4.2.2.9. Лечение наследственных метаболических заболеваний [1289; 1057; 1058]

Общие принципы. В прошлом констатация наследственного характера признака подразумевала, что такой признак нельзя изменить путем внешних воздействий. Поэтому считалось, что наследственные болезни невозможно лечить. Многие врачи и психиатры полагали, что роль генетики в развитии медицины незначительна. Ошибочность подобной точки зрения становится ясной при изучении врожденных дефектов метаболизма. Наши возможности повлиять на заболевание или на аномалию поведения зависят часто не от того, наследуются они или нет, а от глубины наших знаний о механизмах развития патологии.

Повлиять на наследуемые признаки можно в принципе на всех уровнях действия гена. Теоретически, наиболее полным было бы воздействие на уровне генетического материала - ДНК. Впервые перенос ДНК неполовым путем с помощью бактериофага (или другими способами) был продемонстрирован для бактерий. В настоящее время такой перенос становится возможным для высших организмов, включая клетки человека. Методы генной инженерии привлекли внимание широкой общественности, однако без достаточных оснований акцент в публикациях делался на клонировании и создании искусственных людей. В результате многие были напуганы последствиями генетических исследований человека вообще. В действительности же генная терапия некоторых менделирующих заболеваний в будущем может стать очень эффективной. В таком случае она займет достойное место в ряду различных терапевтических средств. Эту тему мы более подробно обсудим дальше, в разделе 9.2, посвященном генетическому будущему человечества.

В некоторых случаях, вероятно, проще заменить не сами гены, а их непосредственные продукты, мРНК. В настоящее время примеры удачного применения такого подхода неизвестны. Значительно дальше исследователи продвинулись в попытках заместительной терапии с использованием ферментов или других белков. Часто метаболические последствия генетического блока удается преодолеть путем соответствующего воздействия извне. Классический пример такого подхода - лечение фенилкетонурии диетой с ограниченным содержанием фенилаланина - обсуждался в разд. 4.2.2.7. В других случаях клинические последствия связаны не с накоплением метаболитов, предшествующих блокированному этапу, а с отсутствием метаболита, следующего после него. В такой ситуации может оказаться полезным добавление к пище отсутствующего метаболита.

Наконец, возможно успешное лечение многочисленных вторичных последствий генетических заболеваний от исправления нарушений эндокринной регуляции, вызванных блоком синтеза гормонов, до переливания крови при наследственной анемии. Краткая сводка существующих терапевтических возможностей приведена на рис. 4.28. Ниже будут рассмотрены многочисленные примеры. Более полный обзор дан в [1058].

Заместительная белковая или ферментная терапия. Классический пример лечение гемофилии А. Фактор VIII при активности в 30-40% от средней для нормы останавливает кровотечение. Такой уровень активности может быть достигнут инъекциями этого фактора. Его концентрат готовят из крови человека. Доступность концентрата сделала возможным лечение кровотечений в домашних условиях; больные гемофилией могут вести почти нормальную жизнь. Проблемы возникают в связи с тем, что для приготовления достаточных количеств требуемого препарата необходимо большое количество донорской крови [428]. В настоящее время уже сделаны первые и решающие шаги, направленные на получение чистых препаратов фактора VIII методами генетической инженерии: соответствующий ген уже клонирован, достигнута его экспрессия (в составе плазмиды) в культуре трансформированных клеток.

Другим примером может служить лечение препаратами псевдохолинэстеразы больных с нарушенной активностью этого фермента [1105]. Отметим два благоприят-

62 4 Действие генов

Рис. 4.28. Возможные пути исправления наследственных нарушений метаболизма Введение в организм ДНК или РНК не дает положительного результата Эффективна заместительная ферментная терапия Вторичные эффекты нарушения работы ферментов можно преодолеть добавлением нормального метаболита или удалением избытка субстрата или метаболита

ных фактора, облегчающих коррекцию данной патологии

1 Недостаточность псевдохолинэстеразы не оказывает вредного воздействия в нормальных условиях, профилактическое лечение требуется только тогда, когда больному вводят мышечные релаксанты, т е при серьезных операциях

2 После инъекции нормальной плазмы активность фермента уменьшается в два раза в течение 12 часов Таким образом, для проведения операции достаточно одной инъекции

