Исследователи из Института биологических исследований Солка разработали способ использования собственных клеток пациентов для потенциального лечения серповидно-клеточной анемии и многих других заболеваний, вызванных мутациями в гене, который способствует выработке гемоглобина в крови.
Этот метод использует клетки кожи пациента для создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), которые способны развиваться в различные типы зрелых тканей, включая кровь. Ученые говорят, что их метод, который восстанавливает ген бета-глобина (HBB), позволяет избежать методов генной терапии, которые могут вводить потенциально вредные гены в клетки.
Исследователи говорят, что новый метод, который вскоре будет опробован в качестве терапии на животных, также оказался намного более эффективным, чем другие методы, испытанные на сегодняшний день.
"Наши результаты закладывают основу для разработки основанных на ИПСК методов лечения разрушительных генетических заболеваний, таких как серповидно-клеточная анемия," говорит главный исследователь исследования Хуан Карлос Изписуа Бельмонте, профессор Солка и глава лаборатории экспрессии генов.
Серповидно-клеточная анемия – это группа наследственных заболеваний крови, вызванных генетическими мутациями в гене HBB, приводящими к аномальному гемоглобину, железосодержащему белку, который обычно позволяет клеткам крови переносить кислород. Это приводит к тому, что красные кровяные тельца становятся твердыми и липкими и напоминают изогнутый сельскохозяйственный инструмент, называемый "серп." При двух основных заболеваниях, вызванных мутациями HBB, серповидно-клеточной анемии и бета-талассемии, красные кровяные тельца не могут эффективно переносить кислород.
Симптомы серповидноклеточной анемии включают отек рук и ног, боль из-за закупорки кровеносных сосудов, анемию и инсульт.
Расстройства наиболее распространены среди людей африканского, средиземноморского и ближневосточного происхождения. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, каждый 500 афроамериканец и каждый 30 000 латиноамериканцев рождаются с серповидно-клеточной анемией.
Заболевание можно вылечить с помощью трансплантации стволовых клеток или костного мозга, но существует высокий риск того, что получатели трансплантатов откажутся от донорского костного мозга или клеток, что может привести к серьезным побочным эффектам и даже смерти.
Исследователи Солка, в состав которых входят соавторы Мо Ли и Кейитиро Судзуки, оба научные сотрудники лаборатории Бельмонте, решили разработать безопасный метод использования ИПСК для коррекции гена HBB у пациентов с дефектными копиями гена.
Поскольку ИПСК поступают из собственного тела пациента, они должны нести меньший риск отторжения трансплантата. Кроме того, в гене HBB было идентифицировано около 500 других мутаций, вызывающих заболевание, поэтому исправление гена потенциально может вылечить множество заболеваний, связанных с HBB, во всем мире.
Однако, по мнению исследователей, традиционные методы генерации ИПСК и генной терапии оказались потенциально небезопасными.
Многие использовали вирусы для преобразования взрослых клеток в стволовые клетки и для переноса нормального гена HBB для инфицирования и восстановления гемопоэтических стволовых клеток – стволовых клеток, которые дают начало всем клеткам крови.
Но когда эти восстановленные стволовые клетки возвращаются пациентам, они могут включать трансгены – нежелательные гены, которые были вставлены в геном хозяина и нарушают нормальную функцию ДНК. Этот метод также неэффективен, исправляя лишь небольшой процент генных мутаций, а успех трансплантации оказался редким в клинических испытаниях, тестирующих генную терапию для лечения бета-талассемии.
"Мы хотели исправить мутацию таким образом, чтобы она не оставляла нежелательных следов в геноме пациента," Сузуки говорит.
Для этого исследователи использовали двухэтапный подход. Во-первых, они взяли взрослые клетки кожи пациента с мутацией HBB, вызывающей серповидно-клеточную анемию. Они использовали шесть генов, чтобы заставить эти клетки превратиться в ИПСК, которые затем можно было бы превратить в клетки крови. Гены были введены в клетки с использованием техники, исключающей использование вирусов и встраивание трансгенов в геном клетки.
Следующим шагом было исправление мутации гена HBB в стволовых клетках. Чтобы заменить дефектный ген нормальной копией в ИПСК, исследователи использовали модифицированный аденовирус (вирус простуды), который, в отличие от вирусов, используемых в других методах, не реплицируется в организме и не изменяет ДНК клеток-хозяев. Вирусные гены были удалены и заменены последовательностью ДНК, содержащей нормальный ген HBB.
Затем модифицированный вирус доставил новый генетический материал внутрь ИПСК, где участок ДНК, содержащий поврежденный ген, был заменен последовательностью, содержащей нормальный ген. "Это происходит естественно, работает как молния," Ли говорит. "Хороший ген просто идеально вставляется, вытесняя плохой."
Заменяя относительно большой участок ДНК, этот метод позволяет ученым исправить сразу несколько генных мутаций, что позволяет предположить, что этот метод может обеспечить способ лечения сотен типов заболеваний, связанных с ГБВ. Коррекция мутантного гена HBB также была высокоэффективной, и исследовательская группа провела несколько тестов, чтобы убедиться, что в геном не вошли ошибочные гены.
Ученые Солка теперь планируют создать клетки крови из восстановленных стволовых клеток и проверить их эффективность на животных. В случае успеха это может привести к лечению людей, при котором стволовые клетки пациента будут преобразованы в ИПСК, затем генетически восстановлены и трансплантированы обратно в костный мозг того же пациента. В случае успеха костный мозг будет производить все новые клетки крови, включая нормальный гемоглобин.
По словам исследователей, если метод окажется эффективным, его можно будет использовать для лечения других типов заболеваний, вызванных мутациями одного гена.
Исследование финансировалось за счет грантов G. Гарольд и Лейла Y. Благотворительные фонды Мазерса, Санофи-Авентис, Медицинский фонд Эллисона, Леона М. и Гарри Б. Благотворительный фонд Хелмсли, MICINN и Fundacion Cellex (JCIB). Исследование опубликовано в декабрьском выпуске журнала Cell Research за 2011 год.