محققان مؤسسه برود(Broad) موفق به توسعه فناوری ای شده اند که امکان وارد کردن کامل ژن‌ها به سلول‌های انسانی را فراهم می‌کند. این دستاورد می‌تواند به درمان بیماری های ژنتیکی مانند فیبروز کیستی از طریق درمان های تک ژنی کمک کند.
فیبروز کیستی: فیبروز کیستیک یا CF یک بیماری ژنتیکی و ارثی است که باعث ایجاد مخاط چسبناک و غلیظ در اندام هایی از جمله ریه و پانکراس می شود. افرادی که CF دارند، مخاط غلیظ مسیر تنفسی آنها را مسدود می کند، در نتیجه تنفس برای آنها دشوار می شود.
درمان تک ژنی یا Monogenic Therapy به روش‌های درمانی اطلاق می‌شود که برای اصلاح یا مدیریت بیماری‌هایی که تنها ناشی از جهش در یک ژن خاص هستند، طراحی شده‌اند. این درمان‌ها مستقیماً بر ژن معیوب یا محصولات آن متمرکز می‌شوند و هدف آنها بازگرداندن عملکرد طبیعی ژن یا حذف اثرات منفی آن است.
این روش با ترکیب فناوری ویرایش اولیه (prime editing) و آنزیم‌های پیشرفتهای به نام ریکامبینازها (recombinases)، توانسته کارایی ویرایش ژن را به طرز چشمگیری افزایش دهد و امکان اصلاحات دقیق در اندازه ژن را فراهم کند. به لطف این پیشرفت، محققان می‌توانند یک نسخه سالم از ژن را بدون نیاز به ایجاد درمان‌های جداگانه برای هر جهش، در محل طبیعی آن در ژنوم وارد کنند
ویرایش اولیه (Prime Editing): یک فناوری ویرایش ژنوم است که در سال 2019 معرفی شد و به دانشمندان امکان ایجاد تغییرات بسیار دقیق و متنوع در DNA را می‌دهد. این روش بر پایه ی سیستم CRISPR-Cas9 طراحی شده، اما از چند جهت نسبت به تکنیک‌های سنتی CRISPR مزایای بیشتری دارد.
سیستم eePASSIGE
این سیستم، از ویرایش اولیه (prime editing) برای ایجاد تغییرات در مقیاس کوچک و از آنزیم‌های ریکامبیناز برای وارد کردن بخش‌های بزرگ‌تر DNA استفاده می‌کند. این فناوری می‌تواند ژن‌های کامل را با کارایی چند برابر بیشتر از روش‌های مشابه در سلول‌های انسانی و موش ادغام کند. یافته‌های این مطالعه در نشریه معتبر Nature Biomedical Engineering منتشر شده است.
پتانسیل درمانی گسترده
دیوید لیو، سرپرست این مطالعه، اظهار داشت:
“این یکی از اولین نمونه‌های برنامه‌پذیر برای ادغام هدفمند ژن در سلول‌های پستانداران است که معیارهای لازم برای کاربردهای درمانی را برآورده می‌کند. اگر بتوانیم کارایی مشاهده‌شده در آزمایشگاه را به محیط بالینی منتقل کنیم، بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی ناشی از اختلال عملکرد ژن‌ها می‌توانند بهبود یابند.”
اسمریتی پاندی و دانیل گائو، نویسندگان اصلی این پژوهش، همراه با گروه‌هایی از دانشگاه مینه‌سوتا و مرکز پزشکی Beth Israel Deaconess روی این پروژه همکاری داشتند.
پاندی گفت:
“این سیستم فرصتی عالی برای درمان‌های سلولی ارائه می‌دهد. می‌توان ژن‌ها را خارج از بدن به سلول‌ها وارد کرد و سپس این سلول‌ها را برای درمان به بیماران تزریق کرد.”
گائو نیز افزود:
“کارایی و انعطاف‌پذیری eePASSIGE نویددهنده تولید نسل جدیدی از داروهای ژنومی است و می‌تواند به ابزاری مفید برای مطالعه زیست‌شناسی بنیادی تبدیل شود.”
پیشرفتهای ویرایش اولیه(prime editing)
ویرایش اولیه تاکنون برای ایجاد تغییرات کوچک و کارآمد در DNA استفاده می‌شد، اما وارد کردن کامل ژن‌ها در اندازه هزاران جفت‌باز، هدفی دشوار در حوزه ویرایش ژن بوده است. این روش جدید نه تنها امکان درمان بسیاری از بیماران با جهش‌های مختلف را فراهم می‌کند، بلکه تنظیم دقیق ژن وارد شده را تضمین می‌کند، تا از بیان بیش‌ازحد، کمتر از حد، یا نامناسب جلوگیری شود.
دی ان ای دارای مجموعه ای از بازهاست که به صورت جفت مقابل یکدیگر قرار میگیرند و دو رشته ی دی ان ای را پیوند میدهند.
