Como funciona a terapia genética

Você se lembra de Charlie Gordon? Ele foi a estrela de "Flowers for Algernon", um romance aclamado (e mais tarde filme vencedor do Oscar) escrito por Daniel Keyes em 1966.

Gordon era um homem de 32 anos com deficiência mental cuja deficiência pode ser atribuída a um caso não tratado de fenilcetonúria ( PKU ), uma doença causada pela perda de um gene. Esse gene codifica uma enzima que metaboliza o aminoácido fenilalanina . Se as pessoas com PKU ingerem alimentos contendo fenilalanina, o composto e seus subprodutos se acumulam no sangue e se tornam tóxicos, causando danos cerebrais, perda de pigmentação, convulsões e uma série de outros problemas.

No mundo da ficção, Gordon finalmente supera a doença hereditária passando por uma cirurgia experimental para aumentar sua inteligência. Na realidade, as pessoas que nascem com a condição têm uma experiência muito diferente, mas apenas porque seguem uma dieta rigorosa de baixa proteína para evitar alimentos que contenham fenilalanina, como carnes de todos os tipos, laticínios, nozes, feijão, tofu e o adoçante artificial aspartame .

A solução ideal pode estar em algum lugar entre cirurgias cerebrais perigosas e restrições alimentares rigorosas. Na verdade, a solução ideal pode ser substituir o gene ausente para que as pessoas com PKU possam desfrutar de alimentos ricos em proteínas tanto quanto as pessoas sem ele. Graças aos avanços na terapia genética - a adição de novos genes às células de uma pessoa para substituir genes ausentes ou com defeito - esse sonho aparentemente impossível pode em breve se tornar realidade.

A terapia genética percorreu um longo caminho desde os dias sombrios da década de 1990, quando o tão anunciado tratamento levou à morte de vários pacientes. Os pesquisadores aprenderam muito nas últimas duas décadas, talvez o mais importante seja o seguinte: a terapia genética é fácil de descrever no papel, mas muito mais difícil de implementar em células humanas. Felizmente para nós, esses cientistas determinados continuaram a trabalhar no quebra-cabeça até que, finalmente, a terapia genética está pronta para revolucionar a medicina moderna.

Nas próximas páginas, faremos um curso intensivo de terapia genética - como funciona, o que pode tratar, por que é complicado e quando pode estar disponível em sua clínica local. Antes de entrarmos no acelerador da terapia genética, vamos dar algumas voltas preparatórias para rever os fundamentos da função do DNA e da expressão gênica.

1. Um gene, uma proteína: o básico da terapia genética
2. Vírus como vetores de terapia genética
3. Terapia Gênica Fora do Corpo
4. Terapia genética no corpo
5. Segurança da terapia genética
6. Doenças tratadas com terapias genéticas

Compreender este tratamento médico requer um conhecimento prático dos genes . A boa notícia é que você provavelmente abordou isso em sua aula de biologia do ensino médio, mas caso tenha esquecido, aqui está uma rápida recapitulação. Um gene refere-se a uma única unidade de informação hereditária - um fator que controla alguma atividade ou característica específica. Os genes existem em cromossomos , que residem nos núcleos de nossas células.

Os cromossomos, é claro, contêm longas cadeias de DNA construídas com subunidades repetidas conhecidas como nucleotídeos . Isso significa que um único gene é um trecho finito de DNA com uma sequência específica de nucleotídeos. Esses nucleotídeos atuam como um modelo para uma proteína específica, que é montada em uma célula usando um processo de várias etapas.

As proteínas são os burros de carga das células. Eles ajudam a construir a infraestrutura física, mas também controlam e regulam importantes vias metabólicas. Se um gene funciona mal – se, digamos, sua sequência de nucleotídeos for embaralhada – então sua proteína correspondente não será produzida ou não será produzida corretamente. Os biólogos chamam isso de mutação , e as mutações podem levar a todos os tipos de problemas, como câncer e fenilcetonúria.

A terapia genética tenta restaurar ou substituir um gene defeituoso, trazendo de volta a capacidade da célula de produzir uma proteína ausente. No papel, é simples: você simplesmente insere a versão correta de um gene em uma fita de DNA. Na realidade, é um pouco mais complicado porque as células requerem alguma assistência externa na forma de vírus. Você provavelmente pensa nos vírus como agentes que causam infecções – varíola, gripe, raiva ou AIDS. Na terapia genética, os cientistas usam essas minúsculas partículas vivas, mas não vivas, para dar a uma célula uma transformação genética. Na próxima seção, exploraremos quais vírus são usados ​​e por quê.

