Инновационные исследования инструмента редактирования генов направлены на изучение способности вируса гриппа к размножению, что позволяет остановить его распространение. 
Иллюстрация: Narvo Vexar/ Getty Images Сохранить эту историю Сохранить эту историю
Выступая перед аудиторией вирусологов из Китая, Австралии и Сингапура на симпозиуме Альянса по исследованию пандемий в октябре, Вэй Чжао представил привлекательную идею.
Технология редактирования генов CRISPR наиболее известна благодаря разработке новаторских методов лечения редких заболеваний, позволяющих корректировать или отключать «аномальные» гены при таких состояниях, как серповидноклеточная анемия и гемофилия. Но Чжао и его коллеги из Института инфекций и иммунитета имени Питера Доэрти в Мельбурне придумали новое применение этой технологии.
Они считают, что технологию CRISPR можно адаптировать для создания нового поколения методов лечения гриппа, будь то сезонные штаммы, ежегодно поражающие как северное, так и южное полушария, или вызывающие опасения новые варианты у птиц и других диких животных, которые могут спровоцировать следующую пандемию.
CRISPR способен редактировать генетический код — биологическую инструкцию, которая делает жизнь возможной, — внутри клеток каждого живого существа. Это означает, что он может принимать различные формы. Наиболее известная версия осуществляется с помощью фермента Cas9; он может исправлять ошибки или мутации в генах, разрезая нити ДНК. Но вирусологи, такие как Чжао, больше интересуются менее известным родственником Cas9, ферментом Cas13, который может делать то же самое с РНК. В клетках человека молекулы РНК несут инструкции от ДНК для создания белков, но генетический код вирусов гриппа полностью состоит из нитей РНК — уязвимость, которую может использовать Cas13.
«Cas13 может воздействовать на эти РНК-вирусы и инактивировать их», — пояснил Чжао.
Человеческие клетки естественным образом не вырабатывают ни Cas9, ни Cas13; оба этих фермента присутствуют в иммунной системе бактерий и микроскопических организмов, называемых археями, где Cas13 позволяет им нейтрализовать вторгшиеся вирусы, называемые фагами. Чжао и группа ученых разрабатывают инновационную систему, которая позволит обеспечить аналогичные преимущества для человека.
Изначально разработанная в лаборатории как новое противовирусное средство от COVID-19, их идея заключается в создании назального спрея или инъекции, использующих липидные наночастицы для доставки молекулярных инструкций к инфицированным вирусом гриппа клеткам в дыхательных путях. Это двухэтапный процесс. Первая молекула будет представлять собой мРНК, которая инструктирует клетки производить Cas13, а вторая — так называемую направляющую РНК, которая направляет Cas13 к определенному участку РНК-кода вируса гриппа.
«Затем белок Cas13 разрезает вирусную РНК, нарушая способность вируса к репликации и эффективно останавливая инфекцию на генетическом уровне», — говорит Шарон Левин, врач-инфекционист из Института Питера Доэрти, возглавляющая этот проект.
Хотя основная цель состоит в использовании этой технологии для сдерживания кратковременных инфекций, Чжао также предполагает, что спрей можно будет использовать для предотвращения инфекций, например, во время особенно вирулентного сезона гриппа. «По сути, вы будете подготавливать клетки дыхательных путей к выработке Cas13 в качестве первого уровня защиты», — говорит он. «Это как армия — у вас будут солдаты, вооруженные и готовые встретить врага».
Главное преимущество этой идеи заключается в том, что Cas13 можно модифицировать с помощью направляющей РНК для воздействия на так называемые «консервативные регионы» генетического кода вируса гриппа. Это известные сегменты РНК, которые присутствуют практически во всех штаммах гриппа и имеют решающее значение для выживания вируса. Традиционные противовирусные препараты, такие как Тамифлу, воздействуют только на определенные штаммы гриппа, которые быстро приобретают устойчивость к ним.
Crispr-Cas13 — одна из ведущих разработок среди так называемых противовирусных препаратов против гриппа, но существуют и другие. Моноклональные антитела также предназначены для воздействия на консервативные участки генетического кода вируса гриппа, в то время как другие препараты направлены на усиление выработки интерферонов — встроенной системы оповещения организма, которая подает сигнал иммунным клеткам атаковать вторгшийся патоген.
