klufczyk
Znalazłem w necie ciekawy artykuł więc postanowiłem się nim z wami podzielić.
H. Lee Sweeney
Genowy doping
Terapii genowej wzmacniającej mięśnie wyczekują nie tylko pacjenci, ale także atleci. Jak szybko doping genowy zmieni istotę sportu?
Sportowcy z całego świata zmierzają właśnie do Aten, by wziąć udział w igrzyskach olimpijskich, których tradycja ma ponad 2000 lat. Spotykają się, aby po raz kolejny spróbować pobić rekordy siły, szybkości i zwinności. Jednak niektórzy z nich, łamiąc olimpijskie zasady, sięgną po środki poprawiające wydolność. Mimo powtarzających się skandali wielu sportowców nie umie oprzeć się dopingowej pokusie, choćby tylko po to by dotrzymać kroku konkurentom robiącym dokładnie to samo. Najważniejsze jest zwycięstwo, niektórzy więc skorzystają z każdej okazji, by poprawić wynik o ułamek sekundy, metra czy kilograma.
Federacje sportowe obawiają się, że uczestnicy igrzysk zastosują nowy rodzaj dopingu, który będzie niewykrywalny. Metody regeneracji mięśni, zwiększenia ich siły czy ochrony przed zanikiem wkrótce znajdą się na etapie badań klinicznych. Są wśród nich techniki polegające na dostarczaniu syntetycznych genów mogących pozostawać w organizmie przez lata i wytwarzania dużych ilości czynników wzrostu naturalnie występujących w tkance mięśniowej.
Ten rodzaj terapii genowej mógłby odmienić życie osób w podeszłym wieku i pacjentów z dystrofią mięśniową. Niestety, mógłby również stać się nową formą dopingu. Czynniki wzrostu kodowane przez wprowadzone do mięśni geny będą identyczne z naturalnymi. Dzięki produkcji w miejscu podania nie będą przenikać do krwiobiegu, a zatem nie będzie można ich wykryć ani we krwi, ani w moczu. Światowa Agencja Antydopingowa (WADA - World Anti-Doping Agency) już zaapelowała do naukowców, aby poszukiwali sposobów wykrywania tego rodzaju dopingu. Jednak gdy terapia genowa przejdzie próby kliniczne i stanie się rutynową metodą leczenia, uniemożliwienie sportowcom jej stosowania będzie bardzo trudne.
Czy terapia genowa przyczyni się do zaawansowanych technologicznie oszustw sportowych? Prawdopodobnie tak. Czy nadejdą czasy, kiedy terapia genowa będzie tak powszechną metodą leczenia chorób, że genetyczne poprawianie natury stanie się powszechnie akceptowane? Być może. Tak czy owak, niewykluczone, że tegoroczne igrzyska olimpijskie będą ostatnimi, w których nie wezmą udziału ulepszeni genetycznie sportowcy.
Uszkodzenia stymulują wzrost
To nie marzenia sportowców były przyczyną rozpoczęcia badań genetycznych nad zwiększeniem masy i siły mięśni. Mnie osobiście zainspirowały obserwacje członków mojej rodziny, z których wielu dożyło wieku 80-90 lat. Choć ogólnie cieszyli się niezłym zdrowiem, jakość ich życia ograniczała narastająca z wiekiem niedołężność. Pomiędzy trzydziestym a osiemdziesiątym rokiem życia zarówno siła, jak i masa mięśni może zmniejszyć się aż o jedną trzecią.
W organizmie człowieka wyróżniamy trzy rodzaje tkanki mięśniowej: mięśnie gładkie, które współtworzą ścianę wewnętrznych jam ciała, na przykład przewodu pokarmowego; mięsień sercowy oraz mięśnie poprzecznie prążkowane, zwane również mięśniami szkieletowymi. Te ostatnie reprezentują ten typ tkanki mięśniowej, o której myśli większość z nas, mówiąc o mięśniach. Mięśnie szkieletowe tworzą największy organ naszego ciała i to właśnie one - a zwłaszcza najsilniejsze włókna zwane szybkimi - zanikają wraz z wiekiem. Wraz z utratą siły zmniejsza się nie tylko zdolność do utrzymania równowagi, ale także coraz trudniej jest obronić się przed upadkiem. Ten z kolei może spowodować złamanie szyjki kości udowej lub inne poważne uszkodzenie, prowadząc niekiedy do całkowitej utraty zdolności poruszania się.
Zanik mięśni szkieletowych zachodzi z wiekiem u wszystkich ssaków i jest prawdopodobnie wynikiem zwiększenia niewydolności układu naprawiającego uszkodzenia pojawiające się podczas normalnej pracy mięśnia. Intrygujące jest to, że zmiany w mięśniach szkieletowych wskutek starzenia się przypominają funkcjonalnie i fizycznie zmiany obserwowane w chorobach określanych wspólnie jako dystrofie mięśniowe, choć przebiegają nieco od nich wolniej.
Przyczyną najczęstszej i najcięższej odmiany dystrofii mięśniowej - dystrofii mięśniowej Duchenne'a - jest dziedziczna mutacja uniemożliwiająca syntezę białka zwanego dystrofiną. Jej funkcją jest ochrona włókien mięśniowych przed uszkodzeniami, które są rezultatem naprężeń powstających podczas przemieszczania się włókienek mięśniowych względem siebie. Mięśnie mają wydajny system naprawczy, ale nie radzi on sobie z nadmiarem uszkodzeń pojawiających się w dystrofii mięśniowej. Z kolei w starzejących się mięśniach częstość uszkodzeń może być w normie, za to mechanizm naprawiający włókna staje się coraz mniej wydajny. Tak więc zarówno starzenie się, jak i dystrofia mięśniowa Duchenne'a prowadzą do zamierania włókien mięśniowych, a na ich miejsce pojawia się tkanka włóknista i tłuszcz.
