Terapia genowa – przełom w leczeniu raka szyjki macicy?

avatar
Emilia Korczmar 30 Paź, 9 minut czytania

 

Spośród wszystkich nowotworów u kobiet na całym świecie, rak szyjki macicy zajmuje czwarte miejsce pod względem występowania. (Przypis 1) Diagnozuje się go u ponad trzech tysięcy Polek rocznie. Wczesna diagnoza to większa szansa na wygraną z rakiem, dlatego tak ważne jest, aby regularnie wykonywać badanie cytologiczne, które umożliwia wykrycie nowotworu nawet w bardzo wczesnym, bezobjawowym stadium. Rozwój choroby najczęściej związany jest z długotrwałą infekcją, wywołaną przez konkretne odmiany wirusa brodawczaka ludzkiego (HPV – Human Papillomavirus). Taka infekcja prowadzi do zmian genetycznych, równocześnie podnosząc ryzyko powstania raka szyjki macicy. Szczepionka przeciwko HPV, podana przed rozpoczęciem aktywności seksualnej, minimalizuje ryzyko zarażenia tym wirusem. Wciąż jednak szczepienie to nie jest ani obowiązkowe ani refundowane, a wiele osób narażonych na kontakt z wirusem jest już powyżej wieku zalecanego do szczepienia. Szczepienie jest zawsze wskazane, zarówno dla kobiet jak i mężczyzn, lecz skuteczność szczepionki przeciwko HPV spada wraz z wiekiem. Dlatego rak szyjki macicy to wciąż bardzo intensywny obiekt badań, wymagający nowych metod leczenia.

Duże nadzieje pokładane są w terapii genowej. W projektowaniu tego typu terapii szczególnie ważne jest dobranie odpowiednich wektorów genów, czyli takich nośników, które transportują pożądany gen do komórki. Droga wektora genowego jest pełna niebezpieczeństw, takich jak łatwa degradacja w cytoplazmie lub silna odpowiedź immunologiczna organizmu. Dodatkową barierę stanowią wysokie koszty terapii. Naukowcy na całym świecie próbują usprawnić ten proces, aby w przyszłości każda pacjentka miała szansę skorzystać z terapii genowej w leczeniu raka.

Jak HPV przejmuje „rządy” w komórce?

Wirusy nie są zdolne do samodzielnego namnażania się – potrzebują do tego żywych komórek. Aby zrozumieć w jaki sposób następuje zakażenie, rzućmy okiem na uproszczony schemat budowy wirusa HPV:

Rysunek 1. Uproszczony schemat budowy HPV [Źródło: Ilustracja własna]

 

Aby dostać się do wnętrza komórki, pojedynczy wirion (Przypis 2) musi połączyć się z błoną komórkową. Wykorzystuje on do tego białko L1 – jedno z głównych białek budujących kapsyd, czyli białkowy płaszcz wirusa. Białko L1 łączy się z receptorem na powierzchni błony komórkowej. Wówczas konformacja (Przypis 3) białek kapsydu ulega zmianom i zaczyna się proces wnikania wirusa do komórki. Po rozpadzie kapsydu, genom wirusa dostaje się do wnętrza jądra komórkowego, gdzie łączy się z genomem komórki gospodarza. To połączenie jest kluczowe w procesie rozwoju nowotworu, ponieważ wywołuje ono kaskadę niekorzystnych reakcji. Wirus HPV integruje się z genomem w taki sposób, że wirusowy gen E2 staje się nieaktywny. Gen E2 osłabia aktywność genów E6 i E7, które zaburzają cykl komórkowy. W efekcie komórka dzieli się znacznie szybciej, co przyspiesza także „produkcję” kolejnych wirusów. Nowe kopie wirusa uwalniają się wraz ze złuszczonym nabłonkiem i infekują kolejne komórki, prowadząc do ekspresowego rozprzestrzenienia się infekcji. Jeśli układ odpornościowy nie powstrzyma infekcji na starcie, wirusy mogą swobodnie się namnażać, wykorzystując środowisko komórkowe oraz wszystkie niezbędne enzymy. Innymi słowy, wirus to taki mikroskopijny pasożyt. Jednak HPV to wyjątkowo uciążliwy pasożyt, bo niektóre jego szczepy mogą wywoływać niekontrolowane podziały komórkowe, prowadząc do nowotworu. [1]

Wektor – koń trojański

W dobie sekwencjonowania genów, poznanie sekwencji nukleotydowej organizmu nie jest już wyzwaniem. Liczne badania ekspresji genów z użyciem najnowocześniejszych technik molekularnych umożliwiły nam również poznanie funkcji niektórych genów. Wciąż jednak wyzwaniem jest bezpieczny i wydajny transport genów do wnętrza komórki. W tym celu wykorzystuje się dwa rodzaje wektorów – wirusowe i niewirusowe. Oba rodzaje mają swoje wady i zalety. Wektor wirusowy składa się z kapsydu, w którego wnętrzu umieszczono pożądany materiał genetyczny. Wprowadzenie nowych genów do komórki z użyciem wektora wirusowego jest łatwiejsze, lecz może wywoływać reakcję odpornościową układu immunologicznego, który zniszczy wektor wraz z jego zawartością. Metody niewirusowe są bezpieczniejsze dla organizmu, z powodu ich niskiej immunogenności. Obejmują one metody fizyczne (takie jak elektroporacja (Przypis 4) lub metoda armatki genowej (Przypis 5)), jak również różne typy molekuł (liposomy, nanocząstki), które są zdolne do wzmocnienia efektu terapeutycznego. [10]

Wydajne dostarczenie genów do wnętrza komórek jest niezwykle ważne w leczeniu chorób nowotworowych. Oto wybrane metody kierowania wektorów do komórek raka szyjki macicy:

  • Wykorzystanie receptorów:

Na powierzchni komórek znajdują się liczne białka receptorowe, odpowiedzialne za odbieranie bodźców ze środowiska, interakcję międzykomórkową, ale także umożliwiające pobieranie różnych substancji, takich jak kwas foliowy. Jest on niezbędny do syntezy DNA, a tym samym do podziału i wzrostu komórek. Pobieranie kwasu foliowego jest możliwe dzięki receptorom FRα (folate receptor α – receptor folianowy α), które zakotwiczone są w błonie komórkowej. Ponieważ komórki nowotworowe ulegają podziałom znacznie częściej niż komórki zdrowe, pochłaniają one więcej kwasu foliowego. Znając mechanizm pobierania tej substancji przez komórkę, opracowano metodę dostarczającą nano-liposomy – wektory ukierunkowane na receptory FRα. Wewnątrz tych maleńkich pęcherzyków umieszczono tajemniczo brzmiący gen czynnika pigmentu pochodzenia nabłonkowego (PEDF – pigment epithelium-derived factor). Okazuje się, że ta metoda ma właściwości przeciwnowotworowe, jednak główną jej wadą jest fakt, że nie u wszystkich pacjentów występują receptory FRα. Przed podjęciem leczenia należałoby zatem wykonać odpowiednie badania stwierdzające obecność niezbędnych receptorów, gdyż bez nich ten rodzaj terapii nie będzie skuteczny. [2][10]

  • Białko fuzyjne:

Białka powstające z połączenia niezależnych od siebie genów nazywamy białkami fuzyjnymi. Zespół profesora Zhanga opracował takie białko fuzyjne, które pełni funkcję wektora. Jest to połączenie przeciwciała i protaminy – substancji zdolnej do wiązania kwasów nukleinowych. Za pomocą tego wektora naukowcy dostarczyli małe interferujące RNA (siRNA) (Przypis 6) do komórek raka szyjki macicy. Wyniki badań na liniach komórkowych są zachęcające, jednak wymagają potwierdzenia w warunkach in vivo, zanim zostaną uznane za narzędzie terapeutyczne stosowane u ludzi. [3][10]

Obiecujące są również badania na genetycznie zmodyfikowanych komórkach macierzystych. Są one potencjalnym nośnikiem genów, ponieważ posiadają zdolność migracji w kierunku komórek rakowych. Jest to możliwe dzięki temu, że komórki raka szyjki macicy wydzielają określone substancje, które „przyciągają” komórki macierzyste. Zdolność ta określana jest jako tropizm nowotworowy. [4]

Terapia celowana w komórki raka szyjki macicy

Wektory dostarczające geny są niezbędne w terapii genowej, jednak to geny same w sobie stanowią istotę tego typu terapii. Jakie geny są najczęściej stosowane i dlaczego? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy najpierw wiedzieć jakie zmiany zachodzą w DNA komórek zarażonych wirusem HPV. Białka wytwarzane przez tego wirusa atakują produkty różnych genów, m.in. białko supresorowe p53, które hamuje rozwój guzów. Ekspresja wirusowego genu E6 aktywuje również produkcję telomerazy – enzymu, który dobudowuje ostatni fragment nici DNA w dzielących się komórkach. Obecność telomerazy warunkuje długowieczność komórek nowotworowych. Z kolei ekspresja genu E5 prowadzi do niekontrolowanego podziału zakażonych komórek. Dodatkowo aktywność tego genu hamuje apoptozę i pomaga zapobiegać atakowi komórek nowotworowych przez układ immunologiczny. Genom wirusa HPV jest zatem idealnie wyposażony w geny podporządkowujące sobie komórki gospodarza. Znając procesy nowotworzenia, naukowcy wykorzystali przywrócenie genów zmienionych przez HPV do zaprojektowania nowych strategii terapii genowej, ukierunkowanej na raka szyjki macicy.

Przywrócenie genetycznych strażników

Wspomniany wcześniej supresor nowotworowy, białko p53, jest najlepiej poznanym „strażnikiem” w przypadku raka szyjki macicy, ponieważ to on najczęściej jest atakowany przez białka wirusa. Dostarczenie prawidłowo funkcjonującego białka p53 do komórek nowotworowych wywołuje szereg zmian, m.in. aktywację szlaku apoptozy, czyli programowanej śmierci komórki. Aktywność białka p53 tłumi również przemieszczanie się komórek nowotworowych, dzięki czemu rozwój nowotworu jest zahamowany. [5] Terapia z użyciem białka p53 była już stosowana u pacjentów w ramach badań klinicznych, lecz wciąż wymaga ona bardziej szczegółowych wyników. Warto dodać, że aktywacja p53 to obiecująca strategia zwalczania również innych nowotworów. [6]

Blokowanie onkogenów

Onkogeny, czyli geny, które – jeśli ulegną mutacji – powodują przekształcanie się komórek zdrowych w nowotworowe, mogą powstawać w wyniku mutacji prawidłowych genów gospodarza (protoonkogenów). Jednak w przypadku raka szyjki macicy onkogeny pochodzą najczęściej od wirusa HPV. Są to wspomniane na początku geny E6 i E7, których aktywność zaburza cykl komórkowy, prowadząc do niekontrolowanych podziałów. Jedna ze strategii terapeutycznych polega na wyciszaniu tych szkodliwych genów. Jak tego dokonać? Można zastosować na przykład sztuczne miRNA, czyli specjalnie zaprojektowaną cząsteczkę niekodującego RNA, która jest w stanie zablokować ekspresję genu E6, prowadząc do śmierci komórek nowotworowych. Stosowanie niekodujących RNA zalicza się do metod epigenetycznych, czyli takich, które regulują ekspresję genów bez wprowadzania zmian w DNA. Z kolei zmiany sekwencji, prowadzące do wyciszenia onkogenów, można wprowadzić stosując rewolucyjną technologię edycji genomu, o której z pewnością słyszeliście – CRISPR/Cas9. Dotychczasowe badania pokazują, że korzystne jest łączenie różnych metod wyciszania onkogenów. [10]

Samobójcza terapia genowa

Ta strategia wymaga wprowadzenia „samobójczych” genów do komórek nowotworowych. Geny te mogą kodować toksyny zabójcze dla komórek lub enzymy nietypowe dla ssaków, które przekształcają nieszkodliwe leki w toksyczne metabolity. Problemem w tym przypadku może być niska biodostępność podawanych leków, czyli szybkość i stopień ich wchłaniania. Zależy nam na tym, aby skutecznie uśmiercać komórki nowotworowe, jednocześnie nie szkodząc komórkom zdrowym. W tym celu opracowano metodę opartą na bakteryjnym systemie toksyna-antytoksyna, który tworzony jest przez parę białek: Kid i Kis. Białko Kid jest zabójcze dla komórek raka szyjki macicy, ponieważ wywołuje programowaną śmierć komórki (apoptozę) oraz hamuje podział komórkowy. Z kolei białko Kis to strażnik zdrowych komórek, gdyż neutralizuje w nich działalność białka Kid. W jaki sposób para białek odróżnia komórki nowotworowe od zdrowych? Jest to możliwe dzięki obecności onkoproteiny E6 w komórkach złośliwych. System toksyna-antytoksyna cieszy się zainteresowaniem naukowców, ponieważ ma ona duży potencjał terapeutyczny dzięki precyzyjnemu atakowaniu komórek nowotworowych. [7]

Pożyteczne wirusy

Niektóre wirusy znacznie uprzykrzają nam życie, lecz inne są w stanie nam pomóc. Wirusoterapia onkolityczna wykorzystuje zdolność wirusów do łączenia się ze ściśle określonymi receptorami. Skoro komórki złośliwe posiadają inny zestaw receptorów od komórek zdrowych, możemy użyć wirusów ukierunkowanych na nowotwór. W tym celu stosuje się m.in. wirus krowianki, wirus opryszczki pospolitej czy wirus pęcherzykowego zapalenia jamy ustnej. Oczywiście są one odpowiednio zmodyfikowane, tak aby nie działały chorobotwórczo. Wirus wnika wyłącznie do komórek nowotworowych, namnaża się w ich wnętrzu i wywołuje lizę – rozpad komórki. Co więcej, taki wirus może być skutecznym wektorem dla genów terapeutycznych, co dodatkowo zwiększa efektywność terapii. Niesamowite jest to, że rozwój nauki pozwala nam na lecznicze wykorzystanie tych drobnoustrojów, które w innych okolicznościach mogą być groźne dla człowieka.

Zamknąć wszystkie drogi

Komórki nowotworowe są niezwykle „żarłoczne”, ponieważ częste podziały komórkowe wiążą się z intensywną syntezą wielu składników. Początkowo komórki złośliwe pasożytują na komórkach zdrowych, jednak wraz ze wzrostem nowotworu rośnie zapotrzebowanie na składniki odżywcze. Dlatego komórki nowotworowe wysyłają do otoczenia sygnały pobudzające układ krwionośny do tworzenia nowych sieci naczyń. Naczynia te nie tylko dostarczają niezbędnych do wzrostu składników, ale stanowią również drogę do innych narządów. Komórki nowotworowe mogą zatem migrować wraz z krwią, skutkując przerzutami. Tworzenie naczyń krwionośnych nazywamy angiogenezą, natomiast leczenie antyangiogenne może być skuteczną strategią w walce z nowotworami, również z rakiem szyjki macicy. W tym celu prowadzone są badania nad czynnikiem wzrostu o nazwie VEGF, który jest ściśle związany z angiogenezą. Zauważono zwiększoną ekspresję tego czynnika w komórkach raka szyjki macicy. W konsekwencji wzbudził on duże zainteresowanie pod względem badań nad terapią genową. Znając mechanizmy leżące u podstaw angiogenezy, naukowcy wykorzystali odpowiednie cząsteczki niekodującego RNA, które blokują aktywność czynnika VEGF. To z kolei zmniejsza zdolność komórek nowotworowych do podziałów, migracji i angiogenezy, powodując zmniejszenie guza i gęstości naczyń krwionośnych w jego obrębie. [8]

Terapia genowa – wzmocnienie odporności

Spośród wszystkich metod terapii genowej ukierunkowanych na raka szyjki macicy, najczęściej wykorzystywana w badaniach klinicznych jest immunoterapia wzmocniona przez terapię genową. Wykorzystuje ona najlepszą naturalną broń naszego organizmu – układ odpornościowy. Wyróżniamy dwa typy immunoterapii:

  • Immunoterapia bierna – polega na wprowadzeniu do organizmu gotowych komórek lub cząsteczek, które kompensują upośledzenie funkcji odpornościowych. Mogą to być przeciwciała specyficzne dla nowotworu lub rekombinowane cytokiny, czyli białka pobudzające odpowiedź immunologiczną.
  • Immunoterapia czynna – koncentruje się na stymulacji układu odpornościowego w celu wytworzenia odpowiedzi przeciwnowotworowej przy użyciu m.in. szczepionek.

Immunoterapia jest obiecującą formą terapii w przypadku raka szyjki macicy, ponieważ komórki nowotworowe zawierają charakterystyczne antygeny, które umożliwiają łatwe odróżnienie komórek złośliwych od zdrowych. W związku z tym opracowano m.in. metodę inżynierii limfocytów T. Limfocyty izoluje się z krwi pacjenta, a następnie za pomocą wektorów wirusowych modyfikuje się je w taki sposób, aby były one ukierunkowane na konkretny antygen nowotworowy. Tak zmodyfikowane limfocyty T są namnażane i wprowadzane z powrotem do organizmu pacjenta. Tę metodę stosowano z dużym powodzeniem w badaniach klinicznych u pacjentek z przerzutowym rakiem szyjki macicy. [9][10]

 

Rysunek 2. Procent trwających lub zakończonych badań klinicznych dotyczących celowanej terapii genowej raka szyjki macicy na całym świecie w latach 1989-2018. [Źródło: Ángela Áyen, Yaiza Jiménez Martínez and Houria Boulaiz „Targeted Gene Delivery Therapies for Cervical Cancer” Cancers (Basel). 2020 May; 12(5), Przetłumaczono na język polski]

 

Regularne badania cytologiczne, stosowanie szczepionek oraz wzrost edukacji przyczyniły się do spadku zachorowań i śmiertelności w wielu krajach na świecie. Mimo to, rak szyjki macicy nadal stanowi globalny problem zdrowotny. Wciąż nie ma skutecznych terapii dla pacjentek w zaawansowanym stadium. Rak szyjki macicy jest jednak dobrym obiektem badań z wykorzystaniem terapii genowych, ponieważ występują w tym przypadku ściśle określone onkoproteiny wirusowe. Dzięki nim można opracować specyficzne metody dostarczania genów. Co więcej, połączenie terapii genowej z radioterapią lub chemioterapią poprawia skuteczność leczenia. Dotychczasowe badania mają dużą szansę na zrewolucjonizowanie leczenia raka szyjki macicy. Wciąż jednak podejmowane są wysiłki, aby sprawniej dostarczać geny, skuteczniej celować w nowotwór oraz zminimalizować szkodliwość dla zdrowych tkanek.

 

 

Przypisy:

1. W statystykach z roku 2018, rak szyjki macicy jest poprzedzany przez rak piersi, rak jelita grubego oraz rak płuc. Źródło: https://www.wcrf.org/dietandcancer/cancer-trends/worldwide-cancer-data

2. Wirion – kompletna cząsteczka wirusa występująca poza komórką gospodarza, zdolna do infekowania komórek. Po wniknięciu do komórki gospodarza przestaje być wirionem, lecz replikuje się do wielu wirusów (czynników zakaźnych występujących w komórce gospodarza).

3. Konformacja białka – przestrzenne ułożenie łańcucha polipeptydowego tworzącego białko. Konformacja wpływa na właściwości białka.

4. Elektroporacja – utworzenie porów w błonie poprzez oddziaływanie polem elektromagnetycznym. Umożliwia wprowadzenie kwasów nukleinowych do komórki.

5. Armatka genowa – inaczej mikrowstrzeliwanie; wprowadzenie do komórek metalowych cząstek, które pokryte są łańcuchami DNA.

6. siRNA – small interfering RNA, małe interferujące RNA – rodzaj niekodującego RNA, które może powodować m.in. wyciszanie ekspresji genów. Więcej o niekodujących RNA: https://genetyka.bio/tajemnice-rna-czyli-kilka-slow-o-niekodujacych-czasteczkach

 

Źródła:

1. Caroline AJ Horvath, Gaëlle AV Boulet, Virginie M Renoux, Philippe O Delvenne and John-Paul J Bogers „Mechanisms of cell entry by human papillomaviruses: an overview” Virology Journal. 2010; 7: 11.

2. Li-Xia Bai, Ling Ding, Shi-Wen Jiang, Hui-Jie Kang, Chen-Fei Gao, Chen Chen, Qin Zhou, Jin-Tao Wang „Down-regulation of FRα inhibits proliferation and promotes apoptosis of cervical cancer cells in vitro” Asian Pacific Yournal of Cancer Prevention 2014;15(14):5667-72

3. Huilin Zhang, Yuan Mao, Feng Zhang, Chunping Ye, Hua Tong, Yiping Su, Jin Zhu „The inhibitory effect of a new scFv/tP protein as siRNA delivery system to target hWAPL in cervical carcinoma” Molecular and Cellular Biochemistry 391, 77–84 (2014)

4. Hye-Sun Kim, Bo-Rim Yi, Kyung-A Hwang, Seung U Kim, Kyung-Chul Choi „Anticancer effects of the engineered stem cells transduced with therapeutic genes via a selective tumor tropism caused by vascular endothelial growth factor toward HeLa cervical cancer cells” Molecular and Cellular Biochemistry 2013 Oct 31; 36(4): 347–354

5. M Hollstein, D Sidransky, B Vogelstein, CC Harris „p53 mutations in human cancers” Science 1991 Vol. 253, Issue 5015, pp. 49-53

6. Alicja Sznarkowska, Robert Olszewski, Joanna Zawacka-Pankau „Farmakologiczna aktywacja supresora nowotworu, natywnego białka p53 jako obiecująca strategia zwalczania nowotworów” Postepy Hig Med Dosw, 2010; 64: 396-407

7. Mark A Preston, Belén Pimentel, Camino Bermejo-Rodríguez, Isabelle Dionne, Alice Turnbull, Guillermo de la Cueva-Méndez „Repurposing a Prokaryotic Toxin-Antitoxin System for the Selective Killing of Oncogenically Stressed Human Cells ACS Synthetic Biology” 2016 Jul 15;5(7):540-6.

8. L Qi, L N Xing, X Wei, S G Song „Effects of VEGF suppression by small hairpin RNA interference combined with radiotherapy on the growth of cervical cancer” Genetics and Molecular Research 2014 Jul 7;13(3):5094-106

9. Yu Ping, Chaojun Liu, Yi Zhang „T-cell receptor-engineered T cells for cancer treatment: current status and future directions” Protein & Cell 2018 Mar;9(3):254-266

10. Ángela Áyen, Yaiza Jiménez Martínez and Houria Boulaiz „Targeted Gene Delivery Therapies for Cervical Cancer” Cancers (Basel). 2020 May; 12(5)

 

 

Ilustracja tytułowa zakupiona na stronie https://www.istockphoto.com/ Źródło: ThitareeSarmkasat

ID zdjęcia: 625810656

Podziel się: