Z pewnością potrzeba dużo więcej pracy, aby przekształcić ASO w lek, który można bezpiecznie testować na ludziach w badaniach klinicznych – ale samo jego istnienie pokazuje błyskawiczne tempo, w jakim badania terapeutyczne mogą się rozwijać, gdy naukowcy z uzupełniającą się wiedzą specjalistyczną pracują razem.

Ponadto praca wnosi wkład w rozwijającą się dziedzinę badań nad ASO, które są podstawą nowej klasy terapii, które mogą być szczególnie przydatne w leczeniu kolczastych chorób neurodegeneracyjnych i innych schorzeń wynikających z mutacji genetycznych, w tym niektórych rodzajów raka i padaczki .

Budowanie rozmachu

W ostatnich latach naukowcy coraz bardziej interesują się terapeutycznym potencjałem ASO, czyli krótkich, jednoniciowych sekwencji syntetycznego DNA lub RNA budowanych w laboratorium.

Pomysł polega na tym, że naukowcy opracowują ASO, aby skorygować określone niedobory lub nieprawidłowe działanie białek poprzez wiązanie się z określonym odcinkiem RNA transkrybowanym z genu będącego przedmiotem zainteresowania.

To wiązanie może powodować ekspresję genu na wyższym lub niższym poziomie, wpływając w ten sposób na produkcję białek związanych z różnymi funkcjami fizjologicznymi.

Być może najbardziej znanym ASO do tej pory jest lek o nazwie nusinersen, który został zatwierdzony przez Food and Drug Administration na rdzeniowy zanik mięśni w 2016 roku.

Pacjenci z rdzeniowym zanikiem mięśni mają mutację w obu kopiach przetrwanie neuronu ruchowego 1 (SMN1) genu, który powoduje zmniejszoną produkcję białka związanego z przetrwaniem neuronu ruchowego (SMN).

SMN jest niezbędnym paliwem dla neuronów ruchowych w pniu mózgu i rdzeniu kręgowym, które kontrolują dobrowolne ruchy mięśni. Niedobór białka powoduje, że pacjenci doświadczają głębokiego osłabienia mięśni i braku lub utraty funkcji mięśni, które pogarszają się z czasem.

Nusinersen jest wstrzykiwany do kręgosłupa i przemieszcza się do mózgu, gdzie wiąże się z odcinkiem RNA transkrybowanym z SMN2 gen w komórkach mózgowych. SMN2 jest blisko spokrewniony SMN1 ale zazwyczaj wytwarza tylko niewielką ilość białka SMN.

Po związaniu powoduje nusinersen SMN2 produkować więcej białka, rekompensując w ten sposób to, co SMN1 mutacja tłumi.

„Nusinersen odniósł ogromny sukces – był niezwykle skuteczny u tych pacjentów – i dlatego wiele osób było bardzo podekscytowanych technologią ASO” – powiedział Park.

Jedną z tych osób był Yu, który zastanawiał się, czy mógłby zaprojektować ASO do leczenia Mili, sześcioletniej dziewczynki cierpiącej na rzadką, śmiertelną chorobę neurodegeneracyjną zwaną chorobą Battena.

Yu i jego zespół odkryli, że w jej przypadku choroba była spowodowana znaną mutacją w jednej kopii genu neuronalny lipofuscynoza ceroidowa 7 (CLN7) genu, w połączeniu z inną mutacją w drugiej kopii genu.

W wyniku tego duetu mutacji organizm dziecka nie był w stanie wyprodukować wystarczającej ilości białka CLN7, co doprowadziło do powszechnych – i pogarszających się – problemów z układem nerwowym, w tym drgawek, słabej koordynacji i równowagi oraz skurczów i osłabienia mięśni.

W ciągu kilku miesięcy naukowcom udało się stworzyć i przetestować spersonalizowany ASO o nazwie milasen, który był ukierunkowany na drugą mutację genu odpowiedzialną za jej chorobę.

Tak jak mieli nadzieję, objawy Mili poprawiły się podczas leczenia: miała mniej napadów i była w stanie lepiej połykać i trzymać szyję i ciało.

Mila zmarła w 2021 roku, ale naukowcy opublikowali swoje wyniki w The New England Journal of Medicine jako dowód na to, że możliwe było szybkie stworzenie bezpiecznego i efektywnego spersonalizowanego ASO.

Gwiazdy się wyrównują

Tymczasem Park i jego ówczesny współpracownik, Jinkuk Kimwyruszyli we własną podróż.

Jako biolog komputerowy Park opracowuje algorytmy, które analizują ludzkie genomy i szukają interesujących anomalii lub trendów – coś, co robił głównie w kontekście raka.

