8 boli care ar putea fi tratate cu ajutorul editării genetice CRISPR28 min read

Genomul celulelor umane ar putea fi reprogramat pentru a câștiga bătălia cu bolile grave sau rare

Editarea genetică este un subiect controversat, care provoacă dezbateri etice încinse, mai ales despre potențialele abuzuri care s-ar putea naște atunci când deschizi Cutia Pandorei a modificării genomului uman. Însă dezbaterile nu mai au loc în paginile cărților SF, sub spectrul unor avansuri medicale din viitorul îndepărtat, deoarece știința a avansat rapid și cercetătorii au acum la îndemână o metodă extraordinară de a se „juca” cu genele: tehnologia CRISPR.

Însă, până la supersoldați modificați genetic încă dinainte de naștere sau mutanți scoși din filme horror, CRISPR este folosit acum în medicină. Pe lângă dezactivarea sau eliminarea mutațiilor care provoacă boli rare, cercetătorii ar putea, de exemplu, să modifice ADN-ul celulelor imunitare pentru a le face mai rezistente în fața anumitor patogeni,mai eficiente în eliminarea celulelor cancerigene ori chiar să încerce eliminarea ADN-ului viral din celule infectate.

Ce este CRISPR și cum funcționează?

CRISPR este de fapt termenul folosit mai uzual pentru CRISPR-Cas9,„What is CRISPR?”, livescience.com numele complet al tehnologiei, dat de cele două componente majore ale acesteia. CRISPR este acronimul pentru o familie de secvențe de ADN-uri din organisme procariote, precum bacteriile, numite „grupuri de repetări scurte palindromice interspațiate”.„Clusters of regularly interspaced short palindromic repeats” Cas9De la „CRISPR-associated” este o enzimă care folosește secvențele CRISPR  pentru a segmenta ADN-ul. Din acest motiv, Cas9 și-a primit supranumele de „foarfecă moleculară”.

Secvențele CRISPR sunt formate din scurte fragmente identice de ADN, care sunt palindromice, adică se citesc la fel din ambele direcții, între care sunt intercalate alte fragmente, numite „distanțiere”. Acestea din urmă nu sunt identice, ci sunt fragmente unice din codul genetic al unor virusuri bacteriofage care au atacat bacteria anterior, Astfel, secvențele CRISPR sunt „bănci de memorie” pentru ca acestea să poată recunoaște atacatorul și să se apere în cazul în care acesta va încerca să atace bacteria.

Aceste secvențe sunt însoțite de alte gene, numite Cas, producătoare ale enzimelor Cas9, ce pot dezactiva virusul prin desfacerea și „tăierea” ADN-ului acestuia. Proteinele Cas9 se leagă de molecule de ARN„DNA and RNA”, jefferson.edu (numite ARN ghidat) transcrise din secvențele CRISPR și, pe baza informației din distanțiere, sunt capabile să localizeze infecția virală, pe care o neutralizează prin segmentarea ADN-ului. Proteinele pot lupta și cu un virus nou, iar dacă îl înving adaugă un fragment din ADN-ul acestuia secvenței CRISPR.

Geneticienii s-au gândit că ar putea folosi acest mecanism imunitar al bacteriilor. Două studii fundamentale din 2012 au arătat că un sistem CRISPR-Cas9 poate fi reprogramat pentru a putea tăia orice tip de ADN. Doar nouă ani mai târziu, cercetătoarele Emmanuelle Charpentier și Jennifer Doudna primeau premiul Nobel pentru această descoperire.„Pioneers of revolutionary CRISPR gene editing win chemistry Nobel”, nature.com

Cele două cercetătoare au identificat o bacterie al cărui sistem CRISPR e însoțit de o singură genă Cas, cea care produce proteina Cas9, și au reușit să modifice sistemul în așa fel încă să introducă orice moleculă de ARN în locul ARN-ului ghidat din proteină. Prin urmare, dacă ARN-ul nou introdus este complementar unei bucăți de ADN, proteina Cas9 o va localiza și va tăia ADN-ul în acel loc.

După acest proces, mecanismul de regenerare al celulei va încerca să refacă ADN-ul tăiat, iar în acest moment se pot efectua modificări în genomul acestuia. În acest punct, cercetătorii au două opțiuni, în funcție de necesități. Pot lăsa mecanismul de regenerare al celulei să „lipească” firele de ADN tăiate, ceea ce, în cele mai multe cazuri, rezultă în dezactivarea genei vizate, deși e posibillă și în reactivarea ei, uneori cu mutații. Sau pot adăuga ARN-ului introdus din Cas9 încă o secvență ADN, deja editată, iar celula afectată ar putea reconstrui secvența tăiată după acest șablon.

