11. Genové terapie 11.1. Úvod Genové terapie jsou léčebné postupy nebo postupy zmírňující projevy genetické poruchy pomocí nukleových kyselin nebo geneticky modifikovaných buněk pacienta s terapeutickým přínosem pro pacienta. Jestliže můžeme říci, že symptomatická léčba geneticky podmíněných chorob neléčí podstatu, ačkoli je známa příčina onemocnění, pak genové terapie léčí právě příčinu onemocnění. Symptomatická léčba je založena na následujících procedurách Dodání chybějícího enzymu u enzymopatií Dodání jiných chybějících látek (substrátů, proteinů, aj.) Vyvarování se substrátu, který nelze správně metabolizovat (speciální diety) Chirurgické zákroky Farmakologické ovlivnění narušených fyziologických procesů Farmakologické zlepšení kvality života Jiné ovlivnění fyziologických procesů nebo kvality života (přístroje, pomůcky) Transplantace chorobou poškozeného orgánu Genové terapie jsou naproti tomu založeny na jakékoliv proceduře, která je určena k léčení nemoci genetickou modifikací buněk pacienta. Při genových terapiích se do buněk transferují geny nebo jejich části, případě jen oligonukleotidy. Základní strategií genové exprese je kompenzace abnormální genové exprese. Medicína založená na genové terapii může rekonstituovat postižený orgán buďto zajištěním regenerace specifické tkáně prostřednictvím exprese embryonálních genů, které navodí růst buněk a jejich vývoj příslušným směrem, nebo terapií pomocí buněk a to buď získaných od vhodného zdravého dárce, nebo geneticky modifikovaných kmenových buněk Počátky genových terapií sahají do roku 1990, kdy byly provedeny první klinické studie při léčbě deficience adenosin-deaminázy (adenosine deaminase deficiency, ADA). V této studii byly transformovány lymfocyty periferní krve ADA deficientních pacientů retrovirovým vektorem, který exprimoval funkční adenosin-deaminázu. Ještě 10 let po tomto zásahu lymfocyty jednoho pacienta exprimovaly funkční enzym, což znamená, že genová terapie může mít dlouhodobý účinek. U jiného pacienta se vyvinula imunitní reakce k transportnímu systému, a proto se u něj terapeutický gen neexprimoval, což už tehdy poukázalo na problémy, které jsou s genovou terapií spojeny. 1
Otázka, kterou je nutno si při použití genových terapií zodpovědět zní: Kdy můžeme genovou terapii použít? Toto rozhodnutí je závislé na následujících faktorech: 1) Musíme znát přesnou příčinu genetické choroby, tzn. gen, jeho umístění, povahu produktu a hlavně mechanizmus patologického účinku genového produktu 2) Musíme mít správně vytvořenou strategii genové terapie 3) Součástí léčebné strategie je i volba vhodného vektoru a vytipování cílových buněk genové terapie 4) S ohledem na jistou kontroverznost této terapie je třeba provádět genovou terapii, pouze pokud je úspěšně otestována a schválena k použití Kromě toho musíme vyřešit řadu dalších otázek spojených s výběrem vektoru, cílových buněk a techniky provedení, např. Je cílem genové terapie opravit dědičnou genetickou poruchu nebo vnést do recipientních buněk novou funkci? Pokud půjde např. o léčbu cystické fibrózy, pak se jedná o nápravu defektního stavu. Naopak v případě léčby AIDS se můžeme pokusit o transformaci buněk genem s novou funkcí; např. genem, jehož produkt bude interferovat s replikací viru HIV. Má být terapeutický gen fungovat po dlouhou nebo krátkou dobu? Většinou půjde o požadavek, aby gen fungoval dlouhou dobu, ale v případě léčby nádorového bujení nebo požadavku vnesení DNA vakcíny může jít i o účinek relativně krátkodobý. U většiny aplikací je zapotřebí kontinuální exprese terapeutického genu. V některých případech je zapotřebí expresi regulovat, například při léčbě diabetes mellitus. Dalším důležitým faktorem je výběr cílových buněk. V některých situacích je to dáno charakterem postižení; například v případě familiární hypercholesterolémie je zapotřebí vnést do hepatocytů gen kódující receptor pro LDL. V jiných případech, například při saturaci nízkých hladin srážecích faktorů (což vede k hemofilii), je třeba zacílit specifickou populaci buněk; v tomto konkrétním případě je třeba vnést gen produkující uvedené srážecí faktory do takových buněk, které je budou schopny přivést do místa účinku, tedy do krevního řečiště. V případě faktoru IX se povedla transformace myoblastů, které tento srážecí faktor secernovaly v krvi. Výběr cílových buněk je také závislý na dostupných technikách manipulace s konkrétními buňkami. Vlastní provedení genové terapie zahrnuje 1) Vytvoření genetické informace (metodami rekombinantní DNA), která je určená pro transport do buněk 2) Vytipování buněk, do kterých bude upravená genetická informace vnesena 3) Výběr vhodného vektoru 4) Po provedení genové terapie je třeba pacientův stav pečlivě monitorovat a všímat si jak zlepšování zdravotního stavu, tak i nástupu případných komplikací 2
S ohledem na historii zavádění technik genové terapie můžeme hovořit o genových terapiích klasického typu, jejichž cílem je dopravit geny do vhodných cílových buněk tak, aby bylo dosaženo optimální exprese vnesených genů a zajistit produkci látky, která chybí, případně aktivovat buňky imunitního systému ve snaze pomoci odstranit nemocné buňky. Klasickými genovými terapiemi tak můžeme zajistit především optimální expresi vloženého genu, umožnit tvorbu chybějícího produktu nebo přímo likvidovat nemocné buňky či aktivovat imunitní systém. Genové terapie neklasické jsou novější a jsou zaměřeny především na inhibici exprese genů asociovaných s patogenezí, případně na korekce genetického defektu a obnovení normální genové exprese. Toho lze dosáhnout například inhibicí exprese patogenního genu, restaurací normálních hladin exprese nebo využitím interferujících RNAi. Základní schéma genové terapie je uvedeno na obr. 11.1: Obr. 11.1: Obecné schéma genové terapie vektor jádro a) transformovaný gen DNA cílové buňky b) intracelulární efekt c) extracelulární efekt Genetický materiál s genem, který má být transformován, je nejprve vložen do vektoru, kterým je gen přenesen do cílové buňky. Proces genové terapie pak zahrnuje následující kroky: a) Vstup terapeutické nukleové kyseliny spojené s vektorem do cytoplasmy cílové buňky. b) Přenos nukleové kyseliny do jádra recipientní buňky. To je často, ne však vždy, doprovázeno integrací cizího genetického materiálu do buněčné DNA. c) Cizorodý gen, ať už integrovaný nebo ne, je exprimován. Důsledkem je produkce proteinu. Regulační elementy na transformované nukleové kyselině mohou být nastaveny tak, že zajišťují expresi proteinu do buňky nebo jeho expresi z buňky ven. 3
Na obr. 11.2 je uveden příklad genové terapie kmenových buněk. Důsledkem vnesení genu do kmenové buňky bude jeho přítomnost ve všech z nich diferencovaných buněk, v našem případě lymfocytů, makrofágů i ostatních krevních buněk. Obr. 11.2: Obecné schéma důsledku genové terapie kmenových buněk nový gen kmenová buňka transfekce implantace diferenciace B-lymfocyt eozinofil makrofág T-lymfocyt bazofil neutrofil Podle typu buněk, můžeme genové terapie dělit na Genovou terapii somatických buněk Genovou terapii zárodečných buněk Genová terapie somatických buněk se používá k manipulaci s takovými buňkami, které lze z těla jedince s defektem odebrat, transformovat opravenou kopií genu a vrátit zpět do těla. V současnosti je nejvíce rozvinuta technika vnášení genů do kmenových buněk kostní dřeně. Jako vektory slouží viry, a to nejčastěji retroviry nebo adenoviry. Technika je nadějná pro léčbu dědičných onemocnění krevních buněk. Genová terapie zárodečných buněk se provádí tak, že se do oplodněného vajíčka dodá kopie správné verze příslušného genu a vajíčko se implantuje zpět do těla matky. Implantace se provádí mikroinjekcí DNA do vajíčka. Opravená verze genu je v tomto případě zpravidla přítomna ve všech buňkách nového jedince. Tato technika je teoreticky použitelná k léčení jakékoli dědičné choroby. S ohledem na etické problémy s potenciální terapií zárodečných mutací je tento typ genových terapií v současné době ve většině zemí světa zakázán! 4
11.2. Genová terapie ex vivo a in vivo Prvním krokem při genové terapii je rozpoznání genu, jehož funkce chybí nebo je nedostatečná a v důsledku čehož dochází k rozvoji patologického procesu. Takový gen je pak nutno klonovat v jeho zdravé, funkční kopii. Kromě toho je ale naprosto nezbytné dobře porozumět procesům, které se odehrávají v nemocném organismu a poznat strukturu genového produktu, aby bylo možné správně zacílit terapeutický produkt do správných buněk nebo tkání. Volbu terapeutické struktury ovlivní také rozhodnutí, jak zajistit dlouhodobý účinek terapie, případně její časovou souhru s dalšími biologickými procesy. Cílová buňka, tkáň nebo orgán musí být pro terapeutický gen nebo jeho produkt snadno dostupný, musí být definován měřitelný cílový stav, kterého má být genovou terapií dosaženo. Podle způsobu provedení rozlišujeme Genové terapie in vivo, kdy dochází k transferu DNA přímo do buněk pacienta Genové terapie ex vivo, kdy se vlastní úprava DNA a transformace pacientových buněk provádí mimo organismus a modifikované buňky se poté vracejí do organismu Genová terapie in vivo je přímá injekce vektoru s terapeutickým genem do krevního oběhu. Tento postup je ale charakteristický nízkou hladinou exprese terapeutického proteinu; úspěch nezaručí ani extrémní dávky rekombinantní DNA vpravované do krve. Kromě toho může vést distribuce DNA i do oblastí, které nejsou cílovými místy terapie, k rozvoji řady nežádoucích vedlejších účinků. Rovněž je nesnadné dopravit tímto způsobem terapeutickou DNA do takových tkání, které mají omezený dosah ke krevnímu řečišti, např. svalů nebo nádorů. K dalším použitelným postupům patří injekce intratumorální, intraperitoneální, subkutánní, intraarteriální a intramuskulární. Jsou to metody hrubé, invazivní a v některých případech vyžadující specializované chirurgické dovednosti. Při genové terapii in vivo musí být vektory upraveny tak, aby byly schopny rozpoznat cílové buňky, do kterých vnesou terapeutický gen. Na povrch vektorů jsou např. umísťovány protilátky, které se specificky váží na povrchové antigeny cílových buněk. Jinou možností je administrace hormonu na povrch vektoru, který pak vyhledá v těle pacienta ty buňky, které nesou receptor pro tento hormon. Proveditelnost této techniky byla demonstrována na příkladu retrovirových vektorů, které na svém povrchu nesou EPO. Modifikací genové terapie in vivo je terapie in situ, která znamená přímou injekci vektoru do těla jedince přímo nebo do blízkosti buněk, které mají být opraveny. Technika byla použita pro přímou injekci vektorů do nádorů nebo pro administraci vektorů ve formě aerosolu do buněk epitelu respiračního traktu při léčbě cystické fibrózy. Aplikace in situ je méně komplikovaná než in vivo, ale není vždy proveditelná. To v případě, kdy cílové místo terapeutického zásahu není lokalizováno v jednom místě, např. u krevních buněk. Genová terapie ex vivo vyžaduje izolaci a kultivaci cílových buněk. Transfer terapeutických genů do těchto buněk se provádí pomocí vektorů na bázi plasmidů nebo virů. Cílové buňky jsou nejprve odebrány z těla jedince, pak jsou inkubovány s DNA funkčního genu naklonovaného do vektoru. Po začlenění tohoto genu do genomu cílové buňky je tato pomnožena a vnesena zpět do těla jedince. Po provedeném zásahu se studuje charakter transgenních buněk, měří se exprese terapeutických 5
genů a teprve ověřené zdravé buňky jsou přeneseny zpět do těla pacienta. Aby byl proces úspěšný, musí být cílové buňky relativně snadné buňky z těla pacienta odebírat a naopak zase vnášet. V počátcích genových terapií se tohoto způsobu používalo jen u těch buněk, které bylo možno z pacienta snadno izolovat, upravit a poté vrátit (např. buňky kostní dřeně nebo hepatocyty). Dnes dokážeme buňky vnášet lokální nebo systémovou injekcí, přenášet v enkapsulované podobě nebo jako tkáně tvořené buňkami osídlujícími nějaké podpůrné lešení. Genová terapie ex vivo je pro pacienta zpravidla bezpečnější, protože nevzniká imunita proti vektorové DNA a rovněž množství toxických látek spojených s transformací je sníženo. V současnosti se jedná o nejčastější způsob provádění genové terapie. Byl aplikován na řadu různých typů buněk, včetně krevních a kmenových buněk, buněk epitelu, svalů a hepatocytů. Základní rozdíl mezi in vivo a ex vivo genovou terapií je znázorněn na obr. 11.3. Obr. 11.3: Genová terapie in vivo a ex vivo In vivo klonovaný gen X + transfer genu Ex vivo selekce a namnožení buněk X + odběr buněk buňky pacienta X - některé buňky X + buňky X + návrat geneticky modifikovaných buněk pacientovi 6
11.3. Cíle genové terapie Genovými terapiemi je možno léčit následující typy onemocnění Vrozené poruchy spojené s genetickou deficiencí genového produktu nebo nepřiměřenou expresí genu Nádorová onemocnění, především poruchy biologické funkce protoonkogenů nebo nádorových supresorových, apoptotických a reparačních genů Nemoci imunitního systému jako jsou alergie, záněty a autoimunní choroby Infekční nemoci například způsobené virovým nebo bakteriálním patogenem V současné době probíhají klinické zkoušky genových terapií u následujících onemocnění. Tento výčet ale není úplný, informace o dalších aplikacích se objevují v odborném i populárním tisku prakticky denně. různé typy zhoubných nádorů cystická fibróza familiární hypercholesterolémie Gaucherova choroba deficiente fosforylázy purininových nukleozidů revmatoidní artritida AIDS hemofilie vážná kombinovaná imunodeficience (SCID) deficience α 1 antitrypsinu CGD onemocnění periferních cév Ve světě probíhá již více než 1 500 různých klinických testů genové terapie. Většinu z nich tvoří aplikace protinádorové; monogenní onemocnění, kterými genové terapie začínaly, tvoří jen asi 8% testů. Přehled o typech genových terapií prováděných v roce 2006 podává Tabulka 11. 1. Převážná většina klinických testů se provádí v USA, Velké Británii a Německu. Geografická distribuce genových terapií v roce 2006 je uvedena v Tabulce 11. 2. 7
