Dlaczego terapia genowa
(nie zawsze) działa?

avatar
Magda Kopczyńska 30 Paź, 5 minut czytania

Odpowiedni środek transportu

Terapia genowa (niestety!) nie polega jedynie na wprowadzeniu odpowiedniego genu do układu krwionośnego pacjenta. Kwasy nukleinowe nie mają zdolności swobodnego wnikania do komórek, żeby rozgościć się tam na dobre i produkować od razu potrzebne białko. W tym celu wykorzystuje się wektory, najczęściej wirusowe, m.in. adenowirusy, lentiwirusy i wirusy AAV1. To samo w sobie jest już genialne – pomyślcie tylko, podajemy pacjentowi wirusa, a ten replikując się w organizmie wprowadza materiał genetyczny do coraz większej liczby komórek i w konsekwencji pacjent zostaje wyleczony. W każdej jego żywej komórce znajduje się poprawne białko, które wcześniej albo nie powstawało, albo powstawało uszkodzone.

Jednak nic bardziej mylnego – ze względów bezpieczeństwa wirusy wykorzystywane do terapii genowej muszą być pozbawione zdolności replikacji. W praktyce, jeden wirus wprowadzony do organizmu pacjenta ma zdolność zainfekowania jednej komórki. Jaką mamy pewność, że dotrze akurat do tego typu komórki, do której chcielibyśmy, aby dotarł? Każdy z typów komórek naszego organizmu, mimo tego samego genotypu, może cechować zupełnie innym profilem produkowanych tam białek, a zatem i różną ekspresją kodujących je genów. Jeśli więc zamiast komórek docelowych nasz wektor „zainfekuje” komórki, które wcale nie potrzebują białka kodowanego przez terapeutyczny gen, może całkowicie zaburzyć ich funkcjonowanie. Nie mówić już o tym, że nasza terapia zwyczajnie nie będzie efektywna. Rozwiązaniem wydaje się bezpośrednie podanie wirusa do tkanki docelowej. Nadal istnieje jednak ryzyko, że wirus nie rozprzestrzeni się w niej w sposób równomierny lub dostanie się do innych tkanek. Istnieją przeszkody, które dla większości wirusów są całkowicie nie do pokonania, a największym wyzwaniem na dzień dzisiejszy pozostaje bariera krew-mózg (iniekcja wprost do narządu jest ryzykowna)2.

Z tych właśnie powodów naukowcy pracują nad nowymi drogami transportu dla terapeutycznych kwasów nukleinowych, jak i serotypami (czyli typami, odmianami) wirusów, które trafiają do określonych tkanek. Wykazano między innymi, że serotyp wirusa AAV9 jest w stanie pokonać barierę krew-mózg3, co daje nowe nadzieje w leczeniu takich schorzeń neurologicznych jak choroba Alzheimera czy Parkinsona. Szeroko bada się też niewirusowe systemy transportu, takie jak. np. nanocząstki (liposomy, nanorurki węglowe czy polimery kationowe), które charakteryzują się niekiedy lepszym profilem bezpieczeństwa niż wektory wirusowe, jednak znacznie mniejszą efektywnością4.

Waleczny układ odpornościowy

Mimo, że wirusy wykorzystywane w terapii genowej nie posiadają zdolności replikacji czy wywoływania choroby, nadal są to wirusy, czyli cząsteczki rozpoznawane przez nasz układ immunologiczny jako patogeny. Ze względu na fakt, że wirusy wykorzystywane w terapii genowej występują powszechnie w przyrodzie, wielu potencjalnych pacjentów mogło już wykształcić sobie odporność na konkretne drobnoustroje lub może ona rozwinąć się podczas terapii. W takim przypadku, w celu wyeliminowania potencjalnego niebezpieczeństwa dla organizmu, przeciwciała opłaszczają kapsyd wirusa (przyłączają się do jego powierzchni i dzięki temu ułatwiają rozpoznanie patogenu przez inne komórki układu odpornościowego), a następnie ulega on zniszczeniu. Wirus taki, jak AAV odznacza się stosunkowo małą immunogennością, jednak nie znaczy to, że problem całkowicie znika. Dlatego też naukowcy aktywnie pracują nad „wyinżynierowaniem” jak najmniej immunogennej wersji wirusów5.

Niestety, ładunek, który niesie nasz wektor również może przyczynić się do powstania reakcji odpornościowej. Jeśli terapia genowa opiera się o wykorzystanie systemu CRISPR/Cas9, istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że ze względu na bakteryjne pochodzenie białka Cas9, stanie się ono bezwzględnym celem komórek naszego układu immunologicznego. Większość terapii wykorzystujących ten system opiera się na pobraniu komórek od pacjenta, edytowaniu genomu z wykorzystaniemsystemu CRISPR, a następnie wprowadzaniu do organizmu z powrotem – są to tzw. terapie ex vivo. Dopiero w marcu tego roku po raz pierwszy dostarczono do organizmu pacjenta całą maszynerię CRISPR/Cas9 w celu podjęcia terapii wrodzonej ślepoty Lebera, czyli zastosowaną tzw. terapię in vivo6. Niecierpliwie czekamy na wyniki skuteczności i bezpieczeństwa tej terapii.

Problemy techniczne, cd.

W przypadku terapii genowej, niełatwym jest samo zaprojektowanie odpowiedniego wektora, który dostarczy materiał genetyczny do odpowiednich komórek i tym samym umknie działanianiom układu immunologicznego. Jest jednak jeszcze wiele scenariuszy, które mogą pójść „nie tak”, jeśli materiał genetyczny do docelowej komórki już trafi.

Mnożyć można przypadki, w których liczba kopii danego genu przyczynia się do poziomu jego ekspresji i w konsekwencji do końcowego efektu biologicznego: nadekspresja genów w trisomiach chromosomowych powoduje dobrze znane choroby, takie jak np. zespół Downa i Klinefeltera; duplikacja genu kodującego białko PMP22 prowadzi do strzałkowego zaniku mięśni; natomiast duplikacja genu SNCA jest związana z chorobą Parkinsona7. Nawet jeśli odpowiedni gen zostanie dostarczony do komórek, różne poziomy jego ekspresji mogą prowadzić zarówno do korzystnych, jak i niekorzystnych konsekwencji. Niestety nie jesteśmy w stanie przewidzieć w 100% szeregu ciągów przyczynowo-skutkowych, do których doprowadzi wzrost poziomu ekspresji jednego tylko genu8. Może się to skończyć reakcją podobną do gry w domino. To własnie te skomplikowane elementy genetycznej układanki sprawiają, że tak niewiele istnieje zarejestrowanych terapii genowych, a tak wiele wciąż jest w róznych fazach badań klinicznych.

Hipoteza „jeden gen – jedno białko” również od dawna pozostaje nieaktualna. W zależności od typu komórek informacja zakodowana w DNA może być edytowana na poziomie RNA (tzw. alternatywny splicing, czyli łączenie ze sobą różnych eksonóww z pre-mRNA na różne sposoby, czasem z pominięciem niektórych z nich, a czasem z zachowaniem niektórych intronów) i białka. Aminokwasy mogą być poddawane fosforylacji (przyłączania reszt kwasu fosforowego), a białka glikozylacji (dołączania reszt cukrowych), co prowadzi do sporej różnorodności w konformacji i końcowej funkcji białka. Stąd ekspresja danego (tego samego oczywiście!) genu w różnych rodzajach komórek może spowodować powstanie innych produktów białkowych, z których każdy będzie charakteryzował się innym znaczeniem funkcjonalym8. I mamy kolejną niewiadomą w naszym idealnym projekcie.

(Nie)optymalna produkcja

Nie tylko na etapie projektowania oraz oceny skuteczności i bezpieczeństwa terapii genowej pojawiają się problemy. Nadal sporym wyzwaniem jest optymalizacja produkcji. Wirusy i komórki stanowią materiał biologiczny i niezwykle trudno jest otrzymać dokładnie takie same kopie danej cząsteczki. Wymaga to ogromnych nakładów przy kontroli jakości produkowanego materiału. Często też takie badania wymagają udziału wielu ośrodków i niezwykłych środków ostrożności podczas transportu materiału biologicznego9.

Nie tylko sama kontrola jakości przysparza producentom problemów – pytanie pojawia się również podczas projektowania odpowiedniej dawki. Tak jak w przypadku każdego leku, terapia genowa może wywierać różne skutki na różnych pacjentów, jednakzwiększona ekspresja danego genu może mieć znacznie poważniejsze konsekwencje niż podwojenie dawki aspiryny. Wydaje się zatem, że terapia genowa musi pozostać jednym z rodzajów terapii personalizowanej, a co za tym idzie – pozostanie drogą, lecz skuteczną formą terapii.

Kosztowny czas, kosztowne zasoby

Rozwiązanie powyższych problemów, rodzących się podczas projektowania terapii genowej, często pochłania ogromne zasoby ludzkie i finansowe. Samo zaplanowanie działań i rozwiązanie pojawiających się nieustannie trudności może trwać latami. W wielu przypadkach problemy związane z bezpieczeństwem i skutecznością terapii nie zostają rozwiązane – projekt kończy się klęską. Często jest on zaplanowany dobrze, jednak w czasie badań pojawia się przeszkoda, która okazuje się tą nie do przeskoczenia. Dzisiaj. Ale być może już jutro będzie rozwiązanie. To wszystko wymaga jednak wielu prób i błędów, a zwłaszcza testów bezpieczeństwa. Dlatego też terapie genowe są niebywale drogie – sama droga do ich stworzenia jest oszałamiająco kosztowna.

Rysunek 1 Szacowane koszty badań klinicznych tradycyjnych leków dla poszczególnych obszarów terapeutycznych podzielone na fazy badań (2014 rok). Liczby są podane w milionach dolarów. Średni czas badań klinicznych wynosi 8 lat. Dla porównania – w przypadku terapii genowej koszty takiego postępowania szacuje się na 5 miliardów dolarów.

 

Źródło: https://www.statista.com/statistics/732872/per-study-costs-by-clinical-trial-phase-and-therapeutic-area/

 

 

Bibliografia:

1. Lundstrom, K. Viral Vectors in Gene Therapy. Diseases 6, (2018).

2. Deverman, B. E., Ravina, B. M., Bankiewicz, K. S., Paul, S. M. & Sah, D. W. Y. Gene therapy for neurological disorders: progress and prospects. Nat Rev Drug Discov 17, 641–659 (2018).

3. Gray, S. J. et al. Preclinical Differences of Intravascular AAV9 Delivery to Neurons and Glia: A Comparative Study of Adult Mice and Nonhuman Primates. Mol Ther 19, 1058–1069 (2011).

4. Rogers, M.-L. & Rush, R. A. Non-viral gene therapy for neurological diseases, with an emphasis on targeted gene delivery. J Control Release 157, 183–189 (2012).

5. Zinn, E. et al. In Silico Reconstruction of the Viral Evolutionary Lineage Yields a Potent Gene Therapy Vector. Cell Rep 12, 1056–1068 (2015).

6. Ledford, H. CRISPR treatment inserted directly into the body for first time. Nature 579, 185–185 (2020).

7. Tang, Y.-C. & Amon, A. Gene copy number alterations: A cost-benefit analysis. Cell 152, 394–405 (2013).

8. Weber, G. F. Gene therapy – Why can it fail? Medical Hypotheses 80, 613–616 (2013).

9. Team, C. T. Challenges Facing the Future of Gene Therapy. wearecellix https://www.wearecellix.com/post/future-of-gene-therapy (2019).

 

[obrazek ze strony https://www.freepik.com/]

Podziel się: