Тонкости человеческого генома, новые вакцины, лекарства от ранее неизлечимых болезней, хитрым образом закрученная ДНК и растворимый кардиостимулятор. Представляем вашему вниманию наш традиционный полугодовой обзор самых важных, заметных и прорывных событий в области биомедицинских технологий.
Ковид
За время пандемии ковид унес жизни почти 5,5 млн человек и пока не собирается останавливаться. В России, по официальной статистике, от ковида умерло более 300 000, но демографы говорят об избыточной смертности около одного миллиона человек.
В конце 2021 года лидирующим вариантом стал Омикрон, который более заразен, чем предыдущие, но, по имеющимся данным, не вызывает настолько тяжёлого течения болезни, как Дельта и другие распространённые ранее варианты. Однако большая заразность означает, что и число госпитализированных будет расти, что создаёт угрозу перегрузки систем здравоохранения. Поэтому страны снова стали прибегать к карантинам и локдаунам, а самое главное — продолжать вакцинацию. Показано, что, хотя Омикрон легче заражает вакцинированных и переболевших по сравнению с предыдущими вариантами, третья прививка (бустер) способна поднять защиту практически до первоначального уровня (рис. 1).
Но два года пандемии войдут в историю и как эпоха невероятных прорывов в разработке вакцин и лекарств. То, что за несколько месяцев удалось разработать и произвести в больших количествах несколько очень эффективных (рис. 2) и безопасных вакцин — свидетельство высокого уровня современных биотехнологий (хотя, конечно, без доли удачи тоже не обошлось). Тем обиднее, что многие всё ещё не хотят ими прививаться: а ведь в начале года казалось, что пандемию к концу 2021 удастся победить.
С терапевтическими препаратами сложнее: до конца 2021 года появлялись только результаты исследований существовавших ранее препаратов, большинство из которых ожидаемо не показывали эффективности (ивермектин, гидроксихлорохин, фавипиравир и многие другие), и только некоторые, такие как дексаметазон, антикоагулянты и в меньшей степени ремдесивир и тоцилизумаб показали эффективность у госпитализированных пациентов. Были созданы моноклональные антитела, которые показали некоторую эффективность, но тоже только у тяжёлых пациентов.
Но в декабре 2021 года в США был зарегистрирован первый таблетированный препарат Паксловид, разработанный специально против COVID-19, для амбулаторного лечения. В клиническом исследовании он снизил шанс попасть в больницу или умереть почти в 10 раз. Также был зарегистрирован молнупиравир компании Merck&Co, но его эффективность скромнее — он снижает госпитализацию и смертность на 30%. Молнупиравир проявил признаки тератогенности у животных, поэтому он не показан беременным, а его потенциальное влияние на рост костей и суставов не даёт назначать его лицам младше 18 лет.
По некоторым сценариям, в 2022 пандемия может быть побеждена сочетанием вакцинации, карантинных мер и терапии. По другим сценариям, вирус продолжит эволюционировать и преподносить нам сюрпризы.
Теперь к другим, нековидным новостям.
Зеркальная жизнь
Ученые из университета Цинхуа (кит. 清华大学) в Пекине провели потрясающе кропотливую работу по созданию полностью зеркальной копии природного белка, а с его помощью создали зеркальную ДНК.
Как известно, многие органические соединения, в том числе большинство тех, из которых состоят наши клетки, могут существовать в двух видах (энантиомерах), которые отличаются друг от друга словно зеркальные отражения. С физической и химической точки зрения энантиомеры ничем не различаются, если только не вступают в реакции, где участвуют другие энантиомеры. Так получилось, что живые системы с самого начала своего появления пользуются энантиомерами только одного вида. Поскольку аминокислоты, нуклеотиды и сахара хиральны (имеют энантиомеры), белки, ДНК и полисахариды, которые из них состоят, также хиральны. И поскольку они образуются из строительных блоков одного вида, они имеют только одну возможную зеркальную конформацию. Учёных давно интересовало, как будут себя вести биомолекулы, если их отразить зеркально [1]. В частности, понятно, что зеркальные нуклеиновые кислоты будут гораздо стабильнее, потому что их не будут расщеплять природные ферменты-нуклеазы — основная причина быстрой деградации ДНК и — особенно — РНК.