Inaczej natomiast przebiega głęboki zanik mięśni, jakiego doświadczają astronauci w warunkach małej grawitacji oraz pacjenci unieruchomieni z powodu kalectwa lub urazu. Jest on wynikiem całkowitego zatrzymania procesów naprawczych oraz zahamowania wzrostu mięśni. W tym samym czasie w tkance mięśniowej dochodzi do przyśpieszenia programowanej śmierci komórek, czyli apoptozy. Zjawisko to, znane jako zanik z bezczynności (disuse atrophy), nadal nie zostało do końca poznane, niemniej gdy wziąć pod uwagę ewolucję, wydaje się mieć sens. Utrzymanie mięśni szkieletowych jest metabolicznie kosztowne, tak więc zachowanie ścisłej zależności między ich rozmiarem a aktywnością prowadzi do oszczędności energii. Mięśnie znakomicie dostrajają się do zmieniającego się zapotrzebowania na ich pracę. Gdy są nieużywane - zanikają, mogą jednak wznowić wzrost w odpowiedzi na powtarzający się wysiłek fizyczny. Wzrastające obciążenie mięśni uruchamia liczne szlaki sygnałowe, które indukują tworzenie i dodawanie do włókien mięśniowych nowych składników, zmianę rodzaju włókien, a w ekstremalnych warunkach wytwarzanie całkiem nowych włókien mięśniowych.
Aby nauczyć się wpływać na wzrost mięśni, naukowcy starają się połączyć ze sobą poszczególne elementy warunkujące zarówno ich naturalny wzrost, jak i stopniowe zanikanie. W odróżnieniu od typowej komórki, której błona otacza płynną cytoplazmę oraz znajdujące się w niej pojedyncze jądro komórkowe, komórka mięśniowa jest długim cylindrem zawierającym wiele jąder i cytoplazmę szczelnie wypełnioną długimi, cienkimi włókienkami, zwanymi miofibrylami [ramka na stronie obok]. Zbudowane są one z przylegających do siebie kurczliwych jednostek białkowych - sarkomerów. Skoordynowane skracanie sarkomerów powoduje skurcz mięśni, a wyzwalana przy tym siła może uszkodzić włókno mięśniowe, o ile nie jest wyprowadzona na zewnątrz. Jej przenoszeniem zajmuje się dystrofina.
Jednak nawet mimo ochronnego działania dystrofiny włókna mięśniowe są stale uszkadzane w wyniku normalnej pracy. Co ciekawe, uważa się to za jedną z przyczyn wzrostu masy mięśniowej w wyniku ćwiczeń. Mikroskopijne uszkodzenia we włóknie spowodowane wysiłkiem wszczynają chemiczny alarm, który jest sygnałem do rozpoczęcia regeneracji tkanki. W przypadku mięśni nie oznacza to wytwarzania nowych włókien, ale naprawę zewnętrznej błony już istniejących i wypełnianie ich wnętrza nowymi miofibrylami. Synteza nowych białek wymaga aktywacji odpowiednich genów znajdujących się w jądrze komórkowym włókna mięśniowego, a gdy zapotrzebowanie na nowe miofibryle wzrasta, niezbędne są dodatkowe jądra, aby wzmocnić zdolności produkcyjne komórek mięśniowych.
Dochodzące z mięśni bodźce chemiczne informują o uszkodzeniach komórki satelitarne rozmieszczone lokalnie na zewnątrz włókien mięśniowych. Niemal natychmiast te specyficzne dla tkanki mięśniowej komórki macierzyste rozpoczynają podziały, a następnie niektóre komórki potomne łączą się z włóknem mięśniowym, dostarczając mu dodatkowe jądro komórkowe. W proces ten zaangażowane są zarówno czynniki stymulujące, jak i hamujące wzrost. I tak komórki satelitarne przechodzą podziały w odpowiedzi na pojawienie się insulinopodobnego czynnika wzrostu 1 (IGF1 - insulin-like growth factor I), podczas gdy inny czynnik regulujący wzrost - miostatyna - hamuje te podziały.
Jakieś siedem lat temu, wspólnie z grupą Nadii Rosenthal z Harvard University, rozpoczęliśmy badanie możliwości wykorzystania IGF1 do wpływania na czynność mięśni. Wiedzieliśmy, że podanie białkowego czynnika wzrostu do komórek mięśniowych zakończy się jego degradacją w ciągu kilku godzin. Natomiast wprowadzenie genu kodującego taki czynnik sprawi, że będzie on aktywny przez całe życie komórki - a komórki mięśniowe żyją bardzo długo. Pojedyncza dawka genu kodującego IGF1 podana starszym osobom powinna im wystarczyć do końca życia. Zajęliśmy się wobec tego poszukiwaniem najskuteczniejszego sposobu wprowadzenia genu kodującego IGF1 bezpośrednio do tkanki mięśniowej.
Wprowadzanie nowych genów
W tamtych czasach, podobnie jak i teraz, główną przeszkodą w pomyślnym przeprowadzeniu terapii genowej było wprowadzenie wybranego genu do odpowiedniej tkanki. Tak jak wielu innych badaczy zdecydowaliśmy, że środkiem transportowym dla naszych genów, czyli wektorem, będzie wirus, jako że wirusy są naturalnymi "szmuglerami" genów do komórek. Stosują one taktykę konia trojańskiego - zamiast dokonywać frontalnego ataku, udają składniki naturalnego środowiska komórki i czekają, aż ta sama pobierze je do swego wnętrza. Wtedy rozpoczynają niszczycielską działalność: docierają do jądra i przestawiają mechanizmy komórkowe na replikację własnego genomu i produkcję własnych białek. Naukowcy zajmujący się terapią genową postanowili wykorzystać te zdolności, wprowadzając do genomu wirusa syntetyczny gen i równocześnie usuwając wszystkie geny podejrzewane o udział w procesach chorobotwórczych oraz te, które umożliwiają wirusowi namnażanie się.
Zdecydowaliśmy się na wybór małego wirusa zwanego AAV (adeno-associated virus), m.in. dlatego że łatwo infekuje tkankę mięśniową człowieka, nie powodując przy tym żadnych znanych chorób. Wprowadziliśmy do jego genomu gen IGF1 spreparowany tak, by działał tylko w mięśniach szkieletowych, i przeprowadziliśmy badania wstępne na myszach. Wstrzyknięcie wektora AAV-IGF1 do mięśni młodych gryzoni spowodowało zwiększenie masy mięśni i szybkości ich przyrostu o 15-30% w porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi, mimo że badane zwierzęta miały ograniczoną możliwość poruszania się. Następnie wprowadziliśmy ten sam wektor do mięśni myszy w średnim wieku i zaobserwowaliśmy, że podczas starzenia się zwierząt ich mięśnie nie traciły nic ze swej siły.