Aici se observă că tehnologia CRISPR-Cas9 nu este perfectă. Genele vizate nu vor fi întotdeauna dezactivate sau reconstruite conform instrucțiunilor cercetătorilor. Și, chiar dacă acuratețea foarfecii moleculare a crescut semnificativ în ultimii ani, până la peste 99,9%, „Further development of CRISPR-Cas9”, mpg.de enzimele Cas9 pot uneori tăia zone adiacente celor vizate, ceea ce poate duce la potențiale complicații.

Totuși, pentru o tehnologie aflată în dezvoltare de doar un deceniu, CRISPR-Cas9 a devenit suficient de precisă pentru a fi testată ca potențial tratament pentru diverse afecțiuni grave. În unele cazuri, s-a ajuns deja la stadiul de studii clinice.

Iată, deci, opt boli pentru care sunt cercetate tratamente bazate pe CRISPR-Cas9.

Ilustrație a complexului de editare CRISPR/Cas9. Keith Chambers/Science Photo Library RF via Getty-Images.jpg

Cancerul pulmonar

Este una dintre afecțiunile oncologice cu cea mai mică rată de supraviețuire,„Cancer”, ourworldindata.org din cauza rezistenței ridicate la chimioterapie. CRISPR ar putea ajuta în special la dezvoltarea unor tratamente pentru pacienți cu cancer pulmonar identificat târziu.

În formele cele mai comune de cancer de plămâni, cele cu expresie în celule mari, proteina PD-1 de la suprafața celulelor imune T, care reglează activitatea acestora, se poate combina cu o altă proteină transmembranară, PDL-1. În caz este inhibată capacitatea celulelor imune de a neutraliza alte celule, inclusiv pe cele cancerigene.„PD-1/PD-L1 pathway: current researches in cancer”, nih.gov

Un studiu clinic de fază I„Safety and feasibility of CRISPR-edited T cells in patients with refractory non-small-cell lung cancer”, nature.com desfășurat în China, publicat în 2020, a urmărit fezabilitatea și siguranța unei potențiale terapii prin care CRISPR este folosit pentru a elimina PD-1 din celule imune ale pacienților cu cancer pulmonar avansat. Astfel, celulele T ar putea elimina celulele canceroase.

În cadrul studiului, celulele T din mostre de sânge ale pacienților au fost modificate pentru a exclude proteina și ulterior reintroduse în sistemul lor circulator. Celulele imune editate au fost ulterior observate, în medie, până la 46 de săptămâni în corpul pacienților. Rata de mutații în urma editării eronate cu CRISPR a fost de doar 0,05% și nu au fost înregistrate efecte adverse severe.

Deoarece studiul a urmărit în special siguranța,eficiența eliminării proteinei nu a fost una ridicată., Chiar și așa, la un pacient la care au fost identificate celulele modificate și după 76 de săptămâni boala nu a mai avansat.

Cancerul cervical

70% din cancerele cervicale sunt cauzate de papilomavirusul uman (HPV),„Cervical cancer”, who.int iar problema pentru persoanele infectate este faptul că nu există, momentan, un tratament care să elimine infecția.

CRISPR-Cas9 este cercetată ca o posibilă soluție în acest sens. Un studiu publicat de cercetători chinezi în 2016„Reprogrammed CRISPR-Cas9 targeting the conserved regions of HPV6/11 E7 genes inhibits proliferation and induces apoptosis in E7-transformed keratinocytes”, nih.gov a arătat că tehnologia poate fi folosită direct pe genomul virusului pentru a dezactiva mai multe proteine virale, sugerând că o metodă de editare mai complexă ar avea potențialul de a dezactiva întreg virusul.

Un alt studiu din 2020,„CRISPR Quashes Cancer in Mice”, the-scientist.com de data aceasta din Marea Britanie, a reușit să creeze ARN-uri ghidate care dezactivează gene cancerigene ale HPV-ului pe care virusul le transmite celulelor gazdă, în teste efectuate pe cobai care aveau tumori. În urma unui tratament cu șapte injecții, tumorile au dispărut complet.

Autorii ar vrea să pornească unui studiu clinic pe oameni, în care tratamentul ar urma să fie administrat prin intermediul unui plasture aplicat direct pe cervix.

DPA Picture Alliance via Getty Images

Leucemia acută limfoblastică tip B

Un tip de cancer sanguin care este identificat cel mai adesea la copii,„Childhood Acute Lymphoblastic Leukemia Treatment –Patient Version”, cancer.gov leucemia acută limfoblastică de tip B apare când măduva osoasă produce prea multe limfocite B imature – celule imune albe, cunoscute și sub numele de celule B.

Există, în prezent, două teste clinice în stadii incipiente, în Marea Britanie„TT52CAR19 Therapy for B-cell Acute Lymphoblastic Leukaemia (B-ALL) (PBLTT52CAR19)”, clinicaltrials.gov și China,„A Study Evaluating UCART019 in Patients With Relapsed or Refractory CD19+ Leukemia and Lymphoma”, clinicaltrials.gov care studiază folosirea CRISPR-Cas9 pentru a îmbunătăți unul dintre tratamentele deja aprobate împotriva mai multor tipuri de cancer sanguin.

Numită CAR-T, terapia modifică celule imune T de la donatori sănătoși pentru a elimina celulele B cancerigene din pacient. Cu ajutorul CRISPR, celulele T ar putea fi modificate pentru a selecta mai eficient celulele B care au o anumită proteină, CD19, un marker biologic al afecțiunii.

Siclemia (Anemia cu celule în seceră)

O boală genetică moștenită în care pacientul dezvoltă globule roșii cu forme neobișnuite, uneori similare unei seceri, siclemia poate fi vindecată doar în cazuri rare, cu transplant de măduvă.  În cele mai multe cazuri, bolnavii au nevoie de transfuzii de sânge regulate.

Este, însă, și una dintre primele boli în care CRISPR a fost folosit cu succes pentru a trata cauza genetică: o variație a beta-globinei, una dintre genele care codează hemoglobinele. Terapia dezvoltată de Vertex Pharmaceuticals, numit CTX001, editează gena pentru a stimula producția de hemoglobine fetale, proteine produse de obicei în primele patru luni de viață, care au o capacitate ridicată de a lega oxigenul, absentă din globulele afectată de boală.

Prima pacientă, o femeie de 34 ani din Statele Unite, a primit terapia CTX001 în iunie 2020 și a reacționat extrem de bine la tratament. „First sickle cell patient treated with CRISPR gene-editing still thriving”, npr.org Pacienta a avut o cantitate mare de hemoglobine fetale și nu a mai acuzat simptomele bolii nici la 18 luni de la tratament.

De atunci, alți 45 de pacienți, dintre și unii care suferă de o condiție asemănătoare, beta talasemia, au primit tratamentul în cadrul studiilor clinice; deocamdată, acesta pare că a funcționat în 22 de cazuri.

Ochi afectat de retinita pigmentară. Handout/Getty Images

Retinita pigmentară

O condiție genetică care provoacă distrugerea celulelor din retină, retinita pigmentară duce în multe cazuri la pierderea vederii periferice și la dificultăți de vedere noaptea. Boala poate fi cauzată de mutații care apar în peste 60 de gene, ceea ce face extrem de dificilă dezvoltarea unui tratament care să abordeze direct cauza.

Însă cercetători de la Universitatea din San Diego au folosit CRISPR „Gene and mutation independent therapy via CRISPR-Cas9 mediated cellular reprogramming in rod photoreceptors”, nature.com pentru o abordare inovativă a problemei: au editat genele responsabile pentru crearea celulelor fotoreceptoare ale cobailor pentru a transforma celulele tije din retină în celule conice, care sunt mai rezistente la mutațiile provocate de retinita pigmentară.

În schimb, cercetători de la Universitatea Columbia au încercat eliminarea genelor care provoacă afecțiunea cel mai des. La acea vreme, autorii studiului, care au clasificat procesul drept „operație genomică”, erau optimiști că oftalmologia va fi primul domeniu medical care va beneficia de astfel de operații.„Genome Surgery for Eye Disease Moves Closer to Reality”, prnewswire.com

Alzheimer

Una dintre cele mai răspândite boli neurodegenerative de pe planetă, Alzheimerul încă nu are parte de tratament, parțial și pentru că cauzele exacte ale bolii nu sunt încă confirmate.

Au fost observați, însă,  factori genetici legați de apariția bolii,„Is Alzheimer’s Genetic?”, alz.org precum gene care determină supraproducția proteinei APP, care ulterior se descompune în fragmente, numite beta-amiloid, și formează plăci toxice pentru celulele neuronale. Astfel, în ultimii ani s-au căutat posibile tratamente pe bază de CRISPR care să prevină această supraproducție.

