Ученые создали инновационный 3D-биопринтер, способный производить новые ткани для трансплантации. Для доказательства работоспособности своего изобретения ученые напечатали часть челюстной кости, мышцу, а также различные хрящевые структуры, в том числе и удивительно пропорционально точное человеческое ухо.

 

Спустя 10 лет разработок и исследований, команда ученых под руководством Энтони Атала из Института регенеративной медицины в Уэйк Форесте представила свое творение — Систему печати интегрированных тканей и органов (IOPT). Как только трехмерный биопринтер пройдет все необходимые испытания и получит все сертификаты безопасности для использования в человеческих случаях, IOPT можно будет использовать для производства и замены поврежденных, утраченных или пораженных болезнью живых тканей пациентов. А так как в каждом отдельном случае перед собственно самим производством тканей проводится точный компьютерный анализ и моделирование, то система позволяет в индивидуальном порядке, с учетом уникальных особенностей анатомии пациента создавать новые ткани для замены. Детали об этом медицинском и технологическом прорыве были опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

Биопринтеры работают по тому же принципу, что и более традиционные 3D-принтеры. Для производства тканей и органов здесь тоже используется технология сложной послойной печати. Однако вместо пластика, резины и металлов в качестве основного материала используются специальные биоматериалы, которые позволяют создавать максимально схожую с настоящей живую ткань.

Нынешняя проблема биопринтеров заключается в том, что они не могут производить ткани определенного размера и прочности. Конечный продукт получается весьма хрупким и структурно нестабильным, чтобы его можно было применять при хирургической трансплантации. Помимо этого, имеющиеся сейчас биопринтеры неспособны воспроизводить такие более тонкие структуры, как кровеносные сосуды. А без кровеносной системы клетки созданных тканей и органов не смогут получать жизненно необходимые питательные вещества и кислород.

«Клетки просто не смогут выжить без микрососудистой системы, размеры которой меньше 200 микрон. Это вершина, которую очень сложно или даже практически невозможно воспроизвести искусственным путем. Для биопечати это стало одной из основных преград», — говорит Атала.

Новая система биопечати позволяет решить все эти проблемы. Перед созданием новой ткани ученые создают специальную форму (макет) из биосовместимых полимерных материалов. После чего специальный нетоксичный для клеток гель на водной основе и доставляет новые клетки к этой структуре. Временная внешняя форма позволяет удерживать форму печатаемого объекта до завершения процедуры. Для решения вопроса ограничения размеров создаваемой ткани исследователи применили специальную систему микроканалов, по которым к клеткам будут доставляться питательные вещества и кислород.

«Мы фактически научились воссоздавать систему капилляров. Мы создаем систему микроканалов, которые ведут себя как капиллярный слой», — говорит Атала.

Для проверки напечатанных биочастей исследователи провели ряд экспериментов на живых животных. Под кожу лабораторных мышей ученые имплантировали человеческие уши. Спустя два месяца после операции уши сохранили свою форму. При этом вокруг них образовалась новая хрящевая ткань и система кровеносных сосудов. Напечатанные ткани мышц ученые имплантировали лабораторным крысам. Как и созданные искусственным путем уши, мышцы тоже сохранили свою первоначальную структурную прочность и особенности.

Далее ученые использовали стволовые клетки для создания челюстных костей, которые после печати были имплантированы в лабораторных крыс. Спустя пять месяцев из этих структур развилась костная васкуляризованная ткань. В будущем напечатанные кости можно будет использовать для лицевых реконструкций у людей.

Васкуляризация (развитие кровеносных сосудов) у 3D-напечатанного уха спустя 3 месяца

Иммунофлуоресцентные изображения показывают трехдневное развитие 3D-напечатанной мышечной ткани

Атала отмечает, что созданные его командой исследователей 3D-напечатанные ткани имеют правильную форму, прочность и обладают функциями и особенностями, которые позволяют использовать ткань в человеческих случаях. Созданная ими система трехмерной биопечати позволяет создавать пропорционально правильные, структурно стабильные ткани практически любой формы, а предварительное компьютерное моделирование помогает подобрать нужные варианты с учетом точных физических требований пациента.

Как только система докажет свою безопасность и эффективность на официальном уровне, то ученые, вполне вероятно, перейдут к человеческим испытаниям.

«По-прежнему не решен вопрос безопасности наших разработок. На необходимые проверки потребуется некоторое время. Нужно будет провести еще множество тестов», — отмечает Атала.

16.02.2016

Источник: hi-news.ru

 

В вашем организме живет столько же бактерий, сколько и ваших собственных клеток тела. А пищеварительная система — особенно благоприятное место для бактерий — буквально ими набита. Но бактериями наш портативный микробиологический музей не ограничен: в организме постоянно проживает огромное разнообразие вирусов, архей, грибков и простейших. Но не торопитесь проводить дезинфекцию: микробиом — абсолютно необходимая часть организма здорового человека, без которой мы бы не смогли питаться многими продуктами, страдали бы из-за проблем с иммунитетом, а также от множества инфекций, которые обычно обходят нас стороной. Давайте же узнаем побольше о наших микроскопических соседях, которые почти бескорыстно делают жизнь каждого человека приятнее.

В пищеварительной системе человека обитает не менее тысячи видов микроорганизмов. Чем они там занимаются и почему человек не может без них обойтись?

 

Кишечник — слишком замечательное место, чтобы оставаться незаселенным. В нём тепло, в него регулярно поступает пища, он защищен от непогоды, хищников и множества других ударов судьбы. Ничего удивительного, что в кишечнике любого животного обитает множество микроорганизмов, составляющих его микрофлору (микробиом, микробиоту). Со своей стороны животное может только позаботиться о том, чтобы микробы не размножались слишком сильно и чтобы среди микроскопических пассажиров было как можно больше полезных или хотя бы безвредных существ. Над этим нужно начинать работать прямо с рождения.

