Cómo funciona la terapia génica

¿Recuerdas a Charlie Gordon? Fue la estrella de "Flowers for Algernon", una aclamada novela (y más tarde una película ganadora de un premio de la Academia) escrita por Daniel Keyes en 1966.

Gordon era un hombre con discapacidad mental de 32 años cuya discapacidad se podía atribuir a un caso no tratado de fenilcetonuria ( PKU ), una enfermedad causada por la pérdida de un gen. Ese gen codifica una enzima que metaboliza el aminoácido fenilalanina . Si las personas con PKU comen alimentos que contienen fenilalanina, el compuesto y sus derivados se acumulan en la sangre y se vuelven tóxicos, causando daño cerebral, pérdida de pigmentación, convulsiones y muchos otros problemas.

En el mundo de la ficción, Gordon finalmente supera la enfermedad hereditaria al someterse a una cirugía experimental para aumentar su inteligencia. En realidad, las personas que nacen con la afección tienen una experiencia muy diferente, pero solo porque siguen una dieta estricta baja en proteínas para evitar alimentos que contengan fenilalanina, como carnes de todo tipo, productos lácteos, nueces, frijoles, tofu y el edulcorante artificial . aspartamo _

La solución ideal puede encontrarse en algún lugar entre cirugías cerebrales peligrosas y restricciones dietéticas estrictas. De hecho, la solución ideal puede ser reemplazar el gen faltante para que las personas con PKU puedan disfrutar de alimentos ricos en proteínas tanto como las personas que no los tienen. Gracias a los avances en la terapia génica , la adición de nuevos genes a las células de una persona para reemplazar los genes que faltan o funcionan mal, este sueño aparentemente imposible pronto puede convertirse en realidad.

La terapia génica ha recorrido un largo camino desde los oscuros días de la década de 1990, cuando el tan anunciado tratamiento provocó la muerte de varios pacientes. Los investigadores han aprendido mucho en las últimas dos décadas, quizás lo más importante de lo cual es esto: la terapia génica es fácil de describir en papel pero mucho más difícil de implementar en células humanas. Afortunadamente para nosotros, estos científicos decididos han seguido trabajando en el rompecabezas hasta que, finalmente, la terapia génica está a punto de revolucionar la medicina moderna.

En las próximas páginas, tomaremos un curso intensivo de terapia génica: cómo funciona, qué puede tratar, por qué es complicado y cuándo podría estar disponible en su clínica local. Antes de entrar en la vía rápida de la terapia génica, demos unas cuantas vueltas preparatorias para repasar los fundamentos de la función del ADN y la expresión génica.

1. Un gen, una proteína: los fundamentos de la terapia génica
2. Los virus como vectores de terapia génica
3. Terapia génica fuera del cuerpo
4. Terapia génica en el cuerpo
5. Seguridad de la terapia génica
6. Enfermedades tratadas con terapias génicas

La comprensión de este tratamiento médico requiere un conocimiento práctico de los genes . La buena noticia es que probablemente cubriste esto en tu clase de biología de la escuela secundaria, pero en caso de que lo hayas olvidado, aquí hay un resumen rápido. Un gen se refiere a una sola unidad de información hereditaria, un factor que controla alguna actividad o rasgo específico. Los genes existen en los cromosomas , que a su vez residen en los núcleos de nuestras células.

Los cromosomas, por supuesto, contienen largas cadenas de ADN construidas con subunidades repetitivas conocidas como nucleótidos . Eso significa que un solo gen es un tramo finito de ADN con una secuencia específica de nucleótidos. Esos nucleótidos actúan como modelo para una proteína específica, que se ensambla en una célula mediante un proceso de varios pasos.

Las proteínas son los caballos de batalla de las células. Ayudan a construir la infraestructura física, pero también controlan y regulan importantes vías metabólicas. Si un gen funciona mal, si, por ejemplo, su secuencia de nucleótidos se codifica, entonces su proteína correspondiente no se producirá o no se producirá correctamente. Los biólogos llaman a esto una mutación , y las mutaciones pueden provocar todo tipo de problemas, como cáncer y fenilcetonuria.

La terapia génica intenta restaurar o reemplazar un gen defectuoso, recuperando la capacidad de una célula para producir una proteína faltante. Sobre el papel, es sencillo: simplemente inserta la versión correcta de un gen en una hebra de ADN. En realidad, es un poco más complicado porque las células requieren ayuda externa en forma de virus. Probablemente piense en los virus como agentes que causan infecciones: viruela, influenza, rabia o SIDA. En la terapia génica, los científicos usan estas diminutas partículas vivas pero no vivas para darle a una célula un cambio de imagen genético. En la siguiente sección, exploraremos qué virus se utilizan y por qué.

Los virus dejaron perplejos a los biólogos durante años. Podían ver los efectos de los virus (enfermedades) pero no podían aislar el agente infeccioso. Al principio, pensaron que estaban tratando con células bacterianas extremadamente pequeñas. Luego, en medio de una oleada de interés por los virus, el científico estadounidense Wendell Stanley cristalizó las partículas responsables de la enfermedad del mosaico del tabaco y describió los virus para el mundo en 1935.

Estas extrañas entidades no tienen núcleos u otras estructuras celulares, pero sí tienen ácido nucleico, ya sea ADN o ARN. Este pequeño paquete de información genética está empaquetado dentro de una cubierta de proteína que, en algunos casos, está envuelta en una envoltura membranosa.

A diferencia de otros seres vivos, los virus no pueden reproducirse por sí solos porque no tienen la maquinaria celular necesaria. Sin embargo, pueden reproducirse si invaden una célula y toman prestado el equipo y las enzimas de la célula. El proceso básico funciona así:

Esa capacidad de llevar información genética a las células hace que los virus sean útiles en la terapia génica. ¿Qué pasaría si pudiera reemplazar un fragmento de ADN viral con el ADN de un gen humano y luego dejar que ese virus infecte una célula? ¿La célula huésped no haría copias del gen introducido y luego seguiría el modelo del gen para producir la proteína asociada? Resulta que esto es completamente posible, siempre y cuando los científicos modifiquen el virus para evitar que cause enfermedades o induzca una reacción inmunitaria en el huésped. Cuando se modifica, dicho virus puede convertirse en un vehículo, o vector , para administrar una terapia génica específica.

Hoy en día, los investigadores utilizan varios tipos de virus como vectores. Uno de los favoritos es el adenovirus , el agente responsable del resfriado común en los humanos. Los adenovirus introducen su ADN en el núcleo de la célula, pero el ADN no se integra en un cromosoma. Esto los convierte en buenos vectores, pero a menudo estimulan una respuesta inmunitaria, incluso cuando están debilitados. Como alternativa, los investigadores pueden confiar en los virus adenoasociados , que no causan enfermedades humanas conocidas. No solo eso, integran sus genes en los cromosomas del huésped, lo que hace posible que las células repliquen el gen insertado y lo transmitan a las generaciones futuras de células alteradas. retrovirus, como las que causan el SIDA y algunos tipos de hepatitis, también empalman su material genético en los cromosomas de las células que invaden. Como resultado, los investigadores han estudiado ampliamente los retrovirus como vectores para la terapia génica.

La idea de la terapia génica ha estado dando vueltas en la mente de los científicos durante décadas. De hecho, fue Edward Tatum, un genetista estadounidense, quien sugirió por primera vez que las enfermedades genéticas podrían curarse con "ingeniería genética" en 1966. Ese mismo año, otro estadounidense, Joshua Lederberg, describió los detalles de la "terapia virógena" en un artículo publicado en The American Naturalist. Luego, numerosos investigadores trabajaron diligentemente para llevar la terapia génica del concepto a la realidad. En 1972, el bioquímico Paul Berg descubrió cómo cortar una sección de ADN humano e insertarla en el genoma de un virus, que luego usó para infectar células bacterianas. Finalmente, logró que las bacterias produjeran insulina humana.. Diez años más tarde, Ronald M. Evans insertó el gen de la hormona de crecimiento de rata en un retrovirus y luego transfirió ese gen a células de ratón.

Todos estos esfuerzos sentaron las bases para una revolución de la terapia génica. El primer ensayo de terapia génica aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. tuvo lugar en 1990. El ensayo se centró en pacientes con inmunodeficiencia combinada grave (SCID), también conocida como enfermedad del " niño burbuja " en honor a David Vetter, que vivía en el ambiente estéril de una burbuja de plástico hasta que murió en 1984 a los 12 años.

Los investigadores de este ensayo utilizaron lo que se conoce como análisis extracorporalterapia de genes. Primero, extrajeron la médula de un paciente insertando una aguja especial a través de la piel hasta el hueso de la cadera. Luego, en el laboratorio, expusieron las células madre de la médula a retrovirus cuyo ARN había sido modificado para contener el gen asociado con SCID. Los retrovirus infectaron las células madre e insertaron el gen funcional en el cromosoma huésped. Luego, los científicos tomaron las células madre modificadas y las inyectaron nuevamente en el torrente sanguíneo del paciente. Las células se dirigieron directamente a la médula ósea y, como todas las células madre buenas, maduraron en diferentes tipos de células, incluidas las células T sanas con copias funcionales del gen necesario. Con esta técnica, decenas de niños con SCID se han curado por completo. Pero no es la única enfermedad, o enfoque, en la lista de reproducción de los genetistas [fuente:Nienhuis ].

La segunda forma común de administrar la terapia génica es inyectar el virus portador del gen directamente en la región que tiene células defectuosas. James Wilson, profesor de patología y medicina de laboratorio en la Universidad de Pensilvania, fue pionero en la llamada terapia génica "en el cuerpo" en la década de 1990. Usó adenovirus como vector, pero lo debilitó para limitar la respuesta inmune en el receptor. En las primeras pruebas, su virus modificado parecía no causar ningún daño, ni siquiera resfriados, en los sujetos de prueba. Eso significaba que podía entregar genes de manera confiable con pocos efectos secundarios.

En 1999, dirigió un ensayo clínico de fase I para probar la terapia basada en adenovirus para el tratamiento de un trastorno genético raro llamado deficiencia de ornitina transcarbamilasa (OTC). OTC es una enzima que ayuda al cuerpo a descomponer el exceso de nitrógeno. Sin él, los niveles de amoníaco aumentan hasta que el cerebro se envenena. Un solo gen en el cromosoma X codifica la enzima, lo que la convierte en una candidata ideal para la terapia experimental. Wilson insertó el gen OTC en partículas de adenovirus debilitadas y luego las inyectó en los hígados de 18 pacientes [fuente: Neimark ].

La idea era simple: el virus infectaría las células hepáticas, que luego procederían a replicar el gen OTC y comenzarían a fabricar la enzima. Desafortunadamente, uno de los pacientes, Jesse Gelsinger, de 18 años, murió solo tres días después de recibir su inyección del virus diseñado. Los científicos ahora creen que el cuerpo de Gelsinger generó una respuesta inmunológica masiva, lo que provocó una falla orgánica generalizada. Ese es solo uno de los riesgos de la terapia génica, como veremos en la página siguiente.

Terapia génica de línea germinal

Hasta ahora, los científicos han centrado sus experimentos de terapia génica en las células somáticas , cualquier célula del cuerpo que no sean las células reproductivas. En otras palabras, estos tratamientos no se pueden transmitir a los hijos de una persona . En teoría, es posible manipular el ADN de los óvulos y los espermatozoides, lo que permitiría que los genes modificados genéticamente se transmitieran a las generaciones futuras. Esta llamada terapia génica de línea germinal plantea una serie de preocupaciones éticas y permanece fuera del alcance de los investigadores que esperan adquirir fondos federales.

La muerte de Jesse Gelsinger sorprendió al público y también conmocionó a la comunidad científica. Los genetistas se dieron cuenta dolorosamente de que la terapia génica, si bien era fácil de diagramar en papel, estaba cargada de desafíos y trampas. Y no importaba cómo abordaran el problema: tanto los enfoques dentro como fuera del cuerpo tenían riesgos inherentes.

Para la terapia génica en el cuerpo, el mayor problema es el sistema inmunológico del paciente. El cuerpo ve las partículas de adenovirus, incluso aquellas que portan un gen humano, como objetos extraños. Cuando ingresan a las células huésped, el huésped responde organizando un contraataque para deshacerse de los invasores. Esto es lo que pasó con Jesse Gelsinger. Su sistema inmunológico no se dio cuenta de que los virus estaban tratando de ser útiles y lanzó un ataque vigoroso, apagando sus órganos en el proceso. Hoy en día, los investigadores podrían administrar dosis de terapia más bajas a Gelsinger o tratarlo previamente con medicamentos inmunosupresores. Otra opción que se está explorando implica el ADN "desnudo", que se refiere a una molécula de ácido nucleico despojada de su portador viral.

Las terapias fuera del cuerpo basadas en retrovirus tienen sus propios problemas. Recuerde, los retrovirus unen su ADN al cromosoma huésped, lo que es un poco como tomar una frase corta de una oración y conectarla a una oración más larga. Si la inserción no ocurre en el lugar correcto, el "lenguaje" resultante podría no tener ningún sentido. En algunos ensayos de terapia génica que utilizan retrovirus, los pacientes han desarrollado leucemia y otras formas de cáncer porque la inserción de un gen interrumpe la función de otros genes circundantes. Esta complicación ha afectado a varios niños en los ensayos de SCID, aunque muchos de ellos han vencido al cáncer con otras terapias.

Debido a estos problemas, la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (FDA) regula todos los productos de terapia génica en los Estados Unidos a través de su Centro de Evaluación e Investigación Biológica , o CBER . El centro también brinda asesoramiento científico y regulatorio proactivo a investigadores médicos y fabricantes interesados ​​en desarrollar productos de terapia génica humana. Los investigadores también pueden acudir a los Institutos Nacionales de Salud para obtener orientación y pautas al realizar ensayos clínicos con terapia génica.

Hasta la fecha, el centro aún no ha aprobado la venta de ningún producto de terapia génica humana, aunque varios ensayos en curso están produciendo resultados prometedores. A continuación, veremos algunos éxitos recientes en lo que muchos creen que es la segunda revolución de la terapia génica.

La ética de la terapia génica

La seguridad de la terapia génica es solo una parte del problema. Mucha gente se pregunta si modificar los genes de alguien es moralmente bueno o correcto. Se preguntan quién determinará qué genes son "buenos" y cuáles son "malos". También se preguntan acerca de los costos asociados con la terapia génica. Si los tratamientos tienen un precio alto, ¿no estarán fuera del alcance de muchos pacientes con bajos ingresos o un seguro de salud inadecuado? ¿Y qué sucede cuando alguien decide utilizar la terapia génica para corregir rasgos humanos no letales, como la altura, la inteligencia y la capacidad atlética? Estas cuestiones éticas son tan importantes como las relativas a la biología de los virus o la mecánica de la inserción y expresión de genes.

A raíz de la muerte de Jesse Gelsinger, la FDA prohibió a James Wilson realizar experimentos de terapia génica con sujetos humanos. Otros investigadores, sin embargo, no operaron bajo esas mismas restricciones.

En 2007, Jean Bennett, genetista molecular y médica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Pensilvania, y su esposo, Albert Maguire, cirujano de retina del Hospital Infantil de Filadelfia, comenzaron un ensayo clínico para estudiar un tratamiento de terapia génica para una rara forma de ceguera conocida como amaurosis congénita de leber ( LCA ). Una mutación en un gen conocido como RPE65 provoca una deficiencia en una proteína que es vital para el funcionamiento normal de la retina. Las personas que carecen de esta proteína sufren una pérdida progresiva de la visión hasta perderla por completo, generalmente a los 40 años.

Bennett y Maguire insertaron el gen RPE65 en un virus adenoasociado, la versión más amable y suave del adenovirus. Luego inyectaron el virus diseñado en dosis bajas en las retinas de tres pacientes. Los virus infectaron las células de la retina, que comenzaron a producir la proteína RPE65. Y he aquí que la visión de los tres sujetos mejoró y no se informaron efectos secundarios desagradables , incluidas respuestas inmunitarias peligrosas. El equipo decidió probar una población de prueba más grande con una dosis más fuerte del virus. Seis pacientes más con LCA recibieron la terapia génica y disfrutaron de resultados aún mejores [fuente: Kaiser ].

Eso coloca a SCID y LCA en una categoría enrarecida: enfermedades tratadas con éxito mediante terapia génica. Y, sin embargo, los genetistas y los biólogos moleculares confían en que habrá más. James Wilson, que sigue contribuyendo en este campo, ha aislado 120 tipos de virus adenoasociados, muchos de los cuales funcionan con mayor eficacia en algunos tejidos que en otros. Por ejemplo, algunos de estos vectores tienen afinidad por el tejido cardíaco, mientras que otros tienen afinidad por las células de la médula espinal y el cerebro. La investigación futura puede producir tratamientos viables para las lesiones de la columna vertebral y para enfermedades como el Parkinson [fuente: Neimark ].

Los investigadores también están logrando grandes avances con las terapias extracorporales. En julio de 2013, la revista Science publicó los resultados de dos estudios que investigaban el uso de lentivirus como vectores de terapia génica. Lentivirusson retrovirus, pero son únicos en su capacidad para transferir genes de manera eficiente y permanente tanto en células en división como en células que no se dividen. Otros retrovirus deben hacer su vudú genético en células en división. Quizás lo más importante es que los lentivirus parecen menos propensos a activar otros genes relacionados con el cáncer cuando insertan su carga útil en el ADN del huésped. Cuando los investigadores probaron la terapia basada en lentivirus en pacientes con adrenoleucodistrofia, una enfermedad neurodegenerativa ligada al cromosoma X que afecta a hombres jóvenes, y leucodistrofia metacromática, una rara enfermedad neurodegenerativa causada por mutaciones en un solo gen, pudieron detener la progresión de ambas enfermedades con sin efectos secundarios nocivos [fuente: Cossins ].

En el futuro, seguramente surgirán otras terapias génicas prometedoras, principalmente para enfermedades hereditarias, como la fibrosis quística, la distrofia muscular, la anemia de células falciformes y la hemofilia. Incluso la fenilcetonuria puede convertirse en algo del pasado, algo que probablemente haría muy feliz a Charlie Gordon.

Nota del autor: Cómo funciona la terapia génica

Es difícil no quedar impresionado por la mecánica de la terapia génica: cortar, empalmar e intercambiar ADN. Pero separando el "¿Puedes?" del "¿Deberías?" parece una tarea mucho más desalentadora. Sospecho que abordar la ética de la terapia génica depende en gran medida de si usted o un miembro de su familia sufre un trastorno genético raro.

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