных пороков развития на основе необходимости, определенной по тяжести и важности проблем, и пользы от предпринимаемых действий;

· Уважение генетических и культурных различий людей;

· Уважение человеческого интеллекта и лиц, чья точка зрения находится в меньшинстве;

· Обучение генетике всех членов общества, работников здравоохранения, учителей, религиозных деятелей и др.;

· Участие общественности в обсуждении целей генетической службы, её средств и методов;

· Добровольный подход к генетическому тестированию, профилактике и лечению заболеваний; исключение всех видов принуждения со стороны государства, общественности и врачей;

· Обеспечение пациентов необходимым медицинским наблюдением и лечением; отказ от проведения тестов или процедур не по медицинским показателям; постоянный контроль качества службы;

· Свобода выбора во всех вопросах, касающихся генетики; женщина должна быть главным лицом при принятии решения в сфере воспроизводства;

· Предупреждение дискриминации (реальные действия, ограничивающие права какой-либо группы или отдельных личностей) или стигматизации (навешивание социальных ярлыков, ассоциация какого-либо качества, как правило отрицательного, с конкретным человеком или группой людей, при этом такая связь отсутствует или не доказана) на основе генетической конституции;

· Все генетические тесты должны быть добровольными и проводятся на основе информированного согласия. Особые усилия по соблюдению прав человека должны быть предприняты при тестировании здоровых людей на предрасположенность к генетическим или мультифакториальным заболеваниям с поздним возрастом начала, не имеющим эффективных методов профилактики и лечения. Доклиническое тестирование детей должно проводится только в интересах ребенка, если очевидна медицинская или психологическая польза такого тестирования;

· Пренатальная диагностика должна проводится только для получения семьей или врачами информации о здоровье плода. Её использование для проведения любой социальной политики или для немедицинских целей, таких как тестирование отцовства или селекция по полу, за исключением сцепленных с полом заболеваний, этически неприемлемо;

Важным аспектом медико-генетического консультирования при проведении тестирования на доклинической стадии заболевания является оказание психологической поддержки консультирующимся при обнаружении у них носительства патологического гена.

Широкое распространение генетических тестов может привести к дискриминации отдельных лиц на основании генетической информации о них, если она становится доступной для третьих лиц. Для того, чтобы избежать таких последствий, к результатам генетических исследований не должны иметь доступ работодатели, страховые компании и другие третьи лица.

Существует проект закона «О правовых основах биоэтики и гарантиях её обеспечения». Это один из законов, который вызвал оживленные дебаты общественности, потому что оказалось, что разброс мнений относительно биоэтики в нашем обществе очень велик.

Таким образом, в биоэтике можно выделить два основных правила: все медицинские процедуры должны по добровольному выбору пациента и с соблюдением правил конфиденциальности информации, которую обязан обеспечить врач (исследователь) пациенту.

4. Решение кардинальных проблем медицины на основе достижений биотехнологии

На основе генной инженерии возникла целая отрасль фармацевтической промышленности, называемая «индустрией ДНК» и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. Генно-модифицированные растения являются дешевым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков как для человека, так и для животных. Примерами применения генной инженерии в медицине являются также производство человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.

Благодаря достижениям науки в этой области стало возможным не только создание «биологических реакторов», трансгенных животных, генно-модифицированных растений, но и проведение генетической паспортизации. Генетическая паспортизация позволяет прогнозировать и уменьшать риски сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, исследовать и предотвращать нейродегенеративные заболевания и процессы старения, диагностировать генетические заболевания и так далее.

В XX веке в большинстве стран мира основные усилия медицины были направлены на борьбу с инфекционными заболеваниями, снижение младенческой смертности и увеличение средней продолжительности жизни. Страны с более развитой системой здравоохранения настолько преуспели на этом пути, что сочли возможным сместить акцент на лечение хронических заболеваний, болезней сердечно-сосудистой системы и онкологических заболеваний, поскольку именно эти группы болезней давали наибольший процент прироста смертности.