با این پیشرفت، محققان امیدوارند که راهی نوین برای درمان بیماری‌های ژنتیکی فراهم شود و زمینه برای توسعه داروهای ژنومی پیشرفته‌تر هموار گردد.
پیشرفت کلیدی در ویرایش ژن: افزایش کارایی و دقت روش‌های پیشرفته
در سال ۲۰۲۱، تیم تحقیقاتی دیوید لیو گامی مهم به سوی وارد کردن دقیق ژن‌های سالم در ژنوم برداشت. آنها روشی به نام twinPE را توسعه دادند که با ایجاد “مکان‌های فرود” برای آنزیم‌های ریکامبیناز در ژنوم، امکان ورود دقیق DNA جدید به مکان‌های هدف ویرایش‌شده توسط ویرایش اولیه (prime editing) را فراهم کرد. در این روش، از آنزیم‌های طبیعی ریکامبیناز مانند Bxb1 برای تسهیل این فرآیند استفاده شد.
آغاز کاربرد در درمان بیماری‌های ژنتیکی
شرکت بیوتکنولوژی Prime Medicine، که توسط لیو تأسیس شده است، از این فناوری استفاده کرد و آن را PASSIGE نامید (prime-editing-assisted site-specific integrase gene editing). این روش به‌عنوان پایه‌ای برای توسعه درمان‌هایی برای بیماری‌های ژنتیکی مورد استفاده قرار گرفت.
چالش‌ها و بهبودهای روش PASSIGE
روش PASSIGE در ابتدا تنها می‌توانست تغییرات را در درصد کمی از سلول‌ها اعمال کند. گرچه این میزان برای درمان برخی بیماری‌ها کافی بود، اما برای اکثر اختلالات ژنتیکی ناشی از فقدان ژن عملکردی ناکافی بود.
برای رفع این محدودیت، تیم لیو دریافت که آنزیم Bxb1 عامل اصلی محدودیت کارایی این روش است. آنها با استفاده از ابزار PACE (Phage-Assisted Continuous Evolution / تکامل پیوسته با کمک باکتریوفاژ)، نسخه‌های کارآمدتر و پیشرفته‌تری از این آنزیم را در آزمایشگاه تکامل دادند
روش PACE یک روش نوآورانه برای تسریع فرایند تکامل پروتئین‌ها و مولکول‌های زیستی در شرایط آزمایشگاهی است. این تکنیک از چرخه‌های سریع تکامل برای ایجاد تغییرات دلخواه در ژن‌ها یا پروتئین‌ها استفاده می‌کند. در ویرایش ژن، تکامل پیوسته به کمک باکتریوفاژ می‌تواند برای بهبود یا تغییر ویژگی‌های مولکول‌هایی مانند آنزیم‌ها یا پروتئین‌های مرتبط با سیستم‌های ویرایش ژن مانند CRISPR-Cas مورد استفاده قرار گیرد.
معرفی eePASSIGE: جهشی در کارایی
نسخه جدید و بهینه‌شده این آنزیم، با نام eeBxb1، روش eePASSIGE را به میزان چشمگیری بهبود داد. این سیستم توانست به طور میانگین ۳۰ درصد از محموله‌های در اندازه ژن را در سلول‌های موش و انسان ادغام کند، که ۴ برابر بیشتر از روش اصلی و ۱۶ برابر کارامدتر از روش PASTE است که اخیراً معرفی شده بود.
چشم‌انداز آینده
دیوید لیو در این باره گفت:
“سیستم eePASSIGE بستری امیدوارکننده برای درمان بیماری‌های ژنتیکی فراهم می‌کند. هدف ما یکپارچه‌سازی نسخه‌های سالم ژن در نقاط دقیق ژنوم است تا اختلالات ناشی از فقدان عملکرد ژن را درمان کنیم. امیدواریم این فناوری گامی مؤثر به سمت استفاده از مزایای ویرایش ژن برای بیماران باشد.”
برای بهبود بیشتر این فناوری، تیم لیو اکنون در حال ترکیب eePASSIGE با سیستم‌های تحویلی نوآورانه‌ای مانند ذرات شبه ویروس مهندسی‌شده (eVLPs) هستند که می‌توانند بر چالش‌های سنتی در تحویل ویرایشگرهای ژن به داخل بدن غلبه کنند.
سیستم eVLPs یا enveloped Virus-Like Particles: سیستمهایی هستند که به‌طور طبیعی یا مهندسی‌شده شبیه به ویروس‌ها هستند، اما مواد ژنتیکی لازم برای تکثیر یا عفونت‌زایی را ندارند. این ذرات به دلیل شباهت زیادشان به ویروس‌ها از نظر ساختاری و عملکردی، اما بدون خطر ایجاد بیماری، در زمینه‌های تحقیقاتی و کاربردی مانند واکسن‌سازی و انتقال ژن مورد توجه قرار گرفته‌اند.
رفرنس ها: https://scitechdaily.com/biomedicine-breakthrough-complete-gene-insertion-now-possible-in-human-cells/