Hoe Gentherapie Werkt

{h1}

Gentherapie is gemakkelijk te beschrijven op papier, maar veel moeilijker om te implementeren in menselijke cellen. Leer nu hoe gentherapie werkt bij WordsSideKick.com.

Herinner je je Charlie Gordon nog? Hij was de ster van "Flowers for Algernon", een veelgeprezen roman (en later een door de Academy Award bekroonde film) geschreven door Daniel Keyes in 1966.

Gordon was een 32-jarige geestelijk gehandicapte man wiens handicap te herleiden was tot een onbehandeld geval fenylketonurie (PKU), een ziekte die wordt veroorzaakt door het verlies van een gen. Dat gen codeert voor een enzym dat het aminozuur metaboliseert fenylalanine. Als mensen met PKU voedingsmiddelen eten die fenylalanine bevatten, bouwen de stof en de bijproducten zich op in hun bloed en worden ze toxisch, wat hersenbeschadiging, pigmentverlies, epileptische aanvallen en tal van andere problemen veroorzaakt.

In de wereld van fictie overwint Gordon uiteindelijk de erfelijke ziekte door een experimentele operatie te ondergaan om zijn intelligentie te vergroten. In werkelijkheid hebben mensen die geboren zijn met de aandoening een heel andere ervaring, maar alleen omdat ze een strikt eiwitarm dieet volgen om voedingsmiddelen met fenylalanine te vermijden, zoals allerlei soorten vlees, zuivelproducten, noten, bonen, tofu en de kunstmatige zoetstof aspartaam.

De ideale oplossing kan ergens liggen tussen gevaarlijke hersenoperaties en strenge dieetbeperkingen. De ideale oplossing is misschien om het ontbrekende gen te vervangen, zodat mensen met PKU evenveel kunnen genieten van eiwitrijk voedsel als mensen zonder dit. Dankzij de vooruitgang in gentherapie - de toevoeging van nieuwe genen aan de cellen van een persoon om ontbrekende of slecht functionerende genen te vervangen - deze schijnbaar onmogelijke droom kan spoedig een realiteit zijn.

Gentherapie heeft een lange weg afgelegd sinds de donkere dagen van de jaren negentig, toen de veelbesproken behandeling leidde tot de dood van verschillende patiënten. Onderzoekers hebben de afgelopen twee decennia veel geleerd, misschien wel de belangrijkste daarvan: Gentherapie is gemakkelijk te beschrijven op papier, maar veel moeilijker te implementeren in menselijke cellen. Gelukkig voor ons zijn deze vastberaden wetenschappers blijven werken aan de puzzel tot, ten slotte, gentherapie staat klaar om de moderne geneeskunde te revolutioneren.

Op de volgende pagina's gaan we een spoedcursus gentherapie maken - hoe het werkt, wat het kan behandelen, waarom het lastig is en wanneer het beschikbaar kan zijn in uw plaatselijke kliniek. Voordat we beginnen aan het gentherapie-sneltraject, laten we een paar voorbereidende ronden nemen om de fundamenten van de DNA-functie en genexpressie te herzien.

Eén gen, één proteïne: de basisprincipes van gentherapie

DNA-structuur

DNA-structuur

Om deze medische behandeling te begrijpen, is actieve kennis van genen vereist. Het goede nieuws is dat je dit waarschijnlijk hebt behandeld in je biologieles voor de middelbare school, maar voor het geval je het bent vergeten, hier is een korte samenvatting. EEN gen verwijst naar een enkele eenheid erfelijke informatie - een factor die een bepaalde specifieke activiteit of eigenschap beheerst. Genen bestaan ​​op chromosomen, die zelf verblijven in de kernen van onze cellen.

Chromosomen bevatten natuurlijk lange ketens van DNA, gebouwd met herhalende subeenheden die bekend staan ​​als nucleotiden. Dat betekent dat een enkel gen een eindige stuk DNA is met een specifieke sequentie van nucleotiden. Die nucleotiden fungeren als een blauwdruk voor een specifiek eiwit, dat wordt geassembleerd in een cel met behulp van een meerstapsproces.

