По прогнозу Global Market Insights, глобальный рынок биотехнологий к 2024 году вырастет до $775 млрд. Научные и коммерческие проекты, ведущие исследования в области биотеха, получают миллиардные инвестиции, и не зря. Именно биотехнологии могут не просто повысить качество жизни людей по всему миру, но и продлить ее продолжительность, а еще — помочь победить считавшиеся неизлечимыми болезни и открыть совершенно новые возможности человеческого организма. Директор компании MyGenetics Владимир Волобуев рассказал о главных трендах в развитии биотехнологий и перспективах от их внедрения на ближайшие десятилетия.
Адресная доставка лекарств
Фармацевтики коснулся тренд на персонализацию. Одним из самых перспективных направлений в рамках персонализации стала адресная доставка лекарств, которую также называют умной доставкой лекарств или адресной терапией. Еще в конце XX века врач, химик и лауреат Нобелевской премии Пауль Эрлих придумал концепцию «волшебной пули». Суть ее заключалась в том, что лекарство должно попадать точно в цель, не затрагивая здоровые ткани. В идеале препарат должен был сам находить возбудителя болезни и избавляться от него. Эрлиху при жизни не удалось создать совершенную «волшебную пулю», но сегодня прогресс в этой области можно назвать колоссальным.
Пауль Эрлих — немецкий врач, иммунолог, бактериолог, химик, основоположник химиотерапии. Лауреат Нобелевской премии в 1908 году. Обнаружил существование гематоэнцефалического барьера, предложил специфический метод окрашивания микобактерий туберкулеза. Создал первую сывороточно-контрольную станцию. Высказал идею о том, что клетки, ответственные за иммунные реакции, имеют на поверхности антигенраспознающие структуры — рецепторы.
Начиная с 1891 года, Эрлих разрабатывал методы лечения инфекционных болезней с помощью химических веществ. Он установил факт приобретения микроорганизмами устойчивости к химиотерапевтическим препаратам. Мировую славу Эрлиху принес разработанный им «препарат 606» (сальварсан), который оказался высокоэффективным при лечении сифилиса.
Адресная доставка лекарств стала одним из главных трендов, которые развиваются на стыке биотехнологии, генной инженерии и комбинаторной химии из-за целого ряда преимуществ. Она позволяет доставить препарат прямо к пораженным клеткам и запустить процесс лечения с минимальным уроном для организма. Врачу это помогает полностью контролировать происходящее. Кроме того, такой способ доставки препаратов может снизить стоимость лечения, потому что лекарства в таком случае требуется меньше, чем обычно. Иными словами, препараты становятся более эффективными и безопасными и менее дорогими. Большая часть исследований в этом направлении посвящена лечению онкологических заболеваний, но технология также может помочь в борьбе с тромбами, сердечно-сосудистыми заболеваниями, ВИЧ и многими другими.
Технология адресной доставки лекарств развивается в нескольких направлениях. Одно из них — использование моноклональных антител. Это класс нанопрепаратов, которые научились получать еще в середине 1980-х годов. Сейчас технологии позволяют искусственным путем создавать антитела к заданным молекулам — например, антитела, которые могут замедлять развитие и деление раковых клеток. Такие нанопрепараты организм не считает чужеродными. Когда антитела попадают в организм, они сами находят «мишень» — раковые клетки, и атакуют их. Еще одно направление — низкомолекулярные лиганды, которые можно использовать в целях диагностики. Это искусственно полученные молекулы, состоящие из нескольких остатков аминокислот. Такие молекулы можно связать с красителем и ввести в организм пациенту. Они сами обнаружат пораженный участок и помогут врачу не ошибиться.
В будущем адресно можно будет доставить едва ли не любой препарат — таким способом лекарства будут проникать в сердце, мозг и другие органы. «Носители» становятся все более технологичными. В разных частях света ученые и медики уже придумали биороботов в форме бактерий, робота-гусеницу, мягкого робота, напечатанного на 3D-принтере, роботов-пловцов и другие решения. При этом рынок адресной доставки лекарств растет: по прогнозам аналитиков, к 2021 году его объем составит $319 млрд по сравнению с $168 млрд в 2016 году.
Редактирование генома
Представьте, что многие генетические заболевания перестали быть проблемой. Что сбой в геноме уже не считается приговором, потому что ученые научились точно воздействовать на определенные участки ДНК и редактировать именно их. Исследователям, которые стояли у истоков генной инженерии, такие технологии казались фантастикой. Сегодня они становятся реальностью благодаря CRISPR — вероятно, это самый большой прорыв за всю историю развития биотехнологий.
Первая статья, посвященная технологии CRISPR, была опубликована в 1987 году группой японских ученых во главе с Ёсидзуми Исино, но название технология получила только в 2002 году. К исследованиям подключились ученые в разных частях планеты, и в 2012 году появилась статья ученых из Университета Беркли, в которой был описан механизм применения CRISPR/Cas9 in vitro — в пробирке. Суть современного применения CRISPR/Cas9 заключается в том, что белок Cas9 выполняет роль «скальпеля», который может найти мутантную последовательность нуклеотидов и «вырезать» ее из ДНК. В результате чего появляется разрыв, но естественный процесс репарации восстанавливает его по образцу здоровой парной хромосомы. Клетка становится здоровой. Таким образом, CRISPR/Cas9 открыла возможности максимально точного редактирования генома.
Предполагается, что с помощью CRISPR в будущем можно станет бороться с сотнями наследственных заболеваний — например, гемофилией и муковисцидозом. Значит ли это, что такое возможно уже сегодня? Нет, технология пока недостаточно изучена, ученые и правительства относятся к ней осторожно. «Большая часть того, что мы называем редактированием генома, на самом деле вандализм», — говорил генетик из Гарварда Джодж Чёрч. Именно поэтому рождение CRISPR-младенцев в Китае вызвало скандал в научном сообществе — ученому Цзянькую Хэ, под руководством которого был отредактирован геном эмбрионов, запретили заниматься научной деятельностью.
Но прогресс в этой области огромен, и ученые с каждым годом приближаются к использованию CRISPR в терапии. Последние исследования показывают, что в некоторых случаях достаточно «починить» 10% больных клеток, чтобы болезнь отступила. Кроме того, становится ясно, что для редактирования генома можно использовать не только Cas9, но и другие белки. Вероятно, через несколько десятилетий у каждого из нас будут знакомые с отредактированным геномом, но сперва ученым придется ответить на множество вопросов, в том числе этических. Например, понять, можно ли редактировать геном эмбриона, не получив на это согласия человека, в которого эмбрион превратится в будущем.
Биосовместимые материалы
В 2016 году по всему миру ежечасно проводилось 15,5 операции по трансплантации органов. При этом почти во всех странах органов для пересадки не хватает. Например, в России таких операций проводится в десять раз меньше, чем нужно. Пересадка — сложнейшая процедура, и если она проходит неудачно, пациент может умереть. Чаще всего такое случается, когда организм отторгает чужой орган. Иногда пациенты умирают, не дождавшись донорского материала.
Создание искусственных органов из биосовместимых материалов — технология, которая может спасти миллионы жизней. В идеале такие «запчасти» должны мало чем отличаться от настоящих органов и тканей. А биосовместимость, о которой так много говорят в научных кругах, — это прежде всего отсутствие токсичности. В идеале хороший биоматериал быстро обрастает клетками и становится частью организма. Уже сейчас широко используются синтетические полимеры, природные полимеры, биосовместимая керамика и биосовместимые металлы. Это, например, импланты из титана или искусственные хрусталики (интраокулярные линзы).
Тренд развивается в двух тесно связанных между собой направлениях: меняются способы производства и материалы. Среди способов самыми революционными считаются 3D-биопринтинг и выращивание органов из стволовых клеток. В первом случае для печати используется материал, состоящий из клеток и биоразлагаемого полимера. Такой полимер полностью растворится со временем, не нанося вреда организму. Сегодня 3D-биопринтинг позволяет создавать целые органы — например, почку, кожу или отдельные ткани. А израильские ученые в 2019 году смогли напечатать полноценное сердце — правда, маленькое, рассчитанное на кролика. Профессор Тал Двир, который руководил экспериментом, предположил, что через десять лет 3D-принтеры для печати органов станут обыденностью в современных клиниках. В случае с выращиванием органов из стволовых клеток ученые используют их уникальную возможность «превращаться» в любые клетки и целые органы. В США ученым уже удалось создать из таких клеток мозг и имплантировать его мыши.
«Орган-на-чипе»
«Орган-на-чипе» — концепция, позволяющая создавать микромодели органов и имитировать с их помощью любые процессы. Технологию придумали исследователи из Гарварда, которые смогли создать микромодель сердца, кишечника и легких. Технически «орган-на-чипе» устроен так: это чип из прозрачного полимера с полыми каналами, в которые ученые «подсаживают» клетки человека. Исследователям из Калифорнийского университета в Беркли удалось создать «сердце-на-чипе», которое могло пульсировать, а компании Emulate — «тромб-на-чипе».
Самая важная функция «органов-на-чипе» — возможность тестирования лекарств. Доклинические испытания препаратов на лабораторных животных позволяют многое о них узнать, но окончательные выводы о безопасности и эффективности можно сделать только после приема лекарства людьми. Ученые из бостонского BioMEMS Resource Center создали «иммунную систему-на-чипе», чтобы изучить такую реакцию организма, как воспаление. Это поможет узнать много нового о течении самых разных болезней — от рака и диабета до болезни Альцгеймера.
Логичным шагом стало создание «организма-на-чипе». Этим занимаются исследователи массачусетского технологического университета (MIT). Они создали целую систему «органов-на-чипе» из печени, легких, кишечника, мозга, сердца, поджелудочной железы, почек и кожи. Конечно, это не полные копии органов — скорее, набор тканей, из которых они состоят. Но даже такой организм в миниатюре может стать настоящим прорывом.
2018 год стал рекордным по объему инвестиций в биотехнологические компании — как и предыдущие несколько лет. В биотехнологии инвестируют такие предприниматели, как основатель PayPal Питер Тиль и основатель Amazon Джефф Безос, и интерес фондов и частных инвесторов, судя по всему, не утихнет в ближайшие годы. Термин «биотехнологии» появился в начале XX века. С тех пор его значение поменялось, а у ученых появились ресурсы, о которых их предшественники не могли мечтать. Интерес со стороны инвесторов, исследователей и наблюдателей оправдан тем, что результаты работы биотехнологов давно применяются в лабораториях и больницах. Биотехнологии не просто обещают изменить качество нашей жизни и подход к болезням, они уже это делают — даже тогда, когда мы этого не замечаем.