При первых попытках лечения в качестве источника фермента использовали плазму здорового человека, но вскоре стало очевидно, что очищенные препараты фермента обладают явными преимуществами Как показано на рис 4 29, необходимый уровень фермента поддерживается достаточно долго после инъекции и нормализует длительность релаксации мышц

Ферментная терапия других наследственных заболеваний пока не вошла в каждодневную врачебную практику, хотя предварительные исследования оказались довольно успешными, например в случае болезни Гоше, при которой внутривенно вводили недостающую глюкоцереброзидазу (23080, [1056]) Как правило, заместительная терапия при заболеваниях, вызванных ферментной недостаточностью, требуется в течение всей жизни В связи с этим возникают следующие проблемы

4 Действие генов 63

Рис. 4.29. Влияние инъекций псевдохолинэстеразы (препарат обогащен в 1300 раз) на продолжительность остановки дыхания и активность этого фермента по отношению к двум субстратам: бензоилхолину и сукцинилдихолину На рисунке представлены результаты обследования трех индивидов с атипичными ферментами до лечения (I) и через десять минут после инъекции (II). После инъекции активность фермента возрастает. Это ведет к уменьшению времени остановки дыхания [196]. Высота белых и черных столбиков отражает изменения в активности.

а) фермент удаляется из организма довольно быстро, необходимо постоянное поддержание его уровня;

б) если вводимый фермент будет воспринят иммунной системой как чужеродный белок, антитела сделают инъецируемый материал биологически неэффективным.

Существуют различные способы преодоления подобных препятствий. Для получения ферментов, которые синтезируются в клетках человека и потому являются наиболее предпочтительными для терапии, необходимы очень большие объемы клеточных культур. Источником ферментов может служить также плацентарный материал. Ферментативный дефект при мукополисахаридозе типа Хурлера (разд. 4.2.2.3) удается временно компенсировать переливанием лейкоцитов [1168], а при болезни Хантера пациентам имплантируют культивированные in vitro фибробласты близких родственников [1052]. В обоих случаях достигается временное снижение количества накопленного метаболита. Недавние достижения в этой области подробно обсуждаются в других обзорах [1057; 1058]. Если фермент вводить в составе полупроницаемых микрокапсул, доступ к нему возможных антител будет затруднен, в то время как субстрат, молекулы которого обладают обычно гораздо меньшей молекулярной массой, сможет проникнуть внутрь капсулы [983].

Для ферментов, поглощаемых клетками, таких, как ферменты лизосом, которые участвуют в катаболизме гликозаминогликана (разд. 4.2.2.3), можно применять внутривенное введение без использования капсул. В заключение отметим, что заместительная терапия при заболеваниях, вызванных дефектами ферментов, не всегда возможна и эффективна. Более плодотворным нам представляется подход, который подразумевает воздействие на метаболические последствия ферментативных дефектов.

Изменение факторов внешней среды удаление метаболита перед блокированным этапом. Метаболит, являющийся субстратом дефектного фермента и накапливающийся перед блокированным этапом метаболического пути, достаточно просто удалить, если он не синтезируется в организме, а поступает с пищей. Мы уже говорили об этом в случае фенилкетонурии. В качестве другого примера можно привести галактоземию, которая возникает из-за недостаточности одного из трех ферментов, превращающих галактозу в глюкозу. При этом заболевании удалить накапливающийся субстрат проще, поскольку галактоза содержится почти исключительно в молоке. Проблема усложняется, если вредный метаболит нельзя удалить, не нарушив тем самым нормальной функции организма.

В некоторых случаях субстрат дефектного фермента в норме образуется непосредственно в организме. В качестве примера можно опять привести мукополисахариды: они постоянно синтезируются и нужны для многих структурных элементов организма. В такой ситуации небольшое снижение синтеза может замедлить развитие заболевания, а иногда даже помочь

64 4. Действие генов

организму справиться с ним благодаря использованию остаточной активности фермента или альтернативного метаболического пути. Описаны случаи, когда нарушение ферментативной активности фенотипически проявляется не в накоплении метаболита перед блокированным этапом, а в отсутствии метаболита после него.

Изменение факторов внешней среды: замещение метаболита после блокированного этапа. Терапия такого типа широко применяется при нарушениях синтеза гормонов. Этой теме посвящено несколько недавних обзоров [171; 1288; 1243]. Упомянем также болезни накопления гликогена (типы I и III).

