Faktiskt, du behöver inte kikaren för att se att framtiden för genterapi närmar sig. James Yang/© Images.com/Corbis Kommer du ihåg Charlie Gordon? Han var stjärnan i "Flowers for Algernon" en hyllad roman (och senare Oscar-vinnande film) skriven av Daniel Keyes 1966.
Gordon var en 32-årig psykiskt funktionshindrad man vars funktionsnedsättning kan spåras till ett obehandlat fall av fenylketonuri ( PKU ), en sjukdom som orsakas av förlusten av en gen. Den genen kodar för ett enzym som metaboliserar aminosyran fenylalanin . Om personer med PKU äter mat som innehåller fenylalanin, föreningen och dess biprodukter byggs upp i blodet och blir giftiga, orsakar hjärnskada, förlust av pigmentering, anfall och en mängd andra problem.
I fiktionens värld, Gordon övervinner så småningom den ärftliga sjukdomen genom att genomgå en experimentell operation för att öka sin intelligens. I verkligheten, människor födda med tillståndet har en mycket annorlunda upplevelse, men bara för att de följer en strikt proteinfattig diet för att undvika livsmedel som innehåller fenylalanin, såsom kött av alla slag, mejeriprodukter, nötter, bönor, tofu och det konstgjorda sötningsmedlet aspartam.
Den perfekta lösningen kan ligga någonstans mellan farliga hjärnoperationer och strikta kostrestriktioner. Faktiskt, den perfekta lösningen kan vara att ersätta den saknade genen så att personer med PKU kan njuta av proteinrika livsmedel lika mycket som människor utan den. Tack vare framsteg i genterapi - tillägg av nya gener till en persons celler för att ersätta saknade eller felaktiga gener- denna till synes omöjliga dröm kan snart bli verklighet.
Genterapi har kommit långt sedan 1990 -talets mörka dagar, när den mycket omtalade behandlingen ledde till att flera patienter dog. Forskare har lärt sig mycket under de senaste två decennierna, kanske den viktigaste av dessa är:Genterapi är lätt att beskriva på papper men mycket svårare att implementera i mänskliga celler. Lyckligtvis för oss, dessa bestämda forskare har fortsatt att arbeta med pusslet tills, till sist, genterapi står redo att revolutionera modern medicin.
På de närmaste sidorna vi ska gå en krasskurs i genterapi - hur det fungerar, vad det kan behandla, varför det är knepigt och när det kan vara tillgängligt på din lokala klinik. Innan vi går på genterapin snabbspår, låt oss ta några förberedande varv för att granska grunderna för DNA -funktion och genuttryck.
Innehåll
DNA -struktur © HowStuffWorks För att förstå denna medicinska behandling krävs en fungerande kunskap om gener. Den goda nyheten är att du förmodligen täckte detta i din gymnasiebiologiklass, men bara om du har glömt här är en snabb sammanfattning. A gen avser en enda enhet av ärftlig information - en faktor som styr någon specifik aktivitet eller egenskap. Gener finns på kromosomer , som själva bor i kärnorna i våra celler.
Kromosomer, självklart, innehåller långa DNA -kedjor byggda med upprepande subenheter som kallas nukleotider . Det betyder att en enda gen är en ändlig DNA -sträcka med en specifik sekvens av nukleotider. Dessa nukleotider fungerar som en ritning för ett specifikt protein, som samlas i en cell med hjälp av en flerstegsprocess.
Proteiner är cellernas arbetshästar. De hjälper till att bygga den fysiska infrastrukturen, men de kontrollerar och reglerar också viktiga metaboliska vägar. Om en gen fungerar - om, säga, dess sekvens av nukleotider blir krypterad - då kommer dess motsvarande protein inte att tillverkas eller inte göras korrekt. Biologer kallar detta för a mutation , och mutationer kan leda till alla möjliga problem, såsom cancer och fenylketonuri.
Genterapi försöker återställa eller ersätta en defekt gen, återfår cellens förmåga att göra ett protein som saknas. På papper, det är enkelt:Du sätter helt enkelt in rätt version av en gen i en DNA -sträng. I verkligheten, det är lite mer komplicerat eftersom cellerna kräver viss hjälp utifrån i form av ett virus. Du tänker förmodligen på virus som medel som orsakar infektioner - smittkoppor, influensa, rabies eller AIDS. I genterapi, forskare använder dessa små levande men inte levande partiklar för att ge en cell en genetisk makeover. I nästa avsnitt, vi ska utforska vilka virus som används och varför.
