Έκπληξη! Τα σώματά μας κρύβουν ένα δούρειο ίππο για γονιδιακή θεραπεία

 singularityhub

Η φύση κρύβει εκπληκτικές ιατρικές ανακαλύψεις.

Πάρτε το CRISPR, το μεταλλακτικό εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας. Εμπνευσμένο από ένα ταπεινό βακτηριακό σύστημα άμυνας του ανοσοποιητικού συστήματος, χρησιμοποιήθηκε για την επεξεργασία των γονιδίων μας με σκοπό τη θεραπεία κληρονομικών ασθενειών, την ενίσχυση των θεραπειών για τον καρκίνο ή ακόμη και την παράταση της διάρκειας ζωής. 

Τώρα, ο Δρ Feng Zhang, ένας από τους πρωτοπόρους του CRISPR, επέστρεψε με ένα άλλο δημιούργημα που θα μπορούσε να απελευθερώσει την επόμενη γενιά γονιδιακής θεραπείας και εμβολίων RNA. Μόνο που αυτή τη φορά, η ομάδα του κοίταξε βαθιά μέσα στο ίδιο μας το σώμα.

Όσο ισχυρά και αν είναι, τα θεραπευτικά προϊόντα DNA και RNA πρέπει να μεταφερθούν στα κύτταρά μας για να δράσουν. Οι επιστήμονες συνήθως χρησιμοποιούν ιικούς φορείς - οχήματα μεταφοράς που κατασκευάζονται από ασφαλείς ιούς - ή λιπιδικά νανοσωματίδια, μικρές σταγόνες προστατευτικού λίπους, για να εγκλωβίσουν το νέο γενετικό υλικό και να τολμήσουν τα κύτταρα.

Ποιο είναι το πρόβλημα; Ο οργανισμός μας δεν είναι μεγάλος λάτρης των ξένων ουσιών - ιδίως αυτών που προκαλούν ανεπιθύμητη ανοσολογική αντίδραση. Επιπλέον, αυτά τα συστήματα χορήγησης δεν είναι πολύ καλά με τους βιολογικούς ταχυδρομικούς κώδικες, συχνά κατακλύζουν ολόκληρο το σώμα αντί να εστιάζουν στην περιοχή θεραπείας. Αυτά τα "προβλήματα παράδοσης" είναι το ήμισυ της μάχης για αποτελεσματική γενετική ιατρική με λίγες παρενέργειες.

«Η βιοϊατρική κοινότητα έχει αναπτύξει ισχυρά μοριακά θεραπευτικά φάρμακα, αλλά η ακριβής και αποτελεσματική μεταφορά τους στα κύτταρα αποτελεί πρόκληση», δήλωσε ο Zhang στο Ινστιτούτο Broad, το Ινστιτούτο McGovern και το MIT.

Εισαγωγή στο SEND. 

Η νέα πλατφόρμα παράδοσης, που περιγράφεται στο Science, θαμπώνει με την ευφυΐα της. Αντί να βασίζεται σε ξένους φορείς, η SEND (επιλεκτική ενδογενής ενθυλάκωση για κυτταρική παράδοση) επιτάσσει ανθρώπινες πρωτεΐνες για να κατασκευάσει οχήματα παράδοσης που μεταφέρουν νέα γενετικά στοιχεία.

Σε μια σειρά δοκιμών, η ομάδα ενσωμάτωσε φορτίο RNA και στοιχεία CRISPR μέσα σε καλλιεργημένα κύτταρα σε ένα τρυβλίο. Τα κύτταρα, λειτουργώντας ως εργοστάσια συσκευασίας, χρησιμοποίησαν ανθρώπινες πρωτεΐνες για να ενθυλακώσουν το γενετικό υλικό, σχηματίζοντας μικροσκοπικά αγγεία που μοιάζουν με μπαλόνια και μπορούν να συλλεχθούν ως θεραπεία.

Ακόμη πιο περίεργο είναι ότι η πηγή αυτών των πρωτεϊνών βασίζεται σε ιικά γονίδια που εξημερώθηκαν πριν από αιώνες από το δικό μας γονιδίωμα μέσω της εξέλιξης. 

Επειδή οι πρωτεΐνες είναι ουσιαστικά ανθρώπινες, είναι απίθανο να ενεργοποιήσουν το ανοσοποιητικό μας σύστημα.

Αν και οι συγγραφείς δοκίμασαν μόνο ένα σύστημα σύνθεσης, στο γονιδίωμά μας κρύβονται πολύ περισσότερα. «Αυτό είναι το συναρπαστικό», δήλωσε ο συγγραφέας της μελέτης Dr. Michael Segel, προσθέτοντας ότι το σύστημα που χρησιμοποίησαν δεν είναι μοναδικό, «Πιθανώς υπάρχουν και άλλα συστήματα μεταφοράς RNA στο ανθρώπινο σώμα που μπορούν επίσης να αξιοποιηθούν για θεραπευτικούς σκοπούς.»

Η εφοδιαστική υποδομή του σώματος

Τα κύτταρά μας είναι τεράστιοι πολυλογάδες. Και έχουν πολλαπλές τηλεφωνικές γραμμές.