Aby lepiej ocenić wartość i bezpieczeństwo naszej koncepcji, Rosenthal zmodyfikowała genetycznie myszy w taki sposób, by w mięśniach szkieletowych stale wytwarzały zwiększoną ilość czynnika wzrostu IGF1. Efekty jej pracy były zachęcające, myszki rozwijały się prawidłowo, a jedyne różnice w porównaniu z niezmodyfikowanymi gryzoniami dotyczyły zwiększenia masy mięśni szkieletowych o 20-50%. Mimo upływu czasu mięśnie transgenicznych zwierząt zachowywały zdolność do regeneracji charakterystyczną dla młodych osobników, a podwyższony poziom IGF1 obserwowaliśmy jedynie w tkance mięśniowej, a nie w krwiobiegu. Jest to o tyle istotne, że krążący we krwi IGF1 mógłby być przyczyną chorób serca i podwyższyć ryzyko wystąpienia nowotworów. Dalsze doświadczenia pokazały, że zwiększone wytwarzanie IGF1 w tkance mięśniowej przyśpiesza procesy naprawcze, nawet u myszy z ciężką postacią dystrofii mięśniowej.
Miejscowe zwiększenie produkcji
IGF1 pozwoliło nam zrealizować podstawowe zadanie terapii genowej jako metody ograniczającej zanik mięśni: zerwaliśmy ścisłą zależność między używaniem mięśni a ich masą. W ten sposób można także zwiększać efektywność ćwiczeń fizycznych, co oczywiście jest kuszące dla sportowców. Istotnie, wzrost mięśni u młodych zwierząt pozbawionych możliwości ruchu sugerował, że metoda ta mogłaby być wykorzystana także do genetycznego zwiększenia wydajności zdrowych mięśni. Aby zweryfikować tę hipotezę, podjęliśmy współpracę z grupą fizjologów kierowaną przez Rogera P. Farrara z University of Texas w Austin.
Do tkanki mięśniowej jednej kończyny każdego z naszych szczurów laboratoryjnych wprowadziliśmy wektor AAV-IGF1, a następnie poddaliśmy je ośmiotygodniowemu treningowi siłowemu. Po zakończeniu ćwiczeń mięśnie nastrzyknięte AAV-IGF1 osiągnęły niemal dwukrotny przyrost siły w porównaniu z drugą, nienastrzykniętą kończyną tego samego zwierzęcia. Gdy wstrzymano treningi, mięśnie zawierające dodatkowy gen traciły moc znacznie wolniej. Nawet w przypadku szczurów pozbawionych możliwości ruchu wprowadzenie genu IGF1 spowodowało 15-procentowy wzrost siły mięśni, podobny do tego, który obserwowaliśmy podczas wcześniejszych doświadczeń na myszach.
Nasze badania nad wykorzystaniem genu IGF1 zamierzamy kontynuować na psach rasy golden retriever, które są podatne na szczególnie ciężką odmianę dystrofii mięśniowej. Będziemy równocześnie prowadzić doświadczenia na zdrowych zwierzętach, by określić efekty towarzyszące nadprodukcji IGF1 oraz by sprawdzić, czy jest ona bezpieczna dla modyfikowanego organizmu. W końcu jest to czynnik wzrostu, na którego obecność odpowiadają niektóre guzy nowotworowe.
Pozostają do rozstrzygnięcia wątpliwości dotyczące bezpieczeństwa proponowanej przez nas terapii oraz pytanie, czy lepiej podać wektor niosący nowy gen do krwiobiegu, czy może bezpośrednio do tkanki mięśniowej. Kwestie te sprawiają, że na zaaprobowanie terapii genowej z wykorzystaniem wektora AAV-IGF1 trzeba będzie czekać nawet do 10 lat. W stadium planowania są już natomiast doświadczenia na ludziach zmierzające do wymiany uszkodzonego genu dystrofiny. Ponadto Muscular Dystrophy Association rozpocznie wkrótce próby kliniczne dotyczące stosowania IGF1 w terapii dystrofii miotonicznej, schorzenia przejawiającego się przedłużającym skurczem mięśni i w rezultacie ich uszkodzeniem*.
Jednak najszybciej dostępne mogą się okazać metody pobudzania wzrostu mięśni lekami blokującymi działanie miostatyny, choć o mechanizmach ich działania wiadomo niewiele. Wydaje się, że miostatyna ogranicza rozwój mięśni podczas rozwoju embrionalnego i w dorosłym życiu. Działa ona jak hamulec, który limituje normalny wzrost mięśni, i jednocześnie jak czynnik stymulujący ich zanik, gdy zapotrzebowanie na pracę mięśni spada. Doświadczenia na genetycznie zmodyfikowanych myszach wskazują, że brak miostatyny powoduje znaczne powiększenie się mięśni zarówno w wyniku pogrubienia włókien, jak i zwiększenia się ich liczby.
Więcej niż mięśnie
Firmy farmaceutyczne i biotechnologiczne prowadzą badania nad różnymi inhibitorami miostatyny. Poszukiwania te były początkowo stymulowane perspektywą zwiększenia korzyści finansowych z hodowli zwierząt rzeźnych. Przykładu efektów zablokowania miostatyny dostarczyła sama przyroda. U dwóch ras bydła, belgian blue i piedemonte, stwierdzono dziedziczną mutację powodującą wytwarzanie skróconej formy tego białka. Bydło to często określa się jako podwójnie umięśnione, a nadmiernie rozwinięta muskulatura jest dodatkowo wyeksponowana ze względu na zmniejszone odkładanie tłuszczu, również wynikające z braku miostatyny, wskutek czego zwierzęta uzyskują iście posągowe kształty.
Pierwszymi lekami blokującymi działanie miostatyny były wiążące ją przeciwciała, z których jedno zostanie przetestowane na pacjentach cierpiących na dystrofię mięśniową Duchenne'a. Efekt mutacji występującej u bydła próbowano naśladować przez wytwarzanie formy miostatyny skróconej tak, by utraciła zdolność przekazywania sygnałów biochemicznych, ale zachowała strukturę warunkującą jej wiązanie w pobliżu komórek satelitarnych. Takie mniejsze białko (lub peptyd) powinno doskonale maskować miejsce wiązania prawidłowej miostatyny, blokując do niego dostęp. Wstrzyknięcie myszom peptydu będącego skróconą formą miostatyny spowodowało przerost mięśni szkieletowych. Mój zespół planuje odtworzenie tego efektu u psów przez wprowadzenie do ich mięśni genu kodującego taki sam krótki peptyd.
Metody terapeutyczne polegające na blokowaniu miostatyny są niezmiernie atrakcyjne dla zdrowych osób poszukujących sposobu na szybkie zwiększenie swojej masy mięśniowej. Choć ogólnoustrojowe podanie leku nie pozwala na działanie tak ukierunkowane jak genowa terapia wybranych mięśni, to rekompensuje to wygodą stosowania i możliwością natychmiastowego odstawienia w przypadku powikłań. Z drugiej strony tego typu leki są łatwo wykrywalne podczas kontroli antydopingowych.
Co jednak zrobić, gdy sportowcy poddadzą się terapii genowej podobnej do tej, którą zaproponowaliśmy jako metodę leczenia dystrofii mięśniowej? Produkt kodowany przez wprowadzony gen można wykryć jedynie w tkance mięśniowej, a nie we krwi ani w moczu; ponadto będzie on identyczny z jego naturalnym odpowiednikiem, IGF1. Tylko pobranie próbki mięśnia i zbadanie znajdującego się w nim DNA mogłoby wykazać, czy zawiera on syntetyczny gen lub niosący go wektor. Okazuje się jednak, że nieszkodliwym wirusem AAV może być w sposób naturalny zainfekowanych wiele osób, dlatego pozytywny wynik testu nie mógłby być dowodem świadczącym o dopingu. A ponieważ większość sportowców niechętnie poddawałaby się biopsji mięśni tuż przed zawodami, ten rodzaj genowego dopingu mógłby pozostać praktycznie niewykryty.
A czy nagły wzrost masy mięśniowej o 20-40% nie byłby niebezpieczny dla organizmu? Czy siła mięśni rozbudowanych dzięki genetycznym manipulacjom byłaby na tyle duża, by złamać zawodnikowi kość lub zerwać ścięgno? Prawdopodobnie nie. Bardziej niepokoi nas odtwarzanie mięśni u starszych osób z kośćmi osłabionymi przez osteoporozę. U zdrowych, młodych osób proces wzrostu mięśni trwający tygodnie czy miesiące powinien dać szkieletowi wystarczająco dużo czasu na dostosowanie się do nowych warunków.
To jednak tylko jedna z wielu wątpliwości dotyczących bezpieczeństwa proponowanej terapii. Potrzeba dalszych badań na zwierzętach, zanim w ogóle zaczniemy rozważać jej stosowanie do poprawiania sprawności zdrowych ludzi. Niemniej jednak gdy terapia genowa stanie się rutynową metodą leczenia w klinikach, pojawienie się genowego dopingu będzie kwestią czasu, a ogólne powiększenie masy mięśniowej to ledwie jedna z możliwości [ilustracja na stronie 37]. W dyscyplinach sprinterskich pożądane mogą być manipulacje genetyczne zwiększające zawartość włókien szybkich w mięśniach. Z kolei dla maratończyka najważniejsze będzie poprawienie wytrzymałości.
Mięśnie będą prawdopodobnie pierwszą tkanką ulepszoną dzięki inżynierii genetycznej, ale prędzej czy później przyjdzie pora na inne. Wytrzymałość zależy w dużej mierze od ilości tlenu dostarczanego do mięśni. Naturalnie występującym w organizmie białkiem, które stymuluje rozwój czerwonych krwinek transportujących tlen, jest erytropoetyna. Jej syntetyczna forma, zwana EPO, miała pierwotnie służyć jako lek zwalczający niedokrwistość, stała się jednak związkiem masowo nadużywanym przez sportowców. Szczególnego rozgłosu nadała jej sprawa zawodników startujących w Tour de France w 1998 roku - doszło wtedy nawet do interwencji policji podczas wyścigu, mimo to sportowcy nadal stosują EPO.
Badania, podczas których do organizmu zdrowych zwierząt wprowadzono gen mający zwiększyć wytwarzanie erytropoetyny, są doskonałą ilustracją potencjalnych zagrożeń zbyt wczesnego przenoszenia takich prób na ludzi. W latach 1997-1998 naukowcy postanowili wprowadzić syntetyczny gen kodujący erytropoetynę do organizmów małp. We wszystkich przypadkach mniej więcej po 10 tygodniach zaobserwowano podwojenie liczby czerwonych krwinek, co tak zagęściło krew zwierząt, że aby uchronić serce przed uszkodzeniem, trzeba ją było rozcieńczać.
Możliwość wprowadzenia syntetycznego genu do organizmu leży z pewnością poza zasięgiem przeciętnego sportowca. Mimo to przedstawiciele środowisk sportowych obawiają się, że tak jak w niedawnej przeszłości pojawili się naukowcy zajmujący się produkcją i dystrybucją tzw. projektowanych sterydów (designer steroids) [patrz: Steven Ashley "Doping na zamówienie", PANORAMA; Świat Nauki, marzec 2004], tak i teraz kwestią czasu jest pojawienie się czarnorynkowej oferty gotowych technik genetycznych poprawiających możliwości organizmu. Wykrywanie tego typu nadużyć będzie znacznie trudniejsze niż monitorowanie zażywania leków, ponieważ znacznie bardziej skomplikowany będzie system detekcji.
Jest też prawdopodobne, że w nadchodzącym dziesięcioleciu bezpieczeństwo stosowania niektórych rodzajów terapii genowej zostanie potwierdzone klinicznie, a to pozwoli na ich udostępnienie wszystkim ludziom. Jeśli nadejdzie taka chwila, że genetyczne ulepszanie organizmu w celu poprawienia jakości życia będzie powszechne, zdanie opinii publicznej na temat manipulowania naszymi genami ulegnie głębokiej zmianie.
Czy pewnego dnia dzięki inżynierii genetycznej stworzymy supersportowca lub poprawimy jakość życia wszystkich ludzi? Nawet teraz, w początkowym stadium, terapia genowa rokuje ogromny potencjał, zdolny do przekształcenia zarówno oblicza sportu, jak i całego społeczeństwa. Z możliwościami genetycznego poprawiania naszego ciała wiąże się wiele zawiłych kwestii etycznych. W tym przypadku mamy jednak jeszcze czas, aby je przedyskutować i rozstrzygnąć.
H. Lee Sweeney
Genowy doping
Terapii genowej wzmacniającej mięśnie wyczekują nie tylko pacjenci, ale także atleci. Jak szybko doping genowy zmieni istotę sportu?
Sportowcy z całego świata zmierzają właśnie do Aten, by wziąć udział w igrzyskach olimpijskich, których tradycja ma ponad 2000 lat. Spotykają się, aby po raz kolejny spróbować pobić rekordy siły, szybkości i zwinności. Jednak niektórzy z nich, łamiąc olimpijskie zasady, sięgną po środki poprawiające wydolność. Mimo powtarzających się skandali wielu sportowców nie umie oprzeć się dopingowej pokusie, choćby tylko po to by dotrzymać kroku konkurentom robiącym dokładnie to samo. Najważniejsze jest zwycięstwo, niektórzy więc skorzystają z każdej okazji, by poprawić wynik o ułamek sekundy, metra czy kilograma.
Federacje sportowe obawiają się, że uczestnicy igrzysk zastosują nowy rodzaj dopingu, który będzie niewykrywalny. Metody regeneracji mięśni, zwiększenia ich siły czy ochrony przed zanikiem wkrótce znajdą się na etapie badań klinicznych. Są wśród nich techniki polegające na dostarczaniu syntetycznych genów mogących pozostawać w organizmie przez lata i wytwarzania dużych ilości czynników wzrostu naturalnie występujących w tkance mięśniowej.
Ten rodzaj terapii genowej mógłby odmienić życie osób w podeszłym wieku i pacjentów z dystrofią mięśniową. Niestety, mógłby również stać się nową formą dopingu. Czynniki wzrostu kodowane przez wprowadzone do mięśni geny będą identyczne z naturalnymi. Dzięki produkcji w miejscu podania nie będą przenikać do krwiobiegu, a zatem nie będzie można ich wykryć ani we krwi, ani w moczu. Światowa Agencja Antydopingowa (WADA - World Anti-Doping Agency) już zaapelowała do naukowców, aby poszukiwali sposobów wykrywania tego rodzaju dopingu. Jednak gdy terapia genowa przejdzie próby kliniczne i stanie się rutynową metodą leczenia, uniemożliwienie sportowcom jej stosowania będzie bardzo trudne.
Czy terapia genowa przyczyni się do zaawansowanych technologicznie oszustw sportowych? Prawdopodobnie tak. Czy nadejdą czasy, kiedy terapia genowa będzie tak powszechną metodą leczenia chorób, że genetyczne poprawianie natury stanie się powszechnie akceptowane? Być może. Tak czy owak, niewykluczone, że tegoroczne igrzyska olimpijskie będą ostatnimi, w których nie wezmą udziału ulepszeni genetycznie sportowcy.
Uszkodzenia stymulują wzrost
To nie marzenia sportowców były przyczyną rozpoczęcia badań genetycznych nad zwiększeniem masy i siły mięśni. Mnie osobiście zainspirowały obserwacje członków mojej rodziny, z których wielu dożyło wieku 80-90 lat. Choć ogólnie cieszyli się niezłym zdrowiem, jakość ich życia ograniczała narastająca z wiekiem niedołężność. Pomiędzy trzydziestym a osiemdziesiątym rokiem życia zarówno siła, jak i masa mięśni może zmniejszyć się aż o jedną trzecią.
W organizmie człowieka wyróżniamy trzy rodzaje tkanki mięśniowej: mięśnie gładkie, które współtworzą ścianę wewnętrznych jam ciała, na przykład przewodu pokarmowego; mięsień sercowy oraz mięśnie poprzecznie prążkowane, zwane również mięśniami szkieletowymi. Te ostatnie reprezentują ten typ tkanki mięśniowej, o której myśli większość z nas, mówiąc o mięśniach. Mięśnie szkieletowe tworzą największy organ naszego ciała i to właśnie one - a zwłaszcza najsilniejsze włókna zwane szybkimi - zanikają wraz z wiekiem. Wraz z utratą siły zmniejsza się nie tylko zdolność do utrzymania równowagi, ale także coraz trudniej jest obronić się przed upadkiem. Ten z kolei może spowodować złamanie szyjki kości udowej lub inne poważne uszkodzenie, prowadząc niekiedy do całkowitej utraty zdolności poruszania się.
Zanik mięśni szkieletowych zachodzi z wiekiem u wszystkich ssaków i jest prawdopodobnie wynikiem zwiększenia niewydolności układu naprawiającego uszkodzenia pojawiające się podczas normalnej pracy mięśnia. Intrygujące jest to, że zmiany w mięśniach szkieletowych wskutek starzenia się przypominają funkcjonalnie i fizycznie zmiany obserwowane w chorobach określanych wspólnie jako dystrofie mięśniowe, choć przebiegają nieco od nich wolniej.
Przyczyną najczęstszej i najcięższej odmiany dystrofii mięśniowej - dystrofii mięśniowej Duchenne'a - jest dziedziczna mutacja uniemożliwiająca syntezę białka zwanego dystrofiną. Jej funkcją jest ochrona włókien mięśniowych przed uszkodzeniami, które są rezultatem naprężeń powstających podczas przemieszczania się włókienek mięśniowych względem siebie. Mięśnie mają wydajny system naprawczy, ale nie radzi on sobie z nadmiarem uszkodzeń pojawiających się w dystrofii mięśniowej. Z kolei w starzejących się mięśniach częstość uszkodzeń może być w normie, za to mechanizm naprawiający włókna staje się coraz mniej wydajny. Tak więc zarówno starzenie się, jak i dystrofia mięśniowa Duchenne'a prowadzą do zamierania włókien mięśniowych, a na ich miejsce pojawia się tkanka włóknista i tłuszcz.
Inaczej natomiast przebiega głęboki zanik mięśni, jakiego doświadczają astronauci w warunkach małej grawitacji oraz pacjenci unieruchomieni z powodu kalectwa lub urazu. Jest on wynikiem całkowitego zatrzymania procesów naprawczych oraz zahamowania wzrostu mięśni. W tym samym czasie w tkance mięśniowej dochodzi do przyśpieszenia programowanej śmierci komórek, czyli apoptozy. Zjawisko to, znane jako zanik z bezczynności (disuse atrophy), nadal nie zostało do końca poznane, niemniej gdy wziąć pod uwagę ewolucję, wydaje się mieć sens. Utrzymanie mięśni szkieletowych jest metabolicznie kosztowne, tak więc zachowanie ścisłej zależności między ich rozmiarem a aktywnością prowadzi do oszczędności energii. Mięśnie znakomicie dostrajają się do zmieniającego się zapotrzebowania na ich pracę. Gdy są nieużywane - zanikają, mogą jednak wznowić wzrost w odpowiedzi na powtarzający się wysiłek fizyczny. Wzrastające obciążenie mięśni uruchamia liczne szlaki sygnałowe, które indukują tworzenie i dodawanie do włókien mięśniowych nowych składników, zmianę rodzaju włókien, a w ekstremalnych warunkach wytwarzanie całkiem nowych włókien mięśniowych.
Aby nauczyć się wpływać na wzrost mięśni, naukowcy starają się połączyć ze sobą poszczególne elementy warunkujące zarówno ich naturalny wzrost, jak i stopniowe zanikanie. W odróżnieniu od typowej komórki, której błona otacza płynną cytoplazmę oraz znajdujące się w niej pojedyncze jądro komórkowe, komórka mięśniowa jest długim cylindrem zawierającym wiele jąder i cytoplazmę szczelnie wypełnioną długimi, cienkimi włókienkami, zwanymi miofibrylami [ramka na stronie obok]. Zbudowane są one z przylegających do siebie kurczliwych jednostek białkowych - sarkomerów. Skoordynowane skracanie sarkomerów powoduje skurcz mięśni, a wyzwalana przy tym siła może uszkodzić włókno mięśniowe, o ile nie jest wyprowadzona na zewnątrz. Jej przenoszeniem zajmuje się dystrofina.
Jednak nawet mimo ochronnego działania dystrofiny włókna mięśniowe są stale uszkadzane w wyniku normalnej pracy. Co ciekawe, uważa się to za jedną z przyczyn wzrostu masy mięśniowej w wyniku ćwiczeń. Mikroskopijne uszkodzenia we włóknie spowodowane wysiłkiem wszczynają chemiczny alarm, który jest sygnałem do rozpoczęcia regeneracji tkanki. W przypadku mięśni nie oznacza to wytwarzania nowych włókien, ale naprawę zewnętrznej błony już istniejących i wypełnianie ich wnętrza nowymi miofibrylami. Synteza nowych białek wymaga aktywacji odpowiednich genów znajdujących się w jądrze komórkowym włókna mięśniowego, a gdy zapotrzebowanie na nowe miofibryle wzrasta, niezbędne są dodatkowe jądra, aby wzmocnić zdolności produkcyjne komórek mięśniowych.
Dochodzące z mięśni bodźce chemiczne informują o uszkodzeniach komórki satelitarne rozmieszczone lokalnie na zewnątrz włókien mięśniowych. Niemal natychmiast te specyficzne dla tkanki mięśniowej komórki macierzyste rozpoczynają podziały, a następnie niektóre komórki potomne łączą się z włóknem mięśniowym, dostarczając mu dodatkowe jądro komórkowe. W proces ten zaangażowane są zarówno czynniki stymulujące, jak i hamujące wzrost. I tak komórki satelitarne przechodzą podziały w odpowiedzi na pojawienie się insulinopodobnego czynnika wzrostu 1 (IGF1 - insulin-like growth factor I), podczas gdy inny czynnik regulujący wzrost - miostatyna - hamuje te podziały.
Jakieś siedem lat temu, wspólnie z grupą Nadii Rosenthal z Harvard University, rozpoczęliśmy badanie możliwości wykorzystania IGF1 do wpływania na czynność mięśni. Wiedzieliśmy, że podanie białkowego czynnika wzrostu do komórek mięśniowych zakończy się jego degradacją w ciągu kilku godzin. Natomiast wprowadzenie genu kodującego taki czynnik sprawi, że będzie on aktywny przez całe życie komórki - a komórki mięśniowe żyją bardzo długo. Pojedyncza dawka genu kodującego IGF1 podana starszym osobom powinna im wystarczyć do końca życia. Zajęliśmy się wobec tego poszukiwaniem najskuteczniejszego sposobu wprowadzenia genu kodującego IGF1 bezpośrednio do tkanki mięśniowej.
Wprowadzanie nowych genów
W tamtych czasach, podobnie jak i teraz, główną przeszkodą w pomyślnym przeprowadzeniu terapii genowej było wprowadzenie wybranego genu do odpowiedniej tkanki. Tak jak wielu innych badaczy zdecydowaliśmy, że środkiem transportowym dla naszych genów, czyli wektorem, będzie wirus, jako że wirusy są naturalnymi "szmuglerami" genów do komórek. Stosują one taktykę konia trojańskiego - zamiast dokonywać frontalnego ataku, udają składniki naturalnego środowiska komórki i czekają, aż ta sama pobierze je do swego wnętrza. Wtedy rozpoczynają niszczycielską działalność: docierają do jądra i przestawiają mechanizmy komórkowe na replikację własnego genomu i produkcję własnych białek. Naukowcy zajmujący się terapią genową postanowili wykorzystać te zdolności, wprowadzając do genomu wirusa syntetyczny gen i równocześnie usuwając wszystkie geny podejrzewane o udział w procesach chorobotwórczych oraz te, które umożliwiają wirusowi namnażanie się.
Zdecydowaliśmy się na wybór małego wirusa zwanego AAV (adeno-associated virus), m.in. dlatego że łatwo infekuje tkankę mięśniową człowieka, nie powodując przy tym żadnych znanych chorób. Wprowadziliśmy do jego genomu gen IGF1 spreparowany tak, by działał tylko w mięśniach szkieletowych, i przeprowadziliśmy badania wstępne na myszach. Wstrzyknięcie wektora AAV-IGF1 do mięśni młodych gryzoni spowodowało zwiększenie masy mięśni i szybkości ich przyrostu o 15-30% w porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi, mimo że badane zwierzęta miały ograniczoną możliwość poruszania się. Następnie wprowadziliśmy ten sam wektor do mięśni myszy w średnim wieku i zaobserwowaliśmy, że podczas starzenia się zwierząt ich mięśnie nie traciły nic ze swej siły.
