Предотвращение распространения малярии и лихорадки денге с использованием генетически модифицированных комаров

Меня зовут Энтони Джеймс. Я совмещаю должности в департаментах микробиологии и молекулярной биологии, а также молекулярной биологии и биохимии в Калифорнийском университете в Ирвайне. Моя лаборатория работает над поиском ответов на простой вопрос о том, играет ли генетика какую-либо роль в контроле трансмиссивных заболеваний.

В нашем конкретном случае нас интересуют трансмиссивные болезни, передаваемые комарами: малярия и лихорадка денге. Малярия является наиболее опасным трансмиссивным заболеванием с точки зрения смертности людей: в среднем за год от неё умирает один человек каждые 20–30 секунд. Вирус денге не так значителен в плане смертности, однако представляет собой серьезную проблему для общественного здравоохранения, поскольку потенциально затрагивает почти половину населения мира, при этом ежегодно регистрируется от 50 000 до 100 000 случаев заболевания.

В тропических регионах современные подходы к борьбе с трансмиссивными заболеваниями, в частности малярией и вирусами денге, сосредоточены на контроле переносчиков путем применения инсектицидов или сокращения мест обитания и размножения личинок. В случае малярии используются терапевтические и профилактические препараты, а также меры контроля, препятствующие контакту людей с комарами, включая использование противомоскитных сеток и других средств индивидуальной защиты, которые предотвращают доступ комаров к человеку.

Таким образом, как я уже отметил, мы задаемся вопросом о том, может ли генетика предложить какие-либо решения, и мы рассматриваем применение генетики в двух областях. Первая из них — разработка генетических методов, позволяющих сократить популяции комаров. Этот подход получил название «сокращение популяции».

Второй областью является замещение популяции. Суть этого подхода заключается в том, чтобы взять гены, обеспечивающие устойчивость к конкретным патогенам, и каким-то образом добиться их распространения в популяциях с высокой частотой. Мы называем это замещением популяции.

Таким образом, были сделаны два интересных наблюдения, которые позволили предположить, что генетика играет определенную роль в контроле трансмиссивных заболеваний. Первое заключается в том, что если рассмотреть всех насекомых или членистоногих, включая клещей, питающихся кровью, то обнаруживается, что не каждый кровососущий членистоногий переносит любое заболевание. Это указывает на наличие определенных ограничений патогенов по отношению к хозяину, и это подтвердилось на практике.

Когда речь заходит об ограничениях по виду хозяина, возникает вопрос генетики. Вторым наблюдением стало то, что если рассмотреть популяцию насекомых, способных передавать возбудителя, то с помощью очень простых методов в этой группе можно выделить популяцию с высокой восприимчивостью и популяцию, крайне рефрактерную к заражению. После этого можно провести простые генетические скрещивания, чтобы выяснить, сколько генов задействовано в этом процессе, а также определить, имеют ли место простые доминантные или рецессивные отношения.

На основании этих наблюдений мы получили очень четкое указание на то, что генетика играет важную роль в способности определенного вида комаров поддерживать развитие конкретного патогена. Возникла идея: было бы замечательно, если бы мы могли каким-то образом распространить гены, обеспечивающие устойчивость, во всех популяциях. Преимуществом такого подхода стало бы то, что воздействие было бы направлено именно на рассматриваемый патоген, что позволило бы избежать использования, например, инсектицидов, которые сильно влияют на нецелевые организмы, или методов управления окружающей средой для сокращения мест размножения, что может оказать глубокое воздействие на экологию.

И в отличие от использования инсектицидов и профилактических препаратов, мы полагаем, что у этих комаров или паразитов, развивающихся в них, никогда не возникнет никакой формы резистентности к ним. Таким образом, идея состоит в том, чтобы разработать стратегию создания полностью устойчивого к болезням комара, не беспокоясь о нецелевых эффектах. Когда мы изучали естественную повторяющуюся устойчивость, привлекательным подходом было выяснить, сможем ли мы выделить некоторые из этих природных генов и увеличить их частоту в популяциях, чтобы в итоге получить устойчивую к болезням популяцию.

Однако выяснилось, что по крайней мере на ранних этапах получить физический доступ к этим генам было очень сложно. Поэтому наша группа и ряд других команд применили полностью синтетический подход, идея которого заключалась в создании, по сути, гена, способного обеспечить рефрактерность. В этих условиях мы разделили ген на два простых компонента: управляющую часть, которая определяла бы, когда, где и в каком количестве должно вырабатываться конкретное вещество.

Затем следует эффекторная часть, которая представляет собой непосредственный продукт экспрессии этого гена, способный обеспечить устойчивость. Поэтому при анализе процесса конструирования этих генов мы решили, что было бы важно и целесообразно, чтобы контрольные области обеспечивали локализацию эффекторной молекулы именно в той части организма комара, где фактически находятся паразиты. Таким образом, мы искали гены с регуляцией в зависимости от стадии развития, которые позволили бы нам доставить вещество в нужное место.

