Terapia genowa – na czym polega, zastosowanie, rodzaje, choroby

Co to jest a czym polega terapia genowa?

Terapia genowa polega na wyizolowaniu potrzebnego genu i wprowadzenia go do komórek biorcy (pacjenta dotkniętego schorzeniem genetycznym). Gdy objawy wskazują na dziedziczny charakter choroby do wyboru są dwa sposoby.

Pierwszy polega na wprowadzeniu prawidłowej kopii do komórki linii zarodkowej (terapia germinalna). Inny sposób polega na podaniu potrzebnego genu do komórek somatycznych człowieka. Obecnie nauka skupia się głównie na wprowadzeniu potrzebnego genu do komórek somatycznych. Terapia genowa w większości przypadków polega więc na wprowadzeniu kopii potrzebnego genu do komórek drogą technik inżynierii genetycznej, które mają dwa nieczynne allele, co powinno zniwelować istniejący defekt.

W proponowanej terapii genowej nowotworów, często przewiduje się efekt końcowy zabiegu, który polega na zabiciu komórki nowotworowej lub pobudzeniu naszego układu odpornościowego do efektywniejszego zwalczania choroby nowotworowej. Istota terapii genowej polega zatem na zastąpieniu wadliwego genu w organizmie na nowy, zdrowy gen, spełniający swoje fizjologiczne funkcje.

Największą przeszkodą w terapii genowej jest znalezienie odpowiedniego przenośnika potrzebnego genu (wektora), bez spowodowania poważniejszych skutków ubocznych. Paradoksalnie, większość obiecujących kandydatów na wektory do terapii genowej to pochodne wirusów chorobotwórczych, a to dlatego, że rozwinęły one wydajny system przenoszenia swoich genomów do komórek człowieka. Inżynieria genetyczna w medycynie powinna zapewnić efektywny wektor do przenoszenia potrzebnych genów.

Rodzaje terapii genowych – in vivo i ex vivo

Istnieją różne rodzaje terapii genowej. Może być ona przeprowadzana w 2 metodach – in vivo i ex vivo.

Terapia genowa in vivo to wprowadzenie leczniczego genu bezpośrednio do organizmu pacjenta, z nadzieją, że geny znajdą odpowiednią komórkę docelową. In vivo gen podaje się w sposób mało wydajny.

Zalety inżynierii genetycznej umożliwiają terapię ex vivo, która polega na pobraniu komórek od pacjenta i manipulowaniu nimi w laboratorium w hodowlach komórkowych, i następnie wprowadzenie ich ponownie do organizmu pacjenta. Docelowe komórki mogą być różne. W wielu przypadkach gen powinien trafić do dokładnego, określonego typu komórek, np. w celu zastąpienia wadliwych genów globiny w dziedzicznej hemoglobinopatii. Więc poprawny gen powinien być wprowadzony do komórek krwiotwórczych szpiku. W innych chorobach konieczne jest tylko zwiększenie w organizmie poziomu określonego białka, np. jakiegoś hormonu. Wówczas wystarczy wprowadzić gen do jakiejkolwiek komórki, która umożliwi prowadzenie produktu do krwi.

Terapia germinalna dotyczy komórek rozrodczych, z których powstanie nowy organizm lub komórek we wczesnym stadium zarodkowym. Tak wprowadzona zmiana jest dziedziczna tzn. przekazywana komórkom potomnym przy podziałach komórkowych. Dzięki takim modyfikacjom zarodkowym możliwe jest uzyskanie trwałych zmian genetycznych.