Одновременно шли поиски новых методов и подходов. Существенным явилось то, что наукой была доказана значительная роль наследственной предрасположенности в возникновении таких широко распространённых болезней, как ишемическая болезнь сердца, гипертония, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, псориаз, бронхиальная астма и др. Стало очевидным, что для эффективного лечения и профилактики этих болезней, встречающихся в практике врачей всех специальностей, необходимо знать механизмы взаимодействия средовых и наследственных факторов в их возникновении и развитии, а, следовательно, дальнейший прогресс в здравоохранении невозможен без развития биотехнологических методов в медицине. В последние годы именно эти направления считаются приоритетными и бурно развиваются.

Важнейшим направлением медицинской генетики в настоящее время является разработка новых методов диагностики наследственных заболеваний, в том числе и болезней с наследственной предрасположенностью. Сегодня уже никого не удивляет предимплантационная диагностика - метод диагностики эмбриона на ранней стадии внутриутробного развития, когда врач-генетик, извлекая лишь одну клетку будущего ребенка с минимальной угрозой для его жизни, ставит точный диагноз или предупреждает о наследственной предрасположенности к той или иной болезни.

Как теоретическая и клиническая дисциплина медицинская генетика продолжает интенсивно развиваться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая генетика.

Благодаря все более широкому применению биотехнологических методов в фармацевтике и медицине появилось новое понятие «персонализированной медицины», когда лечение пациента осуществляется на основе его индивидуальных, в том числе генетических особенностей, и даже препараты, используемые в процессе лечения, изготавливаются индивидуально для каждого конкретного пациента с учетом его состояния. Появление таких препаратов стало возможным, в частности, благодаря применению такого биотехнологического метода, как гибридизация клеток. Процессы гибридизации клеток и получения гибридов еще до конца не изучены и не отработаны, но важно, что с их помощью стало возможным нарабатывать моноклональные антитела. В современной медицине моноклональные антитела широко используются в диагностических целях. В настоящее время они применяются также в качестве высокоэффективных препаратов для индивидуального лечения пациентов, страдающих такими тяжелыми заболеваниями, как рак, СПИД и др.

5. Коррекция наследственных болезней на уровне генотипа и фенотипа

Нормальная работа организма обеспечивается функциями множества взаимосвязанных генов, и мутация даже в одном из них может иметь самые разные последствия. Так, мутация, в результате которой изменяется активность того или иного фермента, может приводить к накоплению токсичного субстрата или дефициту соединения, необходимого для нормального функционирования клетки, а мутация в гене, кодирующем структурный белок, - к серьезным нарушениям на уровне клеток, тканей или органов. Кроме того, мутация в гене, экспрес-сирующемся в одной ткани, может сказаться самым серьезным образом на совсем другой ткани и привести к появлению множества симптомов. Например, мутация в гене печеночного фермента фенилаланиндегидроксилазы, в результате которой блокируется превращение фенилаланина в тирозин, оказывает серьезное влияние на нервную систему. У индивидуума, гомозиготного по дефектному гену, этот фермент не вырабатывается вообще или вырабатывается в очень небольших количествах; это приводит к повышению уровня эндогенного фенилаланина в крови, к неправильному формированию миелиновой оболочки вокруг аксонов нервных клеток центральной нервной системы и как следствие - к тяжелой умственной отсталости. Это врожденное заболевание, называемое фенилкетонурией, встречается у европеоидов с частотой 1 на 10 000 новорожденных. В каждой ткани организма экспрессируется свой набор из всей совокупности генов, но есть мутации, которые приводят к болезням, затрагивающим буквально все органы и ткани: мышцы, глаза, печень, кости, почки, сердце, нервную систему, кожу, мозг, желудок, кишечник, систему кроветворения.

Значительный прогресс в области исследования наследственной патологии человека за последние годы дает все больше оснований для пересмотра мнения о фатальности генетически детерминированных состояний и безуспешности их лечения. Подтверждается высказывание основателя клинической генетики в России С.Н. Давиденкова о том, что недостаточный успех терапии многих наследственных болезней зависит не от их неизлечимости, а от недостатка знаний о большинстве из них.

