С чего начинались и к чему пришли пять современных направлений медицины
В то время как XX век ознаменовался важнейшими открытиями в физике, XXI век называют «веком биологии и медицины» — и, кажется, вполне заслуженно. Тем не менее многие вещи, которые сегодня практически стали рутиной, такие как таблетки для контрацепции или компьютерная томография, были бы невозможны без базиса, заложенного еще в начале прошлого века. В каких отраслях биомедицины со времен миллениума произошел качественный скачок и с чего начиналось их становление? Рассказываем об этом вместе с компанией Bayer, которая была свидетелем, а иногда и участником зарождения многих современных биомедицинских технологий.
В 1919 году профессор физиологии Университета Инсбрука Людвиг Хаберландт заинтересовался идеей временного прекращения фертильности организма. Он выяснил, что экстракт яичников, содержащий прогестерон, подавляет у крольчих способность забеременеть. Это явление ученый назвал «гормональной стерилизацией». Хаберландт предположил, что его можно использовать в целях гормональной контрацепции у женщин. Однако тогда его идеи не встретили взаимопонимания ни в обществе, ни среди ученых.
Появление на рынке противозачаточных таблеток стало возможным только во второй половине XX века. В продвижении разработки первого в мире препарата, одобренного для предотвращения наступления беременности, приняли непосредственное участие суфражистки Маргарет Сэнгер — она считала, что без женской контрацепции невозможно добиться равенства полов, — и Катарина МакКормик, которая частично профинансировала исследования.
Уже в 1957 году FDA в США одобрила первый комбинированный препарат, содержащий синтетические аналоги гормонов прогестерона и эстрогена, — Enovid. Поначалу препарат позиционировался как лекарство для устранения нарушений цикла, однако из-за широкого применения off-label уже в 1960 году был официально разрешен как средство оральной контрацепции. Тогда же противозачаточная таблетка была одобрена в Англии. 1 июня 1961 года компания Schering AG представила Западной Германии первый в Европе оральный контрацептив — «Ановлар». В дальнейшем компания разработала целый ряд революционных препаратов для контрацепции и сохранения репродуктивного здоровья женщин. В их числе первое контрацептивное средство «длительного действия» — внутриматочная система, содержащая левоноргестрел.
Таблетки первого поколения содержали высокие дозы гормонов. Закономерно, что у них обнаружились и побочные эффекты, такие как повышение артериального давления, сердечные приступы и тромбозы. Как выяснилось впоследствии, причиной тому были высокие дозы эстрогенов. Впрочем, кроме отрицательных побочных эффектов у таблеток оказались и положительные — к примеру, их прием оказался связан со снижением частоты развития рака яичников.
В современных препаратах количество эстрогенного компонента снижено в несколько раз, а сами таблетки применяются в фазном режиме, когда концентрация гормонов изменяется в зависимости от дня менструального цикла, чтобы имитировать естественные колебания гормонов в организме. Благодаря этому частота побочных эффектов значительно снизилась, а список назначений контрацептивов существенно расширился. Сегодня эти препараты применяют не только для планирования семьи, но и для лечения некоторых гинекологических и дерматологических заболеваний.
В начале 2000-х компания Schering AG, которая позже стала частью Bayer, выпустила оральные контрацептивы с прогестинами четвертого поколения. Казалось бы, возможности для развития в области комбинированной гормональной контрацепции близки к своему пределу. Но уже через несколько лет в компании «Байер» разработали новый контрацептив с эстрогеном, идентичным натуральному, и гестагеном, который может положительно влиять на состояние здоровья женщин, уменьшая объем менструальноподобного кровотечения. А спустя совсем непродолжительное время контрацептивные средства перестали быть только таблетками для предотвращения нежелательной беременности. Новый этап наступил с добавлением в состав контрацептива витаминного компонента. Женщины получили возможность не только отложить беременность до оптимального для себя времени, но и подготовить организм к зачатию, ежедневно с контрацептивом получая необходимую суточную дозу фолатов.
Наконец женщины смогли решать, беременеть или нет. Это стало колоссальным импульсом женской эмансипации и радикальным образом изменило отношения полов. Возможность рожать детей в подходящее время позволила оставлять силы на развитие и планирование карьеры и в то же время заботиться о своем репродуктивном здоровье. Гормональные контрацептивные средства постоянно совершенствуются, приобретают новые свойства и качества, но неизменно выполняют свою главную функцию — предохраняют от нежелательной беременности.
