Инсулин. Как ГМО спасает миллионы жизней
Инсулин, незаменимый медикамент для 4,6–9 миллионов россиян, по официальным данным. Уже почти 50 лет, благодаря технологиям редактирования генома, он доступен практически каждому диабетику. И позволяет им жить практически нормальной жизнью. Однако так было не всегда. Как жили диабетики до появления генно-инженерного инсулина? Как было найдено решение проблемы нехватки лекарства и через какой путь прошла технология?
Инсулин из мясной лавки
В 1921 году молодой хирург Фредерик Бантинг и его ассистент Чарльз Бест выяснили, как извлечь инсулин из поджелудочной железы собаки. Скептически настроенные коллеги называли эту субстанцию «густой коричневой грязью», но они и не подозревали, что это даст надежду для миллионов людей с диабетом. Бантинг был не первым, кто искал антидиабетический секрет поджелудочной железы — это было частью становления эндокринологии как науки, — и уже тогда были доказательства, связывающие этот орган с диабетом. Даже термин «инсулин» был придуман задолго до этого, хотя само вещество оставалось неуловимым. При этом ни Бантинг — практикующий врач, представивший свой план физиологу из Университета Торонто Дж. Дж. Р. Маклеоду, ни студент-медик Чарльз Бест, назначенный Маклеодом для помощи Бантингу, не были опытными исследователями-физиологами.
С помощью полученной мутной субстанции Бантинг и Бест смогли продлить жизнь другой собаке с тяжёлым диабетом на 70 дней: животное погибло только тогда, когда экстракт закончился. Начав свои эксперименты в мае 1921 года, они получили обнадёживающие результаты, вводя экстракты поджелудочной железы диабетическим животным. В декабре Маклеод пригласил в команду приезжего биохимика Джеймса Б. Коллипа. Он значительно улучшил чистоту экстрактов, и к январю 1922 года клинические исследования показали несколько признаков положительного воздействия экстракта, включая снижение уровня сахара в крови пациентов. Интерес к этой работе и запросы на инсулин начали расти ещё до первой публикации Бантинга и Беста в феврале 1922 года.
Группа планировала расширить использование экстракта для диабетиков, но масштабное производство в университетских лабораториях оказалось проблематичным. Университет Торонто обратился за помощью к компании Eli Lilly and Company из Индианаполиса, чьи представители предложили сотрудничество после презентации команды на научной конференции в декабре 1921 года. К маю 1922 года университет и компания заключили соглашение о сотрудничестве, и благодаря инженерным изменениям компании производство возросло настолько, что к концу лета исследования могли быть расширены на многие клиники.
В январе 1922 года Леонард Томпсон, 14-летний мальчик, умираюший от диабета в одной из больниц Торонто (Dr. Campbell’s, Toronto General Hospital), стал первым человеком, получившим инъекцию инсулина. В течение 24 часов уровень сахара в его крови, который был опасно высоким, снизился до почти нормальных значений.
Новость об инсулине разлетелась по всему миру словно лесной пожар. В 1923 году Бантинг и Маклеод получили Нобелевскую премию по медицине, которую они разделили с Бестом и Коллипом.
Вскоре после этого медицинская фирма Eli Lilly начала массовое производство инсулина. Позднее его стало достаточно для снабжения всей Северной Америки.
Первый коммерческий инсулин компании Eli Lilly, препарат «iLetin», 1923 год.
В последующие десятилетия производители разработали множество видов инсулина с более медленным действием, первый из которых был представлен компанией Novo Nordisk Pharmaceuticals, Inc. в 1936 году.
Аналитическая лаборатория Eli Lilly, 1932 год.
Микробы спешат на помощь
Но были у подобного метода и недостатки, самый банальный — цена. Потребность человечества во вкусных стейках из говядины и свиных сосисках косвенно удовлетворяла и потребность в поджелудочных железах животных, из которых можно было бы извлечь инсулин. Однако, поджелудочная — орган достаточно небольшой, ещё и присутствующий в количестве одной штуки. И инсулин сам по себе оттуда не выльется, его нужно извлекать, соблюдая уровень температуры и кислотности среды, ведь инсулин — это всё-таки белок, и относительно нежный, поэтому требуется осторожность. К тому же, нужно было не только не разрушить вещество, но и очистить его от других компонентов, содержащихся в поджелудочной железе, а тем более от патогенных бактерий.
Фото с завода Eli Lilly & Co. Слева: поджелудочные железы распаковываются после доставки с мясокомбината. Справа: их пропускают через мясорубку для дальнейшего извлечения инсулина.