Η ηλεκτρική ενέργεια είναι πολύ δημοφιλής. Είναι εν μέρει αυτό που κρατά τους νευρώνες συνδεδεμένους σε δίκτυα και τα καρδιακά κύτταρα σε συγχρονισμό.

Οι ορμόνες είναι μια άλλη, που συνδέουν κύτταρα από το μισό σώμα μέσω χημικών ουσιών στην κυκλοφορία του αίματος.

Αλλά το πιο παράξενο προέρχεται από μια πανάρχαια ανακωχή μεταξύ ανθρώπου και ιού. Εξετάζοντας σήμερα το ανθρώπινο γονιδίωμα, είναι σαφές ότι έχουμε ιικό DNA και άλλα γενετικά στοιχεία ενσωματωμένα μέσα στις δικές μας διπλές έλικες. Οι περισσότερες από αυτές τις ιικές προσθήκες έχουν χάσει τις αρχικές τους λειτουργίες. Ορισμένες, ωστόσο, έχουν επιστρατευτεί για να χτίσουν το σώμα και το μυαλό μας.

Πάρτε την Arc, μια πρωτεΐνη που παράγεται από ένα γονίδιο γνωστό ως gag - ένα βασικό ιικό γονίδιο που είναι κοινό στα γονιδιώματά μας. 

H Arc είναι ένας μεγαλομάστορας της μνήμης: καθώς μαθαίνουμε, η πρωτεΐνη σχηματίζει μικροσκοπικές κάψουλες που μεταφέρουν βιολογικό υλικό, το οποίο με τη σειρά του συμβάλλει στην εδραίωση νέων αναμνήσεων στο ρεπερτόριο του νευρωνικού μας δικτύου.

Μια άλλη πρωτεΐνη παρόμοια με το gag, που ονομάστηκε PEG10, μπορεί να προσκολληθεί στο RNA και επίσης να σχηματίσει φυσαλιδωτές κατασκευές για να βοηθήσει στην ανάπτυξη του πλακούντα και να βοηθήσει στην αναπαραγωγή.

Αν το PEG10 αποτελεί τη χαρτονένια συσκευασία για το γενετικό υλικό, τότε το γραμματόσημο προέρχεται από μια άλλη οικογένεια γονιδίων ιών, τα fusogens. Το γονίδιο δημιουργεί ένα είδος ταχυδρομικού κώδικα, που επιτρέπει σε κάθε κατασκευή που μεταφέρει το φορτίο, να προσκολλάται σε στοχευμένα κύτταρα.

Αν και αρχικά ήταν ιογενή, τα γονίδια αυτά μετανάστευσαν στα γονιδιώματά μας και προσαρμόστηκαν σε ένα εκπληκτικά συγκεκριμένο σύστημα μεταφοράς που επιτρέπει στα κύτταρα να μοιράζονται πληροφορίες.

Πρόκειται ουσιαστικά για μια μπάλα παγωτού (ή μότσι ή ζυμαρικά), στην οποία μπορείτε να βάλετε οποιοδήποτε είδος γέμισης. 

Εφόσον τα κύτταρά μας επικοινωνούν ήδη χρησιμοποιώντας αυτά τα βιολογικά μπαλόνια, γεμισμένα με γενετικά δεδομένα, γιατί να μην καταλάβουμε τη διαδικασία για να προσθέσουμε τα δικά μας γενετικά συστατικά;

SEND

Το νέο σύστημα παράδοσης βασίζεται σε τρία στοιχεία: το γονίδιο συσκευασίας, έναν κώδικα εισόδου και το φορτίο.

Όπως και με την εξιχνίαση σε ένα δωμάτιο διαφυγής, κάθε ένα είναι απαραίτητο για ένα γενετικό μήνυμα για να βγείτε από ένα κελί. 

Το πρώτο βήμα είναι η εύρεση ενός γονιδίου συσκευασίας μέσα στο ανθρώπινο σώμα που μπορεί να σχηματίσει μια φούσκα γύρω από το φορτίο του. Με μια υπολογιστική έρευνα, η ομάδα σάρωσε τα γονιδιώματα τόσο του ανθρώπου όσο και των ποντικών για γονίδια που μοιάζουν με gag - παρόμοια με αυτά που σχηματίζουν προστατευτικές κάψουλες που βοηθούν στην οικοδόμηση των αναμνήσεών μας. Αρχικά εμφανίστηκαν 48 υποψήφιοι φορείς φορτίου. Τελικά, η ομάδα περιόρισε την αναζήτησή της σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται MmPEG10.

Είναι ιογενούς προέλευσης, είπαν οι συγγραφείς, αν και είναι αβλαβής στο σώμα μας. Η ιδιαίτερη δύναμη του PEG10 είναι η ζεστή αγκαλιά του. Μπορεί να δεσμεύσει το RNA μέσα σε ένα κύτταρο, να σχηματίσει μια φυσαλίδα γύρω του και να εκκρίνει τη φυσαλίδα σαν μικροσκοπικά διαστημόπλοια από ένα κυτταρικό μητρικό σκάφος. 

Παραδόξως, αυτά τα οχήματα μεταφοράς είναι αρκετά συγκεκριμένα στην επιλογή του φορτίου τους. Με τη βοήθεια μιας δοκιμασίας CRISPR, η ομάδα συνειδητοποίησε ότι οι φυσαλίδες δεσμεύονται και μεταφέρουν ως φορτίο μόνο μια συγκεκριμένη ομάδα RNA.

Το επόμενο βήμα ήταν να χακάρουμε και να επαναπρογραμματίσουμε την προτίμηση φορτίου του PEG10. Με γενετική ανάλυση, η ομάδα βρήκε ένα τμήμα της PEG10 που επιτρέπει στην κάψουλα να αναγνωρίζει και να συσκευάζει το φορτίο της.

Όσον αφορά το φορτίο, η ομάδα πειραματίστηκε με την προσθήκη δύο γενετικών "εισιτηρίων" ή αλληλουχιών που τους επέτρεπαν να εισέλθουν σε ένα όχημα PEG10. Αυτό είναι περίπου παρόμοιο με το να αναγνωρίζει ένας επιβάτης τον οδηγό του Lyft ταιριάζοντας το χρώμα στο ταμπλό του αυτοκινήτου με την εφαρμογή στο κινητό του.

Μόλις τα δύο συναντηθούν, ο "οδηγός" PEG10 σχηματίζει πρωτεΐνες που στροβιλίζονται γύρω από τον γενετικό επιβάτη, σχηματίζοντας μια σταγόνα που αποτελεί το μοριακό όχημα, με στόχο να διαφύγει από το κύτταρο.

Αλλά τι γίνεται με τις κατευθύνσεις; Εδώ είναι που μπαίνει ο κωδικός εισόδου, ή fusogens, στο παιχνίδι. Όπως οι κωδικοί επιστροφής του Amazon, τα fusogens είναι πρωτεΐνες που βρίσκονται στο εξωτερικό ενός ταξί PEG10, κατευθύνοντάς τα να πάνε στο εσωτερικό διαφορετικών τύπων κυττάρων και ιστών. Τοποθετώντας διαφορετικά fusogens, η ομάδα μπορεί να κατευθύνει πού πηγαίνει το γενετικό φορτίο, σαν να έχει ετικέτα με ταχυδρομικό κώδικα.

Βάζοντας τα όλα μαζί

Ένα SEND είναι μια τριπλέτα συστατικών, καθένα από τα οποία κωδικοποιείται με τη χρήση ενός φορέα - ενός μικρού, στρογγυλού κομματιού DNA που μπορεί να διοχετεύεται στα κύτταρα.

Μόλις εισέλθει στο κύτταρο, η μαγεία συμβαίνει. Κάθε φορέας αξιοποιεί το εργοστάσιο παραγωγής πρωτεϊνών του κυττάρου. Το PEG10 οδηγεί το εργοστάσιο να φτιάξει τη συσκευασία. Το fusogen επισφραγίζει τη συσκευασία με δελτία παράδοσης. Και το RNA φορτίο, με τροποποιήσεις για την καλύτερη σύνδεση με το SEND, συσκευάζεται όμορφα μέσα στο προκύπτον όχημα, το οποίο απομακρύνεται προς τον προορισμό του.

«Αναμειγνύοντας και συνδυάζοντας διάφορα συστατικά στο σύστημα SEND, πιστεύουμε ότι θα παρέχει μια αρθρωτή πλατφόρμα για την ανάπτυξη θεραπειών για διάφορες ασθένειες», είπε ο Zhang.

Ως απόδειξη της λειτουργίας της, η ομάδα χρησιμοποίησε το SEND για να παραδώσει ένα σύστημα CRISPR που αφαιρεί ένα καρκινογόνο γονίδιο σε κύτταρα σε ένα τρυβλίο που προέρχονται αρχικά από καρκίνο του εγκεφάλου. Το σύστημα έκοψε αποτελεσματικά περίπου το 60 τοις εκατό του γονιδίου στα κύτταρα του παραλήπτη. Αλλά το έκανε αυτό μόνο όταν το SEND μετέφερε τα συστατικά CRISPR στο κύτταρο, δείχνοντας ότι το SEND παραδίδει μόνο γενετικό υλικό που έχει προσαρμοστεί για τη μεταφορά του.

Συνεχίζοντας, η ομάδα δοκιμάζει το SEND σε ζωικά μοντέλα και σχεδιάζει μια εργαλειοθήκη για τη στόχευση διαφορετικών ιστών και κυττάρων. 

Θα συνεχίσουν επίσης να ερευνούν το ανθρώπινο γονιδίωμα για αρχαία γενετικά συστατικά που θα μπορούσαν να προστεθούν στην πλατφόρμα SEND.

«Είμαστε ενθουσιασμένοι που θα συνεχίσουμε να προωθούμε αυτή την προσέγγιση», δήλωσε ο Zhang, «Είναι μια πραγματικά ισχυρή προσέγγιση».