Раньше предпринимались попытки химического синтеза относительно маленьких белков (до 164 аминокислот) и коротких участков ДНК (до 150 нуклеотидов). В последнее время китайские учёные стали продвигаться в области синтеза ДНК-полимераз — ферментов, удлиняющих цепь ДНК. Недавно им удалось синтезировать полимеразы размером до 352 аминокислот, однако те делают много ошибок в ДНК.
В новой работе синтезирована полимераза Pfu длиной 775 аминокислот (рис. 3) — одна из наиболее точных полимераз, которая поэтому используется по всему миру в ПЦР-лабораториях. Этого получилось добиться благодаря разбиению её последовательности на 15 фрагментов длиной около 30—60 аминокислот и множеству замен, облегчающих синтез и сборку молекулы.
Для проверки работоспособности фермента учёные синтезировали с его помощью нить ДНК, причём сразу длиной 1500 пар оснований! ДНК была выбрана не случайно — она кодирует один из главных компонентов рибосомы — 16S-рРНК, то есть учёные замахиваются на создание полностью зеркальной системы синтеза белка, а в перспективе — и целой клетки. Кроме того, они продемонстрировали возможность использования зеркальной ДНК для хранения информации и мечения образцов.
Хранение данных в виде ДНК — привлекательный способ упаковки огромных количеств информации в компактный объём порядка клеточного ядра, придуманный самой природой. Однако обычная ДНК легко деградирует, а зеркальная защищена гораздо лучше. Китайцы обнаружили, что обычная ДНК, помещённая в воду из Пекинского пруда лотосов, через день полностью разрушилась, тогда как зеркальная продолжаться определяться там через год почти на том же уровне.
Помимо хранения данных, зеркальная ДНК может применяться для мечения товаров, в том числе пищевых, для мониторинга медицинских имплантов, при создании лекарств и др.
Вакцины против RSV
Если 2020 год прошёл под знаком гонки вакцин против коронавируса, то теперь похожая ситуация наблюдается в отношении респираторного синцитиального вируса (RSV). «XX2 век» писал об успехе антительной профилактики этого вируса у новорожденных, у которых он является одной из главных причин госпитализации.
В этом году сразу несколько фармгигантов перешли к исследованиям третьей фазы. Раньше попытки создания вакцин заканчивались неудачей: созданные в 1960-х годах вакцины приводили к ухудшению заболеваний, в 2010-х последовал провал компании Novavax (но она не оставляет попыток). Теперь же компании GlaxoSmithKline, Pfizer, J&J и Sanofi в партнёрстве с AstraZeneca опубликовали хорошие результаты. Так, вакцина J&J оказалась эффективна на 80% у людей старше 65 в фазе 2. У Pfizer и GSK в разработке также вакцины для иммунизации беременных, которые передают антитела против вируса плоду через плаценту. Вакцина Pfizer уже показала эффективность в 85% в фазе 2b.
Современные вакцины построены с учётом провалов предыдущих: иммуногенным агентом тут служит белок RSV F, стабилизированный в конформации, предшествующей слиянию с клеткой (prefusion) (рис. 4).
К середине 2022 года мы должны узнать, подтвердятся ли такие хорошие результаты по эффективности в исследованиях фазы 3, где примут участие десятки тысяч людей.
ВОЗ оценивает заболеваемость RSV в 64 млн случаев, а смертность — в 160 000 случаев в год, это самая частая причина вирусных пневмоний у детей и пожилых.
Диабет 1 типа: помогут ли стволовые клетки?
Диабет 1 типа — неизлечимое аутоиммунное заболевание, при котором иммунная система поражает бета-клетки островков поджелудочной железы, производящие инсулин. Больные пожизненно зависимы от инъекций инсулина, должны постоянно измерять уровень глюкозы и соблюдать диету. Недостаток инсулина приводит к повышению уровня глюкозы, что вызывает поражение почек, глаз, нервов и других органов. Избыток инсулина приводит к гипогликемии, ведущей к коме и даже смерти.
Некоторых пациентов с диабетом 1 типа удаётся вылечить, пересадив клетки островков от умерших доноров, но такой источник ненадёжен, операция показана не всем и сопряжена с рисками, поэтому проводится довольно редко. Так, с 1999 по 2015 год всего 1086 человек во всём мире прошли такую процедуру, тогда как больных диабетом 1 типа — миллионы.
Попытки заменить донорский материал клетками, выращенными в лаборатории, предпринимались неоднократно. Так, компания ViaCyte в 2014 году начала клиническое исследование имплантации под кожу пациентам устройства, содержащего предшественники клеток поджелудочной железы. Клетки были получены из эмбриональных стволовых клеток. Однако клетки оказались недостаточно долгоживущими, чтобы обеспечить нужные уровни инсулина.
Тем знаменательнее, что почти через 100 с лет после первого введения инсулина диабетику (январь 1922) опубликованы лучшие на сегодняшний день результаты введения стволовых клеток, пока, правда, только одному пациенту, и пока только за период наблюдения в три месяца. Но результаты и правда впечатляют: диагноз пациенту был поставлен 40 лет назад, за последний год до терапии у него было пять эпизодов жизнеугрожающей гипогликемии, а после одной инъекции клеток компании Vertex потребность в инсулине снизилась на 91% и уровень гликированного гемоглобина упал с 8,6 до 7,2% (врачи отмечают, что это выдающийся результат).
Такого успеха удалось добиться благодаря всё более глубокому понимаю процессов дифференцировки стволовых клеток в бета-клетки островков поджелудочной железы и способности контролировать эти процессы на молекулярном уровне.
Понятно, что результаты пока очень ранние, но они дают возможность продолжить исследования — в первую фазу включено 17 человек. Также в 2022 году компания Vertex (известная как разработчик лекарств от муковисцидоза, но, как мы видим, не ограничившаяся этим успехом) начнёт клиническое исследование с инкапсулированными клетками, которые, вероятно, помогут избавиться от необходимости использовать иммуносуппрессорные препараты перед введением клеток.
Растворимый кардиостимулятор
Некоторым пациентам требуется установка не постоянного кардиостимулятора, а временного, например, когда причина нарушения сердечного ритма потенциально обратима или когда установка постоянного кардиостимулятора планируется позднее. Сейчас пациентам вставляют в сердце электроды, подключенные к внешнему устройству. Через 3—7 дней их вынимают, что влечёт за собой риск инфекций, повреждения тканей и сосудов, тромбозов. Да и сами провода создают неудобства и несут риск отключения.
Учёные из США разработали биодеградируемый гибкий прибор без батареек и проводов толщиной всего 250 мкм (рис. 6). Энергию он получает от внешнего беспроводного устройства, по тому же принципу, что RFID-метки. Кардиостимулятор состоит из полимера PLGA (poly(lactide-co-glycolide)), магниево-вольфрамовой антенны, диода на силиконовой наномембране и воска растительного происхождения. Все эти компоненты растворяются и выводятся без остатка максимум через 7 недель. Устройство исследовали на мышах, крысах, кроликах, собаках и препаратах человеческого сердца, где оно показало способность поддерживать сердечный ритм и биосовместимость.
Болезнь бабочки — вирус герпеса приходит на помощь
Буллёзный эпидермолиз, известный в народе как болезнь бабочки, — группа заболеваний, при которых происходит отслоение кожи и слизистых оболочек. Образующиеся пузыри и зоны эрозии обладают повышенной чувствительностью, ранимостью и уязвимостью к инфекциям. Один из подтипов болезни — дистрофический буллёзный эпидермолиз — вызван дефектом гена, кодирующего коллаген 7, один из основных компонентов кожи. Коллаген-7 обеспечивает прочную связь эпидермиса с нижележащими слоями клеток, и его недостаток приводит к отслоению кожи, изменению ногтей и зубов, поражению эпителия пищевода, мочеполовой системы и значительному снижению качества жизни. В основном больные погибают в детском возрасте от неизлечимых инфекций. На настоящий момент нет сколько-нибудь эффективной терапии этой болезни, всё лечение — симптоматическое. Есть единичные попытки пересаживать пациентам генномодифицированную кожу, о чём «XX2 век» ранее писал, но это очень сложная и штучная процедура.
Совсем другое дело — крем. Компания Krystal Biotech опубликовала результаты исследования на 31 пациентах своей генной терапии, которая наносится на повреждённые участки кожи. Генная терапия Krystal необычна: большинство существующих сейчас генотерапевтических препаратов используют аденоассоциированные вирусы для доставки генов in vivo (то есть в организме пациента). Подход Krystal оригинален тем, что компания использовала в качестве вектора (средства доставки гена коллагена-7) вирус герпеса. Гениальное решение — ведь всем известно, что герпес поражает как раз клетки кожи и очень хорошо уходит от иммунного ответа, что позволяет дозировать его много раз. В состав терапии Krystal входит, конечно, не полноценный вирус герпеса, а репликативно-некомпетентный, который не способен размножаться, а может только один раз доставить ген коллагена-7 в клетки эпидермиса (рис. 7).
Результат получен очень хороший: 67% ран, пролеченных препаратом, через 6 месяцев полностью закрылись, в то время как в контроле таких ран было всего 22%. Следующий вопрос, на который мы получим ответ только в 2022 году, — насколько длительным будет этот эффект и поможет ли он от хронических ран (раны могут быть возвратными, которые то появляются, то исчезают, и хроническими). В любом случае, это единственная эффективная и удобная терапия в разработке — другие опции предполагают внутрикожные инъекции или биопсию с последующей генной модификацией и трансплантацией.
Кроме того, дистрофический буллезный эпидермолиз составляет лишь 5% от всех случаев буллезного эпидермолиза, хотя это самые тяжелые пациенты. В будущем подобные разработки, скорее всего, позволят лечить и другие наследственные заболевания кожи.
Нужно ли читать ДНК пятисот тысяч человек?
Одна из важных практических и научных целей геномики — выяснить назначение каждого гена в человеческом геноме. Помимо чисто фундаментальных вопросов (почему у вас именно такой цвет глаз и какова ваша склонность к чтению научно-популярных статей, шутка), эта информация нужна для разработки новых лекарств и подходов к профилактике и лечению заболеваний. Традиционный способ выяснения функций генов — выключать их по одному у мышей и смотреть, как меняется их фенотип. К сожалению, мыши — это не маленькие мохнатые люди, поэтому было бы неплохо проводить такие эксперименты прямо на людях, но это неэтично. К счастью, природа проводит их за нас. Благодаря спонтанным мутациям у людей то и дело выключаются какие-то гены (это называется нокаут) — важно собрать информацию о том, какие именно и на что это влияет.
Британские ученые отсеквенировали [2] экзомы (совокупность экзонов, то есть всех участков генов, кодирующих белки) 454 787 человек и нашли 915 289 вариантов генов, которые серьёзно нарушали функцию кодируемого ими белка. После сопоставления с данными медицинских карт было выявлено 564 гена, влияющих на медицинские показатели. Некоторые связи были очевидными и давно известными, такие как связь COLA1A (кодирует один из типов коллагена) с нарушением формирования костей или связь PCSK9 со сниженным риском гиперхолестеролемии. Другие гены были выявлены впервые — например, нокаут SLC9A3R2 на 20% снижает риск диабета, а нокаут SLC27A3 на 35% снижает риск астмы. Это и закладывает возможность в дальнейшем попытаться повлиять на такие гены с помощью новых кандидатов в лекарства.
Проект поддержали британский центр UK Biobank и консорциум фармкомпаний (Bristol-Myers Squibb, Regeneron, Biogen, Takeda, Abbvie, Alnylam, AstraZeneca, Pfizer), на него было затрачено с 2006 года порядка 100 млн долларов США.
Учёные посчитали, что для определения функции вообще всех генов нужно отсеквенировать минимум 5 миллионов экзомов, но с учётом растущей мощности секвенирования на это может уйти всего несколько лет. Между тем, чтобы пройти путь от одного экзома до 500 000, понадобилось почти 20 лет.
