Molekuláris terápiák
Dr. Balajthy Zoltán, Dr. Aradi János, Dr. Balajthy Zoltán, Dr. Csősz Éva, Dr. Scholtz Beáta, Dr. Szatmári István, Dr. Tőzsér József, Dr. Varga Tamás (2011)
Debreceni Egyetem
Az elmúlt években különböző virális és nem-virális vektorrendszerek széles arzenálját fejlesztették ki. Amíg olyan módszerek, mint a „csupasz” plazmid DNS injektálás, gén „belövés”, vagy a liposzóma formában történő génbejuttatás alacsony transzfekciós hatásfokkal járt, addig a virális vektorok használata sokkal ígéretesebbnek tűnt.
A retro-, adeno- és a adeno-asszociált vírusok (AAV) genomja alkotta a leggyakrabban alkalmazott virális vektorokat. További, kevéssé használatos vektorok származtak a herpeszvírusból (Herpes simplex virus I, HSV-1), bakulovírusból és másokból. A vírusok kifejlesztettek és adaptáltak számos olyan tulajdonságot, amelyekkel hatékonyan azonosítják a célsejteket, amelyekbe behatolnak. Génjeik kifejezése érdekében a citoszólból a sejtmagba vándorolnak. Ezen életciklus a fertőző vírusok számára lehetővé teszi, hogy a genetikai információjukat sikeresen továbbjuttassák.
A retrovírusok egyszálú vagy kétszálú RNS genommal rendelkező változatos csoportja a vírusoknak. Burok veszi őket körül, átmérőjük kb. 100 nm. A burok tartalmaz egy glikoproteint, amelyik specifikus sejtfelszíni receptorhoz kapcsolódva meghatározza a megfertőzendő gazdaszervezetet és sejttípust. A burokfehérje elősegíti a sejtmembránnal történő fúziót vagy a sejten belüli endoszómába történő kompartmentalizációt. A retrovírusok genomjuktól függően két kategóriába oszthatók: egyszerű és komplex vírusok. Minden retrovírus legalább három alapvető gént tartalmaz, gag, pol és env. A gag a belső szerkezeti fehérjéket kódolja, a mátrixot, a kapszidot, és a nukleokapszid komplexet. A pol a replikációs enzimeket (reverz transzkriptáz és integráz), míg az env a burokfehérjéket kódolja.
Tartalmaznak egy psi csomagoló szignált és két LTR (long terminal repeats) szakaszt, szabályozó funkciókkal. A minimális információt tartalmazó egyszerű vírusok prototípusa az egér leukémia vírus (Moloney murine leukemia virus, MoMLV) (3.4. ábra). A komplex vírusok, mint a lentivírusok (pl. humán immundeficiencia vírus, HIV) további szabályzó és kiegészítő géneket is tartalmaznak. A génterápia számára kezdetben a vektorokat az egyszerű retrovírusokból fejlesztették ki, gyakran a MoMLV-ból. A vírusvektorok kifejlesztéséhez elengedhetetlen volt a vírusok életciklusának a megismerése. A gazdasejt megfertőzése után a vírus RNS a reverz transzkriptáz segítségével kettősszálú DNS-é íródik át. Ez a folyamat a citoszólban történik, majd a sejtmagban a virális DNS beintegrálódik a gazdasejt genomjába. Az a mechanizmus, amivel a retrovirusok bejutnak a gazdasejt sejtmagjába különbözik az egyszerű és komplex retrovírusok esetén. Amíg az egyszerű retrovirusok csak akkor tudnak belépni a sejtmagba, ha a nukleáris membrán a mitózis alatt disszociálódott, a lentivírusok aktív sejt transzporttal, preintegrációs komplexként jutnak be a sejtmagba a magpóruson át, anélkül, hogy tönkretennék a magmembránt. Így a lentivírusok, a MoMLV-vel ellentétben, a nemosztódó sejteket is képesek transzdukálni. Ha vírus bejutott a sejtmagba, a virális DNS integrálódik a gazdasejt genomjába egy virális enzim, az integráz segítségével. Az integrálódott DNS-t provírusnak hívjuk. A gazdasejt génexpresszióját limitálja, de felhasználja azt saját génjei expressziójára. A gazdasejt transzkripciós aktivitását cisz-ható provírus LTR régiókkal szabályozza. A komplex retrovírusoknak további transz-ható faktoraik vannak, amelyek aktiválják az RNS transzkripciót, (pl. HIV-1 tat). A virális gének transzlációja után a fehérjetermékek és a virális RNS-ek létrehozzák a vírusrészecskéket, amelyek a sejtből a plazmamembránon keresztül a „bimbózás”-nak nevezett folyamatban kiszabadul.
