Młody człowiek, który stopniowo od urodzenia tracił wzrok, poddaje się terapii preparatem zwierającym wirusy z kopią genu niezbędnego do prawidłowej pracy fotoreceptorów. Odwiedzamy go po 2 latach – rozpoznaje wtedy niektóre kształty i świecące obiekty. Gdy spotykamy go po kilku latach, okazuje się, że w znacznym stopniu odzyskał zdolność widzenia. To sceny z filmu science fiction czy realne osiągnięcia biologii molekularnej? 

Już wiesz
  • mutacje zachodzące w genach często są przyczyną chorób genetycznych;

  • mutacja może uniemożliwić powstanie produktu danego genu.

Nauczysz się
  • opisywać początki terapii genowej;

  • oceniać przydatność stosowania terapii genowej w medycynie;

  • przedstawiać przykłady zastosowania terapii genowej;

  • określać zagrożenia wynikające ze stosowania terapii genowej;

  • przedstawiać wady i zalety stosowania terapii genowej u ludzi.

1. Początki terapii genowej

Termin terapia genowa został wprowadzony w 1962 r. przez Wacława Szybalskiego. Przeprowadził oni jedną z pierwszych modyfikacji genetycznych komórek eukariotycznych. Udało mu się wprowadzić fragment ludzkiego prawidłowego DNA w miejsce zmutowanych genów w komórkach szpiku. W ten sposób po raz pierwszy dokonano naprawy nieprawidłowej nici DNA, co stanowiło podwaliny innych zabiegów i metod terapii genowej.

Terapia genowa to metoda leczenia chorób genetycznych polegająca na wprowadzeniu do komórek prawidłowej kopii genu, którego defekt jest przyczyną choroby. Celem terapii może być również włączenie lub wyłączenie funkcji danego genu albo wprowadzenie dodatkowego genu terapeutycznego.

Jednym ze schorzeń, które może być leczone z wykorzystaniem terapii genowej, jest ciężki niedobór odporności spowodowany mutacją w jednym z genów (zespół SCID). W przypadku takiej wady w organizmie chorego występuje niedobór enzymu niezbędnego do prawidłowego działania limfocytów. Choroba objawia się małym przyrostem masy ciała, niskim wzrostem, częstymi, nawracającymi zakażeniami, np. zapaleniem płuc, sepsą. Nieleczona prowadzi do śmierci, która następuje zazwyczaj przed ukończeniem 2 roku życia.

W latach 90. ubiegłego wieku po raz pierwszy zastosowano terapię genową do leczenia czteroletniej pacjentki z ciężkim niedoborem odporności. Z jej organizmu wyizolowano limfocyty z wadliwym genem. Następnie wprowadzono do nich poprawne kopie uszkodzonego genu. Po tym zabiegu komórki znów umieszczono w organizmie dziewczynki. Po 5 latach zaobserwowano u niej wzrost ilości brakującego enzymu, co poprawiło stan zdrowia pacjentki.

Do 2013 r. zastosowano terapię genową ponad 1700 razy. Większość prób miała miejsce w Niemczech, USA i Wielkiej Brytanii. Pomimo wielu lat badań terapia genowa nadal pozostaje eksperymentalną dziedziną nauki.

Ciekawostka

Profesor Szybalski, studiując ponad 50 lat temu zagadnienia terapii genowej, przyrównywał uszkodzenia DNA i wynikające z nich problemy zdrowotne do psującego się auta. Twierdził, że jeśli pacjent choruje, a przyczyną nieprawidłowego działania jest wadliwy gen, to tak jak w przypadku zepsutego elementu mechanizmu samochodu trzeba go wymienić na inny. To zainspirowało naukowca do poszukiwań sposobów dokonania wymiany genów najpierw w wyizolowanych komórkach, a potem u ludzi chorych.

2. Wektory terapii genowej

Wektory, czyli nośniki genów, są używane w celu wprowadzenia materiału genetycznego do komórek organizmu poddawanego terapii. Do najbardziej popularnych należą wektory wirusowe. Do celów terapeutycznych stosuje się zmodyfikowane cząsteczki wirusów, które mogą wprowadzać DNA kodujące na przykład lecznicze białka. Wirusy te nie mogą zakazić organizmu, ponieważ w wyniku przekształceń genetycznych zostały pozbawione genów niebezpiecznych dla człowieka. Dużą zaletą stosowania w terapii wektorów wirusowych jest fakt, że przenoszony przez nie kwas nukleinowy z prawidłowym genem może zostać trwale wbudowany do genomu komórek organizmu. Pozwala to na wytwarzanie substancji do tej pory brakujących komórkom, kodowanych przez gen terapeutyczny.

W terapii genowej można również stosować wektory niewirusowe. Są nimi na przykład liposomy tworzące kompleksy z odcinkami kwasów nukleinowych. Często dodaje się do nich białka pochodzące z wirusów albo inne substancje umożliwiające wniknięcie do komórki. Gdy taki kompleks dostaje się do cytoplazmy, następuje oddzielenie się DNA od liposomu. Wprowadzony w ten sposób kwas nukleinowy umożliwia podjęcie produkcji pożądanych substancji.