Terapia genowa – wektor genetyczny

Wektorem są na przykład wirusy, ale odpowiednio przygotowane, by nie mnożyły się w organizmie gospodarza i jednocześnie nie stymulowały odpowiedzi immunologicznej. Wektory przygotowuje się przez zastosowanie inżynierii genetycznej. Odpowiednie obrobienie wirusa polega na usunięciu z niego genów niezbędnych do funkcji wirusowych (np. odpowiedzialnych za ich namnażanie). Takie delecyjne wirusy określa się mianem wirusów przygotowanych. Pożądany gen wprowadza się do pozostałego wirusowego genomu wraz z genami regulującymi jego promocję i transkrypcję. Tak zrekombinowana cząsteczka DNA jest pakowana w płaszcz wirusowy, tak aby umożliwić zainfekowanie człowieka.

Retrowirusy w terapii genowej

Retrowirusy są specjalnymi wektorami genetycznymi, które zawierają geny dla odwrotnej transkryptazy. Enzym ten umożliwia wbudowanie genu obcego do genomu gospodarza. Znaczną wadą tych wirusów jest działanie tylko na komórki dzielące się. Dlatego są głównie wykorzystywane w metodzie ex vivo w hodowlach komórkowych. Kolejnym problemem jest krótki czas ekspresji wprowadzonych genów. Zwykle nie dłużej niż 2 tygodnie. Podgrupa retrowirusów – lentiwirusy mogą infekować komórki, które nie dzielą się, dlatego są przydatne w protokole in vivo.

Adenowirusy w terapii genowej

Kolejną wykorzystywaną grupą wektorów są adenowirusy. Kilka z nich powoduje powszechne infekcje górnych dróg oddechowych u ludzi, a ich genom może przyjmować duże wstawki ludzkiego DNA. Wadą adenowirusów jest brak trwałego związania z genomem gospodarza. Oznacza to, że nie mogą powodować trwałych zmian w aparacie genetycznym pacjenta. Wywołują ponadto odpowiedź immunologiczną, która może uśmiercić zainfekowane komórki.

Terapia genowa ma swoje za i przeciw. Do wad wszystkich wektorów wirusowych należą:

• mała wydajność systemu przenoszenia genów,
• uruchomienie odpowiedzi immunologicznej pacjenta,
• bliskie pokrewieństwo z wirusami onkogennymi.

Liposomy w terapii genowej

Opisane wady terapii genowej z wykorzystaniem wektorów wirusowych spowodowały rozwój innych wektorów dla pożądanych, leczniczych genów. Najbardziej obiecujące z nich wydają się tzw. liposomy.

Liposomy to specjalne lipidowe micele, które mogą być używane jako nośnik molekularny. Błony fosfolipidowe, z których zbudowane są liposomy łatwo wiążą DNA i są wchłaniane szybko przez żywe komórki gospodarza. Do zalet liposomów należą:

• brak wywoływania odpowiedzi immunologicznej,
• działanie in vivo i ex vivo,
• przenoszenie DNA o dowolnej wielkości.

Wadą jest słaba efektywność integracji z genomem gospodarza.

Zastosowanie terapii genowej – leczenie chorób genetycznych

Terapia genowa umożliwia częściowe leczenie wybranych chorób genetycznych. Choroby leczone terapią genową to m.in. choroby genetyczne mono-genowe, np. fenyloketonuria, deficyt ADA lub mukowiscydoza. Choroby genetyczne powstają wskutek mutacji genowych w łańcuchu DNA, np.

• delecji, czyli wypadnięciu fragmentu DNA,
• mutacji punktowej – zastąpieniu pojedynczego nukleotydu innym, nieprawidłowym,
• inwersji – przestawieniu odcinków sekwencji nukleotydów.