 

Становление микрофлоры кишечника

Новорождённые млекопитающие плохо умеют заботиться о себе и потому не могут предпринять разумных шагов по созданию в своем кишечнике благоприятной микрофлоры. Эту роль берёт на себя мать: в ее молоке содержатся не только микроорганизмы, но и антитела [1], иммунные клетки и цитокины, которые помогают правильно организовать взаимодействие иммунной системы младенца с его новыми спутниками жизни [2]. Кроме того, в молоке содержатся вещества, стимулирующие рост полезных бактерий: в частности, определенные олигосахариды способствуют размножению бифидобактерий [3]. То, что первых микробов младенец получает от матери, сказывается на его дальнейшей жизни: микрофлора матери и ее ребенка более сходна, чем у двух случайно взятых людей. При этом бактериальные сообщества кишечника двуяйцевых близнецов сходны в той же мере, что и у однояйцевых. Поскольку генетическая информация у однояйцевых близнецов идентична, а у двуяйцевых сходна не более, чем у родившихся в разное время братьев, получается, что генетический компонент оказывает на формирование бактериальной микробиоты лишь незначительное влияние. Основной вклад в ее развитие вносят внешние условия (рис. 1) [4].

Рисунок 1. Основные внешние факторы, влияющие на состав микрофлоры. Генетика вносит в состав микрофлоры лишь минимальный вклад, зато обстоятельства жизни человека могут на нее повлиять очень существенно. Причем некоторым факторам — например, антибиотикам или резкой смене диеты — для этого достаточно лишь нескольких дней (правда, краткосрочные воздействия вызывают быстро обратимые изменения). Красные стрелки, направленные вверх, обозначают увеличение доли той или иной группы бактерий в кишечном микробиоме, и наоборот. Рисунок из [52].

Полноценная микрофлора, разнообразие видов которой так же велико, как и у взрослых, формируется у ребенка к трем годам [5]. До этого возраста иммунная система относится к микробам терпимее, поскольку ребенок еще только заполняет свой микрозоопарк. Это — одна из причин, по которым маленькие дети особенно чувствительны к инфекциям. Зато когда микрофлора наконец сформируется, ее преимущества окупят жертвы и опасности первых лет жизни.

Иммунитет и микробиом

Иммунная система должна обращаться с микробиотой очень аккуратно: с одной стороны, она должна позволять микробам спокойно жить в отведенном месте (кишечнике), но с другой стороны, должна оперативно реагировать, когда они нарушают установленные границы или начинают слишком активно размножаться. Казалось бы, от этой дополнительной нагрузки на иммунную систему, которая и так должна чутко реагировать на все угрозы здоровью, поддерживать гомеостаз должно быть сложнее. Удивительно, но это не так.

Эксперименты показывают, что в отсутствие микробиоты иммунная система развивается и функционирует намного хуже. Это привело ученых к мысли, что хозяин использует микроскопических сожителей как своеобразный тренажер, который позволяет держать иммунитет в тонусе. Чтобы проверить это, а также многие другие предположения о роли микробиоты, ученые исследуют гнотобиотических мышей — животных, которых выращивают в тщательно контролируемых условиях, так что исследователям точно известен состав их микрофлоры. У гнотобиотических мышей может или совсем не быть микробиоты, или она может состоять из строго определенного набора видов, подселенных в их организмы учеными.

Выяснилось, что у мышей без микробиоты образуется меньше CD4+ T-клеток и плазматических клеток, нарабатывающих антитела IgA [6]. А в кишечнике таких животных нарушается структура лимфоидных фолликулов — важных органов иммунной системы, в которых B-лимфоциты приобретают рецепторы, помогающие им распознавать вредоносные молекулы [7]. Кроме этого, микробиота необходима, чтобы научить иммунитет здоровой толерантности, благодаря чему он не пытается атаковать, к примеру, поступающую пищу. Было показано, что активное подавление воспалительных процессов, которые могут развиваться в ответ на антигены пищи, невозможно без микробиома [8]. Бактерии кишечника играют роль и в запуске антивирусных ответов. Большинство T-клеток, нарабатывающих интерферон-гамма (вещество, подавляющее распространение вирусов), обнаруживается в пищеварительном тракте. И именно специфические местные бактерии стимулируют синтез интерферона-гамма этими клетками [9].

Помимо сложных молекулярных взаимодействий, благодаря которым микробиом стимулирует иммунную систему работать эффективнее, в арсенале микробиоты есть и более простой способ помощи иммунной системе. Постоянные представители микрофлоры конкурируют с другими микробами за определенные метаболиты и просто не оставляют ресурсов для жизни посторонних, потенциально опасных микробов. Кроме того, регуляция микробиотой состава среды влияет на активности генов вирулентности патогенных микроорганизмов (например, Salmonella enterica и Clostridium difficile) [10].

Микрофлора и питание

Микроорганизмы способны питаться такими субстратами, которые, к счастью, большинству людей и не снились. Это означает, что разнообразие пищеварительных ферментов у микробов намного выше, чем у людей. Грех этим не воспользоваться, раз уж бактерии и другие микроорганизмы неизбежно заселяют кишечник. В пищеварительном тракте человека живут микробы, способные расщеплять целлюлозу (клетчатку) — основной сложный углевод растений. У нас в кишечнике переваривается далеко не вся целлюлоза из растительной пищи, но без микробиоты растениями было бы вообще энергетически невыгодно питаться.

