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CRISPRpedia

CRISPR en Medicina

Científico a cargo de la revisión Fyodor Urnov

Introducción ¿Cómo pueden las herramientas CRISPR tratar o prevenir enfermedades?

Puede que hayas oído que edición del genoma CRISPR pueden alterar genes que causan enfermedades y podría ser capaz de tratar una variedad de trastornos. Esto es cierto, ¡pero las herramientas CRISPR también pueden tratar o prevenir enfermedades de muchas otras maneras! En esta sección, nos sumergimos en las diferentes formas en que los médicos e investigadores pueden usar las herramientas CRISPR para mejorar la salud humana. Tenga en cuenta que muchos de los tratamientos discutidos en esta sección son teóricos y/o están actualmente en desarrollo. 

Descargar recursos gráficos (CC BY-NC-SA 4.0)

Orígenes de las enfermedades genéticas

Vocabulario
Enfermedad genética, enfermedad monogénica, enfermedad poligénica

Las herramientas CRISPR nos ayudan a estudiar enfermedades mono y poligénicas

ADN codifica todas las proteínas que conforman nuestras células.Ciertas variantes de la secuencia de ADN codifican proteínas que funcionan mal, o están "rotas", por lo que no codifican una proteína en absoluto. Estas tienen el potencial de causar enfermedades genéticas. Hay dos tipos principales de enfermedades genéticas:

  • Trastornos de un solo gen (enfermedades monogénicas enfermedad) - Son enfermedades raras causadas por una variante de ADN en un solo gen o región. Los investigadores usan datos de pacientes para identificar tales variantes. Estas variantes son tediosas de recrear en laboratorio y de probar con técnicas convencionales.
  • Trastornos multigénicos (enfermedades poligénicas enfermedad) - Estas enfermedades más comunes son causadas por combinaciones de variantes de ADN. Cualquiera de estas variantes no causará la enfermedad por sí sola, pero en combinación, pueden hacerlo. Los factores ambientales y de estilo de vida también pueden desempeñar un papel importante en el desarrollo de trastornos multigénicos. Debido a su etiología compleja, los trastornos multigénicos son más difíciles de estudiar que los trastornos monogénicos.

Las herramientas CRISPR facilitan mucho el estudio de ambos tipos de enfermedades genéticas.

Enfermedades genéticas

Las variantes de ADN provocan enfermedades porque alteran las funciones celulares.Algunas variantes de ADN provocan el mal funcionamiento de partes celulares muy importantes. Otras variantes codifican partes completamente no funcionales, o que están "rotas" de una manera que impide que se produzca una proteína. Algunas variantes de ADN se encuentran en regiones no codificantes de ADN que tienen funciones importantes como controlar la expresión de genes. Con impactos tan intensos, estas variantes pueden, por sí solas, conducir a células defectuosas. Cuando esto sucede, resulta en un trastorno de un solo gen.

Piense en una célula como un equipo deportivo. Una variante de ADN que causa una enfermedad monogénica es como un jugador estrella lesionado o un jugador mediocre en el banquillo.

Otras variantes de ADN conducen a disfunciones que no son tan impactantes. Estas pueden codificar proteínas con función reducida. También pueden codificar versiones no funcionales de proteínas menos importantes, o detener la producción de una proteína no esencial por completo, o afectar la regulación de genes. Una célula puede compensar cada disfunción individualmente, pero juntas, las pequeñas disfunciones individuales se combinan y forman células defectuosas. Cuando esto sucede, resulta en un trastorno multigénico.

Piense en el equipo deportivo de nuevo. Las variantes de ADN que causan trastornos multigénicos son como si todo el equipo tuviera un mal partido. Normalmente, otros miembros del equipo pueden compensar si una persona tiene un mal día, pero el equipo perderá si todos tienen un desempeño inferior. En los trastornos multigénicos, muchos genes tienen un rendimiento inferior al necesario para causar la enfermedad.

Es importante tener en cuenta que la enfermedad a menudo es producto de una interacción entre las variantes de ADN y el estilo de vida, la experiencia de vida y/o el medio ambiente. A veces, las variantes de ADN codifican proteínas que funcionan mal solo bajo ciertas condiciones. Otras veces, la combinación de estilo de vida, experiencia o factores ambientales se combinan con variantes de ADN para provocar enfermedades. Por ejemplo, algunas personas pueden tener una variante de ADN que las hace más propensas a desarrollar asma. Pero el asma solo ocurre cuando las personas con esa variante viven en áreas con una contaminación del aire moderada o alta. De esta manera, el medio ambiente tiene un gran impacto sobre si las variantes de ADN conducen a la enfermedad.

Además, algunos problemas de salud se deben casi en su totalidad al estilo de vida, las experiencias de vida y el entorno. Por ejemplo, los problemas de espalda pueden ser el resultado de una ocupación que implique levantar objetos pesados. Puede haber algunas variantes genéticas que hagan que las personas sean más o menos propensas a tener problemas de espalda, pero generalmente tendrán poco impacto en comparación con toda una vida de trabajo pesado.

Uso de herramientas de edición del genoma CRISPR para estudiar enfermedades genéticas

edición del genoma CRISPR genoma,CRISPR facilitan la investigación de trastornos de uno o varios genes. El primer paso de este trabajo es que los investigadores determinen si las variantes de ADN sospechosas realmente causan enfermedades. Para ello, añaden las variantes a las células sanas y las eliminan de las células enfermas. Si las variantes causan enfermedad, las células sanas se enferman y las células enfermas mejoran.

