Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры - Эми Уэбб

которые сложнее поддаются лечению, так как возникают в результате совместного действия нескольких генов. К числу полигенных заболеваний относятся ишемическая болезнь сердца и атеросклероз, а также гипертония, которая иногда передается по наследству. Отец Эми – один из таких людей. Тяжелую гипертонию ему диагностировали в возрасте 20 лет, когда внезапно появились проблемы с давлением: ни с того ни с сего, казалось бы, у него начинала идти носом кровь, а голова кружилась настолько, что он падал. В остальном человек был вполне здоров и активен, никогда не курил и не употреблял алкоголь, поскольку воспитывался в религиозной семье. Но при первом же проявлении симптомов болезни он оказался в опасной для жизни ситуации. Последние пятьдесят лет он находится под наблюдением специалистов Кливлендской клиники и Центра лечения гипертонии имени Джонса Хопкинса, где ему регулярно меняют дозировки сложного коктейля лекарств: ежедневно в течение дня пациент должен принимать по 27 таблеток, чтобы не умереть. Теперь перед его врачами стоит задача понять, каким образом нейтрализовать побочное действие этих лекарств с помощью дополнительных препаратов, которые также не разрабатывались конкретно под его организм. По самым скромным подсчетам, на все эти рецептурные лекарства, визиты к врачам и периодические поездки в отделение неотложной помощи у отца Эми уходит 50 000 долларов в год, так что в сумме лечение будет стоить около 3 млн долларов в течение жизни, и это еще не учитывая инфляции. Но этот больной находится в весьма привилегированном положении: у него отличная страховка, доступ к центрам медицинских исследований и врачам мирового уровня, а также заботливая и готовая прийти на помощь семья. Тем не менее методы синтетической биологии будущего позволили бы ориентироваться на конкретную часть генома, ответственную за его гипертонию, и отредактировать ее или переписать.

Что сказать по поводу других заболеваний, требующих медикаментозного лечения, но не поддающихся редактированию с помощью CRISPR? В будущем терапевтические средства можно будет не производить в глобальных масштабах, а изготавливать по мере необходимости. Как мы знаем из предыдущей главы, портативные секвенаторы уже способны определять присутствие вируса или бактерии, и не за горами технология производства препаратов в режиме реального времени. Если бы вы могли быстро секвенировать геном и имели бы необходимые материалы, чтобы синтезировать средство для лечения, вы могли бы распечатать защитный барьер для ограды от любого количества патогенов. Представьте себе аптечку из лиофилизированных молекул, предназначенных для последующего введения в клетку. Молекула будет пребывать в режиме ожидания до тех пор, пока не понадобится, – как сушеные бобы и грибы, которые используют для приготовления супа. Чтобы активировать средство лечения, нужно добавить определенное количество воды – и биологическая система вновь заработает. После запуска для создания вакцин или антибиотиков в систему добавляются инструкции в виде специально разработанной ДНК. Аптечку размером с iPhone могли бы держать при себе туристы, спортсмены, солдаты на поле боя и школьные медсестры, чтобы использовать ее для приготовления лекарств при возникновении такой необходимости.

Победа над раком

Матери Эми было 55 лет, когда у нее диагностировали развитие нейроэндокринной опухоли редкой формы без очевидных причин. Она не пила, не курила и, если не считать лишнего веса (сказалась любовь к сладкому и жареной картошке), была энергичной и здоровой. Симптомы тоже были необычными: кожа женщины, казалось, пожелтела за одну ночь, а вес стремительно уменьшался. Лечащий врач направил ее к специалистам Чикагского университета, а те – в Онкологический центр Андерсона в Техасе. Подтвердилась раковая опухоль, но проблема заключалась не в этом. Далеко от места новообразования врачи обнаружили вызывающие опасения клетки с признаками, аналогичными нервным и гормональным. Они появились в поджелудочной железе и в легких, были агрессивными и быстро размножались. Мутация ДНК нейроэндокринной клетки, судя по всему, вызывает спонтанный рост опухолей в любом месте организма. Поэтому та видимая опухоль, скорее всего, была не единственной в теле.

