Hệ thống chuyển tải gen và ứng dụng trong liệu pháp điều trị gen doc

Các bệnh lý di truyền của cơ quan tạo máu và của hệ miễn dịch là lĩnh vực đầu tiên được nghiên cứu theo hướng áp dụng liệu pháp điều trị gen.. Nguyên tắc cơ bản để đạt được sự thành công

Hệ thống chuyển tải gen và ứng dụng trong liệu pháp

điều trị gen

TS Tạ Thành Văn

Bộ môn Hóa-Hóa sinh, Trường Đại học Y Hà Nội

I Giới thiệu chung

Việc áp dụng liệu pháp điều trị gen trong y

học là hướng điều trị đang được nghiên cứu

rộng rãi hiện nay Liệu pháp này được thực

hiện bằng việc chuyển giao gen lành sang các

dòng tế bào bị đột biến gen của bệnh nhân

mắc bệnh di truyền Các bệnh lý di truyền của

cơ quan tạo máu và của hệ miễn dịch là lĩnh

vực đầu tiên được nghiên cứu theo hướng áp

dụng liệu pháp điều trị gen Ngày nay hướng

nghiên cứu điều trị này được triển khai trong

nhiều trường hợp bệnh lý mà nguyên nhân là

do rối loạn hoặc tổn thương hệ thống di truyền

như: các loại hình ung thư, các bệnh thương

tổn hệ thống thần kinh bẩm sinh, hay do tuổi

già, đái tháo đường, bệnh lý bẩm sinh của cơ

(dystrophy), bệnh của cơ quan tạo máu (1-3)

Nguyên tắc cơ bản để đạt được sự thành

công trong liệu pháp đIều trị gen là: 1, Đạt

được hiệu suất cao trong việc cấy gen lành vào

tế bào đích 2, Gen cấy phải hoà nhập vào hệ

thống di truyền của tế bào nhận, hoạt động

hiệu quả và lâu dài để có thể làm thay đổi kiểu

hình của bệnh Điều khác cũng không kém

phần quan trọng là phải hạn chế tai biến cho

bệnh nhân và chi phí thấp Trong bài viết này,

tác giả đề cập đến các phương tiện chuyển tải

gen, khâu then chốt nhất trong liệu pháp điều

trị gen

Hệ thống chuyển tải gen tới tế bào đích

Mục tiêu quan trọng nhất đối với việc phát

triển phương pháp điều trị gen là tạo ra các

vector có khả năng chuyển tải và thể hiện gen

tại các tổ chức cần điều trị Thế hệ đầu tiên của

các vector là việc sử dụng hệ thống virus để

chuyển tải các thông tin di truyền đến các tế

bào của người Tiếp sau đó, các nhà khoa học

đã cố gắng phát triển các thế hệ vector không

thuộc hệ virus hoặc hệ lai giữa hai hệ thống đó

để tăng tính an toàn Gần đây phương pháp dùng các tế bào gốc của người làm phương tiện chuyển tải gen điều trị tới quần thể tế bào bệnh đặc hiệu đang được nghiên cứu áp dụng (hình 1)

Mau

To chuc Nhan

Te bao dich Tac dung

sinh hoc

Hình 1: Các quá trình sinh học của việc

chuyển gen in vivo

(1) Các phương tiện chuyển tải gen (virus, không phải virus, tế bào) tới tế bào đích qua hệ thống tuần hoàn hoặc trực tiếp tại chỗ (2) Vector xâm nhập vào tế bào đích thông qua receptor đặc hiệu trên bề mặt tế bào (Rv) (3)

Tế bào tiếp nhận vector và vận chuyển vào nhân (4) Quá trình sao chép gen ghép trong nhân (5) Quá trình giải mã để tổng hợp protein

“điều trị” ở bào tương (6) Quá trình tương tác của protein mới tổng hợp với receptor đặc hiệu tại chính tế bào sản xuất ra nó hoặc các tế bào bên cạnh hoặc lưu thông trong hệ thống tuần hoàn để tới các tế bào đích ở tổ chức khác (7) Sau khi tương tác với receptor protein “điều trị” phát huy tác dụng sinh học

1 Vector có nguồn gốc từ virus

Vector có nguồn gốc từ virus (virus-vector) là phương tiện vận chuyển gen thuộc thế hệ đầu

tiên được ứng dụng cho tế bào người Đa số các

virus-vector sử dụng trên lâm sàng có nguồn gốc

từ retrovirus hoặc adenovirus Một số virus-vector

có nguồn gốc từ các loại virus khác như

lentivirus, herpes virus, pox virus cũng đang

được nghiên cứu áp dụng (4) Các phần tử

retrovirus mang gen ghép có khả năng xâm nhập

vào hệ thống gen của tế bào chủ để tạo ra dòng

tế bào mang gen ghép ổn định Các retrovirus

trước hết được tổng hợp thông qua sự sao chép

trong tế bào “đóng gói” (packaging cell) đặc hiệu

sau khi tế bào này được chuyển gen từ retrovirus

-vector Các hạn chế chính trong việc áp dụng

retrovirus -vector là hiệu lực virus thấp, không có

khả năng nhiễm vào tế bào không phân chia, và

tiềm ẩn khả năng gây đột biến cho tế bào chủ

Khác với retrovirus, adenovirus có hiệu lực cao

song lại không có khả năng xâm nhập vào hệ

thống gen của tế bào chủ để tạo ra dòng tế bào

ổn định mang gen ghép Tuy vậy adenovirus có

thể xâm nhập vào cả tế bào đang trong giai đoạn

phân chia lẫn ở trạng thái nghỉ Adenovirus là yếu

tố gây bệnh của người và do vậy đa số người

bệnh trong tiền sử đều đã từng bị nhiễm Do vậy

trong máu bệnh nhân thường tồn tại một lượng

nhất định kháng thể kháng virus Chính điều này

làm ảnh hưởng đến việc áp dụng adenovirus

trong điều trị Việc sử dụng adenovirus không

phải nguồn gốc người có thể tránh được hạn chế

này trong điều trị Tuy vậy hiệu quả của việc áp

dụng adenovirus lần 2 thường hạn chế hơn lần

đầu Nói tóm lại việc áp dụng virus-vector trong

điều trị ghép gen trong tương lai sẽ phụ thuộc vào

các hệ thống điều hòa gen bao gồm gen công

tắc (hoạt động theo cơ chế đóng mở), promoter

đặc hiệu tổ chức để cho phép sự thể hiện gen

được thực hiện một cách chuẩn xác về thời điểm,

vị trí trong một khoảng thời gian mong muốn

Các phương tiện chuyển gen nguồn gốc

không phải virus

Cho đến thời điểm này việc tạo ra các

phương tiện vận chuyển gen nguồn gốc không

phải từ virus còn nhiều hạn chế Việc áp dụng

các chất mang gen này mang lại độ an toàn

cao, độc tính thấp song lại bị hạn chế do hiệu

quả chuyển gen thấp Tuy nhiên trong thời gian

gần đây, việc tổng hợp ra các chất mang gen mới có bản chất là lipid và các chất mang cationic polymer đã làm tăng đáng kể hiệu quả của việc chuyển gen (5) Để tạo ra phương tiện vận chuyển gen có hiệu quả cao, độc tính thấp, các nhà khoa học đang nghiên cứu tạo ra phương tiện chuyển gen có nguồn gốc trung gian giữa virus và tổng hợp (6) Phương tiện này sẽ kết hợp được ưu điểm của cả hai phương pháp, hiệu quả chuyển gen cao (nguồn gốc virus), độc tính thấp (nguồn gốc tổng hợp), (hình 2)

Te bao dich

Nhan

Hình 2: Cơ chế hoạt động của phương tiện

vận chuyển gen tổng hợp

(1) Gen “cô đặc” (bởi protamine sulfate) cùng với yếu tố đặc hiệu màng được bao phủ (bởi polyethylene-glycol) lưu thông trong máu

đến tế bào đích (2) Phức hợp gen-yếu tố đặc hiệu màng gắn vào màng tế bào đặc hiệu (3, 4) Phức hợp được vận chuyển vào trong tế bào

và tiến đến nhân (5, 6) Phức hợp xâm nhập vào nhân, hoà vào bộ gen của tế bào đích và quá trình sao chép, tổng hợp protein được khởi

động

2 Vận chuyển gen bằng tế bào gốc

Trong y học, mặc dù việc dùng tế bào để

điều trị (chẳng hạn như truyền máu) đã được

áp dụng cách đây hàng thập kỷ song việc lấy

tế bào bệnh của bệnh nhân, đưa gen lành vào rồi đưa lại vào cơ thể người bệnh là hướng nghiên cứu mới mẻ (4, 7) Việc sử dụng tế bào gốc của người bệnh để đưa gen lành vào sau

đó cấy trở lại cơ thể bệnh nhân nhằm tái tạo ra nhiều dòng tế bào mang gen lành trong một cơ

quan nhất định nào đó là hướng nghiên cứu

được nhiều người quan tâm nhất hiện nay Các

nghiên cứu gần đây tập chung vào việc sử

dụng các tế bào tạo máu, tế bào gốc thần kinh

và các tế bào gốc của bào thai cho mục đích

này Tuy nhiên có nhiều vấn đề cần phải được

giải quyết đó là: 1) Tìm ra môi trường phân lập

và nuôi cấy thích hợp đối với từng loại tế bào

gốc 2) Tìm ra điều kiện thích hợp để tế bào

gốc mang gen ghép có thể biệt hóa thành tế

bào mong muốn cần điều tri 3) Tạo ra các

vector thích hợp để đưa gen cần điều trị vào tế

bào gốc và thúc đẩy gen này hòa vào bộ gen

của tế bào chủ một cách ổn định

II Kết luận

Các nhà khoa học đang cố nghiên cứu

nhằm tìm ra một “vector hoàn hảo” thỏa mãn

tất cả các yêu cầu của liệu pháp điều trị gen

Tuy vậy cũng cần phải nhấn mạnh rằng “vector

hoàn hảo” đó sẽ không phải là công cụ đa

năng bởi lẽ mỗi loại bệnh tật sẽ đòi hỏi một kỹ

thuật chuyên biệt với một vector đặc hiệu Ví

dụ: một số bệnh chỉ đòi hỏi sự chuyển gen cục

bộ như các bệnh Parkinson, viêm võng mạc,

thiếu máu cục bộ trong khi một số bệnh khác

lại đòi hỏi sự chuyển gen cho cả một hệ thống

trong cả một thời gian dài như bệnh xơ vữa

động mạch, ung thư Đối với một số bệnh sản

phẩm của các gen ghép là protein có thể được

tổng hợp từ tế bào của nhiều tổ chức khác

nhau trong cơ thể như yếu tố VIII, IX trong

hemophilia A và B, các hormone Song trong

một số bệnh khác, sản phẩm gen ghép chỉ cần

được tổng hợp trong một giai đoạn nhất thời

như giai đoạn tiền ung thư Thêm vào đó trong

một số trường hợp sản phẩm của gen ghép

không cần phải kiểm soát chặt chẽ như yếu tố

VIII, IX trong hemophilia A và B thì ở bệnh tiểu

đường, lượng insulin tổng hợp cần phải được

điều hòa hết sức nghiêm ngặt Cho đến nay

một số vector đặc hiệu cho một số bệnh đã

được áp dụng trên lâm sàng (bảng 1) và đã

được cấp bản quyền song việc tạo ra một

vector “hoàn hảo” vẫn luôn là một trở ngại nhất

trong liệu pháp điều trị gen

Bảng 1: Các hệ thống chuyển tải gen (vector) và số lần thử nghiệm trên lâm sàng

(1992-2001)

Hệ thống chuyển tải nghiệm

Số lần thử

Retrovirus 67 Liposome 59 Adenovirus 54

Tế bào gốc 20 Pox virus 26 Phương pháp khác* 16 AND tự do 8

*, Electroporation, súng bắn gen

Tài liệu tham khảo

1 Anderson, W F Human gene therapy

Nature 392, 25-30 (1998)

2 Sneyers, M., Dumon, J-C., Vanerenbergh, B

et al Gene therapy clinical trial in Belgium

Human gene therapy 12, 1361-1365 (2001)

3 Rubanyi G.M The future of human gene

therapy Mol aspects med 22, 113-142

(2001)

4 Halene, S., Kohn, D B Gene therapy using hematopoetic stem cells: Sisyphus approaches

the Crest Human gene therapy 11, 1259-1267

(2000)

5 Li, S., Huang, L Nonviral gene therapy:

Promises and challenges Gene therapy 7,

31-34 (2000)

6 Kaneda, Y Development of a novel fusogenic viral liposome system (HVJ-liposomes) and its applications to the treatment

of acquired diseases Mol Membr Biol 16,

119-122 (1999)

7 Kohn, D B Gene therapy for genetic haematological disorders and

immunodeficiencies J Inter Med 249,

379-390 (2001)

Summary

Gene delivery system and its application in gene

therapy

Human gene therapy (HGT) is one of the new therapeutic approaches emerging from this molecular biology and biotechnology revolution HGT is defined as the transfer of nucleic acides (DNA) to somatic cells of a patient, which results in a therapeutic effect, by either correcting genetic defects or by overexpressing proteins that are therapeutically useful

HGT is a complex process, involving multiple steps in the human body including delivery to organs, tissue targeting, cellular trafficking, regulation of gene expression level and duration, biological activity of therapeutic protein, safety of the vector and gene product ect, most of which are not completely understood However, over the recent years, significant progress has been made in various enabling technologies, in the molecular understanding of diseases and the manufacturing of vectors The technical advances together with the ever increasing knowledge and experience in the field will undoubtedly lead to the realization of the potential of HGT in medicine