После трех сообщений на заседании немецкого Физико-медицинского общества в 1895, 1896 и 1897 годах Вильгельм Рентген разослал ведущим физикам XIX века письмо, к которому помимо текстов докладов прилагалась фотография руки его жены, сделанная при помощи недавно открытых X-лучей, — первый в мире рентгеновский снимок человеческого тела. Благодаря удачному примеру использования открытие быстро нашло применение в медицине.
Принцип обычного рентгена довольно прост: излучение проходит через тело, частично задерживается анатомическими структурами и попадает на чувствительный экран, где фиксируется их суммарная проекция. В этом заключается недостаток метода: наблюдатель видит, условно говоря, общую тень органов и не может различить в ней деталей. Повысить разрешение анализа могло бы получение проекций послойно — именно этот принцип реализован в методе компьютерной томографии, который «вырос» из открытия Рентгена больше чем через полвека, будучи дополненным сложным математическим аппаратом обработки изображений.
В компьютерной томографии рентгеновский луч сканирует объект исследования под разными углами. Послойное изображение объекта формируется не просто путем учета непоглощенного излучения, но и благодаря учету коэффициентов поглощения разными тканями. В результате наблюдатель видит на экране компьютера распределение коэффициентов в пространстве, преобразованное в удобную визуальную форму.
Техника расчета этих коэффициентов была опубликована физиком Аланом Кормаком в 1963 году, и на базе его расчетов британский инженер Годфри Хаунсфилд создал первый томограф. С его изобретением связана курьезная легенда, гласящая, что КТ-сканирование обязано своим появлением группе The Beatles, так как Хаунсфилд был сотрудником корпорации EMI (Electrical and Musical Industries) и первый КТ-скан выпустила именно она.
Вскоре после успеха КТ-сканера на рынке появились томографы, основанные на других физических принципах, — магнито-резонансный (МРТ) и позитронно-эмиссионный (ПЭТ). В первом случае вместо рентгеновских лучей через тело человека пропускают электромагнитное излучение, которое возбуждает протоны, локализованные в тканях. Метод ПЭТ же использует принцип взаимоуничтожения электронов и позитронов, последние из которых требуется ввести в организм в виде радиофармпрепарата. Чаще всего для этого используется фтордезоксиглюкоза с изотопом фтор-18, которая активно поглощается раковыми клетками. Что же касается МРТ, развитие этого метода помогло не только медикам, но и нейробиологам — так называемая
позволяет исследовать мозговую активность в процессе выполнения разных задач благодаря изменению притока крови к разным отделам мозга. При помощи этого метода ученые, например,
, что способности детей к математике не зависят от пола ребенка.
Следом за Рентгеном, который открыл первый известный человечеству тип ионизирующего излучения, последовало открытие радиоактивности Антуаном Беккерелем и супругами Кюри. После этого в первой половине XX века случился настоящий бум в ядерных исследованиях, который привел к созданию не только атомных электростанций и атомной бомбы, но и огромной отрасли ядерной медицины.
Первым изолированным радиоактивным элементом стал радий. По легенде, Беккерель и Пьер Кюри первыми открыли также и его биологическую активность — оба поносили ампулу с солью радия близко к телу и получили радиоактивные ожоги. Уже в 1903 году в России открыли клинику лучевой терапии, где соли радия применяли для лечения опухолей. Первые образцы вещества госпиталю презентовала лично Мария Кюри.
Однако первым «официальным» радиофармпрепаратом можно назвать препарат на основе йода-131 — в 1951 году FDA одобрила его для лечения заболеваний щитовидной железы (при этом с этой целью радиоактивный йод был впервые использован на десять лет раньше). В отличие от того, что сейчас понимают под лучевой терапией (облучение опухоли при помощи мощного источника на специальном аппарате), в случае радиофармпрепаратов источник излучения вводится в форме вещества локально в опухоль или в кровь. Накапливаясь в определенных тканях, он либо оказывает цитотоксическое действие, убивая клетки (терапевтические радионуклиды), либо просто «фонит», позволяя детектировать излучение при помощи диагностических приборов.
