Genetyka dla SMAków, część IV: Terapia genowa Zolgensma, czyli jak zaprzęgnięto wirusy do leczenia ludzi

10 kwietnia 2020
dr Anna Kordala
Doniesienia naukowe, Terapia genowa Zolgensma®

W związku z informacjami docierającymi z EMA (Europejskiej Agencji Leków) na temat leku Zolgensma, zapraszam Was do przeczytania o tym, jaki jest jego mechanizm działania i po co nam te wirusy. Dzisiejsza opowieść będzie nieco dłuższa niż zwykle, proszę Was o wytrwałość.

Na początek nomenklatura – terapia genowa to taka metoda leczenia, która dostarcza choremu kwasy nukleinowe, czyli RNA lub DNA. Zgodnie z tą definicją nusinersen też jest terapią genową, ponieważ jest krótkim fragmentem RNA. Zolgensma i nusinersen mają inne mechanizmy działania, o nusinersenie można przeczytać tutaj. Dzisiaj przybliżę Wam temat terapii Zolgensma, która zawiera fragment DNA – gen SMN1.

Molekularne walizki z lekami

Większość leków stosowana w historii medycyny i po dziś dzień to tak zwane small molecules – małe cząsteczki chemiczne. Przykłady można mnożyć: kwas acetylosalicylowy (czyli aspiryna), paracetamol, antybiotyki, leki przeciwdepresyjne, i tak dalej. W skrócie, zaletą małych cząsteczek jest to, że mogą zostać wchłonięte do krwi w niezmienionej formie i mogą rozprzestrzenić się po naszym organizmie.

W terapii genowej stosuje się bardzo duże cząsteczki, jak nusinersen czy Zolgensma, które nie mają szans działać po podaniu, na przykład, doustnym. Zostałyby strawione i w ogóle nie opuściłyby naszego układu pokarmowego. Ocenia się, że tylko około 1% podanej dawki nusinersenu dociera w niezmienionym kształcie do swojego celu – jądra komórkowego motoneuronów – a przecież nusinersen jest podawany dokanałowo.

Dlatego jednym z poważnych problemów, z jakimi zmagają się naukowcy na całym świecie, jest tak zwane drug delivery, czyli dostarczenie leku do tego miejsca w organizmie, gdzie ma działać, w wystarczającej ilości. Można wynaleźć niezwykle efektywny lek, ale poprawi on stan chorego tylko wtedy, kiedy dotrze do swojego celu w organizmie człowieka. W celu rozwiązania tego problemu, poszukiwane i konstruowane są przeróżne wektory, czyli nośniki.

Można powiedzieć, że wektory to takie walizki, do których zapakowuje się lek. Podróżują one przez nasz układ krwionośny zamknięte, chroniąc lek przed zniszczeniem i kiedy docierają do celu – otwierają się i uwalniają lek dokładnie tam, gdzie powinien się znaleźć. Okazuje się, że wirusy są całkiem niezłymi walizkami i od ponad pół wieku są badane pod kątem ich wykorzystania w terapii wielu chorób, jak wiemy z sukcesami. Żeby dowiedzieć się, dlaczego tak jest, musimy przypomnieć sobie:

Czym są i jak działają wirusy?

Jest to zadziwiające, ale nie ma zgody co do tak podstawowej sprawy jak to, czy wirusy są organizmem żywym czy nie. Składają się one jedynie ze swojego materiału genetycznego (RNA lub DNA) i białek, które otaczają ten materiał. Nie są zbudowane nawet z jednej komórki. Bakterie, które często wymienia się jednym ciągiem obok wirusów, są od nich 100 razy większe. Wirusy są tak małe, że istnieją takie typy, które atakują wyłącznie bakterie. Nazywają się bakteriofagi i wyglądają jak mikroskopijne sondy kosmiczne (idziemy do Cioci Google i wpisujemy „bakteriofag, grafika”).

Wirusy nie są powszechnie uznane za organizm żywy przede wszystkim dlatego, że nie mogą się same rozmnażać. Żeby stworzyć więcej wirusów, atakują inne organizmy, jak bakterie, rośliny, zwierzęta czy ludzi. W uproszczeniu dzieje się to tak:

Wirus przyczepia się do komórki np. w organizmie człowieka.
Wirus wnika do komórki.
Wirus otwiera walizkę – uwalnia swój materiał genetyczny (w przypadku leku Zolgensma: DNA)
Wirus zmusza komórkę do pracy: zwykle komórka zaczyna produkować białka wirusa i powielać DNA wirusa. (Uwaga, w przypadku Zolgensmy nie ma mowy o powielaniu DNA wirusa!)
Nowo wyprodukowane DNA i białka łączą się, tworząc nowe wirusy.
Nowe wirusy opuszczają komórkę, często ją zabijając.

Pierwsze cztery punkty pokazują, że wirusy są wymarzonymi „walizkami” do przenoszenia terapii genowej – bo na co dzień przenoszą w ten sposób swoje własne geny i zmuszają komórkę do produkcji wirusowych białek.

Czy w takim razie można podmienić materiał genetyczny tak, żeby nie kodował białek wirusowych, tylko białko SMN? Odpowiedź już znamy.

Naukowcy właśnie to zrobili – podmienili materiał genetyczny wirusa i wprowadzili ludzki gen SMN1. W ten sposób zmuszają komórki, do których wnika wirus, do produkcji białka SMN z genu SMN1⁽¹⁾.

Czy w takim razie gen SMN1 przenoszony przez Zolgensma wbudowuje się do DNA człowieka?

Nie, nie wbudowuje się! Zamieszanie prawdopodobnie wzięło się stąd, że po pierwsze, pewne rodzaje wirusów właśnie tak działają, że DNA wirusa wbudowuje się do DNA człowieka. Tego też uczeni jesteśmy w szkole. Po drugie, wirusy, które jako pierwsze były badane pod kątem terapii genowej, retrowirusy i lentiwirusy, wbudowują swój materiał genetyczny do DNA gospodarza (4). Wirusy użyte w Zolgesma tego nie robią (AAV, o nich za moment). Jak to działa w takim razie?

DNA wirusa z genem SMN1 wnika do jądra komórkowego np. motoneuronu. Tam istnieje w zamkniętej kolistej formie, która jest stabilna. Motoneuron zaczyna produkować białko SMN z genu SMN1 mimo, że DNA nie wbudowało się do jego własnego DNA^[4]. W ten sposób w komórce człowieka istnieją obok siebie dwa rodziaje DNA – ogromna cząsteczka DNA ludzkiego i malutki kolisty fragment z SMN1 pochodzący od wirusa.

Czy to jest niebezpieczne?

W końcu w punkcie szóstym napisano, że wirusy opuszczają komórkę zabijając ją? Tak, ale na szczęście nie wszystkie! Do produkcji Zolgensma wykorzystano tzw. wirus AAV9 – adeno-associated virus – wirusy towarzyszące adenowirusom, serotyp 9. Jak już wiemy, wirusy AAV9 w Zolgensmie są tak zmienione, że nie produkują wirusowych białek, tylko SMN, a ich DNA nie jest powielane.

Wirusy AAV mają wiele zalet, które umożliwiają ich wykorzystanie w terapii:^{[2, 3]}

są niepatogeniczne – to znaczy, że nie powodują żadnej choroby u człowieka. Większość dorosłych jest lub była nimi zakażona i przeszła to bez objawów.
są bezpieczne (patrz punkt 1).
nie są wybredne – wnikają do wielu różnych rodzajów komórek, nie musimy się martwić, że pominą neurony.
potrafią działać na komórki, które się nie dzielą – to wspaniała wiadomość w chorobach dotykających układ nerwowy, bo neurony się nie dzielą. Nie wszystkie wirusy to potrafią.
działają przez długi okres czasu.
są łatwiejsze w produkcji niż inne wirusy. To jest niesamowicie ważne, bo dawka Zolgensma to 1.1 x 10¹⁴ wirusów na każdy kilogram masy ciała pacjenta – czyli 110 000 000 000 000 wirusów na kilogram!^[5]

Wadą AAV jest to, że są bardzo malutkie, nawet jak na wirusy. Powoduje to, że część genów jest po prostu za duża, żeby się zmieścić w ich wnętrzu. Na szczęście SMN1 jest wystarczająco krótki, więc w przypadku SMA rozmiar nie jest problemem.

Zolgensma nie jest jedynym lekiem wykorzystującym AAV. Dzięki powyższym zaletom są one używane w rozwoju terapii genowych wielu chorób. W 2017 FDA dopuściła pierwszą terapię genową do podania in vivo – Luxturnę, do leczenia wrodzonej ślepoty Lebera, w której nośnikiem jest siostrzany AAV2. Badania kliniczne z wykorzystaniem AAV są prowadzone pod kątem leczenia hemofilii, niewydolności serca, chorób neurologicznych – jak na przykład dystrofii mięśniowej Duchenne’a – i wielu innych^[2].

Dlaczego lek Zolgensma można podać tylko raz?

Nasz układ odpornościowy reaguje na każde obce białko wprowadzone do naszego organizmu – tworzy ochronne twory, tak zwane przeciwciała – bo działają przeciw danemu białku. Przeciwciała mają za zadanie połączyć się z obcym białkiem i je zniszczyć. Zostają w naszym organizmie długo po zniknięciu wirusa. Dlatego podając lek Zolgensma po raz drugi, przeciwciała są już gotowe we krwi pacjenta i szybko zniszczą wirusa.

Dlaczego leku Zolgensma nie trzeba podawać dokanałowo, a wystarczy dożylnie?

Ponieważ, w przeciwieństwie do nusinersenu, wirusy AAV potrafią przechodzić przez barierę krew-mózg i dotrą do motoneuronów podane w ten sposób. Dodatkową zaletą Zolgensma jest to, że dostarcza gen SMN1 nie tylko do neuronów, ale też do innych komórek np. mięśni. Musimy pamiętać, że białka SMN brakuje w całym organizmie chorego, po prostu motoneurony są znacznie bardziej wrażliwe i ich życie bardziej zależy od ilości SMN niż życie innych komórek.

* * *

Podsumowując, terapia genowa wykorzystuje naturalne mechanizmy wirusów. Dodając do wirusa gen SMN1 terapia sprawia, że zainfekowane wirusem komórki zaczynają produkować białko SMN. Wykorzystany jest wirus AAV9, który ma wiele zalet, przede wszystkim jest bezpieczny i infekuje neurony. DNA wirusa AAV nie wbudowuje się do DNA człowieka. Wiele grup badawczych na całym świecie pracuje nad leczeniem kolejnych chorób genetycznych z wykorzystaniem wirusów AAV, i nie tylko.

Dziękuję tym, którzy dotrwali do końca, napiszcie proszę, czy tekst spełnił wasze oczekiwania i o czym jeszcze chcecie przeczytać.

Ania

Na podstawie (dla zainteresowanych – pozycja 3 jest po polsku):