С помощью генного редактирования CRISPR можно будет лечить вирусы

На протяжении десятилетий ученые и врачи лечили распространенные бактериальные и вирусные инфекции с помощью довольно грубых методов лечения. Если у вас развилась синусовая инфекция или желудочная ошибка, вам, скорее всего, дадут антибиотик широкого спектра действия, который очистит множество различных типов бактерий. Противовирусные препараты помогают лечить вирусные заболевания во многом таким же образом, препятствуя способности патогена размножаться и распространяться в организме.

Но микроорганизмы быстро эволюционируют, и многие из них разработали защиту от методов, разработанных, чтобы убить их. В настоящее время все большее число бактерий устойчиво к одному или нескольким антибиотикам. Ежегодно примерно 700 000 человек во всем мире умирают от таких инфекций, и к 2050 году их число может возрасти до 10 миллионов, согласно оценкам Организации Объединенных Наций. Вирусы также быстро развивают новые способы маскировки от наркотиков, часто скрываясь внутри клеток-хозяев. Менее 100 противовирусных препаратов успешно прошли весь путь до клиники, так как первый был одобрен в 1963 году.

Отчаявшись найти новые лекарства против патогенных микроорганизмов, ученые обращаются к Crispr, инструменту редактирования генов. Crispr обычно рассматривался для макроскопических задач: изменение комаров, чтобы они не могли распространять малярию, редактирование помидоров, чтобы они были более ароматными, и лечение некоторых генетических заболеваний у людей. Теперь исследователи используют Crispr, чтобы повернуть механизм бактерии против себя или против вирусов, которые заражают человеческие клетки.

"Crispr-это следующий шаг в противомикробной терапии", - сказал Дэвид Эджелл, биолог из Университета Западного Онтарио в Канаде и ведущий автор исследования, опубликованного ранее в этом месяце в Nature Communications.

Crispr-это специализированная область ДНК, которая создает то, что составляет генетические ножницы-ферменты, которые позволяют клетке (или ученому) точно редактировать другую ДНК или ее сестринскую молекулу, РНК. (Crispr-это сокращение для " кластеризованных регулярно чередующихся коротких палиндромных повторов.") Crispr был первоначально обнаружен в бактериях, где он помогает отслеживать прошлые травмы. Когда вирус атакует, бактерия хранит небольшие куски вирусного генома в своей собственной ДНК. Это помогает бактерии распознавать вирусные инфекции, когда они происходят снова. Затем, используя Crispr-ассоциированные ферменты, он может разоружить вирус и предотвратить распространение инфекции.

В своем недавнем исследовании доктор Эджелл и его коллеги успешно использовали Crispr-ассоциированный фермент под названием Cas9 для устранения вида сальмонеллы. Запрограммировав Cas9 на то, чтобы рассматривать саму бактерию как врага, доктор Эджелл и его коллеги смогли заставить сальмонеллу сделать смертельные сокращения в своем собственном геноме.

Команда начала с конъюгированной плазмиды-небольшого пакета генетического материала, который может самовоспроизводиться и передаваться от одной бактерии к другой. К плазмиде ученые добавили закодированные инструкции для ферментов Crispr, которые будут нацелены на ДНК сальмонеллы. Затем плазмиду помещали внутрь бактерий E. coli. Доктор Эджелл рассуждал, что большинство видов кишечной палочки, как правило, являются частью здорового микробиома кишечника и уже присутствовали бы, если бы человек проглотил патогенную сальмонеллу, скажем, съев зараженный салат. Е. затем coli может перенести сконструированную плазмиду в сальмонеллу, где система Crispr активируется, уничтожая плохие бактерии.

Именно это исследователи и наблюдали в чашке Петри. Система Crispr уничтожила почти все бактерии сальмонеллы, оставив кишечную палочку нетронутой.

“Это представляет собой значительный прогресс в том, чтобы быть в состоянии нацелить бактерии весьма специфическим способом", - сказал Митч Маквей, биолог из Университета Тафтса, который не участвовал в исследовании.
Антибактериальные таблетки на основе Crispr еще не находятся рядом с аптечными полками. Но разработка таких методов лечения может позволить ученым использовать силу собственных резидентных микробов человеческого организма в предотвращении болезней.

"Ученые начинают понимать, что микробиота также может быть чрезвычайно полезна для нашего здоровья", - сказал Лучано Марраффини, микробиолог из Рокфеллеровского университета и медицинского института Говарда Хьюза.

Обычные антибиотики не различают хорошие и плохие бактерии, уничтожая все без разбора и иногда создавая проблемы для людей с ослабленной иммунной системой.

"Основное преимущество Crispr заключается в том, что мы можем запрограммировать его на уничтожение только определенных патогенных бактерий и оставить в покое остальные наши здоровые микробы”, - сказал доктор Марраффини.

Несколько компаний начали использовать антибиотики на основе Crispr, которые могут быть доставлены через вирусы, которые были спроектированы таким образом, что они не могут воспроизводить или вызывать инфекции сами, а также другие методы. Доктор Марраффини является соучредителем одного из таких стартапов, Eligo Bioscience.

Специфичность Crispr одинаково привлекательна для исследователей, стремящихся нацелиться на патогенные вирусы. Вместо того, чтобы Crispr убивал вирусы, которые заражают бактерии, как это происходит в природе, ученые программируют его, чтобы нарезать вирусы, которые заражают людей. В исследовании, также опубликованном в этом месяце в молекулярной клетке, ученые из широкого Института M. I. T. и Гарвард продемонстрировал, что другой фермент Crispr, Cas13, может быть запрограммирован на обнаружение и уничтожение трех различных одноцепочечных РНК-вирусов, которые заражают клетки человека: вируса гриппа А, вируса лимфоцитарного хориоменингита и вируса везикулярного стоматита.

Используя эту систему Crispr, исследователи увидели до 40-кратного снижения вирусной РНК в течение 24 часов. Ферменты повредили вирусные геномы достаточно значительно, чтобы немногие вирусы могли заразить новые клетки. В случае вируса гриппа Cas13 снизил его инфекционность более чем в 300 раз.

” Это отличное доказательство концепции",-сказал Родольф Баррангу, микробиолог из Университета штата Северная Каролина, который также был соучредителем компании по производству противомикробных препаратов на основе Crispr и не участвовал в исследовании. Если исследователи смогут разработать технологию Crispr против трех довольно мягких вирусов человека, таких как грипп, вирус лимфоцитарного хориоменингита и вирус везикулярного стоматита, они, вероятно, смогут модифицировать ее для лечения более смертоносных вирусных инфекций.

По сравнению с современными противовирусными препаратами, Crispr имеет то преимущество, что его легко настроить по мере необходимости. “Если вирус эволюционирует и мутирует, мы можем просто изменить систему Crispr, чтобы соответствовать тому, что делает вирус", - сказал Камерон Майрволд, постдокторский исследователь Broad.

Теперь исследователи сталкиваются с проблемой демонстрации того, что антибактериальные и противовирусные препараты Crispr эффективны для живых животных и людей, а не только в лаборатории, и что они будут дешевле, чем обычные методы лечения, сказал доктор Баррангу.

“Мы еще не готовы к клиническому прайм-тайму, - сказал он. “Но мы уже туда добираемся.”