In realtà, non hai bisogno di quei binocoli per vedere che il futuro della terapia genica si avvicina. James Yang/© Images.com/Corbis Ti ricordi Charlie Gordon? È stato il protagonista di "Flowers for Algernon", un acclamato romanzo (e in seguito film vincitore del premio Oscar) scritto da Daniel Keyes nel 1966.
Gordon era un disabile mentale di 32 anni la cui disabilità poteva essere fatta risalire 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, provocando danni cerebrali, perdita di pigmentazione, convulsioni e una miriade di altri problemi.
Nel mondo della fiction, Gordon alla fine supera la malattia ereditaria sottoponendosi a un intervento chirurgico sperimentale per aumentare la sua intelligenza. In realtà, le persone nate con la condizione hanno un'esperienza molto diversa, ma solo perché seguono una rigida dieta ipoproteica per evitare cibi contenenti fenilalanina, come carni di ogni genere, latticini, noccioline, fagioli, tofu e il dolcificante artificiale aspartame.
La soluzione ideale potrebbe trovarsi da qualche parte tra pericolosi interventi chirurgici al cervello e rigide restrizioni dietetiche. Infatti, 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 senza di essa. Grazie ai progressi in terapia genetica -- 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 sbandierato trattamento ha portato 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 al puzzle 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 curare, perché è complicato e quando potrebbe essere disponibile presso la tua clinica locale. Prima di intraprendere la corsia preferenziale della terapia genica, facciamo alcuni giri preparatori per rivedere i fondamenti della funzione del DNA e dell'espressione genica.
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Struttura del DNA © HowStuffWorks La comprensione di questo trattamento medico richiede una conoscenza pratica dei geni. La buona notizia è che probabilmente ne hai parlato nella tua lezione di biologia al liceo, ma nel caso l'avessi dimenticato, ecco un breve riassunto. UN gene si riferisce a una singola unità di informazioni ereditarie, un fattore che controlla alcune attività o tratti specifici. I geni esistono su cromosomi , che a loro volta risiedono nei nuclei delle nostre cellule.
cromosomi, Certo, 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 sequenza specifica di nucleotidi. Quei nucleotidi fungono da modello per una proteina specifica, che viene assemblato in una cella 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, dire, la sua sequenza di nucleotidi viene rimescolata, quindi la sua proteina corrispondente non verrà prodotta o non verrà prodotta correttamente. I biologi lo chiamano a 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, ripristinare la capacità di una cellula di produrre una proteina mancante. Su 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 un'assistenza esterna sotto forma di virus. Probabilmente pensi ai virus come ad agenti che causano infezioni:vaiolo, influenza, rabbia o AIDS. Nella terapia genica, gli scienziati usano queste minuscole particelle viventi ma non viventi per dare a una cellula una trasformazione genetica. Nella sezione successiva, esploreremo quali virus vengono utilizzati e perché.
© 2010 HowStuffWorks.com 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, o DNA o RNA. Questo piccolo pacchetto di informazioni genetiche è confezionato all'interno di un rivestimento proteico, quale, in alcuni casi, è avvolto in una busta membranosa.
A differenza di altri esseri viventi, i virus non possono riprodursi da soli perché non hanno il necessario macchinario cellulare. Loro possono, però, si riproducono se invadono una cellula e prendono in prestito le apparecchiature e gli enzimi della cellula. Il processo di base funziona così:
Questa 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? Come risulta, questo è completamente possibile, purché gli scienziati modifichino il virus per evitare che causi malattie o induca una reazione immunitaria da parte dell'ospite. Quando così modificato, un tale virus può diventare un veicolo, o vettore , fornire una terapia genica specifica.
Oggi, i ricercatori utilizzano diversi tipi di virus come vettori. Uno dei preferiti è 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 indebolito. In alternativa, i ricercatori possono fare affidamento su virus adeno-associati , che non causano malattie umane conosciute. Non solo quello, integrano i loro geni nei cromosomi dell'ospite, 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, anche unire il loro materiale genetico nei cromosomi delle cellule che invadono. Di conseguenza, i ricercatori hanno studiato ampiamente i retrovirus come vettori per la terapia genica.
La sindrome da immunodeficienza combinata grave (SCID) è una delle (limitate) storie di successo della terapia genica. Nella foto qui c'è il "ragazzo bolla" David Vetter, che aveva SCID ed è morto anni prima dell'inizio dei processi. © Bettmann/Corbis L'idea della terapia genica gira da decenni nel cervello degli scienziati. Infatti, era Edward Tatum, un genetista americano, che per primo suggerì che le malattie genetiche potessero essere curate con l'"ingegneria genetica" nel 1966. Quello stesso anno, un altro americano, Joshua Lederberg, in realtà ha delineato i dettagli della "terapia virogenica" in un articolo pubblicato su The American Naturalist. Numerosi ricercatori hanno quindi lavorato diligentemente per spostare la terapia genica dal concetto alla realtà. Nel 1972, Il biochimico Paul Berg ha scoperto come tagliare una sezione di DNA umano e inserirla nel genoma di un virus, che ha poi usato per infettare le cellule dei batteri. Infine, è stato in grado di ottenere batteri per produrre insulina umana. Dieci anni dopo, Ronald M. Evans ha inserito il gene per l'ormone della crescita del ratto in un retrovirus e poi ha trasferito 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 degli Stati Uniti ha avuto luogo nel 1990. Lo studio si è concentrato su pazienti con immunodeficienza combinata grave (SCID), nota anche come malattia del "ragazzo bolla" da David Vetter, che ha vissuto 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 an fuori dal corpo terapia genetica. Primo, 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 a retrovirus il cui RNA era stato modificato per contenere il gene associato alla SCID. I retrovirus hanno infettato le cellule staminali e hanno inserito il gene funzionale nel cromosoma ospite. Prossimo, gli scienziati hanno preso le cellule staminali ingegnerizzate e le hanno iniettate di nuovo nel flusso sanguigno del paziente. Le cellule hanno fatto una linea dritta per il midollo osseo e, come tutte le buone cellule staminali, maturato in diversi tipi di cellule, 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 è iniettare il virus portatore di geni direttamente nella regione che ha cellule difettose. James Wilson, professore di patologia e medicina di laboratorio presso l'Università della Pennsylvania, ha aperto la strada a questa cosiddetta terapia genica "in-the-body" negli anni '90. Ha usato l'adenovirus come 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 il raffreddore - 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 deficit di ornitina transcarbamilasi (OTC). OTC è un enzima che aiuta il corpo a scomporre l'azoto in eccesso. Senza esso, i livelli di ammoniaca aumentano fino a quando il cervello diventa 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 poi procederebbe a replicare il gene OTC e inizierebbe a produrre l'enzima. Sfortunatamente, uno dei pazienti, Jesse Gelsinger, 18 anni, è morto appena tre giorni dopo aver ricevuto la sua iniezione del virus ingegnerizzato. Gli scienziati ora pensano che il corpo di Gelsinger abbia innescato una massiccia risposta immunitaria, portando a una diffusa insufficienza d'organo. Questo è solo uno dei rischi della terapia genica, come vedremo nella prossima pagina.
Terapia genica della linea germinaleFinora, gli scienziati hanno concentrato i loro esperimenti di terapia genica su 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, che permetterebbe ai geni geneticamente modificati di essere trasmessi 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 inviato onde d'urto alla comunità scientifica, pure. I genetisti sono giunti alla dolorosa consapevolezza che la terapia genica, mentre è facile disegnare su carta, è arrivato carico di sfide e insidie. E non importava come affrontavano il problema:entrambi gli approcci all'interno e all'esterno del corpo 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 quelli portatori di 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 utili, e lanciò un vigoroso attacco, spegnendo i suoi organi nel processo. Oggi, i ricercatori potrebbero somministrare a Gelsinger dosi terapeutiche più basse o pretrattarlo con farmaci immunosoppressivi. Un'altra opzione esplorata riguarda il DNA "nudo", che si riferisce a una molecola di acido nucleico privata del suo vettore virale.
Le terapie extracorporee basate sui retrovirus hanno i loro problemi. Ricordare, 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, il "linguaggio" risultante potrebbe non avere alcun senso. In alcuni studi di terapia genica che utilizzano retrovirus, i pazienti hanno sviluppato la 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, anche se molti di loro hanno 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 la sua Centro per la valutazione e la ricerca biologica , o CBER . Il centro fornisce anche consulenza scientifica e normativa proattiva ai ricercatori medici e ai 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 di terapia genica umana, sebbene diversi studi in corso stiano producendo risultati promettenti. Avanti il prossimo, esamineremo alcuni recenti successi in quella che molti credono sia la seconda rivoluzione della terapia genica.
L'etica della terapia genicaLa 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 sono "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 un'assicurazione sanitaria inadeguata? E cosa succede quando qualcuno decide di usare la terapia genica per correggere tratti umani non letali, come l'altezza, intelligenza e capacità atletiche? Queste questioni 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, però, non ha operato con le stesse restrizioni.
Nel 2007, Jean Bennet, un genetista molecolare e medico presso la University of Pennsylvania School of Medicine, e suo marito, Alberto Maguire, un chirurgo della retina al Children's Hospital di Philadelphia, ha iniziato una sperimentazione clinica per studiare un trattamento di terapia genica per una rara forma di cecità nota come amaurosi congenita di 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 soffrono di una progressiva perdita della vista fino a perdere completamente la vista, di solito all'età di 40 anni.
Bennett e Maguire hanno inserito il gene RPE65 in un virus adeno-associato, il più gentile, versione più 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 ha iniziato a sfornare la proteina RPE65. guarda ed ecco, la visione di tutti e tre i soggetti è migliorata, e non sono stati segnalati effetti collaterali negativi, comprese risposte immunitarie pericolose. Il team ha deciso di testare una popolazione di test più ampia con una dose più forte del virus. Altri sei pazienti LCA hanno ricevuto la terapia genica e hanno goduto di risultati ancora migliori [fonte:Kaiser].
Ciò colloca SCID e LCA in una categoria rarefatta:malattie trattate con successo con la terapia genica. Eppure genetisti e biologi molecolari sono fiduciosi che ce ne saranno altri. James Wilson, che continua a dare il suo contributo 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. Per 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. lentivirus sono 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 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 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 senza effetti collaterali dannosi [fonte:Cossins].
Nel futuro, emergeranno sicuramente altre terapie geniche promettenti, principalmente per malattie ereditarie, come la fibrosi cistica, distrofia muscolare, anemia falciforme ed emofilia. Anche la fenilchetonuria può diventare un ricordo del passato, qualcosa che probabilmente renderebbe Charlie Gordon piuttosto felice.
È difficile non rimanere impressionati dai meccanismi della terapia genica:il taglio, splicing e scambio di 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 soffra di una rara malattia genetica.
