Bagaimana Terapi Gen Bekerja

Apakah Anda ingat Charlie Gordon? Dia adalah bintang dari "Flowers for Algernon" sebuah novel terkenal (dan kemudian film pemenang Academy-Award) yang ditulis oleh Daniel Keyes pada tahun 1966.

Gordon adalah seorang pria cacat mental berusia 32 tahun yang kecacatannya dapat ditelusuri ke kasus fenilketonuria ( PKU ) yang tidak diobati , penyakit yang disebabkan oleh hilangnya gen. Gen itu mengkode enzim yang memetabolisme asam amino fenilalanin . Jika orang dengan PKU makan makanan yang mengandung fenilalanin, senyawa dan produk sampingannya menumpuk dalam darah mereka dan menjadi racun, menyebabkan kerusakan otak, hilangnya pigmentasi, kejang dan sejumlah masalah lainnya.

Di dunia fiksi, Gordon akhirnya mengatasi penyakit keturunan dengan menjalani operasi eksperimental untuk meningkatkan kecerdasannya. Pada kenyataannya, orang yang lahir dengan kondisi tersebut memiliki pengalaman yang jauh berbeda, tetapi hanya karena mereka mengikuti diet rendah protein yang ketat untuk menghindari makanan yang mengandung fenilalanin, seperti semua jenis daging, produk susu, kacang-kacangan, kacang-kacangan, tahu dan pemanis buatan. aspartam .

Solusi ideal mungkin terletak di antara operasi otak yang berbahaya dan pembatasan diet yang ketat. Bahkan, solusi idealnya adalah dengan mengganti gen yang hilang sehingga penderita PKU dapat menikmati makanan berprotein tinggi sebanyak orang yang tidak memilikinya. Berkat kemajuan dalam terapi gen -- penambahan gen baru ke sel seseorang untuk menggantikan gen yang hilang atau tidak berfungsi -- mimpi yang tampaknya mustahil ini akan segera menjadi kenyataan.

Terapi gen telah berkembang jauh sejak hari-hari gelap tahun 1990-an, ketika pengobatan yang banyak digembar-gemborkan menyebabkan kematian beberapa pasien. Para peneliti telah belajar banyak dalam dua dekade terakhir, mungkin yang paling penting adalah ini: Terapi gen mudah dijelaskan di atas kertas tetapi jauh lebih sulit untuk diterapkan dalam sel manusia. Beruntung bagi kami, para ilmuwan yang gigih ini terus bekerja pada teka-teki sampai, akhirnya, terapi gen siap untuk merevolusi pengobatan modern.

Pada beberapa halaman berikutnya, kita akan mengambil kursus kilat dalam terapi gen -- cara kerjanya, apa yang dapat diobati, mengapa rumit, dan kapan mungkin tersedia di klinik setempat Anda. Sebelum kita masuk ke jalur cepat terapi gen, mari kita lakukan beberapa putaran persiapan untuk meninjau dasar-dasar fungsi DNA dan ekspresi gen.

1. Satu Gen, Satu Protein: Dasar-dasar Terapi Gen
2. Virus sebagai Vektor Terapi Gen
3. Terapi Gen Luar Tubuh
4. Terapi Gen dalam Tubuh
5. Keamanan Terapi Gen
6. Penyakit yang Diobati Dengan Terapi Gen

Memahami perawatan medis ini membutuhkan pengetahuan tentang gen . Kabar baiknya adalah Anda mungkin membahas ini di kelas biologi sekolah menengah Anda, tetapi kalau-kalau Anda lupa, inilah rekap singkatnya. Sebuah gen mengacu satu unit informasi turun-temurun - faktor yang kontrol beberapa aktivitas tertentu atau sifat. Gen ada pada kromosom , yang dengan sendirinya berada di inti sel kita.

Kromosom, tentu saja, mengandung rantai panjang DNA yang dibangun dengan subunit berulang yang dikenal sebagai nukleotida . Itu berarti satu gen adalah bentangan DNA yang terbatas dengan urutan nukleotida tertentu. Nukleotida tersebut bertindak sebagai cetak biru untuk protein tertentu, yang akan dirakit dalam sel menggunakan proses multistep.

Protein adalah pekerja keras sel. Mereka membantu membangun infrastruktur fisik, tetapi mereka juga mengontrol dan mengatur jalur metabolisme penting. Jika sebuah gen tidak berfungsi -- jika, katakanlah, urutan nukleotidanya menjadi acak-acakan -- maka protein terkaitnya tidak akan dibuat atau tidak akan dibuat dengan benar. Ahli biologi menyebutnya mutasi , dan mutasi dapat menyebabkan segala macam masalah, seperti kanker dan fenilketonuria.

Terapi gen mencoba memulihkan atau mengganti gen yang rusak, mengembalikan kemampuan sel untuk membuat protein yang hilang. Di atas kertas, itu mudah: Anda cukup memasukkan versi gen yang benar ke dalam untaian DNA. Pada kenyataannya, ini sedikit lebih rumit karena sel memerlukan bantuan dari luar dalam bentuk virus. Anda mungkin menganggap virus sebagai agen yang menyebabkan infeksi -- cacar, influenza, rabies atau AIDS. Dalam terapi gen, para ilmuwan menggunakan partikel kecil yang hidup tetapi tidak hidup ini untuk memberikan perubahan genetik pada sel. Di bagian selanjutnya, kita akan mengeksplorasi virus mana yang digunakan dan mengapa.

Virus membingungkan ahli biologi selama bertahun-tahun. Mereka dapat melihat efek virus -- penyakit -- tetapi mereka tidak dapat mengisolasi agen infeksi. Awalnya, mereka mengira sedang berhadapan dengan sel bakteri yang sangat kecil. Kemudian, di tengah kesibukan minat pada virus, ilmuwan Amerika Wendell Stanley mengkristalkan partikel yang bertanggung jawab atas penyakit mosaik tembakau dan menjelaskan virus bagi dunia pada tahun 1935.

Entitas aneh ini tidak memiliki inti atau struktur seluler lainnya, tetapi mereka memiliki asam nukleat, baik DNA atau RNA. Paket kecil informasi genetik ini dikemas di dalam lapisan protein, yang, dalam beberapa kasus, terbungkus dalam amplop membran.

Tidak seperti makhluk hidup lainnya, virus tidak dapat berkembang biak sendiri karena mereka tidak memiliki mesin seluler yang diperlukan. Namun, mereka dapat bereproduksi jika mereka menyerang sel dan meminjam peralatan dan enzim sel. Proses dasar bekerja seperti ini:

Kemampuan untuk membawa informasi genetik ke dalam sel membuat virus berguna dalam terapi gen. Bagaimana jika Anda dapat mengganti potongan DNA virus dengan DNA gen manusia dan kemudian membiarkan virus itu menginfeksi sel? Bukankah sel inang akan membuat salinan gen yang diperkenalkan dan kemudian mengikuti cetak biru gen untuk menghasilkan protein terkait? Ternyata, ini sangat mungkin -- selama para ilmuwan memodifikasi virus untuk mencegahnya menyebabkan penyakit atau memicu reaksi kekebalan oleh inangnya. Ketika dimodifikasi sedemikian rupa, virus tersebut dapat menjadi kendaraan, atau vektor , untuk memberikan terapi gen tertentu.

Saat ini, para peneliti menggunakan beberapa jenis virus sebagai vektor. Salah satu favorit adalah adenovirus , agen yang bertanggung jawab atas flu biasa pada manusia. Adenovirus memasukkan DNA mereka ke dalam inti sel, tetapi DNA tidak terintegrasi ke dalam kromosom. Hal ini membuat mereka menjadi vektor yang baik, tetapi mereka sering merangsang respon imun, bahkan ketika melemah. Sebagai alternatif, peneliti mungkin mengandalkan virus terkait adeno , yang tidak menyebabkan penyakit pada manusia. Tidak hanya itu, mereka mengintegrasikan gen mereka ke dalam kromosom inang, memungkinkan sel untuk mereplikasi gen yang dimasukkan dan meneruskannya ke generasi sel yang diubah di masa depan. Retrovirus, seperti yang menyebabkan AIDS dan beberapa jenis hepatitis, juga menyambungkan materi genetik mereka ke dalam kromosom sel yang mereka invasi. Akibatnya, para peneliti telah mempelajari retrovirus secara ekstensif sebagai vektor untuk terapi gen.

