Nowa metoda dostarczania genów otwiera drogę zaawansowanym terapiom mózgu
Terapie genowe wykorzystują geny do leczenia, zapobiegania lub leczenia chorób i zaburzeń. Małe wirusy zwane wirusami adenozależnymi (AAV) są głównym sposobem dostarczania terapii genowych do całego ciała, w tym mózgu. AAV mają ogromny potencjał do rozszerzenia terapii genowych poprzez bezpieczne dostarczanie materiału genetycznego do komórek i tkanek w celu leczenia zaburzeń u ich pierwotnej przyczyny genetycznej.
Jednak trudność w opracowaniu terapii AAV polegała na konieczności dostarczania genów do określonych komórek i narządów; w przeciwnym razie mogą one powodować niepożądane skutki w innych częściach ciała. Podczas gdy naukowcy zidentyfikowali geny leżące u podstaw wielu zaburzeń mózgu, ścisły strażnik znany jako bariera krew-mózg stanowi przeszkodę dla skutecznego leczenia. Bariera chroni nas przed toksynami i innymi szkodliwymi rzeczami, filtrując to, co wchodzi i wychodzi z ludzkiego mózgu. Jednak ta bariera może czasami działać zbyt dobrze, uniemożliwiając terapie genowe, które mogłyby pomóc w leczeniu lub wyleczeniu chorób.
Niestety, wiele istniejących AAV nie może skutecznie przekroczyć bariery krew-mózg. Chociaż niektóre AAV pomyślnie przekroczyły barierę w badaniach na zwierzętach, niewiele z nich wykazało sukces podczas testów na ludziach. Te wyzwania wstrzymały rozwój metod leczenia wielu chorób, zmuszając naukowców do poszukiwania skuteczniejszych sposobów dostarczania terapii genowych.
Zespół badaczy z Broad Institute of MIT i Uniwersytetu Harvarda pod przewodnictwem Benjamina Devermana, doktora nauk. postanowili skonstruować AAV, który mógłby skutecznie przekraczać barierę krew-mózg, aby dostarczać geny do ludzkiego mózgu. Badanie było finansowane przez Badania mózgu poprzez rozwój innowacyjnych neurotechnologii® Inicjatywa, lub Inicjatywa BRAIN® i program edycji genomu komórek somatycznych NIH Common Fund .
Co zrobili naukowcy w ramach badania?
Naukowcy zaczęli od poszukiwania AAV z dużą szansą dotarcia do ludzkiego mózgu. W poprzednich pracach laboratorium Devermana opracowało już wydajny sposób konstruowania nowych AAV poprzez poszukiwanie tych, które wiążą się ze specyficznymi białkami na powierzchni komórek docelowych lub narządów.
Użyli tej metody, aby stworzyć i przeszukać bibliotekę różnych AAV, aby sprawdzić, czy któryś z nich wiąże się z białkiem zwanym ludzkim receptorem transferyny (TfR1), który przenosi żelazo do mózgu. TfR1 jest silnie ekspresjonowany na ludzkiej barierze krew-mózg i wykazano, że transportuje duże cząsteczki przez tę barierę, aby dotrzeć do mózgu w badaniach na ludziach.
Ten krok zawęził listę kandydatów na AAV do jednego, nazwanego BI-hTFR1, który mógł przyłączyć się do białka TfR1. Po zidentyfikowaniu obiecującego AAV, naukowcy przetestowali AAV w komórkach ludzkich i u myszy zmodyfikowanych tak, aby wyrażały ludzką formę białka TfR1. Zbadali również, czy nowy AAV może transportować materiał genetyczny do mózgu, porównując go z jednym z niewielu obecnie istniejących AAV zdolnych do dostarczania genów do ludzkiego ośrodkowego układu nerwowego.
Jakie były wyniki badania?
Po pierwsze, badacze odkryli, że AAV związany z TfR1 skutecznie przekroczył barierę krew-mózg w ludzkim modelu komórkowym. Co więcej, w bezpośrednim porównaniu z istniejącym AAV stosowanym w terapiach genowych układu nerwowego, znacznie więcej nowego AAV aktywnie przebyło barierę komórek mózgowych.
To odkrycie zostało dodatkowo potwierdzone, gdy badacze wstrzyknęli AAV do krwiobiegu myszy z ekspresją ludzkiej formy TfR1. Wyniki wykazały, że nowy AAV skutecznie przedostał się do mózgu i rdzenia kręgowego myszy i zrobił to w znacznie wyższych stężeniach niż istniejący AAV, wykazując 6–12 razy większe ilości w całym mózgu. Co ważne, tego efektu nie stwierdzono w przypadku innych narządów, co dowodzi zwiększonego wnikania nowego AAV do ośrodkowego układu nerwowego. AAV wpłynął również na komórki mózgowe o krytycznych funkcjach, docierając do 92% astrocytów i 71% neuronów które odgrywają ważną rolę w rozwoju i komunikacji komórek.
Na koniec naukowcy zbadali zdolność wirusa AAV do dostarczania ludzkiego genu GBA1 do mózgu myszy. Mutacje w GBA1 gen jest powiązany z kilkoma chorobami neurodegeneracyjnymi, w tym chorobą Gauchera i chorobą Parkinsona. Nowy AAV dostarczył GBA1 genu w całym mózgu. Po raz kolejny wyniki podkreśliły zwiększoną skuteczność nowego AAV, który dostarczył 30 razy więcej kopii GBA1 w porównaniu z istniejącym AAV. Łącznie wyniki wykazały, że AAV może skutecznie przedostać się do mózgu na dużą skalę i przenosić ze sobą zdrowe kopie materiału genetycznego.
Co oznaczają wyniki?
Te odkrycia potwierdzają, że AAV mogą być kierowane do określonych białek, aby tworzyć potężne, minimalnie inwazyjne nośniki genów. Naukowcy w tym badaniu opracowali AAV, który poprzez bezpośrednie wiązanie się z ludzkim białkiem receptorowym, przekroczył barierę krew-mózg, aby dotrzeć do krytycznych komórek i dostarczyć gen istotny dla choroby do całego mózgu.
Co ważne, nowy AAV był skuteczniejszy i wydajniejszy niż główny AAV obecnie stosowany w terapiach genowych układu nerwowego. Inną krytyczną zaletą było jego specyficzne wiązanie do człowieka. Ponieważ AAV wiąże się z dobrze zbadanym ludzkim białkiem znajdującym się w barierze krew-mózg, naukowcy uważają, że ma on duży potencjał do pracy w terapiach genowych u ludzi. Wykorzystanie myszy, które ekspresują ludzką formę receptora Tfr1, dostarcza również mocnych dowodów na to, że ta terapia może okazać się skuteczna u ludzi.
Choć ekscytujące, wyniki wymagają dalszych testów w badaniach na ludziach. Naukowcy będą musieli również zająć się typowymi wyzwaniami, z którymi mierzy się każda terapia genowa AAV, w tym ograniczeniami rozmiaru genu, który może dostarczyć, potencjalnymi niecelowymi wpływami na inne geny lub ścieżki genowe oraz ryzykiem nadaktywnej odpowiedzi układu odpornościowego. Pomimo tych przeszkód, dzięki dalszym testom i rozwojowi, metoda dostarczania genów może otworzyć nowe ścieżki terapeutyczne i zrewolucjonizować leczenie szeregu zaburzeń neurologicznych i psychicznych.
Odniesienie
