Podstawy terapii genowej Wprowadzenie do zagadnień terapii genowej

Podstawy terapii genowej Wprowadzenie do zagadnień terapii genowej Terapia genowa – jako wprowadzanie prawidłowych genów do komórek w celach terapeutycznych – została zaproponowana przez polskiego uczonego prof. Szybalskiego w latach 60 ub. wieku. Idea została wcielona w życie w 1962r. przez profesora w trakcie eksperymentu na hodowli komórek gdzie zmutowane komórki zostały „uleczone” przez wprowadzenie DNA prawidłowych komórek zawierających prawidłowy gen HPRT – kodujący enzym uczestniczący w metabolizmie puryn. Pierwotnie terapia genowa była skierowana na leczenie chorób dziedzicznych i monogenowych. Coraz częściej jednak próbuje się ją wykorzystać do leczenia innych chorób, w tym nowotworów. Obecnie schematy terapii genowej u ludzi są wciąż udoskonalane. Wiele z nich znajduje się w trakcie badań klinicznych II lub III fazy.

Podstawy terapii genowej Wprowadzenie do zagadnień terapii genowej Najbardziej skuteczne terapie genowe: Ciężki złożony niedobór odporności (SCID) – pierwsza udana terapia genowa w historii medycyny (1990r.). Obecnie ok. 40 pacjentów przeszło terapię: pobranie komórek macierzystych szpiku, ich transdukcję ex vivo retrowirusem z genem kodującym deaminazę adenozyny, selekcję i proliferację in vitro, przeszczep do pacjenta poddanego supresji komórek szpiku. Choroba Parkinsona – gen dekarboksylazy L-aminokwasów aromatycznych (AADC) zawarty w wektorze AAV (wirus towarzyszący adenowirusom) wprowadzono do mózgu przez kontrolowaną iniekcję stereotaktyczną; 1 pacjent trwale wyleczony Dystrofia mięśniowa Duchenne’a – antysensowny oligomer morfolinowy (Eteplirsen) indukujący przeskok przez ekson 51 w mRNA dystrofiny – powstaje skrócona ale funkcjonalna dystrofina; leczenie 12 chłopców daje efekty kliniczne; prawdopodobna szybka ścieżka rejestracji leczenia Mukowiscydoza – gen transbłonowego regulatora mukowiscydozy w połączeniu z liposomami podawany przez nebulizację; największe badanie kliniczne terapii genowej II fazy – 130 pacjentów; nie zakończone

Podstawy terapii genowej STRATEGIE TERAPII GENOWEJ: I Komplementacja defektu genetycznego polega na łagodzeniu skutków biologicznych defektu genetycznego przez wprowadzenie prawidłowego genu (nie usuwa defektu) Przykład: mutacja punktowa w ORF genu β-globiny prowadzi do anemi sierpowatej (zamiana 1 aminokwasu – tetramery α i β-globiny tworzą strąty); wprowadzenie prawidłowego genu β-globiny do komórek macierzystych erytrocytów → wytwarzanie normalnych erytrocytów

Podstawy terapii genowej Wprowadzanie genów do komórek docelowych: A. in vivo – wprost do organizmu (domięśniowo, doguzowo, systemowo – tj. do krwi) celowane wprowadzanie jest możliwe przez zastosowanie: wektorów wirusowych o określonym tropizmie, nośników (np. liposomy) zawierających odpowiednie ligandy B. ex vivo – poza organizmem; polega na pobraniu komórek (szpik, limfocyty, mioblasty), ich hodowli oraz modyfikacji genetycznej i wprowadzeniu do organizmu

Podstawy terapii genowej Powodzenie komplementacji zależy od wielu czynników: dostarczenie genu do określonych komórek np. w leczeniu mukowiscydozy – do komórek nabłonka oddechowego, w nowotworach – do guza ale też do węzłów chłonnych, limfocytów, komórek dendrytycznych gdy suplementacji ulega białko surowicy – dowolna komórka (np. mięśniowa, skóry) może produkować aktywne białko wydzielane do krwiobiegu, np. czynniki krzepnięcia w leczeniu hemofilii 2. przygotowanie konstruktu genowego o dużej i trwałej aktywności (dobór odpowiedniego promotora) 3. wybór komórek o długim czasie życia

Podstawy terapii genowej Ograniczenia metody komplementacji: wielkość genu – duże geny trudniej wprowadzić lub nie mieszczą się w wektorach wirusowych wydajność transferu konstruktu genowego do komórek docelowych – wydajność odwrotnie proporcjonalna do wielkości DNA wprowadzenie transgenu, który integruje do genomu gospodarza – może zajść wyciszenie transgenu lub/i insercyjna inaktywacja genu gospodarza okres utrzymywania się efektu – może być nietrwały bezpieczeństwo – wektory adenowirusowe oraz liposomy mogą indukować reakcje zapalne i powstawanie przeciwciał choroby związane z mutacjami dominującymi-negatywnymi – wprowadzenie poprawnego białka nie ma sensu ponieważ obecność zmutowanego białka indukuje zmiany konformacyjne w białku prawidłowym inaktywując je: domena aktywna białko nieaktywne domena nieaktywna

