Генная терапия стала главной новостью последних лет, отчасти из-за быстрого развития биотехнологий, которые позволяют врачам проводить такое лечение. В широком смысле, генная терапия — это методы, используемые для лечения или профилактики заболеваний путем изменения содержания или экспрессии ДНК клеток, часто путем замены дефектных генов функциональными.
Термин «генная терапия» иногда появляется вместе с дезинформацией о вакцинах мРНК, к которым относятся вакцины Pfizer и Moderna COVID-19. Эти вакцины содержат мРНК, генетического родственника ДНК, который побуждает клетки вырабатывать «шиповидный белок» коронавируса. Вакцины не изменяют ДНК клеток, и после создания шипа клетки разрушают большую часть мРНК. Другие прививки от COVID-19 включают вирусные векторные вакцины, производимые AstraZeneca и Johnson&Johnson, которые доставляют ДНК в клетки, чтобы заставить их вырабатывать шиповидные белки. Клетки, которые вырабатывают шиповидные белки, используя инструкции либо из мРНК, либо из вирусных векторных вакцин, служат мишенью для иммунной системы, поэтому они не задерживаются надолго. Это отличается от генной терапии, которая направлена на изменение функции клеток в долгосрочной перспективе.
ДНК — это молекула, которая хранит генетическую информацию, а гены — это фрагменты генетической информации, которые клетки используют для создания определенного продукта, например, белка. ДНК находится внутри ядра клетки, где она упакована в хромосомы, а также внутри митохондрий, органелл «электростанции», расположенных вне ядра.
Хотя существуют митохондриальные заболевания, которые когда-нибудь можно будет вылечить с помощью генной терапии, в настоящее время термин «генная терапия» относится к методам лечения, нацеленным на ядерные гены — гены в 23 парах хромосом внутри ядра.
Иллюстрация ДНК внутри хромосом, которые затем находятся внутри ядра клетки. BSIP/UIG
Классически генная терапия относится к процессу либо «выключения» дисфункционального гена, либо добавления копии рабочего гена в ядро с целью улучшения функции клетки. В настоящее время генная терапия направлена на заболевания, возникающие из-за проблемы с одним геном или максимум с несколькими генами, а не на те, которые затрагивают много генов.
Однако область генной терапии в настоящее время расширяется, включая стратегии, которые не все попадают в классические категории выбивания плохих генов или добавления хороших генов. Например, исследователи из Sangamo Therapeutics разрабатывают генетические методы лечения болезней Паркинсона, Альцгеймера и Хантингтона, которые работают за счет усиления или подавления активности определенных генов.
Хотя методы лечения могут добавлять гены к клеткам тела, выключать гены или каким-либо образом изменять функцию генов, каждая генная терапия направлена на клетки определенных тканей тела. Таким образом, когда ученые и врачи говорят о том, что генная терапия делает с ДНК, они говорят не обо всей ДНК в организме, а только о ее части.
Генная терапия может проводиться как ex vivo , так и in vivo.
Генная терапия ex vivo означает, что клетки удаляются из организма, обрабатываются и затем возвращаются в организм. Это подход, используемый для лечения генетических заболеваний клеток крови, поскольку костный мозг может быть взят у пациента, стволовые клетки из этого костного мозга могут быть обработаны генной терапией — например, для замены гена, который отсутствует или работает неправильно — и трансформированные клетки могут быть введены обратно пациенту.
Генная терапия in vivo означает, что сама генная терапия вводится или инфузируется в человека. Это может быть инъекция непосредственно в анатомическое место, где необходима генная терапия (распространенным примером является сетчатка глаза), или это может означать инъекцию или инфузию генетического груза, который должен попасть в ткани организма, где он необходим.
Генная терапия может включать в себя введение генов в клетки и ткани человека для лечения заболевания. На этой диаграмме показан пример генной терапии ex vivo. Алдона Гришкевичене
В генной терапии как ex vivo, так и in vivo генетическая нагрузка упаковывается в контейнер, называемый вектором, перед доставкой в клетки или организм. Одним из таких векторов является аденоассоциированный вирус (AAV). Это группа вирусов, которые существуют в природе, но у которых обычные гены были удалены и заменены генетической нагрузкой, что превращает их в векторы генной терапии.
AAV использовался для доставки генной терапии в течение многих лет, поскольку он имеет хорошие показатели безопасности. Он гораздо менее склонен вызывать опасный иммунный ответ, чем другие вирусы, которые использовались в качестве векторов несколько десятилетий назад, когда генная терапия только зарождалась. Кроме того, упаковка генетических полезных грузов в носителях AAV позволяет инъекционной или инфузионной генной терапии перемещаться в определенные ткани организма, где она необходима. Это связано с тем, что существует много типов AAV, и определенные типы притягиваются к определенным тканям или органам. Таким образом, если генетическому грузу необходимо достичь, например, клеток печени, его можно упаковать в тип AAV, который любит отправляться в печень.
На заре генной терапии, которая началась в 1989 году, исследователи использовали ретровирусы в качестве векторов. Эти вирусы доставляли генетический груз непосредственно в ядерные хромосомы пациента. Однако существовали опасения, что такая интеграция новой ДНК в хромосомы может вызвать изменения, приводящие к раку, поэтому от этой стратегии изначально отказались. (Совсем недавно ученые успешно использовали ретровирусы в экспериментальной генной терапии, не вызывая рака; например, терапия на основе ретровирусов использовалась для лечения младенцев с «болезнью мальчика-пузыря».)
Отойдя от ретровирусов, исследователи обратились к аденовирусам, которые предлагали преимущество доставки генетической нагрузки в виде эписомы — фрагмента ДНК, который функционирует как ген внутри ядра, но остается отдельной сущностью от хромосом. Риск рака был чрезвычайно низким с этим нововведением, но оказалось, что аденовирусные векторы стимулируют иммунную систему очень мощными способами. В 1999 году иммунная реакция на генную терапию с использованием аденовируса привела к смерти 18-летнего Джесси Гелсингера, который добровольно вызвался участвовать в клиническом испытании.
Исследователи в области генной терапии отказались от использования ретровирусов и перешли на аденовирусы. Сексан Монгкхонхамсао
Смерть Гелсингера потрясла сообщество генной терапии, затормозив эту область на несколько лет, но современные методы генной терапии, которые появились за эти годы на основе AAV, не опасны. Однако они, как правило, дороги, а уровень успеха варьируется, поэтому их обычно используют в качестве последнего средства для растущего числа генетических заболеваний.
Генная терапия может лечить некоторые заболевания крови, такие как гемофилия А, гемофилия В, серповидноклеточная анемия и, начиная с 2022 года, бета-талассемия. Общим для этих заболеваний является то, что проблема сводится всего к одному гену. Это сделало бета-талассемию и серповидноклеточную анемию легкодоступными для генной терапии ex vivo, которая подразумевает удаление и модификацию стволовых клеток костного мозга, тогда как гемофилию А и гемофилию В лечат с помощью генной терапии in vivo, нацеленной на клетки печени. Тем не менее, существуют и другие методы лечения этих заболеваний крови, поэтому генная терапия является скорее крайней мерой.
Многочисленные расстройства ферментной недостаточности также сводятся к одному плохому гену, который необходимо заменить. Церебральная адренолейкодистрофия, которая вызывает накопление жирных кислот в мозге, является одним из таких расстройств, которое можно лечить с помощью генной терапии, согласно Бостонской детской больнице. Терапия CAR T-клетками, которая одобрена для некоторых видов рака, включает удаление и модификацию иммунных клеток пациента и известна как «клеточная генная терапия».
Генная терапия также оказалась полезной при лечении наследственных заболеваний сетчатки, при которых другие методы лечения оказались бесполезны. Еще одной группой мишеней генной терапии являются заболевания нервной системы.
Например, генная терапия разрабатывается для лечения пары генетических заболеваний, называемых болезнью Тея-Сакса и болезнью Сандхоффа. Оба состояния возникают из-за того, что органеллы, называемые лизосомами, заполняются жироподобными молекулами, называемыми ганглиозидами. Последствия этих заболеваний включают задержку в развитии, потерю ранее приобретенных навыков, скованность, слепоту, слабость и отсутствие координации с возможным параличом. Дети, рожденные с болезнью Тея-Сакса и болезнью Сандхоффа, обычно не доживают до возраста 2–5 лет.
Редактирование генов CRISPR — это мощный метод модификации ДНК, который когда-нибудь может быть использован в генной терапии. Вот упрощенное описание того, как работает редактирование генов CRISPR. ttsz
«Рационального дородового или неонатального теста на синдром Тея-Сакса и синдром Сандхоффа не проводилось, поскольку не было вообще никакого доступного лечения», — сказал доктор Джагдип Валиа, клинический генетик и глава отдела медицинской генетики в Департаменте педиатрии и Центре медицинских наук Кингстона и Университете Квинс в Онтарио, Канада. Валиа разрабатывает генную терапию, направленную на замену гена Hex A, фермента, дефицит которого наблюдается у этих детей. До сих пор лечение показало хорошую эффективность и безопасность на животных моделях, но его все еще нужно протестировать на людях.
Будущее выглядит обнадеживающим, когда речь идет о генной терапии в целом, благодаря новым технологическим разработкам, включая редактирование генов CRISPR. Это чрезвычайно мощный метод вырезания частей молекул ДНК и даже вставки новых частей. CRISPR — не первый метод, который ученые использовали для редактирования ДНК, но он гораздо более универсален, чем другие методы. Он еще не совсем готов для хромосомной манипуляции in vivo, но развивается экспоненциально.
Возможно, еще ближе к горизонту перспектива доставки большего количества генетической информации в клетки. Одним из больших недостатков вектора AAV является то, что каждая вирусная частица может нести лишь небольшое количество ДНК, но недавние исследования показали, что другой тип вируса, называемый цитомегаловирусом, может быть адаптирован для переноса генной терапии с гораздо большей полезной информацией, чем AAV. Это не только может когда-нибудь распространить генную терапию на большее количество заболеваний, требующих большего количества генов, чем может нести AAV, но и может позволить доставлять более одного гена в одной терапии.
