Advances in gene therapy / Progressi nella terapia genica
Advances in gene therapy / Progressi nella terapia genica
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
What is gene therapy?
A medical treatment where genetic material – DNA or RNA – is modified in cells to treat or prevent genetic diseases.
This innovative approach to medicine targets health conditions that are caused by abnormal, faulty or malfunctioning genes. In its simplest form, the goal of most existing gene therapies is long-term expression of a transferred gene – and its encoded protein – at a level that is high enough to be therapeutic.
Inside the cell, these approaches can help to:
• Reduce levels of disease-causing protein(s)
• Increase production of diseasefighting protein(s)
• Produce new or modified proteins.
Most approved gene therapy products in late-stage clinical development are based on gene augmentation – the delivery of transgenes. The delivery may occur in vivo or ex vivo.
In vivo
Genes modified within the body postadministration. Most effective when genes require manipulation.
Ex vivo
Genes modified outside the body before administration. Most effective when genes require replacement.
Delivery mechanisms
Vectors are required to deliver the therapeutic cargo to a cell’s nucleus. Gene therapy delivery mechanisms are typically divided into viral and non-viral categories.
Viral
Viral vectors harness a virus’s ability to penetrate a cell and deliver genetic material. These vectors are designed such that any elements capable of causing disease are removed. The most used viral vectors in gene therapy are:
Adenovirus
•Easy to manipulate
Adeno-associated viral vectors (AAVs)
• High transfection efficiency
Retrovirus, lentovirus, vaccinia virus, etc
• Small cargo capacity
Non viral
Non-viral delivery methods can be divided broadly into physical and chemical approaches. These methods, and their potential advantages listed below, could address the limitations of viral-based delivery systems.
Physical
Gene gun
Needle injection
Laser irradiation
Electroporation sonoporation
• Control of the delivery area
• High tissue penetrance
• Low immunogenicity
• Tissue damage
Chemical
Organic
Lipid nanoparticle
Polymeric nanoparticle
• Several formulations
• Cargo flexibility
• Self-assembling properties
• Toxicity and immunogenicity
Lipid nanoparticle technology was key for the success of the first mRNA vaccine, designed to prevent SARS-CoV-2 infection.
Inorganic
Gold nanoparticles
Carbon nanotube
Mesoporous silica nanoparticle
Magnetic nanoparticle
Quantum dot
• Distinctive electrical, magnetic and optical properties
• Tunable shape, size and surface
• Cargo flexibility
• Toxicity and solubility
Despite the advantages of non-viral delivery systems, most upcoming gene therapy trials have adopted viral vectors.
Why?
• A one-size-fits-all approach to select a non-viral vector delivery system has not been feasible.
Customized systems are currently required for individual products, adding further costs and time to the development of new therapies.
• This variability presents QA/QC challenges, limiting translation from bench to bedside.
• Vector characteristics are still being optimized to achieve high-performance.
“Many more research opportunities lie ahead to investigate and understand the properties and impacts of non-viral vector gene therapy formulations on clinical applications,”
Gene editing
Gene editing strategies are advancing into clinical testing and could change the landscape of commercial gene therapies in the future. These strategies use engineered nucleases, or “molecular scissors”, such as:
Zing finger nucleases
TALEN
CRISPR/Cas9
Double strand break
Microhomology-mediated or Non-homology joining (NHEJ)
Insertions/deletions gene disruption
Template
Homology-directed repair (HDR)
Precise DNA editing gene insertion
Let’s take a closer look at how CRISPR/Cas9 technology works, as an example. CRISPR/Cas9 genome editing is simpler to perform, more precise and efficient at editing, and more cost-effective compared to other strategies.
Mutated cell
Identification of the mutation responsible for the disease
Creation of a strand of guide RNA that matches the mutated DNA sequence
Guide RNA
Cas9
The guide RNA identifies the mutated RNA
Cas9 cuts, nicks or targets the affected sequence
Gene replacement
Addition of target gene DNA
Gene repair
Adenine/cytosine base editor
RT enzyme
Gene silence
Non-homologous RT enzyme end-joining
Several gene editing therapies have generated positive results in early clinical trials.
To date, diseases targeted in clinical studies include:
• HIV Type 1
• Multiple myeloma
• Cystic fibrosis
• Inherited eye disorders
• Sickle cell disease
Technical challenges exist when translating gene editing therapies, such as CRISPR/Cas9 therapies, to the clinic. The following factors still require optimization:
Choice of delivery system can contribute to the reduction of off-target effects.
ITALIANOCos'è la terapia genica?
Un trattamento medico in cui il materiale genetico – DNA o RNA – viene modificato nelle cellule per trattare o prevenire malattie genetiche.
Questo approccio innovativo alla medicina prende di mira le condizioni di salute causate da geni anormali, difettosi o malfunzionanti. Nella sua forma più semplice, l'obiettivo della maggior parte delle terapie geniche esistenti è l'espressione a lungo termine di un gene trasferito - e della sua proteina codificata - ad un livello sufficientemente elevato da essere terapeutico.
All'interno della cellula, questi approcci possono aiutare a:
• Ridurre i livelli di proteine che causano malattie
• Aumentare la produzione di proteine che combattono le malattie
• Produrre proteine nuove o modificate.
La maggior parte dei prodotti di terapia genica approvati nella fase avanzata dello sviluppo clinico si basa sull'aumento genico, ovvero la consegna di transgeni. Il meccanismo può avvenire in vivo o ex vivo.
In vivo
Geni modificati all'interno del corpo dopo la somministrazione. Più efficace quando i geni richiedono la manipolazione.
Ex vivo
Geni modificati all'esterno del corpo prima della somministrazione. Più efficace quando i geni richiedono la sostituzione.
Meccanismi di consegna
I vettori sono necessari per consegnare il carico terapeutico al nucleo di una cellula. I meccanismi di erogazione della terapia genica sono tipicamente suddivisi in categorie virali e non virali.
Virale
I vettori virali sfruttano la capacità di un virus di penetrare in una cellula e fornire materiale genetico. Questi vettori sono progettati in modo tale da rimuovere qualsiasi elemento in grado di causare malattie. I vettori virali più utilizzati nella terapia genica sono:
Adenovirus
•Facile da manipolare
Vettori virali adeno-associati (AAV)
• Elevata efficienza di trasfezione
Retrovirus, lentovirus, vaccinia virus, ecc
• Piccola capacità di carico
Non virale
I metodi di consegna non virali possono essere ampiamente suddivisi in approcci fisici e chimici. Questi metodi ed i loro potenziali vantaggi elencati di seguito potrebbero affrontare i limiti dei sistemi di consegna basati su virus.
Fisico
Pistola genetica
Iniezione dell'ago
Irradiazione laser
Elettroporazione sonoporazione
• Controllo dell'area di consegna
• Elevata penetranza tissutale
• Bassa immunogenicità
• Danni ai tessuti
Chimico
Biologico
Nanoparticelle lipidiche
Nanoparticelle polimeriche
• Diverse formulazioni
• Flessibilità del carico
• Proprietà autoassemblanti
• Tossicità e immunogenicità
La tecnologia delle nanoparticelle lipidiche è stata la chiave per il successo del primo vaccino a mRNA, progettato per prevenire l'infezione da SARS-CoV-2.
Inorganico
Nanoparticelle d'oro
Nanotubi di carbonio
Nanoparticelle di silice mesoporosa
Nanoparticelle magnetiche
Punto quantico
• Proprietà elettriche, magnetiche e ottiche distintive
• Forma, dimensioni e superficie regolabili
• Flessibilità del carico
• Tossicità e solubilità
Nonostane i vantaggi dei sistemi di consegna non virali, la maggior parte degli imminenti studi di terapia genica ha adottato vettori virali.
Perché?
• Un approccio unico per tutti per selezionare un sistema di consegna di vettori non virali non è stato fattibile.
Attualmente sono richiesti sistemi personalizzati per i singoli prodotti, aggiungendo ulteriori costi e tempi allo sviluppo di nuove terapie.
• Questa variabilità presenta sfide QA/QC, limitando la traduzione dal banco al letto.
• Le caratteristiche del vettore sono ancora in fase di ottimizzazione per ottenere prestazioni elevate.
"Ci attendono molte altre opportunità di ricerca per indagare e comprendere le proprietà e gli impatti delle formulazioni di terapia genica vettoriale non virale sulle applicazioni cliniche",
Modifica genetica
Le strategie di editing genetico stanno avanzando nei test clinici e potrebbero cambiare il panorama delle terapie geniche commerciali in futuro. Queste strategie utilizzano nucleasi ingegnerizzate, o "forbici molecolari", come:
Nucleasi del dito Zing
TALEN
CRISPR/Cas9
Rottura a doppio filo
Unione mediata da microomologia o non omologia (NHEJ)
Interruzione genica per inserzioni/delezioni
Modello
Riparazione diretta dall'omologia (HDR)
Inserimento preciso del gene di editing del DNA
Diamo un'occhiata più da vicino a come funziona la tecnologia CRISPR/Cas9, ad esempio. L'editing del genoma CRISPR/Cas9 è più semplice da eseguire, più preciso ed efficiente nell'editing e più conveniente rispetto ad altre strategie.
Cellula mutata
Identificazione della mutazione responsabile della malattia
Creazione di un filamento di RNA guida che corrisponda alla sequenza del DNA mutato
RNA guida
Cas9
L'RNA guida identifica l'RNA mutato
Cas9 taglia, intacca o prende di mira la sequenza interessata
Sostituzione genica
Aggiunta del DNA del gene bersaglio
Riparazione genica
Editor di basi di adenina/citosina
Enzima RT
Silenzio genico
End-joining dell'enzima RT non omologo
Diverse terapie di editing genetico hanno generato risultati positivi nei primi studi clinici.
Ad oggi, le malattie prese di mira negli studi clinici includono:
• HIV di tipo 1
• Mieloma multiplo
• Fibrosi cistica
• Disturbi oculari ereditari
• Anemia falciforme
Esistono sfide tecniche quando si traducono in clinica le terapie di editing genetico, come le terapie CRISPR/Cas9. I seguenti fattori richiedono ancora l'ottimizzazione:
I metodi di consegna non virali, come l'iniezione idrodinamica e gli LNP, sono stati ampiamente utilizzati per fornire ZFN, TALEN e CRISPR-Cas9. Tuttavia, la loro scarsa efficacia di consegna ha limitato la loro applicazione per la consegna in vivo.
CRISPR/Cas9 e sfide di consegna
- Vettori di consegna virali
- Vettori di consegna non virali
Risposta autoimmune contro la proteina Cas9 endogena
- Targeting di organi immuni privilegiati
- L'editing genetico nei primi anni di vita
Polimorfismo genico nel cancro
- Molti bersagli in una singola cellula
- Rilevamento di siti di interazione proteica
Off-targeting
- Proteine anti-CRISPR
- Cas9 nick
- Strumenti di bioinformatica
La scelta del sistema di consegna può contribuire alla riduzione degli effetti fuori bersaglio.
Da:
https://547446.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/547446/Technology%20Networks/TN%20Email%20Campaigns%20and%20App%20Alerts/Landing%20Page%20Promotions/Gene%20Therapy%20Infographic-1.pdf
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