Наследственные заболевания имеют сложные клинические проявления, и их лечение носит во многом симптоматический характер. Некоторые нарушения метаболизма корректируют назначением специальной диеты, что приводит к снижению уровня токсичных веществ в организме, накопление которых обусловливается мутациями в определенных генах. Так, при фенилкетонурии, которую выявляют у новорожденных с помощью специфического биохимического анализа крови, назначают безаланиновую диету. Для облегчения симптомов наследственных заболеваний, связанных с дефектом определенного белка, вводят внутривенно его функциональную форму, не вызывающую иммунной реакции. Такую «заместительную» терапию используют, например, для лечения гемофилии, тяжелого комбинированного иммунодефицита и болезни Гоше. Иногда для компенсации каких-то утраченных функций проводят трансплантацию костного мозга или других органов. К сожалению, нередко интенсивное лечение многих наследственных болезней начинают проводить только тогда, когда пациент находится в критическом состоянии и удается лишь ненамного продлить его жизнь. Поскольку генетические заболевания часто носят системный характер и постепенно приводят к ослаблению организма, разработка эффективных методов лечения представляет собой непростую задачу. Существующая терапия, как правило, малоэффективна, лишь немногие пациенты доживают до старости и могут иметь детей. В большинстве случаев лечение необходимо проводить многократно, оно очень дорогое и длительное. Поэтому разработка новых видов терапии очень актуальна.

Достижения генной инженерии позволяют выделять индивидуальные гены, клонировать их и создавать рекомбинантную ДНК - новые сочетания последовательностей нуклеотидов. Такую ДНК вводят в организм хозяина, где она заменяет поврежденный ген, направляя синтез данного продукта, или же включает нефункционирующий ген. Происходят изменение генетического материала и исправление врожденной ошибки.

После того как были установлены молекулярные основы трансформации бактерий (переноса генов из одного штамма в другой), у ученых появилась надежда, что аналогичный механизм - введение нормальных генов в дефектные соматические клетки - можно будет использовать для лечения наследственных заболеваний человека. Перспективы генной коррекции соматических клеток стали более реальными в 1980-х годах. К этому времени были разработаны методы получения изолированных генов, созданы эукариотические экспрессирующие векторы, стали рутинными эксперименты по переносу генов на мышах. В 1990 году была предпринята первая попытка применения генотерапии для лечения SCID (тяжелых комбинированных иммунодефицитов) у двух девочек. Использовался следующий подход. Клонированную кДНК аденозиндезаминазы (АДА) ввели в лимфоциты, полученные от каждой из пациенток. Модифицированные клетки, синтезирующие АДА, культивировали и в течение двух лет с определенной периодичностью вводили девочкам. Через четыре года после начала лечения у обеих пациенток наблюдалась экспрессия гена АДА и отмечалось облегчение симптомов. Однако истинная причина улучшения осталась не совсем ясной: был ли это эффект заместительной терапии (внутривенного введения защищенной формы АДА - полиэтиленгликоль-АДА) или собственно генной терапии. Беспорно одно: этот опыт показал безопасность генной терапии. Сходные результаты были получены и для других пациентов с SCID, одновременно получавших оба вида лечения. Исследования были продолжены на большем числе больных.

Поскольку генная терапия представляет собой новое направление, а заболевания, которые предполагают лечить с ее помощью, столь различны, рассматривают множество разных подходов. В настоящее время все исследования по генной терапии направлены на коррекцию генетических дефектов соматических, а не половых (зародышевых) клеток. Это объясняется этическими и чисто техническими причинами, а так же соображениями безопасности: ведь ДНК, введенная в половые клетки человека, передавалась бы последующим поколениям.

При упомянутом выше комбинированном иммунодефиците перенос лечебного гена производили в Т-лимфоциты или стволовые клетки костного мозга. Извлеченные у больного клетки культивировали в пробирке, с помощью ретровирусного вектора вводили нормальный ген аденозиндезаминазы и возвращали трансформированные клетки в организм. С дефектом этого фермента связано 25% случаев врожденных иммунодефицитов.

Введение гена, кодирующего тот или иной фактор свертывания крови, спасает больных, страдающих гемофилией. Для трансформации берутся фибробласты кожи, в которые внедряется ген, кодирующий фактор IX, в норме ими не вырабатываемый. Однако это лишь поддерживающая терапия, так как измененные клетки не могут долго существовать в организме больного.