Йод-131 является бета-излучателем, то есть при распаде ядро атома испускает электрон. Именно такой тип радиопрепаратов был наиболее популярен в медицине с сороковых годов и по сей день. Бета-излучатели удобны относительно большим радиусом действия в тканях (несколько миллиметров) и тем, что их легко визуализировать, то есть проследить, насколько эффективно они накапливаются в нужном месте (при помощи гамма-камеры). Кроме йода самыми популярными изотопами такого типа можно назвать самарий-153, стронций-89 и иттрий-90, которые относительно легко получать.
В последние годы интерес исследователей и клиницистов, однако, сдвинулся в сторону альфа-излучателей, которые при распаде испускают ядро гелия. При таком распаде выделяется гораздо больше энергии (а потому они обладают более сильным и стойким терапевтическим эффектом), при этом пробег частицы в тканях составляет десятки микрометров, что позволяет избегать поражения здоровых клеток. Если йод-131 можно сравнить с пулеметом, который обстреливает сразу большую область, альфа-излучатели — это снайперские винтовки, при помощи которых можно таргетно воздействовать на поврежденные клетки. Любопытно, что используемый в клинической практике изотоп радий-223, с которого начиналась эта глава, как раз альфа-излучатель.
Препарат на основе радия-223 выпустила компания Bayer. Он одобрен для лечения пациентов с метастатическим раком предстательной железы, что существенно увеличило количество лечебных опций для таких пациентов. На сегодняшний день радий-223 является единственным зарегистрированным и одобренным препаратом, который благодаря своему уникальному механизму активности, не повреждая костный мозг, воздействует изолированно на метастатические очаги в костной ткани. Особенность этого препарата — таргетное действие на пораженные клетки костных метастазов, при этом за счет короткого пробега альфа-частиц здоровые клетки не вовлекаются в процесс лечения. Важной особенностью радия-223 является его безопасность как для пациента, так и для окружающих. Для проведения терапии радием-223 не нужны специализированные палаты и госпитализация.
В настоящее время клинические испытания проходит препарат на базе тория-227. Изотоп в составе препарата представлен как раз в виде опухоль-специфичного конъюгата, который должен доставить излучатель точно к раковым клеткам. Всего же список радиофармпрепаратов на сегодняшний день включает в себя под сотню радиоактивных изотопов, которые производятся на исследовательских реакторах и ускорителях типа циклотронов и синхротронов.
В 1897 году Феликс Хоффман, сотрудник компании Bayer, синтезировал химически стабильную форму салициловой кислоты, выделенной из коры ивы. Это вещество уже давно было известно своими терапевтическими свойствами, однако его химически чистую и устойчивую форму удалось получить только при помощи ацетилирования. Шестого марта 1899 года компания Bayer зарегистрировала препарат на основе ацетилсалициловой кислоты под торговой маркой «Аспирин».
Появление на рынке аспирина ознаменовало собой начало первого поколения лекарств, которые представляли собой малые молекулы, как правило, продукты органического синтеза. В XX веке благодаря совместным усилиям медиков и химиков тысячи таких молекул были синтезированы в качестве лекарств от самых разных заболеваний. Однако к концу века люди перестали массово умирать от инфекций, продолжительность жизни рекордно увеличилась, и среди лидирующих причин потери трудоспособности и смерти оказались онкологические и нейродегенеративные заболевания, которые потребовали новых подходов к лечению.
Для лечения рака было предложено множество малых молекул, многие из которых стали золотым стандартом химиотерапии. Но несмотря на то, что с появлением каждого класса химиопрепаратов все больше типов злокачественных опухолей удавалось вылечить или по крайней мере взять под контроль, постепенно этот успех вышел на плато — почти все известные мишени уже заингибированы, сотни тысяч молекул синтезированы и проверены на биологическую активность.
Однако параллельно с развитием первого поколения лекарств во второй половине XX века появилось и второе — биопрепараты, представленные сложными белковыми молекулами, а позже и рекомбинантными белками. В 1982 году компания Eli Lilly представила первый генно-инженерный биопрепарат — человеческий инсулин. Его производили клетки кишечной палочки, в которые ввели соответствующий ген. А в 1989 году FDA одобрила препарат на основе человеческого эритропоэтина (гормона, стимулирующего производство эритроцитов), который был произведен в культуре клеток млекопитающих линии CHO (клетки яичника китайского хомяка). В этой культуре стало возможным производить такие сложные молекулы, как антитела.
Препараты на основе моноклональных антител позволили сделать очередной рывок в терапии рака. Первый«блокбастер» на этом поле был одобрен для лечения агрессивной формы рака молочной железы в 1998 году.