Бактерии не только помогают нам расщеплять субстраты, которые мы сами не в состоянии переварить, но и синтезируют полезные соединения, которые всасываются в кишечнике вместе с пищей. Например, бактерии синтезируют витамин K, витамины группы B, а также тетрагидрофолат — кофермент, необходимый для метаболизма аминокислот [11]. Кроме того, бактерии помогают нам усваивать минеральные вещества — в первую очередь, железо. Мыши с нормальной микробиотой могут долгое время жить на диете с низким содержанием железа, потому что бактерии выделяют специальные белки, позволяющие с высокой эффективностью улавливать эти ионы. А вот у мышей без микробиоты при низком содержании железа в пище развивается анемия [12].

Интересно, что состав кишечной микрофлоры меняется в зависимости от диеты. Так, было показано, что у жителей западных стран, рацион которых богат белками и животными жирами, в микробиоте больше бактерий рода Bacteroides, а у жителей более бедных регионов (африканские деревни, Венесуэла), в которых люди питаются в основном растительными продуктами, богатыми сложными углеводами, преобладают виды рода Prevotella [13]. Интересно, что похожие изменения микробиоты, связанные с разными стилями жизни, характерны для горожан и деревенских жителей [14].

Сколько времени нужно, чтобы рацион повлиял на состав микрофлоры? Эксперимент американских ученых показал, что в экстремальных случаях — для диет, состоящих только из продуктов растительного или животного происхождения — достаточно и четырех дней [15].

География микробиома

Как оказалось, в микробиоте человека можно отследить и особенности, связанные с регионом его проживания. Например, бактерия Bacteroides plebeius, помогающая переваривать гликаны морских водорослей (нори и других) обнаруживается пока только у жителей Японии. Интересно, что ген гликозидной гидролазы, которая позволяет Bacteroides plebeius переваривать морские водоросли, был обнаружен у бактерий, постоянно живущих на таких водорослях. Очень вероятно, что именно от них этот ген попал в микробиоту японцев — путем горизонтального переноса [16].

У жителей Азии распространен и другой полезный микроб — Lactococcus garvieae. Эта бактерия при переваривании сои выделяет S-эквол — соединение, предотвращающее развитие климактерических симптомов и некоторых типов опухолей [17] благодаря взаимодействию с рецепторами эстрогенов. Этим и объясняется положительный эффект употребления сои в борьбе с онкологическими заболеваниями. Вот только бактерии, благодаря которым он проявляется, встречаются у европеоидов далеко не так часто, как у азиатов: в странах Запада — приблизительно у одного человека из четырех, а в Китае, Корее и Японии — у каждого второго.

Некоторым национальным особенностям микробиома еще не найдены объяснения. Например, пока непонятно, почему у итальянцев в два-три раза больше бифидобактерий, чем у жителей других европейских государств [18]. Тем не менее такие характерные особенности микробиома интересно изучать: даже если их причины не ясны, они могут многое рассказать об истории человечества. Региональные различия начинают проявляться с самого раннего возраста. Так, было показано, что у шестимесячных финнов и жителей африканской республики Малави доли бифидобактерий, представителей Bacteroides-Prevotella, а также патогена Clostridium histolyticum различаются в разы [19]. Получается, что регион, в котором родился ребенок, имеет большое значение для его будущего микробиома.

Микробиом и болезни

Микробные сообщества, населяющие наш организм, богаты видами и сложно устроены. Особенно это характерно для кишечника, в котором и число видов бактерий, и плотность микробов на единицу пространства впечатляюще велики. В кишечнике каждого человека образуется отдельная экосистема со сложными петлями обратной связи, которые контролируют численность различных микробов. Нарушения благоприятного видового баланса могут приводить к самым разным проблемам со здоровьем. Например, было установлено, что при ожирении снижается разнообразие видов микрофлоры кишечника (рис. 2). Причем эксперименты показывают, что изменения микрофлоры относятся к причинам ожирения, а не к его следствиям. Если кишечник мышей без микробиоты заселить бактериями мышей с ожирением, животные будут набирать вес быстрее, чем в случае пересадки кишечной микробиоты худых мышей [20]. Зная лишь состав микробиоты, можно определить, есть ли у человека ожирение, с вероятностью 90% [21].

Рисунок 2. Влияние микробиоты кишечника на развитие ожирения. Целый ряд работ показал, что изменение микрофлоры кишечника у людей и животных с ожирением — это не следствие, а одна из причин появления лишнего веса. По сравнению с микрофлорой людей с нормальным весом, микрофлора людей с ожирением беднее, и соотношение бактерий разных групп в ней иное. Обладатели такой микрофлоры быстрее набирают вес, чем «обычные» люди, даже при абсолютно одинаковых рационах. Рисунок из [53].

Разнообразие микробиоты кишечника снижается и при рецидивирующем псевдомембранозном энтероколите [22], и при хронических воспалительных заболеваниях кишечника [23]. При болезни Крона, относящейся к последним, в подвздошной кишке исчезают обычно многочисленные представители Faecalibacterium и Roseburia, а их место занимают Enterobacteriaceae и Ruminococcus gnavus.

С изменением бактериального состава кишечной микрофлоры удается связать заболевания, не имеющие прямого отношения к пищеварению. Так, для пациентов с симптомами атеросклероза характерно увеличение доли кишечных бактерий Collinsella за счет уменьшения доли Roseburia и Eubacterium [24], а наличие бактерий Helicobacer pylori снижает вероятность развития астмы и аллергий [25]. Интересно, что патогенные штаммы той же Helicobacer pylori провоцируют развитие гастрита (как минимум). Именно поэтому недостаточно знать видовой состав микробов кишечника, чтобы делать выводы о здоровье человека, а нужно учитывать еще и их штаммы — внутривидовые группы, которые могут очень сильно отличаться по патогенности и другим свойствам.

Исследования на мышах показали, что и присутствие патогенных бактерий в пищеварительном тракте [26], и развитие воспалительных заболеваний кишечника [27] повышают у животных тревожность.

Антибиотики и микрофлора

Антибиотики (антибактериальные препараты) действуют не только на патогенных микробов, но и на полезных представителей микробиома, существенно влияя на организм. Принимая антибиотики, можно изменить стабильное состояние микробиоты [28], причем эффект может сохраняться годами [29]. Поддерживается стабильным не только состав микробного сообщества, установившийся после употребления антибиотиков, но и экспрессия его членами генов устойчивости к антибиотикам — то есть со временем бактерии не теряют резистентность к лекарствам.

В отсутствие селективного давления гены устойчивости распространяются среди кишечных бактерий слабо [30], но если употреблять антибиотики, эффективность горизонтального переноса повысится, а значит, активнее будут передаваться и гены устойчивости [31]. Кроме того, антибиотики — один из видов стресса, запускающих SOS-репарацию, которая ведет к возникновению множества мутаций и появлению новых генов устойчивости [32]. Поэтому антибиотики не только способствуют росту устойчивых популяций бактерий, но и создают новые, благоприятствуя горизонтальному переносу генов и появлению новых типов устойчивости. В долгосрочной перспективе любое употребление антибиотика приближает срок, когда он из эффективного препарата превратится в бесполезное вещество. В том числе и поэтому антибиотики лучше принимать только в случае крайней необходимости и по рецепту врача.

Истощение микробиома антибиотиками не только приводит к неприятным симптомам (например, диарее), но и снижает устойчивость всего сообщества к патогенным бактериям [33].

Про- и пребиотики

Про- и пребиотики — это препараты, которые могут способствовать восстановлению микрофлоры после ее нарушения, например, из-за приема антибиотиков. Пробиотики — это культуры полезных микроорганизмов, чаще всего к ним относят бифидо- и лактобактерий [34]. Пребиотики — это вещества (субстраты), стимулирующие рост таких бактерий: например, инулин, олигосахариды фруктозы и галактозы, пищевые волокна (в частности, полисахариды, которые человек не способен переварить без помощи бактерий). Пребиотики выпускают в виде пищевых добавок, но они и так в больших количествах содержатся во многих продуктах, с помощью которых можно поддержать рост полезных бактерий: в злаках, цикории, бобовых, чесноке, луке, бананах.

Пробиотики также продают в виде специальных препаратов (БАДов), но их можно приобрести и в составе различных кисломолочных продуктов с бифидо- и лактобактериями. Производители йогуртов активно финансируют исследования эффектов пробиотиков на самые разные аспекты жизни человека. В таких случаях часто можно ожидать сильного перекоса в публикации результатов: афишироваться будут в основном выгодные спонсорам результаты, а нейтральные или отрицательные данные останутся неизвестными общественности. Действительно, есть основания думать, что опубликованные данные о положительных эффектах пробиотиков слишком хороши, даже если считать все опубликованные результаты полученными честно. В частности, работ, в которых эффект пробиотиков несколько слабее среднего по всем исследованиям, публикуется меньше, чем должно [35]. Поэтому, читая о пробиотиках, нужно помнить, что нам, скорее всего, предлагают не всю информацию об их эффектах.

Тем не менее то, что известно, выглядит очень неплохо. Согласно некоторым исследованиям, пробиотики помогают при синдроме раздраженного кишечника [36], диарее, вызванной антибиотиками [37] или химиотерапией [38], энтероколите [39] и непереносимости лактозы [40]. Благоприятным влиянием на пищеварение положительные эффекты пробиотиков не ограничиваются. Было показано, к примеру, что препараты штаммов Lactobacillus. помогают бороться с тревожностью, если начать употреблять их на ранних стадиях долгосрочного стресса [41]. Микрофлора влияет на уровень кортикостерона — главного гормона стресса, — поэтому пробиотики могут помочь почувствовать себя лучше не только физически, но и морально.

Пересадка микробиоты

Пробиотики рассчитаны на употребление с пищей — то есть бактерии должны успешно пройти через желудок с агрессивной кислой средой, чтобы добраться до места назначения. Это не очень эффективный способ доставки, и значительная часть бактерий в составе препаратов-пробиотиков может не пережить такого путешествия. Поэтому иногда донорскую микробиоту (в виде гомогенизированных фекалий) с помощью колоноскопии подсаживают прямо в ту часть кишечника, где она должна находиться. Это значительно эффективнее доставки бактерий с пищей, но и намного более трудоемко, так что данных о такой терапии пока мало. Тем не менее уже известно, что этим методом успешно лечится псевдомембранозный энтероколит, причем с помощью простой фекальной клизмы еще полвека назад удавалось справиться с его молниеносными формами, смертность при которых достигала 75% [42]. Известны также единичные случаи использования пересадки микробиоты для лечения синдрома раздраженного кишечника, разных воспалительных заболеваний кишечника, а также метаболического синдрома [43].