Всё вместе это приводило к тому, что инсулин был куда менее доступным, чем сегодня, а также к тому, что масштабирование производства сдерживалось количеством доступного вторсырья от мясной промышленности. Для понимания: соотношение конечного продукта к сырью было примерно 1 к 8, требовалось 3600 килограммов поджелудочных желёз от 23 500 коров и свиней для производства всего лишь 450 килограммов инсулина. Этого объёма хватило бы на год для 750 больных диабетом.
Вам, вероятно, пришло на ум одно из решений проблемы: если диабетикам постоянно нужен инсулин, так почему бы не прибегнуть к трансплантологии? К сожалению, тут всё не так просто, даже если отбросить громадные очереди на донорские органы, необходимость совместимости, потребность в иммуноподавляющей терапии и прочие переменные — это просто не помогло бы диабетикам. Одна из основных причин диабета первого типа — это аутоиммунная реакция на клетки собственной поджелудочной железы. То же самое произошло бы и со здоровой, но уже пересаженной поджелудочной железой.
Впрочем, трансплантация ещё сыграет свою роль в этой истории, к счастью для всех диабетиков, удивлению всех скептиков и недовольству зарабатывающих на страхе перед технологиями: люди научились пересаживать гены.
Профессор Герберт Бойер, один из создателей первой трансгенной ДНК и первого трансгенного организма, 1973 год.
В 1973 году Полом Бергом, Гербертом Бойером, Энни Чанг и Стэнли Коэном из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Сан-Франциско была создана первая трансгенная (модифицированная) ДНК и первый трансгенный организм — конечно же, это была E.coli, она же кишечная палочка. А уже в 1975 году на «Конференции в Асиломаре» обсуждались вопросы регулирования и безопасного использования технологий рДНК (рекомбинантной ДНК). Парадоксально, но методы рекомбинантной ДНК для развития сельского хозяйства и создания лекарственных препаратов заняли больше времени, чем ожидалось специалистами того времени.
К счастью, в 1978 году эта борьба была ещё не в таком разгаре, как ныне, разработка биотехнологических препаратов не обходилась в среднем в миллиард долларов и не тянулась по 10+ лет.
Учёные, участвовавшие в проекте по созданию инсулина, 1978 год. Слева направо: К. Итакура, А.Д. Риггс, Д.В. Гёддел и Р. Креа.
Рекомбинантный человеческий инсулин был впервые произведен с помощью кишечной палочки компанией Genentech в 1978 году, с использованием подхода, который требовал экспрессии химически синтезированной хромосомной ДНК человека, кодирующей цепи A и B инсулина, отдельно в E. coli. После независимой экспрессии две цепи очищали и совместно обрабатывали при особых условиях реакции, что способствовало соединению их в цельную молекулу инсулина благодаря формированию дисульфидных связей.
Деннис Клайд и его коллега в лаборатории молекулярной биологии. Фото из архива Genentech.
В другом подходе применяют экспрессию единственной химически синтезированной хромосомной ДНК, кодирующей человеческий проинсулин, в E. coli с последующей очисткой и последующим удалением С-пептида путём протеолитического расщепления. Этот метод эффективнее и удобнее для крупномасштабного производства терапевтического инсулина по сравнению с методом комбинирования двух цепей, и коммерчески использовался с 1986 года. Eli Lilly использовала эту технологию для производства Humulin, первого рекомбинантного инсулина, одобренного в 1982 году для лечения диабетиков.
Наши дни
Дрожжевая закваска для хлеба.
Как нетрудно догадаться, у производства инсулина бактериями есть один существенный недостаток: он производится не сразу, а по частям, в виде двух цепей, которые далее необходимо сшить. Но при этом клетками человека он производится сразу в нужном виде. В чём же дело?
Дело всё в том, что люди — эукариоты, а кишечная палочка — бактерия, и наши механизмы экспрессии белка достаточно сильно различаются. В случае с инсулином самое важное для нас то, что мы, эукариоты, любим пост-трансляционные модификации белка. А именно, упомянутую дисульфидную связь, благодаря которой две цепи сшиваются в инсулин. Бактерии же зачастую не особо любят подобным заморачиваться.
Поэтому уже с 1980-х наиболее популярным производителем трансгенного инсулина стал эукариотический организм — Saccharomyces cerevisiae. Говоря по-русски, пивные дрожжи. С одним лишь отличием: в них добавили идентичный, либо модифицированный для большей степени метаболизации или скорости действия, человеческий ген, производящий инсулин.
Впрочем, на этом наука не остановилась: в ход шли и растения, и другие бактерии и эукариоты. А также развиваются и новые методы лечения — генотерапия и иммунотерапия диабета, что, возможно, устранят надобность в инъекциях навсегда.
