Vaistų kūrimas paprastai vyksta lėtai: nuo pagrindinių tyrimų atradimų, kuriais grindžiamas naujas vaistas, iki klinikinių tyrimų iki plačiai prieinamo vaisto gamybos, gali prireikti dešimtmečių. Tačiau dešimtmečiai gali atrodyti neįtikėtinai toli tiems, kurie šiuo metu serga mirtina liga.
Plačiojo instituto vyresnioji grupės vadovė Sonia Vallabh puikiai žino apie lenktynes su laiku, nes jos tyrimo tema yra neurodegeneracinė ir galiausiai mirtina liga – mirtina šeiminė nemiga, prionų ligos rūšis – kuri beveik neabejotinai išsivystys senstant.
Vallabh ir jos vyras Ericas Minikelis pakeitė karjerą ir tapo tyrėjais, kai sužinojo, kad Vallabh turi ligą sukeliančią priono baltymo geno versiją ir kad nėra veiksmingo mirtinų prionų ligų gydymo.
Dabar jiedu vadovauja laboratorijai Broad Institute, kur dirba kurdami vaistus, galinčius užkirsti kelią šioms ligoms ir jas gydyti, o jų sėkmės terminas pagrįstas ne stipendijų ciklais ar akademiniais lūkesčiais, o tiksinčia bomba Vallabh genetiniame kode.
Štai kodėl Vallabh džiaugėsi, kai pradėjo bendradarbiauti su Whitehead instituto nariu Jonathanu Weissmanu, kad Weissmano grupei patinka dirbti visu pajėgumu.
Per mažiau nei dvejus metus Weissman, Vallabh ir jų bendradarbiai sukūrė molekulinių įrankių rinkinį, vadinamą CHARM, kurie gali išjungti ligas sukeliančius genus, tokius kaip priono baltymo genas, taip pat, galbūt, genus, koduojančius daugelį kitų susijusių baltymų. sergant neurodegeneracinėmis ir kitomis ligomis, ir jie tobulina šias priemones, kad būtų tinkami naudoti žmonėms.
Nors tyrėjai vis dar turi įveikti daugybę kliūčių, kol jie žino, ar jie veikia kaip terapiniai vaistai, komandą skatina greitis, kuriuo jie iki šiol sukūrė technologiją.
„Bendradarbiavimo dvasia nuo pat pradžių buvo ta, kad nebuvo laukta formalumų“, – sako Vallabh. „Kai tik supratome, kad norime tai padaryti, viskas buvo nukreipta į lenktynes.
Bendradarbiaujantys autoriai Weissmanas ir Vallabh bei pirmieji autoriai Edwinas Neumannas, Weissmano laboratorijos magistrantas, ir Tessa Bertozzi, Weissmano laboratorijos doktorantas, apibūdina CHARM, kuris reiškia susietą histono uodegą, reiškiančią metiltransferazės automatinį išskyrimą. paskelbtas žurnale Mokslas birželio 27 dieną.
„Kadangi Whitehead ir Broad institutai yra šalia vienas kito, nemanau, kad yra geresnės vietos motyvuotų žmonių grupei, kuri galėtų greitai ir lanksčiai judėti siekdama akademinio mokslo ir medicinos technologijų“, – sako Weissman. kuris taip pat yra Masačusetso technologijos instituto biologijos profesorius ir HHMI tyrėjas.
„CHARM yra elegantiškas ligų genų nutildymo problemos sprendimas ir jie gali užimti svarbią vietą genetinių vaistų ateityje.
Norėdami gydyti genetinę ligą, nukreipkite į geną
Prionų ligą, kuri sukelia greitą neurodegeneraciją ir mirtį, sukelia netinkamos priono baltymo versijos. Tai sukelia smegenyse kaskadinį efektą: sugedę prioniniai baltymai deformuoja kitus baltymus, o kartu šie baltymai ne tik nustoja tinkamai funkcionuoti, bet ir sudaro toksiškus agregatus, kurie naikina neuronus.
Garsiausias prionų ligos tipas, šnekamojoje kalboje žinomas kaip karvių proto liga, yra infekcinė, tačiau kitos prionų ligos formos gali atsirasti spontaniškai arba būti sukeltos netinkamų prionų baltymų genų.
Dauguma tradicinių vaistų veikia nukreipdami į baltymą. Tačiau CHARM veikia toliau prieš srovę ir išjungia geną, koduojantį sugedusį baltymą, todėl baltymas niekada nepasigamina. CHARM tai daro epigenetiniu redagavimu, kai cheminė žyma pridedama prie DNR, siekiant išjungti arba nutildyti tikslinį geną.