Миастения гравис и неонатальный рецептор
Миастения гравис — редкое аутоиммунное заболевание, основной симптом которого — постепенно прогрессирующая мышечная слабость, которая у половины пациентов проявляется сначала как слабость век (полуприкрытые глаза, так называемый птоз). У некоторых пациентов поражаются дыхательные мышцы, что может привести к дыхательной недостаточности.
При миастении гравис антитела атакуют ацетилхолиновые рецепторы в синаптической щели нервно-мышечного соединения (см. рис. 8).
Некоторым пациентам помогают ингибиторы ацетилхолинэстеразы, которые поднимают концентрацию нейромедиатора ацетилхолина в синаптической щели, но большинству требуются иммуносуппрессанты, которые неспецифически угнетают иммунитет, снижая продукцию антител. Они вызывают неприятные нежелательные побочные явления и помогают не всем.
Компания argenX разработала совершенно новую иммунотерапию, которая может подойти для лечения не только миастении гравис, но и других аутоиммунных заболеваний. Препарат Efgartigimod представляет собой Fc-фрагмент антитела, оптимизированный для связывания с рецептором FcRn (неонатальный Fc-рецептор). Если схематично представить себе антитело в виде буквы Y, то Fc-фрагмент — это её «ножка», а участки узнавания антигенов находятся на верхних концах этой буквы Y. Fc-фрагмент служит для связывания антител с клетками иммунной системы, которые дальше выполняют функции, например, по уничтожению патогенов. Но на клетках эндотелия (внутренней поверхности кровеносных сосудов) есть специальные рецепторы FcRn, которые также могут связывать Fc-фрагмент. Они называются неонатальными, потому что у новорожденных они служат для переноса антител из молока матери к младенцу. А у взрослых людей они возвращают антитела из клеток эндотелия обратно в кровоток, тем самым продлевая их период циркуляции (рис. 9).
Efgartigimod связывается с FcRn, блокирует его связывание с антителами и тем самым ускоряет их выведение из организма. В исследовании на пациентах с миастенией гравис он вызвал улучшение у 67% пациентов, тогда как в плацебо-группе таких было 29,7%. Лекарство компании argenX — первый зарегистрированный препарат с таким механизмом действия, но ему на пятки наступают продукты компаний UCB и J&J.
Лекарства с этим механизмом действия исследуются по таким аутоиммунным показаниям, как первичная иммунная тромбоцитопения, обыкновенная пузырчатка (пемфигус), хроническая воспалительная демиелинизирующая полинейропатия, тиреоидная болезнь глаз и другие. Каждое из заболеваний довольно редкое, но в случае успеха они суммарно помогут множеству пациентов и станут мегаблокбастерами (продажи более чем на 10 млрд долларов в год).
Другие препараты, одобренные FDA
Всего FDA за 2021 одобрило 50 новых препаратов, а также 5 вакцин и две новые клеточные терапии, что вполне на уровне предыдущих лет. Расскажем подробнее о некоторых новых продуктах.
- Одобрен анифролумаб, новый препарат для лечения системной красной волчанки, впервые за 10 лет («XX2 век» писал о нём ранее).
- Несмотря на многочисленные попытки создать эффективное лекарство против синдрома сухого глаза, почти все они оканчиваются неудачно. Впрочем, даже если лекарство показывает эффективность в клинических исследованиях, не всегда его ожидает успех на рынке — компания Kala Pharmaceuticals, о которой «XX2 век» уже писал, никак не может добиться значительных продаж. Тем не менее, потребность в новых лекарствах остаётся, и компания Oyster Point недавно получила одобрение на новый препарат: назальную формуляцию варенциклина. Этот препарат, производное вещества из ракитника, давно используется для помощи бросающим курить — он воздействует на те же рецепторы центральной нервной системы, что и никотин, но не так сильно. Казалось бы, при чём тут синдром сухого глаза? Однако оказалось, что возбуждение этих рецепторов через нос стимулирует слёзные железы. Исследования более чем на 1000 человек показали, что у половины из них повышается продукция слёз по сравнению с 14—28% в контрольной группе. Посмотрим, удастся ли компании коммерциализировать свой препарат.