Para los trastornos de un solo gen, los investigadores deben sumar o restar solo una variante de ADN. Las herramientas de edición del genoma CRISPR hacen que este proceso sea más fácil y rápido. Usando estas herramientas, los investigadores pueden probar variantes en muchas células bajo muchas condiciones. Rápidamente pueden aprender mucho sobre estas enfermedades y cómo afectan la función celular.

Las herramientas CRISPR tienen un impacto aún mayor en los trastornos multigénicos. Con trastornos multigénicos, los investigadores deben estudiar muchas variantes de ADN a la vez. Esto no era posible antes de la edición del genoma CRISPR. Las herramientas CRISPR hacen posible la investigación de enfermedades poligénicas por dos razones:

  1. Es fácil dirigir las herramientas de edición del genoma CRISPR a muchos sitios - Los investigadores simplemente usan muchos ARNs guía al mismo tiempo para dirigir herramientas CRISPR a muchas secuencias de ADN simultáneamente. Antes de que las herramientas CRISPR estuvieran disponibles, los investigadores tenían que crear herramientas completamente nuevas para editar cada nuevo sitio. Esto requería mucho tiempo y era poco práctico para todos los sitios en trastornos multigénicos.
  2. Los componentes de edición del genoma CRISPR son pequeños y fáciles de entregar - Las antiguas herramientas de edición del genoma eran muy grandes y era difícil entregar más de una a la vez. Los ARNs guía utilizados en la edición del genoma CRISPR son pequeños. Por lo tanto, los investigadores pueden administrar muchos a la vez y, en teoría, editar todos los sitios en un trastorno multigénico.

Con las herramientas CRISPR, los investigadores están aprendiendo mucho más sobre las variantes de ADN y las enfermedades. Usando esta información, crearán nuevos tratamientos. Algunos confiarán en el uso del conocimiento obtenido de la investigación basada en CRISPR para desarrollar medicamentos tradicionales de moléculas pequeñas, tratamientos basados ​​en anticuerpos y más. Algunos usarán la edición del genoma para cambiar directamente las secuencias que causan enfermedades a versiones saludables. 

Modelado de enfermedades

Cómo estudian los científicos las enfermedades en el laboratorio

Vocabulario
Xenoinjerto, quimera, modelo de enfermedad

Aprender a tratar enfermedades en modelos relevantes para humanos

Para desarrollar nuevos tratamientos para enfermedades, los investigadores necesitan formas de probar su seguridad y eficacia antes de probarlos en ensayos clínicos con pacientes humanos voluntarios. Aquí es donde intervienen los modelos de enfermedades.

Los modelos de enfermedades simulan las características importantes de las enfermedades humanas. Estos modelos pueden adoptar muchas formas, desde células en placas de Petri hasta animales completos.

Uso de herramientas CRISPR para crear modelos de enfermedades

Las herramientas CRISPR ayudan a los investigadores a crear modelos de enfermedades de dos maneras principales:

  1. Al permitir que los investigadores verifiquen que las variantes de la secuencia de ADN que son candidatas a ser causantes de enfermedades de hecho sí causan enfermedades.
  2. Haciendo que las células o los animales adquieran características similares a las de una enfermedad.

Por ejemplo, imagina que eres un investigador que estudia la diabetes. Puedes identificar posibles variantes de la secuencia de ADN que causan diabetes analizando el ADN de personas diabéticas. Para verificar que estas variantes causan enfermedades, puede usar herramientas CRISPR para insertarlas en células de páncreas cultivadas en un plato. Luego podrías probar si estas células adquieren características asociadas con la diabetes. Por ejemplo, podrías probar si las células producen insulina.

Una vez verificadas, los investigadores utilizan variantes de secuencias de ADN para simular enfermedades en modelos relevantes para humanos. Primero eligen las plataformas apropiadas para sus modelos de enfermedad. Una plataforma podría ser células en un plato, células que crecen juntas en tejidos o estructuras similares a órganos, o incluso organismos completos.

Las características particulares de una enfermedad y los experimentos particulares deben considerarse cuidadosamente al elegir un modelo. Para una enfermedad como la diabetes que afecta a todo el cuerpo, a veces un organismo completo sería una mejor opción. Una sabia elección sería un organismo con páncreas porque muchos de los efectos de la diabetes operan a través del páncreas. Un ratón podría ser una buena opción.

Simulación de enfermedades con herramientas CRISPR

Después de elegir cuidadosamente una plataforma, el siguiente paso es simular la enfermedad en la plataforma. Hay una variedad de maneras de hacer esto:

  • Usar herramientas CRISPR para editar secuencias de ADN en células específicas - Por ejemplo, los investigadores podrían insertar variantes de ADN que causan diabetes en células pancreáticas de ratón.

  • Usar herramientas CRISPR para editar secuencias de ADN en organismos completos - Aquí, los investigadores insertan variantes de secuencias de ADN que causan enfermedades en óvulos/espermatozoides o células embrionarias. Estas células luego dan lugar a organismos con variantes de ADN que causan enfermedades en cada célula.
  • Usar xenoinjertos - Un xenoinjerto consiste en tejido transferido de una especie a otra. Los xenoinjertos permiten a los investigadores estudiar células humanas enfermas en no humanos. Los xenoinjertos pueden provenir de una variedad de fuentes, incluidos pacientes o células cuyo genoma ha sido editado y que han sido cultivadas en el laboratorio. Por ejemplo, los investigadores pueden transferir tumores humanos a ratones. Posteriormente podrán estudiar cómo afectan los tumores a los ratones. También pueden probar cómo los medicamentos administrados a los ratones afectan los tumores.
  • Crear quimeras - Quimeras son organismos compuestos por mezclas de células con diferentes secuencias de ADN. Incluso podrían contener células de diferentes especies. Las quimeras pueden ser útiles para estudiar enfermedades humanas en no humanos. Por ejemplo, los investigadores pueden crear cerdos que contengan células humanas en sus órganos. Tales órganos "humanizados" podrían simular mejor la enfermedad humana. Los investigadores utilizan la edición compleja del genoma y técnicas basadas en células madrepara crear quimeras.

Los investigadores no tienen que usar la edición del genoma para crear modelos de enfermedades. Por ejemplo, las herramientas CRISPR que activan y desactivan los genes también pueden causar efectos similares a los de una enfermedad. Incluso los tratamientos químicos pueden causar síntomas similares a los de una enfermedad. No obstante, las enfermedades causadas por variantes de la secuencia de ADN a menudo se modelan mejor utilizando las mismas variantes. 

Con un modelo apropiado disponible, los investigadores pueden aprender mucho sobre la biología de la enfermedad. Pueden usar modelos para aprender cómo las enfermedades afectan órganos o tejidos particulares. También pueden usar modelos para probar nuevos tratamientos. Si un tratamiento es efectivo en un modelo, los investigadores podrían probarlo más tarde en humanos. Debido a que las herramientas CRISPR facilitan mucho la creación de modelos de enfermedades, ¡ayudan a los investigadores a llevar nuevos tratamientos a la clínica más rápidamente!

Terapias de edición del genoma

Cómo los científicos están desarrollando terapias basadas en CRISPR para tratar enfermedades

Vocabulario
Edición del genoma, terapia celular, edición del genoma in situ, ediciones fuera del objetivo, edición de la línea germinal, célula somática, célula germinal

Agregar o cambiar el ADN para tratar enfermedades

En las terapias de edición del genoma, los científicos entregan secuencias útiles de ADN a las células. Estas secuencias de ADN pueden desempeñar una variedad de funciones. Podrían hacer pequeñas ediciones en el ADN para revertir a una variante sana de la secuencia de ADN o activar o desactivar un gen. Podrían reemplazar secciones de secuencias de ADN que causan enfermedades. También podrían dar nuevas habilidades a las células. Las herramientas CRISPR hacen que las terapias de genes sean más fáciles, pero no son la única manera de hacerlo.

Este artículo divide las terapias de edición del genoma en tres grupos. En orden de practicidad, son:

  • Terapias celulares* - Estas utilizan células modificadas en laboratorio para tratar enfermedades.
  • Las terapias de edición del genoma in situ * - Estas utilizan herramientas de edición del genoma para reparar las células enfermas en los pacientes.*Tanto celular como in situ uso de terapias' somáticas' edición del genoma. Es decir, alteran células adultas que no pueden dar lugar a descendencia.
  • Terapias de línea germinal terapias - Estas utilizan la edición del genoma para alterar el ADN en las células que formarán organismos completos (piense en los óvulos y los espermatozoides). Por lo tanto, todas las células que componen los organismos resultantes tienen ADN alterado. Su futura descendencia heredará su ADN alterado.

Estas terapias genómicas vienen con niveles crecientes de dificultades éticas y técnicas. Los dos primeros tipos ya están llegando a la clínica. La terapia de línea germinal requiere más investigación, discusión pública y supervisión antes de que llegue a la clínica (si es que llega).

Terapia celular

Las terapias celulares utilizan células modificadas para tratar enfermedades. Por lo general, estas células se aíslan de un paciente o de un individuo que actúa como donante de células, y luego se editan y multiplican en el laboratorio. Después de la edición, los médicos entregan estas células (de vuelta) a los pacientes, a menudo mediante infusión intravenosa. Una vez en el cuerpo, las células editadas en su genoma combaten una enfermedad específica.

Un tratamiento basado en CRISPR para la enfermedad de células falciformes, que se está estudiando en ensayos clínicos, es un excelente ejemplo de una terapia celular. En la enfermedad de células falciformes, una forma defectuosa de la proteína hemoglobina hace que los glóbulos rojos se deformen o se "encorven". En el tratamiento, las células madre sanguíneas se extraen de un individuo, se editan en el laboratorio y luego se infunden nuevamente al paciente, donde se instalan en la médula ósea y comienzan a producir glóbulos rojos redondos y saludables. 

Las terapias celulares suelen ser más prácticas que las otras formas de edición del genoma por muchas razones:

  • El proceso de edición del genoma es más fácil - Es menos desafiante técnicamente editar células en el laboratorio que en el cuerpo. Los científicos también suelen tener más células con las que trabajar en el laboratorio.
  • Es más fácil editar el tipo de célula específico: Cuando las herramientas de edición del genoma están en el cuerpo, existe el riesgo de que modifiquen tipos de células además de las células de interés. Si las células se aíslan del paciente y se modifican fuera del cuerpo, hay muy poco riesgo de editar los tipos de células incorrectos.
  • Las células modificadas pueden ser fáciles de administrar a los pacientes - Estas generalmente se infunden en el torrente sanguíneo o se administran a un órgano en particular.
  • Hay poco o ningún riesgo de transmitir las células modificadas a las generaciones futuras. En este sentido, las terapias celulares son como fármacos estándar. Solo impactan directamente a las personas que tratan. Por lo tanto, plantean menos cuestiones éticas que los otros tipos de edición del genoma.

Las futuras terapias celulares pueden curar una variedad de enfermedades. Algunos científicos están trabajando para modificar las células del hígado para curar enfermedades de la sangre como la hemofilia. Otros están trabajando en formas de crear células pancreáticas para curar la diabetes. Otros están trabajando para hacer que las células inmunitarias sean resistentes a la infección por el VIH. Y los investigadores están encontrando nuevas formas de aislar y modificar células todo el tiempo. 

Edición del genoma in situ

Las terapias de edición del genoma in situ significa “en el lugar original”. Las terapias de edición del genoma in situ terapias tratan enfermedades en su lugar de origen en células defectuosas. Usan la edición del genoma para alterar las variantes de ADN que causan enfermedades en el cuerpo.

Las terapias de edición del genoma in situ es generalmente más difícil que la terapia celular. Es más difícil entregar herramientas de edición del genoma directamente a las células del cuerpo humano que a las células aisladas en el laboratorio. La mayoría de las células no son tan fácilmente accesibles como las del ojo. Piense en lo difícil que podría ser entregar herramientas de edición del genoma a células ampliamente distribuidas, como las células musculares. Muchas enfermedades involucran células ampliamente distribuidas.

Incluso cuando las células objetivo son accesibles, la edición del genoma in situ es un desafío porque debe ser muy precisa. Si las herramientas de edición del genoma actúan en las células equivocadas, podría haber consecuencias negativas para la salud. Los investigadores pueden lograr cierta precisión utilizando virusespeciales. Estos virus están modificados para que ya no causen enfermedades, pero aún tienen su capacidad nativa para ingresar a tipos específicos de células. Las herramientas de edición del genoma se pueden empaquetar dentro de los virus, los cuales las transportan a células específicas. Siempre hay algún riesgo porque los virus no son 100% precisos. Los investigadores tampoco tienen virus para atacar cada tipo de célula.

Aunque poco probable, la edición del genoma in situ también podría dar lugar a la edición de la línea germinal, lo que provocaría que las generaciones futuras heredaran las alteraciones del ADN realizadas por los componentes de edición del genoma.Esto sucedería si las herramientas de edición del genoma se enviaran accidentalmente a los óvulos o espermatozoides. Por lo tanto, los investigadores deben tener mucho cuidado al desarrollar terapias de edición del genoma in situ para minimizar el riesgo de estas ediciones fuera del objetivo ediciones

La edición de línea germinal

La edición de línea germinal es muy controversial. Utiliza herramientas de edición del genoma para alterar espermatozoides, óvulos o embriones, células que dan lugar a organismos completos. Como resultado, estos organismos transmiten los cambios en su ADN a sus descendientes. En otras palabras, la edición de la línea germinal afecta a las generaciones futuras y no solo a los pacientes individuales. Por esta razón, suscita muchas más cuestiones éticas que la edición celular o in situ edición y está prohibida en muchos países. Actualmente no hay ningún país que permita la edición hereditaria del genoma de la línea germinal, es decir, cambios que se transmitirían a generaciones más allá del organismo editado inicialmente. 

Sin embargo, vale la pena pensar en la edición de la línea germinal porque ciertas enfermedades podrían tratarse de manera más efectiva con la edición de la línea germinal. Las enfermedades causadas por variantes de ADN que alteran muchas células del cuerpo son un buen ejemplo. Sus impactos en la salud son demasiado amplios para las terapias celulares y la terapia genética in situ no puede llegar a todas las células defectuosas. La terapia de línea germinal también es la opción más efectiva para enfermedades que tienen efectos muy tempranos en el desarrollo. Estas enfermedades pueden ser gravemente discapacitantes o fatales antes del nacimiento o en la infancia o la niñez, por lo que evitar que se desarrollen es el enfoque más efectivo.

A pesar de estos usos potenciales, hay muchas razones por las que la edición de la línea germinal es controversial:

  • Los científicos aún no saben cómo editar la línea germinal de forma segura - No está claro si las técnicas actuales de edición del genoma son lo suficientemente precisas para la terapia de línea germinal. Los efectos de la línea germinal 'fuera del objetivo' o los efectos no deseados 'en el objetivo' darían lugar a modificaciones en todo el organismo tratado, lo que podría tener consecuencias drásticas para la salud. 

    La edición fuera de objetivo y los efectos no deseados en el objetivo son posibles en los otros tipos de terapia genética, pero el riesgo es menor. Los científicos editan un número limitado de células en tratamientos celulares e in situ . Esto reduce las posibilidades de consecuencias drásticas fuera del objetivo. En las terapias celulares, los científicos pueden incluso probar sus células para la edición fuera del objetivo. Por lo tanto, pueden tratar a los pacientes usando solo células con las ediciones correctas. No es posible confirmar que un embrión editado solo tiene los cambios deseados sin destruir el embrión. 