Skirtingai nuo genų redagavimo, epigenetinis redagavimas nekeičia pagrindinės DNR – pats genas lieka nepakitęs. Tačiau, kaip ir genų redagavimas, epigenetinis redagavimas yra stabilus, o tai reiškia, kad CHARM išjungtas genas turėtų likti išjungtas. Tai reikštų, kad pacientai turėtų vartoti CHARM tik vieną kartą, o ne į baltymus nukreiptus vaistus, kuriuos reikia vartoti reguliariai, kai ląstelių baltymų kiekis pasipildo.
Tyrimai su gyvūnais rodo, kad priono baltymas nėra būtinas sveikam suaugusiam žmogui, o ligos atveju pašalinus baltymą pagerėja ar net išnyksta ligos simptomai.
Asmeniui, kuriam dar nepasireiškė simptomai, baltymų pašalinimas turėtų visiškai užkirsti kelią ligai. Kitaip tariant, epigenetinis redagavimas gali būti veiksmingas būdas gydyti genetines ligas, tokias kaip paveldimos prioninės ligos. Iššūkis yra sukurti naują terapijos tipą.
Laimei, komanda turėjo gerą CHARM šabloną: tyrimo įrankį CRISPRoff, kurį Weissmano grupė anksčiau sukūrė genams nutildyti.
CRISPRoff naudoja CRISPR genų redagavimo technologijos pagrindus, įskaitant orientacinį baltymą Cas9, kuris nukreipia įrankį į tikslinį geną. CRISPRoff nutildo tikslinį geną, pridedant metilo grupes, chemines žymes, kurios neleidžia genui transkribuoti arba nuskaityti į RNR ir taip ekspresuoti kaip baltymą.
Kai mokslininkai išbandė CRISPRoff gebėjimą nutildyti priono baltymo geną, jie nustatė, kad jis veiksmingas ir stabilus.
Tačiau kelios jo savybės neleido CRISPRoff būti geru kandidatu į gydymą. Tyrėjų tikslas buvo sukurti CRISPRoff pagrindu sukurtą įrankį, kuris būtų toks pat stiprus, bet ir saugus naudoti žmonėms, pakankamai mažas, kad patektų į smegenis, ir skirtas sumažinti netinkamų genų nutildymo ar šalutinio poveikio riziką.
Nuo tyrimo priemonės iki narkotikų kandidato
Neumanno ir Bertozzi vadovaujami mokslininkai pradėjo kurti ir taikyti naująjį epigenomo redaktorių. Pirmoji problema, kurią jie turėjo išspręsti, buvo dydis, nes redaktorius turi būti pakankamai mažas, kad būtų supakuotas ir pristatytas į konkrečias kūno ląsteles.
Genų pristatymas į žmogaus smegenis yra sudėtingas; daugelyje klinikinių tyrimų buvo naudojami adeno-associated virusai (AAV) kaip genų pristatymo priemonės, tačiau jie yra maži ir gali turėti tik nedidelį kiekį genetinio kodo. CRISPRoff yra per didelis; vien tik Cas9 kodas užima didžiąją dalį laisvos vietos.
Weissman laboratorijos mokslininkai nusprendė pakeisti Cas9 daug mažesniu cinko piršto baltymu (ZFP). Kaip ir Cas9, ZFP gali būti orientaciniai baltymai, nukreipiantys įrankį į tikslinę DNR vietą. ZFP taip pat paplitę žmogaus ląstelėse, o tai reiškia, kad jie mažiau linkę sukelti imuninį atsaką prieš save nei bakterinė Cas9.
Tada mokslininkai turėjo sukurti įrankio dalį, kuri nutildytų priono baltymo geną. Iš pradžių jie naudojo dalį metiltransferazės, molekulės, kuri prideda metilo grupes į DNR, vadinamą DNMT3A. Tačiau konkrečioje įrankiui reikalingoje konfigūracijoje molekulė buvo toksiška ląstelei.
Tyrėjai sutelkė dėmesį į kitokį sprendimą: užuot tiekęs už DNMT3A ribų kaip terapijos dalį, įrankis gali įdarbinti pačios ląstelės DNMT3A į priono baltymo geną. Tai atlaisvino brangią erdvę AAV vektoriaus viduje ir užkirto kelią toksiškumui.
Tyrėjai taip pat turėjo suaktyvinti DNMT3A. Ląstelėje DNMT3A paprastai būna neaktyvus, kol nesąveikauja su tam tikromis partnerių molekulėmis. Šis numatytasis neveiklumas apsaugo nuo atsitiktinio genų, kurie turi likti įjungti, metilinimo.