Одна из недавних Нобелевских премий была присуждена за разработку антител против так называемых контрольных точек иммунного ответа (коротко их называют чекпойнт-ингибиторами). Эти молекулы блокируют «тормоза» клеток иммунной системы, точнее, ее основных эффекторов — Т-лимфоцитов. В результате лимфоциты начинают распознавать клетки опухоли, которым раньше удавалось обманывать иммунитет. Другими словами, применение такого типа лекарств приводит к активации собственного противоракового иммунного ответа организма. Препараты типа антител против белка PD-1 увеличили выживаемость пациентов с агрессивной меланомой в полтора раза.
Этот тип препаратов относится к области под названием «иммунотерапия». В этом разделе медицины на сцене появляется третье поколение лекарств — клеточная терапия. В контексте лечения рака нельзя не вспомнить технологию CAR-T — лимфоцитов с химерными антигенными рецепторами. Эта технология заключается в том, что собственные лимфоциты пациента забирают, модифицируют таким образом, что те учатся распознавать определенный опухолевый маркер, и вводят обратно в кровь. CAR-T-лимфоциты стали настоящим прорывом в лечении рака крови, такого как множественная миелома или острая лимфобластная лейкемия. В последнем случае, к примеру, первый «официальный» клеточный препарат такого типа увеличил годовую выживаемость пациентов с 30 до почти 80 процентов. FDA одобрила его в 2017 году.
Одно из наиболее инновационных направлений в онкологии — это прецизионная, или персонализированная медицина. Такой подход к лечению заболеваний опирается на генетический анализ конкретной опухоли и позволяет подобрать препарат, направленный на устранение причины злокачественной трансформации. Таким образом, мишенью для лечения становится не сама опухоль, а онкогенный фактор (определенная мутация), вызывающий ее рост и распространение. При этом локализация опухоли не имеет значения. Уже сейчас на рынке существует множество так называемых таргетных препаратов, позволяющих учитывать биохимические особенности конкретной опухоли. Подробнее о генетической диагностике и таргетном назначении препаратов можно прочитать в нашем материале «С индивидуальным наведением». Bayer в том числе разрабатывает препараты для лечения пациентов с солидными опухолями, характеризующимися слияниями определенных генов.
Говоря о клеточной терапии, стоит отвлечься от лечения рака и вспомнить о регенеративной медицине — именно в этой области сосредоточено большинство клинических испытаний третьего поколения лекарств. Исследователи в этой области пытаются восстановить определенные процессы или ткани в организме при помощи стволовых клеток либо индуцированных стволовых клеток, которые предварительно «в пробирке» превратили в какой-то другой тип клеток, например нейроны или клетки сердечной мышцы.
Клеточная терапия в этой области во многом опирается на открытие Синьи Яманаки, который в 2007 году показал, что взрослые дифференцированные клетки можно «вернуть в детство», то есть в фазу стволовых клеток, если экспрессировать в них четыре определенных гена (сейчас их называют «факторы Яманаки»). Такие «обращенные» клетки называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК), их преимущество в том, что, во-первых, для их получения не нужен эмбриональный материал, а во-вторых, можно взять клетки от конкретного пациента (клетки кожи, например) и в лаборатории превратить их в лекарственный препарат.
О том, как это делается, расскажем на примере разработки Bayer для лечения болезни Паркинсона. Препарат представляет собой дофаминэргические нейроны, полученные из ИПСК, которые хирургическим путем подсаживают пациентам в структуру под названием «скорлупа». Ожидается, что нейроны приживутся и начнут вырабатывать дофамин, дефицит которого в результате гибели собственных клеток пациента и приводит к развитию болезни. В 2021 году принадлежащая Bayer компания BlueRock Therapeutics начала первую фазу клинических испытаний, в которую планируется вовлечь десять пациентов.
Этот раздел тесно связан с предыдущим, так как упомянутые препараты типа CAR-T одновременно представляют и раздел генной терапии — ведь клетки, взятые у пациентов, подвергаются генной модификации. Такой подход называют генной терапией ex vivo (когда изменения вносят не в весь геном, а только в определенные клетки, предварительно изолированные от остального организма). Тем не менее под «классической» генотерапией чаще подразумевается, что недостаток функции какого-либо гена в организме (чаще всего в результате мутации) пытаются компенсировать введением его извне.