Учитывая, что только штамм гриппа А ежегодно уносит жизни от 12 000 до 52 000 американцев, в зависимости от тяжести сезона гриппа, необходимость в более эффективных альтернативах очевидна. Но, как отмечает Николас Хитон, профессор молекулярной генетики и микробиологии в Университете Дьюка, прежде чем можно будет внедрить назальные спреи или инъекции на основе Crispr-Cas13, необходимо преодолеть множество препятствий.
«Мне нравится эта идея, но это [все равно] введение чужеродного белка из бактерии в организм человека», — говорит он. «Так выработает ли организм иммунный ответ против этого?» Хитон также предостерегает от «побочных эффектов», то есть от возможности того, что лечение с помощью CRISPR непреднамеренно поразит собственную РНК организма, а также вторгшийся вирус.
Предварительная оценка безопасности уже проведена в Институте биоинженерных разработок имени Висса при Гарвардском университете, где ученые использовали клетки легких и кровеносных сосудов человека для создания «легкого на чипе». В случае тяжелых гриппозных инфекций вирус гриппа проникает и размножается внутри микроскопических воздушных мешочков, называемых альвеолами, что делает эту модель полезной для изучения того, может ли обучение этих клеток выработке фермента Cas13 помочь в борьбе с тяжелым гриппом.
По словам Дональда Ингбера, основателя института и пионера в разработке моделей легких на чипе, исследования показали, что клетки, работающие на основе Cas13, могут бороться с различными штаммами гриппа — от штамма H1N1, вызвавшего пандемию свиного гриппа 2009 года, до H3N2, ответственного за особенно вирулентную сезонную вспышку гриппа этой зимой. Более того, никаких нежелательных последствий, по-видимому, не наблюдалось. «Мы не увидели никаких побочных эффектов, что удивительно», — говорит Ингбер. «Мы подавили репликацию вируса, а также молекулы, опосредующие воспаление, которые выделяются при инфицировании тканей».
Тем не менее, ученые, что вполне понятно, проявляют осторожность. Ингбер говорит, что разработка способа доставки липидной наночастицы, содержащей инструкции по созданию Cas13, непосредственно в альвеолярные клетки глубоко в легких — непростая задача. Хитон также отмечает, что любое противовирусное средство, нацеленное непосредственно на вирус, может способствовать дальнейшей мутации патогена, даже если оно нацелено на, казалось бы, неотъемлемые части его генетического кода. «Как правило, мы обнаруживаем, что у природы есть свой способ», — говорит он. «Это как в старом фильме «Парк Юрского периода»».
Хитон также работает над альтернативными способами использования возможностей CRISPR для борьбы с гриппом. Еще одна идея может заключаться в использовании фермента Cas9 для корректировки нашего собственного генетического кода, чтобы сделать нас более устойчивыми к гриппу. «У всех нас есть гены, которые экспрессируются и позволяют вирусу проникать в клетки и размножаться», — говорит он. «Но что, если бы мы могли найти один из этих ключевых генетических факторов, который действительно необходим вирусу, и просто немного снизить его активность? Есть ли что-то в нашей биологии, чего мы можем добиться меньшим количеством, чего не может сделать вирус гриппа?»
Для изучения этого вопроса ученые провели серию кропотливых экспериментов. Исследовательские группы, включая лабораторию Хитона, берут человеческие клетки, используют Cas9 для удаления генов по одному, а затем проверяют, может ли вирус гриппа по-прежнему их убивать. Это уже привело к ключевому открытию: грипп зависит от гена SLC35A1, который обеспечивает наличие определенных сахаров на поверхности наших клеток. По словам Хитона, этот ген является ахиллесовой пятой гриппа.
«Грипп использует эти сахара в качестве рецептора, — говорит он. — Теоретически, если бы можно было создать ингибитор этого гена и дать человеку вдохнуть его, это, по сути, остановило бы весь грипп».
Конечно, учитывая, что млекопитающие и вирус гриппа миллионы лет ведут биологическую гонку вооружений, эволюция, вероятно, уже давно бы устранила ген SLC35A1, если бы человеку было возможно выжить без него. Однако Хитон не исключает более тонкого подхода.
«Что, если мы не устраним этот ген полностью? — спрашивает он. — Что, если мы устраним его или уменьшим его активность лишь временно в определенной части тела? Будет ли это допустимо? Эти технологии пока находятся на очень ранней стадии развития, но мне нравится идея поиска генов, которые могут ограничить возможности вируса, и последующего изучения вопроса о том, будет ли это безопасно».
Источник: www.wired.com