  • De eerste stap, bekend als transcriptie, begint wanneer een DNA-molecuul uitpakt en dient als een sjabloon om een ​​enkele streng van complementair boodschapper-RNA te creëren.
  • Het boodschapper-RNA reist vervolgens uit de kern en naar het cytoplasma, waar het hecht aan een structuur die het ribosoom wordt genoemd.
  • Daar bepaalt de genetische code die is opgeslagen in het boodschapper-RNA, dat zelf de code in het DNA weerspiegelt, een precieze sequentie van aminozuren. Deze stap staat bekend als vertalingen het resulteert in een lange keten van aminozuren - een eiwit.

Eiwitten zijn de werkpaarden van cellen. Ze helpen bij het bouwen van de fysieke infrastructuur, maar ze beheersen en reguleren ook belangrijke metabole routes. Als een gen niet goed functioneert - als de sequentie van nucleotiden bijvoorbeeld wordt vervormd - zal het bijbehorende eiwit niet worden gemaakt of niet correct worden gemaakt. Biologen noemen dit een mutatieen mutaties kunnen tot allerlei problemen leiden, zoals kanker en fenylketonurie.

Gentherapie probeert een defect gen te herstellen of te vervangen, waardoor het vermogen van een cel om een ​​ontbrekend eiwit te maken, wordt hersteld. Op papier is het eenvoudig: je plaatst gewoon de juiste versie van een gen in een streng DNA. In werkelijkheid is het iets gecompliceerder omdat cellen externe hulp nodig hebben in de vorm van een virus. U denkt waarschijnlijk aan virussen als middelen die infecties veroorzaken - pokken, griep, hondsdolheid of aids. In gentherapie gebruiken wetenschappers deze kleine levende, maar niet-levende deeltjes om een ​​cel een genetische make-over te geven. In de volgende sectie zullen we onderzoeken welke virussen worden gebruikt en waarom.

Virussen als gentherapie Vectoren

Hoe gentherapie werkt: cellen

Virussen hebben jarenlang perplex biologen. Ze konden de effecten van virussen zien - ziekte - maar ze konden het infecterende agens niet isoleren. Eerst dachten ze dat ze te maken hadden met extreem kleine bacteriecellen. Vervolgens kristalliseerde de Amerikaanse wetenschapper Wendell Stanley, midden in een golf van interesse in virussen, de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor tabakmozaïekziekte en beschreven ze virussen voor de wereld in 1935.

Deze vreemde entiteiten hebben geen kernen of andere cellulaire structuren, maar ze hebben wel nucleïnezuur, ofwel DNA of RNA. Dit kleine pakket met genetische informatie zit verpakt in een eiwitlaag, die in sommige gevallen in een vliezige envelop is gewikkeld.

In tegenstelling tot andere levende wezens kunnen virussen zich niet zelfstandig reproduceren omdat ze niet over de nodige cellulaire machines beschikken.Ze kunnen zich echter reproduceren als ze een cel binnenvallen en de apparatuur en enzymen van de cel lenen. Het basisproces werkt als volgt:

  1. Een virus komt een gastheercel binnen en geeft zijn nucleïnezuur en eiwitten af.
  2. Gastheersingsenzymen herkennen het virale DNA of RNA niet als vreemd en maken gelukkig heel veel extra kopieën.
  3. Tegelijkertijd transcriberen andere gastheer-enzymen het virale nucleïnezuur in boodschapper-RNA, dat vervolgens dient als een matrijs om meer virale eiwitten te maken.
  4. Nieuwe virusdeeltjes assembleren zichzelf, gebruikmakend van de verse toevoer van nucleïnezuur en eiwit vervaardigd door de gastheercel.
  5. De virussen verlaten de cel en herhalen het proces in andere hosts.

Dat vermogen om genetische informatie in cellen te dragen maakt virussen bruikbaar bij gentherapie. Wat als je een fragment van viraal DNA kon vervangen door het DNA van een menselijk gen en dat virus dan een cel kon laten infecteren? Zou de gastheercel geen kopieën van het geïntroduceerde gen maken en vervolgens de blauwdruk van het gen volgen om het bijbehorende eiwit te produceren? Zoals blijkt, is dit volledig mogelijk - zolang wetenschappers het virus aanpassen om te voorkomen dat het een ziekte veroorzaakt of een immuunreactie veroorzaakt door de gastheer. Wanneer dit zo is gewijzigd, kan een dergelijk virus een voertuig worden, of vector, om een ​​specifieke gentherapie te leveren.

Tegenwoordig gebruiken onderzoekers verschillende soorten virussen als vectoren. Een favoriet is adenovirus, het middel dat verantwoordelijk is voor verkoudheid bij de mens. Adenovirussen introduceren hun DNA in de kern van de cel, maar het DNA is niet geïntegreerd in een chromosoom. Dit maakt ze goede vectoren, maar ze stimuleren vaak een immuunrespons, zelfs als ze verzwakt zijn. Als een alternatief kunnen onderzoekers rekenen op adeno-geassocieerde virussen, die geen bekende menselijke ziekten veroorzaken. Niet alleen dat, ze integreren hun genen in gastheerchromosomen, waardoor de cellen het ingevoegde gen kunnen repliceren en doorgeven aan toekomstige generaties van de gewijzigde cellen. retrovirussen, zoals degenen die AIDS en sommige soorten hepatitis veroorzaken, splitsen ook hun genetisch materiaal in de chromosomen van de cellen die ze binnenvallen. Dientengevolge hebben onderzoekers retrovirussen uitgebreid bestudeerd als vectoren voor gentherapie.

Out-of-body gentherapie

Ernstig gecombineerd immunodeficiëntie (SCID) -syndroom is een van de (beperkte) succesverhalen van gentherapie. Hier afgebeeld is

Ernstig gecombineerd immunodeficiëntie (SCID) -syndroom is een van de (beperkte) succesverhalen van gentherapie. Hier afgebeeld is "bubbeljongen" David Vetter, die SCID had en stierf jaren voordat de processen begonnen.

Het idee van gentherapie stuitert al tientallen jaren rond de hersenen van wetenschappers. In feite was het Edward Tatum, een Amerikaanse geneticus, die voor het eerst suggereerde dat genetische ziekten kunnen worden genezen met 'genetische manipulatie' in 1966. Datzelfde jaar schetste een andere Amerikaan, Joshua Lederberg, de details van 'virogenische therapie' in een artikel gepubliceerd in The American Naturalist. Talloze onderzoekers werkten vervolgens ijverig om gentherapie van concept naar realiteit te verplaatsen. In 1972 ontdekte biochemicus Paul Berg hoe hij een deel van het menselijke DNA moest wegsnijden en dit in het genoom van een virus kon invoegen, dat hij vervolgens gebruikte om bacteriecellen te infecteren. Uiteindelijk kon hij bacteriën krijgen om humane insuline te produceren. Tien jaar later voegde Ronald M. Evans het gen voor rattengroeihormoon in een retrovirus en bracht dat gen vervolgens over in muiscellen.

Al deze inspanningen zetten het podium voor een gentherapie revolutie. De eerste gentherapieproef, goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration, vond plaats in 1990. De proef richtte zich op patiënten met ernstige gecombineerde immunodeficiëntie (SCID), ook bekend als "bubble boy" -ziekte na David Vetter, die in de steriele omgeving van een plastic bubbel tot hij op 12-jarige leeftijd stierf in 1984.

Onderzoekers in dit onderzoek gebruikten wat bekend staat als een uit het lichaam gentherapie. Ten eerste oogstten ze merg van een patiënt door een speciale naald door de huid en in het heupbot te steken. Vervolgens brachten ze in het laboratorium de stamcellen uit het merg bloot aan retrovirussen waarvan het RNA was gemodificeerd om het gen te bevatten dat is geassocieerd met SCID. De retrovirussen infecteerden de stamcellen en brachten het functionele gen in het gastheerchromosoom. Vervolgens namen wetenschappers de gemanipuleerde stamcellen en injecteerden ze terug in de bloedbaan van de patiënt. De cellen maakten een referentie voor het beenmerg en groeiden, zoals alle goede stamcellen, in verschillende celtypen, waaronder gezonde T-cellen met functionerende kopieën van het noodzakelijke gen. Met behulp van deze techniek zijn tientallen kinderen met SCID volledig genezen. Maar het is niet de enige ziekte - of benadering - op de afspeellijst van genetici [bron: Nienhuis].