И этим «чем-то» снова является эффекторная молекула — та самая часть молекулы, синтезируемая геном, которая напрямую воздействует либо на малярийных паразитов, либо на вирусы. Для работы с малярией мы разработали так называемые одноцепочечные антитела, которые препятствуют связыванию с паразитами и мешают их способности проникать в ткани комара. Для борьбы с вирусами денге мы разработали стратегию РНК-интерференции (RNAi), которая использует клеточные свойства комара для разрушения вирусов в процессе их попыток репликации в организме насекомого.

Когда мы впервые задумались о создании этих синтетических генов, мы разбили задачу на составляющие части. Первой задачей было продемонстрировать в лабораторных условиях, что мы действительно можем превратить комара, который в обычном состоянии переносит патоген, в особь, не способную к этому. И для достижения этой цели, как я упоминал ранее, нам потребовались контрольные последовательности, которые экспрессировали бы эффекторную молекулу; нам нужно было уметь создавать эффекторную молекулу, а затем применить технологию трансгенеза, которая позволила бы ввести этот искусственный ген в организм комара.

Таким образом, на протяжении последнего десятилетия мы работали над этим вопросом, он вызывает большой интерес у меня и моих коллег, и в этой области был достигнут значительный прогресс. Однако после выведения таких комаров в лабораторных условиях нам потребовался механизм для переноса этого гена из лаборатории в природную среду. Нам был необходим процесс, который позволил бы частоте встречаемости этого гена в популяции расти быстрее, чем это возможно при естественном отборе.

Такие механизмы называются системами генного драйва. Их действие заключается в отборе насекомых, несущих интересующий вас ген. Эти системы обладают рядом свойств, но двумя основными являются то, что они задействованы в процессе спаривания (или активируются в результате него) и повышают частоту встречаемости гена со скоростью, значительно превышающей ту, которую можно ожидать при естественном отборе в силу какого-либо селективного преимущества данного гена. Когда мы задумались о разработке таких систем генного драйва, мы сразу осознали, что речь идет о выпуске генетически модифицированных организмов в открытую среду. И, что не слишком удивительно, возникли серьезные опасения и беспокойство, связанные с высвобождением генетически модифицированных материалов в дикую природу.

Для нас было важно определить, какие серьезные проблемы могут возникнуть при использовании генетически модифицированных организмов, и сопоставить их с имеющимися у нас научными данными, чтобы попытаться минимизировать трудности, связанные с их применением. Таким образом, мы разработали так называемые критерии проектирования, которые учитывают не только биологические особенности организмов, создаваемых в лабораторных условиях, но и критерии, связанные с социологическими, культурными и иными опасениями людей. Именно эти параметры стали критериями проектирования.

Итак, три из них, о которых я здесь вкратце расскажу, перекрываются в этих областях. Первый момент заключается в том, что любая разработанная нами система генного драйва должна работать в так называемых человеческих временных рамках, а не в эволюционных. Это означает, что ген должен распространяться достаточно быстро, чтобы мы могли фактически наблюдать последствия этого процесса.

И мы рассчитываем на период, скажем, от пяти до 10 лет. Эта идея была впервые разработана Норой Пки, которая понимала, что, конечно, за 10 000 лет можно чего-то добиться, но система генного драйва, о которой мы говорим, должна работать в гораздо более подходящих для человека временных рамках. Вторым и, вероятно, самым важным критерием и опасением является то, что всё разработанное нами должно воздействовать только на целевой организм; то есть система не должна обладать способностью или должна быть деактивирована, если она фактически выйдет за пределы нашего целевого насекомого.

Это важно, поскольку многих беспокоит вероятность того, что созданный в лаборатории продукт попадет в природную среду и каким-то образом распространится на целевые и нецелевые виды. Поэтому одной из наших основных задач при проектировании является создание системы, которая функционировала бы только в целевом виде и становилась бы неактивной в случае случайного переноса за пределы этого вида. Третьим, разумеется, весьма значимым моментом является то, что система должна работать.

Эффективность подразумевает не только научную обоснованность и ограничение по видам, например. Метод должен быть экономически выгодным. Он должен быть реально осуществимым в разумных временных и технических рамках, чтобы его применение оставалось доступным.

Итак, это некоторые из критериев проектирования, которые мы рассмотрели. Это далеко не все из них. И я полагаю, что некоторые критерии будут меняться по мере накопления нашего опыта, но я думаю, что эти три останутся неизменными.

Итак, прежде чем эта идея будет фактически реализована и перейдет в стадию практики, должен произойти ряд событий. Возвращаясь к этой мысли: прежде всего, метод должен работать. Нам необходимо продемонстрировать в лабораторных условиях, что выведенные нами насекомые действительно устойчивы к патогенам, на которые мы воздействуем.

Затем нам необходимо будет продемонстрировать, что механизм генного драйва функционирует ожидаемым образом. Для этого мы планируем провести испытания в клетках, в условиях строгой изоляции, чтобы исключить выпуск в полевые условия, который мог бы привести к попаданию гена в популяцию эндогенных комаров или передаче его от эндогенных комаров в целевом регионе. После этого мы определим, обладает ли данный механизм способностью к распространению. Таким образом, проведение этих исследований будет иметь для нас важное значение.