© 2010 HowStuffWorks.com Virus förvirrade biologer i åratal. De kunde se effekterna av virus - sjukdom - men de kunde inte isolera infektionsmedlet. I början, de trodde att de hade att göra med extremt små bakterieceller. Sedan, mitt i en storm av intresse för virus, Amerikanska forskaren Wendell Stanley kristalliserade partiklarna som är ansvariga för tobaksmosaiksjukdom och beskrev virus för världen 1935.
Dessa konstiga enheter har inte kärnor eller andra cellulära strukturer, men de har nukleinsyra, antingen DNA eller RNA. Det här lilla paketet med genetisk information är packat inuti en proteinkappa, som, i vissa fall, är insvept i ett membranhölje.
Till skillnad från andra levande saker, virus kan inte reproducera sig själva eftersom de inte har nödvändiga cellulära maskiner. Dom kan, dock, reproducera sig om de invaderar en cell och lånar cellens utrustning och enzymer. Grundprocessen fungerar så här:
Den förmågan att transportera genetisk information till celler gör virus användbara vid genterapi. Tänk om du kunde ersätta en bit av viralt DNA med DNA från en mänsklig gen och sedan låta det viruset infektera en cell? Skulle inte värdcellen göra kopior av den introducerade genen och sedan följa genens ritning för att slita ut det associerade proteinet? Som det visar sig, detta är fullt möjligt - så länge forskare ändrar viruset för att förhindra att det orsakar sjukdom eller framkallar en immunreaktion av värden. När så ändras, ett sådant virus kan bli ett fordon, eller vektor , för att leverera en specifik genterapi.
I dag, forskare använder flera typer av virus som vektorer. En favorit är adenovirus , agenten som är ansvarig för förkylning hos människor. Adenovirus introducerar sitt DNA i cellkärnan, men DNA:t är inte integrerat i en kromosom. Detta gör dem till goda vektorer, men de stimulerar ofta ett immunsvar, även när det försvagas. Som ett alternativ, forskare kan lita på adeno-associerade virus , som inte orsakar några kända sjukdomar hos människor. Inte bara det, de integrerar sina gener i värdkromosomer, gör det möjligt för cellerna att replikera den insatta genen och överföra den till kommande generationer av de förändrade cellerna. Retrovirus , som de som orsakar AIDS och vissa typer av hepatit, skarvar också sitt genetiska material i kromosomerna i cellerna de invaderar. Som ett resultat, forskare har studerat retrovirus utförligt som vektorer för genterapi.
Svårt kombinerat immundefekt (SCID) syndrom är en av de (begränsade) framgångshistorierna för genterapi. På bilden här är "bubble boy" David Vetter, som hade SCID och dog år innan försöken började. © Bettmann/Corbis Idén om genterapi har studsat runt forskares hjärnor i decennier. Faktiskt, det var Edward Tatum, en amerikansk genetiker, som först föreslog att genetiska sjukdomar kan botas med "genteknik" 1966. Samma år, en annan amerikan, Joshua Lederberg, beskrev faktiskt detaljerna om "virogen terapi" i en artikel som publicerades i The American Naturalist. Många forskare arbetade sedan flitigt med att flytta genterapi från koncept till verklighet. 1972, biokemisten Paul Berg räknade ut hur man skär ut en del av mänskligt DNA och sätter in det i genomet av ett virus, som han sedan använde för att infektera bakterieceller. Så småningom, han kunde få bakterier att producera humant insulin. Tio år senare, Ronald M. Evans infogade genen för råttillväxthormon i ett retrovirus och överförde sedan den genen till musceller.
Alla dessa ansträngningar sätter scenen för en genterapirevolution. Den första genterapiprövningen som godkändes av U.S. Food and Drug Administration ägde rum 1990. Studien fokuserade på patienter med svår kombinerad immundefekt (SCID), även känd som "bubble boy" -sjukdom efter David Vetter, som bodde i den sterila miljön i en plastbubbla tills han dog 1984 vid 12 års ålder.
Forskare i denna studie använde det som kallas en utanför kroppen genterapi. Först, de skördade märg från en patient genom att sätta in en speciell nål genom huden och i höftbenet. Sedan, i laboratoriet, de exponerade stamcellerna från märgen för retrovirus vars RNA hade modifierats för att innehålla genen associerad med SCID. Retrovirus infekterade stamcellerna och satte in den funktionella genen i värdkromosomen. Nästa, forskare tog de konstruerade stamcellerna och injicerade dem tillbaka i patientens blodomlopp. Cellerna gjorde en benlinje för benmärgen och, som alla bra stamceller, mognade till olika celltyper, inklusive friska T -celler med fungerande kopior av den nödvändiga genen. Med denna teknik, dussintals barn med SCID har blivit helt botade. Men det är inte den enda sjukdomen - eller tillvägagångssättet - på spellistan för genetiker [källa:Nienhuis].
