Генна терапія в бодібілдингу

Генна терапія, що сприяє збільшенню м'язової маси в людей похилого віку, тільки прокладає собі дорогу, а спортсмени вже подумують про те, щоб використовувати це досягнення науки у своїх цілях.

Про автора

Чи Суини - професор, завідувач кафедрою Медичної школи Пенсильванского університету, член наукової ради при Національному інституті по вивченню артриту й хвороб кістково-м'язового апарата, директор по науковій частині Програми допомоги батькам, чиї діти хворі м'язовою дистрофією.

Олімпійські ігри, що пройшли в серпні в Греції, ще раз продемонстрували прихильність людства традиціям, початок яким було покладено в цій країні більше двох тисяч років тому. Спортсмени світового рівня суперничали в силі, витривалості, спритності, умінні стрибати вище всіх і бігати швидше всіх, але нерідко результат змагань залежав від речей, досить далеких від древніх олімпійських традицій. Мова йде про допінг, що, незважаючи на численні скандали, став невід'ємною частиною спортивного життя. Коли вищою метою є олімпійська медаль, деякі спортсмени не зупиняються ні перед чим, щоб обійти суперників на частки секунди або на десяті сантиметра.

Керівники спортивних федерацій стурбовані можливою появою особливо витончених форм допінгу, які буде неможливо виявити, і тоді ситуація вийде з-під контролю. Незабаром почнуться клінічні випробування нових терапевтичних методів відновлення ушкоджених м'язів у людей, що страждають м'язовими захворюваннями. Один з них заснований на введенні в організм хворого синтетичного гена, що повинен функціонувати багато років, поставляючи будівельний матеріал для м'язової тканини, неотличимий від природного.

Однак генна терапія, здатна змінити життя людей похилого віку й хворих м'язовою дистрофією, зацікавила й деяких спортсменів, схильних до застосування допінгу. Продукти синтетичних генів ідентичні природним компонентам і присутні тільки в м'язовій тканині, не потрапляючи в кровоток, а тому їх не можна виявити в пробах крові або сили. Всесвітній антидопінговий комітет (World Anti-Doping Authority, WADA) уже звернувся до вчених із проханням призупинити проникнення генної терапії в сферу спорту.

Чи може генна терапія стати високотехнологичним способом шахрайства в спорті? Звичайно так. Чи наступлять часи, коли вона стане загальнодоступної й маніпулювання генами для поліпшення спортивних показників набуде широкого застосування? Можливо. Так чи інакше, не виключено, що Олімпійські ігри в серпні цього року були останніми, у яких не брали участь спортсмени, зобов'язані своїми досягненнями генному допінгу.

Втратити, щоб придбати

До досліджень, пов'язаним з розробкою генетично обумовлених методів нарощування м'язової маси, мене підштовхнули спостереження за членами моєї родини, багато хто з яких благополучно дожили до 90 років. Стан їхнього здоров'я був цілком стерпним, але вони постійно почували слабість. Справа в тому, що у восьмидесятилітніх м'язова маса й сила м'язів зменшується на 1/3 у порівнянні із тридцятирічними.

У нашім тілі є три типи м'язів: гладкі, утворюючі стінки внутрішніх органів (наприклад, шлунково-кишкового тракту), кістякові (ми називаємо їхніми мускулами) і серцевий м'яз. Кістякові м'язи раніше інших виходять із ладу. З віком людині стає сутужніше зберігати рівновага, вона частіше падає. А якщо при падінні відбувається перелом стегнового суглоба, те хворому доводиться дотримувати постільного режиму, і м'яза слабшають остаточно.

Вікові зміни кістякових м'язів характерні для всіх ссавців і пов'язані з нездатністю старіючого організму ліквідувати ушкодження, що накопичуються при природних навантаженнях. Цікаво, що ці модифікації нагадують функціональні й фізичні порушення, що спостерігаються при захворюваннях під загальною назвою м'язова дистрофія (МД), хоча відбуваються вони набагато повільніше.

Огляд

Процеси росту м'язів і усунення виникаючих у них ушкоджень регулюються особливими сигнальними молекулами, утворенням яких управляють специфічні гени. М'язову тканину, втрачену з віком або в результаті захворювання, можна відновити, якщо ввести в організм ген, відповідальний за підвищення або зниження рівня відповідних сигнальних молекул.