Микробиота и рак

Особо тяжелые формы заболеваний, связанных с появлением патогенных бактерий или нарушением баланса видов микрофлоры, могут приводить к возникновению рака. Например, атрофический гастрит и иногда образующийся при развитии этого заболевания рак связывают с размножением патогенных штаммов бактерий Helicobacter pylori [44]. А многие случаи рака толстой кишки — с размножением Fusobacterium spp., Streptococcus gallolyticus, некоторых представителей семейства Enterobacteriaceae и энтеротоксигенных штаммов Bacteroides fragilis [45]. Посредством микробиоты может привести к раку даже нездоровое питание: при высоком содержании в пище жиров бактерии начинают производить больше дезоксихолевой кислоты, способствующей развитию рака печени [46]. Риск образования рака при нарушении нормальной микробиоты — еще одна причина, по которой важность заботы о микроскопическом населении организма человека сложно переоценить. Хорошая новость состоит в том, что риск развития рака, связанного с бактериями пищеварительного тракта, можно предсказать, исследуя микробиом [44, 47].

Даже если ситуация вышла из-под контроля, микрофлора всё же может помочь организму бороться с онкологией. Описан, к примеру, такой механизм: от действия химиотерапевтического препарата циклофосфамида страдают не только опухолевые клетки, но и клетки кишечника. Микроорганизмы выходят наружу, а иммунная система активизируется, чтобы справиться с распространением микрофлоры за пределы кишечника. При этом усиленная активность иммунной системы помогает организму бороться с раком [48].

Микробиота и лекарства

В последнее время обнаруживается всё больше лекарств, на эффект которых влияет микробиота. Бактерии могут модифицировать молекулы лекарства, влияя на их метаболизм. А иногда такие модификации просто необходимы, чтобы лекарства работали. Интересный пример — это некоторые средства восточной медицины, не действующие на людей, у которых нет определенных бактерий в составе микрофлоры. Например, женьшень не оказывает благоприятного противовоспалительного эффекта приблизительно на одного человека из пяти [49]. Состав бактерий кишечника определяет эффективность действия популярного анальгетика парацетамола (ацетаминофена). Его метаболизм зависит от уровня p-крезола — микробного метаболита, который конкурирует с парацетамолом за связывание с ферментом, присоединяющим сульфогруппу. Чем больше микробного p-крезола, тем реже сульфогруппы присоединяются к молекулам парацетамола [50].

Некоторые бактерии кишечника и сами производят вещества с лекарственными свойствами. Например, Clostridium sporogenes выделяет индол-3-пропионовую кислоту — антиоксидант и потенциальное средство против болезни Альцгеймера [51].

Исследовать и улучшить микробиом сегодня

Микробиом сложно устроен и влияет на многие аспекты здоровья человека. При этом он очень чутко реагирует на смену условий и особенно на изменения рациона. Поэтому через микробиоту можно безболезненно улучшить состояние организма, достаточно лишь узнать ее актуальные характеристики и подобрать подходящий режим питания.

Оценить состояние микробиоты, а также получить индивидуальные рекомендации по питанию позволяет новый тест OhMyGut компании Atlas. Состав и соотношение микробов кишечника оцениваются по анализу их ДНК. Каждый участник проходит «нулевой» тест, затем получает предварительные рекомендации диетолога-нутрициолога и повторяет тест. После этого анализа участник теста получает данные о состоянии микробиоты и уточненные персональные рекомендации по питанию. С помощью индивидуально подобранной диеты вы сможете показать своей микробиоте, как много она для вас значит, и отблагодарить ее за заботу о вашем здоровье.

Принять участие в эксперименте можно в рамках краудфандинговой кампании. Она направлена на то, чтобы собрать необходимый минимум образцов биоматериала (100 единиц) для исследования. При этом каждый участник получает набор из двух тестов по себестоимости (химические реактивы) и возможность пройти уникальный в России тест одним из первых.

Участвовать в краудфандинге
и пройти тест

 

01.02.2016 стало известно, что Великобритании разрешат в исследовательских целях редактировать геном эмбрионов человека. Для этого будет использоваться открытая буквально несколько лет назад технология CRISPR/Cas9. Мы попытались ответить на самые очевидные вопросы, которые в связи с этим возникают: что это такое, зачем это нужно и как новая технология изменит медицину.

 

 

Что конкретно произошло?

Британское государственное агентство HFEA (Human Fertilisation and Embryology Authority — Управление по эмбриологии и искусственному оплодотворению) разрешило проводить генетическую модификацию человеческих эмбрионов с помощью технологии CRISPR/Cas9. До сих пор подобные исследования в Соединенном Королевстве и на Западе вообще были запрещены. Ранее, около года назад, первые эксперименты были проведены в Китае, но их легальный статус был неясен и они вызвали поток критики со стороны исследователей. Великобритания же станет первой из западных стран, официально разрешивших применение технологии редактирования генома по отношению к человеческим эмбрионам.

Стоит отметить, что разрешение касается только исследовательских целей. Выдано оно пока единственному научному коллективу — группе, возглавляемой Кети Никен (Kathy Niakan) из Института Френсиса Крика. Ученые будут обязаны уничтожить полученные ГМ-эмбрионы в течение 14 дней после их получения. И, конечно, их нельзя будет подсаживать женщине для вынашивания.

 

И что же тогда в этом сенсационного?

Старт исследований в Великобритании — это важный шаг для начала применения технологии редактирования генома на людях. Потенциально, технология CRISPR/Cas9 способна изменить отношение человечества к сотням и тысячам наследственных заболеваний. Если раньше они были либо полностью неизлечимы, либо допускали паллиативное, симптоматическое лечение, то сейчас открывается возможность их лечить «по-настоящему», то есть устранять саму причину возникновения болезни.

