Блэк Дж.Л.

Black J.L., Mayo Clinic and Foundation, Rochester, NN; 432d livil Affairs Battalion (Airborne), Green Bay, WJ, USA.
Genome projects and gene therapy: gateways to next generation biological weapons // Milit. Med. – 2003. – Vol.108, № 11. – Р.864-871

Точка зрения, изложенная в этой статье, является мнением автора и не отражает представлений Министерства обороны, Правительства США и Клиники и фонда Мэйо по этой проблеме.

Геномные и геннотерапевтические исследования позволяют добиться крупных успехов в лечении болезней человека, животных и растений. Однако следует помнить, что у этих исследований имеется и военный аспект. Они дают возможность создать новый вид биологического оружия – так называемого геномного. Данная статья является первой, в которой эта угроза подробно обсуждается с научной точки зрения. Несмотря не то, что Соединенные Штаты и многие другие государства, подписавшие ранее договоренности о запрещении биологического оружия, согласились не использовать его, исторический опыт показывает, что нередко применялись и такие виды оружия, которые, по официальным данным, были ликвидированы. В статье содержится обзор литературы по основным исследованиям в области геномики и генной терапии, который сопровождается обсуждением того, каким образом с помощью результатов этих исследований может быть создано оружие. В ней описывается также, как может быть развернуто геномное оружие, как может быть обнаружено это развертывание и какие могут быть предприняты политические меры и исследования, способствующие снижению этой угрозы. Цель написания этой статьи состояла в том, чтобы обратить внимание на существование такой опасности и побудить руководителей в области общественного здравоохранения, науки, политики и военного дела принять все меры к ее ликвидации.

Введение

Существует множество геномных проектов и программ, цель которых состоит в определении последовательностей и характеристик генов того или иного вида организмов. Эти проекты, включая и проект генома человека, будучи объединенными с генной терапией, приобретают новый этический, правовой и социальный смысл. Он заключается в том, что такое совмещение позволяет использовать полученную информацию для разработки более современного вида биологического оружия (1). Однако в настоящее время литературы о неправомерном использовании геномных исследований в сочетании с работами по генной терапии в военных целях крайне недостаточно. Задача этой статьи состоит не в том, чтобы помешать получению пользы от этих исследований, а в том, чтобы побудить к размышлениям и обсуждениям по поводу угрозы, которую представляют эти технологии в плане создания нового типа биологического оружия, называемого «геномным оружием». Данный термин не идентичен понятию «генное оружие», которое упоминается в обычной прессе и в некоторых статьях (2), поскольку слово «ген» соответствует лишь части ДНК в ядре клетки, ответственной за выработку белков как основы этого оружия, Это определение слишком узко, так как не учитывает возможности использования других регионов генома. Кроме того, практическим источником потенциальных биологических агентов являются и геномные последовательности других видов, особенно тех, которые способны вызывать различные болезни.

В настоящей статье вначале дается обзор современного состояния геномных исследований, а затем представлен обзор исследований по генной терапии и дано описание общих векторов, используемых в экспериментах по генной терапии. Эта информация является основой для понимания опасности возможного применения полученных данных для создания биологического оружия. После этого излагаются теоретические характеристики пригодных для этого векторов и некоторые сценарии применения геномного оружия. Далее обсуждаются эпидемиологические последствия такого применения. И, наконец, предлагается перечень мер, которые следует в первую очередь предпринять для предупреждения создания геномных средств ведения биологической войны.