Спортсмени можуть використовувати цей метод для нарощування м'язів, підвищення їхньої пружності й міцності, причому подібний допінг неможливо виявити. Коли генна терапія ввійде в повсякденну практику, запобігти зловживанню нею буде вкрай важко. Одна з найбільш серйозних і часто, що зустрічаються форм, МД - м'язова дистрофія Дюшенна. Це спадкоємне захворювання, пов'язане з мутацією в гені білка дистрофина, що захищає м'язові волокна від ушкоджень, що виникають при їхній роботі. Звичайно м'язи добре справляються з такими деформаціями, але під час відсутності дистрофина регенеративні системи організму не встигають їх ліквідувати, і процеси репарації вповільнюються. У результаті й при м'язовій дистрофії Дюшенна, і при старінні м'язові волокна відмирають і заміняються фіброзною або жировою тканиною.

На відміну від цього, зменшення маси кістякових м'язів у космонавтів, тривалий час, що перебувають в умовах невагомості, і в лежачих хворих обумовлюється повним вимиканням процесів регенерації й росту м'язів, а також одночасним прискоренням апоптоза (запрограмованої загибелі кліток). Цей феномен, відомий за назвою дисфункциональной атрофії, до кінця не вивчений. Метаболические процеси в кістякових м'язах дуже енергоємні, організму вигідно підтримувати строга відповідність між розмірами м'язів і їхньою активністю, для того щоб не витрачати енергію впустую. Кістякові м'язи вкрай чутливі до зміни функціональних вимог. При тривалій відсутності фізичного навантаження вони истончаются, а якщо навантаження занадто велике, гіпертрофуються. Фізична діяльність запускає в них цілий каскад сигнальних механізмів, і в результаті зростає маса волокон, а у виняткових випадках формуються нові.

Щоб впливати на ріст м'язів, потрібно мати подання про процеси їхнього нарощування й втрати на молекулярному рівні. На відміну від типової тваринної клітки, у цитоплазмі якої перебуває тільки одне ядро, м'язова клітка являє собою довгий циліндр, що містить кілька ядер, а крім того, у її цитоплазмі присутні численні волокна - миофибрилли. Вони, у свою чергу, складаються з товстих і тонких ниток, які, перекриваючись, утворять основний скорочувальний елемент м'язової клітки - саркомер. Укорочення саркомеров приводить до скорочення м'язів, що виникає при цьому напруга може стати причиною ушкодження волокон, якщо білок дистрофин (який не виробляється в організмі хворих м'язової дистрофії Дюшенна) не відводить надлишок енергії через клітинну мембрану назовні.

Але деформація з'являється в м'язах і в присутності дистрофина. Прийнято вважати, що єдиний спосіб наростити м'яза й зміцнити їх - це фізичні вправи. При більших навантаженнях у волокнах виникають мікроскопічні розриви, що провокують утворення специфічних хімічних речовин - сигналів тривоги. Вони запускають в організмі процес регенерації тканин, що у цьому випадку полягає не в утворенні нових м'язових волокон, а в ремонті клітинної мембрани ушкоджених волокон і наповненні клітки новими миофибриллами. Для цього повинна відбутися активація відповідних генів у ядрах м'язової клітки, а коли потреба в нових миофибриллах дуже велика, наявних ядер може виявитися недостатньо, і клітці потрібна допомога.

На її заклик відгукуються клітки-сателіти. Спочатку відбувається швидкий розподіл специфічних стовбурних кліток, що перебувають у м'язах, потім їхні нащадки зливаються з волокном і передають м'язовим кліткам свої ядра. У регуляції процесу беруть участь фактори, що сприяють росту м'язів і протидіють йому. Стимулятором росту служить инсулиноподобний фактор росту I (invisible growth factor I ( IGF-I), а інгібітором - білок миостатин.

Разом з колегами з Пенсильванского університету й Надею Розенталь (Nadia Rosental) з Гарвардського університету сім років тому ми вирішили з'ясувати, чи можна використовувати IGF-I для зміни функціонування м'язів. Нам було відомо, що якщо просто иньецировать у м'язи IGF-I, те через кілька годин він зникає. Але якщо ввести в клітку ген, що кодує цей фактор, то він буде працювати доти, поки функціонує клітка, і забезпечувати її необхідними миофибриллами. Можливо, введення однієї дози IGF-I-Гена вистачило б літній людині на все життя, що залишилося. Основна проблема полягає в адресній доставці IGF-I-Гена.

Доставка генів

Як і більшість інших дослідників, ми використовували як переносники (векторів) генів вірусні частки. Вони проникають у клітки організму-хазяїна й включають свій генетичний матеріал у клітинний геном, але до пори до часу ніяк себе не проявляють, виступаючи в ролі біологічного Троянського коня. У якийсь момент вірусні гени активуються й починають реплицироваться, використовуючи клітинний апарат для виробництва своїх білків. Фахівці з генної терапії експлуатують цю здатність вірусів, для чого включають у їхнім геном потрібний ген і видаляють ті, які відповідають за патогенність вірусу.

Як вектор був узятий малюсінький аденоассоциированний вірус (AAV), що легко проникає в м'язові клітки людини й не викликає при цьому ніяких захворювань. У його геном ми включили синтетичний IGF-I-Ген, що функціонує тільки в кістякових м'язах. Введення рекомбинантного вірусу молодим мишам привело до збільшення в них сумарної довжини м'язів і підвищенню швидкості нарощування м'язової маси на 15-30%, при тім що гризуни вели малорухомий спосіб життя. Потім ми ввели IGF-I-Ген дорослим мишам і тривалий час спостерігали за ними. Виявилося, що в них з віком м'яза не втрачали своєї сили.

Для перевірки безпеки такого підходу Розенталь створила трансгенних мишей, у яких IGF-I утворювався в надлишковій кількості у всіх кістякових м'язах. Тварини розвивалися нормально, тільки маса кістякових м'язів була в них вище норми на 20-50%. Коли миші зостарилися, виявилося, що їхнього м'яза такі ж сильні, як у молодих гризунів. Не менш важливим було й те, що підвищений рівень IGF-I відзначався тільки в м'язах, а в крові залишалося нормальним (збільшення концентрації циркулюючого в організмі IGF-I негативно позначається на роботі серця й збільшує ймовірність онкологічних захворювань). Наступні експерименти показали, що при утворенні IGF-I у надлишковій кількості ушкодження в м'язах усуваються швидше навіть у мишей із серйозними формами м'язової дистрофії.

Можливість локального утворення IGF-I дозволяє досягти заповітної мети при лікуванні хвороб, пов'язаних з м'язовим виснаженням, - розриву тісного зв'язку між м'язовим навантаженням і їхніми розмірами. Подібна імітація фізичних вправ таїть у собі багато привабливого для професійних спортсменів. Якщо генноинженерним способом удалося досягти збільшення м'язової маси в молодих тварин, ведучих малорухомий спосіб життя, то чому б не використовувати цей метод для розвитку мускулатури в активних, здорових індивідів?

Співробітники моєї лабораторії иньецировали рекомбинантний аденовірус, що несе ген білка IGF-I, у м'язи однієї задньої кінцівки кожної з лабораторних пацюків і потім протягом восьми днів піддавали їхнім навантаженням. До кінця експерименту м'яза лабети, куди була зроблена ін'єкція, стали вдвічі сильніше й згодом втрачали силу набагато повільніше, ніж м'яза другої задньої кінцівки. Навіть у пацюків, що не одержували навантажень, після ін'єкції спостерігалося 15%-ное збільшення сили м'язів - у повній відповідності з тими даними, що були отримані нами в досвідах на мишах. Зараз ми збираємося провести аналогічні дослідження на собаках - відомо, що одна з порід, мисливська пошукова, піддана особливо важкій формі м'язової дистрофії.

Що стосується людини, то про застосування генної терапії з використанням рекомбинантних аденоассоциированних вірусів можна буде говорити не раніше, ніж через 10 років. По-перше, потрібно зрозуміти, чи безпечний цей метод, а по-друге, неясно, куди краще вводити вірус - у кров або безпосередньо в м'язову тканину. Поки ж плануються випробування на людині методів переносу генів для заміни дефектного гена дистрофина, а Асоціація по дослідженню м'язової дистрофії незабаром приступиться до клінічних випробувань способу лікування миотонической дистрофії (патології, що проявляється тривалим м'язовим скороченням), заснованого на ін'єкціях IGF-I.

Можливо, удасться досягти успіхів, використовуючи препарати, що блокують дію миостатина - білка, що участвуют у регуляції росту й розвитку м'язів протягом всього життя тварин починаючи з ембріональної стадії. У нормі він діє як гальмо, не допускаючи надмірного розвитку м'язової тканини, а коли навантаження зменшується, запускає процес атрофії. Як показують досвіди на трансгенних мишах, під час відсутності цього фактора стримування росту спостерігається помітне збільшення як числа м'язових волокон, так і всієї м'язової маси.