  • La terapia de línea germinal tiene el potencial de alterar la reserva genética humana - Mucha gente piensa que alterar permanentemente la genética humana es una mala idea. Les preocupa que cambiar la reserva genética pueda tener consecuencias negativas imprevistas en las generaciones futuras. Reforzando este argumento, algunas variantes de ADN que causan enfermedades tienen beneficios para la salud en entornos particulares. Como tal, puede ser imprudente tomar medidas que puedan eliminar estas variantes de la reserva genética.
  • La terapia de línea germinal podría usarse para mejoras en lugar de tratamiento - Aquí “mejora” significa tratar de mejorar la genética humana por motivos que van más allá del tratamiento o la prevención de enfermedades o discapacidades. Por ejemplo, los padres podrían usar la edición de la línea germinal para darles a sus hijos músculos más grandes. Si bien muchas características humanas, como la inteligencia, son demasiado complicadas para que esto se haga a corto plazo y demasiado moldeadas por el entorno para ser realistas incluso a largo plazo, algunos tipos de mejoras son teóricamente posibles. Los detractores creen que la mejora podría exacerbar las desigualdades entre clases, razas, geografías y más. La mejora podría ser posible en menor medida con los otros tipos de edición del genoma, pero esos cambios en el ADN no se extenderían más allá de los pacientes individuales.
  • Falta de consentimiento inherente - La terapia de línea germinal “trata” las células germinales que formarán fetos y, en última instancia, nuevos individuos. Sin embargo, estos futuros individuos no tienen medios para consentir el tratamiento. Esto se ve agravado por el hecho de que las ediciones de la línea germinal son hereditarias: como resultado, la falta de consentimiento se extiende mucho más allá del individuo tratado y hacia las generaciones futuras.

Estos temas son importantes y las sociedades deben considerarlos antes de usar la edición de línea germinal. Necesita discusión, debate, consentimiento y regulación extensos e inclusivos antes de que pueda usarse éticamente. Por ahora, las familias con riesgos genéticos tienen opciones que incluyen detección de portadores, detección de embriones y diagnóstico prenatal. 

Encuentre la postura oficial de IGI sobre la edición de la línea germinal humana aquí.

Entrega de terapias CRISPR

Vocabulario
Entrega sistémica, entrega local, virus, nanopartículas lipídicas/LNP, herramienta CRISPR "desnuda", ribonucleoproteína/RNP

Introducción de herramientas CRISPR en células humanas para la edición del genoma

Las terapias CRISPR pueden tener un profundo impacto en la enfermedad. Su efectividad depende de nuestra capacidad para entregar herramientas CRISPR a las células. Los médicos necesitan formas de distribuir herramientas CRISPR a tipos de células específicos. También necesitan formas de hacer que estas herramientas atraviesen las barreras celulares.

Los investigadores han ideado muchas formas de introducir herramientas CRISPR en las células. Los métodos para entrega sistémica  implican una amplia distribución de herramientas CRISPR por todo el cuerpo, y la herramienta de entrega (que se analiza en detalle a continuación) se dirige a células específicas a medida que se mueve por todo el sistema del cuerpo. Los métodos para entrega local llevan las herramientas CRISPR directamente a tejidos o células específicos.

El método de administración que utiliza un médico depende de la terapia específica. Con enfermedades que afectan las células de todo el cuerpo, la administración sistémica es muy importante. Por ejemplo, las enfermedades de desgaste muscular como la distrofia muscular pueden necesitar una administración sistémica. Con enfermedades que afectan células o tejidos específicos a los que se puede acceder fácilmente, la entrega local puede ser la mejor opción. Por ejemplo, ciertas condiciones de la vejiga podrían beneficiarse de la entrega local a la vejiga. De hecho, la entrega local podría ser una mejor opción en estos casos porque puede limitar los efectos secundarios y el riesgo de ediciones no deseadas en otros tipos de células.

A continuación, analizamos tres de los métodos más populares para administrar terapias CRISPR. Estos tienen diferentes niveles de potencial para la entrega sistémica y local. Cada uno también tiene sus pros y sus contras. Los investigadores están trabajando activamente para mejorar todos estos métodos y crear otros nuevos.

1. Virus especializados

Los virus naturalmente infectan células humanas. Durante este proceso, a menudo liberan su ADN en las células infectadas. Normalmente, este ADN codifica proteínas que obligan a las células a producir más copias del virus. Finalmente, a veceslos virus matan las células infectadas.

Los investigadores han descubierto formas de domesticar algunos virus. Los virus domesticados ya no convierten a las células en fábricas de replicación de virus. En cambio, llevan herramientas de edición del genoma y las liberan en sus células objetivo. Los investigadores pueden entregar herramientas CRISPR de codificación de ADN en tipos de células específicas utilizando estos virus. Virus adenoasociados (AAV) se utilizan comúnmente para esto.

Los virus pueden entregar herramientas CRISPR ya sea sistémicamente or localmente. Algunos virus son excelentes para la administración sistémica. Algunos son más adecuados para la entrega local. Los investigadores pueden incluso modificar algunos virus para hacer la entrega más o menos específica. Son muy versátiles.

Los virus causan algunos inconvenientes. Por ejemplo, algunos pueden causar poderosas reacciones inmunológicas. Otros pueden insertar su ADN que codifica CRISPR en ubicaciones aleatorias en el genoma. Otros solo pueden entregar pequeños fragmentos de ADN. Los dos primeros inconvenientes podrían tener graves consecuencias para la salud de los pacientes. El tercero impone limitaciones a los tipos de herramientas CRISPR que pueden ser ​​entregadas.Sin embargo, los virus tienen una larga historia en la terapia genética y, más recientemente, en la edición del genoma, por lo que los médicos saben cómo monitorear y tratar sus efectos secundarios.