Обзор геномных проектов

Геномные исследования начались в эру глубоких изменений в медицине и обществе. Первый проект по геному человека завершился в июне 2000 г., и в феврале 2001 г. исследователи Международного консорциума по последовательности генома человека (3) и компании “Celera Genomics” (4) опубликовали два сообщения с описанием и одно – с анализом этого проекта. Однако работа по составлению полной последовательности человеческого генома продолжается до сих пор. Параллельно предпринимаются усилия по изучению полиморфизма отдельных нуклеотидов в последовательности человеческого генома и определению места, последовательности и функций всех генов. Не дожидаясь того, когда станут известны функции всех человеческих генов, проводится анализ их сцеплений с тем, чтобы выяснить, какие части генома ассоциируются с особенностями людей и их болезнями. В последующем будет проведен более тщательный анализ с целью выявления специфических последовательностей ДНК, ответственных за те или иные заболевания. Ожидаются также исследования по анализу мутаций и идентификации генного полиморфизма и по оценке частотности аллелей, чтобы в конце концов определить восприимчивость человека к самым разным болезням. В дальнейшем предстоит идентификация характеристик экспрессии генов в ответ на действие экзогенных агентов, например, лекарственных препаратов или факторов окружающей среды, и патологических изменений в самом организме, что позволит ускорить разработку новых лекарств и методов терапии. Ко времени появления первых публикаций по геному человека насчитывалось всего лишь 483 мишени для воздействия всех лекарств, поставляемых на рынок, но уже сейчас известно, по-видимому, о более чем 50000 генов человеческого генома, многие из которых могут быть такими мишенями (3,5,6). В следующие несколько десятилетий будет разработано множество новых терапевтических препаратов, причем скорость их появления на рынке будет настолько высокой, что сможет сбить с толку любого практикующего врача.

К стадии завершения подходят и многие другие программы по геномным последовательностям, в том числе для таких микроорганизмов, как Haemophilus influenzae (7), Mycoplasma genitaluim (8), Saccharomyces cerevisiae (9), Methanococcus jannaschi (10), Escherichia coli (11), Mycobacterium tuberculosis (12), Caenorhabditis elegans (13), Drosophila melanogaster (14), Yersinia pestis (15) и множества других. Эти геномы сейчас сравниваются с человеческим, что имеет важное значение для выявления подобия видов, возраста генов, скорости их изменения и способов функционирования уникальных генов, включая их токсичность для человека. Изучаются геномы и многих других видов, в том числе микроорганизмов, ответственных за возникновение болезненных состояний у человека. Большая часть сведений, упомянутых выше, хранится в базе данных National Center for Biotechnology Information, которая доступна для любого человека в мире, имеющего доступ к Интернету.

Важные для поддержания жизни человека гены идентифицируются по их ДНК-последовательностям, ответственным за регуляцию этих генов. Разрушение последних может быть настолько вредным для здоровья, что они могут стать желанными мишенями для геномного оружия. Помимо этого, в настоящее время выявляются гены и других организмов, вырабатывающих вещества, вызывающие те или иные заболевания человека; они также могут служить основой для разработки подобного оружия.

Обзор исследований по генной терапии

Генная терапия определяется как экспериментальная методика, применяемая для лечения болезней посредством модификации клеточного генома для лечения заболеваний, вызванных нарушениями функций генов. Она может включать замену, модификацию, дополнение или регуляцию генов, ставших причиной болезни, с целью профилактики или прекращения развития заболевания (16-19). В некоторых случаях может проводиться вставка генов от других видов. В настоящее время векторами, используемыми для доставки генов, могут быть плазмиды или вирусные частицы, содержащие передаваемые гены, называемые трансгенами (16-19). Этот подход к лечению может также применяться для доставки терапевтических, кодирующих выработку протеинов генов, которые не являются обычной составной частью генетической структуры данного вида – например, гена фермента, активирующего действие лекарства, который усиливает лечебный эффект химического вещества непосредственно в конкретных тканях или в опухолях (20).

Проявление активности модифицированных генов или размещение новых экспрессируемых генов в клетках пока еще не полностью понято. Некоторые считают, что эти гены распространяют свое действие на другие гены, их белковые продукты и метаболиты. При экспрессировании в организме введенные гены могут проявлять непредусмотренные эффекты, например, нарушают механизм регуляции других генов, которые противодействуют трансгену, в попытке поддержать гомеостаз клетки. Другие исследователи отмечают, что в нормальных условиях активация подавленных генов может приводить к побочным эффектам. Существуют также опасения, что гены, активность которых гасится посредством метилирования ДНК, могут становиться барьером для геннотерапевтических препаратов, чем можно частично объяснить неустойчивую экспрессию, наблюдаемую в некоторых исследованиях (21).

В настоящее время генная терапия находится на экспериментальной стадии и требует строгого методического обоснования из-за возможности летальных побочных эффектов, которые уже имели место (22). Тем не менее, генная терапия теоретически возможна, и любым из подходов к изучению ее практического применения можно злоупотребить в целях создания геномного оружия.

<…>

Должен существовать механизм для предотвращения нежелательного трансфицирования людей. Это нужно потому, что высокоэффективный вектор может случайно попасть в организм тех, кто работает с этими агентами. В идеале, вектор должен задерживаться фильтром респиратора, а правильно подобранные процедуры, выполняемые с соблюдением стерильности, могут предотвратить случайное трансфицирование медицинского персонала. Кроме того, нужно сделать контролируемой саморепликацию с тем, чтобы была невозможной бесконтрольная вторичная инфекция. На все эти проблемы следует обращать особое внимание, поскольку трансфекция клеток нормальных индивидов, которые не дефицитны по данному трансгену, может приводить к нежелательным последствиям. В случае с индуцируемыми фоновыми векторами с присущими им необнаруживаемыми уровнями экспрессии эта проблема может быть устранена только тогда, когда лицо, ставшее свидетелем проявления их действия, само столкнется с индуктором. Наконец, могут оказаться предпочтительными способы индуцирования перманентного избирательного молчания вектора или приведения его в недееспособное состояние.

Геномная война

В оставшеся части этой статьи основное внимание будет уделено теоретическим характеристикам геномного оружия. Следует отметить, что дальнейшее обсуждение носит гипотетический характер и не имеет в основе какие-то исследования или опыт, полученный в полевых условиях, поскольку такая информация нигде не публиковалась. Сначала будет рассмотрена возможность боевого применения геномного оружия, основанная на временнЫх характеристиках (сравнение немедленного и запаздывающего эффектов). Затем будет обращено внимание на типы генов, которые могут использоваться в приспособленных для создания биологического оружия векторах для генной терапии. В следующем разделе будут обсуждаться возможные эпидемиологические характеристики боевого применения геномного оружия. И, наконец, будет представлен обзор возможных стратегий боевых действий с использованием этого типа биологического оружия.

ВременнЫе характеристики геномной атаки

Сценарии боевого применения геномного оружия определяются военными задачами, состоянием окружающей среды и целями, против которых это оружие используется, будь то люди или сельскохозяйственное производство. Существуют две зависимые от времени характеристики или особенности нападения с применением геномного оружия, а именно: нападение с кратковременным или продолжительным латентным периодом. В первом случае гены могут доставляться при помощи вектора, который инфицирует хозяина и вызывает быструю экспрессию трансгена, оказывающего вредное для здоровья действие. В этой ситуации представляется необходимым использование регулируемого вектора, и, наиболее вероятно, применяемый вектор будет трансфицировать все без разбору клетки хозяина, быстро вызывая токсическое действие. Этот вид нападения похож на использование более «обычного» биологического оружия. Продолжительность латентного периода может зависеть от того, насколько скоро начнет экспрессироваться токсичный ген, а сама экспрессия определяется типом используемого вектора, используемой дозой и тем, зависит ли эффект от репликации вектора. Например, вектор, который доставляет токсичный ген и одновременно обладает самореплицирующей способностью, может нуждаться в большем времени для проявления эффекта и по своему действию больше похож на традиционные биологические агенты. Векторы, которые могут находить специфическую ткань и оказывать на нее биологическое действие, могут немедленно вызывать у хозяина токсический эффект, поскольку при их применении транскрипция и трансляция могут происходить уже через минуты после введения гена.