Одновременно с появлением технологии редактирования генома появляется и возможность его «улучшения», в самых разных смыслах. Пока речь идет о довольно простых (с точки зрения механизма наследования) заболеваниях, но потенциально мишенями для редактирования могут стать не только «поломанные» гены, но и гены просто связанные с повышенным риском для здоровья. Или даже гены, отвечающие за безобидные физиологические особенности вроде способности пить молоко во взрослом возрасте или успехи в спорте.

Эта технология позволит лечить рак?

Возможно, но не сразу. То, что называется в обиходе «раком» — это гигантское семейство различных болезней с различными механизмами возникновения. Существуют разновидности рака, вероятность возникновения которых тесно связана с особо «неудачными» вариантами некоторых генов. Типичный пример — ген BRCA1, мутации в котором могут повышать вероятность возникновения рака груди в несколько раз. Потенциально, с помощью технологии CRISPR/Cas9 можно внести изменения в геном сперматозоида или яйцеклетки и таким образом предотвратить передачу мутантного варианта гена своим детям.

Проблема в том, что для большинства онкологических заболеваний наследственность не играет большой роли, а значит, технология редактирования генома будет почти бесполезна. С другой стороны, существуют тяжелые наследственные заболевания, у которых высокая наследуемость, но она настолько сложна и запутана, что не понятно, где и какие нужно вносить изменения в геном, чтобы снизить риск их возникновения. Типичный пример — шизофрения, риск развития которой, как считается, наследуется на 80 процентов (это показано на однояйцевых близнецах). При этом молекулярный механизм наследования шизофрении до самого последнего времени был совершенно непонятен и только сейчас стал проясняться.

Если говорить о том, что с помощью CRISPR/Cas9 можно будет лечить в первую очередь, то это прежде всего простые моногенные заболевания вроде бета-талассемии, муковисцидоза или гемофилии.

 

Что нового в этой технологии, если методы создания ГМ-животных давно известны?

Получить ГМО можно разными путями, в том числе и с помощью системы CRISPR/Cas9. Сейчас именно на эту технологию переходит все больше и больше бионженеров. Однако между старыми и новыми технологиями есть одно принципиальное отличие: это направленность внесения изменений. Именно в ней заключается принципиальное отличие технологии CRISPR/Cas9.

Раньше, чтобы добиться появления нового нужного свойства у организма биоинженеры просто встраивали ДНК-конструкцию в клетки. При этом место в геноме, куда эта конструкция попадет, предсказать было невозможно (за исключением отдельных случаев вроде пекарских дрожжей). Это приводило к тому, что, во-первых, природная версия гена в геноме сохранялась (если она там, конечно, была) и только дополнялась новой, искусственной версией.

Такой метод подходит для получения какого-то нового свойства, например, усиленной выработки гормона роста у ГМ-лосося или для синтеза витамина А в зернах риса. Однако когда речь идет о замене сломанного гена на его правильную копию, тем более в человеческой ДНК, то понятно, что ненаправленность — это большой минус. Кроме того, случайное встраивание в геном может приводить к неэффективной работе трансгена — активность любого гена у ядерных организмов зависит от его окружения, от локальной структуры хроматина. Поэтому трансген, попавший в неудачный кусок генома, может оказаться просто-напросто выключен или, наоборот, слишком активен. В отличие от старых методов технология CRISPR/Cas9 позволяет не просто встроить новую последовательность в ДНК, а заменить ее старую версию на новую.

И как это работает?

В два этапа. Сначала специальная нуклеаза (т. е. фермент, разрезающий ДНК), вносит двуцепочечный разрыв в нужное место генома. Это место нуклеаза находит с помощью короткой направляющей РНК (подобранной учеными), чья последовательность должна с точностью до буквы совпадать с нужной последовательностью в геноме. После того, как разрыв внесен, включаются внутренние механизмы клетки, так называемая система репарации.

Нужно понимать, что появление двуцепочечного разрыва в ДНК — это аварийная ситуация для любой клетки. Разрыв ведет к появлению мутаций и вообще угрожает целостности генома. Поэтому существуют специальные белки, которые находят «оборванные концы» в геноме и запускают реакцию «починки». Разрыв, конечно, может быть просто склеен обратно, но это чревато потерей нескольких «букв» на месте стыка и, как следствие, сдвигом рамки считывания и полным выключением гена. Поэтому клетка обычно предпочитает найти похожую последовательность поблизости в геноме и использовать ее в качестве образца для восстановления правильной последовательности в месте разрыва. Вот тут-то ферментам можно подсунуть тот вариант ДНК, которым мы хотим заменить природную последовательность.

 

Система гомологичной рекомбинации известна с 70-х годов прошлого века, что нового привнесла технология CRISPR/Cas9?

Метод редактирования генома CRISPR/Cas9, по крайней мере в той форме, что существует сейчас, никак не затрагивает природный механизм рекомбинации — после того, как разрыв внесен, замена ДНК происходит за счет природных механизмов.

Сложность с редактированием генома до сих пор заключалась именно в том, чтобы внести этот разрыв. Он должен появится в одном-единственном месте генома и нигде больше — именно потому, что такие разрывы ведут к появлению мутаций. Для сравнения, размер генома человека составляет около трех миллиардов нуклеотидов, а направляющая последовательность РНК, которая должна найти в геноме свое место посадки, имеет в длину около двадцати-сорока нуклеотидов. Удивительно, что ей вообще это удается. Если же речь идет не об отдельной клетке, а о генной терапии целой ткани, то задача становится еще сложнее — все клетки должны быть модифицированы, но каждая только по одному разу.