Podstawy terapii genowej II Hamowanie ekspresji genu Specyficzne hamowanie ekspresji zmutowanego lub nadmiernie aktywnego genu (wyciszanie na poziomie DNA lub mRNA) protonkogeny – normalne geny odpowiedzialne za regulację podziałów komórkowych, różnicowanie i wzrost (myc, ras, abl) onkogen – powstaje na skutek aktywacji protoonkogenu; bierze udział w promocji nowotworów aktywacja protoonkogenu zachodzi na skutek: transdukcji, mutacji, translokacji, amplifikacji

Podstawy terapii genowej Hamowanie ekspresji genu przez: 1. oligonukleotydy antysensowne (ASO) – oligonukleotydy liczące około 20 nukleotydów, których sekwencja jest komplementarna do mRNA lub DNA wyciszanego genu; wyciszanie przez: degradację mRNA (aktywacja RNAzyH) steryczną przeszkodę dla aparatu translacyjnego mechanizm epigenetyczny 2. rybozymy – krótkie cząsteczki RNA o właściwościach nukleolitycznych, które wiążą się do określonego fragmentu mRNA i przecinają wiązanie fosfodwuestrowe w specyficzych miejscach

Podstawy terapii genowej Rybozym o strukturze młotka (hammerhead rybozyme)

Podstawy terapii genowej 3. interferujący RNA (siRNA, small interfering RNA) – małe cząsteczki dwuniciowego RNA (20-25 nt), które powodują wyciszanie ekspresji genów o homologicznej sekwencji (interferencja RNA, RNAi – RNA interference). Działanie przez: indukcję degradacji mRNA blokowanie translacji

Podstawy terapii genowej III Korekta wadliwego genu Naprawa mutacji o charakterze trwałym Wykorzystuje: enzymy naprawiające błędne sparowania (mismatch repair) enzymy wycinające nukleotydy (excision repair) enzymy biorące udział w rekombinacji homologicznej Przykład: fragmenty DNA (400-800 pz) zawierające sekwencję homologiczną do naprawianego genu oraz prawidłową sekwencję do podstawienia (homologiczne podstawianie małych fragmentów, small fragment homologous replacement - SFHR); wydajność do 10% [Oligonucleotides. 2006 Sep;16(3):213-24 metoda SFHR w konwersji β-globiny sierpowatej do prawidłowej w krwiotwórczych komórkach macierzystych]

Podstawy terapii genowej IV Celowana eliminacja komórek Precyzyjne zabijanie komórek zainfekowanych wirusem lub komórek nowotworowych Dla nowotworów: eliminacja bezpośrednia a. wprowadzenie do komórek genu kodującego toksyczne białko (pod kontrolą promotora specyficznego dla nowotworów) b. stosowanie genów samobójczych – przekształcających podawany systemowo prolek do toksycznego leku (np. deaminaza cytozynowa z E. coli przekształca 5-fluorocytozynę do 5-fluorouracylu; kinaza tymidynowa HSV – fosforyluje gancyklowir c. radiouczulanie - deaminaza cytozynowa d. geny proapoptotyczne – indukujące apoptozę (kaspazy, Bax) 2. eliminacja pośrednia a. przez aktywację odpowiedzi immunologicznej b. hamowanie angiogenezy

Podstawy terapii genowej V Wprowadzenie dodatkowych genów Nadanie komórkom nowej cechy fizjologicznej lub wzmocnienie już cechy posiadanej Przykłady: geny immunomodulacyjne – głównie cytokiny (IL-2, GM-CSF tj. czynnik stymulujący tworzenie kolonii granulocytów i makrofagów) → nowotwory geny o funkcji ochronnej – podawanie genów oporności wielolekowej (MDR) do szpiku kostnego przed chemoterapią → nowotwory geny antyangiogenne – angiostatyna, endostatyna, tkankowe inhibitory metaloproteaz (TIMP) → nowotwory geny proangiogenne – indukowanie terapeutycznej angiogenezy (naczyniowo śródbłonkowy czynnik wzrostu - VEGF) → miażdżyca, choroba niedokrwienna serca

Modyfikacje genetyczne Ogólna zasada postępowania przy modyfikacjach genetycznych (takich jak np. wprowadzanie dodatkowych genów, hamowanie aktywności genów, naprawa genów)

Ogólna zasada postępowania przy modyfikacjach genetycznych – cd. Modyfikacje genetyczne Ogólna zasada postępowania przy modyfikacjach genetycznych – cd. 5 6 7 namnażanie bakterii rekombinowanych izolacja plazmidów rekombinowanych wprowadzanie (transfekcja) rekombinowanych plazmidów produkcja rekombinowanych białek/badania podstawowe terapia genowa

Modyfikacje genetyczne Systemy ekspresyjne stosowane do otrzymywania związków rekombinowanych: Układy prokariotyczne: Escherichia coli – nie zawsze obróbka potranslacyjna jest efektywna → powstają nieaktywne białka Układy eukariotyczne: Saccharomyces cerevisiae Ustalone linie komórkowe zwierzęce (np. CHO – chinese hamster ovary, z jajnika chomika chińskiego; BHK – baby hamster kidney z nerki chomika syryjskiego Wady: brak zgodności międzygatunkowej w obróbce potranslacyjnej białka (wzór glikozylacji jest gatunkowo specyficzny – możliwa immunogenność)

Modyfikacje genetyczne Systemy ekspresyjne stosowane do otrzymywania związków rekombinowanych – cd. linie komórkowe ludzkie są coraz częściej wykorzystywane: HEK293 – z embrionalnych komórek nerki HT-1080 – z włókniakomięsaka PER.C6 – z embrionalnych komórek siatkówki rośliny i hodowle komórek roślinnych – nieopłacalne i w wielu sytuacjach struktura białka nie jest właściwa, wzór glikozylacji – typowy dla roślin (immunogenny)

Metody wprowadzania DNA do komórek Modyfikacje genetyczne Metody wprowadzania DNA do komórek Komórki prokariotyczne (E. coli), drożdże: Elektroporacja Generowanie komórek kompetentnych Transformacja protoplastów Komórki eukariotyczne (ustalone linie komórkowe): metody niewirusowe fizyczne chemiczne metody wirusowe Wprowadzony do komórki gospodarza obcy gen (transgen) może ulec integracji z genomem gospodarza lub pozostać na terenie cytoplazmy jako forma autonomiczna tzw. episom.

Modyfikacje genetyczne Metody fizyczne Elektroporacja mikroiniekcja Transfekcja przy użyciu ultradźwięków Immunoporacja „Gene gun” (transfekcja balistyczna)

Modyfikacje genetyczne mikroiniekcja – roztwór DNA wstrzykiwany do pojedynczych komórek pod kontrolą mikroskopu (tworzenie organizmów na poziomie przedzarodkowym)

Modyfikacje genetyczne elektroporacja – czyste DNA wprowadzane do zawiesiny komórek (komórki krwiotwórcze lub macierzyste) lub in vivo (mięśnie, wątroba, naczynia) – krótki impuls elektryczny wywołuje chwilowe przerwanie ciągłości błony komórkowej

Modyfikacje genetyczne balistyczne – drobinki złota lub wolframu pokryte DNA wstrzeliwane do mięśni lub skóry (fala uderzeniowa generowana rozprężającym się gazem lub prochem), stosowane też w hodowlach komórek

Modyfikacje genetyczne Metody chemiczne Lipofekcja (liposomy) Precypitacja (fosforan wapnia) DEAE – Dekstran (diethylaminoethyl-dekstran) PEI (polietylenoimina) Kompleksy liposomowo-polimerowe (z polilizyną, PEG)

Modyfikacje genetyczne Kompleksy liposomowo-polimerowe dzięki ładunkowi (+) kondensują DNA (-) i wiążą się z zewn. powierzchnią błony komórkowej (-). Wnikają do komórki na zasadzie endocytozy i fuzji błon

Modyfikacje genetyczne Wektory wirusowe Wektory wirusowe to replikacyjnie defektywne wirusy, których wirusowa sekwencja kodująca została całkowicie lub częściowo usunięta na rzecz wprowadzonego transgenu. Wirusy takie mogą transdukować komórki ale nie ulegają w nich namnażaniu i nie powodują lizy komórek. Synteza cząstek wirusa (rekombinowane wirusy) zachodzi tylko w specjalnych liniach komórek eukariotycznych – tzw. liniach pakujących Najczęściej stosowane wirusy: Retrowirusy Adenowirusy AAV (adeno-associated virus) – wirusy tow. adenowirusom

Modyfikacje genetyczne Wektory wirusowe Znajdują zastosowanie w modyfikacji komórek hodowlanych in vitro ale również w protokołach terapii genowej in vivo Glybera (gen ludzkiej lipazy lipoproteinowej (LPL) w wektorze wirusa towarzyszącego adenowirusom - AAV-1) – pierwszy zarejestrowany (2012; UE) lek terapii genowej: w leczeniu dziedzicznego niedoboru lipazy lipoproteinowej (LPLD) LPL odpowiedzialna za metabolizm tłuszczu: produkowana w mięśniach, adipocytach, sercu, płucach, wątrobie i inn.; przekształca triglicerydy w chylomikronach do wolnych kw. tłuszcz. rzadka choroba (ultra sieroca) : 1-2 przypadki na 1mln objawy – m.in. nawracające zapalenia trzustki Leczenie: jednorazowe iniekcje domięśniowe (ok. 60 miejsc w k. dolnych) – efekt ok. 1 rok, stosowanie tylko u chorych z wykrywalnym LPL; koszt terapii £ 1.2mln