Gene therapy has become an increasingly important topic in science-related news. The basic concept of gene therapy is to introduce a gene with the capacity to cure or prevent the progression of a disease. Gene therapy introduces a normal copy of a gene into a cell in which that gene is defective. Cells, tissue, or even whole individuals (when germ-line cell therapy becomes available) modified by gene therapy are considered to be transgenic or genetically modified. Gene therapy could eventually target the correction of genetic defects, eliminate cancerous cells, prevent cardiovascular diseases, block neurological disorders, and even eliminate infectious pathogens. However, gene therapy should be distinguished from the use of genomics to discover new drugs and diagnosis techniques, although the two are related in some respects. The two main types of gene therapy are somatic cell gene therapy and reproductive or germ-line gene therapy. This chapter also discusses therapeutic cloning, which involves stem cell manipulation for tissues and organ production.

Germ-line cell therapy involves the introduction of corrective genes into reproductive cells (sperm and eggs) or zygotes, with the objective of creating a beneficial genetic change that is transmitted to the offspring. When genes are introduced in a reproductive cell, descendant cells can inherit the genes.

Gene therapy of somatic cells, those not directly related to reproduction, results in changes that are not transmitted to offspring. An example of gene therapy in somatic cells is the introduction of genes in an organ or tissue to induce the production of an enzyme. This alteration does not affect the individual’s genetic makeup as a whole and it is not transmitted to its descendants. With somatic cell gene therapy, a disabled organ is better able to function normally. This technology has many applications to human health. One variant of somatic cell gene therapy is DNA vaccines, which allow cells of the immune system to fight certain diseases in a method similar to conventional vaccines.

Stem cell therapy involves the use of pluripotent cells, or cells that can differentiate into any other cell type. Stem cells are found in developing embryos and in some tissues of adult individuals. This therapy is similar to a conventional transplant, with the objective of regenerating or repairing a damaged organ or tissue. The procedure has a reduced probability or rejection because it uses the individual’s own cells. For instance, stem cells differentiated into nerve cells could be used by patients suffering from paralysis, with the goal of helping them recovering movement; or in cases of heart stroke, muscle cells might be used to rejuvenate the cardiac muscles. Furthermore, the future may bring growth of stem cells from an individual’s body to produce certain tissues or organs in vitro. Stem cells research could eventually blend gene therapy with genetic engineering to create healthy stem cells that can be used to generate healthy organs and tissue.

A fundamental requirement for gene therapy is the correct identification of gene coding for diseases. This can be accomplished at a spectacular speed with the information from the Human Genome Project. Scientific magazines have been announcing, with great frequency, the discovery of genes responsible for several medical conditions, from Alzheimer’s disease to baldness. The knowledge of the genes involved in these traits allows unequivocal diagnosis of the disease in the patient, an essential step before treatment can be initiated for the genetic tests for detection of defective genes.

The most complex phase in gene therapy is the development of mechanisms to deliver the therapeutic genes to the target organ in an accurate, controlled, and effective way. That step has been developing more slowly and is currently the most limiting factor for gene therapy.

GENETIC DEFECTS………………………………………………………………….

Each human being carries normal as well as some defective genes. Usually, the individual does not become aware of the presence of a defective gene until a disease associated with the gene is manifested in him or her or in a relative. More than 4,000 medical disorders caused by defective genes have been identified, each with varying degrees of seriousness. About 10 percent of the human population will evidence, sooner or later, some type of disorder. Although genes are responsible for predisposition to disease, the environment, diet, and lifestyle can affect the onset of the illness.

An example of a genetic disease is cystic fibrosis, which frequently becomes evident in the first years of life for the child carrying the defective gene. The mutant gene causes the development of cysts and fibrous tissue in the patient’s pancreas and the production of thick and viscous lung mucous. The mucous makes breathing very difficult and, in many cases, is fatal. On average, in Western countries, about 1 child in 2,500 has the disease. If the child receives two defective recessive alleles of the gene named CF (one from each parent), he or she will develop the disease. Patients with cystic fibrosis can reduce the symptoms of the disease with drugs developed through genetic engineering. A cure for cystic fibrosis may come through gene therapy. One possibility is a genetically engineered virus, carrying the corrective gene, which after being introduced into the patient’s lung cells would allow the lung cells to produce a protein that eliminates the mucus.

Most people do not manifest genetic diseases because, most of the time, they are carries of just a single defective copy of the CF gene. As most of the defective genes are recessive, most people do not have the disease. This is the reason for the larger incidence of genetic diseases in children from related parents.

If the defective gene, however, is dominant, the disease is expressed in any people that carry the defective gene. Huntington’s Disease, a disorder of the nervous system that usually occurs after the age of 45, is an example of a genetic disease caused by a dominant gene.