В этом случае большая часть клинических симптомов обусловлена не собственно накоплением гликогена, а невозможностью его расщепления до глюкозы, что ведет к хронической гипогликемии. Лечение внутривенными инъекциями глюкозы столкнулось бы с непреодолимыми трудностями и, кроме того, привело бы к еще большему накоплению гликогена. Поэтому было предложено хирургическое вмешательство с целью формирования пути, позволяющего крови миновать печень; в результате поступающая из кишечника кровь содержит глюкозу в достаточной концентрации. Создание шунта между портальной и нижней полой венами позволяет большей части крови миновать печень и транспортировать глюкозу непосредственно к сердечной мышце и к другим органам. После этой операции в состоянии больных наблюдается явное улучшение [1131].

Другим примером может служить оротовая ацидурия, описанная в разд. 4.2.2.4. Избыток оротовой кислоты сам по себе не вызывает заметных вредных последствий, однако, недостаток уридинсодержащих соединений приводит к нарушению синтеза нуклеиновых кислот, что влечет за собой мегалобластную анемию и, кроме того, серьезную задержку роста. Добавлением уридина к пище удается восполнить недостаток метаболита и предотвратить проявление клинических симптомов заболевания.

Удаление метаболита, предшествующего блокированному этапу, и добавление метаболита, следующего за блоком. При заболеваниях, связанных с накоплением гликогена, повышение концентрации глюкозы (которая образуется в блокированной реакции благодаря тому, что кровь частично минует печень) приводит одновременно к уменьшению накопления гликогена. При других болезнях клинические симптомы обусловлены обоими механизмами, что приводит к усложнению терапии. Примером может служить гомоцистинурия [23620], причиной которой является нарушение цистатионин - синтазы (рис. 4.30). Гомоцистеин образуется из метионина, поступающего с пищей. Поэтому необходимо уменьшить количество потребляемого метионина. Но поскольку метионин, как и фенилаланин, принадлежит к числу незаменимых аминокислот, его нельзя полностью исключить. Важно также, что в нормальных условиях из метионина образуется цистеин (рис. 4.30). Для гомоцистинурии характерно большое число симптомов. Многие из них вызваны недостатком цистеина; поэтому диета включает повышенное количество цистеина. При другом типе гомоцистинурии помогают терапевтические дозы витамина В₆, который является коферментом цистатионин - синтазы.

Лечение путем устранения побочных эффектов метаболических заболеваний. В настоящее время большинство наследственных болезней, поддающихся лечению, лечат именно этим способом. При таком подходе не требуется точного знания патофизиологических и генетических механизмов. Например, мы почти ничего не знаем о биохимических причинах полидактилии, «заячьей губы» или «волчьей пасти». Но это не мешает успешно оперировать таких больных. Очень мало известно о биохимических основах психических болезней (разд. 8.2.3.6). Тем не менее для лечения больных, страдающих шизофренией или эмоциональными расстройствами, оказалось возможным подобрать чисто эмпирическим путем вполне адекватный способ медикаментозного лечения. Во всех областях медицины большая часть методов

4. Действие генов 65

Рис. 4.30. Образование цистеина из метионина. При гомоцистинурии цистатионин-синтаза неактивна. Это ведет к увеличению количества гомоцистеина и гомоцистина с одной стороны, и к недостатку цистеина с другой.

лечения (включая успешные) основана на эмпирических выводах независимо от того, каким в действительности является вклад генетической компоненты в развитие заболевания. В настоящее время наши возможности лечения наследственных болезней не очень велики [1045]. Впрочем, этот вывод можно отнести к большинству заболеваний.