- Впервые одобрено антитело против астмы, связывающее белок TSLP. Это сигнальный белок (цитокин), играющий важную роль в патогенезе астмы. Tezepelumab (AstraZeneca/Amgen) существенно снижало число ухудшений болезни у пациентов с тяжёлой астмой. Это первое антитело, которое назначается вне зависимости от фенотипа: предыдущие зарегистрированные биопрепараты были ограничены эозинофильными или аллергическими разновидностями астмы.
- Долгое время белки семейства RAS (в частности, KRAS) считались недоступными для лекарств — undruggable. Для KRAS в течение 30 лет после его открытия в 1982 году не могли найти подходящего ингибитора, потому что молекулам, грубо говоря, негде было связаться — у белка не хватает глубоких «карманов». С 2013 года ряд научных успехов привёл к разработке ингибиторов KRAS, и в 2019 году они вошли в клинические исследования. 2021 год ознаменовался регистрацией препарата Lumakras компании Amgen, который показал неплохие результаты у пациентов с определённым типом рака легких. Впереди ещё много работы: первые молекулы подходят небольшому количеству пациентов и уровень ответов не терапию тоже может быть выше (сейчас у 36% пациентов опухоль уменьшилась минимум на 30%). Необходимы исследования новых препаратов и комбинаций, чтобы улучшить ситуацию.
- Одобрен ещё один препарат, действующий по механизму РНК-интерференции [3] — inclisiran компании Novartis. На сей раз болезнь, на лечение которой он направлен, не такая редкая, как для предыдущих препаратов. Его целевая группа — это больные с повышенным уровнем LDL-C (так называемый «плохой холестерол»), который не контролируется статинами. У таких людей увеличен риск инфарктов и инсультов, и их немало. Мишень препарата хорошо известна — это PCSK9, о которой «XX2 век» не раз писал. Однако существующие лекарства Repatha (Amgen) и Praluent (Sanofi) — это антитела, которые вводятся раз в месяц. Новый препарат вводится два раза в год и снижает LDL-C на 50%. Правда, данные о влиянии на смертность будут примерно в 2026 году, но аналитики считают, что и без них спрос на препарат будет немалым.
- Новое лекарство для доконтактной профилактики ВИЧ каботегравир (Viiv Healthcare), которое вводится инъекционно раз в два месяца — большой шаг вперед по сравнению с существующей Трувадой, предполагающей приём таблетки раз в день. Для многих людей в группе риска по ВИЧ это гораздо более удобная опция — пропуск приёма таблетки снижает эффективность профилактики. В прямых сравнительных исследованиях каботегравир превзошел Труваду по эффективности на 70—90%.
- О сомнительном одобрении Aduhelm «XX2 век» уже сообщал. Теперь можно добавить, что компания Biogen не добилась успехов в плане продаж препарата: с июня по октябрь они составили 2 млн долларов, что в 8,5 раза меньше ожидаемого. В итоге директор по науке уволен со скандалом, компанию ожидает реструктуризация, а цена препарата снижена в два раза — с 56 000 долларов до 28 000.
- Наконец, одобрена клеточная терапия множественной миеломы (CAR-T), о которой «XX2 век» рассказывал в прошлом году.
На этом мы завершаем наш обзор. Не болейте в Новом году.
Вам может быть интересно:
Россия — для грустных: названы самые счастливые и самые несчастные страны 2021 года.
Примечания
[1] Этот аспект приходится учитывать при разработке лекарств: многие лекарства действуют только в виде одного энантиомера, потому что другой просто не связывается с человеческими биомолекулами.
[2] Секвенирование — определение первичной последовательности ДНК или белка, то есть чтение «букв» из которых состоит макромолекула.
[3] «XX2 век» неоднократно писал о препаратах этого класса. Причём пока что все они разработаны компанией Alnylam (inclisiran был приобретён Novartis у Alnylam в 2019-м).
