Come funziona la terapia genica

Ti ricordi Charlie Gordon? È stato il protagonista di "Fiori per Algernon", un romanzo acclamato (e poi film vincitore del premio Oscar) scritto da Daniel Keyes nel 1966.

Gordon era un uomo di 32 anni mentalmente disabile la cui disabilità poteva essere ricondotta a un caso non trattato di fenilchetonuria ( PKU ), una malattia causata dalla perdita di un gene. Quel gene codifica per un enzima che metabolizza l'aminoacido fenilalanina . Se le persone con PKU mangiano cibi contenenti fenilalanina, il composto e i suoi sottoprodotti si accumulano nel sangue e diventano tossici, causando danni al cervello, perdita di pigmentazione, convulsioni e una miriade di altri problemi.

Nel mondo della narrativa, Gordon alla fine supera la malattia ereditaria sottoponendosi a un intervento chirurgico sperimentale per aumentare la sua intelligenza. In realtà, le persone nate con questa condizione vivono un'esperienza molto diversa, ma solo perché seguono una dieta rigorosa a basso contenuto proteico per evitare cibi contenenti fenilalanina, come carni di ogni tipo, latticini, noci, fagioli, tofu e il dolcificante artificiale aspartame .

La soluzione ideale potrebbe trovarsi da qualche parte tra pericolosi interventi chirurgici al cervello e rigorose restrizioni dietetiche. In effetti, la soluzione ideale potrebbe essere quella di sostituire il gene mancante in modo che le persone con PKU possano gustare cibi ad alto contenuto proteico tanto quanto le persone che ne sono sprovviste. Grazie ai progressi nella terapia genica - l'aggiunta di nuovi geni alle cellule di una persona per sostituire i geni mancanti o malfunzionanti - questo sogno apparentemente impossibile potrebbe presto diventare realtà.

La terapia genica ha fatto molta strada dai giorni bui degli anni '90, quando il tanto annunciato trattamento portò alla morte di diversi pazienti. I ricercatori hanno imparato molto negli ultimi due decenni, forse il più importante dei quali è questo: la terapia genica è facile da descrivere sulla carta ma molto più difficile da implementare nelle cellule umane. Fortunatamente per noi, questi scienziati determinati hanno continuato a lavorare all'enigma fino a quando, finalmente, la terapia genica è pronta a rivoluzionare la medicina moderna.

Nelle prossime pagine, faremo un corso accelerato di terapia genica: come funziona, cosa può trattare, perché è complicato e quando potrebbe essere disponibile presso la tua clinica locale. Prima di passare alla terapia genica accelerata, facciamo alcuni giri preparatori per rivedere i fondamenti della funzione del DNA e dell'espressione genica.

1. Un gene, una proteina: le basi della terapia genica
2. Virus come vettori di terapia genica
3. Terapia genica extracorporea
4. Terapia genica nel corpo
5. Sicurezza della terapia genica
6. Malattie trattate con terapie geniche

La comprensione di questo trattamento medico richiede una conoscenza pratica dei geni . La buona notizia è che probabilmente ne hai parlato durante la tua lezione di biologia del liceo, ma nel caso te ne fossi dimenticato, ecco un breve riassunto. Un gene si riferisce a una singola unità di informazione ereditaria, un fattore che controlla alcune attività o tratti specifici. I geni esistono sui cromosomi , che a loro volta risiedono nei nuclei delle nostre cellule.

I cromosomi, ovviamente, contengono lunghe catene di DNA costruite con subunità ripetute note come nucleotidi . Ciò significa che un singolo gene è un tratto finito di DNA con una specifica sequenza di nucleotidi. Quei nucleotidi fungono da modello per una specifica proteina, che viene assemblata in una cellula utilizzando un processo a più fasi.

Le proteine ​​sono i cavalli di battaglia delle cellule. Aiutano a costruire l'infrastruttura fisica, ma controllano e regolano anche importanti vie metaboliche. Se un gene non funziona correttamente - se, ad esempio, la sua sequenza di nucleotidi viene alterata - allora la sua proteina corrispondente non verrà prodotta o non verrà prodotta correttamente. I biologi la chiamano mutazione e le mutazioni possono portare a tutti i tipi di problemi, come il cancro e la fenilchetonuria.

