Θα μπορούσε μια νέα ιατρική προσέγγιση να διορθώσει ελαττωματικά γονίδια πριν από τη γέννηση;
Μια νέα μελέτη δείχνει ότι ένα βιοϊατρικό εργαλείο μπορεί να παραδώσει με επιτυχία γενετικό υλικό για την επεξεργασία ελαττωματικών γονιδίων σε αναπτυσσόμενα εμβρυϊκά εγκεφαλικά κύτταρα. Η τεχνολογία, που δοκιμάστηκε σε ποντίκια, μπορεί να έχει τη δυνατότητα να σταματήσει την εξέλιξη νευροαναπτυξιακών παθήσεων γενετικής βάσης, όπως το σύνδρομο Angelman και το σύνδρομο Rett, πριν από τη γέννηση.
«Οι επιπτώσεις αυτού του εργαλείου για τη θεραπεία των νευροαναπτυξιακών παθήσεων είναι βαθιές. Μπορούμε ενδεχομένως να διορθώσουμε γενετικές ανωμαλίες σε θεμελιώδες επίπεδο κατά τη διάρκεια κρίσιμων περιόδων της ανάπτυξης του εγκεφάλου», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Aijun Wang, καθηγητής χειρουργικής και βιοϊατρικής μηχανικής του UC Davis.
Η ομάδα ελπίζει να αναπτύξει αυτή την τεχνολογία σε θεραπείες για γενετικές παθήσεις που μπορούν να διαγνωστούν κατά τον προγεννητικό έλεγχο. Οι θεραπείες μπορούν να χορηγούνται στη μήτρα για να αποφεύγονται περισσότερες βλάβες καθώς τα κύτταρα αναπτύσσονται και ωριμάζουν.
Ένα πολύπλοκο σύστημα μεταφοράς με μια επαναστατική μέθοδο παράδοσης
Οι πρωτεΐνες έχουν καθοριστικό ρόλο στον τρόπο λειτουργίας του σώματός μας. Σε ορισμένες γενετικές καταστάσεις, τα γονίδια εκφράζουν (παράγουν) περισσότερες ή λιγότερες πρωτεΐνες από όσες χρειάζεται το σώμα. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο οργανισμός μπορεί να πάθει δυσλειτουργία.
Οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο για να παραδώσουν αγγελιοφόρο RNA (mRNA) στα κύτταρα που θα μεταφραστεί σε λειτουργικές πρωτεΐνες. Αυτή η μέθοδος παράδοσης χρησιμοποιεί ένα μοναδικό σκεύασμα λιπιδικών νανοσωματιδίων (LNP) για τη μεταφορά του mRNA. Ο στόχος είναι η εισαγωγή (διαμόλυνση) του γενετικού υλικού mRNA στα κύτταρα. Το mRNA στη συνέχεια θα μεταφράσει οδηγίες για τη δημιουργία πρωτεϊνών.
Σε μια πρόσφατη δημοσίευση στο Nature Nanotechnology, οι Wang, Murthy και η ομάδα τους περιέγραψαν μια νέα σύνθεση LNP για την ασφαλή και αποτελεσματική μεταφορά mRNA. Τα LNPs που μεταφέρουν mRNA πρέπει να φτάσουν στα κύτταρα, όπου θα ληφθούν μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως ενδοκυττάρωση. Εκεί, το κύτταρο σπάει τον φορέα LNP, γεγονός που επιτρέπει την απελευθέρωση του φορτίου mRNA.
«Τα LNPs που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιούν έναν νέο διασυνδετικό παράγοντα που αποικοδομείται από οξέα, ο οποίος επιτρέπει στα LNPs να αποικοδομούνται ταχέως στο εσωτερικό των κυττάρων. Ο νέος σύνδεσμος επιτρέπει επίσης την κατασκευή των LNPs ώστε να έχουν χαμηλότερη τοξικότητα», δήλωσε ο Niren Murthy, καθηγητής βιομηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ και συν-ερευνητής στο έργο αυτό.
Η αποτελεσματικότητα συνδέεται στενά με την τοξικότητα. Εάν η αποτελεσματικότητα πρόσληψης είναι χαμηλή, οι επιστήμονες θα πρέπει να χρησιμοποιήσουν πολλά νανοσωματίδια. Αυτό σημαίνει πολλαπλές δόσεις ή υψηλές δόσεις που μπορεί να προκαλέσουν τοξική ανοσολογική αντίδραση. «Το μεγαλύτερο εμπόδιο για την παράδοση mRNA στο κεντρικό νευρικό σύστημα μέχρι στιγμής ήταν η τοξικότητα που οδηγεί σε φλεγμονή», δήλωσε ο Wang. Η μελέτη έδειξε ότι η μέθοδος LNP είναι πιο αποτελεσματική στη μετάφραση του mRNA, μειώνοντας την ανάγκη για δυνητικά τοξικές δόσεις.