Having a defective gene does not make disease development a certainly. Besides the large effect from genetics, the environment is also important to the onset of many illnesses. Diseases such as heart disease do have a genetic component, but are largely dependent on diet and lifestyle. Some genetic diseases also have benefits. A classic example of a genetic disease that has a beneficial effect on human survival is sickle cell anemia. There exists in the human population a defective β-hemoglobin gene and individuals carrying two copies of the defective gene develop sickle cell anemia, a blood problem caused by defective hemoglobin and consequently misshapen red blood cells. The genetic mutation in the defective allele of this disease is a single nucleotide change, from an A in normal genes to a T in the mutant. This single nucleotide mutation results in a mutant β-hemoglobin that possesses the amino acid valine instead of glutamine.

Table 7-1
Medical Conditions for Which Gene Therapy Is Being Studied

ADA deficiency Hemophilia
AIDS Liver cancer
Asthma Lung cancer
Brain cancer Melanoma
Breast cancer Muscular dystrophy
Colon cancer Neurodegenerative conditions
Diabetes Ovarian cancer
Heart diseases Prostate cancer

The mutant β-hemoglobin has less affinity to oxygen, becoming a poor oxygen transporter in the blood. However, carriers of a single copy of the defective allele do not have the disease, and they are also resistant to malaria. There is an obvious advantage of carrying a single allele of the defective hemoglobin gene, especially in regions where malaria is endemic, as in tropical regions of Africa.

The first case of gene therapy occurred on 1990, at the NIH in Bethesda, Maryland. On that occasion, a four-year-old patient with a severe immune system deficiency (adenosine deaminase enzyme [ADA] deficiency or bubble-boy disease) received an infusion of white blood cells that had been genetically modified to contain the gene that was absent in his genome. Since then, gene therapy has been studied and experimentally tested for several medical conditions.

Diseases caused by the absence of an enzyme or the presence of an inactive enzyme are potential targets for gene therapy. Cystic fibrosis, ADA deficiency, and many other genetic diseases are among the candidates for gene therapy. Table 7-1 other diseases for which gene therapy is being considered.

VECTORS FOR GENE THERAPY……………………………………………………

Appropriate methods to deliver DNA used in gene therapy are vital, as the targeted tissues must properly receive the appropriate genes. Gene therapy can be using naked DNA delivered directly into the target cells. However, this procedure of introducing isolated DNA molecules has very low effective rate. To increase the efficiency of DNA uptake by the target cells, special vectors have been engineered for gene transfer. Vectors are plasmids or viruses that are used to move recombinant DNA from one cell to another. A retrovirus is a special class of RNA viruses that can insert its nucleic acid into host cells. The viruses possess a gene for production of the reverse transcriptase, an enzyme that transcribes RNA in DNA in the host cell. Adenovirus, retrotransposons, and liposomes are other vectors used for gene transfer in gene therapy. They are all able to transfer and integrate genes into new cells. Retroviruses used in gene therapy engineered so that any genes that are harmful to man are removed. Corrective genes are then added to replace the removed genes, and the new, modified retrovirus is then introduced into the patient.

One of the challenges for vectors is to survive the patient’s immune system so they can transfer the corrective genes from their genome into the patient’s cells. In general, the immune system of the human body contains molecules that immobilize viruses or other microorganisms that could infect the organism. Viruses that escape the immune system need to penetrate the cellular membrane, an additional barrier to infection. Finally, the infecting retrovirus must integrate its genome with that of the host, thereby moving the corrective genes into the genome of the infected cell. This integration happens in a random manner. It should occur in an area of DNA that is not essential to the host genome, or a risk of other complications might occur. Furthermore, the introduced gene must be transcribed and expressed for the production of the correct enzyme. With all the processes at the molecular level, gene therapy becomes a very complex procedure.

Another promising strategy, which has been used for the introduction of therapeutic genes in lung cancer treatment, is the direct injection of the corrective genes into the target area. Using this strategy, scientists have injected a drug containing the normal version of the gene p53, which suppresses cell tumor growth, directly into the patient’s cancerous tumor. This technique bypasses the immune system reaction to the invading vector, a problem frequently associated with gene therapy. Many scientists believe that as gene therapy develops, it will be possible in the near future to easily introduce gene into patients through intramuscular injection, especially for cases of anemia, hemophilia, diabetes, and other diseases related to the circulatory system.

GENE THERAPY RISKS……………………………………………………………..

The first death associated with gene therapy occurred on September 18, 1999, at the University of Pennsylvania. Jesse Gelsinger was participating in a clinical trial, a biomedical experiment for evaluation of safety and efficiency of a therapy for a disease. Gelsinger, who was 18 years old at the time of the treatment, had a deficiency of ornithine transcarboamylase, an important enzyme in the metabolism of ammonia. Patients with this rare metabolic disorder must maintain a low-protein diet and take a series of medicines to avoid ammonia poisoning in the blood stream. The gene therapy Gelsinger took triggered a chain reaction in his immune system, resulting in hepatic and respiratory failure, and consequently, his death four days after being treated.