в-Талассемия - распространенное нарушение образования гемоглобина, выражающееся в недостаточном его содержании и накоплении б-глобина, что приводит к гибели эритроцитов. Люди с таким заболеванием не доживают до 20 лет. Для коррекции талассемии недостаточно ввести нормальный ген в-глобина, нужно еще, чтобы этот белок синтезировался в равных количествах с б-глобином. С этой целью ученые стремятся внести в вектор помимо гена в-глобина контролирующий участок ДНК, ответственный за координированный синтез двух белков.

При муковисцидозе легких неповрежденную копию гена, содержащуюся в аденовирусе или липосоме, вводят в дыхательные пути пациента с помощью аэрозоля.

Для коррекции нарушения при мышечной дистрофии Дюшенна - заболевании, связанном с дефектами Х-хромосомы, - нормальный ген, кодирующий белок дистрофии, пытались либо непосредственно вкалывать в мышечные волокна, либо вводить его с помощью аденовирусного вектора. Другие исследователи трансплантировали больному миобласты после генетической коррекции. Результат был временным.

В самом общем смысле под генной терапией соматических клеток человека понимают коррекцию специфического наследственного заболевания путем введения в клетку-мишень функционального экспрессирующегося гена. Однако за этим простым определением скрывается целый ряд проблем. Например, как получить доступ к клеткам, предназначенным для коррекции? Как осуществить доставку терапевтического гена? Какая доля клеток-мишеней должна получить такой ген, чтобы болезнь отступила? Необходим ли точный контроль транскрипции введенного гена для обеспечения ее эффективности? Не вызовет ли избыточная экспрессия введенного гена побочных эффектов? Будут ли модифицированные клетки поддерживаться бесконечно или потребуются повторные введения?

Хотя генная терапия соматических клеток делает только свои первые шаги, на ряд вопросов, касающихся некоторых наследственных заболеваний, уже получены ответы. Появляются все новые подходы к генной терапии соматических клеток, которые можно разделить на две большие категории: генная терапия in vivo и ex vivo.

Генная терапия ex vivo, как правило, включает следующие этапы:

· Получение клеток от больного.

· Исправление генетического дефекта с помощью переноса нужного гена в изолированные клетки.

· Отбор и наращивание генетически «исправленных» клеток.

· Инфузия или трансплантация этих клеток пациенту.

Использование собственных клеток пациента (аутологичных клеток) гарантирует, что после инфузии или трансплантации у него не разовьется иммунный ответ.

Необходимо, чтобы процедура переноса генов, используемая для генной терапии ex vivo, была эффективной, а «терапевтический» ген стабильно поддерживался и непрерывно экспрессировался. Этим условиям отвечают векторы, полученные на основе мышиных ретровирусов. Но ретровирусы имеют существенный недостаток - они могут приводить к злокачественной транформации клеток. Такую вероятность необходимо уменьшить, а лучше полностью исключить.

Генная терапия in vivo основана на прямом введении клонированных и определенным образом упакованных последовательностей ДНК в специфические ткани больного. Особенно перспективным для лечения генных болезней in vivo представляется введение генов с помощью аэрозольных или инъецируемых вакцин. Аэрозольная генотерапия разрабатывается, как правило, для лечения пульмонологических заболеваний (муковисцидоз, рак легких).

Общей проблемой генотерапии in vivo является доставка нуклеиновой кислоты или олигонуклеотида к своим мишеням и их стабильность. Это означает доставку генетического материала к определенным тканям или органам, проникновение через плазматическую мембрану и воздействие на определенную мишень внутри клетки. В качестве средств доставки используются различные ДНК- и РНК-содержащие вирусы, липосомы, природные белки-лиганды и другие объекты.

Разработке программы генной терапии предшествуют тщательный анализ тканеспецифической экспрессии соответствующего гена, идентификация первичного биохимического дефекта, исследование структуры, функции и внутриклеточного распределения его белкового продукта, а также биохимический анализ патологического процесса. Все эти данные учитываются при составлении соответствующего медицинского протокола. Апробацию процедуры генокоррекции наследственного заболевания проводят на первичных культурах клеток больного, в которых в норме функционально активен данный ген. На этих клеточных моделях оценивают эффективность выбранной системы переноса экзогенной ДНК, определяют экспрессию вводимой генетической конструкции, анализируют ее взаимодействие с геномом клетки, отрабатывают способы коррекции на биохимическом уровне.

Используя культуры клеток, можно разработать систему адресной доставки рекомбинантных ДНК, однако проверка надежности работы этой системы может быть осуществлена только на уровне целого организма. Поэтому такое внимание в программах по генной терапии уделяется экспериментам in vivo на естественных или искусственно полученных моделях соответствующих наследственных болезней у животных. Успешная коррекция генетических дефектов у таких животных и отсутствие нежелательных побочных эффектов генной терапии являются важнейшей предпосылкой для разрешения клинических испытаний.

Несмотря на усилия многих лабораторий, все известные и испытанные векторы далеки от совершенства. Если проблема доставки чужеродной ДНК in vitro практически решена, а ее внедрение в клетки-мишени тканей in vivo успешно осуществляется (главным образом за счет создания конструкций, несущих рецепторные белки, в том числе антигены, специфичные для тканей), то характеристики существующих векторных систем, такие, как стабильность интеграции, регулируемая экспрессия, безопасность, нуждаются в серьезных доработках.

Естественно, что все процедуры генной терапии, начиная с создания векторных конструкций и кончая их доставкой в организм больного, должны строго подчиняться общепринятым правилам безопасности, выработанным для генной инженерии. Однако проведение генетических манипуляций применительно к организму человека предъявляет к ним особые требования. Дело в том, что любое введение в человеческие клетки генных конструкций, с какой бы целью оно ни производилось, может иметь отрицательные последствия. Неконтролируемое встраивание элемента в те или иные участки генома способно привести к нарушению функции любых генов, в том числе регулирующих клеточное размножение и иммунные реакции. Это может, в свою очередь, вызвать крайне нежелательные изменения в организме, включая образование раковых опухолей.

Возможный негативный эффект генетического воздействия потенциально несоизмерим при трансфекции, или генетической трансформации соматических (клеток тела) и половых клеток. В первом случае речь идет о судьбе одного индивида, как правило, тяжело или смертельно больного. Здесь риск, связанный с лечебными процедурами обычно значительно меньше, чем риск смертельного исхода от первичного заболевания (например, рака на поздней стадии развития). Степень генетического риска при соматической генной терапии к тому же резко снижается, если используются конструкции, не обладающие способностью встраиваться в геном клетки-реципиента, в частности векторы, создаваемые на базе аденовирусов и вируса простого герпеса.

В то же время введение генных конструкций в половые клетки может вызвать нежелательные изменения в геноме будущих поколений или, в широком смысле слова, генофонде человечества.

6. Биопротезирование и репродукция тканей

Под тканевой инженерией в настоящее время понимают раздел биотехнологии, подразумевающий трансплантацию культивированных клеток на биосовместимом носителе с целью создания de novo недостающего или восстановления поврежденной ткани или органа.

Большинство исследований в области тканевой инженерии направлены на получение того или иного эквивалента тканей. Самое изученное направление тканевой инженерии - реконструкция соединительной ткани, особенно костной.

Одним из самых важных направлений в тканевой инженерии является изготовление эквивалентов кожи. Живые эквиваленты кожи, содержащие донорские или собственные кожные клетки, в настоящее время широко применяются в США, России, Италии. Эти конструкции позволяют улучшить заживление обширных ожоговых поверхностей.

Основными точками приложения тканевой инженерии в кардиологии можно считать создание искусственных клапанов сердца, реконструкцию крупных сосудов и капиллярных сетей. Имплантаты из синтетических материалов недолговечны и часто приводят к образованию тромбов.

Конструирование желез внутренней секреции находится на стадии экспериментальной проверки методик на лабораторных животных. Наибольшие успехи достигнуты в тканевой инженерии слюнных желез, получены конструкции, содержащие клетки поджелудочной железы.

Пороки развития мочевыделительной системы составляют до 25% всех пороков развития. Тканевая инженерия в этом направлении медицины очень востребована. Создание эквивалентов почечной ткани - достаточно сложная задача, и решить эту проблему пытаются с помощью технологий прямого органогенеза, используя эмбриональные закладки почечной ткани. На лабораторных животных была показана возможность восстановления различных органов и тканей мочевыделительной системы.