Aby lepiej ocenić wartość i bezpieczeństwo naszej koncepcji, Rosenthal zmodyfikowała genetycznie myszy w taki sposób, by w mięśniach szkieletowych stale wytwarzały zwiększoną ilość czynnika wzrostu IGF1. Efekty jej pracy były zachęcające, myszki rozwijały się prawidłowo, a jedyne różnice w porównaniu z niezmodyfikowanymi gryzoniami dotyczyły zwiększenia masy mięśni szkieletowych o 20-50%. Mimo upływu czasu mięśnie transgenicznych zwierząt zachowywały zdolność do regeneracji charakterystyczną dla młodych osobników, a podwyższony poziom IGF1 obserwowaliśmy jedynie w tkance mięśniowej, a nie w krwiobiegu. Jest to o tyle istotne, że krążący we krwi IGF1 mógłby być przyczyną chorób serca i podwyższyć ryzyko wystąpienia nowotworów. Dalsze doświadczenia pokazały, że zwiększone wytwarzanie IGF1 w tkance mięśniowej przyśpiesza procesy naprawcze, nawet u myszy z ciężką postacią dystrofii mięśniowej.
Miejscowe zwiększenie produkcji
IGF1 pozwoliło nam zrealizować podstawowe zadanie terapii genowej jako metody ograniczającej zanik mięśni: zerwaliśmy ścisłą zależność między używaniem mięśni a ich masą. W ten sposób można także zwiększać efektywność ćwiczeń fizycznych, co oczywiście jest kuszące dla sportowców. Istotnie, wzrost mięśni u młodych zwierząt pozbawionych możliwości ruchu sugerował, że metoda ta mogłaby być wykorzystana także do genetycznego zwiększenia wydajności zdrowych mięśni. Aby zweryfikować tę hipotezę, podjęliśmy współpracę z grupą fizjologów kierowaną przez Rogera P. Farrara z University of Texas w Austin.
Do tkanki mięśniowej jednej kończyny każdego z naszych szczurów laboratoryjnych wprowadziliśmy wektor AAV-IGF1, a następnie poddaliśmy je ośmiotygodniowemu treningowi siłowemu. Po zakończeniu ćwiczeń mięśnie nastrzyknięte AAV-IGF1 osiągnęły niemal dwukrotny przyrost siły w porównaniu z drugą, nienastrzykniętą kończyną tego samego zwierzęcia. Gdy wstrzymano treningi, mięśnie zawierające dodatkowy gen traciły moc znacznie wolniej. Nawet w przypadku szczurów pozbawionych możliwości ruchu wprowadzenie genu IGF1 spowodowało 15-procentowy wzrost siły mięśni, podobny do tego, który obserwowaliśmy podczas wcześniejszych doświadczeń na myszach.
Nasze badania nad wykorzystaniem genu IGF1 zamierzamy kontynuować na psach rasy golden retriever, które są podatne na szczególnie ciężką odmianę dystrofii mięśniowej. Będziemy równocześnie prowadzić doświadczenia na zdrowych zwierzętach, by określić efekty towarzyszące nadprodukcji IGF1 oraz by sprawdzić, czy jest ona bezpieczna dla modyfikowanego organizmu. W końcu jest to czynnik wzrostu, na którego obecność odpowiadają niektóre guzy nowotworowe.
Pozostają do rozstrzygnięcia wątpliwości dotyczące bezpieczeństwa proponowanej przez nas terapii oraz pytanie, czy lepiej podać wektor niosący nowy gen do krwiobiegu, czy może bezpośrednio do tkanki mięśniowej. Kwestie te sprawiają, że na zaaprobowanie terapii genowej z wykorzystaniem wektora AAV-IGF1 trzeba będzie czekać nawet do 10 lat. W stadium planowania są już natomiast doświadczenia na ludziach zmierzające do wymiany uszkodzonego genu dystrofiny. Ponadto Muscular Dystrophy Association rozpocznie wkrótce próby kliniczne dotyczące stosowania IGF1 w terapii dystrofii miotonicznej, schorzenia przejawiającego się przedłużającym skurczem mięśni i w rezultacie ich uszkodzeniem*.
Jednak najszybciej dostępne mogą się okazać metody pobudzania wzrostu mięśni lekami blokującymi działanie miostatyny, choć o mechanizmach ich działania wiadomo niewiele. Wydaje się, że miostatyna ogranicza rozwój mięśni podczas rozwoju embrionalnego i w dorosłym życiu. Działa ona jak hamulec, który limituje normalny wzrost mięśni, i jednocześnie jak czynnik stymulujący ich zanik, gdy zapotrzebowanie na pracę mięśni spada. Doświadczenia na genetycznie zmodyfikowanych myszach wskazują, że brak miostatyny powoduje znaczne powiększenie się mięśni zarówno w wyniku pogrubienia włókien, jak i zwiększenia się ich liczby.
Więcej niż mięśnie
Firmy farmaceutyczne i biotechnologiczne prowadzą badania nad różnymi inhibitorami miostatyny. Poszukiwania te były początkowo stymulowane perspektywą zwiększenia korzyści finansowych z hodowli zwierząt rzeźnych. Przykładu efektów zablokowania miostatyny dostarczyła sama przyroda. U dwóch ras bydła, belgian blue i piedemonte, stwierdzono dziedziczną mutację powodującą wytwarzanie skróconej formy tego białka. Bydło to często określa się jako podwójnie umięśnione, a nadmiernie rozwinięta muskulatura jest dodatkowo wyeksponowana ze względu na zmniejszone odkładanie tłuszczu, również wynikające z braku miostatyny, wskutek czego zwierzęta uzyskują iście posągowe kształty.
Pierwszymi lekami blokującymi działanie miostatyny były wiążące ją przeciwciała, z których jedno zostanie przetestowane na pacjentach cierpiących na dystrofię mięśniową Duchenne'a. Efekt mutacji występującej u bydła próbowano naśladować przez wytwarzanie formy miostatyny skróconej tak, by utraciła zdolność przekazywania sygnałów biochemicznych, ale zachowała strukturę warunkującą jej wiązanie w pobliżu komórek satelitarnych. Takie mniejsze białko (lub peptyd) powinno doskonale maskować miejsce wiązania prawidłowej miostatyny, blokując do niego dostęp. Wstrzyknięcie myszom peptydu będącego skróconą formą miostatyny spowodowało przerost mięśni szkieletowych. Mój zespół planuje odtworzenie tego efektu u psów przez wprowadzenie do ich mięśni genu kodującego taki sam krótki peptyd.
