Obrazy mikroskopowe przedstawiające proces naprawiania odziedziczonych mutacji w ludzkich komórkach poprzez edycję genomu. Czerwony i zielony oznaczają białka kanałowe wewnątrz komórek, a niebieski oznacza jądro każdej komórki, w którym znajduje się kod genetyczny komórki. Badania prowadzone przez UW-Madison przetestują terapie lekowe z edycją genów, aby zlikwidować ślepotę u ludzi.

Dzięki nowemu wsparciu ze strony National Institutes of Health zespół naukowców z Wisconsin Institute of Discovery poprowadzi testy leków na dwie choroby, o których wiadomo, że powodują ślepotę.

W ciągu najbliższych pięciu lat wspólny projekt wykorzysta dotację NIH w wysokości 29 milionów dolarów na połączenie nowych systemów dostarczania leków z zaawansowaną technologią CRISPR genomu, wprowadzając innowacyjne nowe metody leczenia Best Disease (BD) i Leber Congenital Amaurosis (LCA), z których oba są obecnie nieuleczalne choroby dziedziczne.

„Mutacje genetyczne mogą powodować jedne z najrzadszych i najbardziej wyniszczających zaburzeń układu nerwowego” – powiedział Walter Koroshetz, współprzewodniczący programu edycji genomu komórek somatycznych i dyrektor Narodowego Instytutu Zaburzeń Neurologicznych i Udarów. „Dzięki wysiłkom na dużą skalę, takim jak SCGP, zaczynamy wprowadzać narzędzia do kliniki, aby edytować te mutacje genów. Chociaż wciąż istnieją wyzwania do pokonania, poziom nadziei na skuteczne leczenie jest wysoki”.

Naukowcy postanowili skupić się na oku jako punkcie wyjścia, ponieważ jest ono samowystarczalne i odizolowane od innych narządów, a także ze względu na jego dostępność, łatwość monitorowania i zmniejszone prawdopodobieństwo niepożądanych reakcji immunologicznych.

Dawid Gam

„Koncentrujemy się na dwóch różnych chorobach: LCA, ciężkiej i rzadkiej grupie, która dotyka dzieci i cały ich wzrok, oraz BD, która wpływa na widzenie centralne u osób starszych i ma wolniejszy początek”, mówi David Gamm, profesor okulistyki UW-Madison i dyrektor Instytutu Badań nad Okiem McPhersona. „Dzięki skupieniu się na tych dwóch chorobach możemy uzyskać szerszą perspektywę na skuteczność naszych leków do edycji genów”.

Krishanu Saha, profesor inżynierii biomedycznej w WID i członek Somatic Cell Genome Editing Consortium NIH, postrzega ten grant jako kluczowy krok w kierunku postępów w terapii edycji genów i opracowywaniu leków na kampusie.

„Ten element edycji genomu zmienia zasady gry” — mówi Saha. „Możliwość wykonania tego w bezpieczny i znaczący sposób dla pacjentów, w szczególności pacjentów z Wisconsin, u których obecnie zdiagnozowano jedną z tych chorób, byłaby miłym potwierdzeniem tego, dlaczego wykonujemy tę pracę i dlaczego jest ona finansowana ze środków publicznych”.

Krishanu Saha

Edycja genomu obejmuje składanie lub cięcie DNA w określonym miejscu lub wstawianie szablonu DNA, który zastępuje wycięte miejsce. To koryguje mutacje powodujące chorobę, eliminując lub zastępując zmutowaną sekwencję. Pomimo znacznych postępów w technologii edycji genów CRISPR, do tej pory zaowocowała ona kilkoma użytecznymi terapiami lekowymi. Dzieje się tak głównie dlatego, że chociaż CRISPR może modyfikować DNA pojedynczej komórki, do skutecznego leczenia konieczne jest leczenie miliardów komórek.

Po pierwsze, aby zapewnić pacjentom bezpieczeństwo i skuteczność terapii, potrzebny jest system modelowy, który naśladuje to, co dzieje się u pacjenta, bez narażania jego bezpieczeństwa.