La terapia genica cerca di ripristinare o sostituire un gene difettoso, ripristinando la capacità di una cellula di produrre una proteina mancante. Sulla carta, è semplice: inserisci semplicemente la versione corretta di un gene in un filamento di DNA. In realtà, è un po' più complicato perché le cellule richiedono assistenza esterna sotto forma di virus. Probabilmente pensi ai virus come agenti che causano infezioni: vaiolo, influenza, rabbia o AIDS. Nella terapia genica, gli scienziati usano queste minuscole particelle viventi ma non viventi per conferire a una cellula una trasformazione genetica. Nella prossima sezione, esploreremo quali virus vengono utilizzati e perché.

I virus hanno lasciato perplessi i biologi per anni. Potevano vedere gli effetti dei virus - malattie - ma non potevano isolare l'agente infettante. All'inizio pensavano di avere a che fare con cellule batteriche estremamente piccole. Quindi, in mezzo a una raffica di interesse per i virus, lo scienziato americano Wendell Stanley ha cristallizzato le particelle responsabili della malattia del mosaico del tabacco e ha descritto i virus per il mondo nel 1935.

Queste strane entità non hanno nuclei o altre strutture cellulari, ma hanno acido nucleico, DNA o RNA. Questo piccolo pacchetto di informazioni genetiche è confezionato all'interno di un rivestimento proteico, che, in alcuni casi, è avvolto in un involucro membranoso.

A differenza di altri esseri viventi, i virus non possono riprodursi da soli perché non hanno il macchinario cellulare necessario. Possono, tuttavia, riprodursi se invadono una cellula e prendono in prestito le apparecchiature e gli enzimi della cellula. Il processo di base funziona in questo modo:

Quella capacità di trasportare informazioni genetiche nelle cellule rende i virus utili nella terapia genica. E se potessi sostituire un frammento di DNA virale con il DNA di un gene umano e poi lasciare che quel virus infetti una cellula? La cellula ospite non farebbe copie del gene introdotto e poi seguirebbe il progetto del gene per sfornare la proteina associata? A quanto pare, questo è del tutto possibile, a condizione che gli scienziati modifichino il virus per impedirgli di causare malattie o indurre una reazione immunitaria da parte dell'ospite. Quando così modificato, un tale virus può diventare un veicolo, o vettore , per fornire una specifica terapia genica.

Oggi i ricercatori utilizzano diversi tipi di virus come vettori. Uno dei preferiti è l' adenovirus , l'agente responsabile del comune raffreddore negli esseri umani. Gli adenovirus introducono il loro DNA nel nucleo della cellula, ma il DNA non è integrato in un cromosoma. Questo li rende buoni vettori, ma spesso stimolano una risposta immunitaria, anche quando indeboliti. In alternativa, i ricercatori possono fare affidamento su virus adeno-associati , che non causano malattie umane conosciute. Non solo, integrano i loro geni nei cromosomi ospiti, consentendo alle cellule di replicare il gene inserito e trasmetterlo alle generazioni future delle cellule alterate. Retrovirus, come quelli che causano l'AIDS e alcuni tipi di epatite, uniscono anche il loro materiale genetico ai cromosomi delle cellule che invadono. Di conseguenza, i ricercatori hanno studiato ampiamente i retrovirus come vettori per la terapia genica.

L'idea della terapia genica rimbalza nel cervello degli scienziati da decenni. In effetti, fu Edward Tatum, un genetista americano, a suggerire per primo che le malattie genetiche potessero essere curate con "l'ingegneria genetica" nel 1966. Nello stesso anno, un altro americano, Joshua Lederberg, delineò effettivamente i dettagli della "terapia virogenica" in un articolo pubblicato su The American Naturalist. Numerosi ricercatori hanno poi lavorato diligentemente per spostare la terapia genica dal concetto alla realtà. Nel 1972, il biochimico Paul Berg ha scoperto come ritagliare una sezione del DNA umano e inserirla nel genoma di un virus, che poi ha usato per infettare le cellule batteriche. Alla fine, è stato in grado di ottenere dai batteri la produzione di insulina umana. Dieci anni dopo, Ronald M. Evans inserì il gene dell'ormone della crescita di ratto in un retrovirus e poi trasferì quel gene nelle cellule di topo.