Главная цель медико-биологических исследований - терапевтическое вмешательство, основанное на детальных знаниях патофизиологических механизмов. В качестве примера приведем группу адреногенитальных синдромов, обусловленных дефектами ферментов, участвующих в синтезе стероидных гормонов надпочечников. Установлено, что при нарушении синтеза кортизола (17-оксикортикостерона) блокирована нормальная обратная связь, подавляющая образование АКТГ в гипофизе, который стимулирует образование в большом количестве 17-кетостероидов из 17-оксипрогестерона. Кетостероиды в свою очередь стимулируют развитие половых признаков и ведут к маскулинизации больных женщин. Добавление кортизола восстанавливает цикл обратной связи, снижается образование АКТГ и, вследствие этого 17-кетостероидов, что предотвращает маскулинизацию (рис. 4.31). Диета при болезнях метаболизма и общий генотрофический принцип. При многих болезнях метаболизма фенотипических последствий ферментативного дефекта можно избежать, если соответствующим образом изменить диету. Только в силу редкости подобных состояний их относят к патологии: если бы подобные ферментативные нарушения обнаруживались у большей части населения, мы изменили бы соответственно свои привычки в еде, и то, что сейчас считается дефектом, рассматривалось бы как норма. Примером может служить сниженное всасывание лактозы, содержащейся в молоке, характерное для большинства лиц восточного происхождения, негров и многих европейцев. Потребление больших количеств молока и молочных продуктов вызывает у таких дефектных по лактазе больных метеоризм и чрезмерно повышенную перистальтику. У большинства людей, происходящих с северо-запада Европы, такие проблемы не возникают, поскольку уровень лактазы у них достаточно высок (разд. 7.3.1; [1924; 1922]).

В разд. 4.2.2.5 были описаны патологические состояния, вызванные нарушениями всасывания, переработки и утилизации предшественников коферментов (витаминов). Эти болезни можно лечить необычно высокими дозами конкретных витаминов. Однако с эволюционной точки зрения даже нормальная потребность в витаминах может рассматриваться как множественная

66 4 Действие генов

Рис. 4.31. А. Механизм отрицательной обратной связи между гипофизом и корой надпочечников. Кора надпочечников стимулируется гипофизарным гормоном АКТГ (АСТН), конечный продукт синтеза кортикостеронов - кортизол - ингибирует образование АКТГ, в то же время гонады стимулируются гормоном ФСГ (FSH) до тех пор, пока продуцируемые ими андрогены (или эстрогены) не ингибируют образование ФСГ Б. При адреногенитальном синдроме образование кортизола ингибируется вследствие генетического дефекта. Это оказывает двоякое воздействие на гипофиз. Образование АКТГ не ингибируется. Аномально высокое содержание АКТГ ведет к образованию избытка предшественников кортизола, которые подавляют образование ФСГ из-за их химического сходства с андрогенами. В результате происходит маскулинизация женщин. Введение кортизола восстанавливает нормальную обратную связь.

генетически обусловленная недостаточность, поскольку и Neurospora crassa, и Е coli способны синтезировать практически все витамины. L-аскорбиновая кислота (витамин С) играет роль мощного восстановителя в метаболизме млекопитающих и синтезируется почти всеми видами, за исключением человека, высших приматов и морских свинок Люди нуждаются в постоянном «лечении с помощью замещения», которое, к счастью, обеспечивается нормальным питанием Однако в исключительных ситуациях, например, в дальних плаваниях прошлых столетии, когда пища не содержала достаточного количества витамина С, развивалась цинга.

Другие метаболические пути, утраченные в ходе эволюции,-это пути синтеза так называемых, незаменимых аминокислот Для некоторых бактерий и грибов эти незаменимые для нас аминокислоты таковыми вовсе не являются, а могут синтезироваться из простых источников азота, таких как аммиак

До сих пор мы рассматривали диетическое лечение в основном редких, наслед-

4. Действие генов 67

ственных вариантов с ярко выраженными эффектами. Однако даже при простом измерении концентрации фенилаланина в сыворотке, кроме крайних, классических случаев ФКУ, обнаруживаются случаи легкой гиперфенилаланинемии. Для поддержания «нормального» в обычном понимании этого слова развития таким людям не нужно придерживаться специальной диеты. Однако имеются данные, указывающие на несколько повышенную подверженность болезням гетерозигот, у которых снижена активность фенилаланингидроксилазы. Если это подтвердится, можно будет сказать, что такая чувствительность зависит от количества избыточного фенилаланина, остающегося после удовлетворения нужд синтеза белка.

В разд. 6.1.2 мы обсудим генетический полиморфизм. Установлено, что треть всех находящихся в крови человека ферментов встречается в различных молекулярных формах, часто с неодинаковой активностью. Это означает, что метаболические пути слегка отличаются у разных индивидов (за исключением однояйцевых близнецов), т.е. человек «биохимически индивидуален» [225]. Одна из особенностей такой индивидуальности заключается в том, что для оптимального развития пищевые потребности разных людей могут слегка отличаться. Этот «генотрофический принцип» является частью взаимной адаптации индивида, его конкретной генетической конституции и окружающей его среды.