Поможет ли CRISPR там, где антибиотики бессильны?

Когда Тимоти Лю (Timothy Lu) еще был студентом медицинского факультета в Бостоне, он часто видел тяжелобольных пациентов, снова и снова попадавших в больницы с серьезными инфекциями, которые не удавалось вылечить антибиотиками. В молодом докторе все сильнее росло замешательство. «Почему мы не можем им помочь?» – задавался он вопросом.

Чтобы разработать более качественное лечение, доктор Лю, который также имеет степени по информатике и электротехнике, направился в лабораторию. Тем не менее его целью было не изобрести очередной антибиотик вроде тех химических препаратов, которые назначают сейчас. Вместо этого он решил «переписать генетический код так, чтобы он поддерживал жизнь».

Только в США каждый год из-за супербактерий – то есть бактерий, устойчивых к определенным антибиотикам – умирает 23 тысячи человек. По всему миру этот показатель составляет около 700 тысяч человек, согласно оценке правительства Великобритании. Причина – чрезмерное использование антибиотиков и развитие бактерий, способных противостоять даже самым мощным лекарствам.

Эксперты призывают сосредоточиться на разработке еще более мощных медикаментов. Однако некоторые ученые, в числе которых и доктор Лю, уверены, что лучшая защита от супербактерий – поиск новых способов ослабить их изнутри, на молекулярном уровне.

В Массачусетском технологическом университете доктор Лю, теперь уже доцент биоинженерии, разрабатывает способы противодействия супербактериям с помощью технологии редактирования ДНК, которая называется CRISPR/Cas9.

Ученый рассказывает, что CRISPR/Cas9 – это, «по сути, молекулярные ножницы», которые разрезают ответственные за иммунитет к антибиотикам гены бактерий, убивая их таким образом.

По словам доктора Лю, технология приносит результат при использовании бактериофагов – вирусов, которые атакуют бактерий. Бактериофагов и CRISPR/Cas9 можно настроить так, чтобы они атаковали только бактерии с генами устойчивости к лекарствам и не трогали полезные и неопасные бактерии.

В одном из исследований, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Biotechnology в 2014 году, Лю с командой смогли запрограммировать с помощью CRISPR/Cas9 бактериофагов на атаку бактерий Escherichia coli, которые могут вызывать желудочные колики, рвоту и диарею.  

Принцип действия нынешних антибиотиков Лю сравнивает с «ковровой бомбардировкой», при которой вместе с вредными погибают и полезные бактерии. Новый метод лечения с использованием CRISPR/Cas9 будет больше похож «на работу снайпера», объясняет ученый.

Более точечный подход к лечению имеет несколько преимуществ. Потеря полезных микроорганизмов приводит к распространению опасных, устойчивых к медикаментам бактерий, таких как Clostridium difficile, которая только в США убивает 14 тысяч человек ежегодно. Новые исследования полезных бактерий доказывают, что они играют гораздо более важную роль в нашем здоровье, чем считалось раньше, но использование мощных антибиотиков нейтрализует эту пользу.

Микроснимок бактериофага – вируса, атакующего бактерий – полученный с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Фото: Robert Citorik

Перенести эту технологию из лаборатории в массовое производство мешают несколько серьезных проблем. Бактериофаги недостаточно хорошо изучены, чтобы доказать регуляторам безопасность и эффективность их использования на живых людях. Также со временем вредные бактерии выработают иммунитет и к бактериофагам с Crispr точно так же, как они научились противостоять антибиотикам, уверен доктор Лю. Одно из возможных решений этой проблемы – постоянно обновлять бактериофагов, чтобы обгонять развитие бактерий.

Огромный потенциал CRISPR побудил многих ученых искать способы решения других медицинских проблем, вызванных генетическими мутациями, например, лечить с помощью технологии рак и наследственные заболевания. Однако эта тема требует основательного изучения.

Одна из главных проблем в том, что CRISPR может отклонять от курса и «отрезать» не те гены, что в теории может принести дополнительный вред. Кроме того, эксперты опасаются новых, пока еще неизвестных, последствий модификации вирусов и бактерий с помощью CRISPR.

Доктор Лю отметил, что Crispr-модифицированные бактериофаги уже существуют – например, бактериофаги, атакующие бактерий-возбудителей холеры. Это означает, что риск не так уж высок. «Мы не пытаемся изобрести технологию с нуля, – объясняет он. – Мы просто пытаемся показать, что платформу можно перенаправить и использовать для лечения действительно опасных болезней».

Гильом Ламберт (Guillaume Lambert), доцент прикладной физики Корнеллского университета, также изучает возможность «обучения» микроорганизмов для борьбы с супербактериями. Исследования Ламберта сконцентрированы на том, чтобы запрограммировать полезных бактерий из микрофлоры организма вычислять и расправляться с супербактериями. Ученый называет свой подход «живой диагностической системой».

Гильом Ламберт с 3D-моделью молекулы CRISPR. Фото: Робин Вишна

В своей лаборатории, похожей на цех по производству компьютерных микросхем, доктор Ламберт использует микротрубки – диаметром в один микрометр – для поиска и наблюдения за бактериями через высокоточный микроскоп. Ученые отслеживают, как бактерии реагируют на изменения, вносимые с помощью CRISPR/Cas9 и еще одного инструмента редактирования ДНК – CRISPR/Cas12, и как они следуют инструкциям при борьбе с другими микроорганизмами.

Бактерии постоянно стремятся вытеснить своих соседей, как полезных, так и злокачественных. Ламберт надеется, что эту агрессивность удастся направить против супербактерий. «Клетки живут так уже миллиарды лет, и мы пытаемся лишь немного подтолкнуть их в нужном направлении, – объясняет ученый. – Для этого нам нужно запрограммировать [полезных бактерий] так, чтобы они стали чуть сильнее инородных».

Несмотря на уже достигнутые успехи, до полноценного использования при лечении еще далеко, отмечает Ламберт. Тем временем супербактерии стремительно развиваются.

Несмотря на это, ученые очень оптимистично смотрят на потенциал технологии для обхода иммунитета бактерий. CRISPR как инструмент биоинжиниринга создана совсем недавно, и ученые могут обнаружить еще немало способов обеспечить здоровье людей. «Я очень надеюсь, что мы сможем оставаться на шаг впереди», – заявил доктор Ламберт.

Источник

Материалы по теме:

Все, что нужно знать о технологии генной модификации CRISPR – в этих 4 выступлениях на TED

Метод редактирования генов CRISPR оказался источником сотен нежелательных мутаций

Как победить старость (или заработать на желании других её победить)

Биотехнологии станут новым диджиталом

Фото на обложке: Emily Falco