MHRA одобрило Casgevy для лечения серповидноклеточной анемии (SCD) и бета-талассемии, зависящей от переливания крови. Это пожизненные генетические нарушения, вызванные мутациями в генах, кодирующих гемоглобин — белок, необходимый эритроцитам для транспортировки кислорода по организму. CRISPR может лечить распространенную форму наследственной слепоты. Нобелевская премия по химии 2020 года досталась двум женщинам, которые разработали инструмент редактирования генов под названием CRISPR-Cas9, который разрезает ДНК подобно молекулярным ножницам.
Ученые представили миру CRISPR как инструмент редактирования генов летом 2012 года, когда знаковые статьи двух независимых групп продемонстрировали, как можно использовать систему для разрезания ДНК. Теперь мы видим, как CRISPR используется в новаторских медицинских методах лечения.
До этих основополагающих статей другие исследователи начали разгадывать, как CRISPR работает внутри микробов. Хотя CRISPR больше всего известен как инструмент редактирования генов, он был впервые обнаружен у бактерий, и ученые поняли, что он действует как своего рода иммунная система — защита от вирусов. В этой иммунной системе бактерия имеет банк памяти, полный генетического материала вируса. Бактерия будет сохранять этот материал после атаки вируса, чтобы защититься от будущих вторжений.
Этот банк памяти сопряжен с крошечными молекулярными ножницами, называемыми белками Cas, которые разрезают ДНК, и молекулой, которая направляет ножницы к их цели. У бактерий этой целью является вирусный захватчик. Шикшнис и его коллеги продемонстрировали, что ученые могут использовать эти ножницы в своих целях, нацеливаясь на любую ДНК, которую они хотят отредактировать. Они специально продемонстрировали это на примере белка Cas9.
Наряду с Дженнифер Дудной и Эммануэль Шарпантье — авторами другой новаторской статьи о CRISPR, опубликованной в 2012 году, — Шикшнис был удостоен премии Кавли 2018 года в области нанонауки за изобретение CRISPR-Cas9, «точного наноинструмента для редактирования ДНК». В настоящее время он и его команда исследуют разнообразие систем CRISPR, существующих в природе, чтобы выяснить, какие из них могут быть полезны для конструирования геномов.
Система CRISPR-Cas9 использует Cas9 в качестве молекулярных ножниц, а молекулу РНК — в качестве направляющей для этих ножниц
В статье 2012 годабыло показано, что есть возможность перепрограммировать белок Cas9 и адресовать его к любой последовательности в геноме. Это действительно своего рода действительно универсальная система, которую можно использовать для редактирования генома в различных модельных организмах.
У этого лечения есть несколько ограничений, потому что в этом случае лечение происходит ex vivo. Это означает, что клетки, которые нужно лечить, удаляются из организма пациента, затем применяется инструмент Cas9 для исправления мутации — или, по сути, запуска производства фетального гемоглобина. И затем эти сконструированные клетки, они должны быть доставлены обратно в организм пациента. И, конечно, это своего рода сложная и длительная процедура.
Конечно, было бы здорово, если бы лечение CRISPR можно было проводить непосредственно в организме человека — мы называем это in vivo. Но на самом деле, чтобы сделать это, нужно преодолеть несколько проблем: во-первых, нужно доставить этот инструмент CRISPR в определенные ткани или органы человеческого тела. И, конечно, есть много способов доставить инструменты CRISPR, но после COVID вакцины мРНК были одобрены в качестве терапевтического метода лечения и профилактики COVID. И в настоящее время мРНК в сочетании с липидными наночастицами стала одним из ключевых методов, которые могут доставлять Cas9 в различные клетки и ткани человеческого тела.
Другие системы доставки также изучаются, включая вирусоподобные частицы и аденоассоциированные вирусы. Таким образом, AAV также используются в качестве средств доставки, и они одобрены как безопасные средства доставки в организм человека — но, например, в случае AAV существует ограничение по упаковочному грузу, и нужно найти меньшие инструменты редактирования генов, которые можно было бы упаковать в одну частицу AAV.
Виргиниюс Шикшнис изучает разнообразие систем CRISPR, встречающихся в природе. Вильнюсский университет
Сначала исследователи изучают последовательности микробной ДНК, которые присутствуют в огромных базах данных, там же можно найти новые системы CRISPR. Затем осуществляются попытки выразить их в разных бактериях, изолировать их, охарактеризовать, а затем перенести их в клетки человека, чтобы посмотреть, можно ли их применять в качестве новых инструментов модификации генома.