Tabulka 11. 1: Genové terapie ve fázi klinických testů v roce 2006. Onemocnění Klinické testy na bázi genových terapií Počet Procento Nádorová onemocnění 842 67,0 Kardiovaskulární onemocnění 113 9,0 Monogenní nemoci 104 8,6 Infekční nemoci 81 6,4 Označování genů 50 4,2 Zdraví dobrovolníci 21 1,7 Ostatní 47 3,7 Tabulka 11. 2: Genové terapie ve fázi klinických testů v jednotlivých zemích, stav v roce 2006. Onemocnění Klinické testy na bázi genových terapií Počet Procento USA 815 65,0 Velká Británie 150 12,0 Německo 74 5,9 Švýcarsko 42 3,3 Francie 20 1,6 Belgie 19 1,5 Austrálie 17 1,3 Japonsko 16 1,3 Kanada 17 1,3 Itálie 15 1,2 Ostatní státy (včetně ČR) 75 5,9 8
11.3.1. Genová terapie nádorů Strategií genové terapie nádorů je zničit nádorové buňky a současně chránit buňky zdravé. Toho lze dosáhnout korekcí genetických mutací spojených s nádorovým fenotypem stimulací protinádorové odpovědi T lymfocytů (imunoterapie) onkolytickými viry, které se replikují v nádorových buňkách a ničí je (viroterapie) využitím systémů enzymatických pro-léčiv, které ničí nádorové buňky po konverzi netoxické sloučeniny na cytotoxický metabolit (tato technologie je popsána v kapitole 12.5. Úloha metabolismu léčiv v genové terapii) Oprava genetických mutací nachází uplatnění jen v malém počtu případů, protože vývoj nádoru je komplexní proces. Tato strategie se uplatňuje v klinických zkouškách, ve kterých se sleduje nadprodukce tumor supresorových genů p53, MDA-7 a ARF. Byl to právě gen p53, pro který byl v roce 2003 schválen první klinicky celosvětově použitelný lék na bázi genové terapie. Jedná se o přípravek Gencidin, který byl schválen v Číně. Gencidin je rekombinantní retrovirus, který exprimuje standardní formu p53 a používá se k léčbě pacientů, u kterých tento gen nefunguje správně. Genová terapie nádorů se jevila jako velmi slibná, nicméně se ukázalo, že transport terapeutického genu hluboko do nádorové tkáně je proces velmi komplikovaný. Terapie je málo účinná především tam, kde je zapotřebí kontinuální exprese transgenu. Přesto byl přístup využívající oprav genů úspěšně aplikován na nádory prostaty, plic a pankreatu. Imunoterapie spočívající v indukci imunitního systému, jeho zacílení na nádorové buňky a jejich destrukci nebyla příliš úspěšná; exprese je zpravidla nízká, cytotoxické lymfocyty málo avidní k příslušnému antigenu asociovanému s nádorem a nádorové buňky ze své podstaty unikají pozornosti imunitního systému. Klinicky byly testovány systémy exprimující buďto pro-zánětlivé cytokiny (interleukiny IL-2, IL-4 a IL-12), ko-stimulační molekuly (HLA-B7 a antigen LFA-3 lymphocyte function-associated antigen 3) nebo tumor-specifické antigeny jako je mucin-1 a lidský karcinoembryonální antigen. Vektor exprimující transgen, který má stimulovat imunitní odpověď a zajistit dlouhodobou imunitní ochranu, je často injikován přímo do nádoru (obr. 11.4 A). Indukci exprese jednoho nebo více imunostimulačních genů je možné také zajistit ex vivo v izolovaných nádorových buňkách nebo nádorové buněčné linii (obr. 11.4 B). Testují se také možnosti kultivace T lymfocytů nebo buněk kostní dřeně pacienta v přítomnosti nádorového antigenu nebo po jejich transformaci stimulačním genem; tím může dojít k vytvoření klonu buněk, který rozpozná a odstraní nádor poté, co jsou tyto buňky zaneseny do organismu (obr. 11.4 C). Onkolytické viry navozují smrt nádorových buněk replikací, expresí cytotoxických proteinů a lyzí; ostatní buňky těla nechávají nepovšimnuté. K této tzv. viroterapii se nejčastěji používají upravené viry vakcínie, herpes simplex virus I, reovirus, virus Newcastelské nemoci, poliovirus a adenovirus, protože přirozeně atakují nádory a snadno se s nimi manipuluje. Problémem této strategie je skutečnost, že mnoho lidí má přirozené protilátky proti těmto virům, a proto jsou z těla rychle odstraněny, ještě než se začnou úspěšně replikovat. Protože se jedná o lidské viry, je třeba při práci s nimi dodržovat zvláště přísné bezpečnostní předpisy, což výrazně prodražuje klinické testování. Přesto bylo i touto technikou dosaženo určitých úspěchů. 9
Obr. 11.4: Imunoterapie nádoru založená na genové expresi. A) Přímá injekce vektoru, který exprimuje imunostimulační molekuly nebo nádorově-specifické antigeny přímo v nádoru. Po uvolnění transgenního produktu jsou aktivovány makrofágy, dendritické buňky, zabíječské buňky a T lymfocyty, které pak putují k nádoru, kde destruují buňky exprimující transgen. B) Buňky izolované z pacienta nebo nádorových buněčných linií jsou kultivovány s vektorem, zabity ozářením a vloženy zpět do pacienta. Buněčné epitopy pobídnou imunitní systém k útoku a odstranění nádorových buněk. C) T lymfocyty a buňky kostní dřeně pacienta jsou kultivovány s vektorem nebo nádorovými antigeny. Zpět do těla pacienta jsou pak přemístěny živé buňky, které napadají nádorové buňky a odstraňují je. A) vektory nádorová tkáň aktivace imunitního systému destrukce nádoru B) vektory aktivace imunitního systému destrukce nádoru nádorové buňky zabité buňky C) vektory aktivace imunitního systému destrukce nádoru imunitní buňky živé buňky 10
11.3.2. Genová terapie kardiovaskulárních onemocnění Většina klinických testů kardiovaskulárních onemocnění se zabývá léčbou koronární a periferiální ischemie. Efektivním nástrojem léčby ischemií se zdá být nadprodukce pro-angiogenních faktorů jako je vaskulární endoteliální růstový faktor (VEGF), růstový faktor fibroblastů (FGF) a růstový faktor hepatocytů (HGF). Četnost selhání bypasů koronárních arterií v důsledku restenózy a aterosklerózy lze snížit nadprodukcí endoteliální a indukovatelné syntázy oxidu dusnatého. Nadprodukce genů, které snižují hladinu cholesterolu (apoproteiny ApoA-1 a ApoE, receptory pro LDL a VLDL) byla vyzkoušena při léčbě onemocnění metabolismu lipidů, např. familiární homozygotické hypercholesterolémie nebo deficience ApoE. Žádný z uvedených přístupů ale neměl výrazně lepší efekt v terapii oproti stávajícím metodám léčby. 11.3.3. Genová terapie monogenních chorob Od genové terapie se očekává, že bude schopna nahradit nefunkční kopii genu funkční variantou a tak zajistit permanentní zvrat patologických procesů. Doposud se to však v žádných klinických zkouškách nepodařilo. Více než třetina probíhajících klinických zkoušek je zaměřena na léčbu cystické fibrózy. K dalším onemocněním, která se testují pro léčbu genovou terapií, patří Hurlerův syndrom, Hunterův syndrom, Huntingtonova chorea, Gaucherova choroba, Wiskott-Aldrichův syndrom, vážná kombinovaná imunodeficience (SCID), Duchenneova muskulární dystrofie, chronická granulomatóza, familiární hypocholesterolémie, deficience adherence leukocytů, hemofilie A a B, mukopolysacharidóza typu IV, deficience lipoprotein-lipázy, aj. Jediná skupina onemocnění, kde bylo dosaženo významného terapeutického úspěchu, jsou vážné kombinované imunodeficience. Příčiny dosavadních neúspěchů spočívají v následujících faktorech: nemáme k dispozici vhodnou techniku pro přenos terapeutických genů mezi hostitelským organismem a vektorem terapeutického genu dochází k nepříznivým interakcím biologie a patologie monogenních onemocnění a cílových orgánů je složitá nejsou k dispozici nástroje umožňující relevantní měření klinické účinnosti genové terapie Největší výzvou při léčbě monogenních onemocnění zůstává indukce genové exprese, která by byla dostačující pro korekci klinického fenotypu, zároveň by nevedla k neuváženým reakcím imunitního systému a minimalizovala by rizika inzerční mutageneze integrativních vektorů v transformované buňce. 11.3.4. Genová terapie infekčních chorob V současnosti probíhá již více než 100 klinických testů genových terapií infekčních chorob. Velký zájem se soustředí na léčbu AIDS. Většinou se jedná o ex vivo transfer genetického materiálu do autologních T lymfocytů prostřednictvím murine lukemia viru nebo lentiviru. Úspěšné byly laboratorní pokusy, při kterých byly nadprodukovány proteiny, které interferují s replikací viru HIV. K témuž cíli se zaměřují postupy využívající ribozymy, RNA klamné cíle a antimediátorové oligonukleotidy, které se vážou k repetitivním sekvencím genomu HIV. 11
11.3.5. První genová terapie schválená v EU Apolipogene tiparvovec (Glybera ) Jedná se o první aplikaci genové terapie schválenou Evropskou lékovou agenturou k použití ve všech zemích EU. Ke schválení došlo v červenci 2012, Evropskou komisí to bylo schváleno v listopadu 2012. Přípravek určený k léčbě familiárního deficitu lipoprotein lipázy (lipoprotein lipase deficiency, LPLD). Toto onemocnění se projevuje zvýšenými hladinami chilomikronů, částic (komplexů proteinlipid) přenášejících v krvi některé tuky. Je způsobeno defekty v genu pro lipoprotein lipázu (LPL). LPL zpracovává tuky z potravy. Pokud tohoto enzymu není v těle dost, nebo když nepracuje správně, dochází k dramatickému zvýšení hladin tuku v krvi. Glybera vnáší do těla nemocného funkční kopii genu pro LPL, ze kterého vzniká normálně fungující LPL. Gen je přenášen vektorem na bázi adeno-asociovaného viru serotypu 1, který se váže na receptory svalových buněk. V normálním stavu jsou to právě svalové buňky, které jsou pro distribuci LPL nejdůležitější. Glybera je aplikována jednorázovou sérií intramuskulárních injekcí do nohy viz obr. 