Tutti questi sforzi hanno posto le basi per una rivoluzione della terapia genica. Il primo studio di terapia genica approvato dalla Food and Drug Administration statunitense si è svolto nel 1990. Lo studio si è concentrato su pazienti con grave immunodeficienza combinata (SCID), nota anche come malattia del " ragazzo bolla " dal nome di David Vetter, che visse nell'ambiente sterile di una bolla di plastica fino alla sua morte nel 1984 all'età di 12 anni.

I ricercatori in questo studio hanno utilizzato ciò che è noto come un extracorporeoterapia genetica. In primo luogo, hanno prelevato il midollo da un paziente inserendo un ago speciale attraverso la pelle e nell'osso dell'anca. Quindi, in laboratorio, hanno esposto le cellule staminali del midollo ai retrovirus il cui RNA era stato modificato per contenere il gene associato alla SCID. I retrovirus hanno infettato le cellule staminali e inserito il gene funzionale nel cromosoma ospite. Successivamente, gli scienziati hanno prelevato le cellule staminali ingegnerizzate e le hanno iniettate di nuovo nel flusso sanguigno del paziente. Le cellule hanno raggiunto il midollo osseo e, come tutte le cellule staminali buone, sono maturate in diversi tipi cellulari, comprese le cellule T sane con copie funzionanti del gene necessario. Utilizzando questa tecnica, decine di bambini con SCID sono stati completamente guariti. Ma non è l'unica malattia - o approccio - nella playlist dei genetisti [fonte:Nienhuis ].

Il secondo modo comune per somministrare la terapia genica consiste nell'iniettare il virus che trasporta il gene direttamente nella regione che ha cellule difettose. James Wilson, professore di patologia e medicina di laboratorio all'Università della Pennsylvania, ha aperto la strada a questa cosiddetta terapia genica "nel corpo" negli anni '90. Ha usato l'adenovirus come suo vettore, ma lo ha indebolito per limitare la risposta immunitaria nel ricevente. Nei primi test, il suo virus modificato sembrava non causare alcun danno - nemmeno sniffing - nei soggetti del test. Ciò significava che poteva fornire geni in modo affidabile con pochi effetti collaterali.

Nel 1999, ha condotto uno studio clinico di fase I per testare la terapia a base di adenovirus per il trattamento di una rara malattia genetica chiamata carenza di ornitina transcarbamilasi (OTC). OTC è un enzima che aiuta il corpo ad abbattere l'azoto in eccesso. Senza di essa, i livelli di ammoniaca aumentano fino a quando il cervello non viene avvelenato. Un singolo gene sul cromosoma X codifica per l'enzima, rendendolo un candidato ideale per la terapia sperimentale. Wilson ha inserito il gene OTC in particelle di adenovirus indebolite e poi le ha iniettate nel fegato di 18 pazienti [fonte: Neimark ].

L'idea era semplice: il virus avrebbe infettato le cellule del fegato, che avrebbero quindi proceduto a replicare il gene OTC e iniziato a produrre l'enzima. Sfortunatamente, uno dei pazienti, il diciottenne Jesse Gelsinger, è morto solo tre giorni dopo aver ricevuto la sua iniezione del virus ingegnerizzato. Gli scienziati ora pensano che il corpo di Gelsinger abbia sviluppato una massiccia risposta immunitaria, portando a un'insufficienza d'organo diffusa. Questo è solo uno dei rischi della terapia genica, come vedremo nella prossima pagina.