С самого начала было ясно, что генетические заболевания, вызванные одной мутацией, например, серповидноклеточная анемия, станут первой целью. Казалось, что это легко достижимо, потому что нужно исправить всего одну мутацию в геноме. Часть заслуги за это лечение серповидноклеточной анемии на основе Cas9 следует отдать людям, которые десятилетиями изучали серповидноклеточную анемию. Они дали понимание механизмов заболевания, которые были задействованы в лечении.
CRISPR-Cas9 – это своего рода универсальная или многофункциональная технология, потому что ее можно использовать для создания любого живого организма. Вы просто пытаетесь создать ДНК, а ДНК — это чертеж каждого живого организма. Поэтому вместо того, чтобы заниматься редактированием генов в человеческих клетках, вы также можете подумать о редактировании популяции бактерий — скажем, тех, которые присутствуют в кишечнике человека. И эти популяции бактерий можно создать.
Технологии CRISPR могут использоваться также в качестве противовирусных средств. В настоящее время проблема с антибиотиками довольно ясна — мы, вероятно, проигрываем нашу битву против бактерий, используя антибиотики. Новые антибиотики всегда требуются, и их действительно трудно найти, это сложно и дорого. Поэтому разрабатываются альтернативные технологии, такие как вирусная терапия или антибактериальные системы CRISPR.
CRISPR использовался несколько лет назад в Китае для создания человеческих эмбрионов — так что это черта, которую ученые на самом деле согласны не переходить, потому что это может быть действительно опасно.
Препарат Exa-cel, также известный под торговой маркой Casgevy, получил свое первое регулирующее одобрение 16 ноября 2023 года от Агентства по регулированию лекарственных средств и изделий медицинского назначения Великобритании (MHRA) для лечения двух изнурительных заболеваний крови: серповидноклеточной анемии и трансфузионно-зависимой бета-талассемии. Позднее Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) одобрило эту терапию в качестве лечения обоих заболеваний.
Одобрено первое в мире лечение, использующее технологию редактирования генов CRISPR. Регуляторы лекарственных средств одобрили терапию CRISPR под названием Casgevy для лечения наследственных заболеваний крови.
Историческое решение регуляторов одобрить Casgevy может стать сигналом начала новой эры генной терапии. Однако остаются вопросы относительно доступности лечения и его долгосрочной безопасности.
MHRA одобрило Casgevy для лечения серповидноклеточной анемии (SCD) и бета-талассемии, зависящей от переливания крови. Это пожизненные генетические нарушения, вызванные мутациями в генах, кодирующих гемоглобин — белок, необходимый эритроцитам для транспортировки кислорода по организму.
По оценкам, в США более 100 000 человек страдают SCD, но для некоторых групп населения этот показатель выше, чем для других. Например, 1 из 365 чернокожих детей рождается с SCD. Заболевание изменяет форму эритроцитов человека, так что они становятся C-образными, а не круглыми. Серповидные клетки быстро умирают и также слипаются друг с другом, блокируя кровеносные сосуды. В результате у пациентов развивается анемия и часто случаются приступы сильной боли, называемые болевыми кризами.
Бета-талассемия поражает около 1 из 100 000 человек во всем мире, и она непропорционально поражает людей средиземноморского, азиатского, африканского и ближневосточного происхождения. Пациенты с бета-талассемией не производят достаточно гемоглобина, что может привести к тяжелой анемии, тогда как серповидноклеточная анемия возникает из-за недостатка здоровых эритроцитов. «Трансфузионно-зависимая» означает, что заболевание настолько тяжелое, что пациентам необходимо регулярно переливать эритроциты на протяжении всей жизни.
Casgevy основан на революционной технологии редактирования генов под названием CRISPR, которая была впервые разработана в 2012 году. Система CRISPR вырезает гены из ДНК с помощью фермента Cas9. Эти «молекулярные ножницы» направляются к целевой ДНК молекулой РНК. Технология была адаптирована из естественного защитного механизма, который бактерии и другие простые организмы, называемые археями, используют против вирусов.