11.5. Jak uvádí příbalová informace: Vektor sestává z proteinového obalu odvozeného ze sérotypu 1 adeno-asociovaného viru (AAV1), cytomegalovirového (CMV) promotoru, posttranskripčního regulačního elementu viru hepatitidy sviště lesního a obrácených terminálních repetic odvozených z AAV2. Alipogen tiparvovek je produkován za použití hmyzích buněk a technologie rekombinantních bakulovirů. Obr. 11.5: Aplikace přípravku Glybera FFA = free fatty acids Jednorázová aplikace do svalu nohy Přípravek Glybera byl testován ve třech klinických studiích v Holandsku a Kanadě na celkem 27 pacientech. Z dat získaných v těchto studiích vyplývá, že se koncentrace tuků v krvi po podání Glybery snižuje po 3-12 týdnech po aplikaci. Už jediná dávka má dlouhotrvající účinky. Účinkem LDL exprimované z transgenu dochází k odstraňování chylomikronů. LPLD je dědičné onemocnění, proto je u suspektních jedinců vhodná diagnostika. Protože 12
existuje přes 100 různých polymorfismů v genu LPL, které vedou k LPLD, je vhodné celou kódující oblast genu sekvenovat. Protože se jedná o recesívní znak, jsou nemocní pouze jedinci se dvěma nefunkčními alelami. Jedinci s jednou nefunkční alelou jsou přenašeči. Rodiče a děti jedince s LPLD jsou zpravidla přenašeči, kteří nemají syndromy onemocnění. Sourozenci jedince s LPLD mají 25% šanci, že taky onemocní a 50% šanci, že jsou přenašeči. S 25% pravděpodobností ale nesou nepoškozené varianty genu. Více si můžete přečíst na http://www.uniqure.com/products/glybera/ Příbalová informace SÚKL 11.4. Vektory pro genovou terapii Funkční kopie genu, která má nahradit gen v organismu nefungující, musí být naklonována do vektoru, který je schopen jen transformovat do recipientních buněk bezpečným způsobem. Vektory pro genovou terapii jsou obecně koloidní suspenze sestávající ze složitých molekul s průměrným hydrodynamickým průměrem od 40 do 1 000 nm. Takové částice jsou ochotně přijímány orgány retikuloendoteliálního systému játry, slezinou, kostní dření a nadledvinkami. Jsou také snadno opsonizovány, tedy obalovány sérovými proteiny jako je komplement a pohlcovány makrofágy v játrech a slezině; to v řádu minut po intravenózní aplikaci. Po aplikaci vektoru musí tento ještě překonat určité bariéry v epitelu. Buňky, které jsou umístěny na povrchu orgánu, jsou často pokryty tlustou mukózní vrstvou, která fyzicky brání kontaktu s buněčnými cíli a obsahuje enzymy, které dokáží vektor rychle degradovat. Buňky pod touto vrstvou jsou často obrvené a vytvářejí pevné spoje, které brání vstupu čehokoli dovnitř. Mnoho vektorů nese na svém povrchu negativní náboj a to taky znesnadňuje interakce s negativně nabitými buňkami. Genový transfer může být usnadněn tím, že je transportní systém pokryt pozitivně nabitými ionty, že použijeme mukolytické reagencie a hypotonické roztoky, které rozbijí pevné spoje a zesílí penetraci buněk vektorem. Poté, co vektor vstoupí do buňky, musí uniknout prostředí endozómů a lysozómů. Některé vektory jsou injikovány s komponentami, které v kyselém endosomálním prostředí nabobtnají a ochrání tak genetický materiál před významnou změnou ph, před rozštěpením enzymy a chrání vektor před předčasným uvolněním. Jiné postupy využívají inaktivovaných virů nebo složek bakterií, živých virů a toxinů. Jakmile je vektor v cytoplasmě, musí se dostat do jádra, kde využije endogenní transkripční aparát k expresi terapeutického transgenu. 11.4.1. Obecné vlastnosti transgenů Typický transgen sestává z tzv. expresní kazety, což je cdna ohraničená na 5 -konci promotorem a na 3 -konci terminátorem transkripce a polyadenylačním signálem (obr. 11.6 A). Transgen je začleněn do plasmidové DNA nebo rekombinantního viru (přehled v Tabulce č. 11.3 a 11.4). Geny, které souvisí s patogenitou virových vektorů, jsou odstraněny a nahrazeny expresní kazetou; 13
reprodukce viru je omezena. U mnoha vektorů zbývají z celého genomu jen dlouhé koncové repetice (LTR), oblasti na 5 - a 3 - konci, které kontrolují transkripci RNA virů nebo převrácené koncové repetice (ITR) řídící replikaci a stabilizaci genomu DNA virů. Sbalovací signál (Ψ) zodpovědný za sbalování viru je rovněž intaktní. Geny pro replikaci poskytuje buněčná linie (obr. 11.6 B). Způsob, jakým budou produkovány rekombinantní viriony je dán biologií výchozího viru. Produkční buňky musí být připraveny tak, aby se sekvence genů zprostředkujících replikaci nebo patogenezi viru nepřekrývaly a nedoplňovaly se sekvencemi genů na virovém genomu. Mohlo by totiž docházet k rekombinaci a vytváření virů, které by byly schopny samostatné replikace. Proto je vhodné testovat nově připravenou várku virionů na přítomnost tzv. replikačně kompetentních virů (RCV), které jsou samozřejmě nežádoucí příměsí. Poté, co jsou viry izolovány z buněčné linie, jsou dále purifikovány, kvantifikovány anebo titrovány. Původně se virové částice separovaly od buněčných proteinů ultracentrifugací v hustotním gradientu. Tato metoda je ale pracná, nesnadno se provádí ve velkých objemech a snižuje efektivní titr virionů, protože dochází k rozbíjení jejich struktur. V současnosti je vhodnější použít k purifikaci chromatografie, která umožňuje získat velká množství vysoce koncentrovaných virových částic, které jsou vhodné k humánní terapii. Tabulka 11. 3: Vektory, které se využívají v klinických zkouškách genové terapie. Vektor Klinické zkoušky genové terapie (stav v roce 2006) Počet Podíl (%) Adenovirus 322 26 Retrovirus 293 23 Plasmidová DNA 230 18 Lipofekce 99 7,9 Virus vakcínie 88 7,0 Poxvirus 85 6,8 Adeno-asociovaný virus 46 3,7 Herpes simplex virus 43 3,4 RNA transfer 16 1,3 Další způsoby 31 2,4 Neznámá metoda 36 2,9 14
Obr. 11.6: Obecné schéma transgenu a jeho přenosu A) Expresní kazeta transgenu. Je ohraničena promotorem a polyadenylačním signálem. Může být klonována přímo do plasmidu a přímo použita pro transfer genu nebo může být klonována do plasmidu, který obsahuje virové elementy, které zajišťují produkci rekombinantních virů v produkční/sbalovací buněčné linii. B) Produkční/sbalovací buněčná linie. Buněčná linie je vytvořena stabilní transfekcí buněk plasmidem, který obsahuje geny nezbytné pro replikaci viru. Konstrukt pak často obsahuje pouze tzv. sbalovací signál Ψ a expresní kazetu ohraničenou virovými sekvencemi ITR/LTR. Geny odpovědné za virovou infekci jsou z konstruktu odstraněny. Po transfekci je v buňce produkováno velké množství genomů vektoru. Ty jsou exportovány z jádra do cytoplasmy, kde interagují s virovými proteiny vyrobenými buňkou. Sbalovací signál zahájí sbalování virových částic. Kompletní virové částice se pak uvolní z buňky v závislosti na mechanismu, který je řízen vektorem. A intron polyadenylační místo 5 3 promotor transgen B ITR/LTR Ψ ITR/LTR Kompletní virový genom replikace patogenita replikační konstrukt konstrukt s vektorem Ψ produkční/sbalovací buňka virové genomy jádro virové kapsidy 15
I vzhledem k široké plejádě onemocnění, která jsou potenciálně léčitelná genovou terapií, neexistuje jediný univerzální vektor použitelný pro všechny potenciální aplikace. Při výběru vhodného vektoru je třeba sledovat následující parametry velikost transgenních kazet efektivitu přenosu do terapeutického cíle (schopnost infikovat dělící se nebo nedělící se buňky, vhodné receptory na cílových buňkách) délku trvání genové exprese (dlouhodobá versus přechodná, vektory integrativní versus neintegrativní) má-li jít o indukovatelnou nebo konstitutivní expresi maximální úroveň imunitní odpovědi vyvolané vektorem a úroveň toxicity akceptovatelné hostitelem požadavky na purifikaci vektoru a dostupnost produkce ve velkých objemech způsob a jednoduchost podávání terapie schopnost vektoru chránit genetický materiál robustnost a stabilita vektorového systému Tabulka 11. 4: Charakteristické vlastnosti vektorů pro genové terapie. Retrovirus Lentivirus Adenovirus Adeno-asociovaný virus Genetický materiál Velikost genomu Klonovací kapacita Forma genomu RNA RNA dsdna ssdna 7-11 kb 8 kb 36 kb 4,7 kb 8 kb 8 kb 7 kb*, 35kb** < 5 kb Integrovaná Integrovaná Episomální Stabilní/episomální Průměr (Nm) 100-145 80-120 80-100 20-22 Tropismus Jen dělící se buňky Široký, dělící se i nedělící se buňky Široký, dělící se i nedělící se buňky Široký, nevhodný pro hematopoetické buňky Exprese virových proteinů NE ANO/NE ANO*/NE** NE 16
Tabulka 11. 4: pokračování Retrovirus Lentivirus Adenovirus Adeno-asociovaný virus Exprese transgenu Pomalá, konstitutivní Pomalá, konstitutivní Rychlá, přechodná Průměrná, konstitutivní, přechodná Produkce ve velkých objemech Metoda transformace Typický výtěžek (virus/ml) Jednoduchá Složitá Jednoduchá*/složitá** Průměrná Ex vivo Ex vivo Ex/in vivo Ex/in vivo < 10 8 < 10 7 < 10 14 < 10 13 Pre-existující imunita Nepravděpodobná Pravděpodobná, po vstupu ANO ANO Imunogennost Nízká Nízká Vysoká Průměrná Potenciální patogenicita Nízká Vysoká Nízká Žádná Bezpečnost Inzerční mutageneze Inzerční mutageneze Potenciálně zánětlivá reakce Krátkodobě ne, dlouhodobě není známo Fyzikální stabilita Slabá Slabá Značná Vysoká * první generace, replikačně deficientní viry ** adenoviry závislé na pomocném viru 17
11.4.2. Vektory na bázi virů Virové vektory jsou v současnosti nejefektivnější transportní systémy, protože přirozenou cestou vstupují do buňky a překonávají buněčnou obranu. Používají se v přibližně 70% klinických testů (Tab. 11. 3). Nejvíce se používají vektory na bázi retrovirů, adenovirů a adeno-asociovaného viru (Tab. 11. 4). Výroba virového vektoru pro účely genové terapie obecně sestává z těchto kroků: 1) Propagace viru ve vhodné buněčné linii savčích buněk 2) Izolace viru, jeho zkoncentrování a purifikace 3) Charakterizace výsledného virového izolátu Na obr. 11.7 je uvedena příprava vektoru na bázi adenoviru, u dalších typů vektorů je schéma podobné. Obr. 11.7: Velkoobjemová příprava vektoru na bázi adenoviru Příprava buněčné kultury (bioreaktor pro živočišné buňky) infekce vektorem Propagace vektoru Lyze buněk (homogenizace) Sběr infikovaných buněk (filtrace/centrifugace) Čištění virionů (filtrace) Štěpení DNA Koncentrace (ultrafiltrace) Inaktivace potenciálních kontaminujících virů (rozpouštědlo/detergent) Chromatografická purifikace (iontoměničová chromatografie a gelová filtrace) 18 Charakterizace a plnění
K propagaci virionů v živočišných buňkách se používají bioreaktory pro kultivaci živočišných buněk o objemu do 100 litrů. Purifikované vektory lze uchovávat v chladu nebo zmrazené po dobu minimálně 2 roky. Vektory na bázi retrovirů Retroviry mají průměr 80-100 nm a obsahují dvě kopie jednořetězcové ssrna o délce přibližně 7-11 kb. Uvnitř kapsidu jsou tyto ssrna asociovány se zpětnou transkriptázou, integrázou a proteázou. Vše je obaleno proteiny nukleokapsidu a uzavřeno v kapsidové matrix, která tvoří jádro retrovirových částic. Vnější obal tvoří membrána pocházející z hostitelské buňky; sestává z proteinů a lipidů. Uvnitř této lipidové dvojvrstvy jsou trans-membránové a povrchové glykolipidy (obr. 11.8). Obr. 11.8: Struktura retroviru proteáza ssrna zpětná transkriptáza integráza nukleokapsid transmembránové glykolipidy kapsidová matrix povrchové glykolipidy membrána Retroviry můžeme v zásadě rozdělit podle stupně složitosti na dvě skupiny. Jednoduché retroviry obsahují tři hlavní geny gag (kóduje protein virového kapsidu), pol (kóduje zpětnou transkriptázu) a env (kóduje virový obalový protein). Složité retroviry, jako je např. lentivirus obsahují geny pro replikaci a překonání imunitního systému hostitelské buňky (obr. 11.9). Na obou koncích retrovirového genomu jsou LTR sekvence. Součástí LTR sekvence je promotor, zesilovač transkripce a sekvence zodpovědné za integraci DNA do hostitelského genomu. Bezprostředně u 5 LTR sekvence leží sekvence ψ, která je zodpovědná za sbalování RNA do virového kapsidu. Po vstupu do hostitelské buňky je virová RNA přepsána do dsdna a v této podobě je integrována do genomu hostitelské buňky. Ve formě proviru pak retroviry setrvávají i několik let. Nicméně i geny retroviru integrované do hostitelského genomu jsou transkribovány a jejich translací vznikají proteiny, které tvoří nové kapsidy. Do kapsidů jsou v cytoplasmě integrovány replikované molekuly virové ssrna. Nově vzniklé virové částice vystupují přes membránu (a přitom se jí obalí) do vnějšího prostředí a napadají další buňky. 19
vpr vpu Genové terapie Obr. 11.9: Struktura genomu retrovirů a genomu retrovirového vektoru Genom jednoduchého retroviru LTR ψ gag pol env LTR Genom složitého retroviru LTR ψ gag pol vif env nef LTR tat rev Genom retrovirového vektoru terapeutický gen LTR ψ LTR Retroviry mají řadu vlastností, pro které jsou vhodné k uskutečnění přenosu terapeutických genů (Tab. 11. 4). Jejich klonovací kapacita je kolem 8 kbp. Při konstrukci vektorů na bázi retrovirů jsou nahrazovány endogenní virové geny zodpovědné za normální replikaci viru za exogenní terapeutické geny (Obr. 11.9). Tato náhrada způsobí, že se výsledný vektor nemůže replikovat. Zralé virové částice jsou produkovány v tzv. sbalovacích buňkách (producing/packing cells). Tyto rekombinantní buňky obsahují strukturní geny gag, pol a env, a proto v nich mohou vznikat kompletní virové částice, které nesou terapeutický gen, ale nejsou schopny se replikovat. Retrovirové vektory jsou různým způsobem upravovány. Některé nesou gen gag, což vede k produkci defektních částic, kterých ale vzniká mnohem více než standardních virionů. Jinou modifikací je vnesení silných promotorů před terapeutický gen. Většina retrovirových vektorů je založena na viru MoMuLV (Moloney murine leukaemia virus). Exprese terapeutického genu, který byl přenesen retroviry, jsou stabilní a dlouhodobé. Je to dáno tím, že se retroviry integrují do hostitelského genomu. Retrovirové vektory je možné podrobit procesu tzv. pseudotypizace, což je situace, kdy jsou povrchové glykoproteiny nahrazeny jinými pocházejícími z nepříbuzných virů (např. viru vezikulární stomatitidy, viru Ebola) a tím je změněno 20