În 2018, o echipă internațională de cercetători„CRISPR/Cas9 Mediated Disruption of the Swedish APP Allele as a Therapeutic Approach for Early-Onset Alzheimer’s Disease”, cell.com a reușit să dezactiveze o mutație a genei care reglează producția de APP, numită APP Swedish, în cobai. Într-un studiu„CRISPR/Cas9 editing of APP C-terminus attenuates β-cleavage and promotes α-cleavage”, nature.com similar din Statele Unite, cercetătorii au reușit să editeze gena, pentru a regla producția de APP și a scădea riscul ca proteina să se descompună în beta-amiloid.

Editarea genetică nu este folosită doar ca potențial tratament, ci și pentru a afla mai multe despre cauzele bolii. De exemplu, o inițiativă a Institutului Național pentru Sănătate din Statele Unite„Tackling neurodegenerative diseases with genomic engineering: A new stem cell initiative from the NIH”, nih.gov folosește CRISPR pentru a modela în laborator peste 100 de mutații asociate Alzheimerului și a altor tipuri asemănătoare de demență, în scopul de a determina posibilele interacțiuni dintre gene care duc la apariția acestora.

DPA Picture Alliance via Getty Images

Boala Huntington

O condiție moștenită, în mare, genetic, Boala Huntington progresează pe parcursul a până la 20 de ani de la pierderea coordonării motorii la degradarea abilităților mentale prin demență. Este incurabilă, iar tratamentele actuale vizează doar îmbunătățirea simptomelor.

Spre deosebire de Alzheimer, cauza genetică este bine determinată: condiția apare în urma unei mutații a genei huntingtin (HTT).În aproximativ 10% din cazuri apare fără a fi moștenită.

Fiind vorba de o cauză genetică, Huntingtonul este o țintă exactă pentru posibilele terapii prin CRISPR, iar  testele pe cobai au arătat că tratamentul ar putea funcționa. În două studii diferite din Statele Unite „CRISPR takes on Huntington’s disease”, nature.com cercetătorii au reușit să editeze gena HTT pentru a dezactiva mutația sau a elimina proteina disfuncțională produsă de genă în șoareci.

Este însă, incert, dacă metoda va funcționa la fel de eficient pe oameni. O problemă majoră este faptul că funcția genei HTT în organism este practic necunoscută. În testele pe șoareci, s-a observat că eliminarea acestuia înainte de naștere duce la moartea fetusului, în timp la cobai adulți nu a avut efecte vizibile. Asta face greu de estimat posibilele efecte secundare ale editării sau eliminării genei în oameni.

HIV

În ultimii ani, au fost cercetate multe posibile aplicații ale CRISPR-Cas9 pentru a preveni infecția cu HIV sau chiar pentru a elimina virusul din pacienții infectați. Chiar în toamna anului trecut, Administrația pentru Alimente și Medicamente din Statele Unite a aprobat primul test clinic pe oameni al unei astfel de terapii, EBT-101,„FDA approves first trial investigating CRISPR gene editing as HIV cure”, clinicaltrialsarena.com propusă de Excision BioTherapeutics.

Unul din motivele principale pentru care este dificilă crearea tratamentelor anti-HIV este faptul că virusul își integrează materialul genetic în ADN-ul celulelor infectate. EBT-101 încearcă să editeze ADN-ul acestora din urmă pentru a extrage direct porțiuni semnificative din genomul virusului. Astfel, în dezactivează și minimizează posibilitatea ca acesta să se răspândească în alte celule. Enzima care conține instrucțiunile de editare CRISPR este livrată în învelișul unui adenovirus de răceală comună, pentru a simula o infecție și a se răspândi în celule.

În testele preclinice efectuate pe maimuțe de laborator, tratamentul a reușit cu succes să extragă celulele SIV – echivalentul HIV-ului pentru maimuțe – din celulele din toate organele analizate, iar tentativele ulterioare de a cultiva in-vitro virusul din celulele imune ale maimuțelor tratate nu a produs material viral.

O altă abordare a fost, însă, deja testată pe un pacient uman: în China,„CRISPR-Edited Stem Cells in a Patient with HIV and Acute Lymphocytic Leukemia”, nejm.org un pacient cu HIV și leucemie limfoblastă acută a fost tratat cu celule imune T CD4, cele mai afectate de infecția cu HIV, care au fost modificate prin CRISPR pentru a exprima o proteină, CCR5, ce are o rezistență sporită la infecția cu HIV.

Tratamentul nu a creat efecte secundare pe o perioadă de 19 luni de observație, iar într-o perioadă scurtă de întrerupere controlată a tratamentelor anti-HIV retrovirale, procentajul celulelor CD4 cu rezistență sporită a crescut ușor (în condițiile în care, în lipsa tratamentului, HIV-ul distruge majoritatea acestor celule imune). Studii ulterioare vor fi necesare pentru a evalua eficiența actuală a tratamentului.