Всерьез заговорили о такой возможности уже через 20 лет после открытия Уотсоном и Криком структуры ДНК — в 1972 году американские ученые Теодор Фридман и Ричард Роблин опубликовали в журнале Science статью, в которой обсуждали возможность лечения наследственных заболеваний человека и вытекающие отсюда этические проблемы. Предпосылкой к такой работе стал прорыв в изучении биологии вирусов и демонстрация того, что с помощью вирусного вектора можно встроить ДНК в клетки человека.
Однако без производительных методов определения последовательностей ДНК и их наработки в большом количестве было бы невозможно осуществить эту идею. К счастью, эти задачи в скором времени были решены. В 1977 году Фредериком Сэнгером был предложен эффективный метод чтения последовательности нуклеотидов в ДНК. А в 1983 году биохимик Кэри Мюллис изобрел метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), позволяющий многократно размножить нужную последовательность ДНК.
Первые официальные испытания генной терапии прошли в США в 1990 году и представляли собой пример подхода ex vivo. Двум девочкам, страдающим недостаточностью фермента аденозиндезаминазы (ADA), модифицировали собственные лимфоциты при помощи вируса, вставив в них рабочую копию гена. Взрывной рост разработок был остановлен смертью пациента, который в 1999 году скончался в результате острой реакции на вирусный вектор. Тем не менее уже в 2003 году в Китае был одобрен генно-терапевтический препарат «Гендицин», представляющий из себя аденовирус со встроенным геном человеческого онкосупрессора p53.
К 2019 году было одобрено уже 22 препарата, так или иначе имеющих отношение к генотерапии. Сюда входит и упомянутый Kumriah и его аналоги, и продукты, эксплуатирующие принцип РНК-интерференции для подавления активности генов, и просто векторы, несущие рабочий ген взамен утраченного. Клинические испытания проходят еще сотни продуктов. Большинство из них нацелены на лечение рака либо редких наследственных заболеваний (такие болезни называют орфанными). Тем не менее в сторону таких социально значимых патологий, как нейродегенеративные заболевания, тоже предпринимаются усилия.
К примеру, компания AskBio, принадлежащая Bayer, запустила клинические испытания генной терапии для лечения болезни Паркинсона. В рамках испытаний пациентам в мозг вводится адено-ассоциированный вирус, несущий ген глиального нейротрофического фактора GDNF. Экспрессия фактора должна поддержать функции дофаминэргических нейронов и не дать им погибнуть.
Продолжая тему генной терапии, нельзя не вспомнить о новых методах редактирования генома, которые, в отличие от вирусов, не просто встраивают какие-то последовательности в геном, а исправляют мутантные копии генов. Метод CRISPR-Cas — настоящее детище XXI века — впервые был применен в клетках человека в 2012 году, а уже в 2020-м за это была присуждена Нобелевская премия.
С тех пор метод (подробнее о нем можно прочитать здесь) уже успели использовать для редактирования эмбрионов человека (что вызвало громкий международный скандал), он стал рутиной во многих генно-инженерных лабораториях и уже нашел применение в биомедицине, пока только в рамках клинических испытаний. К примеру, в 2019 году его использовали для терапии рака ex vivo, в 2020 году генетический редактор ввели в глаз пациенту с наследственной слепотой, а недавно впервые применили внутривенно для вырезания ДНК ВИЧ из человеческих лимфоцитов.
Пока что все перечисленные выше препараты «третьего поколения», основанные на применении генной инженерии, либо еще не вошли в практику, либо очень дороги, а потому недоступны обычному пользователю. Однако бурное развитие генетики привело к развитию дешевых и надежных методов генодиагностики, которыми пользуются многие будущие родители (с целью убедиться, что у ребенка нет генетически обусловленных болезней), криминалисты (можно вспомнить тесты на отцовство), онкопациенты (для назначения таргетных препаратов) и даже обычные здоровые люди (пока скорее в развлекательных целях) — чтобы получить информацию о своем происхождении и рекомендации по образу жизни.
В основе этих методов лежат уже упомянутые выше методы полимеразной цепной реакции и секвенирования, которое со времен Сэнгера претерпело множество модификаций и переродилось в высокопроизводительный процесс, позволяющий за несколько часов прочитать геном человека.
________________
Номер одобрения: COR-CON-RU-0011-1