Os vírus deixaram os biólogos perplexos durante anos. Eles podiam ver os efeitos dos vírus – doenças – mas não podiam isolar o agente infeccioso. No início, eles pensaram que estavam lidando com células de bactérias extremamente pequenas. Então, em meio a uma onda de interesse em vírus, o cientista americano Wendell Stanley cristalizou as partículas responsáveis ​​pela doença do mosaico do tabaco e descreveu os vírus para o mundo em 1935.

Essas entidades estranhas não têm núcleos ou outras estruturas celulares, mas têm ácido nucléico, seja DNA ou RNA. Este pequeno pacote de informação genética é embalado dentro de uma capa de proteína, que, em alguns casos, é envolta em um envelope membranoso.

Ao contrário de outros seres vivos, os vírus não podem se reproduzir por conta própria porque não possuem a maquinaria celular necessária. Eles podem, no entanto, se reproduzir se invadirem uma célula e tomarem emprestado o equipamento e as enzimas da célula. O processo básico funciona assim:

Essa capacidade de transportar informações genéticas para as células torna os vírus úteis na terapia genética. E se você pudesse substituir um fragmento de DNA viral pelo DNA de um gene humano e deixar esse vírus infectar uma célula? A célula hospedeira não faria cópias do gene introduzido e depois seguiria o projeto do gene para produzir a proteína associada? Acontece que isso é completamente possível – desde que os cientistas modifiquem o vírus para evitar que ele cause doenças ou induza uma reação imune pelo hospedeiro. Quando assim modificado, tal vírus pode se tornar um veículo, ou vetor , para entregar uma terapia genética específica.

Hoje, os pesquisadores usam vários tipos de vírus como vetores. Um dos favoritos é o adenovírus , o agente responsável pelo resfriado comum em humanos. Os adenovírus introduzem seu DNA no núcleo da célula, mas o DNA não está integrado em um cromossomo. Isso os torna bons vetores, mas muitas vezes estimulam uma resposta imune, mesmo quando enfraquecidos. Como alternativa, os pesquisadores podem contar com vírus adeno-associados , que não causam doenças humanas conhecidas. Além disso, eles integram seus genes nos cromossomos do hospedeiro, possibilitando que as células repliquem o gene inserido e o transmitam para as gerações futuras das células alteradas. Retrovírus, como os que causam a AIDS e alguns tipos de hepatite, também unem seu material genético nos cromossomos das células que invadem. Como resultado, os pesquisadores estudaram os retrovírus extensivamente como vetores para terapia gênica.

A ideia da terapia genética está circulando nos cérebros dos cientistas há décadas. Na verdade, foi Edward Tatum, um geneticista americano, quem primeiro sugeriu que as doenças genéticas poderiam ser curadas com "engenharia genética" em 1966. Nesse mesmo ano, outro americano, Joshua Lederberg, delineou os detalhes da "terapia virogênica" em uma artigo publicado no The American Naturalist. Numerosos pesquisadores então trabalharam diligentemente para mover a terapia genética do conceito para a realidade. Em 1972, o bioquímico Paul Berg descobriu como cortar uma seção do DNA humano e inseri-lo no genoma de um vírus, que ele usou para infectar células de bactérias. Eventualmente, ele conseguiu fazer com que bactérias produzissem insulina humana. Dez anos depois, Ronald M. Evans inseriu o gene do hormônio de crescimento de rato em um retrovírus e então transferiu esse gene para células de camundongo.

Todos esses esforços prepararam o terreno para uma revolução na terapia genética. O primeiro ensaio de terapia genética aprovado pela Food and Drug Administration dos EUA ocorreu em 1990. O ensaio se concentrou em pacientes com imunodeficiência combinada grave (SCID), também conhecida como doença do " menino da bolha " em homenagem a David Vetter, que vivia no ambiente estéril de uma bolha de plástico até morrer em 1984 aos 12 anos.

Os pesquisadores neste estudo usaram o que é conhecido comoterapia de genes. Primeiro, eles coletaram medula de um paciente inserindo uma agulha especial através da pele e no osso do quadril. Depois, em laboratório, expuseram as células-tronco da medula a retrovírus cujo RNA havia sido modificado para conter o gene associado à SCID. Os retrovírus infectaram as células-tronco e inseriram o gene funcional no cromossomo do hospedeiro. Em seguida, os cientistas pegaram as células-tronco projetadas e as injetaram de volta na corrente sanguínea do paciente. As células foram direto para a medula óssea e, como todas as células-tronco boas, amadureceram em diferentes tipos de células, incluindo células T saudáveis ​​com cópias funcionais do gene necessário. Usando esta técnica, dezenas de crianças com SCID foram completamente curadas. Mas não é a única doença - ou abordagem - na lista de reprodução dos geneticistas [fonte:Nienhuis ].

