Одна неприметная с виду бурая корова с юга Бразилии, похоже, вошла в историю как первая генно-модифицированная корова, способная обеспечивать человеческий род инсулином с помощью своего молока. Прогресс, достигнутый исследователями из Университета Иллинойса и Университета Сан-Паулу, уже окрестили предвестником новой эры в производстве инсулина и борьбе с диабетом.
«Просто Мария», или Буренка обыкновенная
По статистике ВОЗ, только половина из почти 200 млн человек в мире, нуждающихся в инсулине, получают его в необходимом для контроля прогрессирования своей болезни количестве. В странах с низким и средним уровнем доходов лечение остается труднодоступным, поэтому ученые ищут более простые и экономически привлекательные стратегии для решения проблемы.
В анализе, опубликованном в 2021 году в журнале The Lancet, сообщалось, что в мире живет 529 млн человек с сахарным диабетом, а к 2050 году число таких пациентов возрастет почти до 1,5 млрд.
В исследовании, опубликованном в журнале Biotechnology Journal, специалисты из США и Бразилии подробно описали, как им удалось получить корову, которая производит молоко с белком-предшественником инсулина — проинсулином.
В организме инсулин начинает свою «жизнь» в виде белкового предшественника, проинсулина, вырабатываемого в бета-клетках поджелудочной железы, прежде чем преобразуется в активную форму. Инъекционный инсулин, который сегодня используют диабетики, производится путем введения лабораторной формы гена человеческого инсулина в ДНК бактерий. Помещенные в большие ферментационные емкости, бактерии применяют этот ген для производства человеческого инсулина, который затем собирается и очищается с целью использования в качестве лекарства.
«Но ведь мать-природа создала еще одну железу как фабрику по производству белка, причем очень и очень эффективно. Обладая арсеналом генной инженерии, мы решили воспользоваться преимуществами самой совершенной природной системы», — прокомментировал старший автор исследования Мэтт Уиллер.
Ученые ввели фрагмент человеческой ДНК, кодирующий проинсулин, в клеточные ядра 10 коровьих эмбрионов. Генетическая модификация была нацелена на экспрессию только в ткани вымени. Затем эмбрионы были имплантированы в матки обычных коров, и на свет появился один генно-модифицированный теленок.
«Еще не так давно мы просто вводили ДНК и надеялись, что она будет экспрессироваться там, где нужно, — объясняет Мэтт Уиллер. — Сегодня благодаря современным технологиям мы можем быть гораздо более стратегическими и целенаправленными. Использование ДНК-конструкции, специфичной для тканей молочной железы, означает, что человеческий инсулин не будет циркулировать в крови или других тканях животного. Это также позволяет использовать возможности молочной железы по производству большого количества белка».
Когда корова достигла зрелости, команда стимулировала ее первую лактацию с помощью гормонов. Молоко появилось, правда, в меньшем количестве, чем после обычной беременности. Тем не менее в молоке был обнаружен человеческий проинсулин и, что еще более удивительно, — инсулин. «Наша цель состояла в том, чтобы произвести проинсулин, очистить его до инсулина и двигаться дальше, но коровы все сделали за нас», — говорит Мэтт Уиллер.
Соотношение активного инсулина к проинсулину в молоке коровы составило примерно 3:1.
Все в мире циклично
Инсулин и проинсулин, которые необходимо выделять и очищать для использования, содержались в молоке в количестве нескольких граммов на литр. Но поскольку лактация была вызвана гормональными препаратами, а объем молока оказался меньше ожидаемого, команда не может точно сказать, сколько инсулина может вырабатываться при обычной лактации. Тем не менее ученые произвели некоторые подсчеты. Если корова вырабатывает 1 грамм инсулина на литр молока, а типичная голштинская порода, которая дает больше молока, чем любая другая порода молочных коров, производит от 40 до 50 литров в день, то получается очень много инсулина. Особенно если учесть, что одна международная единица (МЕ) — это биологический эквивалент 0,0347 мг чистого кристаллического инсулина. То есть каждый грамм эквивалентен 28 818 МЕ инсулина, и это только в расчетах на один литр.
Человек с диагнозом СД 1-го типа принимает около 9 единиц инсулина за прием пищи. Если использовать верхнюю дозу в 10 единиц, то, по расчетам ученых, литр ГМО-молока способен обеспечить условного диабетика инсулином на 2 881 прием пищи — почти на 8 лет вперед.
В некотором смысле ученые прошли полный круг. В январе 1922 года во время клинических испытаний в Университете Торонто, когда 14-летний Леонард Томпсон умирал от диабета и родители дали согласие на использование нового метода, канадский физиолог Фредерик Бантинг впервые сделал человеку инъекцию говяжьего (бычьего) инсулина, выделенного из поджелудочной железы животного.
Производство бычьего инсулина было прекращено в США только в 1998 году, свиного — в 2006-м.
Сейчас ученые намерены вырастить следующее поколение ГМО-коров. Их задача — добиться у животных нормальных беременности и лактации и создать специальное стадо, производящее инсулин. По словам Уиллера, даже небольшое ГМО-стадо может быстро превзойти все существующие методы производства инсулина — модифицированные дрожжи и бактерии — и сделать это без необходимости создания высокотехнологичных объектов или инфраструктуры. В перспективе, по подсчетам авторов, стадо из 100 голов сможет обеспечить потребности в инсулине для всех американцев. А более крупное стадо, наверное, могло бы производить весь мировой запас за год.
Правда, прежде чем генно-модифицированные коровы начнут снабжать инсулином всех диабетиков в планетарном масштабе, потребуется множество исследований, создание эффективной системы сбора и очистки, а также одобрение не только Управления по контролю за качеством пищевых продуктов и лексредств США, но и множества других надзорных органов по всему миру...