Since Gelsingers’s death, the University of Pennsylvania has been reevaluating all procedures involved in the vector engineering and in the administration of the therapy. No flaw has been found that would explain such an extreme reaction by his immune defense system. Ever since, the public and the FDA, the agency responsible for oversight of clinical trials in the United States, have been more skeptical and doubtful about whether current scientific knowledge is enough to justify further investigations with humans. The credibility of gene therapy was seriously damaged, resulting in a temporary moratorium on human clinical trials.

Another challenge to gene therapy has been its ephemeral benefits to patients. This has been observed in several clinical trials with cystic fibrosis and ADA deficiency patients, whose cure faded after a few months of therapy, and was followed by a return of the disease symptoms. A possible explanation for that is that the genetically modified somatic cells (see Figure 7-1) decreased in amount. Because they are already differentiated and possess only a limited capability to multiply, it is expected that after they are gone, the treated organ could become diseased again.

DNA VACCINES………………………………………………………………………….

A variation of gene therapy with somatic cells is the introduction of genes (naked DNA), with the objective of triggering the immune system to produce antibodies for certain infectious diseases, cancer, or some autoimmune diseases. Therefore, the objective is not repair of a defective gene in the individual’s genome. Those genes can be introduced via intramuscular injections, inhalation, or oral ingestion. Cells that take up the gene in their genome can express the protein that stimulates the immune system to act against diseases.

The greatest challenge in this procedure is the transient effect of gene expression, because the modified cells can go through only a limited number of divisions before dying. Another challenge is the low efficiency of gene incorporation and expression in the target cells. Although in some cases the temporary gene expression is enough to trigger an effective immune response, most cases require a more lasting gene expression.

GERM-LINE CELL THERAPY………………………………………………………

The main advantages of germ-line cell gene therapy are the following:

1. It offers the possibility for a true cure of several diseases and it is not only a temporary solution.
2. It might be the only way to treat some genetic diseases.
3. The benefits would be extended for several generations, because genetic defects are eliminated in the individual’s genome and, consequently, the benefits would be passed to his or her offspring.

Some of the arguments presented against germ-line cell gene therapy are following:

1. It involves many steps that are poorly understood, and the long term results cannot be estimated.
2. It would open the door for genetic modifications in human traits with profound social and ethical implications.
3. It is very expensive and it would not benefit the common citizen.
4. The extension of the cure to a person’s offspring would be possible only if the defective gene was directly modified, but probably not if a new gene was added to another part of the genome.

STEM CELL THERAPY……………………………………………………………..

Stem cell therapy or therapeutic cloning does not involve gene therapy itself. However, in the future it might be used in conjunction with gene therapy for regeneration of tissue and organs after they have been treated with corrective genes. Visually, stem cells are not distinguishable from any other cells of the human body. Under a common microscope (magnification 20 to 40 times), those cells can only be observed using special dyes. Visually there is no significant difference in such cells. The real differences exist at the DNA level, where gene expression is amendable to signals influencing protein expression. The cells can differentiate into any of the 220 cell types of the human body (e.g., kidneys, heart, liver, skin, or retina), a phenomenon called pluripotency. At birth, stem cells can be harvested from an individual’s bone marrow, fat tissue, and the umbilical cord. Embryonic stem cells are harvested from embryos up to a few days after fertilization.

Another characteristic of stem cells is their capability to grow indefinitely. Whereas the remaining body cells have a biological programming that limits the number of cell divisions they can go through before dying, stem cells can be maintained indefinitely in a petri dish with nutritive media.

Stem cell therapy provides hope for a cure for patients of incurable afflictions such as Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease, and also for people suffering from paralysis resulting from spinal cord injuries.

At first, some opponents speculated that stem cell would be used in nurseries to produce organs such as livers, hearts, and virtually any other body part. However, most organs possess complex structures with ducts and valves, making it impossible to produce them outside of the organism. Stem cells have opened a new avenue for disease treatment. For example, the injection of stem cells into liver of a patient with cirrhosis or hepatitis could result in new tissue capable of performing its role. Stem cell therapy also has great potential to cure rheumatoid arthritis and some heart disease. Recent research has found that spine-injured mice suffering from paralysis were able to move their legs following an injection of stem cells.

Some people believe that if human stem cells are as versatile as those of mice, they might be the long sought after fountain of youth. The combination of stem cell with gene therapy might allow rebuilding of new body parts to substitute for old and defective ones. Right now, different procedures are being tested for curing ADA deficiency. Somatic cell gene therapies have the limitation of lasting for only a few months, which in turn requires repeated applications. With the use of stem cell to regenerate healthy bone marrow cells, a permanent cure is expected, as healthy cell have the capability to grow and divide continuously.