Мать Эми мужественно боролась с болезнью, утверждая, что жизнь будет идти своим чередом. Она спрятала катетер для химиотерапии на руке, подобрала парик, максимально похожий на ее фирменную стрижку, и продолжала вести уроки в четвертом классе. Поскольку у врачей не получалось найти основной очаг поражения клеток, им пришлось комбинировать виды химиотерапии, предназначенные для лечения других типов рака. По субботам она лежала под капельницами, укрытая теплыми одеялами, без парика и без маски храбреца на лице, которую обычно носила. Первые четыре часа больной капали препарат для лечения рака поджелудочной железы, затем, в течение двух следующих часов, – препарат против рака легких. Через шесть или восемь недель терапии полагался перерыв на несколько недель, чтобы восстановить силы, а затем начинался новый цикл. Химиотерапия одновременно поддерживала и резко сокращала ее жизнь. Спустя год при поддержке семьи она приняла решение перейти в отделение хосписа. Через несколько дней мамы Эми не стало.

Разработать единую универсальную вакцину против рака сложно, поскольку рак не одно заболевание, а, скорее, общее название группы, к которой относится более сотни известных видов генетических мутаций. Возможно, именно поэтому мы склонны давать название опухоли по месту ее локализации, а не по мутации: рак легких, рак костей, рак нейроэндокринной системы. Но для победы над загадочным новообразованием, убившим мать Эми, могут быть разработаны индивидуальные вакцины – с помощью генетически модифицированных вирусов, нацеленных на поражение раковых клеток. Есть и другой вариант: использовать мРНК, чтобы стимулировать организм к созданию иммунологических механизмов поиска и уничтожения раковых клеток, а также – и в первую очередь – защиты от них. Один из способов сделать это – CAR-T-клеточная терапия, или терапия Т-клетками с химерными рецепторами антигена. Из крови пациента выделяют Т-клетки (специальные лимфоциты), модифицируют их в лабораторных условиях и вновь вводят пациенту для борьбы с раковыми клетками.

Задолго до создания вакцин против коронавируса COVID-19 компании Moderna и BioNTech занимались исследованиями иммунотерапии рака. После анализа образца ткани раковой опухоли для разработки индивидуальных мРНК-вакцин обе компании проводили генетический анализ с кодированием уникальных для опухоли пациента мутаций. По этим инструкциям иммунная система ищет по всему организму аналогичные клетки и уничтожает их, подобно тому как действуют вакцины против COVID-19, созданные этими компаниями. Теперь BioNTech проводит клинические исследования персонализированных вакцин против рака многих видов, включая рак яичников, рак груди и меланому. Moderna разрабатывает аналогичные противораковые вакцины. Обе компании понимают: не исключено, что самая мощная в мире фабрика по производству лекарств находится внутри человека. Нам осталось только выяснить все возможные способы ее использования.

Персональные ткани человека по заказу в лабораторных условиях

Противораковые мРНК-вакцины или специальные вирусы должны быть скрупулезно – и в идеальном мире быстро – протестированы. Такие клинические испытания стоят дорого, требуют длительного рассмотрения регулирующими органами, и во времена, не обремененные ковидом, до момента одобрения нового средства проходит десятилетие, а то и больше. Кроме того, изучать реакции тканей человека на вирусы и лекарственные препараты сложно и опасно для самих ученых. Так, ткани мозга или сердца нельзя извлечь из живого человека. Синтетическая биология позволяет нам конструировать и выращивать органоиды – крошечные кусочки тканей на основе стволовых клеток человека. Пока мы пишем эту книгу, искусственные ткани легких и мозга используются для изучения долгосрочных последствий воздействия SARS-CoV-2{229}. В лабораториях с усиленным режимом безопасности также выращивают кишечник и печень в миниатюре и заражают их вирусом. Институт регенеративной медицины Уэйк-Форест[12] выполняет уникальный проект стоимостью 24 млн долларов, финансируемый из федерального бюджета, по разработке «органа на чипе», куда войдут различные комбинации органоидов{230}. Представьте себе компьютерный чип, но с прозрачной платой, которая подключена к системе, прокачивающей через него заменитель крови. С его помощью исследователи могут заражать имитированную дыхательную систему новыми вирусами, смертоносными химикатами или другими токсичными веществами, чтобы узнать, как станет на это реагировать организм, а уже затем проверить потенциальные лекарства на тканях человека без причинения вреда людям или животным.

Миниатюрные фрагменты нервной системы используются для создания небольших частей головного мозга. В 2008 г. исследователи получили первые церебральные органоиды, которые позволили лучше понять некоторые функции мозга. С тех пор церебральные органоиды используются для изучения аутизма и других заболеваний, например лихорадки Зика{231}. Соединенные вместе,