Los virus pueden permanecer en las células durante semanas, meses o años. Cuando se utilizan virus para entregar componentes de edición del genoma, esto puede resultar en la presencia de componentes de edición del genoma durante semanas, meses o años. Esto puede ser deseable en algunos casos, pero también aumenta el riesgo de reacciones inmunológicas al virus o a las proteínas CRISPR, así como el riesgo de efectos fuera del objetivo, a diferencia de otros métodos que conducen a la expresión transitoria de componentes de edición del genoma. 

2. Nanopartículas

Las nanopartículas de lípidos son pequeñas estructuras esféricas hechas de lípidos (grasas) y también pueden denominarse NPLs. Los investigadores tienen varias formas de encapsular herramientas CRISPR dentro de estas estructuras. Estas pasan fácilmente a través de las membranas y depositan sus cargas CRISPR en las células. Por lo general, las herramientas CRISPR están encapsuladas como ARNm o proteína.

Las NPLs son fáciles de preparar y los investigadores fácilmente pueden pasan fácilmente modificar sus estructuras. Algunas formulaciones podría penetrar mejor en ciertos tipos de células, atravesar barreras corporales, o tener más estabilidad. A diferencia de los virus, las nanopartículas no tienden a provocar respuestas inmunológicas, por lo que pueden tener menos efectos secundarios y ser más seguras que los virus cuando se administran al cuerpo. 

Las NPLs se pueden utilizar para la entrega local. Si se inyectan en el torrente sanguíneo, estas partículas se acumulan en el hígado, lo que las hace ideales para terapias sistémicas que se dirigen al hígado. Sin embargo, pueden tener poca eficacia cuando se administran sistémicamente para terapias dirigidas a otras células del cuerpo. Los investigadores están trabajando en el desarrollo de nanopartículas que son más versátiles para el suministro sistémico a células, tejidos u órganos además del hígado.

Las NPLs conducen a la expresión transitoria de componentes de edición del genoma. Aproximadamente una semana después de la administración, no habrá rastro de las nanopartículas de los componentes de edición del genoma. Esto disminuye el riesgo de reacciones inmunológicas a las proteínas CRISPR, así como el riesgo de efectos fuera del objetivo, en relación con la entrega viral.

3. Entrega directa de herramientas CRISPR desnudas

En los métodos anteriores, los investigadores encapsulan las herramientas CRISPR antes de la entrega. En algunos casos, tiene sentido entregar herramientas CRISPR "desnudas" no encapsuladas. Por ejemplo, las terapias celulares usan células modificadas para combatir enfermedades. Estas células generalmente se modifican en el laboratorio y luego se inyectan o infunden nuevamente a los pacientes. En el laboratorio, los investigadores pueden agregar las herramientas CRISPR desnudas directamente a las células en crecimiento. Con la mezcla apropiada de químicos o pulsos eléctricos, estas células pueden ser persuadidas a aceptar las herramientas.

También es posible modificar herramientas CRISPR desnudas para hacer que las células del cuerpo sean más propensas a absorberlas. Estas herramientas desnudas pero disfrazadas son como caballos de Troya, y las células atraerán estas herramientas disfrazadas hacia sus membranas. Una vez dentro, las herramientas se ponen a trabajar editando el ADN.

Actualmente solo tiene sentido entregar herramientas CRISPR desnudas localmente. Las herramientas CRISPR desnudas pueden provocar respuestas inmunitarias. Tampoco son lo suficientemente estables para la administración sistémica. No obstante, los investigadores están activamente diseñando formas de mejorar la entrega desnuda. Al igual que las nanopartículas, las herramientas CRISPR desnudas estarían presentes solo de forma transitoria. 

Opciones de entrega de CRISPR y mejoras por venir

Los investigadores están trabajando en formas de mejorar estos métodos de entrega y desarrollar nuevos métodos para llevar las herramientas CRISPR a las células correctas y reducir los riesgos y los efectos secundarios.

Xenotrasplante

Cómo se podrían usar las herramientas CRISPR para ayudar a reemplazar órganos humanos con órganos animales

Vocabulario
Xenoinjerto, xenotrasplante

Sustitución de órganos humanos por órganos animales.

Cada año, miles de personas mueren esperando trasplantes de órganos porque simplemente no hay suficientes órganos disponibles. Las herramientas de edición del genoma CRISPR pueden mejorar este problema. Los investigadores esperan usar estas herramientas para que podamos reemplazar los órganos humanos con órganos animales. Estos xenoinjertos podrían potencialmente salvar muchas vidas humanas.

¿Qué es un xenoinjerto?

Los xenoinjertos son tejidos u órganos trasplantados de una especie a otra. Los xenoinjertos ayudan a los científicos a estudiar los tejidos humanos. También pueden tratar dolencias humanas. Por ejemplo, los médicos pueden reemplazar las válvulas cardíacas humanas con válvulas cardíacas de cerdo. Los médicos también pueden tratar a las víctimas de quemaduras con injertos de piel de cerdo o pescado.

Reemplazar órganos humanos completos con xenoinjertos es difícil. El sistema inmunitario humano tiene muchas formas de detectar y rechazar células no humanas. Los órganos no humanos también pueden transmitir enfermedades zoonóticas que podrían poner en riesgo a los pacientes.