Embryonic stem cells, from embryos about four days old, have been at the center of a heated debate due to ethical issues. The main disagreement is whether or not a four-day-old embryo is already a human life. When would an embryo or a fetus reach the status of life? Those that support the use of embryonic stem cells would argue that human life would not begin until about the 14th day after the fertilization, whereas the opposition argues that life begins at conception (i.e., at the moment of the fertilization of the egg by sperm). For many, the destruction of embryos for the purpose of treating another human being is wrong. Recently, in the United States, the Bush administration broadened the definition of a child eligible for coverage under the Children’s Health Insurance Program by classifying a developing fetus as am “unborn child”. Many activists are arguing that the Bush administration’s proposal demonstrates its commitment to the strategy of undermining a woman’s right to choose abortion by ascribing legal rights to embryos. This subject is addressed further in chapter 14, “Bioethics”.

FINAL CONSIDERATIONS…………………………………………….

Although the idea of gene therapy has been around for only 20 years, the technique has been drawing a great deal of interest and curiosity through the world. The first trials generated great expectations within the scientific community. Although there have been several disappointments, many believes that it is just a matter of time before the technical and scientific details are mastered and the procedures become routine. This research is being advanced world-wide. In fact, Alain Fischer, a medical doctor in Paris, France, reported the complete cure of two children who had a rare immune deficiency condition.

Another promising result from stem cell research has been reported in type-B hemophilia patients at the Children’s Hospital in Philadelphia and at Stanford University, where patients treated with gene therapy presented a reduction in the period for blood coagulation. ADA deficiency, a disease caused by a defective gene for the ADA enzyme present on human chromosome 20 has been a focus for gene therapy in many institutions. In one of the cases, several patients treated with the corrective gene were able to reconstitute their immune system and are living normal lives out of the isolated bubbles that are needed to maintain an environment free from microbes. The patients started to produce a correct ADA enzyme after receiving the gene therapy.

The potential use of this therapy to cure other more complicated disease, such as cancer and coronary diseases, also seems promising, gene therapy is still in its infancy, but it is believed that as it matures, it will become an effective treatment for the myriad of genetic diseases that affect humanity.



Превод:

Генната терапия

Генната терапия става все по-важен въпрос в научните новини (среди). Основната концепция на генната терапия е да представи ген с капацитета (възможността) да лекува или предотвратява прогресията на заболяване. Генната терапия предоставя нормално копиране на ген в клетка, в която този ген е дефектен. Клетките, тъканта, или дори цели индивиди ( когато germ-line cell therapy бъде достъпна) променени чрез генната терапията ще бъдат трансгенетични или генно модифицирани. Генната терапия може да бъде прицелна точка за поправката на наследствени болести, да елиминира ракови клетки, да предотврати сърдечносъдови заболявания, да блокира нервни разстройства и дори да елиминира заразни патогени. Както и да е, генната терапия трябваше да бъде видна (известна) с употребата на геноми както откриването на новите лекарства и техниките за диагноза, въпреки че и двете са свързани в някакви отношения. Двата основни вида генна терапия са генна терапия със соматични клетки и възпроизводителни клетки или germ-line cell therapy. Тази глава дискутира също така терапевтичният клонинг, който включва манипулация на стволови клетки за продукция на тъкани и органи.
Germ-line cell therapy включва въвеждането на корегираните гени в репродуктивни клетки (сперматозоидите и яйцеклетките) или зиготи, с цел да създаде благотворна генетична промяна, която да се предаде на потомството, когато гените са представени в репродуктивните клетки, наследяващите клетки могат да наследят и гените.
Генната терапия със соматични клетки, тази, която не е свъзана пряко с репродукция, довежда до промени, които не са предадени в потомство. Пример на генната терапия със соматични клетки е въвеждането на гени в орган или тъкан, които допринасят за производството на ензим. Това изменение не засяга генетичния състав на индивида като цяло и не е предадено в неговите потомъци. При генната терапия със соматични клетки, нефункциониращ орган може да подобри способността си да функционира нормално. Тази технология има много приложения за подобряване на човешкото здраве. Един вариант на генната терапия със соматични клетки са ДНК ваксините, които позволяват на клетки от имунната система да се борят със сигурни болести по метод познат от досегашните ваксини.
Терапията със стволови клетки включва използването на т. нар. pluripotent cells, или клетките, които могат да се диференцират, в който и да е друг вид клетка. Стволовите клетки (Stem cells) са открити при разработване (изследване) на зародиши и в някои тъкани на възрастни индивиди. Тази терапия е подобна на общоприетата трансплантация, с цел да възроди или възстанови повреден орган или тъкан. Процедурата има намалена вероятност от отхвърляне защото се използват собствените клетки на индивида. Например, стволовите клетки (stem cells), които са диферинцирани (специализирани) в неврони, могат да намерят приложение при хора страдащи от парализа, с цел да възстановят възможността им за движение; или в случаи на сърдечен удар, мускулни клетки могат да бъдат използвани за да подмладят сърдечните мускули (cardiac muscles). В допълнение, в бъдеще може да се очаква развитие на стволовите клетки (stem cells) в такива размери, че да се има възможността да се отгледат цели органи или тъкани ин витро (in vitro) за даден индивид (организъм). Проучването на стволовите клетки (stem cells) може накрая да смеси генната терапия с генното инжинерство, за да създаде здрави стволови клетки (stem cells), които да бъдат използвани за създаване на здрави органи и тъкани.
Основно изискване на генната терапия е генно разкодиране (идентификация) на заболяването. Това може да бъде изпълнено с ефектна скорост с информацията от Проекта Човешки Геном. Научни списания са обявили, откритието на гените отговорни за няколко медицински състояния, от заболяването на Алцхаймер (Alzheimer) до плешивината. Познанието на гените, които са като отлечителни черти, дава недвусмислена диагноза на заболяването на пациента, една съществена стъпка преди лечението може да бъде генетичния тест за идентифициране (откриване) на дефектните гени.
Най -сложната фаза в генната терапия е развитието на механизмите за предаване на терапевтичните гени в точно определен орган по контролиран и ефективен начин. Тази стъпка се развива по-бавно и е ограничаващият фактор за генната терапия.

GENETIC DEFECTS.......... Генетични дефекти...........

Всеки човек носи както нормални така и някои дефектни гени. Обикновено, индивидът не знае за присъствието на дефектен ген докато заболяването, което е свързано с гена, не се изяви в него или нея или в роднина. Повече от 4, 000 медицински състояния са причинени от дефектни гени, всеки от които е свързан с различна степен на сериозност. Около 10 процента от човешкото население рано или късно развива заболяване в следствие на генна промяна. Въпреки че гените са отговорни за предразположеността към някоя болест, но и околната среда, диета и начина на живот също биха могли да отключат някоя болест.
Пример за наследствена (генетична) болест е цистичната фиброза (cystic fibrosis), която става често ясна през първите години от живота на детето носещо дефектен ген. Мутиралия ген причинява развитието на кистите и фиброза на тъканта (fibrous tissue) в панкреаса на пациента и продукцията на плътна, слизестта течност в белия дроб. Слузта прави дишането много трудно и в много случаи е фатално. Усреднено, в Западните страни, близо 1 дете на 2, 500 има заболяването. Ако детето получи два дефектни рецесивни алела на гена наречен CF (от всеки родител) , той или тя ще развие заболяването. Пациенти с цистична фиброза (cystic fibrosis) могат да намалят симптомите на заболяването с наркотици (опиати), които са разработени, чрез генетично инжинерство. Лечение на цистичната фиброза (cystic fibrosis) може да дойде чрез генната терапия. Една възможност е генетично проектиран вирус, който транспортирайки корегиран ген, който след като е представен в клетките в белия дроб на пациента ще даде възможност на белодробните клетки да произведат протеин, който ще елиминира слузта.
Повечето хора са без изразени наследствени болести, защото в повечето случаи те ги носят само на едно копие на дефектния ген CF . Тъй като повечето от дефектните гени са рецесивни, повечето хора нямат заболяването. Това е причината за по-голямото отражение на наследствените болести при деца от близскородствени връзки.
Ако дефектният ген, обаче, е бил доминиращ , заболяването е изразно във всеки, които носи дефектния ген. Заболяването на Хънтингтън (Huntington’s Disease), разстройство на нервната система, която обикновено се среща след 45 годишна възраст, е пример за наследствена болест, която е причинена от доминантен ген.
Притежаването на дефектен ген не прави развитието на заболяването несъмнено. Освен това големият ефект на генетиката, околната среда, е също така важен фактор за началото на много болести. Такива заболявания като сърдечносъдовите заболявания, наистина имат генетичен компонент, но са до голяма степен зависими от диетата и начина на живот. Някои генетични заболявания имат също така и ползи. Класически пример на наследствена болест, който има ползотворен ефект за оцеляването на човек, е сърповидно-клетъчната анемия (sickle cell anemia). Съществува в човешката популацията един дефектен β-хемоглобин (β-hemoglobin) ген и индивиди, носещи две копия, на дефектния ген развиват сърповидно-клетъчната анемия, проблем с кръвта причинен от дефектен хемоглобин и причинява деформирани червени кръвни клетки. Генетичната мутацията при дефектния алел на това заболяване е единствена промяна на нуклеотид, от A при норманите гени в T при мутиралия. Тази единствена генна мутация причинява мутанта β-hemoglobin, който превръща амино оксида валин в глутамин.