Neumannas sugalvojo išradingą būdą, kaip tai padaryti, sujungdamas DNMT3A partnerių molekulių dalis ir prijungdamas jas prie ZFP, kurie jas atneša į priono baltymo geną. Kai ląstelės DNMT3A susiduria su šiuo dalių deriniu, jis aktyvuojasi, nutildydamas geną.
„Toksiškumo ir dydžio požiūriu buvo prasminga įdarbinti įrangą, kurią ląstelė jau turi; tai buvo daug paprastesnis, elegantiškesnis sprendimas”, – sako Neumannas. „Ląstelės jau visą laiką naudoja metiltransferazes, o mes iš esmės tik apgaudinėjame jas, kad išjungtų geną, kurį įprastai paliktų įjungtą.
Bandymai su pelėmis parodė, kad ZFP valdomi CHARM gali pašalinti daugiau nei 80% prionų baltymų smegenyse, o ankstesni tyrimai parodė, kad tik 21% pašalinimas gali pagerinti simptomus.
Kai mokslininkai sužinojo, kad jie turi galingą genų slopintuvą, jie kreipėsi į pašalinių poveikių problemą. Genetinis CHARM kodas, kuris bus pristatytas į ląstelę, neribotą laiką gamins CHARM kopijas.
Tačiau išjungus priono baltymo geną, iš to nėra jokios naudos, tik daugiau laiko atsiranda šalutiniams reiškiniams, todėl jie pakoregavo įrankį taip, kad po to, kai jis išjungs priono baltymo geną, jis išsijungtų pats.
Tuo tarpu papildomas Broad Institute mokslininko ir bendradarbio Benjamino Devermano laboratorijos projektas, skirtas genų pristatymui visame smegenyse ir paskelbtas m. Mokslas gegužės 17 d., CHARM technologiją priartino prie pasirengimo klinikiniams tyrimams.
Nors natūralūs AAV tipai buvo naudojami genų terapijai žmonėms ir anksčiau, jie neefektyviai patenka į suaugusiųjų smegenis, todėl neįmanoma gydyti viso smegenų ligos, pavyzdžiui, prionų ligos.
Spręsdama pristatymo problemą, Devermano grupė sukūrė AAV vektorių, kuris gali efektyviau patekti į smegenis, naudodamas kelią, kuris natūraliai perneša geležį į smegenis. Tokie sukonstruoti vektoriai kaip šis priartina tokią terapiją kaip CHARM vienu žingsniu arčiau realybės.
Dėl šių kūrybingų sprendimų mokslininkai dabar turi labai veiksmingą epigenetinį redaktorių, kuris yra pakankamai mažas, kad patektų į smegenis, ir kuris atrodo, kad ląstelių kultūroje ir bandymuose su gyvūnais yra mažas toksiškumas ir ribotas pašalinis poveikis.
„Buvo privilegija dalyvauti šioje veikloje; gana retai per tokį trumpą laiką pereiti nuo fundamentinių tyrimų iki terapinio pritaikymo“, – sako Bertozzi. „Manau, kad svarbiausia buvo užmegzti bendradarbiavimą, kuris pasinaudojo Weissman laboratorijos įrankių kūrimo patirtimi, Vallabh ir Minikel laboratorijų giliomis žiniomis apie ligą ir Devermano laboratorijos genų pristatymo patirtimi.
Žvelgiant į priekį
Išspręsus pagrindinius CHARM technologijos elementus, komanda dabar tobulina savo įrankį, kad būtų efektyvesnis, saugesnis ir lengviau gaminamas tokiu mastu, koks bus reikalingas klinikiniams tyrimams. Jie jau padarė įrankį modulinį, kad būtų galima sukeisti įvairias jo dalis ir ateities CHARM nereikės programuoti nuo nulio. CHARM taip pat šiuo metu bandomi kaip terapiniai vaistai pelėms.
Kelias nuo pagrindinių tyrimų iki klinikinių tyrimų yra ilgas ir vingiuotas, o tyrėjai žino, kad CHARM dar reikia nueiti, kol jie gali tapti perspektyvia medicinine priemone žmonėms, sergantiems prioninėmis ligomis, įskaitant Vallabh, ar kitomis ligomis, turinčiomis panašių genetinių savybių. komponentai.
Tačiau turėdami tvirtą terapijos planą ir daug žadančius laboratorinius rezultatus, tyrėjai turi rimtų priežasčių tikėtis. Jie ir toliau dirba visu greičiu, siekdami tobulinti savo technologiją, kad ji ne kada nors, o kuo greičiau išgelbėtų pacientų gyvybes.