Casgevy нацелен на ген BCL11A. Ген кодирует белок, который обычно регулирует переключение с фетальной версии гемоглобина на взрослую версию вскоре после рождения. Однако у пациентов с SCD и бета-талассемией взрослый гемоглобин дефектен.
Цель Casgevy — отключить BCL11A и, таким образом, позволить организму продолжать вырабатывать фетальный гемоглобин, поскольку взрослая версия не работает. Для этого из костного мозга пациента берутся кроветворные стволовые клетки, а ген BCL11A редактируется с помощью Casgevy в лаборатории. Затем модифицированные клетки с функционирующим гемоглобином вливаются обратно в организм пациента. Перед инфузией пациент должен принять химиотерапевтический препарат под названием бусульфан, чтобы устранить неотредактированные клетки, все еще находящиеся в костном мозге, сообщает STAT News.
На этой иллюстрации работы CRISPR показан Cas9 (синего и розового цвета), прикрепленный к ДНК (фиолетового цвета) рядом с направляющей молекулой РНК (оранжевого цвета). JUAN GAERTNER/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Этот процесс адаптации к новым, отредактированным клеткам является длительным. «Пациентам может потребоваться провести по крайней мере месяц в больнице, пока обработанные клетки обосновываются в костном мозге и начинают вырабатывать эритроциты со стабильной формой гемоглобина», — говорится в заявлении MHRA.
В двух поздних клинических испытаниях Casgevy восстановил выработку гемоглобина у большинства пациентов с SCD и бета-талассемией и облегчил их симптомы. Двадцать восемь из 29 пациентов с SCD не испытывали никаких серьезных болевых кризов в течение как минимум года после лечения Casgevy. Аналогично, 39 из 42 пациентов с бета-талассемией не нуждались в переливании эритроцитов в течение того же периода после лечения. Оставшимся трем пациентам переливание потребовалось более чем на 70% реже.
Никаких серьезных проблем с безопасностью препарата не было отмечено ни в одном из двух поздних клинических испытаний Casgevy, хотя были зарегистрированы некоторые временные побочные эффекты, такие как лихорадка и усталость. Оба эти испытания продолжаются, и долгосрочная безопасность Casgevy продолжает контролироваться регулирующими органами, такими как MHRA и FDA, а также производителями терапии Vertex Pharmaceuticals и CRISPR Therapeutics.
Однако в целом все еще существуют некоторые опасения относительно безопасности терапии на основе CRISPR. А именно, существуют опасения относительно «нецелевых» эффектов, которые возникают, когда Cas9 действует на другие части генома, которые не должны были изменяться, и вызывает нежелательные побочные эффекты.
«Хорошо известно, что CRISPR может привести к ложным генетическим модификациям с неизвестными последствиями для обработанных клеток», — сказал Дэвид Руэда, заведующий кафедрой молекулярной и клеточной биофизики в Имперском колледже Лондона, в интервью UK Science Media Centre. «Прежде чем делать выводы, необходимо увидеть данные секвенирования всего генома этих клеток», — сказал он. Это будет включать в себя исследование всей ДНК в отредактированных по методу Касгеви клетках, чтобы увидеть, есть ли какие-либо нецелевые эффекты.
В ноябре 2023 года Великобритания одобрила Casgevy для людей старше 12 лет с серповидноклеточной анемией или трансфузионно-зависимой бета-талассемией. В декабре FDA одобрило лечение для людей в возрасте 12 лет и старше с серповидноклеточной анемией, а в январе 2024 года агентство одобрило Casgevy для людей с трансфузионно-зависимой бета-талассемией, относящихся к той же возрастной категории.
По данным Vertex, в настоящее время лечение рассматривается Европейским агентством по лекарственным средствам Европейского союза и Управлением по контролю за продуктами и лекарствами Саудовской Аравии, поэтому вскоре другие страны могут одобрить Casgevy.
Неясно, когда Casgevy станет доступным, но его охват будет во многом зависеть от его стоимости. Генная терапия может стоить миллионы долларов, и похоже, что Casgevy не станет исключением. Это может сделать его недоступным для многих людей, которые в нем нуждаются.
«Проблема в том, что эти методы лечения будут очень дорогими, поэтому ключевым моментом является обеспечение их большей доступности во всем мире», — заявила Кей Дэвис, профессор анатомии Оксфордского университета, в интервью Британскому научному медиацентру.