Table 7-1
Медицински състояния, заради които е изучавана генната терапия
ADA deficiency Hemophilia
AIDS Liver cancer
Asthma Lung cancer
Brain cancer Melanoma
Breast cancer Muscular dystrophy
Colon cancer Neurodegenerative conditions
Diabetes Ovarian cancer
Heart diseases Prostate cancer

Мутиралия β-хемоглобинът има по-малко афинитет при кислород, ставайки лош кислород-транспортьор в кръвта. Както и да е, хората носещи едно единствено копие на дефектият алел нямат заболяването, и те са също така устойчиви към малария. Има очевидно преимущество при хората носещи един единствен алел на дефектния ген на хемоглобин, особено в райони където маларията е ендемична, както е в тропически райони на Африка.
Първият случай на генна терапия беше през 1990, в NIH в Бетеста (Bethesda), Мериленд (Maryland). В този случай, четири-годишен пациент със сериозна имунна недостатъчност (недостиг на ензима аденозиндиаминаза (adenosine deaminase enzyme) [ADA] или т. нар. заболяване момче в балон (bubble-boy disease)), получи преливане на бели кръвни клетки, които са били генетично променени за да съдържат гена, който липсва в неговия геном. Оттогава, генната терапия е била изучена и тествана експериментално за няколко медицински състояния.
Заболяванията, които са причинени от отсъствието на ензим, или присъствието на неактивен ензим са потенциални цели за генната терапия. Цистичната фиброза (сystic fibrosis), недостиг на ADA, и много други наследствени болести са между кандидатите за генната терапия. Таблица 7-1 показва други заболявания, за които генната терапия е обмислена.

VECTORS FOR GENE THERAPY…..................Вектори за генната терапия...........................

Подходящи методи, които ще предоставят използването на ДНК в генната терапия, са жизненоважни, както прицелните тъкани трябва правилно да получат подходящите гени. Генната терапията може да използва голо ДНК, което е предоставено направо в прицелните клетки. Както и да е, тази процедура да се вмъкнат молекулите на изолирано ДНК има много ниска ефективност. За да се увеличи ефективността на ДНК в прицелните клетки, специални вектори бяха проектирани за геннен трансфер. Векторите са плазмиди или вируси, които са използвани за да преместят рекомбинантната ДНК от една клетка в друга. Ретровируса е специален клас от РНК вируси, които могат да вмъкнат своята нуклеотидна киселина в клетки домакини. Вирусите притежават ген за продукцията на обратно транскриптаза (reverse transcriptase), ензим, който преписва РНК в ДНК-то на клетката домакин. Аденовирус (аdenovirus), ретротранспозьори (retrotransposons), и липозоми (liposomes) са други вектори използвани за генен трансфер при генната терапия. Те са напълно способни да прехвърлят и интегрират гени в нови клетки. Ретровирусите, които се използват в генната терапия, са проектирани така, че всички гени, които са вредни на човек, да бъдат премахнати. Корегираните гени тогава са прибавени за да заменят премахнатите гени, и новият, променен ретровирус тогава е поставен в пациента.
Едно от предизвикателствата за векторите е да оцелеят в имунната системата на пациента така, че те да могат да прехвърлят корегираните гени от техния геном в клетките на пациента. Като цяло, имунната система на човешкото тяло съдържа молекули, които обездвижват вирусни или други микроорганизми, които могат да заразят организма. Вируси, които успеят да избегнат имунната система на човек, трябва да проникнат в клетъчната мембрана, една допълнителна бариера при инфекция. Накрая, заразения ретровирус трябва да интегрира своя геном с този на домакина, по този начин да внесе корегираните гени в генома на заразената клетка. Тази интеграция става по случаен начин. Това трябва да стане в област на ДНК, където не е съществено за домакинския геном, или има риск от допълнителни усложнения. В допълнение, представеният ген трябва да бъде преписан и изявен за продукция на правелния ензим. Целия процес се извършва на молекулярно ниво, което усложнява допълнително процедурата.
Друга обещаваща стратегия, която е била използвана за въведението на терапевтичните гени, при лечение на рак на белия дроб, е директната инжекция на корегираните гени в прицелната област. Използвайки тази стратегия, учени са инжектирали наркотик, съдържащ нормална версия на ген p53, който потиска растежа на туморните клетки, направо в тумора на пациента. Тази техника заобикаля реакцията на имунната система на човек срещу нахлуващия вектор, проблем който е свързан често с генната терапия. Много учени смятат, че с развиването на генната терапията, ще бъде възможно в близкото бъдеще да се въвеждат гени в пациенти чрез мускулни инжекции (intramuscular injection), особено в случаи като анемия, хемофилия, диабет и други заболявания, които свързани с кръвоносната система.

GENE THERAPY RISKS…………Рискове при генната терапия

Първата смърт, която е свързана с генната терапия, стана на 18-и септември, 1999-та, в Пенсилванския Университет (University of Pennsylvania). Джеси Гелсингър (Jesse Gelsinger) участваше в клиничен опит, биомедицински експеримент за оценяване на безопасността и ефективността на терапията при дадено заболяване. Гелсингър, който беше на 18 години по време на разработката, имаше недостиг на орнитинтранскарбомилаза (ornithine transcarboamylase), един важен ензим в метаболизма на амоняк. Пациенти с този рядък метаболичен проблем трябва да поддържат ниска протеинова диета и да вземат серия лекарства за да избегнат отравяне от амоняк в потока на кръвта. Генната терапия, под която Гелсингър се подложи, активира верижна реакция в неговата имунна система, което доведе до чернодробен и дихателен недостиг, и съответно до неговата смърт, четири дена по-късно.
След смъртта на Гелсингър, Университета в Пенсилвания е проучил всички процедури, които бяха включили във векторното проектиране, и ръководството на терапията. Никакъв недостатък не беше открит, който да обясни такава реакция на неговата имунна система. След това, общността и FDA, агенцията, отговорна за надзор (контрол) на клинични случаи в Съединените Щати, беше по-скептична и несигурна за това дали текущата наука е била достатъчно за да оправдае по – нататъшно проучване с хора. Провдоподобността на генната терапия беше накърнена сериозно, довеждайки до мораториум (възбрана) върху клиничните случаи.
Друго предизвикателство на генната терапията е краткотрайните ползи за пациентите. Това е било открито в няколко клинични случая с пациенти с цистична фиброза (cystic fibrosis) и недостиг на ADA, чието лечение избледня след няколко месеца на терапия, и беше последвано от връщане на симптомите на заболяването. Възможно обяснение за това е, че генетично променените соматични клетки (виж фигура 7-1) намаляха количествено. Защото те са вече диференцирани и притежават само ограничена способност за размножаване, така че когато те изчезнат манипулирания орган отново развива заболяването.

DNA VACCINES……………ДНК ваксини.....................................

Вариация на генната терапия със соматични клетки е въвеждането на гените (голото ДНК), с цел да се спре имунната система да произвежда антитела за определени заразни заболявания, рак, или някакви автоимунни заболявания. Затова, целта не е поправка на дефектен ген в генома на индивида. Тези гени могат да бъдат представени чрез мускулни инжекции (intramuscular injections), инхалация, или устна консумация. Клетки, които вземат гена в техния геном, могат да експресират протеина, който стимулира човешката имунна система да действа срещу заболявания.
Най-голямото предизвикателство в тази процедура е преходния ефект на генната експресия, защото променените клетки могат да се делят само ограничен брой пъти преди да умрат. Друго предизвикателство е ниската ефективност при обединяването и експресията на гените в прицелните клетки. Въпреки че в някакви случаи временната генна експресия е достатъчна за да активира ефективно имунния отговор, повечето случаи имат нужда от по-трайно експресиране на гените.

GERM-LINE CELL THERAPY…………….......................................................................

Главните предимства на Germ-line cell therapy са както следва:

1. Предлага възможност за истинки лек за няколко заболявания и не е само временно решение.
2. Възможно е да е единственото лечение за някои генетични заболявания.
3. Ползата ще се предаде в няколко поколения, защото генетичните дефекти са елеминирани от генома на индивида и следователно ползата ще се пренесе в негово или нейното поколение.

Някои аргументи представени срущу Germ-line cell therapy са както следва:

1. Включва много стъпки, които са малко познати и дълготрайните резултати не могат да бъдат оценени.
2 . Би отворило вратата за генетичните промени в черти на човек с дълбоки социални и етически последствия.
3 . Много е скъпо и не би помогнало на обикновения гражданин.
4. Продължаването на лечението за потомството на даден индивид би могло да бъде възможно само ако дефектният ген е директно променен, но вероятно не ако нов ген бъде прибавен към друга част на генома.

STEM CELL THERAPY.................. Терапия със стволови клетки..................