Jednak Jinkuk był zainteresowany ASO, a dokładniej znalezieniem mutacji genów związanych z chorobami neurodegeneracyjnymi, które mogłyby być dobrymi celami.

Kim i Park zaczęli używać swoich narzędzi obliczeniowych do analizowania sekwencji ludzkiego mózgu, które były publicznie dostępne za pośrednictwem National Institutes of Health.

Szukali czegoś konkretnego: genów, w których mutacja tylko w jednej kopii (w przeciwieństwie do obu kopii) wystarczy, aby zmienić produkcję białka i zakłócić normalne funkcjonowanie.

W końcu trafili GRN, gen, w którym pojedyncza mutacja w jednej kopii powoduje, że komórki mózgowe wytwarzają mniej białka zwanego progranuliną.

Co najważniejsze, to GRN mutacja jest powiązana z około 15 procentami przypadków FTD — formy demencji często diagnozowanej u pacjentów w wieku od 45 do 65 lat charakteryzuje się utratą komórek w płatach czołowych i skroniowych mózgu.

„Wpadliśmy na pomysł, aby zaprojektować ASO, które wpłynęłoby na transkrypt tego genu w taki sposób, że produkcja progranuliny wzrosłaby” – powiedział Park.

Jednak on i Kim wiedzieli, że muszą przenieść swój pomysł z komputera do laboratorium w celu przetestowania — więc Park skontaktował się ze swoim starym przyjacielem Yu.

Kiedy naukowcy spotkali się, aby omówić projekt, Kim zapytał Yu, czy kiedykolwiek słyszał o leku zwanym nusinersen.

Yu nie mógł powstrzymać się od śmiechu, widząc czysty przypadek tej sytuacji.

„Powiedziałem:„ Właściwie przez ostatnie sześć miesięcy nie robiłem nic poza badaniem nusinersenu tak szybko, jak tylko mogłem, ponieważ pracujemy nad stworzeniem podobnego leku dla naszego pacjenta ”- wspomina Yu.

Wyłącz i działaj

Z tym, Park, Kim, Yu i pracownik naukowy Yu Yu Han Huang rzucili się w wir opracowywania cząsteczek ukierunkowanych na gen odpowiedzialny za znaczną liczbę przypadków FTD.

„Zaczęliśmy wykorzystywać te umiejętności, których uczyliśmy się o ASO i zastanawiać się, jak możemy je zastosować w tej sytuacji” – powiedział Yu.

Ich wczesne postępy były wspomagane przez dotację w wysokości 250 000 USD od The Fundusz Quadrangle na rzecz postępów i zasiewów badań translacyjnych w HMSie.

W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy opracowali kilka ASO, które wydają się obiecujące.

Cząsteczki te nie wiążą się z RNA transkrybowanym ze zmutowanej kopii genu GRN, który zakłóca produkcję progranuliny. Zamiast tego przyłączają się do RNA utworzonego z pozostałej zdrowej kopii genu iw ten sposób korygują naturalną nieefektywność przetwarzania progranuliny.

„Naszą strategią jest zwiększenie produkcji progranuliny z normalnej kopii genu”, aby zrekompensować brak progranuliny wytwarzanej przez zmutowaną kopię, powiedział Huang.

Yu dodał, że ta strategia jest szczególnie atrakcyjna, ponieważ oznacza, że ​​ASO nie musi być dostosowywana do konkretnej mutacji każdego pacjenta, jak miało to miejsce w przypadku milasena, który został zaprojektowany tak, aby celować w mutację obecną u pojedynczego pacjenta.

W ludzkich komórkach ASO zaprojektowane przez zespół z powodzeniem zwiększyły ekspresję progranuliny.

Następnym krokiem byłoby zwykle testowanie na myszach, ale myszy nie mają sekwencji genetycznych, na które ukierunkowane są cząsteczki. Zamiast tego naukowcy przenieśli się do naczelnych innych niż ludzie, które mają taką samą naturalną nieefektywność w przetwarzaniu progranuliny jak ludzie.

„Czuliśmy się wystarczająco pewnie dzięki naszej wstępnej analizie, że pomyśleliśmy, że powinniśmy wypróbować te ASO u naczelnych” – powiedział Park.

Wspierany przez 1 milion dolarów dofinansowania z a Nagroda Blavatnik Therapeutics Challenge 2020trwają badania nad naczelnymi.

Do tej pory jeden ASO został przetestowany na jednym zwierzęciu w różnych punktach czasowych i dawkach. Cząsteczka nie wydaje się być toksyczna i wydaje się zmieniać GRN gen zgodnie z oczekiwaniami.

Istnieją również oznaki, że ASO zwiększa produkcję progranuliny w mózgu, chociaż naukowcy pracują nad opracowaniem lepszych sposobów pomiaru poziomu białka.