Не тільки збільшення м'язової маси

Фармацевтичні й біотехнологічні компанії працюють сьогодні над створенням відразу декількох інгібіторів миостатина, що може сприяти підвищенню м'ясистості худоби.

Перші миостатин- препарати, щоблокують, являли собою антитіла до миостатину. Незабаром почнуться клінічні випробування одного з них на хворих м'язовою дистрофією Дюшенна. Інший підхід складається в імітації специфічної мутації в геноме тварини шляхом введення в його організм укороченого миостатина, що не має властивими нормальній молекулі сигнальними функціями, але розпізнає структури, що примикають до кліток-сателітам, зв'язується з ними й робить недоступними для нормального миостатина. Показано, що ін'єкція вкороченої версії даного білка (пептиду) у м'язи приводить до їхньої гіпертрофії. Тепер ми збираємося ввести синтетичний ген, що кодує цей пептид, собакам.

Метод блокування миостатина також становить великий інтерес для спортсменів, що бажають швидко наростити м'язову масу. Звичайно, у цьому випадку адресна доставка відповідних препаратів неможлива, оскільки їхня дія носить системний характер. Зате не виникає проблем із прийомом, що до того ж при необхідності можна припинити. Однак подібні речовини легко виявити в організмі спортсмена, зробивши аналіз крові, що досить небажано для людини, що їх приймає.

Інша справа - генна терапія. Продукт синтетичного гена не виходить за межі м'язової тканини й не відрізнимо від свого природного аналога. Щоб виявити сам ген або несучий його вектор, потрібно взяти м'язовий биоптат і провести Днк-аналіз. Але багато вірусів (у тому числі аденоассоциированний вірус, що ми використовували як вектор у своїх експериментах) у нормі присутні в організмі людини, так що тест тільки на їх ДНК нічого не дасть. До того ж не всякий спортсмен погодиться на инвазивное тестування перед змаганнями.

Але чи безпечно для організму людини швидке збільшення м'язової маси на 20-40%? чи Витримають таке навантаження зв'язування й кістки? Це ж питання виникає, коли мова йде про людей похилого віку, кісткова тканина яких втрачає міцність у результаті остеопороза. Можливо, у молодих, що займаються спортом людей кісткова система встигне адаптуватися до нових умов за кілька тижнів або місяців, але так чи інакше до рішення проблеми безпеки нових методів швидкого нарощування м'язової маси про їхнє застосування говорити не можна.

Однак необхідно усвідомлювати тім, що як тільки методи генної терапії ввійдуть у клінічну практику, генний допінг стане частиною спортивного життя, при цьому просте нарощування м'язової маси - це лише один з аспектів його застосування (див. мал. на стор. 31). Так, бігунам на короткі дистанції важливіше не наростити мускулатуру як таку, а збільшити число швидких м'язових волокон, а спортсменам-марафонцам - підвищити витривалість м'язів.

Збільшення маси - швидше за все лише перша мета, що будуть переслідувати спортсмени, прибігаючи до генної терапії. Витривалість учасників змагань залежить крім усього іншого від ефективності постачання тканин киснем. Утворення в організмі людини еритроцитів (кліток крові, що переносять кисень) стимулюється білком еритропоетином. Його синтетичний аналог, епоетин (Epoietin, EPO), був створений для лікування анемії, але його як допінг використовують і спортсмени. Найвідоміший випадок уживання EPO - велосипедні перегони «Тур де Франс» 1998 р., тоді була дискваліфікована вся збірня однієї із країн.

В 1997-1998 гг. були проведені експерименти на мавпах по переносі гена еритропоетина. Їхні результати показали всю небезпеку різкого підвищення рівня цього білка в крові: за 10 тижнів він майже подвоївся, а кров стала настільки в'язанням, що її доводилося постійно розріджувати, інакше серце не справлялося з роботою.

Звичайно, для рядових спортсменів технології переносу генів ще довгий час будуть недоступні. Але є небезпека, що згодом з'явиться справжній ринок послуг у даній сфері - як це вже відбулося з модифікованими стероидними гормонами, виробництвом яких сьогодні займаються висококласні хіміки-синтетики. Можливо, коли-небудь удасться розробити зовсім безпечні методи генної терапії, які будуть застосовуватися в підвищить якість життя, і відношення громадськості до маніпуляції генами стане більше терпимим.