Представитель компании Vertex сообщил журналу Nature, что компания еще не установила цену на Casgevy в Великобритании, но «сотрудничает с органами здравоохранения, чтобы как можно скорее обеспечить возмещение расходов и доступ к препарату для пациентов, имеющих на это право».
Компания Intellia Therapeutics разрабатывает методы CRISPR-терапии для лечения наследственных заболеваний изнутри организма, сообщает STAT News. Кроме того, модифицированная версия CRISPR, называемая «редактированием базы», которая может воздействовать на отдельные строительные блоки ДНК, тестируется как способ лечения заболеваний. Например, Verve Therapeutics тестирует такое экспериментальное лечение заболеваний сердца. Другой многообещающий новый тип терапии, называемый «редактированием основы», включает CRISPR, но также «включает дополнительные ферменты и генетические инструкции для вставки, удаления или перезаписи коротких сегментов ДНК», сообщает STAT News.
CRISPR может лечить распространенную форму наследственной слепоты, свидетельствуют ранние данные. В небольшом исследовании у некоторых людей с наследственной потерей зрения наблюдалось улучшение зрения после лечения с помощью CRISPR.
Первые клинические испытания показывают, что терапия CRISPR, вводимая непосредственно в глаз, может оказаться перспективной в лечении наиболее распространенной формы наследственной потери зрения у детей.
Эта форма потери зрения, называемая врожденным амаврозом Лебера (LCA), часто проявляется при рождении и является результатом дисфункции или гибели светочувствительных клеток, называемых фоторецепторами, в сетчатке, в задней части глаза. Такие проблемы возникают из-за мутаций в любом из как минимум 20 генов.
Некоторые из наиболее распространенных причин LCA — мутации в гене, который кодирует центросомальный белок 290 (CEP290). Более трех четвертей людей с этим заболеванием несут определенную мутацию, которая влияет на CEP290, который имеет решающее значение для правильного функционирования фоторецепторов.
В настоящее время LCA не имеет лечения — но теперь есть доказательства того, что известный инструмент редактирования генов CRISPR может быть безопасно использован для улучшения зрения некоторых людей с этим заболеванием. Результаты раннего этапа исследования были опубликованы в The New England Journal of Medicine.
Испытание также примечательно тем, что оно включало первого человека, который когда-либо получал лечение на основе CRISPR непосредственно в организме. Для сравнения, первая одобренная терапия CRISPR включает в себя извлечение клеток из организма, их редактирование в лаборатории, а затем возвращение их пациенту.
На фотографии хирурги из Института глаз Кейси при OHSU выполняют процедуру редактирования гена CRISPR в организме в рамках недавнего клинического испытания. OHSU/Kristyna Wentz-Graff
В исследовании приняли участие 14 человек — 12 взрослых и двое детей. Все они имели специфическую мутацию в гене CEP290, которая поражает большинство пациентов с LCA. Участники получили одну инъекцию препарата CRISPR, называемого EDIT-101, в глаз с наиболее значительной потерей зрения. Другой глаз служил для сравнения.
EDIT-101 содержит крошечные направляющие, которые ведут пары «молекулярных ножниц» — называемых ферментами Cas9 — к мутантному гену CEP290. Ножницы вырезают дефектную часть гена, тем самым восстанавливая его функцию.
Команда использовала стратегию на основе CRISPR, поскольку CEP290 — большой ген, что делает его сложной целью для традиционной генной терапии. Некоторые генные терапии используют модифицированные вирусы для доставки функциональных генов в клетки, чтобы заменить дефектные гены, но ген CEP290 слишком большой, чтобы вписаться в такую систему доставки.
После этого лечения все участники прошли проверку зрения, которая проводилась каждые три месяца в течение года, а затем последовал менее частый мониторинг в течение двух лет. К концу испытательного периода 11 из 14 добровольцев показали измеримые улучшения по крайней мере по одному тесту на зрение, в то время как шесть испытали улучшения по двум или более тестам. Один из участников испытания поделился тем, что смог найти свой телефон, если потерял его, и смог увидеть маленькие лампочки на своей кофемашине, чего не мог сделать до лечения.
Те, кто не показал измеримых улучшений, как правило, находились на более поздней стадии заболевания, на которой их клетки демонстрировали высокий уровень дисфункции на исходном уровне, отметили участники исследования. Ни один из участников не испытал неблагоприятных побочных эффектов лечения.