Det andra vanliga sättet att administrera genterapi är att injicera det genbärande viruset direkt i regionen som har defekta celler. James Wilson, professor i patologi och laboratoriemedicin vid University of Pennsylvania, var pionjär inom denna så kallade ”in-the-body” genterapi på 1990-talet. Han använde adenovirus som sin vektor, men han försvagade det för att begränsa immunsvaret hos mottagaren. I tidiga tester, hans modifierade virus verkade inte orsaka någon skada alls - inte ens sniffar - hos testpersoner. Det innebar att det kunde leverera gener på ett tillförlitligt sätt med få biverkningar.
År 1999, han ledde en fas I klinisk prövning för att testa adenovirusbaserad terapi för behandling av en sällsynt genetisk störning som kallas ornitintranscarbamylas (OTC) -brist. OTC är ett enzym som hjälper kroppen att bryta ner överskott av kväve. Utan det, ammoniaknivåerna ökar tills hjärnan blir förgiftad. En enda gen på X -kromosomen kodar för enzymet, vilket gör den till en idealisk kandidat för experimentell terapi. Wilson satte in OTC -genen i försvagade adenoviruspartiklar och injicerade sedan dem i levern hos 18 patienter [källa:Neimark].
Tanken var enkel:Viruset skulle infektera levercellerna, som sedan skulle fortsätta att replikera OTC -genen och börja tillverka enzymet. Tyvärr, en av patienterna, 18-åriga Jesse Gelsinger, dog bara tre dagar efter att han fått sin injektion av det konstruerade viruset. Forskare tror nu att Gelsingers kropp hade ett enormt immunsvar, vilket leder till utbrett organsvikt. Det är bara en av riskerna med genterapi, som vi får se på nästa sida.
Germline genterapiÄn så länge, forskare har fokuserat sina genterapi -experiment på somatiska celler - någon annan cell i kroppen än reproduktionsceller. Med andra ord, dessa behandlingar kan inte överföras till en persons barn. Det är möjligt, i teorin, att manipulera DNA från ägg och spermier, vilket skulle göra det möjligt för genetiskt modifierade gener att överföras till kommande generationer. Denna så kallade könscellgenterapi väcker ett antal etiska problem och förblir utanför gränserna för forskare som hoppas kunna förvärva federala medel.
Jesse Gelsingers död bedövade allmänheten, och det skickade chockvågor genom det vetenskapliga samfundet, för. Genetiker kom till den smärtsamma insikten att genterapi, medan det är enkelt att diagramma på papper, kom laddad med utmaningar och fallgropar. Och det spelade ingen roll hur de hanterade problemet-både in- och utanför kroppen-tillvägagångssätten medför inneboende risker.
För genterapi i kroppen, den största frågan är patientens immunsystem. Kroppen ser på adenoviruspartiklar, även de som bär en mänsklig gen, som främmande föremål. När de kommer in i värdceller, värden svarar genom att montera en motattack för att bli av med inkräktarna. Detta är vad som hände med Jesse Gelsinger. Hans immunsystem insåg inte att virusen försökte vara till hjälp, och den inledde en kraftig attack, stängde av sina organ i processen. I dag, forskare kan ge Gelsinger lägre terapidoser eller förbehandla honom med immunsuppressiva läkemedel. Ett annat alternativ som undersöks är "naken" DNA, som hänvisar till en nukleinsyramolekyl avdriven från dess virala bärare.
Utanför kroppen-terapier som förlitar sig på retrovirus har sina egna problem. Kom ihåg, retrovirus syr in sitt DNA i värdkromosomen, vilket är lite som att plocka upp en kort fras från en mening och koppla in den i en längre mening. Om insättningen inte sker på rätt plats, det resulterande "språket" kanske inte är vettigt. I vissa genterapiforsök med retrovirus, patienter har utvecklat leukemi och andra former av cancer eftersom insättning av en gen stör funktionen hos andra omgivande gener. Denna komplikation har påverkat flera barn i SCID -studierna, även om många av dem har slagit cancern med andra behandlingar.
På grund av dessa frågor, U.S. Food and Drug Administration (FDA) reglerar alla genterapiprodukter i USA genom sin Centrum för biologisk utvärdering och forskning , eller CBER . Centret ger också proaktiv vetenskaplig och reglerande råd till medicinska forskare och tillverkare som är intresserade av att utveckla produkter för mänsklig genterapi. Utredare kan också vända sig till National Institutes of Health för vägledning och riktlinjer när de utför kliniska prövningar med genterapi.