Одной из важнейших задач является восстановление органов и тканей нервной системы. Тканеинженерные конструкции могут быть использованы для восстановления как центральной, так и периферической нервной системы.

Создание искусственных органов позволит отказаться от трансплантации большей части донорских органов, улучшит качество жизни и выживаемость пациентов. В ближайшее время эти технологии будут внедряться во все области медицины.

Как правило, потребность в клеточной трансплантации возникает в случае развития состояния так называемой «остеогенной недостаточности», когда собственный камбиальный резерв остеогенных клеток организма не в состоянии обеспечить надлежащий процесс остеорепарации. Такими проблемными повреждениями являются протяженные дефекты костей, возникшие в результате многооскольчатых переломов, замедленной консолидации, ложных суставов, резекций костей по онкологическим показаниям, постостеомиелитические дефекты и др.

Биопротезирование является альтернативой искусственному протезу, так как при этом происходит минимальное инвазивное вмешательство.

В приложении к костной хирургии идеология тканевой инженерии подразумевает сочетанное использование культивированных остеогенных клеток и материала-носителя, обеспечивающего мобилизацию клеток, адресную их доставку, стабильное нахождение в реципиентном ложе и гистотипическую дифференцировку.

Мезенхимные стволовые клетки - мультипотентные региональные стволовые клетки, содержащиеся во всех мезенхимальных тканях (главным образом в костном мозге), способные к дифференцировке в различные типы мезенхимальных тканей, преимущественно в остеоциты, хондроциты и адипоциты, а так же в клетки других зародышевых слоёв.

Эволюция взглядов на клеточную трансплантологию в костной хирургии прошла несколько этапов - от пересадок суспензии фетальных скелетогенных предшественников к использованию аутогенных детерминированных остеогенных клеток. К настоящему времени «золотым стандартом» в этой сфере является пересадка размноженных в культуре остеогенных клеток, полученных из различных тканевых источников самого пациента - костного мозга, жировой клетчатки (пульпы зуба, надкостницы, стромы кроветворных органов, периферической крови) и других тканей.

Отказ от использования аллогенного фетального материала связан с несколькими причинами: этическими проблемами получения качественного клеточного материала, сложностью соблюдения правил биобезопасности и, что немаловажно, недостаточной изученностью механизмов воздействия чужеродных клеток на организм реципиента вообще и на остеогенез в частности.

Несмотря на обнадеживающие результаты экспериментальных трансплантаций клеточной взвеси в область нарушенной консолидации, уже с первых клинических наблюдений стало очевидно, что для того, чтобы данный метод занял достойное место в спектре методов лечения костной патологии, он должен обладать превосходящей эффективностью по отношению к традиционным методам.

В приложении к костной хирургии идеология тканевой инженерии подразумевает сочетанное использование культивированных остеогенных клеток и материала-носителя, обеспечивающего мобилизацию клеток, адресную их доставку, стабильное нахождение в реципиентном ложе и гистотипическую дифференцировку. Выбор оптимального носителя для культуры остеогенных клеток является одним из ключевых этапов создания тканеинженерного эквивалента костной ткани.

Требования, предъявляемые к материалам, из которых могут быть изготовлены носители, достаточно стандартны: это должен быть нетоксичный биодеградируемый материал, который обладал бы способностью к остеокондукции, остеоиндукции, остеопротекции, а заселение его клетками наделяли бы его и свойством остеогенности.

Для интересов тканевой инженерии могут использоваться остеопластические материалы - деминерализованный костный матрикс (ДКМ), трехмерные матрицы из полимолочных и полигликолевых кислот, коллагеновые криогели, стеклокристаллические материалы - биоситаллы, аналоги костного минерала - гидроксиапатит, трикальция фосфат, а также полисахариды природного происхождения - хитозан, полигидроксиалканоаты, альгинаты и другие.

Большое количество экспериментальных исследований было посвящено оптимизации процесса остеорепарации с применением методов клеточных технологий на модели дефектов костей черепа. Самые простые способы, отработанные на кроликах, подразумевают простое инъекционное введение клеток в область дефекта, или введение в коллагеновом формообразующем геле. В эксперименте на крысах показано положительное влияние ДКМ с иммобилизированными аутогенными ММСК на заживление костного дефекта теменных костей.