A legtöbb, génterápiában jelenleg is használt retrovirális vektor, MoMLV-alapú. Ez az egyik első génhordozó, amelyet humán génterápiás kísérletekben is használtak. Annak érdekében, hogy replikációra alkalmatlan vírust hozzanak létre, amelyik csak a csomagoló sejtekben osztódik és a gazdasejtben nem, először a vírus genomból eltávolították a virális géneket, majd terápiás génnel helyettesítették. A gag, pol és env gének a csomagolósejtekben transz módon expresszálódnak. Ha terápiás génnel módosított virális genomot a csomagoló sejtekbe transzfektálják, akkor az összes komponens együtt lesz a rekombináns vírus létrehozásához. Ez a vírus transzfekció-képes, de nem képes fertőző vírusrészecskéket létrehozni, mivel a genomjából hiányoznak a virális fehérjéket kódoló gének. Ez egy biztonsági megoldás, amit gyakran használnak virális vektoroknál. A replikációért felelős gének el vannak különítve a virális genom többi részétől, ami lecsökkenti a fertőzőképes vírus létrejöttének kockázatát.(3.5. ábra)
A lentivírusok a retrovírusok egyik alcsoportja és rendelkeznek a retrovírusok összes előnyével, plusz még azzal a képességgel is, hogy transzdukálni tudnak posztmitótikus sejteket és szöveteket, beleértve a neuron, retina, izom és hematopoetikus sejteket (3.6. ábra). A mostanában kifejlesztett lentivirális vektorok HIV genom alapúak. A fertőző HIV részecskék rekombinációjának elkerülése érdekében ahány endogén HIV fehérjét csak lehetett, eltávolítottak a HIV genomból anélkül, hogy a fertőző és expressziós képesség csökkent volna. A legújabban kifejlesztett vektorok további szabályzó elemeket tartalmaznak. A cPPT (central polypurine tract, központi polipurin szakaksz) elősegíti a második szál szintézisét és a pre-integrációs komplex transzportját a sejtmagba. A WPRF (woodchuck hepatitis virus posttranscriptional regulatory element) szekvencia megemeli a transzgén expresszióját a hatékonyabb transzdukciós és a transzlációs folyamatok következtében (3.7.-20. ábra). A 3’-LTR további mutációja ön-inaktiválást (self-inactivation, SIN) eredményez, ami tovább csökkenti a fertőző HIV részecskék rekombinációjának kockázatát. A biztonság további növelése érdekében további vektorokat fejlesztettek ki olyan lentivírusokból, amelyek nem patogének az emberre nézve, de képesek a nem osztódó sejteket is trandukálni. A vektor alapszerkezete pl. a majom immundeficiencia vírus (SIV), a macska immundeficiencia vírus (FIV), vagy a lovak fertőző vérszegénységét okozó vírusból (EIAV) származott. Ez idáig a legtöbb lentivírus vektor a csomagoló és a vektor plazmidok tranziens transzfektálásával készültek. Az erre használt 293T sejtek könnyen transzfektálhatóak és 1 x 109 - 1 x 1010 / ml körüli infekciós titert adnak. A vírusrészecskék ultracentrifugálással tovább koncentrálhatók. Azonban tranziens transzfektálásban nem könnyű a vírustermelést standardizálni. Előnyösebb lenne stabil termelő sejtvonalak kifejlesztése, különösen a HIV alapú vektorok klinikai felhasználásának fényében. A lentivírus csomagoló sejtvonalak létrehozásának fő akadálya a VSV-G burokfehérje és más lentivírus fehérjék, mint a Gag és a Tat toxicitása. Hasznos lenne, ha ezek a toxikus fehérjék tetraciklin-szabályzott módon expresszálhatók lennének. Ilyen irányú próbálkozások jelenleg is folynak. A lentivírus vektorok használatának kockázata az, hogy fennáll az inzerciós mutagenezis lehetősége, valamint az, hogy a retrovírusok nagy hajlamot mutatnak más fertőző retrovírusokkal való rekombinációra akár a csomagoló, akár a célsejtekben. De annak is van esélye, hogy új vírus jön létre az endogén szekvenciákkal történő rekombináció után. Így új, fertőzőképes vírusok, eddig nem ismert tulajdonságokkal, terjedhetnek el a retrovirális vektorok használatával. Ezek nem csak a célszervre, de más szervekre, sőt az ivarsejtekre is hathatnak.
Egész mostanáig az adenovírus vektorok nagyon népszerűek voltak: nagyipari szinten könnyen termelhetők, a vírus titer magas, osztódó és nem osztódó sejteket is könnyen transzdukálnak. A lineáris kettősszálú DNS 11 fehérjét kódol. A genom ikozaéderes fehérje kapszidba van csomagolva, amelyet nem burok vesz körül, hanem szálas, elálló „karocska” (fiber) fehérjék (3.8. ábra.). A vírus ezekkel a fehérjékkel képes receptorokhoz kötődni, létrehozva egy nagyaffinitású sejtfelszíni komplexet. Az adenovirális enzimek lízálják az endoszómákat, azonban a genom nem integrálódik a sejt DNS-be, hanem episzómális marad. Ennek az eredménye az, hogy az adenovirális genom „kihígul” a sorozatos sejtosztódást követően. A retrovírusokkal ellentétben az adenovírusok nem adhatók át az ivarsejteken keresztül. A magas expressziós sebességük, rövid időskálán belül, alkalmassá teszi őket tumor terápiás felhasználásra. Az adenovírusok széles gazdasejt specificitása miatt elhelyezkedésük nem korlátozódik egy kompartmenre, e helyet szétterjednek a környező szövetekben. Ez toxikus mellékhatáshoz vezet, különösen a májban. Ezen kívül a legtöbb páciens már „találkozott” adenovírussal az élete során és így antitesteket is kifejlesztett velük szemben. Ez a tény nehézzé teszi a terápiásan érdekes szövetek (pl. légzőszervi epitélium, tumorok) adenovírus infekcióval történő kezelését. Ez csökkenti az adenovírus génterápiás alkalmazhatóságát. Mi több, a hagyományos adenovírus vektorok erős immunválaszt váltanak ki a szervezetben, főképpen az adenovírus E2 fehérje által. Az ilyen gyulladásos reakciónak lehet tumorgátló hatása, de nagyfokú biztonsági kockázata is van, ami már egy páciens halálában is megmutatkozott. Az első generációs adenovírus vektorok replikációs képességének hiányát az E1A és E1B gének kiütése eredményezte. A felvevő kapacitás megnövelése érdekében néhány vektorban az E3 gént is eltávolították (3.9.-10. ábra.). Mindemellett megtartották a többi korai és késői expresszálódó géneket, amelyek kis mennyiségben íródtak át az infekció után. A második generációs adenovírusokban E2 és E4 régiók eltávolítása mellett csak a késői géneket hagyták meg. A transzdukált sejtek virális géntermékei immunreakciót váltottak ki, ami a transzgén csökkentett expresszióját eredményezte. A következőkben az immunreakció további csökkentését és a nagyobb idegen DNS felvevő kapacitás kívántak elérni. Ez vezetett oda, hogy minden leolvasási keretet eltávolítottak az adenovírus vektorokból. A harmadik generációs adenovírus vektorok a segítő-függő ("gutless") vektorok (3.9-11. ábra.). Ezek a vektorok csak olyan DNS szekvenciákat tartalmaznak, amelyek cisz-ható elemek, esszenciálisak a replikációhoz és a virális DNS becsomagolásához. Ilyenek a fordított terminális ismétlődő (inverse terminal repeat, ITR) szekvenciák, amelyek tartalmazzák a replikáció elindításához a polimeráz kötőszekvenciákat, és a DNS csomagolási szignált, a pis-t. A két ITR közötti eredeti adenovírus régiókat idegen, nem kódoló DNS-sel helyettesítették. A „gutless” vektorokból származó rekombináns vektorokban ezt a helyet részben a transzgén foglalja el. A „gutless” vektrorok csak segítő (helper) vírusok segítségével hozhatók létre. Ezek szolgáltatják a vírus replikációjához és csomagolásához szükséges fehérjéket.
A parvovírusok családjához tartozó adeno-asszociált vírus egy új, ígéretes jelölt a géntranszfer szempontjából. Ikozaéderes szerkezete egyszálú DNS-t tartalmaz, amely csak 4,7 kb hosszú. Replikációjához helper vírus szükséges, ilyen az adenovírus vagy a herpesz vírus. Annak ellenére, hogy a populáció nagy része AAV-szeropozitív, patogenitás nem volt megfigyelhető. Az adenovírusokkal ellentétben az AAV csak gyengén immunogén. Képes osztódó és nem osztódó sejteket megfertőzni és integrálódni a gazdasejt genomjába, ami előnyös a hosszú távú expresszió szempontjából. A vad-típusú AAV csak két gént tartalmaz, a rep gént a replikációhoz, és a cap gént a csomagoláshoz. A kódoló szekvenciákat ITR szegélyezi, ami a DNS kapszidba történő bezárásához kell. Az AAV vektorokban a rep és cap géneket a terápiás génnel helyettesítik. (3.12. ábra.). Rekonbináns vírusok létrehozása érdekében a csomagoló sejtekben az AAV géneket és az adenovírus helper géneket transz-ható módon expresszálják. A legnagyobb előnye az AAV-eredetű vektoroknak, hogy stabilan integrálódnak a célsejt genomjába, meghatározott lokalizációval a kromoszómában. A hely-specifikus inzerciót a REP proteinben található, általában inaktív 100 bp hosszúságú régió mediálja. Mivel az AAV vektor nem tartalmaz már rep gént, csak a vad-típusú AAV használatakor történhet meg a célzott integráció. Továbbá, az AAV széleskörűen elterjedt a humán populációban, ezért felmerülhet, hogy az AAV-specikus inzerciós hely már előzőleg is foglalt más genetikai anyaggal. Így az AAV vektor felhasználása előtt ezt el kellene távolítani. Az se világos, mi történne, ha az AAV eredetű vektor inzerciós-lokalizációja nem állna rendelkezésre - vajon szekvencia független inzerció vagy még kromoszómális helyzetváltoztatás is történne. Az AAV vektorok másik érdekes tulajdonsága a homológ rekombinációs képesség. Bár kis hatásfokkal, de lehetséges volt pontmutációkat és deléciókat korrigálni a vektorok segítségével. Ez a lehetőség terápiás szempontból ígéretes lehet.
Jelenleg a fő probléma még mindig az AAV vektorok termelése, amely nehéz és időigényes folyamat. A rep gén és néhány adenovírus helper gén citotoxikus a csomagoló sejtekre, és nem állnak rendelkezésre olyan sejtvonalak, amelyek nagy mennyiségben termelhetnék a tiszta recombináns vírusokat. Ennek ellenére az AAV vektorok hasznos géntranszfer rendszerek, mivel kiváló expressziós szintet lehet velük elérni az izom, agy és hematopoetikus prekurzor sejtekben, neuronokban, fotoreceptor sejtekben és hepatocitákban.
Gén mennyiség növelő terápiák (Gene augmentation therapy, GAT). A normál gén extra kópiájának a bevitele az adott gén fehérjetermékének a mennyiségét felemelheti arra a szintre, ami már helyreállítja a normál fenotípust, olyan betegségekben, ahol a gén funkcióvesztő mutációja okozza azt. GAT alkalmazása olyan klinikai esetekben lehetséges, ahol a betegség patogenezise revezibilis. Sokat segít, ha nem kell pontos expressziós mértéket elérni a terápiás génnel, és már az alacsony expressziós szint is klinikai választ vált ki. A GAT-t autoszomális recesszív betegségekben alkalmazták, ahol az alacsony szintű terápiás génexpresszió már alapvető változást okoz. Dominánsan öröklődő betegségek kezelésére sokkal kevésbé alkalmas ez a módszer: funkciónyerő mutációk kezelésére nem alkalmas a módszer, de funkcióvesztő mutáció esetén is, a terápiás gén magas expressziós hatékonysága szükséges: 50 % normál géntermék mellett az egyedek általában betegek. Így a nehézséget az jelenti, hogy hogyan lehet a géntermék mennyiségét a normálishoz közeli szintre emelni.
Specifikus sejtek célzott elölése. A rák génterápiás kezelésében népszerű módszer. A bejuttatott gének elpusztítják a célsejteket. Közvetlen sejtelölés akkor lehetséges, ha az inzertált gén halálos toxint termel (öngyilkos gén), vagy olyan gyógyszer-előanyagot (prodrug) tartalmaz, ami érzékennyé teszi a sejtet a génterápiát követő gyógyszeres kezelésre. Alternatív lehetőség szelektív lítikus vírus használata. Az indirekt sejtölés az immunrendszert stimuláló génekkel váltja ki, vagy felerősíti az immunválaszt a célsejttel szemben
A génexpresszió célzott gátlása. Ha a beteg sejtekben egy új géntermék jelenik meg, vagy egy gén túlzott expressziója okoz problémát, akkor többféle rendszert is használhatunk, hogy specifikusan blokkoljuk egy gén expresszióját DNS, RNS és fehérje szinten. Néhány esetben lehetséges allél-specifikus génexpressziós gátlás, ami lehetővé teszi néhány betegség terápiáját, ha domináns negatív géntermék hatásából származik. (A példa a mutáció korrekcióját mutatja homológ rekombinációval, de a javítás lehetséges az mRNS szinten is. ODN, oligodeoxinukleotid; TFO, triplex–formáló oligonukleotid.)
Célzott mutációs korrekció. Ha egy örökölt mutációnak domináns negatív hatása van, akkor a génmennyiség növelése nem valószínű, hogy segít. Ehelyett a mutációt kell kijavítani. A módszert a gyakorlati nehézségek miatt nem alkalmazták még, de elméletileg különböző szinteken is kivitelezhető: gén szinten (pl. homológ rekombináción alapuló célzott génsebészettel), vagy RNS szinten (pl. terápiás célú ribozim vagy RNS szerkesztés).
Ez a bejegyzés a https://regi.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0011_1A_Molekularis_terapiak_hu_book/ch03s02.html google tárolt verzióbol megmaradt maradványa.