Hacer que el xenoinjerto sea más viable con la edición del genoma CRISPR

Los investigadores pueden usar las herramientas de edición del genoma CRISPR para modificar animales completos. Ciertas modificaciones podrían resultar en hacer que los órganos animales sean más aptos para el xenoinjerto. Tales modificaciones vienen en las siguientes formas:

  • Modificaciones que eliminan el ADN viral - Por ejemplo, los cerdos tienen virus escondidos en su ADN. En xenoinjertos, estos virus podrían infectar a pacientes humanos. Los investigadores han eliminado muchos de estos virus de los cerdos mediante la edición del genoma CRISPR. Por tanto, los órganos de estos cerdos deberían ser menos peligrosos para los humanos.
  • Modificaciones que hacen que el sistema inmunitario humano sea menos propenso a atacar el xenoinjerto -  Algunas secuencias de ADN animal codifican proteínas reconocidas por el sistema inmunitario. Mediante la edición del genoma, los investigadores pueden eliminar o modificar estas secuencias. También pueden usar la edición del genoma para dar a los animales secuencias de ADN que calman el sistema inmunológico.
  • Modificaciones que “humanizan” órganos animales - Estas modificaciones son controversiales. Para hacerlas, los investigadores usan herramientas de edición del genoma para poner ADN humano en animales. Este ADN codifica partes celulares que hacen que los órganos animales se parezcan más a los humanos. Además, los investigadores pueden reemplazar células en animales en desarrollo con células humanas. En las condiciones adecuadas, las células humanas formarán órganos completos en los animales. Estos órganos esencialmente humanos deberían ser más fáciles de trasplantar.

Desde la década de 1960, ha habido un puñado de xenotrasplantes realizados sin éxito. En 2022 se realizó el primer xenotrasplante asistido por CRISPR; el paciente solo sobrevivió dos meses después de la operación. Que los xenoinjertos se adopten más ampliamente depende no solo de mejorar los protocolos, sino también de las opiniones de la sociedad en general sobre los xenoinjertos. Las sociedades deben sopesar los riesgos y beneficios de los xenoinjertos, así como las preocupaciones por el bienestar animal. 

Detección de ácidos nucleicos

Cómo se pueden usar las proteínas CRISPR para detectar secuencias específicas de ácidos nucleicos

Vocabulario
Cas, ácido nucleico

Detección de organismos causantes de enfermedades con CRISPR

Algunas herramientas de diagnóstico detectan organismos que causan enfermedades. Los médicos las usan para descubrir por qué las personas están enfermas. Otros los usan para analizar alimentos y agua potable en busca de contaminación microbiana.

Una forma de detectar organismos que causan enfermedades es identificar su ADN. Desafortunadamente, muchos métodos de identificación de ADN son difíciles de usar. Los detectores de ADN CRISPR pueden proporcionar una alternativa simple: pueden encenderse en presencia de secuencias de ADN específicas.

¿Cómo funcionan los detectores de ácido nucleico CRISPR?

Los detectores de ADN basados ​​en CRISPR tienen 2 componentes clave:

  1. Proteínas Cas proteínas que cortan el ARN o el ADN (ácidos nucleicos) de forma no dirigida después de cortar una secuencia de ADN especificada por el usuario.
  2. Tipos especiales de ácidos nucleicos que brillan cuando se cortan.

En los detectores de ADN, los investigadores combinan estos dos componentes con muestras de ADN. Si la secuencia de ADN especificada por el usuario está presente, sucede lo siguiente:

  1. La proteína Cas corta la secuencia de ADN objetivo.
  2. La proteína Cas comienza a separar los ácidos nucleicos de forma no dirigida.
  3. La proteína Cas separa los ácidos nucleicos especiales.
  4. Los ácidos nucleicos especiales brillan.

Los ácidos nucleicos brillantes son fáciles de ver. Efectivamente les dicen a los usuarios que el ADN objetivo está presente.

Los detectores de ADN basados ​​en CRISPR son fáciles de dirigir a nuevas secuencias. Los investigadores simplemente intercambian las moléculas guía dirigiéndolas a sus objetivos. Por lo tanto, los detectores de ADN CRISPR pueden detectar muchos organismos.

Por ejemplo, un médico podría usar detectores de ADN basados ​​en CRISPR para diagnosticar enfermedades. El doctor crearía muchos detectores de ADN. Cada uno brillaría al detectar ADN de un organismo diferente que causa enfermedades. Luego, el médico agregaría muestras de pacientes (por ejemplo, sangre) a los detectores. Dependiendo de qué detector brilló como resultado, el médico descubriría qué organismo enfermó al paciente. Entonces, el médico podría prescribir un tratamiento adecuado.

Este es solo un ejemplo de una herramienta basada en CRISPR que afecta la salud sin la edición del genoma. En general, las tecnologías CRISPR son poderosas debido a su personalización y facilidad de uso. Con suerte, seguiremos viendo más aplicaciones creativas de las tecnologías CRISPR en el futuro.

Preocupaciones de seguridad para las terapias CRISPR

Edición fuera del objetivo, respuestas inmunitarias a las proteínas CRISPR y efectos no deseados

Asegurarse de que las herramientas CRISPR hagan lo correcto en el lugar correcto en el momento correcto

Vocab
Efecto fuera del objetivo, ARN guía, anti-CRISPR

Las terapias CRISPR tienen muchos usos, pero todas enfrentan algunos riesgos de seguridad comunes. A continuación, analizamos algunos de estos riesgos y las formas de mitigarlos.

Efectos fuera del objetivo

Las herramientas CRISPR ocasionalmente realizan cambios en la ubicación incorrecta del ADN, generalmente secuencias que son similares a la secuencia de ADN objetivo. Estos son conocidos como efectos fuera del objetivo.