В связи с тем, что методические подходы к получению in vitro необходимого количества клеточного материала в основном отработаны, а многочисленные экспериментальные работы подтвердили безопасность и эффективность подобных технологий, данное направление клеточных технологии внедрилось в клиническую практику. В мире выполнены несколько операций по трансплантации в область повреждений тканеинженерных эквивалентов костной ткани у человека.

Исследователи и клиницисты не обошли вниманием возможности коррекции системных поражений костной ткани, при которых пациенты обращаются к травматологам уже после возникновения осложнений - переломов. В данной ситуации предложено системное введение остеогенных клеток. В экспериментах убедительно показано, что ядросодержащие клетки костного мозга содержат фракцию предшественников остеобластов, которые способны колонизировать костную ткань реципиента.

Все вышесказанное вынуждает избавиться от преждевременных завышенных ожиданий относительно клеточных технологий в костной хирургии, и очевидно, что достойная клиническая реализация подобных технологий будет возможна лишь при замещении незначительных по объему дефектов костей, или протяженных критических дефектов, но при условии реализации в специализированных высокотехнологичных стационарах, способных реализовать микрохирургическую технику и комплексный биотехнологический подход.

7. Биопротезирование клапанов сердца

Наиболее распространенным способом коррекции порока аортального клапана является его замена протезом. По данным литературы при гемодинамически значимом или значительном стенозе АК смертность достигает 100% в течение 10 лет наблюдения, а при недостаточности АК - около 40%. Современные механические протезы имеют превосходную долговечность, однако после имплантации больным показана пожизненная аитикоагулянтная терапия. Несмотря на антикоагулянтную терапию, наблюдаются такие осложнения, как тромбоэмболии, тромбозы протеза, а также инфекционные осложнения.

Альтернативно используемые биологические протезы обеспечивают лучшее качество жизни, формируют структуру кровотока, близкую к физиологической, и у большинства больных не требуют приема антикоагулянтов. При этом отмечается низкая частота таких осложнений, как тромбоэмболии и кровотечения. Первые попытки имплантации биологического протеза клапана в нисходящую аорту животным предприняты в 50-е годы. За 50-летний период были опробованы разные биологические материалы для создания биопротезов клапанов сердца. Были предложены ксеноаортальные клапаны, биопротезы сформированные из ксеноперикарда, твердой мозговой оболочки и широкой фасции бедра. В настоящее время применяются биопротезы изготовленные из ксеноперикарда и ксеноаортальных комплексов. По данным зарубежных авторов, особый интерес к протезированию аортального клапана каркасными биопротезами не ослабевает, в связи с новыми методами обработки и хранения, которые увеличили срок службы биопротезов, а также с увеличением числа больных преклонного возраста.

Показаниями к имплантации биологических протезов являются:

· Наличие противопоказаний к постоянному приему оральных антикоагулянтов (повышенная тенденция к геморрагиям различного генеза, злокачественная артериальная гипертензия, нежелание или неспособность пациента принимать эти препараты и осуществлять контроль за их приемом);

· Протезирование трикуспидального клапана (имеется высокий риск тромбоза механического протеза в этой позиции);

· Возраст больного старше 65-70 лет.

Одним из показаний к имплантации биологического клапана считается планируемая беременность, однако это спорно, так как во время беременности дегенеративные процессы в протезе происходят гораздо быстрее. Это может вызвать нарушение функции искусственных клапанов сердца.

Протезирование сопровождается низкой летальностью, как в ранние, так и в отдаленные сроки, низкой частотой специфических осложнений, а также позволяет избежать пожизненного приема антикоагулянтов. Прекрасные гемодинамические параметры, устойчивость к инфекции, отсутствие тромбогенности и риска геморрагических инсультов, по мнению многих авторов, делают каркасные биопротезы реальной альтернативой современным механическим протезам.

8. Трансплантация тканей и органов

Медицинская трансплантация - это метод лечения тяжелых заболеваний путем пересадки жизнеспособных органов, тканей или клеток.