Возможно, больший интерес вызывает сценарий с длительным латентным периодом, поскольку впервые в человеческой истории возникнет вероятность биологической войны, когда биологический агент может доставляться к цели задолго до планируемой атаки и проявлять свое действие в момент ее начала. При описании такого нападения используется термин «скрытый вирус» (“stealth virus”), но возможно, что при этом варианте боевых действий будет применяться и невирусный вектор. В случае генноинженерного вируса население может скрытно трансфицироваться, вероятно, ретровирусом, что ведет к инкорпорированию в геном хозяина индуцируемого трансгена или трансгена, продуцирующего фермент, преобразующий предшественник токсина. Позднее подвергшееся воздействию вируса население может быть обработано индуктором или веществом-предшественником, что инициирует воздействия, предусмотренные сценарием. Подход, предполагающий сценарий с длительным латентным периодом, намного сложнее, чем в случае со сценарием, когда требуется кратковременный латентный период, поскольку при существующей технологии его применения он подразумевает двукратное «экспонирование» населения (популяции): одно к вектору, а второе, последующее, к индуктору или предшественнику токсина.

Возможные трансгены для геномного оружия

Сейчас геном человека секвенирован, и среди составляющих его генов определен ряд жизненно важных (3, 4). Очевидно, что любой из этих генов может быть мишенью для будущих фармацевтических препаратов, но, кроме того, они могут быть и целями для боевых геномных агентов. Кроме того, сейчас с поразительной частотой появляются публикации об обнаружении все новых генных мутаций, которые ответственны за различные человеческие болезни. Эта информация также может быть использована для разработки таких агентов. В этих же целях могут применяться и так называемые токсические гены от других видов. Например, в военных целях в векторы могут вставляться токсические полипептиды бактериального происхождения.

Ниже приведены несколько общих категорий генов, которые могут использоваться в геномном оружии:

– Гены, существенные для жизни клеток
– Мутации, ответственные за наследственные болезни
– Токсические гены экзогенных видов
– Ген, кодирующий выработку фермента, обеспечивающего превращение предшественника токсина
– Векторы, поражающие отдельные человеческие популяции (например, конкретные этнические группы).

Трансфекция ферментом, обеспечивающим превращение вещества-предшественника, может иметь ограниченное применение, поскольку она требует, чтобы трансфицированный индивид позднее подвергался воздействию этого предшественника. Однако вероятна возможность того, что будет получена генная вставка, которая при помощи конвертирующей предшественник технологии сможет превращать обычно ингибируемую субстанцию в токсичную. Наконец, уже имеется ряд публикаций, в основном в обычной печати, по поводу того, что существует опасность изготовления вирусов или других векторов, которые могут выборочно инфицировать представителей той или иной расы. С этой точки зрения, анализ проекта генома человека показывает нам, что у разных этнических групп людей в генетическом отношении намного больше сходства, чем различий. Однако все же должны существовать и некоторые различия, и, возможно, одно или более из них может быть применено для получения боевых геномных векторов, специфичных для данной этнической группы. Возможны и другие сценарии применения геномного оружия, и только недостаток нашего воображения не позволяет охарактеризовать здесь все способы вывода из строя жертв путем использования этого оружия. Кроме того, уязвимыми для него мишенями являются не только Homo sapiens, но, вероятно, ими могут быть и сельскохозяйственные объекты.

Эпидемиологические особенности применения геномного оружия

Эпидемиология геномной войны будет иметь много сходств с другими формами биологической войны, о чем писали ранее Noach с соавт. (42). Понимание эпидемиологических особенностей последней может помочь при дифференциации вспышек болезни искусственного и естественного происхождения. То же можно сказать и по поводу боевых геномных агентов. Безусловно, большое значение имеет стратегия применения (например, трансфицирование с коротким или длительным латентным периодом), которая будет влиять на временной характер развития болезни. Можно ожидать, что количество случаев в единицу времени, представленное в виде графика, дает эпидемическую кривую, отражающую взрывной характер развития эпидемии. В случае боевых действий начало вспышки заболевания, вероятно, будет рассчитываться по времени таким образом, чтобы противник утратил боеспособность к моменту атаки. В случае террористического акта такой расчет будет предприниматься, вероятно, для того, чтобы удовлетворить какие-то символические требования. Однако даже при молчащих векторах некоторые люди немедленно проявляют симптоматику заболевания, несмотря на то, что предполагалось трансинфицирование с запаздыванием. Происходит это потому, что вектор, используемый для применения, по-видимому, вызывает симптомы вирусного заболевания, по крайней мере, у части подвергаемой инфицированию популяции. Помимо того, даже в системе, в которой необходимо индуцирование для экспрессии гена, она часто имеет низкий уровень, поскольку регуляторные системы не обладают 100%-й эффективностью. Кроме того, в зависимости от индуктируемого агента, который используется при требующей индукции атаке с запаздыванием эффекта, некоторые люди могут вступать в контакт с индуктором (например, с тетрациклином или с системой его индуцирования) и таким образом приобретать все признаки и симптомы, присущие проявлению действия трансгена. Возможно также, что во время внедрения гена, если вектор обеспечивает его инкорпорацию в геном, мутации могут происходить даже и тогда, когда это приводит к разрушению критически важного гена. Наиболее вероятно, что такое разрушение будет происходить беспорядочно и в случайных клетках и, следовательно, не будет обнаруживаться. Однако долгое время после трансфицирования людей с мутированными вставками может наблюдаться повышенная заболеваемость, которая может показаться вызванной наследственными факторами. Если трансфекция с инкорпорированием в геном хозяина имеет тенденцию внедрять вставку в конкретное место человеческого генома с высокой частотой и во многие клетки, и если эта вставка разрушает специфический ген, то могут наблюдаться побочные эффекты.

Потенциальное различие между обычным биологическим и геномным оружием может проявиться в клинических проявлениях заболеваний (42). Реальные симптомы, обнаруживаемые людьми, подвергшимися нападению, будут зависеть от трансгенов, которые внедряются в клетки, и от действия продуктов, за выработку которых ответственны эти гены, на функционирование клеток. Может играть роль и способ экспонирования или внедрения, определяющий механизм воздействия на ткани и симптоматику их поражения. В результате симптомы не могут быть схожими с какой-либо известной инфекционной болезнью. Представляется, что при воздействии этого типа биологического оружия заболеваемость и смертность будут зависеть от многих факторов, включая особенности использованных трансгенов и восприимчивость индивидов.

Следует иметь в виду еще один важный аспект этого типа оружия. Если главная цель геномной войны – вызвать заболевание у людей, то существует и вторичная задача – терроризирование тех, кто не подвергся трансфицированию. Перспектива применения оружия, которое может быть внедрено в геном человека, и перспектива трансфицирования таким оружием, которое долгие годы может не проявлять себя в преддверии планируемого нападения, неизбежно вызовет серьезное беспокойство у огромных групп людей.

Рекомендуемые превентивные действия

Предотвращение незаконного использования геномных проектов и программ по генной терапии в военных целях, вероятно, невозможно. Такое заключение основывается на длительной истории человечества использующего фактически каждый вид оружия во вред противнику. Кроме того, по мере прогресса в биотехнологии будут и дальше становиться доступными все более эффективные векторы для генной терапии. В мире широко распространяются технологии, необходимые для субклонирования генов. С результатами финансируемых общественными организациями геномных исследований можно знакомиться через интернет. Все эти факты в своей комбинации настоятельно требуют принятия защитных мер.

Эти меры, направленные против риска появления геномного оружия и опасности геномной войны, могут быть самыми разными, но в целом в них можно выделить два аспекта: политический и технический. Среди этих мер необходимыми являются продолжение и корректировка образовательных программ, предназначенных для информирования политиков и военного руководства о существующей опасности.

1. Пространные сведения о химическом и биологическом оружии и свидетельские показания об угрозе биотерроризма представлены в докладе Zilinskas (43) Подкомитету по национальной безопасности, по делам ветеринаров и международным отношениям Комитета по правительственной реформе Палаты представителей США. Геномика как быстро развивающаяся и прогрессирующая область научных исследований – сфера сугубо техническая. Обычные государственные и военные чиновники, так же как и лица, избираемые на свою должность, как правило, не представляют сложности этой технологии без соответствующего обучения. Даже сотрудники основных медицинских центров часто с трудом разбираются в сути геномной революции. Поэтому правительству следует рекомендовать, чтобы оно изыскало средства на создание понятных для политиков и непрерывно обновляющихся обучающих пособий по этой проблеме. Кроме того, должна быть образована президентская комиссия, занимающаяся не только оценкой риска геномного оружия, но и анализом всей государственной политики США, от которой зависит степень этого риска.