In-the-body gentherapie

De tweede gebruikelijke manier om gentherapie toe te dienen, is door het gen-dragende virus rechtstreeks in het gebied met defecte cellen te injecteren. James Wilson, hoogleraar pathologie en laboratoriumgeneeskunde aan de universiteit van Pennsylvania, pionierde in de jaren negentig in deze zogenaamde 'in-the-body'-gentherapie. Hij gebruikte adenovirus als zijn vector, maar verzwakte het om de immuunrespons in de ontvanger te beperken. In vroege tests leek zijn gemodificeerde virus helemaal geen schade toe te brengen - zelfs niet te snuiven - bij proefpersonen. Dat betekende dat het genen betrouwbaar kon afleveren met weinig bijwerkingen.

In 1999 leidde hij een fase I klinische studie om adenovirus-gebaseerde therapie te testen voor de behandeling van een zeldzame genetische stoornis, ornithine transcarbamylase (OTC) -deficiëntie genaamd. OTC is een enzym dat het lichaam overtollige stikstof helpt afbreken. Zonder dit neemt het ammoniakgehalte toe totdat de hersenen vergiftigd raken. Een enkel gen op het X-chromosoom codeert voor het enzym, waardoor het een ideale kandidaat is voor de experimentele therapie. Wilson voegde het OTC-gen in verzwakte adenovirusdeeltjes in en injecteerde die vervolgens in de lever van 18 patiënten [bron: Neimark].

Het idee was eenvoudig: het virus zou de levercellen infecteren, die vervolgens het OTC-gen zouden repliceren en het enzym zouden gaan produceren. Helaas stierf een van de patiënten, de 18-jarige Jesse Gelsinger, slechts drie dagen na ontvangst van zijn injectie van het geconstrueerde virus. Wetenschappers denken nu dat het lichaam van Gelsinger een massieve immuunrespons opliep, wat leidde tot wijdverspreid orgaanfalen. Dat is slechts een van de risico's van gentherapie, zoals we op de volgende pagina zullen zien.

Germline gentherapie

Tot nu toe hebben wetenschappers hun gentherapie-experimenten gericht op Somatische cellen - elke cel van het lichaam anders dan geslachtscellen. Met andere woorden, deze behandelingen kunnen niet worden doorgegeven aan iemands kinderen. Het is in theorie mogelijk om het DNA van eieren en zaadcellen te manipuleren, waardoor genetisch gemanipuleerde genen kunnen worden doorgegeven aan toekomstige generaties. Deze zogenaamde kiemlijn-gentherapie roept een aantal ethische bezwaren op en blijft verboden voor onderzoekers die federale fondsen willen verwerven.

Gentherapie Veiligheid

De dood van Jesse Gelsinger verblufte het publiek en het stuurde ook schokgolven door de wetenschappelijke gemeenschap. Genetici kwamen tot het pijnlijke besef dat gentherapie, hoewel gemakkelijk te diagrammen op papier, vol zat met uitdagingen en valkuilen. En het deed er niet toe hoe ze het probleem aanpakken - zowel in-als uit-het-lichaam benaderingen kwamen met inherente risico's.

Voor gentherapie in het lichaam is het grootste probleem het immuunsysteem van de patiënt. Het lichaam ziet adenovirusdeeltjes, zelfs die met een menselijk gen, als vreemde objecten. Wanneer ze hostcellen binnenkomen, reageert de host door een tegenaanval te starten om de indringers te verwijderen. Dit is wat er gebeurde met Jesse Gelsinger. Zijn immuunsysteem realiseerde zich niet dat de virussen behulpzaam probeerden te zijn, en het zorgde voor een krachtige aanval, waarbij zijn organen werden afgesloten tijdens het proces. Tegenwoordig kunnen onderzoekers Gelsinger lagere therapiedoses geven of hem voorbehandelen met immunosuppressiva. Een andere optie die wordt onderzocht omvat "naakt" DNA, dat verwijst naar een nucleïnezuurmolecuul ontdaan van zijn virale drager.

Out-of-the-body therapieën die vertrouwen op retrovirussen hebben hun eigen problemen. Vergeet niet dat retrovirussen hun DNA in het chromosoom van de gastheer steken, een beetje zoals een korte zin uit één zin oppakken en in een langere zin inpluggen. Als de invoeging niet op de juiste plaats plaatsvindt, is de resulterende "taal" misschien niet logisch. In sommige gentherapieproeven met retrovirussen ontwikkelden patiënten leukemie en andere vormen van kanker omdat het inbrengen van één gen de functie van andere omringende genen verstoort. Deze complicatie heeft verschillende kinderen in de SCID-onderzoeken getroffen, hoewel veel van hen de kanker met andere therapieën hebben verslagen.

Vanwege deze problemen reguleert de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) alle gentherapieproducten in de Verenigde Staten via zijn Centre for Biologics Evaluation and Researchof CBER. Het centrum biedt ook proactief wetenschappelijk en regelgevend advies aan medische onderzoekers en fabrikanten die geïnteresseerd zijn in het ontwikkelen van menselijke gentherapieproducten. Onderzoekers kunnen zich ook wenden tot de National Institutes of Health voor begeleiding en richtlijnen bij het uitvoeren van klinische proeven met gentherapie.

Tot op heden heeft het centrum nog geen menselijk gentherapieproduct voor de verkoop goedgekeurd, hoewel verschillende lopende onderzoeken veelbelovende resultaten opleveren. Vervolgens bekijken we enkele recente successen in wat volgens velen de tweede revolutie van gentherapie is.

De ethiek van gentherapie

De veiligheid van gentherapie is slechts een deel van het probleem. Veel mensen vragen zich af of het wijzigen van iemands genen moreel goed of juist is. Ze vragen zich af wie bepaalt welke genen "goed" zijn en welke "slecht" zijn. Ze vragen zich ook af welke kosten verbonden zijn aan gentherapie. Als behandelingen gepaard gaan met een hoog prijskaartje, zullen ze dan niet veel te bieden hebben voor veel patiënten met een laag inkomen of een ontoereikende ziekteverzekering? En wat gebeurt er wanneer iemand besluit om gentherapie te gebruiken om niet-dodelijke menselijke eigenschappen te corrigeren, zoals lengte, intelligentie en atletisch vermogen? Deze ethische vragen zijn net zo belangrijk als alle vragen over de biologie van virussen of de mechanica van geninsertie en -expressie.

Ziekten behandeld met gentherapieën

Na de dood van Jesse Gelsinger, verbood de FDA James Wilson van het uitvoeren van gentherapie-experimenten met menselijke onderwerpen. Andere onderzoekers opereerden echter niet onder dezelfde beperkingen.

In 2007 startte Jean Bennett, een moleculair geneticus en arts aan de University of Pennsylvania School of Medicine, en haar man, Albert Maguire, een netvlies chirurg aan het Children's Hospital in Philadelphia, met een klinische studie om een ​​gentherapiebehandeling voor een zeldzame vorm van blindheid bekend als leber congenitale amaurosis (LCA). Een mutatie in een gen dat bekend staat als RPE65 leidt tot een tekort aan een eiwit dat van vitaal belang is voor de normale functie van het netvlies. Mensen die dit eiwit missen, lijden progressief verlies van gezichtsvermogen totdat ze alle zicht verliezen, meestal op de leeftijd van 40.

Bennett en Maguire hebben het RPE65-gen ingevoegd in een adeno-geassocieerd virus, de vriendelijkere, zachtere versie van adenovirus. Vervolgens injecteerden ze het gemanipuleerde virus in lage doses in het netvlies van drie patiënten. De virussen infecteerden de retinale cellen, die het RPE65-eiwit begonnen te karnen. Kijk maar, het gezichtsvermogen van alle drie de proefpersonen verbeterde en er werden geen vervelende bijwerkingen gemeld, waaronder gevaarlijke immuunresponsen. Het team besloot om een ​​grotere testpopulatie te testen met een sterkere dosis van het virus. Zes andere LCA-patiënten kregen de gentherapie en genoten nog betere resultaten [bron: Kaiser].

Dat brengt SCID en LCA in een ijle categorie - ziekten die met succes worden behandeld door gentherapie. En toch hebben genetici en moleculair biologen er vertrouwen in dat er meer zal zijn. James Wilson, die nog steeds een bijdrage levert aan het veld, heeft 120 soorten adeno-geassocieerde virussen geïsoleerd, waarvan vele effectiever in sommige weefsels werken dan andere. Sommige van deze vectoren hebben bijvoorbeeld een affiniteit voor hartweefsel, terwijl andere een affiniteit hebben voor cellen in het ruggenmerg en de hersenen. Toekomstig onderzoek kan leiden tot levensvatbare behandelingen voor spinale letsels en ziekten zoals Parkinson [bron: Neimark].

Onderzoekers boeken ook grote vooruitgang met niet-lichamelijke therapieën. In juli 2013 publiceerde het tijdschrift Science de resultaten van twee studies die het gebruik van lentivirussen als gentherapie-vectoren onderzoeken. lentivirussen zijn retrovirussen, maar ze zijn uniek in hun vermogen om genen efficiënt en permanent over te brengen in zowel delende als niet-delende cellen. Andere retrovirussen moeten hun genetische voodoo op delende cellen doen. Wellicht nog belangrijker is dat lentivirussen minder geneigd zijn om andere kankergerelateerde genen te activeren wanneer ze hun nuttige lading in het DNA van de gastheer inbrengen. Toen onderzoekers op lentivirale gebaseerde therapie testten op patiënten met adrenoleukodystrofie, een X-gebonden neurodegeneratieve ziekte die jonge mannen treft, en metachromatische leukodystrofie, een zeldzame neurodegeneratieve ziekte veroorzaakt door mutaties in een enkel gen, waren ze in staat de progressie van beide ziekten te stoppen met geen schadelijke bijwerkingen [bron: Cossins].

In de toekomst zullen waarschijnlijk andere veelbelovende gentherapieën verschijnen, voornamelijk voor erfelijke ziekten, zoals cystic fibrosis, spierdystrofie, sikkelcelanemie en hemofilie. Zelfs fenylketonurie kan iets uit het verleden worden, iets dat Charlie Gordon waarschijnlijk gelukkig zou maken.

Notitie van de auteur: Hoe gentherapie werkt

Het is moeilijk om niet onder de indruk te raken van de mechanica van gentherapie - het knippen, splitsen en verwisselen van DNA. Maar het scheiden van de "Kun je?" van de "Zou u?" lijkt een veel lastiger klus. Ik vermoed dat het aanpakken van de ethiek van gentherapie sterk afhankelijk is van het feit of u of een familielid lijdt aan een zeldzame genetische aandoening.


Video Supplement: Virussen.




Onderzoek


Aarde Was 4,5 Miljard Jaar Geleden Verdampt En (Misschien) Daarom Hebben We Een Maan
Aarde Was 4,5 Miljard Jaar Geleden Verdampt En (Misschien) Daarom Hebben We Een Maan

Zeldzame Colorado Tornado Tweede Hoogste In Amerikaanse Geschiedenis
Zeldzame Colorado Tornado Tweede Hoogste In Amerikaanse Geschiedenis

Science Nieuws


Bijbel Mogelijk Geschreven Eeuwen Eerder, Tekst Suggereert
Bijbel Mogelijk Geschreven Eeuwen Eerder, Tekst Suggereert

Afleidingen Van Mobiele Telefoons: Voetgangersletsel Stijgt
Afleidingen Van Mobiele Telefoons: Voetgangersletsel Stijgt

Geschiedenis Van Het Uiteenvallen Van Het Oude Supercontinent
Geschiedenis Van Het Uiteenvallen Van Het Oude Supercontinent

Gehoorverlies Bij Tieners Spikes Op Een Mysterieuze Manier
Gehoorverlies Bij Tieners Spikes Op Een Mysterieuze Manier

Kan Te Veel Vitamine D Giftig Zijn?
Kan Te Veel Vitamine D Giftig Zijn?


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com