Terapia genica germinale

Finora, gli scienziati hanno concentrato i loro esperimenti di terapia genica sulle cellule somatiche, qualsiasi cellula del corpo diversa dalle cellule riproduttive. In altre parole, questi trattamenti non possono essere trasmessi ai figli di una persona . È possibile, in teoria, manipolare il DNA degli ovuli e degli spermatozoi, il che consentirebbe la trasmissione di geni geneticamente modificati alle generazioni future. Questa cosiddetta terapia genica germinale solleva una serie di preoccupazioni etiche e rimane off-limits per i ricercatori che sperano di acquisire fondi federali.

La morte di Jesse Gelsinger ha sbalordito il pubblico e ha suscitato shock anche nella comunità scientifica. I genetisti sono giunti alla dolorosa consapevolezza che la terapia genica, sebbene facile da tracciare su carta, era carica di sfide e insidie. E non importava come affrontassero il problema: sia l'approccio interno che quello esterno comportavano rischi intrinseci.

Per la terapia genica nel corpo, il problema più grande è il sistema immunitario del paziente. Il corpo vede le particelle di adenovirus, anche quelle che trasportano un gene umano, come oggetti estranei. Quando entrano nelle cellule ospiti, l'ospite risponde montando un contrattacco per sbarazzarsi degli invasori. Questo è quello che è successo con Jesse Gelsinger. Il suo sistema immunitario non si è reso conto che i virus stavano cercando di essere d'aiuto e ha lanciato un attacco vigoroso, spegnendo i suoi organi nel processo. Oggi, i ricercatori potrebbero somministrare a Gelsinger dosi di terapia più basse o pretrattarlo con farmaci immunosoppressori. Un'altra opzione in fase di esplorazione riguarda il DNA "nudo", che si riferisce a una molecola di acido nucleico spogliata del suo vettore virale.

Le terapie extracorporee basate sui retrovirus hanno i loro problemi. Ricorda, i retrovirus cuciono il loro DNA nel cromosoma ospite, che è un po' come prendere una breve frase da una frase e inserirla in una frase più lunga. Se l'inserimento non avviene nel posto giusto, la "lingua" risultante potrebbe non avere alcun senso. In alcuni studi di terapia genica che utilizzano retrovirus, i pazienti hanno sviluppato leucemia e altre forme di cancro perché l'inserimento di un gene interrompe la funzione di altri geni circostanti. Questa complicazione ha colpito diversi bambini negli studi SCID, sebbene molti di loro abbiano sconfitto il cancro con altre terapie.

A causa di questi problemi, la Food and Drug Administration (FDA) statunitense regola tutti i prodotti di terapia genica negli Stati Uniti attraverso il suo Center for Biologics Evaluation and Research , o CBER . Il centro fornisce anche consulenza scientifica e normativa proattiva a ricercatori medici e produttori interessati allo sviluppo di prodotti per la terapia genica umana. Gli investigatori possono anche rivolgersi al National Institutes of Health per indicazioni e linee guida durante lo svolgimento di studi clinici con la terapia genica.

Ad oggi, il centro non ha ancora approvato la vendita di alcun prodotto per la terapia genica umana, sebbene diversi studi in corso stiano producendo risultati promettenti. Successivamente, esamineremo alcuni recenti successi in quella che molti credono sia la seconda rivoluzione della terapia genica.

L'etica della terapia genica

La sicurezza della terapia genica è solo una parte del problema. Molte persone si chiedono se modificare i geni di qualcuno sia moralmente buono o corretto. Si chiedono chi determinerà quali geni sono "buoni" e quali "cattivi". Si interrogano anche sui costi associati alla terapia genica. Se i trattamenti hanno un prezzo elevato, non saranno al di là dei mezzi di molti pazienti con redditi bassi o assicurazioni sanitarie inadeguate? E cosa succede quando qualcuno decide di utilizzare la terapia genica per correggere tratti umani non letali, come altezza, intelligenza e capacità atletiche? Queste domande etiche sono importanti quanto quelle riguardanti la biologia dei virus o la meccanica dell'inserimento e dell'espressione genica.