До открытия системы CRISPR/Cas9 ученые уже пытались разработать методы внесения направленных разрывов в ДНК. Например, большую работу в этом направлении проделал наш бывший соотечественник Федор Урнов. Речь идет о рациональном дизайне белков-нуклеаз, которые бы самостоятельно (без направляющей РНК) находили уникальные последовательности в геноме. Сложность с этими методами в том, что они требуют разработки под каждую конкретную задачу своего собственного белка, который затем нужно синтезировать, выделить, протестировать и т. д. Работать с универсальной нуклеазой и специфической направляющей РНК гораздо проще, но ученые не знали о такой возможности, пока не была открыта система бактериального иммунитета.

 

И при чем здесь бактерии?

За технологией CRISPR/Cas9, которую мы рассматриваем просто как способ редактирования генома, стоит фундаментальное и очень важное для современной биологии открытие. Оно заключается в том, что огромное число бактерий несут в своем геноме (где, казалось бы, все давным-давно понятно) изящную систему адаптивного иммунитета против вирусов. Основа этой системы это особые участки генома — короткие палиндромные кластерные повторы или CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). 

Повторы выступают в роли «полок», между которыми в геноме расположены «досье» на вирусы, с которыми когда-то сталкивались предки данной бактерии. «Досье» — это просто короткие фрагменты ДНК, которые совпадают по последовательности с фрагментами генома ДНК вирусов. Если вирус с совпадающей ДНК попадет в бактериальную клетку, он довольно быстро будет распознан специальным ферментом, нуклеазой Cas9. Последний для поиска вирусной ДНК использует синтезированную с CRISPR РНК-копию. 

Если какой-либо фрагмент генома вируса точно совпал с тем, что записано в «досье», Cas9 разрезает вирусную ДНК и запускает цепь реакций, в результате которой вся она уничтожается. В общих чертах эта схема напоминает РНК-интерференцию, которая была открыта у ядерных организмов лет на десять раньше, но это (как и всё у эукариот) существенно более сложная и менее эффективная система.

 

Ближе к практике. Когда с помощью CRISPR/Cas9 будут лечить?

Уже лечат, хотя пока только лабораторных животных. В начале этого года появились обнадеживающие данные по лечению миодистрофии Дюшена у взрослых мышей, причем эксперименты были проведены в трех различных лабораториях независимо. Буквально на днях стало известно об успешном применении технологии для лечении тяжелого пигментного ретинита.

Стартап Editas Medicine, тесно связанный с первооткрывателями технологии, уже привлек более 120 миллионов долларов инвестиций (в том числе от Google). Эти деньги пойдут на создание экспериментального лечения амавроза Лебера десятого типа — это наследственная слепота, связанная с повреждением одного из генов, необходимых для работы светочувствительных клеток сетчатки. Клинические (то есть на людях) испытания в Editas Medicine обещают начать уже в следующем году.

 

Почему же китайская работа с эмбрионами вызвала скандал и зачем британцы разрешили работу только в исследовательских целях? В чем проблема?

Проблема в долгосрочных последствиях процедуры редактирования генома, которые сейчас сложно предсказать. Это звучит как бессмысленный алармизм, обычно исходящий из уст противников ГМО, но на самом деле здесь ситуация принципиально иная.

Эффективность редактирования с помощью CRISPR/Cas9 пока недостаточна для того, чтобы говорить о «точном как скальпель» исправлении генома — что бы там не писали авторы популярных изданий. Одновременно с нужным разрывом в геном часто вносятся и лишние, а это, как уже говорилось, провоцирует мутации. Даже если разрыв внесен правильно, эффективность гомологичной рекомбинации, за счет которой происходит замена исходной последовательности на нужную, очень далека от 100 процентов.

Какова реальная эффективность — вопрос более сложный, чем кажется, ведь она сильно зависит от типа и природы клеток, в которых проводится редактирование. То, что хорошо работает на мышах, может плохо работать на людях. И пока исследователи не станут работать с реальными человеческими эмбрионами и яйцеклетками об эффективности процедуры и уровне случайных разрывов можно будет только догадываться.

На сегодняшний день есть результаты только одного эксперимента с редактированием генома в человеческом эмбрионе — те самые, что были опубликованы китайской группой в апреле прошлого года (и отвергнуты Science и Nature по этическим основаниям). Тогда ученые работали с 86 оплодотворенными яйцеклетками, из которых 71 выжила и 54 были отобраны на анализ. В 28 из 54 клеток фермент Cas9 внес нужные разрывы в геном, но только в четырех случаях репарация разрыва завершилась заменой последовательности гена на нужную. Одновременно с этим ученые обнаружили в геноме клеток множественные разрывы там, где их не должно быть.

Такая низкая эффективность и высокий уровень ошибок оказались сюрпризом для самих авторов работы, о чем они честно признаются в статье. С чем эта низкая эффективность связана — с «кривыми» руками ученых или с особенностями человеческих эмбрионов, — будет непонятно до тех пор, пока эксперименты не будут многократно повторены другими группами. До сегодняшнего дня, когда Великобритания, наконец, разрешила их проводить, такой возможности у западных исследователей не было.

И что теперь будет?

Будем надеяться, что технологию удастся довести до приемлемого уровня точности и эффективности. Многое в этом направлении было сделано уже после публикации китайской работы. Например, в декабре прошлого года ученым удалось создать искусственную версию фермента Cas9, которая во много раз точнее природной и почти не вносит лишних разрывов в геном.

Эффективность замены последовательности повысить будет сложнее, так как она целиком полагается на природные механизмы гомологичной рекомбинации, но работа в этом направлении ведется. Однако даже если эффективность останется низкой, при отсутствии побочных эффектов технологию CRISPR/Cas9 все же можно будет применить для внесения наследуемых изменений в зародышевую линию человека. Например, можно взять у пациента клетки соединительной ткани, провести редактирование генома и отобрать только те из них, где редактирование прошло без осложнений. Эти клетки можно использовать для получения индуцированных стволовых клеток, из которых можно затем получить сперматозоиды и использовать их в ЭКО. Здесь возникают свои сложности, но по крайней мере на животных эта технология работает.

