Эра редактирования генов официально началась — новый этап в медицине

Недавнее одобрение в США и Великобритании препарата exagamglogene autotemcel (exa-cel [Casgevy, Vertex Pharmaceuticals/CRISPR Therapeutics]) для лечения серповидноклеточной болезни (СКБ) и трансфузионно-зависимой β-талассемии ознаменовало начало новой эры редактирования генов в медицине.

Из лаборатории в клиническую практику всего за несколько лет 

Этот важный прорыв произошёл вскоре после публикации первого научного сообщения о превращении бактериальной иммунной системы clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) – Cas9 в программируемую нуклеазу для редактирования генов и после того, как два старших автора этой статьи — Jennifer Doudna и Emmanuel Charpentier — разделили Нобелевскую премию по химии , всего через 3 года после награждения. Эта стремительная трансформация генетической медицины отражает динамичный процесс, в котором лабораторные исследования быстро переходят в клиническую практику, а клинический опыт стимулирует новые исследования и непрерывное развитие академической медицины. Однако, хотя exa-cel стал первым в ожидаемой волне методов, непосредственно редактирующих и исправляющих связанные с болезнями генетические мутации, остаются серьёзные препятствия: необходимо обеспечить доступ к этому потенциально излечивающему методу даже наиболее тяжёлым пациентам среди миллионов людей с СКБ во всём мире.

Linus Pauling: «Первая молекулярная болезнь»

В 1949 году Linus Pauling назвал серповидноклеточную анемию «первой молекулярной болезнью» в статье, подробно описывавшей различия между нормальным гемоглобином и гемоглобином, связанным с серповидноклеточной болезнью. Сейчас известно, что наиболее распространённая форма СКБ обусловлена единственной точечной мутацией (заменой GAG на GTG), которая приводит к замене одной аминокислоты в шестой позиции взрослого гемоглобина (HbS): глутаминовая кислота заменяется валином. У людей с этим состоянием эритроциты меняют форму, что нарушает поступление достаточного количества кислорода в ткани и вызывает сильную боль и кислородное голодание. У носителей СКБ такие болевые кризы обычно начинаются в младенчестве, примерно в 6 месяцев, когда гемоглобин плода (HbF), лучше переносящий кислород во внутриутробном периоде, сменяется гемоглобином взрослого типа (HbS).

Одна мутация — разные последствия

В геноме человека, состоящем из 3 миллиардов пар оснований, одной точечной мутации, унаследованной от обоих родителей, достаточно для развития СКБ. При этом врачи давно наблюдают значительные различия в тяжести заболевания, что указывает на влияние мутаций в других участках генома. В частности, существует редкое состояние — наследственная персистенция фетального гемоглобина (HPFH), при котором болевые кризы и связанные с СКБ нарушения здоровья уменьшаются. При этом состоянии сохраняется высокий уровень фетального гемоглобина. Наблюдение подсказало учёным и врачам следующую идею: если вновь направить эритроциты на выработку фетального гемоглобина, можно воспроизвести благоприятные эффекты HPFH и значительно облегчить симптомы СКБ.

Exa-cel — первые шаги CRISPR-Cas9

Исследования адаптивного иммунитета бактерий, продиктованные научным интересом, привели к открытию CRISPR-Cas9, а успех exa-cel в редактировании генов основан на фундаментальных работах по регуляции генов глобина. За последние двадцать лет Orkin и его коллеги из Бостонской детской больницы и Гарвардской медицинской школы в сотрудничестве с другими исследователями раскрыли основные молекулярные механизмы переключения глобина и определили геномную мишень для редактирования CRISPR-Cas9, теперь одобренного под названием exa-cel.

Открытие молекулярной мишени для повторной активации HbF опиралось на современную геномику, в частности на полногеномные исследования ассоциаций для картирования хромосомных участков генетических вариантов, определяющих уровень HbF.

В результате настоящего научного расследования Thein, Cao, Orkin и коллеги определили представляющий интерес участок генома вокруг гена BCL11A, связанного с высоким уровнем HbF и низкой частотой болевых кризов при СКБ. Последующие молекулярные исследования Sankaran и Orkin убедительно показали, что BCL11A является белком-репрессором, подавляющим транскрипцию генов в зрелых эритроцитах взрослого организма. В подтверждение возможности лечения группа Orkin показала на мышиной модели СКБ, что удаление BCL11A нормализует патологическую гемолитическую анемию, восстанавливает количество эритроцитов и уровень гемоглобина и устраняет серповидную деформацию эритроцитов. Позже группы Bauer и Orkin посредством масштабного внесения мутаций в области транскрипционного контроля BCL11A с помощью CRISPR-Cas9 определили точные участки воздействия CRISPR-Cas9, позволяющие воспроизвести HPFH и тем самым восстановить экспрессию HbF.

Стратегия CRISPR Therapeutics и Vertex Pharmaceuticals использовала мишень, определённую в этих исследованиях: эритроид-специфический энхансер, контролирующий экспрессию BCL11A. В 2021 году были представлены клинические данные одного пациента с СКБ и одного пациента с трансфузионно-зависимой β-талассемией, подтвердившие гипотезу: редактирование CRISPR-Cas9 для выключения экспрессии BCL11A повысило экспрессию HbF и привело к исчезновению болевых кризов у пациента с СКБ и трансфузионной зависимости у пациента с β-талассемией. В последующие 2 года у 29 из 30 получивших лечение пациентов с СКБ вазоокклюзионные кризы отсутствовали как минимум 12 месяцев. Аналогично, как сейчас сообщают Locatelli и коллеги в Journal, у 32 из 35 пациентов с β-талассемией достигнута независимость от трансфузий. Эти впечатляющие результаты обосновали регуляторное одобрение exa-cel при обоих заболеваниях. Анализ редактирования вне мишени дал обнадёживающие результаты, однако необходимы длительные исследования для подтверждения безопасности процедур редактирования генов и определения того, предотвращает ли этот метод многочисленные повреждения органов, вызываемые СКБ.

Что скрывается в деталях

Хотя этот успех заслуживает празднования, трудности сохраняются. Exa-cel требует редактирования генов в рамках аутологичной трансплантации костного мозга: необходимо получить стволовые клетки, провести перенос генов ex vivo и выполнить специализированную трансплантационную процедуру с интенсивной терапией , которую способны обеспечить далеко не все больницы США.

Трансплантационные центры редки в регионах с ограниченными ресурсами, включая Африку к югу от Сахары, где миллионы людей живут с СКБ. Кроме того, exa-cel чрезвычайно дорог: его цена составляет 2,2 миллиона долларов за курс лечения . Хотя однократное лечение может обеспечить функциональное излечение, оно несёт риск бесплодия, что становится дополнительным препятствием для широкого применения. В заявлении организационного комитета Третьего международного саммита по редактированию генома человека, состоявшегося в марте 2023 года, подчёркивались необходимость равного доступа к этим потенциально излечивающим генетическим методам и продолжения исследований подходов к демократизации лечения.

Лекарственные препараты легче масштабировать, чем генную терапию. Недавно одобренное соединение voxelotor (Oxbryta, Pfizer) разрешено при СКБ как средство против серповидной деформации клеток, однако оно не обеспечивает излечения. Разработка таблетки, способной индуцировать экспрессию HbF, является важным приоритетом. Дальнейшие инновации в редактировании генов на основе CRISPR включают редактирование оснований и прайм-редактирование, которые способны переписать мутацию HbS. Прайм-редактирование может заменить мутантное основание тем, которое присутствует у здоровых людей.

Будущее равного и доступного лечения

Наконец, более доступный и экономически эффективный метод мог бы устранить необходимость в получении собственного костного мозга, лабораторном редактировании генов и трансплантации костного мозга. Вместо этого редактирование генов в целевых стволовых клетках можно было бы проводить непосредственно посредством внутривенных или внутримышечных инъекций очень маленьких механизмов восстановления генов, содержащих технологию CRISPR. Простое однократное лечение, подобное вакцинации, — одна из главных целей генетической медицины, способная повысить равенство в глобальном здравоохранении. Учитывая быстрый прогресс технологий и недавние достижения, я верю, что эти методы редактирования генов перейдут из лаборатории в клиническую практику и в конечном счёте станут доступным для всех лечением.

Альтернативных методов редактирования генов тоже становится больше

Exa-cel как первый одобренный препарат на основе редактирования генов существенно повлияет на жизнь пациентов, у которых есть возможность получить это лечение. Exa-cel — лишь один из множества существующих потенциально излечивающих методов. Трансплантация костного мозга от HLA-совместимого брата или сестры остаётся стандартом помощи, а новые протоколы трансплантации от гаплоидентичных доноров показывают впечатляющие результаты. Замещение β-глобина с помощью лентивирусного вектора (lovotibeglogene autotemcel [Lyfgenia, Bluebird Bio]) было одобрено в тот же день, что и exa-cel. Выбор между этими методами будет сложным, поскольку самый безопасный и эффективный подход пока окончательно не определён. Необходимо продолжать трудную работу как в фундаментальных, так и в клинических трансляционных исследованиях.

Эффективная доставка средств редактирования генов в организм с помощью внутривенных или внутримышечных инъекций призвана сделать такое лечение равно доступным для всех. Эта цель инициативы, начатой Cure Sickle Cell Initiative в 2018 году при совместном финансировании Фонда Билла и Мелинды Гейтс, в редакционной статье в журнале NEJM была обозначена McCune и Kiem как приоритет. Возможность внутривенного введения средств прайм-редактирования, нацеленных на стволовые клетки костного мозга, была доказана на мышиной модели СКБ. Однако перед переходом к клиническим исследованиям метод нуждается в дальнейшем совершенствовании. Учитывая скорость технологических инноваций и импульс недавних достижений, я считаю неизбежным переход эффективной доставки средств редактирования генов в организм из лаборатории в клиническую практику, благодаря чему редактирование генов станет равнодоступным методом лечения.