Terapia genowa w leczeniu ADA

Niedobór deaminazy adenozyny (ADA) to rzadka choroba przebiegająca z niedoborami odporności. Dziedziczona jest w sposób autosomalny recesywny. Gen, który koduje ADA, został sklonowany, a pierwsze próby leczenia tej choroby zostały podjęte w 1990 roku. Gen wprowadzono do wektora retrowirusowego i infekowano nim pobrane od pacjenta limfocyty T, które tak stymulowano, aby mogły rosnąć w hodowli komórkowej. Komórki mające aktywny gen rozmnożono i ponownie wprowadzono do chorego. Postępowanie to w niektórych przypadkach zakończyło się powodzeniem. Nie jest to leczenie przyczynowe, ponieważ komórki wprowadzone są stopniowo wypierane przez limfocyty produkowane w szpiku kostnym z wadliwym genem. Wniosek z tego jest taki, że jeżeli chcemy uzyskać trwałe leczenie musimy powtarzać procedurę co jakiś czas. Jednokrotne i skutecznie wykonanie procedury jest możliwe tylko przy zainfekowaniu prekursorowych komórek macierzystych szpiku.

Terapia genowa mukowiscydozy

Terapia genowa jest stosowana między innymi do leczenia mukowiscydozy. Mukowiscydoza, tj. zwłóknienie torbielowate, polega na defekcie genu CFTR, który odpowiada za zagęszczanie śluzu w gruczołach wydzielania zewnętrznego w drogach oddechowych, trzustce i nasieniowodach. Objawy są spowodowane nieprawidłowym gromadzeniem gęstego śluzu w płucach, niewydolności trzustki i uszkodzeniem nasieniowodów. Terapia genowa mukowiscydozy polegała na zastosowaniu adenowirusów. Zrekombinowane wirusy podawane były w aerozolu, ponieważ niektóre z wirusowych cząstek są zdolne do infekcji komórek dróg oddechowych. Wady w terapii polegają na:

• reakcji immunologicznej przeciwko wirusom,
• istnieniu bariery śluzowej, która blokuje integracje wirusa z komórką docelową,
• braku integracji z komórkami gospodarza.

Alternatywą jest wprowadzenie genu CFTR przez liposomy. Gen trafia do niewielu komórek, ale za to jego działanie jest długoterminowe.

Czytaj również: Zwłóknienie płuc – rodzaje, przyczyny, objawy, badania, leczenie, rokowania

Terapia genowa w leczeniu nowotworów

Terapię genową można zastosować jako metodę leczenia chorych na nowotwory. Zastosowanie terapii genowej w tym zakresie opiera się na założeniu, że nowotwory powstają na skutek wadliwych genów gospodarza. Teoretycznie możliwe jest zapobieganie dalszemu rozwojowi nowotworu przez zastępowanie wadliwego genu supresji nowotworów genami poprawnymi.

Inna metodologia polega na zastosowaniu genów egzogennych, które będą stymulować apoptozę komórki nowotworowej lub stymulować odpowiedź immunologiczną organizmu. Wirus opryszczki można zmodyfikować przez dołączenie do niego genu kinazy tymidylanowej. Dalej po infekcji gospodarza komórki nowotworowe będą bardzo podatne na lek – gancyklowir, i jednocześnie lek nie będzie dotykać zdrowych komórek pacjenta. Dodatkową korzyścią jest szybkie obumieranie sąsiadujących komórek nowotworowych, które są ze sobą połączone połączeniami międzykomórkowymi.

Inną metodą jest zastosowanie siRNA. Podanie egzogennego RNA do komórek nowotworowych powoduje wygaszenie ekspresji np. dla genów podziału komórkowego. Blokuje to dalszy wzrost guza nowotworowego, przez co nasz układ odpornościowy jest w stanie sobie poradzić z usuwaniem pozostałości tkanki nowotworowej.

Obecnie nadzieje w terapii genowej powierza się poprawie w budowie wektorów liposomowych, a konkretnie ich asymilacji z komórkami gospodarza oraz badaniami nad siRNA. Poprawa w terapii liposomowej polega na modyfikacjach liposomów, aby lepiej były wchłaniane przez komórki docelowe drogą endocytozy. Obecnie osiąga się to przez dodanie dodatnio naładowanych cząsteczek poli-lizyny do liposomów, które łatwo osiągają kształty sferyczne i szybko integrują się z błoną białkowo-lipidową komórki docelowej.