Sulla scia della morte di Jesse Gelsinger, la FDA ha vietato a James Wilson di condurre esperimenti di terapia genica utilizzando soggetti umani. Altri ricercatori, tuttavia, non hanno operato con le stesse restrizioni.

Nel 2007, Jean Bennett, genetista molecolare e medico presso la University of Pennsylvania School of Medicine, e suo marito, Albert Maguire, chirurgo della retina presso il Children's Hospital di Filadelfia, hanno iniziato una sperimentazione clinica per studiare un trattamento di terapia genica per un raro forma di cecità nota come amaurosi congenita leber ( LCA ). Una mutazione in un gene noto come RPE65 porta a una carenza di una proteina vitale per la normale funzione della retina. Le persone che mancano di questa proteina subiscono una progressiva perdita della vista fino a quando non perdono completamente la vista, di solito all'età di 40 anni.

Bennett e Maguire hanno inserito il gene RPE65 in un virus adeno-associato, la versione più gentile e delicata dell'adenovirus. Hanno quindi iniettato il virus ingegnerizzato a basse dosi nelle retine di tre pazienti. I virus hanno infettato le cellule retiniche, che hanno iniziato a sfornare la proteina RPE65. Ecco, la vista di tutti e tre i soggetti è migliorata e non sono stati segnalati effetti collaterali negativi , comprese pericolose risposte immunitarie. Il team ha deciso di testare una popolazione di test più ampia con una dose più forte del virus. Altri sei pazienti con LCA hanno ricevuto la terapia genica e hanno ottenuto risultati ancora migliori [fonte: Kaiser ].

Ciò colloca SCID e LCA in una categoria rarefatta: malattie trattate con successo dalla terapia genica. Eppure genetisti e biologi molecolari sono fiduciosi che ce ne saranno altri. James Wilson, che continua a contribuire al campo, ha isolato 120 tipi di virus adeno-associati, molti dei quali si comportano in modo più efficace in alcuni tessuti rispetto ad altri. Ad esempio, alcuni di questi vettori hanno un'affinità per il tessuto cardiaco, mentre altri hanno un'affinità per le cellule del midollo spinale e del cervello. La ricerca futura potrebbe fornire trattamenti praticabili per le lesioni spinali e per malattie come il Parkinson [fonte: Neimark ].

I ricercatori stanno anche facendo grandi progressi con le terapie extracorporee. Nel luglio 2013, la rivista Science ha pubblicato i risultati di due studi che indagano sull'uso dei lentivirus come vettori di terapia genica. Lentivirussono retrovirus, ma sono unici nella loro capacità di trasferire geni in modo efficiente e permanente sia nelle cellule in divisione che in quelle non in divisione. Altri retrovirus devono fare il loro voodoo genetico sulle cellule in divisione. Forse ancora più importante, i lentivirus sembrano meno inclini ad attivare altri geni correlati al cancro quando inseriscono il loro carico utile nel DNA dell'ospite. Quando i ricercatori hanno testato la terapia a base di lentivirali su pazienti con adrenoleucodistrofia, una malattia neurodegenerativa legata all'X che colpisce i giovani maschi, e la leucodistrofia metacromatica, una rara malattia neurodegenerativa causata da mutazioni in un singolo gene, sono stati in grado di arrestare la progressione di entrambe le malattie con nessun effetto collaterale dannoso [fonte: Cossins ].

In futuro, sicuramente emergeranno altre promettenti terapie geniche, principalmente per malattie ereditarie, come la fibrosi cistica, la distrofia muscolare, l'anemia falciforme e l'emofilia. Anche la fenilchetonuria potrebbe diventare un ricordo del passato, qualcosa che probabilmente renderebbe Charlie Gordon piuttosto felice.

Nota dell'autore: come funziona la terapia genica

È difficile non rimanere colpiti dai meccanismi della terapia genica: lo snipping, lo splicing e lo scambio del DNA. Ma separando il "Puoi?" dal "Dovresti?" sembra un compito molto più arduo. Sospetto che affrontare l'etica della terapia genica dipenda molto dal fatto che tu o un membro della famiglia soffriate di una rara malattia genetica.

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