„Można to zrobić za pomocą modeli zwierzęcych lub systemów opartych na komórkach wyhodowanych w laboratorium”, mówi Gamm. „Naszą rolą jest rozwijanie, rozwijanie i utrzymywanie systemu testowania opartego na komórkach”.

Ponadto większość technologii CRISPR wykorzystuje system dostarczania wirusów, który jest obecnie utrudniony przez niezamierzone skutki poza celem, takie jak zmniejszona trwałość, niepożądane reakcje immunologiczne i trudności w łańcuchu dostaw. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, projekt ma na celu wykorzystanie nanotechnologii do opracowania nowych metod skutecznego dostarczania leków za pomocą edytora genów CRISPR.

Shaoqin „Sarah” Gong

Jedno podejście do dostarczania będzie prowadzone przez Shaoqin „Sarah” Gong, profesora UW-Madison okulistyki i nauk wizualnych oraz inżynierii biomedycznej.

„Opracowanie bezpiecznego i wydajnego systemu dostarczania do edytora genomu CRISPR ma zasadnicze znaczenie dla tłumaczenia klinicznego” — mówi Gong.

Jej praca koncentruje się na nowej rodzinie kapsuł w skali nano, które mogą przenosić narzędzia do edycji genomu do docelowych narządów lub komórek w ciele, a następnie rozpuszczać się w sposób nieszkodliwy.

W przeszłości występowały problemy z bezpieczeństwem biologicznym wynikające z przedłużonej ekspresji edytorów genów poprzez dostarczanie wirusów. Jednak laboratorium Gong opracowało biodegradowalne nanokapsułki, które mogą dostarczać edytory genomu w sposób zmniejszający efekty edycji poza celem.

Wczesne badania nie wykazały żadnych działań niepożądanych w hodowlach ludzkich komórek ani w modelach mysich. Dzięki wsparciu grantu U19 zespół zamierza zoptymalizować formuły nanokapsułek pod kątem wyższej wydajności redagowania, opracować proces produkcyjny oraz ocenić bezpieczeństwo biologiczne i wydajność u naczelnych innych niż ludzie. Doprowadzi to do bezpieczniejszej i wydajniejszej terapii edycji genów oka opartej na nanocząstkach.

Inne podejście do poprawy dostarczania leków do edytowania genomu obejmuje partnerstwo ze start-upem firmy biotechnologicznej Spotlight Therapeutics Incorporated. Firma z siedzibą w Kalifornii zastosuje wielotorowe podejście do rozwiązywania problemów związanych z dostarczaniem przy użyciu białek i peptydów. Skoncentrują się również na usprawnieniu branży opracowywania leków, od konceptualizacji po wdrożenie.

„Ten projekt może mieć potencjalnie trwały wpływ” — zauważa Saha. „Samo próbowanie to wielka sprawa. To długa droga od etapu projektowania papieru i ołówka do sformułowania skutecznych terapii o wpływie na całe życie. Wymaga wielu inwestycji. Fakt, że łączymy zasoby i ludzi tutaj w Madison, sprawia, że ​​jest to naprawdę ekscytujące i znaczące”.

Kolejnym wyzwaniem jest ekonomia. Rzadkie zaburzenia i choroby nie są atrakcyjne dla przemysłu farmaceutycznego, ponieważ rynek nie jest w stanie utrzymać milionów dolarów i czasu potrzebnego do zainwestowania w zasoby potrzebne do wykazania, że ​​terapie polegające na edytowaniu genomu są bezpieczne i skuteczne.

„Ten grant daje nam środki na usprawnienie procesów, opracowanie bezpiecznego i skutecznego modelu leczenia pacjentów oraz poprawę funkcji wzrokowych. Chociaż mogą nie wyeliminować całkowicie choroby, celem jest osiągnięcie znaczącej poprawy” – mówi Gamm.

Stypendium rozpoczęło się w maju i jest jednym z pięciu multidyscyplinarnych grantów, które NIH przyzna w 2023 roku.