Хотя EDIT-101 может лечить клетки, которые присутствуют в сетчатке, он не может обратить вспять потерю клеток, которые уже умерли. Это означает, что участники могут почувствовать некоторое улучшение зрения, но оно остается сниженным.
Следующим шагом будет тестирование терапии на большем количестве пациентов. Команда особенно надеется протестировать препарат на молодых пациентах, которые, как мы надеемся, могут иметь даже лучшие результаты.
Нобелевская премия по химии 2020 года досталась двум женщинам, которые разработали инструмент редактирования генов под названием CRISPR-Cas9, который разрезает ДНК подобно молекулярным ножницам.
Эта технология «не только произвела революцию в фундаментальной науке, но и привела к появлению инновационных культур и приведет к новаторским новым методам лечения», — заявил в своем заявлении председатель Нобелевского комитета по химии Клаас Густафссон. Благодаря возможности искусно вырезать определенные последовательности ДНК из генома ученые могут точно определять функции генов; эти открытия не только дополняют наше базовое понимание того, как работают эти гены, но и могут иметь практическое применение, например, для выращивания устойчивых к засухе и вредителям культур и разработки методов лечения рака и генетических заболеваний. Генетическая система вырезания и вставки также используется в новых диагностических тестах COVID-19.
Нобелевская премия «за разработку метода редактирования генома» досталась Эммануэль Шарпантье, директору отдела по изучению патогенов Общества Макса Планка, и Дженнифер Дудна, профессору биохимии, биофизики и структурной биологии Калифорнийского университета в Беркли. По данным журнала Science Magazine, это первая научная Нобелевская премия, присужденная полностью женскому коллективу.
Разработка CRISPR-Cas9 началась по счастливой случайности, когда Шарпантье изучала бактерию Streptococcus pyogenes, которая вызывает ряд заболеваний от тонзиллита до сепсиса, согласно заявлению Нобелевского комитета. Бактерии содержат молекулу, называемую tracrRNA, как обнаружила Шарпантье, которая защищает S. pyogenes от заражения вирусами, согласно отчету 2011 года в журнале Nature.
Оказалось, что tracrRNA — это всего лишь один компонент более крупного защитного механизма, известного как система CRISPR/Cas, которую бактерии используют для разрезания и расщепления ДНК вирусов, пытающихся их заразить. После вирусной атаки бактерии включают часть вирусной ДНК в свой собственный геном; эти боевые трофеи выстраиваются в геноме, появляясь неоднократно, и известны как «кластеры регулярно расположенных коротких палиндромных повторов», сокращенно CRISPR. Считается, что эти архивированные гены помогают бактериям распознавать вирусы и отражать будущие атаки.
Но для того, чтобы сначала разрезать вирусную ДНК, бактерии используют «ассоциированные с CRISPR» белки, называемые белками Cas, под руководством tracrRNA и других молекул.
После открытия tracrRNA Шарпантье начала сотрудничать с Дудной, и они вдвоем воссоздали генетические ножницы бактерий в пробирке. В своей основополагающей работе, опубликованной в 2012 году в журнале Science, они упростили систему до удобного инструмента для редактирования генов, способного нацеливаться и вырезать определенные последовательности ДНК из генома. С тех пор инструмент был дополнительно усовершенствован и использовался для широкого спектра приложений, включая недавнюю разработку диагностических тестов на COVID-19, сообщает BBC .
«Это открытие, изначально полученное из естественного защитного механизма бактерий от вирусов, будет иметь неисчислимые применения в лечении и излечении генетических заболеваний и борьбе с раком, а также окажет влияние на сельское хозяйство и другие области», — сказал в своем заявлении Луис Эчегоен, президент Американского химического общества. «Будущее этой технологии действительно светлое и многообещающее».
Некоторые ученые ожидали, что биохимик Фэн Чжан из Института Брода разделит Нобелевскую премию с Шарпантье и Дудной, поскольку вскоре после их открытия он продемонстрировал, что CRISPR также работает в клетках млекопитающих, сообщает журнал Science Magazine. На основе работы Чжана Институт Брода получил первый патент на использование технологии редактирования генов CRISPR в эукариотах — сложных клетках с ядрами для хранения ДНК, — но институты Шарпантье и Дудны продолжают бороться за свои собственные патенты, согласно журналу The Scientist.