Ide terapi gen telah terpental di sekitar otak para ilmuwan selama beberapa dekade. Bahkan, Edward Tatum, seorang ahli genetika Amerika, yang pertama kali menyarankan bahwa penyakit genetik dapat disembuhkan dengan "rekayasa genetika" pada tahun 1966. Pada tahun yang sama, seorang Amerika lainnya, Joshua Lederberg, benar-benar menguraikan rincian "terapi virogenik" dalam sebuah artikel yang diterbitkan di The American Naturalist. Banyak peneliti kemudian bekerja dengan rajin untuk memindahkan terapi gen dari konsep ke kenyataan. Pada tahun 1972, ahli biokimia Paul Berg menemukan cara memotong bagian DNA manusia dan memasukkannya ke dalam genom virus, yang kemudian ia gunakan untuk menginfeksi sel bakteri. Akhirnya, dia bisa mendapatkan bakteri untuk memproduksi insulin manusia. Sepuluh tahun kemudian, Ronald M. Evans memasukkan gen untuk hormon pertumbuhan tikus ke dalam retrovirus dan kemudian mentransfer gen itu ke dalam sel tikus.

Semua upaya ini mengatur panggung untuk revolusi terapi gen. Uji coba terapi gen pertama yang disetujui oleh Badan Pengawas Obat dan Makanan AS berlangsung pada tahun 1990. Uji coba difokuskan pada pasien dengan penyakit kombinasi parah (SCID), juga dikenal sebagai " anak gelembung " setelah David Vetter, yang tinggal di lingkungan steril dari gelembung plastik sampai dia meninggal pada tahun 1984 pada usia 12 tahun.

Para peneliti dalam percobaan ini menggunakan apa yang dikenal sebagai out-of-bodyterapi gen. Pertama, mereka mengambil sumsum dari pasien dengan memasukkan jarum khusus melalui kulit dan ke dalam tulang pinggul. Kemudian, di laboratorium, mereka mengekspos sel induk dari sumsum ke retrovirus yang RNA-nya telah dimodifikasi untuk mengandung gen yang terkait dengan SCID. Retrovirus menginfeksi sel induk dan memasukkan gen fungsional ke dalam kromosom inang. Selanjutnya, para ilmuwan mengambil sel induk yang direkayasa dan menyuntikkannya kembali ke aliran darah pasien. Sel-sel langsung menuju sumsum tulang dan, seperti semua sel induk yang baik, matang menjadi berbagai jenis sel, termasuk sel T yang sehat dengan salinan gen yang berfungsi. Dengan menggunakan teknik ini, lusinan anak dengan SCID telah sembuh total. Tapi itu bukan satu-satunya penyakit -- atau pendekatan -- dalam daftar putar para ahli genetika [sumber:Nienhuis ].

Cara umum kedua untuk memberikan terapi gen adalah dengan menyuntikkan virus pembawa gen langsung ke daerah yang memiliki sel yang rusak. James Wilson, profesor patologi dan kedokteran laboratorium di University of Pennsylvania, memelopori apa yang disebut terapi gen "dalam tubuh" ini pada 1990-an. Dia menggunakan adenovirus sebagai vektornya, tetapi dia melemahkannya untuk membatasi respons imun pada penerima. Dalam tes awal, virusnya yang dimodifikasi tampaknya tidak menyebabkan kerusakan sama sekali -- bahkan pilek -- pada subjek uji. Itu berarti dapat mengirimkan gen dengan andal dengan sedikit efek samping.

Pada tahun 1999, ia memimpin uji klinis fase I untuk menguji terapi berbasis adenovirus untuk pengobatan kelainan genetik langka yang disebut defisiensi ornithine transcarbamylase (OTC). OTC adalah enzim yang membantu tubuh memecah kelebihan nitrogen. Tanpa itu, kadar amonia meningkat hingga otak menjadi keracunan. Sebuah gen tunggal pada kode kromosom X untuk enzim, menjadikannya kandidat ideal untuk terapi eksperimental. Wilson memasukkan gen OTC ke dalam partikel adenovirus yang dilemahkan dan kemudian menyuntikkannya ke dalam hati 18 pasien [sumber: Neimark ].

Idenya sederhana: Virus akan menginfeksi sel-sel hati, yang kemudian akan melanjutkan untuk mereplikasi gen OTC dan mulai membuat enzim. Sayangnya, salah satu pasien, Jesse Gelsinger yang berusia 18 tahun, meninggal hanya tiga hari setelah menerima suntikan virus rekayasa itu. Para ilmuwan sekarang berpikir bahwa tubuh Gelsinger memasang respons imun yang besar, yang menyebabkan kegagalan organ yang meluas. Itu hanya salah satu risiko terapi gen, seperti yang akan kita lihat di halaman berikutnya.

Terapi Gen Germline

Sejauh ini, para ilmuwan telah memfokuskan eksperimen terapi gen mereka pada sel somatik -- sel tubuh apa pun selain sel reproduksi. Dengan kata lain, perawatan ini tidak dapat diteruskan ke anak-anak seseorang . Secara teori, adalah mungkin untuk memanipulasi DNA sel telur dan sperma, yang memungkinkan gen yang direkayasa secara genetik diturunkan ke generasi mendatang. Apa yang disebut terapi gen germline ini menimbulkan sejumlah masalah etika dan tetap terlarang bagi para peneliti yang berharap mendapatkan dana federal.

Kematian Jesse Gelsinger mengejutkan publik, dan juga mengirimkan gelombang kejutan melalui komunitas ilmiah. Para ahli genetika sampai pada kesadaran yang menyakitkan bahwa terapi gen, meskipun mudah digambarkan di atas kertas, ternyata sarat dengan tantangan dan jebakan. Dan tidak masalah bagaimana mereka mengatasi masalah -- baik pendekatan internal maupun out-of-the-body memiliki risiko yang melekat.

Untuk terapi gen dalam tubuh, masalah terbesar adalah sistem kekebalan tubuh pasien. Tubuh memandang partikel adenovirus, bahkan yang membawa gen manusia, sebagai benda asing. Ketika mereka memasuki sel inang, inang merespons dengan memasang serangan balik untuk menyingkirkan penjajah. Inilah yang terjadi dengan Jesse Gelsinger. Sistem kekebalannya tidak menyadari bahwa virus berusaha untuk membantu, dan itu meluncurkan serangan yang kuat, mematikan organ-organnya dalam prosesnya. Saat ini, para peneliti mungkin memberi Gelsinger dosis terapi yang lebih rendah atau mengobatinya dengan obat imunosupresif. Pilihan lain yang sedang dieksplorasi melibatkan DNA "telanjang", yang mengacu pada molekul asam nukleat yang terlepas dari pembawa virusnya.

Terapi out-of-the-body yang mengandalkan retrovirus memiliki masalah sendiri. Ingat, retrovirus menjahit DNA mereka ke dalam kromosom inang, yang agak mirip dengan mengambil frasa pendek dari satu kalimat dan memasukkannya ke dalam kalimat yang lebih panjang. Jika penyisipan tidak terjadi di tempat yang tepat, "bahasa" yang dihasilkan mungkin tidak masuk akal. Dalam beberapa percobaan terapi gen menggunakan retrovirus, pasien telah mengembangkan leukemia dan bentuk kanker lainnya karena memasukkan satu gen mengganggu fungsi gen lain di sekitarnya. Komplikasi ini telah mempengaruhi beberapa anak dalam uji coba SCID, meskipun banyak dari mereka telah mengalahkan kanker dengan terapi lain.

Karena masalah ini, Badan Pengawas Obat dan Makanan AS (FDA) mengatur semua produk terapi gen di Amerika Serikat melalui Pusat Evaluasi dan Penelitian Biologi , atau CBER . Pusat ini juga memberikan saran ilmiah dan peraturan proaktif kepada peneliti medis dan produsen yang tertarik untuk mengembangkan produk terapi gen manusia. Penyelidik juga dapat menghubungi National Institutes of Health untuk mendapatkan panduan dan pedoman saat melakukan uji klinis dengan terapi gen.

Sampai saat ini, pusat tersebut belum menyetujui produk terapi gen manusia untuk dijual, meskipun beberapa percobaan yang sedang berlangsung menghasilkan hasil yang menjanjikan. Selanjutnya, kita akan melihat beberapa keberhasilan baru-baru ini dalam apa yang diyakini banyak orang sebagai revolusi kedua terapi gen.

Etika Terapi Gen

Keamanan terapi gen hanyalah sebagian dari masalah. Banyak orang mempertanyakan apakah memodifikasi gen seseorang secara moral baik atau benar. Mereka bertanya-tanya siapa yang akan menentukan gen mana yang "baik" dan mana yang "buruk". Mereka juga bertanya-tanya tentang biaya yang terkait dengan terapi gen. Jika perawatan datang dengan label harga tinggi, bukankah mereka akan melampaui kemampuan banyak pasien dengan pendapatan rendah atau asuransi kesehatan yang tidak memadai? Dan apa yang terjadi ketika seseorang memutuskan untuk menggunakan terapi gen untuk memperbaiki sifat manusia yang tidak mematikan, seperti tinggi badan, kecerdasan, dan kemampuan atletik? Pertanyaan etis ini sama pentingnya dengan pertanyaan tentang biologi virus atau mekanisme penyisipan dan ekspresi gen.

Setelah kematian Jesse Gelsinger, FDA melarang James Wilson melakukan eksperimen terapi gen menggunakan subjek manusia. Namun, peneliti lain tidak beroperasi di bawah batasan yang sama.

Pada tahun 2007, Jean Bennett, seorang ahli genetika molekuler dan dokter di Fakultas Kedokteran Universitas Pennsylvania, dan suaminya, Albert Maguire, seorang ahli bedah retina di Rumah Sakit Anak Philadelphia, memulai uji klinis untuk mempelajari pengobatan terapi gen untuk penyakit langka. bentuk kebutaan yang dikenal sebagai amaurosis kongenital leber ( LCA ). Mutasi pada gen yang dikenal sebagai RPE65 menyebabkan kekurangan protein yang penting untuk fungsi normal retina. Orang yang kekurangan protein ini menderita kehilangan penglihatan secara progresif sampai mereka kehilangan semua penglihatan, biasanya pada usia 40 tahun.

Bennett dan Maguire memasukkan gen RPE65 ke dalam virus terkait adeno, versi adenovirus yang lebih baik dan lebih lembut. Mereka kemudian menyuntikkan virus rekayasa dalam dosis rendah ke retina tiga pasien. Virus menginfeksi sel retina, yang mulai menghasilkan protein RPE65. Lihatlah, penglihatan ketiga subjek membaik, dan tidak ada efek samping yang buruk -- termasuk respons imun yang berbahaya -- yang dilaporkan. Tim memutuskan untuk menguji populasi uji yang lebih besar dengan dosis virus yang lebih kuat. Enam pasien LCA lagi menerima terapi gen dan menikmati hasil yang lebih baik [sumber: Kaiser ].

Itu menempatkan SCID dan LCA ke dalam kategori yang dijernihkan -- penyakit yang berhasil diobati dengan terapi gen. Namun ahli genetika dan ahli biologi molekuler merasa yakin akan ada lebih banyak lagi. James Wilson, yang terus berkontribusi di lapangan, telah mengisolasi 120 jenis virus terkait adeno, banyak di antaranya bekerja lebih efektif di beberapa jaringan daripada yang lain. Misalnya, beberapa dari vektor ini memiliki afinitas untuk jaringan jantung, sementara yang lain memiliki afinitas untuk sel-sel di sumsum tulang belakang dan otak. Penelitian di masa depan dapat menghasilkan perawatan yang layak untuk cedera tulang belakang dan penyakit seperti Parkinson [sumber: Neimark ].

Para peneliti juga membuat kemajuan besar dengan terapi out-of-the-body. Pada Juli 2013, jurnal Science menerbitkan hasil dari dua penelitian yang menyelidiki penggunaan lentivirus sebagai vektor terapi gen. Lentivirusadalah retrovirus, tetapi mereka unik dalam kemampuannya untuk mentransfer gen secara efisien dan permanen baik dalam sel yang membelah maupun yang tidak membelah. Retrovirus lain harus melakukan voodoo genetik mereka pada sel yang membelah. Mungkin yang lebih penting, lentivirus tampaknya kurang rentan untuk mengaktifkan gen terkait kanker lainnya ketika mereka memasukkan muatannya ke dalam DNA inang. Ketika peneliti menguji terapi berbasis lentiviral pada pasien dengan adrenoleukodystrophy, penyakit neurodegeneratif terkait-X yang mempengaruhi laki-laki muda, dan leukodystrophy metachromatic, penyakit neurodegenerative langka yang disebabkan oleh mutasi pada satu gen, mereka mampu menghentikan perkembangan kedua penyakit dengan tidak ada efek samping yang berbahaya [sumber: Cossins ].

Di masa depan, terapi gen menjanjikan lainnya pasti akan muncul, sebagian besar untuk penyakit keturunan, seperti cystic fibrosis, distrofi otot, anemia sel sabit dan hemofilia. Bahkan fenilketonuria dapat menjadi sesuatu dari masa lalu, sesuatu yang mungkin akan membuat Charlie Gordon cukup bahagia.

Catatan Penulis: Bagaimana Terapi Gen Bekerja

Sulit untuk tidak terkesan dengan mekanisme terapi gen -- pemotongan, penyambungan, dan pertukaran DNA. Tapi memisahkan "Bisakah Anda?" dari "Haruskah Anda?" tampaknya tugas yang jauh lebih menakutkan. Saya menduga bahwa menangani etika terapi gen sangat bergantung pada apakah Anda atau anggota keluarga menderita kelainan genetik langka.

Artikel Terkait