Терапията със стволови клетки или терапевтично клониране не е свързана с генната терапия сама по себе си. Както и да е, в бъдещето то може да бъде използвано, обединено с генната терапия за регенериране на тъкан и органи след като те са били третирани с корегирани гени. Визуално, стволовите клетки не са различими от някои други клетки на човешкото тяло. Под общ микроскоп (увеличение 20-40 пъти ), тези клетки могат да бъдат открити използвайки специални бои. Визуално няма никаква значителна разлика в такава клетки. Истинските различия съществуват на ДНК ниво, където генната експресия е поправим в сигнали, влияейки на протеиновата експресия. Клетките могат да се диференцират във всеки от 220 вида на клетки на човешкото тяло (т . е . , бъбречна, сърцева, черенодробна, кожа, или ретина ), феномен наречен pluripotency. При раждане, стволовите клетки могат да бъдат събрани от костния мозък (bone marrow), мазната тъкан на индивид, и пъпната връв (umbilical cord). Зародишни стволови клетки се събрат при зародиши до няколко дена след оплождане.
Друга характеристика на стволовите клетки (stem cells) е тяхната способност да растат неограничено. Докато клетките на останала група имат биологично програмиран лимит на деления, преди умират, стволовите клетки могат да бъдат поддържани неограничено в хранителни среди.
Терапията със стволови клетки предоставя надежда за лечение за пациенти с неизлечими болести като Паркинсон (Parkinson’s disease) и Алцхаймер (Alzheimer’s disease), и също така за хора, които страдат от парализа, от травми на гръбначен мозък.
Отначало, някои опоненти размишляваха, че стволовите клетки ще бъдат използвани за оранжерии, в които да се отглеждат органи като черни дробове, сърца, и почти която и да е друга част на тялото. Както и да е, повечето органи притежават сложни конструкции с канали и клапани, правейки ги невъзможни за произвеждане извън организма. Стволовите клетки отвориха нова възможност за лечение на заболявания. Например, инжекцията със стволови клетки в черния дроб на пациент с цироза или хепатит може да доведе до нова тъкан, способна да възвърне отново неговото предишно състояние. Терапията със стволови клетки има също така голям потенциал за лекуване на ревматизъм и някои сърдечни заболявания. Скорошното проучване установи, че наранени гръбнаци на мишки, които страдат от парализа, бяха способни да движат краката си след инжекция със стволови клетки.
Някои хора смятат, че ако стволовите клетки на човек са толкова променливи, колкото тези на мишките, то те може да бъдат дългото търсени като фонтана на младостта. Комбинацията на стволови клетки с генната терапията може да позволи построяването отново на нови части на тялото, за замяна на стари и дефектни. Точно сега, различни процедури са тествани за лекуване на недостиг на ADA. Терапиите със соматични клетки имат ограничението на преживяване на само няколко месеца, което изисква подред многократни повторения. В употребата на стволови клетки за възстановяването на здравите клетки на костния мозък, постоянно излекуване е очаквано както здравата клетка има способността за нарастване и се дели продължително.
Зародишни стволови клетки, от зародишите, на близо четири дена, са били в същината на разгорещено разискване поради етически въпроси. Основното несъгласие е това дали четиридневен зародиш е вече човешки живот или не. Кога зародиш или ембрион ще достигнат статуса на живота? Тези, които поддържат употребата на зародишните стволови клетки, щяха да кажат, че човешкият живот не започва до 14-ия ден след оплождането, докато опонентът ще противоречи и ще каже, че този живот започва при концепция ( т. е., при момента на оплождането на яйцеклетка от сперматозоида ). За много, унищожаването на зародиши с целта да се третира друг човек е погрешен. Напоследък , в Съединените Щати, Администрацията на Буш разшири определението за дете, подходящо, за обхвата на «Програмата за здравна застраховка на децата» при класифициране на развиващ се ембрион като неродено дете. Много активисти спорят, че предложението на Администрацията на Буш демонстрира неговия ангажимент към стратегията да подкопае правото на жената да избере аборт като приписват законни права на зародиши. Този въпрос е обсъден още в глава 14, “Bioethics”.

FINAL CONSIDERATIONS................ Заключителни мисли................

Въпреки че идеята за генната терапия е била наоколо в продължение на само 20 години, техниката е рисувала много занимание и любопитство през света. Първите процеси създадоха големи очаквания в научната общност. Въпреки че имаше няколко разочарования, много смятат, че е само въпрос на време преди техническите и научни детайли да бъдат овладяни и процедурите да станат рутинни. Това проучване е зряло в световен мащаб. Всъщност, Aлайн Фишер (Alain Fischer), медицински доктор в Париж, Франция, описа цялостното състояние (лечение) на две деца, които имаха рядко състояние на недостиг на имунитет.
Друго, което обещава резултат от проучването със стволови клетки, е било обявено за пациенти с хемофилия тип B в детската болница във Филаделфия и в Станфортския университет, където пациенти третирани с генна терапия, представиха намаление периода за съсирване. Недостигът на ADA, заболяване, което е причинено от дефектен ген на ензима за ADA,, представен при хромозома 20 е била център за генната терапия на много институции. В един от случаите, няколко пациенти лекувани със корегиран ген бяха способни да преобразуват тяхната имунна система и да живеят нормален живот извън изолираните мехури, които са необходими за да се поддържа околната среда свободна от микробите. Пациентите започнаха да създават коректен ензим на ADA след като се подложиха генната терапия.
Възможната употреба на тази терапия за лекуването на друго по-усложнено заболяване, като ракови и коронарни заболявания, също така изглеждат обещаващи , генната терапия е още в неговото ранно детство , но с времето ще съзрява и ще стане ефективна разработка за лечение на безброй наследствени болести, които засягат човечество.

Браво ! Давай все напред !

Отива в блога!