Hittills, centret har ännu inte godkänt någon human genterapiprodukt till salu, även om flera pågående försök ger lovande resultat. Strax, vi kommer att titta på några framgångar nyligen i vad många tror är den andra revolutionen inom genterapi.
Genterapiens etikSäkerheten vid genterapi är bara en del av problemet. Många ifrågasätter om det är moraliskt bra eller korrekt att ändra någons gener. De undrar vem som kommer att avgöra vilka gener som är ”bra” och vilka som är ”dåliga”. De undrar också om kostnaderna för genterapi. Om behandlingar kommer med en hög prislapp, kommer de inte att ligga utanför många patienter med låga inkomster eller otillräcklig sjukförsäkring? Och vad händer när någon bestämmer sig för att använda genterapi för att korrigera icke -dödliga mänskliga egenskaper, som höjd, intelligens och atletisk förmåga? Dessa etiska frågor är lika viktiga som alla som rör virusens biologi eller mekaniken för geninsättning och uttryck.
I kölvattnet av Jesse Gelsinger död, FDA förbjöd James Wilson att genomföra experiment med genterapi med hjälp av människor. Andra forskare, dock, fungerade inte under samma begränsningar.
Under 2007, Jean Bennett, en molekylär genetiker och läkare vid University of Pennsylvania School of Medicine, och hennes man, Albert Maguire, en näthinnekirurg på Children's Hospital i Philadelphia, började en klinisk prövning för att studera en genterapibehandling för en sällsynt form av blindhet som kallas leber medfödd amauros ( LCA ). En mutation i en gen som kallas RPE65 leder till brist på ett protein som är avgörande för näthinnans normala funktion. Människor som saknar detta protein drabbas av progressiv synförlust tills de tappar all syn, vanligtvis vid 40 års ålder.
Bennett och Maguire infogade RPE65-genen i ett adenoassocierat virus, snällare, mildare version av adenovirus. De injicerade sedan det konstruerade viruset i låga doser i näthinnorna hos tre patienter. Virusen infekterade näthinnecellerna, som började riva ut RPE65 -proteinet. Ser man på, visionen för alla tre ämnena förbättrades, och inga otäcka biverkningar - inklusive farliga immunsvar - rapporterades. Teamet bestämde sig för att testa en större testpopulation med en starkare dos av viruset. Ytterligare sex LCA -patienter fick genterapin och fick ännu bättre resultat [källa:Kaiser].
Det sätter SCID och LCA i en sällsynt kategori - sjukdomar som framgångsrikt behandlats av genterapi. Och ändå känner genetiker och molekylärbiologer sig säkra på att det kommer att finnas fler. James Wilson, som fortsätter att bidra till fältet, har isolerat 120 typer av adeno-associerade virus, varav många fungerar mer effektivt i vissa vävnader än andra. Till exempel, några av dessa vektorer har en affinitet för hjärtvävnad, medan andra har en affinitet för celler i ryggmärgen och hjärnan. Framtida forskning kan ge livskraftiga behandlingar för ryggmärgsskador och för sjukdomar som Parkinsons [källa:Neimark].
Forskare gör också stora framsteg med behandlingar utanför kroppen. I juli 2013, tidskriften Science publicerade resultaten av två studier som undersökte användningen av lentivirus som genterapivektorer. Lentivirus är retrovirus, men de är unika i sin förmåga att överföra gener effektivt och permanent i både delande och icke -delande celler. Andra retrovirus måste göra sin genetiska voodoo på delande celler. Kanske viktigare, lentivirus verkar mindre benägna att aktivera andra cancerrelaterade gener när de sätter in sin nyttolast i värdens DNA. När forskare testade lentiviralbaserad terapi på patienter med adrenoleukodystrofi, en X-kopplad neurodegenerativ sjukdom som drabbar unga män, och metakromatisk leukodystrofi, en sällsynt neurodegenerativ sjukdom orsakad av mutationer i en enda gen, de kunde stoppa utvecklingen av båda sjukdomarna utan några skadliga biverkningar [källa:Cossins].
I framtiden, andra lovande genterapier kommer säkert att dyka upp, mest för ärftliga sjukdomar, såsom cystisk fibros, muskeldystrofi, sicklecellanemi och hemofili. Även fenylketonuri kan bli ett minne blott, något som förmodligen skulle göra Charlie Gordon ganska glad.
Det är svårt att inte bli imponerad av genterapins mekanik - snippningen, skarvning och byte av DNA. Men separera "Kan du?" från "Ska du?" verkar en mycket mer skrämmande uppgift. Jag misstänker att adresseringen av genterapins etik beror mycket på om du eller en familjemedlem lider av en sällsynt genetisk störning.
