Современная медицина постоянно обращается к фундаментальной науке в поисках решений для лечения тяжёлых заболеваний. Генетика, клеточная биология, биоинженерия — эти направления являются сегодня ключевыми для понимания природы болезней и разработки новых препаратов. И в нашем цикле, посвященном 10-летию ФИЦ ИЦиГ СО РАН мы снова рассказываем о работе, которую его сотрудники ведут в этом направлении.
Тема сегодняшней публикации – коллекция уникальных клеточных моделей заболеваний человека, над которой работает команда ученых под руководством профессора Сурена Закияна. Эти модели позволяют буквально «заглянуть внутрь» патологических процессов, происходящих в клетке, и находить мишени для будущих лекарств.
В основе этой работы лежит несколько буквально революционных результатов, полученных мировой наукой в нынешнем веке. Один из прорывов в этой области произошёл в 2006 году, когда японский учёный Синъя Яманака показал, что клетки взрослого организма могут быть перепрограммированы в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК).
Такие клетки обладают теми же свойствами, что и эмбриональные стволовые клетки: из них можно получить практически любой тип клеток, которые аналогичны таковым во взрослом организме. Однако, в отличие от эмбриональных, иПСК не требуют использования эмбрионов — они создаются из клеток кожи, крови или других тканей взрослого человека. Эта технология произвела революцию в клеточной биологии и открыла принципиально новые возможности для изучения болезней и тестирования лекарств.
Учёные получили инструмент, позволяющий моделировать заболевания прямо в лаборатории: взять клетки пациента, перепрограммировать их в иПСК, а затем направленно дифференцировать в нужный тип клеток – например, в нейроны или кардиомиоциты, чтобы изучать болезнь на клеточном уровне.
В ИЦиГ СО РАН такие технологии начали активно развиваться с 2009 года. Под руководством Сурена Закияна силами сотрудников лаборатории эпигенетики развития ИЦИГ СО РАН была создана целая библиотека клеточных линий на основе иПСК. Эти линии происходят от пациентов с различными наследственными заболеваниями — от нарушений ритма сердца до нейродегенеративных патологий. Работа велась при тесном взаимодействии с лечебными учреждениями нашей страны (Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Томска и т.д.). Каждая линия тщательно охарактеризована и прогенотипирована, то есть для неё составлен «генетический паспорт».
Еще более широкие возможности для исследовательской работы открылись с внедрением системы CRISPR/Cas9, которая позволяет с высокой точностью изменять определённые участки ДНК. Эта технология произвела революцию в генетике: в нужной точке генома можно удалить, заменить или вставить участок ДНК. Причём сделать это можно не только в геномах модельных организмов, но и в человеческих клеточных линиях. Таким образом, стало возможным создавать в лаборатории мутации, которые встречаются в клинической практике — даже если у самих исследователей нет прямого доступа к пациентам с такими редкими вариантами.
Это особенно ценно при изучении нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Пика, боковой амиотрофический склероз или лобно-височная деменция. Эти патологии часто связаны с очень редкими и слабоизученными генетическими вариантами, и теперь их можно моделировать «на месте» — в клетках, уже находящихся в коллекции лаборатории.
Кроме того, современные методы позволяют внедрять в клетки специальные молекулярные сенсоры, которые работают как внутренние детекторы.
«Известно, что при ряде нейродегенеративных заболеваний в клетках накапливается перекись водорода, что в итоге приводит к гибели клетки. Мы создали конструкции для наработки белка-сенсора, который позволяет измерять ее концентрацию в живых клетках в режиме реального времени. А потом, с помощью CRISPR/Cas9 внесли данные конструкции в геномы клеток, моделирующие развитие бокового амиотрофического склероза. И получили возможность изучить количественные параметры этого накопления, причем при разных сценариях протекания болезни», - рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории эпигенетики развития ИЦИГ СО РАН, к.б.н. Сергей Медведев.
Технологии редактирования генома тоже не стоят на месте и их развитие открывает перед учеными новые возможности для экспериментальной работы. Особый интерес представляет технология прайм-редактирования, которую команда ИЦиГ СО РАН освоила совсем недавно. Она позволяет вносить точечные изменения в ДНК без создания разрывов в обеих цепях — это более мягкий, но при этом высокоточный метод редактирования. С его помощью можно, например, взять здоровую клеточную линию и модифицировать её, чтобы получить нужные редкие генетические варианты — вплоть до мутаций, встречающихся у одного пациента на сто тысяч, а то и реже.
«Получение аналогичного материала от реальных пациентов из клиник сопряжено с массой проблем – организационных (пациент может проживать на другом конце страны), этических (надо еще уговорить врачей и пациентов сотрудничать с учеными), технологических (обеспечить доставку образцов на большие расстояния, сохранив их при этом). В конце концов, людей с таким вариантом мутации может просто не быть выявлено в стране. Прайм-редактирование позволяет создавать нужные нам варианты непосредственно в лаборатории», - отметил Сергей Медведев.
Такие модели особенно ценны еще и потому, что в остальном их геном идентичен: это позволяет минимизировать влияние посторонних генетических факторов и изучать последствия конкретного изменения «в чистом виде». Фактически, это уже инженерный подход: исследователь может спроектировать клеточную систему под конкретную задачу, встроить в неё интересующие мутации и трансгены, отладить систему считывания нужных параметров.
Затем на полученной клеточной модели можно проводить точные измерения: как изменяется экспрессия генов, как ведут себя белки, не образуются ли патологические агрегаты, как клетка реагирует на потенциальное лекарство. Такой подход особенно важен при изучении нейродегенеративных заболеваний, например, болезни Паркинсона или бокового амиотрофического склероза. Учёные создают клеточные культуры с заданными мутациями и исследуют, как эти изменения влияют на поведение клеток, метаболизм, экспрессию генов, образование токсичных белковых агрегатов. Это позволяет делать открытия, которые ранее были невозможны: ведь таких моделей раньше просто не существовало. А новые знания, в свою очередь, могут привести к созданию новых препаратов.
Клеточные модели востребованы не только в фундаментальной науке, но и на начальных этапах разработки лекарств. С их помощью можно тестировать сотни и тысячи соединений на токсичность, влияние на предполагаемую мишень, способность проникать в клетки. На этом этапе отсеиваются заведомо неэффективные кандидаты, что позволяет значительно сократить расходы и ускорить разработку. Это особенно важно, если учитывать масштабные ресурсы, которые фармацевтика тратит на создание новых препаратов.
По словам Сергея Медведева, пока что исследования лаборатории носят фундаментальный характер. Однако они создают прочную базу для будущих прикладных разработок. Учёные надеются, что накопленные знания и созданные модели в перспективе приведут к созданию лекарств от заболеваний, которые сегодня считаются неизлечимыми. «Мы уверены, что первые ощутимые результаты в этом направлении появятся уже в следующем десятилетии», – отметил исследователь.
Работа коллектива ИЦиГ СО РАН — это пример того, как фундаментальная биология может стать опорой для медицины будущего. Здесь, в лабораториях федерального исследовательского центра, создаются технологии, которые, возможно, уже через несколько лет помогут спасти чью-то жизнь.
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии