Daugelį ligų sukelia trūkstama ar trūkstama vieno geno kopija. Dešimtmečius mokslininkai dirbo su genų terapijos gydymu, kuris galėtų išgydyti tokias ligas, pristatydami naują trūkstamų genų kopiją paveiktoms ląstelėms.
Nepaisant šių pastangų, FDA patvirtino labai nedaug genų terapijos gydymo būdų. Vienas iš iššūkių plėtoti šiuos gydymo būdus buvo kontroliuoti, kiek naujasis genas yra išreikštas ląstelėse – per mažai ir jam nepavyks, per daug ir tai gali sukelti rimtą šalutinį poveikį.
Siekdami padėti tiksliau kontroliuoti genų terapiją, MIT inžinieriai sureguliavo ir pritaikė valdymo grandinę, kuri gali išlaikyti išraiškos lygį tiksliniame diapazone. Žmogaus ląstelėse jie parodė, kad gali naudoti šį metodą genams, kurie galėtų padėti gydyti ligas, įskaitant trapų X sindromą, sutrikimą, sukeliantį intelekto negalią ir kitas vystymosi problemas.
„Teoriškai genų papildas gali išspręsti labai įvairius monogeninius sutrikimus, tačiau turi palyginti paprastą genų terapijos terapijos sutvarkymą, jei galėtumėte pakankamai gerai kontroliuoti terapiją“, – sako Katie Galloway, „WM Keck“ karjeros vystymosi profesorė biomedicinos inžinerijos ir chemijos inžinerijos srityje bei naujojo tyrimo vyresnioji autorė.
MIT absolventas Kasey Love yra pagrindinis popieriaus, kuris skelbiamas Ląstelių sistemos. Kiti dokumento autoriai yra MIT abiturientai Christopheris Johnstone'as, Emma Peterman ir Stephanie Gaglione bei Michaelas Birnbaumas, MIT biologinės inžinerijos docentė.
Genų pristatymas
Nors genų terapija žada gydyti įvairias ligas, įskaitant hemofiliją ir pjautuvinių ląstelių anemiją, iki šiol buvo patvirtinta tik nedaugelis gydymo būdų, kad būtų paveldima tinklainės liga ir tam tikras kraujo vėžys.
Daugelyje genų terapijos metodų naudojamas virusas, kad būtų galima pateikti naują geno kopiją, kuri vėliau integruota į šeimininko ląstelių DNR. Kai kurios ląstelės gali užimti daug geno kopijų, o kitos jų negauna.
„Paprastas šio naudingo krovinio ekspresija gali sukelti tikrai platų išraiškos lygių diapazoną tiksliniuose genuose, nes jie užima skirtingą tų genų kopijų skaičių arba tiesiog turi skirtingus išraiškos lygius“, – sako Love. „Jei tai nepakankamai išreiškia, tai nugalės terapijos tikslą. Tačiau, kita vertus, problema yra ir per aukšta, taip pat yra problema, nes tas naudingas krovinys gali būti toksiškas.”
Norėdami tai įveikti, mokslininkai eksperimentavo su įvairių rūšių kontrolinėmis grandinėmis, kurios suvaržo terapinio geno ekspresiją. Šiame tyrime MIT komanda nusprendė naudoti tam tikros rūšies grandinę, vadinamą nenuoseklia „FeedForward Loop“ (IFFL).
IFFL grandinėje tikslinio geno aktyvinimas tuo pačiu metu suaktyvina molekulės, slopinančios geno ekspresiją, gamybą. Vieno tipo molekulės, kurios gali būti naudojamos tam slopinimui pasiekti, yra mikroRNR – trumpa RNR seka, jungianti su pasiuntinio RNR, neleidžiant jai išversti į baltymus.
Šiame tyrime MIT komanda suprojektavo IFFL grandinę, vadinamą „komanda“ (kompaktiškas mikroRNR sukeltas triukšmo ir dozavimo slopintuvas), kad mikroRNR sruoga, kuri slopina mRNR vertimą, užkoduotų terapiniame gene. MikroRNR yra trumpame segmente, vadinamame intronu, kuris iš geno suskaidomas, kai jis perrašomas į mRNR. Tai reiškia, kad kai genas įjungiamas, tiek mRNR, tiek mikroRNR, kuri ją slopina, yra gaminami maždaug vienodais kiekiais.
Šis metodas leidžia tyrėjams valdyti visą komandų grandinę tik vienu promotoriumi – DNR svetaine, kurioje įjungta genų transkripcija. Keisdami į skirtingų stipriųjų pusių rengėjus, tyrėjai gali pritaikyti, kiek bus pagaminta terapinis genas.
Kompaktiškas grandinės dizainas ne tik siūlo griežtesnį valdymą, bet ir galima nešiotis į vieną pristatymo transporto priemonę, pavyzdžiui, lentivirusą ar su adeno susijusį virusą, kuris galėtų pagerinti šių gydymo būdų gamintojus. Abu šie virusai dažnai naudojami terapiniams kroviniams tiekti.
„Kiti žmonės sukūrė mikroRNR, pagrįstą nenuosekliais pašarų priekinėmis kilpomis, tačiau tai, ką„ Kasey “padarė, visa tai padeda ant vieno nuorašo, ir ji parodė, kad tai suteikia geriausią įmanomą kontrolę, kai jūs turite kintamą pristatymą į ląsteles“, – sako Galloway.
Tikslus valdymas
Norėdami parodyti šią sistemą, tyrėjai suprojektavo komandų grandines, kurios galėtų pateikti geną FXN, kuris mutavo Friedreicho ataksijoje – sutrikimą, turintį įtakos širdžiai ir nervų sistemai. Jie taip pat pristatė geną FMR1, kurio disfunkcija sukelia trapų X sindromą. Atlikdami bandymus žmogaus ląstelėse, jie parodė, kad jie gali sureguliuoti genų ekspresijos lygį maždaug aštuonis kartus didesniu nei sveikose ląstelėse.
Be komandų genų ekspresija buvo daugiau nei 50 kartų didesnė už normalų lygį, o tai galėjo sukelti saugos riziką. Norint nustatyti optimalų lygį, reikia atlikti papildomus bandymus gyvūnų modeliuose, teigia tyrėjai.
Tyrėjai taip pat atliko testus žiurkių neuronuose, pelių fibroblastuose ir žmogaus T ląstelėse. Toms ląstelėms jie pateikė geną, koduojantį fluorescencinį baltymą, todėl jie galėtų lengvai išmatuoti genų ekspresijos lygius. Tose ląstelėse taip pat tyrėjai nustatė, kad jie gali tiksliau kontroliuoti genų ekspresijos lygius nei be grandinės.
Dabar tyrėjai planuoja ištirti, ar jie galėtų naudoti šį metodą, kad pateiktų genus tokiu lygiu, kuris atkurtų normalią funkciją ir atvirkštinius ligos požymius auginamose ląstelėse ar gyvūnų modeliuose.
„Tikriausiai yra šiek tiek derinimo, kurį reikės atlikti pagal išraiškos lygius, tačiau mes suprantame kai kuriuos iš tų projektavimo principų, taigi, jei mums reikės suderinti lygį aukštyn ar žemyn, manau, kad mes žinosime, kaip tai padaryti“, – sako meilė.
Tyrėjai teigia, kad kitos ligos, kurias šis požiūris gali būti taikomas atsižvelgiant į Rett sindromą, raumenų distrofiją ir stuburo raumenų atrofiją.
„Daugelyje jų iššūkis yra tai, kad jie taip pat yra retos ligos, todėl neturite didelių pacientų populiacijų“, – sako Galloway. „Mes stengiamės sukurti šias tvirtas priemones, kad žmonės galėtų išsiaiškinti, kaip atlikti derinimą, nes pacientų populiacijos yra tokios mažos ir nėra daug lėšų, kad būtų galima išspręsti kai kuriuos iš šių sutrikimų.”
Ši istorija yra pakartotinai paskelbta „MIT News“ (Web.mit.edu/Newsoffice/), populiarios svetainės, apimančios naujienas apie MIT tyrimus, inovacijas ir mokymą, sutikimu.