Различают следующие виды трансплантации:

· аутотрансплантация, или аутологичная трансплантация - реципиент трансплантата является его донором для самого себя. Например, аутотрансплантация кожи с неповреждённых участков на обожжённые широко применяется при тяжёлых ожогах. Аутотрансплантация костного мозга или гемопоэтических стволовых клеток после высокодозной противоопухолевой химиотерапии широко применяется при лейкозах, лимфомах и химиочувствительных злокачественных опухолях.

· изогенная трансплантация - донором трансплантата является 100% генетически и иммунологически идентичный реципиенту однояйцевый близнец реципиента.

· аллотрансплантация, или гомотрансплантация - донором трансплантата является генетически и иммунологически отличающийся человеческий организм.

· ксенотрансплантация, или межвидовая трансплантация - трансплантация органов от животного другого биологического вида.

Чаще всего пересаживают сердце, почки, легкие и печень.

Показания для пересадки сердца:

· дилатационная кардиомиопатия (51-54%);

· ишемическая кардиомиопатия (31-33%);

· врожденные пороки, несовместимые с жизнью;

· патологии клапанов.

Трансплантация почек осуществляется при терминальной стадии почечной недостаточности. Трансплантация необходима, если почка практически не функционирует из-за таких патологий, как диабетическая нефропатия, врожденные пороки, воспалительные заболевания почек, аутоиммунные реакции. В 90% случаев операция проходит успешно, и пациенты возвращаются к обычной жизни.

Операций по пересадке легких осуществляется примерно 3 тысячи в год, ведущими показаниями являются тяжелые поражения, развившиеся в результате муковисцидоза, фиброза легких, хронической обструктивной болезни легких и других заболеваний.

Трансплантацию печени стараются проводить больным с терминальной стадией заболевания при наличии опасных для жизни осложнений и угрозе необратимого повреждения центральной нервной системы.

Несмотря на все возрастающее число операций, существует ряд проблем, связанных с трансплантацией как методом лечения:

· иммуногенетическое соответствие тканей донора и реципиента, поскольку отторжение пересаженного органа является наиболее частой причиной осложнений после проведения операции;

· риск переноса заболеваний, которые не были диагностированы у донора, но могут негативно сказаться на здоровье реципиента;

· сложности, связанные с послеоперационным периодом (необходимость постоянного приема иммуносупрессивных препаратов и врачебного контроля);

· юридическая проблема забора органов от трупов с целью пересадки;

· проблема констатации смерти мозга у потенциальных доноров;

· несовершенство законодательной системы и противоречивость законодательных актов в вопросах ответственности сторон и порядка изъятия органов;

· этические вопросы пересадки (ценность жизни, формирование очереди ожидающих пересадки и так далее);

· проблема консервации с целью сохранения жизнеспособности пересаживаемого органа на максимально длительный срок.

Известно, что полное приживление тканей наблюдается только при аутотрансплантации, когда пересаживают органы или ткани одного и того же индивида или однояйцевых близнецов. При всех других видах пересадки органов и тканей со стороны реципиента неизбежно развивается реакция трансплантационного иммунитета - отторжение пересаженного биологического объекта. Реакция отторжения трансплантата начинается после включения пересаженного органа донора в кровоток реципиента и полностью завершается к 7 - 10 суткам после операции. Смыслом этой реакции является защита организма реципиента, его индивидуально-уникального белкового, молекулярного и тканевого своеобразия от «чужого», не свойственного ему, антигенного набора.

Реакция трансплантационного иммунитета реализуется посредством образования антител к пересаженным тканям при работе макрофагов, В-лимфоцитов и Т-лимфоцитов. Непосредственное участие в этом процессе принимают иммуноциты, в частности Т-киллеры. Расположенные на поверхности клеток антигены называются антигенами тканевой совместимости или гистосовместимости. В свою очередь генетические структуры, определяющие индивидуальность и синтез антигенов гистосовместимости называются генами тканевой совместимости. Все антигены гистосовместимости принято подразделять на антигены главного комплекса тканевой совместимости (МНС - major histocompatibility complex), на которые возложена основная ответственность за реакцию тканевого отторжения и на антигены малого комплекса тканевой совместимости. У человека система главного комплекса гистосовместимости известна под названием HLA-комплекс.