Однако я считаю крайне важным понимать, что не такие ученые, как я, будут рекомендовать проведение полевых испытаний. На самом деле это станет результатом работы специалистов по математическому моделированию, которые, используя разработанные ими параметры и предоставленные нами данные, смогут дать органам здравоохранения четкое представление о том, будет ли наша разработка работать экономически эффективно. Таким образом, рекомендации будут исходить от специалистов в области общественного здравоохранения, обладающих опытом в моделировании; именно они смогут принять решение о целесообразности или недопустимости реализации проекта.

Мы не ожидаем, что сотрудники лаборатории, такие как я, будут вносить значительный вклад, помимо предоставления исходных данных специалистам по моделированию для их последующего использования. Когда мы только начали эту работу — под «мы» я подразумеваю себя и моих коллег, так как мы работаем в команде, — мы начали искать существующие структуры, которые позволили бы нам оценить необходимые меры по решению этических вопросов, связанных с использованием генетически модифицированных организмов. И хотя имеется довольно много данных по сельскохозяйственному применению и использованию растений и так далее, в опубликованной литературе было очень мало сведений об использовании генетически модифицированных насекомых.

Таким образом, в рамках нашего основного проекта нам необходимо было включить компонент, посвященный этическим, социальным и правовым аспектам использования генетически модифицированных комаров. В результате это стало колоссальным опытом обучения, позволившим каждому члену группы в полной мере освоить все требования, необходимые для реализации этой задачи. Позвольте привести несколько примеров.

В большинстве стран мира, где распространены эти основные заболевания, отсутствуют нормативно-правовые структуры, способные выносить критические решения об использовании генетически модифицированных организмов. Поэтому для нас стало крайне важным определить страны, обладающие надлежащей нормативной инфраструктурой, с которыми мы могли бы консультироваться и взаимодействовать. История подобных ситуаций показывает, что страны часто сталкивались с внедрением генетически модифицированного организма, причем чаще всего речь шла о продуктах сельскохозяйственного происхождения, таких как генетически модифицированная кукуруза, папайя или рис.

А страна, которой не хватает нормативно-правовой базы для решения этой проблемы, быстро примет закон, который полностью запретит ввоз любых генетически модифицированных организмов. Если рассматривать это с политической точки зрения, то это разумный шаг. То есть, если вы не готовы к этому, проще всё закрыть и дать себе возможность разработать необходимую структуру для анализа и принятия решения о том, существует ли здесь проблема.

И как только это происходит, страны создают надлежащую нормативно-правовую базу, после чего пересматривают законы и начинают допускать генетически модифицированные организмы, по крайней мере, к рассмотрению и, в конечном итоге, возможно, к использованию. Поэтому, планируя нашу работу, мы не могли выбрать страну, где мы стали бы тем событием, которое инициировало бы разработку их регуляторной инфраструктуры. Нам нужно было найти страны, которые уже прошли этот процесс и уже имели надежную систему нормативного регулирования.

Причиной этого было то, что у нас фактически не было бы времени на то, чтобы снова создать условия для возникновения события-триггера. Кроме того, мы хотели находиться в стране с очень хорошо вертикально интегрированной системой общественного здравоохранения; это означало, что мы могли бы решать вопросы как на местном уровне, так и на более высоком — муниципальном, окружном, региональном или федеральном эквивалентах в структуре регулирования. Мы хотели быть уверены в том, что принятые решения — например, о начале реализации проекта — были бы подтверждены на каждом уровне.

Это не было чем-то, что центральное или федеральное правительство могло бы навязать местным органам власти. Мы хотели, чтобы это стало решением, с которым согласны все. Поэтому нам фактически пришлось создать условия, при которых существовала бы действительно хорошо интегрированная вертикальная система общественного здравоохранения.

Затем мы рассматриваем такие вопросы, как, например, что означает согласие сообщества. Как определить, что такое сообщество? На данном этапе мы определяем сообщество как всех людей, которые подвергаются или потенциально могут подвергнуться непосредственному воздействию в результате проводимой нами работы.

Но этот поворот оказывается не таким уж простым: необходимо определить, что именно означает получение согласия сообщества в тех обстоятельствах, когда вы стремитесь его достичь. Достаточно ли одного голоса «против», чтобы остановить процесс? Подобные вопросы должны быть детально проработаны.

Таким образом, это некоторые из этических проблем, с которыми мы сталкиваемся. Однако одна из наших основных задач в этой работе — обеспечить с самого начала полноценное участие людей на полевом объекте в наших обсуждениях и усилиях. Чтобы этого добиться, например, мы создали веб-сайт, доступный для всех, и обеспечили полное взаимодействие наших потенциальных лабораторий-партнеров с людьми на полевом объекте, чтобы они были частью процесса планирования и реализации.