Terapia genowa to strategia leczenia lub zapobiegania określonej chorobie przy użyciu materiału genetycznego. Jednym z powszechnych sposobów, aby to osiągnąć, jest użycie wektora. Wektory są to nośniki zaprojektowane w ten sposób, aby dostarczyć terapeutyczny materiał genetyczny, taki jak działający gen bezpośrednio do komórki.
Zatem sekwencja DNA czyli sekwencja genu zawierająca instrukcję dotyczącą tworzenia funkcjonalnego białka jest umieszczana w wektorze. Wektor działa jak nośnik nowego DNA do komórek pacjenta. Po wejściu wektora do komórki pacjenta uruchamiany jest szereg procesów, które finalnie doprowadzają do produkcji białka terapeutycznego i leczenia choroby pacjenta.
Takim wektorem jest najczęściej wirus (70%), ale mogą to być również wektory nie wirusowe (30%).
Wektory wirusowe
Zaletami wektorów wirusowych jest wnikanie do komórek z bardzo dużą skutecznością oraz bardzo duża efektywność w produkcji nowych białek przez komórki pacjenta, po wniknięciu wirusa. Istnieją cztery główne typy wektorów wirusowych (retrowirusy, lentiwirusy, wirusy zależne od adenowirusów (adeno associated virus – AAV), adenowirusy), z których każdy ma swoje unikalne cechy, zastosowania i ograniczenia.
Retrowirusy
Materiałem genetycznym retrowirusów jest RNA. RNA po przedostaniu się do komórek pacjenta ulega przepisaniu na DNA i ulega integracji z genomem. Dzięki temu, wektory wytworzone na bazie retrowirusów gwarantują stabilne działanie genu terapeutycznego. Retrowirusy w przeciwieństwie do adenowirusów nie są immunogenne, czyli nie wzbudzają odpowiedzi układu odporności po ich wprowadzeniu do komórki.
Retrowirusy się łatwo otrzymuje i modyfikuje. Jednakże, nie są to wektory uniwersalne, ponieważ dedykowane są tylko dla komórek dzielących się. Dodatkowo, retrowirusy mogą być stosowane jedynie w terapii genowej ex vivo, ponieważ podane in vivo ulegają całkowitemu zniszczeniu, przez co nie są skuteczne.
Poważną wadą związaną z stosowaniem retrowirusów jest to, że nie można w żaden sposób kontrolować, w które miejsce w genomie wbuduje się wirus. Retrowirusy wbudowują się w regiony o dużej zawartości genów, zwłaszcza tych aktywnych transkrypcyjnie, co określane jest jako mutageneza insercyjna. Efeketem mutagenezy insercyjnej może być szereg niekorzystnych dla komórki oraz całego organizmu skutków.
Jednym z nich jest zaburzenie ważnych zachodzących w komórce procesów, a obecne w wektorze tzw. sekwencje promotorowe i wzmacniające mogą spowodować inicjację rozwoju nowotworu, jeśli znajdą się w pobliżu genów mających wpływ na rozwój chorób nowotworowych tzw. onkogenów.
Lentiwirusy
Lentiwirusy należą do rodziny retrowirusów, również gwarantują trwałe i stabilne działanie wprowadzanego genu i są również łatwe do otrzymania. ale ich cechą wyróżniająca jest to, mogą być dedykowane dla komórek dzielących się jak i niedzielących się. Lentiwirusy mają zastosowanie w terapii genowej opierającej się na wyciszaniu genów z użyciem cząsteczek siRNA.
Co ważne lentiwirusy wektory nowej generacji (NILV) całkowicie wykluczają możliwość wystąpienia mutagenezy insercyjnej i związanych z nią konsekwencji jak w przypadku retrowirusów.
AAV
Wirusy zależne od adenowirusów (AAV) należą do rodziny parwowirusów, i są zwykle stosowane do dostarczania mniejszych sekwencji DNA czy genów. Wektory te uznawane są za bezpieczne i skuteczne w terapii genowej in vivo.