A segunda maneira comum de administrar a terapia genética é injetar o vírus portador do gene diretamente na região que possui células defeituosas. James Wilson, professor de patologia e medicina laboratorial da Universidade da Pensilvânia, foi pioneiro na chamada terapia genética "in-the-body" na década de 1990. Ele usou adenovírus como seu vetor, mas o enfraqueceu para limitar a resposta imune no receptor. Nos primeiros testes, seu vírus modificado parecia não causar nenhum dano – nem mesmo espirros – em cobaias. Isso significava que poderia entregar genes de forma confiável com poucos efeitos colaterais.

Em 1999, ele liderou um ensaio clínico de fase I para testar a terapia baseada em adenovírus para o tratamento de um distúrbio genético raro chamado deficiência de ornitina transcarbamilase (OTC). OTC é uma enzima que ajuda o corpo a quebrar o excesso de nitrogênio. Sem ele, os níveis de amônia aumentam até que o cérebro seja envenenado. Um único gene no cromossomo X codifica a enzima, tornando-a uma candidata ideal para a terapia experimental. Wilson inseriu o gene OTC em partículas de adenovírus enfraquecidas e depois as injetou nos fígados de 18 pacientes [fonte: Neimark ].

A ideia era simples: o vírus infectaria as células do fígado, que então replicariam o gene OTC e começariam a fabricar a enzima. Infelizmente, um dos pacientes, Jesse Gelsinger, de 18 anos, morreu apenas três dias depois de receber a injeção do vírus projetado. Os cientistas agora pensam que o corpo de Gelsinger montou uma resposta imune massiva, levando à falência generalizada de órgãos. Esse é apenas um dos riscos da terapia genética, como veremos na próxima página.

Terapia Gênica Germinativa

Até agora, os cientistas concentraram seus experimentos de terapia genética em células somáticas – qualquer célula do corpo que não seja as células reprodutivas. Em outras palavras, esses tratamentos não podem ser transmitidos aos filhos de uma pessoa . É possível, em teoria, manipular o DNA de óvulos e espermatozóides, o que permitiria que genes geneticamente modificados fossem passados ​​para as gerações futuras. Essa chamada terapia genética de linhagem germinativa levanta uma série de preocupações éticas e permanece fora dos limites para pesquisadores que desejam adquirir fundos federais.

A morte de Jesse Gelsinger surpreendeu o público e também causou ondas de choque na comunidade científica. Os geneticistas chegaram à dolorosa percepção de que a terapia genética, embora fácil de diagramar no papel, vem carregada de desafios e armadilhas. E não importava como eles abordassem o problema – tanto as abordagens dentro quanto fora do corpo traziam riscos inerentes.

Para a terapia genética no corpo, o maior problema é o sistema imunológico do paciente. O corpo vê as partículas de adenovírus, mesmo aquelas que carregam um gene humano, como objetos estranhos. Quando eles entram nas células hospedeiras, o hospedeiro responde montando um contra-ataque para se livrar dos invasores. Foi o que aconteceu com Jesse Gelsinger. Seu sistema imunológico não percebeu que os vírus estavam tentando ser úteis e lançou um ataque vigoroso, desligando seus órgãos no processo. Hoje, os pesquisadores podem dar a Gelsinger doses mais baixas de terapia ou pré-tratá-lo com drogas imunossupressoras. Outra opção a ser explorada envolve o DNA "nu", que se refere a uma molécula de ácido nucleico despojada de seu transportador viral.

Terapias fora do corpo baseadas em retrovírus têm seus próprios problemas. Lembre-se, os retrovírus costuram seu DNA no cromossomo hospedeiro, o que é um pouco como pegar uma frase curta de uma frase e conectá-la a uma frase mais longa. Se a inserção não ocorrer no lugar certo, a "linguagem" resultante pode não fazer sentido. Em alguns ensaios de terapia genética usando retrovírus, os pacientes desenvolveram leucemia e outras formas de câncer porque a inserção de um gene interrompe a função de outros genes circundantes. Esta complicação afetou várias crianças nos ensaios SCID, embora muitas delas tenham vencido o câncer com outras terapias.

Because of these issues, the U.S. Food and Drug Administration (FDA) regulates all gene therapy products in the United States through its Center for Biologics Evaluation and Research, or CBER. The center also provides proactive scientific and regulatory advice to medical researchers and manufacturers interested in developing human gene therapy products. Investigators can also turn to the National Institutes of Health for guidance and guidelines when conducting clinical trials with gene therapy.

To date, the center hasn't yet approved any human gene therapy product for sale, although several ongoing trials are producing promising results. Up next, we'll look at a few recent successes in what many believe is the second revolution of gene therapy.