Polecenie 1

Odczytaj ze schematu i omów przebieg terapii genowej. Określ rodzaj wektora.

3. Rodzaje i strategie terapii genowej

Terapia genowa może dotyczyć komórek rozrodczych, z których ma powstać nowy organizm, lub komórek tworzących zarodek. Zastosowana wobec zarodka umożliwia dziedziczenie wprowadzonej zmiany. W przypadku terapii genowej komórek somatycznych, czyli budujących ciało organizmu, zmiany nie są dziedziczone. Taka kuracja ma charakter zachowawczy, leczone są tylko objawy, a nie przyczyna choroby. Zmutowane geny pozostają nadal we wszystkich komórkach organizmu, a więc także w komórkach uczestniczących w procesie wytwarzania gamet. Dlatego wadliwy gen jest przekazywany potomstwu, a wprowadzony do organizmu gen terapeutyczny – nie. Obecnie u pacjentów stosuje się wyłącznie terapię somatyczną. Terapia komórek rozrodczych jest zabroniona ze względu na aspekty etyczne.

Do tej pory podjęto próby zastosowania terapii genowej do leczenia:

  • chorób nowotworowych; do komórek przeznaczonych do eliminacji wprowadza się geny kodujące białka, które powodują samozniszczenie komórek nowotworowych i nie są toksyczne dla innych składników organizmu;

  • chorób spowodowanych przez mutacje jednogenowe dominujące, jak np. pląsawica Huntingtona; w przypadku tej choroby ekspresja wadliwego genu prowadzi do powstawania białka zawierającego niepotrzebnie powielony ciąg glutamin; takie białko gromadzi się w komórkach nerwowych i je uszkadza, co skutkuje narastającymi niekontrolowanymi ruchami ciała i otępieniem; leczenie polega na zablokowaniu genu kodującego wadliwe białko za pomocą na przykład niekodujących fragmentów DNA;

  • chorób wywołanych przez mutacje jednogenowe recesywne, jak anemia sierpowata, mukowiscydoza, hemofilia; u osób będących homozygotami recesywnymi brakuje prawidłowych wersji danego genu; w takim przypadku należy wprowadzić ich kopie; jeżeli dany gen nie funkcjonuje wystarczająco wydajnie, także kopie dodatkowe, by wzmocnić jego działanie;

  • wrodzonej ślepoty, choroby autosomalnej recesywnej, wywołanej przez mutację jednego z genów kodującego białko niezbędne w procesie widzenia; objawy występują wkrótce po urodzeniu i polegają na stopniowym zaniku nabłonka i naczyń krwionośnych w siatkówce; w ciągu pierwszych 20 lat życia prowadzą do całkowitej ślepoty; na schorzenie to cierpi 1 na 50 tys. osób; terapię genową zastosowano do tej pory u 6 pacjentów; za pomocą wektora wirusowego wprowadzono do komórek siatkówki gen, którego produktem jest brakujące białko; terapia zakończyła się powodzeniem u 4 osób.

Prowadzone są także badania nad leczeniem cukrzycy. Obecnie wykorzystuje się do nich myszy laboratoryjne z celowo wywołaną chorobą. Terapia polega na wprowadzeniu do wątroby chorych zwierząt genu odpowiedzialnego za produkcję insuliny. Doświadczenia przyniosły bardzo obiecujące rezultaty. Całkowita poprawa stanu zdrowia nastąpiła u połowy myszy biorących udział w eksperymencie. Ich wątroba zaczęła produkować hormon, dzięki czemu można było odstawić insulinę podawaną myszom jako lek.

Niestety, droga do leczenia tą metodą cukrzycy u ludzi jest jeszcze daleka. Główny problem stanowi fakt, że u zwierząt wykorzystywanych do doświadczeń choroby nie powstają naturalnie, lecz są wywoływane celowo, np. w wyniku manipulacji genetycznych. Kolejny aspekt to środowisko życia. Zwierzęta laboratoryjne podczas eksperymentu żyją w ściśle kontrolowanych warunkach, czego nie da się zastosować w przypadku leczenia ludzi z przewlekłymi chorobami. Pomimo wielu trudności, po fazach badań nad zwierzętami można przejść do fazy badań na ludziach. Jest to jednak bardzo kosztowny i długotrwały proces. Obecnie testy mające na celu leczenie cukrzycy za pomocą terapii genowej prowadzi się na dużych ssakach, m.in. na psach.

Ciekawostka

Przykładem defektu genetycznego (choroba LPLD) jest brak jednego z enzymów odpowiadających za rozkład tłuszczów w organizmie. Chorzy mają podwyższony poziom cholesterolu i nawracające zapalenia trzustki. Lek do terapii genowej podaje się w serii wstrzyknięć domięśniowych, a jedna dawka leku zawiera 1x1012 kopii genu. Wkrótce po zaaplikowaniu leku w organizmie zwiększa się ilość brakującego enzymu. Koszt leczenia jednego pacjenta wynosi 1,2 mln euro.

4. Kontrowersje wokół terapii genowej

Wprowadzanie obcych cząsteczek DNA do ludzkiego organizmu rodzi liczne obawy. Pomimo wielu prób leczenia (nowotwory, fenyloketonuria, karłowatość, cukrzyca insulinozależna) i bardzo obiecujących rezultatów stosowanie terapii genowej jest w niektórych przypadkach ryzykowne, a nawet niebezpieczne ze względu na skutki uboczne. Terapia genowa to obecnie terapia eksperymentalna, przez co nie może być powszechnie wykorzystywana. Do tej pory jej zastosowanie doprowadziło do śmierci 2 osób – chłopca mającego zaburzenia odporności oraz nastolatka cierpiącego na rzadką chorobę wątroby. W przypadku tego drugiego przyczyną była prawdopodobnie gwałtowna odpowiedź układu odpornościowego.

Używanie wirusów w terapii genowej ludzi niesie za sobą pewne ryzyko, chociaż geny niebezpieczne dla człowieka są z nich usuwane. Przede wszystkim nić DNA wirusa jest krótka, dlatego nie można w niej umieścić wielu genów. Pamiętać należy, że materiał genetyczny wirusów łatwo ulega mutacjom, dlatego zmodyfikowany wirus może stać się znów niebezpieczny. Ponadto nie można kontrolować miejsca, w którym wbudują się geny terapeutyczne, co w efekcie powoduje obniżenie wydajności stosowanej terapii. Źle wbudowany gen może też tworzyć nieprawidłową sekwencję – nową wadę genetyczną.

Polecenie 2

Przedstaw swoją opinię na temat terapii genowej. Uzasadnij swoje stanowisko co najmniej 2 naukowymi argumentami.

Ciekawostka

Mukowiscydoza to choroba genetyczna. Objawia się wydzielaniem bardzo lepkiego śluzu, który zaburza pracę narządów wyposażonych w gruczoły śluzowe – np. jelita, tchawicy i oskrzeli. Naukowcy z Uniwersytetu w Karolinie Północnej wykorzystali w swoich badaniach zmodyfikowanego wirusa paragrypy, który przenosi poprawną kopię genu do komórek osoby chorej na mukowiscydozę. W wyniku tego ok. 70% komórek otrzymało poprawny gen i zaczęło prawidłowo funkcjonować, co ograniczyło nadmierną produkcję śluzu. Na razie zastosowany wirus wywołuje paragrypę, choć pozbawienie go możliwości wywoływania infekcji to tylko kwestia czasu.

Podsumowanie

  • Termin terapia genowa został wprowadzony przez polskich naukowców.

  • Terapia genowa jest eksperymentalną dziedziną nauki.

  • Terapii genowej mogą być poddawane komórki rozrodcze oraz komórki somatyczne.

  • W terapii genowej nośnikiem kwasów nukleinowych są wektory, np. wirusy.

  • Terapia genowa może być stosowana w leczeniu chorób genetycznych, nowotworowych, infekcyjnych.

Praca domowa
Polecenie 3.1

1. Zespół Pradera‑Willego spowodowany jest delecją długiego ramienia chromosomu 15. Osoby dotknięte tą chorobą są niskie, otyłe i odczuwają niepohamowany głód. Wyobraź sobie, że jesteś lekarzem, który może zaproponować osobie z zespołem Pradera‑Willego eksperymentalną terapię genową związaną z podaniem nowego, niesprawdzonego leku. Twoim obowiązkiem jako lekarza jest zapoznanie pacjenta zarówno z potencjalnymi korzyściami, jak i możliwymi zagrożeniami, jakie niesie ze sobą zastosowanie tego leku. Przedstaw w postaci drzewka decyzyjnego analizę sytuacji i argumentację, która pomogłaby pacjentowi podjąć decyzję.

Polecenie 3.2

2. Przedstaw cechy wirusów, które stanowią o ich wykorzystaniu jako wektory w terapii genowej.

Słowniczek

komórki somatyczne

wszystkie komórki organizmu z wyjątkiem komórek płciowych

limfocyty

komórki układu odpornościowego

liposomy

pęcherzyki wypełnione wodą lub roztworem wodnym, otoczone warstwą lipidową; naturalnym liposomem jest na przykład cząsteczka cholesterolu; liposomy sztuczne służą do transportu zamkniętych w nich substancji, jak np. leki czy dermokosmetyki

Wacław Szybalski

Polski uczony, który prowadził badania głównie w USA. Obszarem jego zainteresowań jest genetyka, biotechnologia, onkologia. Współautor wielu innowacyjnych technik laboratoryjnych z zakresu biotechnologii.

terapia eksperymentalna

leczenie z wykorzystaniem nowych specyfików i technik leczenia, stosowane, gdy rutynowe i sprawdzone metody nie przynoszą efektu i gdy nie ma innej możliwości niesienia pomocy choremu oraz wtedy, gdy istnieje nawet niewielka szansa, że nowa terapia może przynieść korzyści dla pacjenta

Zadania

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3