Но не все так радужно на CRISPR-горизонте. Чем ближе реальное клиническое применение технологии, тем сильнее разгорается спор о том, кто получит от нее доход. По некоторым оценкам, стоимость исключительного патента на технологию может достигать многих сотен миллионов долларов (по крайней мере в таких суммах измеряется объем венчурного финансирования CRISPR/Cas9-стартапов). Патентный спор вокруг CRISPR/Cas9 обещает быть громче, чем все, что когда-либо происходило в сфере интеллектуальной собственности на биотехнологии.

11 января этого года Ведомство по патентам и товарным знакам США (USPTO) начало процедуру проверки патентов, относящихся к CRISPR/Cas9, на предмет «интерференции». Чиновникам предстоит определить, какой из исследовательских групп, владеющих схожими патентами, следует отдать приоритет в создании технологии: в ход пойдут публикации, свидетельские показания, почтовая переписка и записи в лабораторных журналах. От исхода процесса будет зависеть будущее всей технологии, ведь законные владельцы смогут просто запретить использование своей технологии компаниями-конкурентами, а это, в конечном итоге, поставит крест на надеждах быстрого внедрения CRISPR/Cas9 в клинику.

Ученые, которые поначалу совместно пытались довести технологию до ума, разделились как минимум на два оппозиционных лагеря, каждый из которых претендует на приоритет открытия. С одной стороны, это Дженифер Дудна, которая совместно с Эммануэль Шарпетье опубликовала ключевую работу по практическому применению Cas9 при модификации генома. Вышла эта статья в конце 2012 года.  Весной следующего года Дудна подала патент на эту технологию, но в том же году появилось множество сходных работ от других исследователей, которые пытались по-своему усовершенствовать метод. Один из них, Фен Женг (Feng Zhang) из Института Броуда подал собственный патент на CRISPR/Cas9 в октябре того же 2013. И хотя это произошло уже после подачи патента Дудны, патент Женг прошел по упрощенной процедуре и был выдан первым.

Сейчас в патентном споре в ход пошла крупная артиллерия: Эрик Лендер, профессор MIT и один из со-председателей Комитета по науке и технологиям при президенте США, на днях опубликовал в Cell статью «Герои CRISPR», в которой излагает свой взгляд на то, кто во всей этой истории внес наибольший вклад и почему. Чем вызван порыв Лендера разобраться в этом вопросе именно сейчас — желанием повлиять на патентное бюро или чисто академическим интересом, — не понятно. Вполне ожидаемо, однако, что он (как основатель Института Броуда, от которого Женг подавал свой патент), придает вкладу Дудны и Шарпентье не такое большое значение, как хотелось бы последним. Ясно, что Дудна и Шарпеньтье, каким бы большим ни был академический и аппаратный вес Лендера, не сдадутся без боя. Достаточно посмотреть на их комментарии к злополучной статье, которые они уже оставили в Pubmed. Их можно понять, ведь дело не только и не столько в злополучном патенте. Речь, безусловно, идет о том, кому достанется ближайшая нобелевская премия.

02.02.2016

Источник: nplus1.ru

В будущем можно будет проверить методику на пожилых людях

Медики из Соединенных Штатов пришли к выводу, что жизнь мышей можно продлевать на 35–42%. В обозримом будущем можно будет проверить эту методику и на пожилых людях.

Детально с результатами экспериментов можно ознакомиться в издании Nature. В центре внимания нового исследования оказались «дряхлые клетки», которые потеряли способность к делению. Удалив их из организма грызунов, ученые смогли продлить жизнь последних примерно на треть. Кроме этого, снизилась вероятность развития у мышей онкологических заболеваний. Исследователь Ян ван Дёрсен (Jan van Deursen) вместе с коллегами наблюдал за престарелыми грызунами. При этом фиксировались изменения в работе их генов, белков и прочих компонентов клеток. Выяснилось, что у «уходящей на пенсию» клетки, которая перестает делиться, активируется ген Cdkn2a. Он ведет к необратимым изменениям, которые в итоге способствуют еще большему старению клетки. Ученые решили резко снизить количество таких клеток и посмотрели, что произойдет с подопытными. Для этой цели ген Cdkn2a был модифицирован: его активация приводила к тому, что «дряхлые клетки» специальным образом помечались, а кроме того, они «кончали жизнь самоубийством». Одним мышам давали обычную пищу, а другие получали еду со специальным препаратом AP20187, который и уничтожал старые клетки. Уже через две недели в организме получавших препарат грызунов их количество снизилось в восемь раз. Но главным оказалось то, что такой опыт хорошо сказался на самочувствии подопытных. Жизнь мышей продлилась на треть, а шансы на развитие таких болезней, как рак и катаракта, ощутимо уменьшились. Сами ученые говорят, что данная процедура совершенно безвредна для организма, а это дает надежду на то, что в обозримом будущем можно будет проверить методику на пожилых людях. Однако до этого момента исследователям предстоит провести ряд дополнительных опытов.

Недавно, кстати, жизнь мышей попытались продлить и японские исследователи. Они выяснили, что выработка грелина – одного из гормонов голода – ведет к замедлению процессов старения тела, мозга и сосудов грызунов. Причиной этого является влияние гормона на ген и белок SIRT1.

04.02.2016

Источник: naked-science.ru