Naukowcy ostrzegają, że cząsteczka musi zostać przetestowana na większej liczbie naczelnych, a także planują przetestować inne ASO, które zaprojektowali, ale jak dotąd wyniki wydają się obiecujące.

„ASO wydaje się działać równie dobrze u naczelnych, jak wykazano w ludzkich liniach komórkowych” – powiedział Yu. „To zaprowadzi cię dość daleko na ścieżce tego, czego potrzeba, aby przenieść coś w kierunku kliniki”.

Jeśli badania na naczelnych nadal będą przynosić pożądane wyniki, naukowcy planują przejść do testowania ASO w badaniach klinicznych na ludziach.

ASO nie tylko musiałoby zmienić GRN genu i zwiększyć poziom progranuliny, ale co najważniejsze, mieć funkcjonalny wpływ na pacjentów z FTD.

Ostateczną miarą sukcesu, powiedział Yu, byłoby możliwe do wykazania spowolnienie postępu choroby.

„Najprawdopodobniej takie leczenie byłoby potencjalnym sposobem na powstrzymanie dalszego postępu choroby” – powiedział Yu.

Więcej w przyszłości

Możliwość pracy nad terapią była szczególnie satysfakcjonująca dla Parka, który zazwyczaj spędza czas na obliczeniowej stronie rzeczy, daleko od kliniki.

„Zawsze zastanawiamy się, w jaki sposób opracowywane przez nas algorytmy mogą mieć jakiś namacalny wpływ, i jest to sytuacja, w której przeszliśmy od patrzenia na dane genomowe do identyfikacji cząsteczki i przeprowadzania eksperymentów na naczelnych w bardzo krótkim czasie” – powiedział Park.

„Zazwyczaj myślimy o firmie farmaceutycznej, która spędziła wiele lat na opracowaniu leku, ale tutaj jeden genialny doktor habilitowany przy komputerze wykorzystał publicznie dostępne dane, aby w ciągu zaledwie kilku tygodni opracować obiecującego kandydata na lek”.

Naukowcy nadal są podekscytowani zaprojektowanymi przez siebie ASO, zarówno ze względu na ich potencjał, by stać się lekami na FTD, jak i ich wkład w rosnącą klasę nowatorskich terapii. ASO będą nadal rozwijane przez firmę, która ma zostać uruchomiona jeszcze w tym roku.

ASO oferują kilka korzyści jako terapie, powiedział Park. Można je wstrzykiwać bezpośrednio do kręgosłupa, co pozwala im łatwo dostać się do mózgu bez konieczności przekraczania prawie nieprzeniknionej bariery krew-mózg, która uniemożliwia tak wielu lekom dotarcie do celów w mózgu.

Ponadto, w przeciwieństwie do narzędzia do edycji genów CRISPR, ASO nie zmieniają trwale DNA pacjenta, co oznacza, że ​​dawki można dostosowywać do zmieniających się potrzeb pacjenta w czasie.

Park zauważył, że GRN gen docelowy ASO może również odgrywać rolę w chorobach neurodegeneracyjnych innych niż FTD, w tym stwardnieniu zanikowym bocznym (ALS) i chorobie Alzheimera.

Co więcej, możliwe może być opracowanie podobnych ASO dla chorób neurodegeneracyjnych lub stanów rozwojowych napędzanych innymi mutacjami, które wpływają tylko na jedną kopię genu.

„Pytanie brzmi, czy możesz zastosować tę sztuczkę molekularną dla innych celów genów neurologicznych” – powiedział Yu. „Jedną z szerszych dróg przyszłych badań jest zbadanie, czy tę strategię można poddać recyklingowi i zastosować w innych warunkach”.

Szybkość, z jaką postępował projekt, była w dużej mierze wynikiem współpracy wielu laboratoriów i obszarów specjalizacji. Dla Yu podkreśla to również obietnicę terapii ukierunkowanych na geny.

„Wzięcie pomysłu i tak szybkie rozwinięcie go tak daleko naprawdę pokazuje, jak obiecująca jest ta technologia. Nasz ASO nie jest jeszcze lekiem klinicznym – jest o wiele więcej etapów – ale pokazaliśmy, że koncepcja i strategia są solidne” – powiedział Yu.

„Ta historia dotyczy zarówno tego procesu tworzenia genetycznie ukierunkowanych terapii, jak i tego konkretnego ASO dla tej konkretnej choroby”.

I chociaż historia jest daleka od zakończenia, naukowcy mają nadzieję, że to, co zaczęło się jako pomysł i przypadkowa współpraca, ostatecznie zmieni życie pacjentów.