Αποστολή του εγχειριδίου για την κατασκευή του ενζύμου CAS9 για την επεξεργασία γονιδίων
Η νέα μελέτη περιγράφει τη χρήση της τεχνολογίας LNP για την παράδοση mRNA Cas9 για τη θεραπεία γενετικών ασθενειών του κεντρικού νευρικού συστήματος στη μήτρα. Οι ερευνητές δοκίμασαν το εργαλείο τους στο γονίδιο που ευθύνεται για το σύνδρομο Angelman, μια σπάνια νευροαναπτυξιακή πάθηση.
Στη γενετική πάθηση, η βλάβη συσσωρεύεται κατά τη διάρκεια της κύησης και αμέσως μετά τη γέννηση. Η έρευνα δείχνει ότι είναι πιο αποτελεσματικό να παρέχονται θεραπείες στα εγκεφαλικά κύτταρα πριν σχηματιστεί πλήρως ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός στα μωρά. Έτσι, όσο νωρίτερα γίνει η διόρθωση, τόσο το καλύτερο. Η ιδέα ήταν να σταματήσει η εξέλιξη της νόσου εντός της μήτρας.
Οι ερευνητές έκαναν ένεση του LNP με το mRNA στις κοιλίες του εμβρυϊκού εγκεφάλου σε ένα μοντέλο ποντικού. Το mRNA μεταφράζεται σε CAS9, μια πρωτεΐνη που λειτουργεί σαν ψαλίδι για την επεξεργασία γονιδίων. Η παραγόμενη CAS9 θα επεξεργαστεί το γονίδιο που ευθύνεται για το σύνδρομο Angelman.
«Το mRNA είναι σαν το εγχειρίδιο Lego που έχει οδηγίες για να συναρμολογηθούν τα κομμάτια ώστε να σχηματιστούν λειτουργικές πρωτεΐνες. Το ίδιο το κύτταρο έχει όλα τα κομμάτια για να κατασκευάσει το CAS9. Εμείς πρέπει απλώς να παρέχουμε την αλληλουχία του mRNA και το κύτταρο θα το πάρει και θα το μεταφράσει σε πρωτεΐνες», εξήγησε ο Wang.
Ευρήματα
Η μελέτη έδειξε ότι το εργαλείο LNP ήταν πολύ αποτελεσματικό στην παράδοση του mRNA που μεταφράζεται σε CAS 9. Χρησιμοποιώντας ιχνηθέτες, οι ερευνητές μπόρεσαν να δουν όλους τους νευρώνες που επεξεργάστηκαν μέσα στον εγκέφαλο. Η μελέτη τους έδειξε ότι τα νανοσωματίδια απορροφήθηκαν από τα αναπτυσσόμενα νευρικά βλαστικά και προγονικά κύτταρα του εγκεφάλου. Τα νανοσωματίδια οδήγησαν σε γονιδιακές επεξεργασίες στο 30% των βλαστικών κυττάρων του εγκεφάλου στο μοντέλο ποντικού. «Η μόλυνση του 30% ολόκληρου του εγκεφάλου, ειδικά των βλαστικών κυττάρων, είναι μεγάλη υπόθεση. Αυτά τα κύτταρα μεταναστεύουν και εξαπλώνονται σε πολλά σημεία του εγκεφάλου καθώς το έμβρυο αναπτύσσεται περαιτέρω», δήλωσε ο Wang.
Στη μελέτη, καθώς η ανάπτυξη του εμβρύου συνεχίστηκε, τα βλαστικά κύτταρα πολλαπλασιάστηκαν και μετανάστευσαν για να σχηματίσουν το κεντρικό νευρικό σύστημα. Η μελέτη αποκάλυψε ότι πάνω από το 60% των νευρώνων στον ιππόκαμπο και το 40% των νευρώνων στον φλοιό είχαν διαμολυνθεί. «Πρόκειται για μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο για γενετικές παθήσεις που επηρεάζουν το κεντρικό νευρικό σύστημα. Όταν τα μωρά γεννιούνται, πολλοί από τους νευρώνες θα μπορούσαν να έχουν διορθωθεί. Αυτό σημαίνει ότι το μωρό θα μπορούσε να γεννηθεί χωρίς συμπτώματα», εξήγησε ο Wang.
Ο Γουάνγκ αναμένει να δει ακόμη μεγαλύτερο ποσοστό διαμολυσμένων κυττάρων σε ένα μοντέλο ποντικού με ασθένεια. «Οι κακοί νευρώνες με μετάλλαξη μπορεί να σκοτωθούν από τη συσσώρευση των συμπτωμάτων της νόσου και οι καλοί νευρώνες μπορεί να παραμείνουν και να πολλαπλασιαστούν. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε ενισχυμένη θεραπευτική αποτελεσματικότητα. Αν γνωρίζουμε αρκετά καλά πώς λειτουργούν τα κύτταρα, μπορούμε να αξιοποιήσουμε αυτή τη γνώση για να συνεργαστούμε με τα φυσικά μονοπάτια που υπάρχουν στο κύτταρο», δήλωσε.