Wektory te dedykowane są najczęściej komórkom niedzielącym się takim jak np. komórki oka, mięśni szkieletowych, układu nerwowego, wątroby.
Wektory te w przeciwieństwie do wektorów retrowirusowych nie integrują się z genomem komórki pacjenta i określane są jako nieintegrujące.
Jednym z ograniczeń tych wektorów jest to, że wielu pacjentów poprzez naturalne infekcje było narażona na kontakt z takim wirusem i wytworzyła na niego odporność. W związku z tym pacjent, który posiada przeciwciała przeciwko takim wirusom ulega dyskwalifikacji z terapii, jako że po podaniu takiego wirusa układ odpornościowy zaatakuje go, zniszczy zanim dostarczy on leczniczy gen.
Zdarza się także, że stosowanie AAV powoduje odpowiedź immunologiczną na produkt wprowadzonego genu, co w znacznym stopniu obniża jego ekspresję. Istotnym ograniczeniem w stosowaniu wektorów AAV w próbach klinicznych jest niska wydajność ich uzyskiwania oraz niska efektywność w próbach terapii nowotworów.
Adenowirusy
Pod pewnymi względami wektory adenowirusowe są podobne do wektorów AAV. Są najczęściej używane do dostarczania pakietów DNA do niedzielących się komórek. Jednak wektory adenowirusowe są większe i mogą dostarczać pakiety genetyczne prawie osiem razy większe od AAV. Adenowirusy należą do stabilnych wektorów, które łatwo wnikają co komórki. Ich genom to dwuniciowe DNA, który jest łatwy do manipulacji.
Wektory adenowirusowe w przeciwieństwie do retrowirusowych, nie maja zdolności wprowadzania DNA do genomu gospodarza. Geny wprowadzone za pomocą tego typu nośników pozostają w jądrze komórkowym w postaci tzw. episomalnej, co pozwala na ich bardzo silną ekspresję, lecz tylko przez okres kilku dni. Po kilku tygodniach obserwuje się całkowity zanik ekspresji. Ponadto, adenowrusy nie wykazują związku z procesem nowotworzenia u człowieka.
Jednym z ich najważniejszych ograniczeń jest ich silna immunogenność, co oznacza, że wektory adenowirusowe mogą wywoływać silną odpowiedź immunologiczną, co skutkuje potencjalnie szkodliwym stanem zapalnym w całym organizmie i zmniejszoną skutecznością terapii.
Co ważne nawet 90% ludzi ma przeciwciała przeciwko adenowirusom, zatem dostarczenie ich do organizmu powoduje silną reakcję odpornościową i zapalną. Ma to także negatywny wpływ na ekspresję wprowadzonego genu, gdyż silna reakcja cytotoksyczna w stosunku do zainfekowanych komórek powoduje jej wyciszenie. Jednakże przy właściwym dozowaniu ryzyko wystąpienia tak silnej odpowiedzi immunologicznej jest znikome.
W ostatnich latach naukowcy pracują nad opracowaniem wektorów adenowirusowych, które powodują łagodniejszą odpowiedź immunologiczną, aby dostarczać większe pakiety przy mniejszym ryzyku. Do tej pory istnieje już kilka generacji wektorów adenowirusowych, w każdej kolejnej jest coraz mniej natywnych genów wirusa, a co za tym idzie większe możliwości upakowania genów terapeutycznych i większe bezpieczeństwo stosowania.
Literatura:
1.Cring M,R Sheffield V,C. Gene therapy and gene correction: targets, progress, and challenges for treating human diseases. Gene therapy 2022, 29,3-12 https://doi.org/10.1038/s41434-020-00197-8
2. Lundstrom K. Viral Vectors in gene therapy. Diseases 2018, 6,2:42-64. https://doi.org/10.3390/diseases6020042
3. https://patienteducation.asgct.org/gene-therapy-101/vectors-101 [dostęp z 08.03.2022]