Los efectos fuera del objetivo podrían tener consecuencias drásticas. Por ejemplo, podrían cambiar las secuencias de ADN que controlan el crecimiento celular, haciendo que las células se vuelvan cancerosas. Otros cambios no deseados en el ADN podrían impedir que las células lleven a cabo funciones importantes. Por ejemplo, podrían evitar que las células del páncreas produzcan insulina.

Hay muchas maneras de reducir el riesgo de efectos fuera del objetivo. Puede que recuerdes que los ARN guía (ARNg) apuntan las herramientas CRISPR a secuencias de ADN específicas. Los investigadores pueden probar muchos ARNg para encontrar los más precisos. Por ejemplo, pueden probar sus ARNg y herramientas CRISPR en células en el laboratorio. Luego pueden examinar las secuencias de ADN en estas células. Si encuentran una alta frecuencia de efectos fuera del objetivo, probablemente optarán por rediseñar sus ARNg.

Los investigadores también han modificado las herramientas CRISPR para hacerlas más precisas. Con cualquier ARNg dado, es menos probable que estas herramientas mejoradas editen las secuencias de ADN incorrectas.

Finalmente, desactivar las herramientas CRISPR puede disminuir las posibilidades de efectos no deseados. Para entender por qué, piense en las herramientas CRISPR como arqueros súper precisos. Con suficientes tiros, incluso el arquero más preciso fallará su objetivo en algún momento. De manera similar, las herramientas CRISPR editarán las secuencias de ADN incorrectas si se les da suficiente tiempo. Por lo tanto, interruptores para apagar las herramientas CRISPR limitan la cantidad de tiempo que las herramientas CRISPR funcionan, lo cual les da menos posibilidades para cometer errores.

Los científicos usan anti-CRISPR – proteínas que bloquean las herramientas CRISPR – para desactivar CRISPR. 

Provocando respuestas inmunitarias

Mientras nos defiende, el sistema inmunológico busca proteínas no humanas o partes de ellas. Normalmente tales proteínas provienen de microbiosinfecciosos. Si las células inmunitarias encuentran estas proteínas, estas hacen sonar las alarmas y activan las respuestas inmunitarias.

Las proteínas CRISPR provienen de bacterias específicas y arqueas y pueden activar respuestas inmunitarias en pacientes humanos. Estas respuestas inmunitarias podrían detener las terapias CRISPR antes de que puedan ayudar a los pacientes. Las respuestas inmunitarias fuertes también pueden causar inflamación aguda, lo que puede hacer que los pacientes se enfermen más.

Los investigadores superan las respuestas inmunitarias de varias maneras. Primero, pueden dar a los pacientes medicamentos inmunosupresores. Estos reducen las respuestas inmunitarias y mitigan las reacciones adversas. Dichos medicamentos se usan ampliamente en entornos clínicos y son particularmente importantes para cosas como los trasplantes de órganos. Son muy útiles pero, como efecto secundario, aumentan el potencial de infecciones.

Los investigadores también esperan reducir el potencial de respuestas inmunitarias alterando la composición de sus proteínas CRISPR. Estas proteínas alteradas no serían reconocidas por el sistema inmunológico, por lo que es menos probable que causen respuestas inmunitarias.

Finalmente, los investigadores pueden activar y desactivar la producción de proteínas CRISPR. Con estas capacidades, los investigadores pueden producir proteínas CRISPR solo cuándo y dónde se necesitan. Como resultado, habrá menos proteínas CRISPR en el cuerpo. Con menos proteína, las respuestas inmunitarias son menos probables y menos graves cuando ocurren.

Efectos no deseados de la edición del genoma

Ocasionalmente, la edición del genoma CRISPR tiene efectos que son difíciles de anticipar o detectar. A nivel técnico, el proceso de corte de ADN requerido para la edición del genoma puede resultar en reordenamientos y cambios a gran escala en el ADN que son difíciles de observar. Estos pueden causar problemas para las terapias CRISPR.

Incluso si todo ocurre sin inconvenientes, puede haber consecuencias no deseadas ser involuntario causadas por la edición del genoma CRISPR. Los “genes de la enfermedad” alterados en las terapias CRISPR suelen tener funciones importantes en personas sanas. Los "genes de enfermedades" podrían incluso ser beneficiosos bajo ciertas condiciones. Entonces, si nos deshacemos de ellos con terapias CRISPR, podría haber consecuencias peligrosas. 
 
Por ejemplo, los investigadores han utilizado la edición del genoma en un intento de proteger a las personas de la infección por el VIH. Para hacerlo, alteraron una proteína específica en las células inmunitarias de los pacientes. El VIH normalmente se aferra a esta proteína para entrar en las células inmunitarias, por lo que los médicos esperan que las células con esta proteína alterada resistan la infección por el VIH. Sin embargo, esta proteína alterada también puede hacer que los pacientes sean más susceptibles a otras infecciones.
 
Parece sencillo deshacerse de un “gen de la enfermedad”. Pero es importante recordar que la biología es compleja. Un solo gen puede ser importante en muchos procesos.Los investigadores deben estudiar cuidadosamente los impactos de la edición del genoma a través de ensayos clínicos extensos antes de que se generalicen.Puede obtener más información sobre los ensayos clínicos aquí.

Las herramientas CRISPR más seguras darán como resultado mayores impactos terapéuticos

Con el tiempo, los investigadores lograrán mejorar la reducción de los riesgos de los tratamientos basados ​​en CRISPR. Es seguro asumir que las terapias CRISPR también tendrán mayores impactos positivos en la salud con el tiempo.