Metody terapeutyczne polegające na blokowaniu miostatyny są niezmiernie atrakcyjne dla zdrowych osób poszukujących sposobu na szybkie zwiększenie swojej masy mięśniowej. Choć ogólnoustrojowe podanie leku nie pozwala na działanie tak ukierunkowane jak genowa terapia wybranych mięśni, to rekompensuje to wygodą stosowania i możliwością natychmiastowego odstawienia w przypadku powikłań. Z drugiej strony tego typu leki są łatwo wykrywalne podczas kontroli antydopingowych.
Co jednak zrobić, gdy sportowcy poddadzą się terapii genowej podobnej do tej, którą zaproponowaliśmy jako metodę leczenia dystrofii mięśniowej? Produkt kodowany przez wprowadzony gen można wykryć jedynie w tkance mięśniowej, a nie we krwi ani w moczu; ponadto będzie on identyczny z jego naturalnym odpowiednikiem, IGF1. Tylko pobranie próbki mięśnia i zbadanie znajdującego się w nim DNA mogłoby wykazać, czy zawiera on syntetyczny gen lub niosący go wektor. Okazuje się jednak, że nieszkodliwym wirusem AAV może być w sposób naturalny zainfekowanych wiele osób, dlatego pozytywny wynik testu nie mógłby być dowodem świadczącym o dopingu. A ponieważ większość sportowców niechętnie poddawałaby się biopsji mięśni tuż przed zawodami, ten rodzaj genowego dopingu mógłby pozostać praktycznie niewykryty.
A czy nagły wzrost masy mięśniowej o 20-40% nie byłby niebezpieczny dla organizmu? Czy siła mięśni rozbudowanych dzięki genetycznym manipulacjom byłaby na tyle duża, by złamać zawodnikowi kość lub zerwać ścięgno? Prawdopodobnie nie. Bardziej niepokoi nas odtwarzanie mięśni u starszych osób z kośćmi osłabionymi przez osteoporozę. U zdrowych, młodych osób proces wzrostu mięśni trwający tygodnie czy miesiące powinien dać szkieletowi wystarczająco dużo czasu na dostosowanie się do nowych warunków.
To jednak tylko jedna z wielu wątpliwości dotyczących bezpieczeństwa proponowanej terapii. Potrzeba dalszych badań na zwierzętach, zanim w ogóle zaczniemy rozważać jej stosowanie do poprawiania sprawności zdrowych ludzi. Niemniej jednak gdy terapia genowa stanie się rutynową metodą leczenia w klinikach, pojawienie się genowego dopingu będzie kwestią czasu, a ogólne powiększenie masy mięśniowej to ledwie jedna z możliwości [ilustracja na stronie 37]. W dyscyplinach sprinterskich pożądane mogą być manipulacje genetyczne zwiększające zawartość włókien szybkich w mięśniach. Z kolei dla maratończyka najważniejsze będzie poprawienie wytrzymałości.
Mięśnie będą prawdopodobnie pierwszą tkanką ulepszoną dzięki inżynierii genetycznej, ale prędzej czy później przyjdzie pora na inne. Wytrzymałość zależy w dużej mierze od ilości tlenu dostarczanego do mięśni. Naturalnie występującym w organizmie białkiem, które stymuluje rozwój czerwonych krwinek transportujących tlen, jest erytropoetyna. Jej syntetyczna forma, zwana EPO, miała pierwotnie służyć jako lek zwalczający niedokrwistość, stała się jednak związkiem masowo nadużywanym przez sportowców. Szczególnego rozgłosu nadała jej sprawa zawodników startujących w Tour de France w 1998 roku - doszło wtedy nawet do interwencji policji podczas wyścigu, mimo to sportowcy nadal stosują EPO.
Badania, podczas których do organizmu zdrowych zwierząt wprowadzono gen mający zwiększyć wytwarzanie erytropoetyny, są doskonałą ilustracją potencjalnych zagrożeń zbyt wczesnego przenoszenia takich prób na ludzi. W latach 1997-1998 naukowcy postanowili wprowadzić syntetyczny gen kodujący erytropoetynę do organizmów małp. We wszystkich przypadkach mniej więcej po 10 tygodniach zaobserwowano podwojenie liczby czerwonych krwinek, co tak zagęściło krew zwierząt, że aby uchronić serce przed uszkodzeniem, trzeba ją było rozcieńczać.
Możliwość wprowadzenia syntetycznego genu do organizmu leży z pewnością poza zasięgiem przeciętnego sportowca. Mimo to przedstawiciele środowisk sportowych obawiają się, że tak jak w niedawnej przeszłości pojawili się naukowcy zajmujący się produkcją i dystrybucją tzw. projektowanych sterydów (designer steroids) [patrz: Steven Ashley "Doping na zamówienie", PANORAMA; Świat Nauki, marzec 2004], tak i teraz kwestią czasu jest pojawienie się czarnorynkowej oferty gotowych technik genetycznych poprawiających możliwości organizmu. Wykrywanie tego typu nadużyć będzie znacznie trudniejsze niż monitorowanie zażywania leków, ponieważ znacznie bardziej skomplikowany będzie system detekcji.
Jest też prawdopodobne, że w nadchodzącym dziesięcioleciu bezpieczeństwo stosowania niektórych rodzajów terapii genowej zostanie potwierdzone klinicznie, a to pozwoli na ich udostępnienie wszystkim ludziom. Jeśli nadejdzie taka chwila, że genetyczne ulepszanie organizmu w celu poprawienia jakości życia będzie powszechne, zdanie opinii publicznej na temat manipulowania naszymi genami ulegnie głębokiej zmianie.
Czy pewnego dnia dzięki inżynierii genetycznej stworzymy supersportowca lub poprawimy jakość życia wszystkich ludzi? Nawet teraz, w początkowym stadium, terapia genowa rokuje ogromny potencjał, zdolny do przekształcenia zarówno oblicza sportu, jak i całego społeczeństwa. Z możliwościami genetycznego poprawiania naszego ciała wiąże się wiele zawiłych kwestii etycznych. W tym przypadku mamy jednak jeszcze czas, aby je przedyskutować i rozstrzygnąć.
Krzysztof Piekarz
Samowar
bylo!!
Krzabr
ciekawe jakie beda 
jowww