2. Далее, рекомендуется разработка исчерпывающих и постоянно совершенствуемых баз данных по истории, последовательностям и физическим характеристикам всех векторов, используемых в экспериментах по трансфицированию и генной терапии. Поскольку применить геномное оружие можно не только против людей, но и против сельского хозяйства, предстоит огромная работа. Это оружие, по-видимому, должно разрабатываться на основе имеющихся ресурсов. Зачастую они существуют на общедоступном рынке, но иногда в отношении их действуют права частной собственности. Несмотря на спорность этого вопроса и большое нежелание биотехнологических компаний, для предотвращения существующей угрозы представляется обоснованным раскрытие данных о векторных последовательностях. Когда такие данные становятся общедоступными, можно разрабатывать и методы обнаружения векторов. Например, можно создавать наборы олигонуклеотидных праймеров, которые позволят определять уникальные характеристики этих векторов на основе методик с использованием полимеразной цепной реакции и/или микрочипов. Рекомендуется также раскрывать данные о генах и последовательностях, потенциально имеющих военное значение, путем постоянного отслеживания и составления каталогов многих геномных проектов с учетом возможных последствий применения этих последовательностей в боевых геномных агентах. Цель этой большой работы состоит в создании базы данных, которая позволит нам предвидеть, против каких мишеней разрабатываются те или иные геномные агенты.

3. Необходимо ускорить идущие в настоящее время исследования и разработки пригодных для полевых условий, практичных и точных систем обнаружения генов и векторов, в том числе таких, для которых возможно военное применение. С момента терактов с использованием сибирской язвы осенью 2001 г. в этом направлении уже проделана большая работа. Однако еще больше нужно сделать, чтобы такие приборы стали общедоступными. Они должны быть предназначены не только для обнаружения обычных биоагентов, но и применяться для выявления самых разных векторов при помощи методов, основанных на полимеразной цепной реакции или на микрочипах. При обнаружении возбудителя сибирской язвы, применяемого в виде аэрозоля, достаточно хорошую чувствительность обеспечивает непрерывный отбор проб в районе важных с точки зрения противника целей (44), но этот подход может быть в равной степени полезен и при обнаружении боевых геномных агентов.

4. Наконец, нужны исследования по организации работ по устранению последствий нападения с применением этого оружия, если оно уже произошло. Такие исследования должны быть весьма разносторонними и обеспечивать возможность оценки не только физического, но и психологического воздействия этого вида оружия на население. Что касается физического воздействия, то иммунизация может быть не только неэффективной, но даже и ненужной, поскольку, будучи направленной против вирусных векторов, используемых в легитимной генной терапии, она сделает их неэффективными и в случае, когда они могут пригодиться в терапевтических целях. Даже когда эта технология может применяться для изготовления оружия, она может быть полезной и как средство противодействия военизированным векторам. Поэтому желательно приступить к исследованиям, позволяющим установить, каким образом можно нейтрализовать вредное для здоровья воздействие боевых геномных агентов без потери возможности использования этой же технологии для лечения больных, которые нуждаются в генной терапии.

Заключение

Данная статья представляет собой обзор причастности генномных проектов и генной терапии к разработке будущего биологического оружия. Она может служить основой для получения представления о геномных проектах, генной терапии и используемых в ней векторах и охватывает возможные характеристики и эпидемиологические особенности применения геномного оружия. Наконец, в ней обсуждаются рекомендуемые меры защиты и противодействия созданию этого оружия.

Хотя в определенной мере это обсуждение является умозрительным, изложенное в ней подтверждается другой публикацией, в которой описывается синтез жизнеспособного и инфекционного мышиного полиовируса (45). Геномная революция напоминает историю с расщеплением атома, в которой участвовал другой “джин из бутылки”. Так же, как расщепление атома, геномная революция может быть использована для создания оружия. Вполне очевидно, что необходим план действий, чтобы воспрепятствовать злонамеренному использованию этих многообещающих исследований в данной области знаний.

Список литературы см. в оригинале статьи.