The Ethics of Gene Therapy

A segurança da terapia genética é apenas parte da questão. Muitas pessoas questionam se modificar os genes de alguém é moralmente bom ou correto. Eles se perguntam quem determinará quais genes são "bons" e quais são "ruins". Eles também se perguntam sobre os custos associados à terapia genética. Se os tratamentos têm um preço alto, eles não estarão além das possibilidades de muitos pacientes com baixa renda ou seguro de saúde inadequado? E o que acontece quando alguém decide usar a terapia genética para corrigir características humanas não letais, como altura, inteligência e habilidade atlética? Essas questões éticas são tão importantes quanto qualquer outra sobre a biologia dos vírus ou a mecânica da inserção e expressão de genes.

Após a morte de Jesse Gelsinger, a FDA proibiu James Wilson de conduzir experimentos de terapia genética usando seres humanos. Outros pesquisadores, no entanto, não operaram sob essas mesmas restrições.

Em 2007, Jean Bennett, geneticista molecular e médica da Faculdade de Medicina da Universidade da Pensilvânia, e seu marido, Albert Maguire, cirurgião de retina do Hospital Infantil da Filadélfia, iniciaram um ensaio clínico para estudar um tratamento de terapia genética para uma doença rara. forma de cegueira conhecida como amaurose congênita de leber ( LCA ). Uma mutação em um gene conhecido como RPE65 leva a uma deficiência em uma proteína que é vital para o funcionamento normal da retina. As pessoas que não têm essa proteína sofrem perda progressiva da visão até perderem toda a visão, geralmente aos 40 anos.

Bennett e Maguire inseriram o gene RPE65 em um vírus adeno-associado, a versão mais gentil do adenovírus. Eles então injetaram o vírus projetado em baixas doses nas retinas de três pacientes. Os vírus infectaram as células da retina, que começaram a produzir a proteína RPE65. E eis que a visão de todos os três indivíduos melhorou e nenhum efeito colateral desagradável - incluindo respostas imunes perigosas - foi relatado. A equipe decidiu testar uma população de teste maior com uma dose mais forte do vírus. Mais seis pacientes de LCA receberam a terapia genética e tiveram resultados ainda melhores [fonte: Kaiser ].

Isso coloca SCID e LCA em uma categoria rarefeita - doenças tratadas com sucesso por terapia genética. E, no entanto, geneticistas e biólogos moleculares estão confiantes de que haverá mais. James Wilson, que continua a contribuir para o campo, isolou 120 tipos de vírus adeno-associados, muitos dos quais atuam de forma mais eficaz em alguns tecidos do que em outros. Por exemplo, alguns desses vetores têm afinidade pelo tecido cardíaco, enquanto outros têm afinidade pelas células da medula espinhal e do cérebro. Pesquisas futuras podem produzir tratamentos viáveis ​​para lesões na coluna e para doenças como Parkinson [fonte: Neimark ].

Os pesquisadores também estão fazendo grandes progressos com terapias fora do corpo. Em julho de 2013, a revista Science publicou os resultados de dois estudos investigando o uso de lentivírus como vetores de terapia gênica. Lentivírussão retrovírus, mas são únicos em sua capacidade de transferir genes de forma eficiente e permanente tanto em células em divisão quanto em células que não se dividem. Outros retrovírus devem fazer seu vodu genético nas células em divisão. Talvez mais importante, os lentivírus parecem menos propensos a ativar outros genes relacionados ao câncer quando inserem sua carga útil no DNA do hospedeiro. Quando os pesquisadores testaram a terapia baseada em lentivírus em pacientes com adrenoleucodistrofia, uma doença neurodegenerativa ligada ao cromossomo X que afeta jovens do sexo masculino, e leucodistrofia metacromática, uma doença neurodegenerativa rara causada por mutações em um único gene, eles conseguiram interromper a progressão de ambas as doenças com sem efeitos colaterais prejudiciais [fonte: Cossins ].

No futuro, outras terapias gênicas promissoras certamente surgirão, principalmente para doenças hereditárias, como fibrose cística, distrofia muscular, anemia falciforme e hemofilia. Até a fenilcetonúria pode se tornar coisa do passado, algo que provavelmente deixaria Charlie Gordon muito feliz.

Nota do autor: como funciona a terapia genética

É difícil não ficar impressionado com a mecânica da terapia genética - o corte, emenda e troca de DNA. Mas separando o "Você pode?" do "Você deveria?" parece uma tarefa muito mais assustadora. Suspeito que abordar a ética da terapia genética depende muito de você ou um membro da família sofrer de um distúrbio genético raro.

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