Un gran avance en ingeniería celular: CRISPR de alto rendimiento sin vectores virales
Los científicos desarrollan un nuevo enfoque que produce suficientes células para aplicaciones terapéuticas
Una nueva variante del CRISPR-Cas9 gen El sistema de edición facilita la reingeniería de cantidades masivas de células para aplicaciones terapéuticas. El método, desarrollado por investigadores del IGI, Gladstone Institutes y UC San Francisco, permite a los científicos introducir secuencias especialmente largas letra singular secuencias a ubicaciones precisas en los genomas de las células con eficiencias notablemente altas sin los sistemas de administración viral que se han utilizado tradicionalmente para transportar ADN a las células.
“Uno de nuestros objetivos durante muchos años ha sido colocar instrucciones de ADN extensas en un sitio específico en el genoma, de una manera que no dependa de vectores virales”, dice Alex Marson, MD, PhD, Director de Salud Humana del IGI, Director del Instituto Gladstone-UCSF de Inmunología Genómica y autor principal del nuevo estudio. “Este es un gran paso hacia la próxima generación de vacunas seguras y efectivas (SCD por sus siglas en inglés), “terapias.”
En el nuevo artículo publicado en la revista Nature Biotechnology, Marson y sus colegas no solo describen la tecnología, sino que también muestran cómo se puede utilizar para generar células CAR-T con el potencial de combatir el mieloma múltiple, un trastorno de la sangre. células cancerosas, así como reescribir secuencias genéticas donde las mutaciones pueden conducir a enfermedades inmunes hereditarias raras.
"Demostramos que podemos diseñar más de mil millones de células en una sola ejecución, que está muy por encima de la cantidad de células que necesitamos para tratar a un paciente individual", dice el primer autor Brian Shy, MD, Ph.D., investigador del IGI. y compañero clínico en el laboratorio de Marson.
Brian Shy, primer autor del nuevo estudio, y sus colegas desarrollaron un nuevo enfoque basado en CRISPR que produce suficientes células para aplicaciones terapéuticas.
Del ADN de cadena doble a cadena simple
CRISPR-Cas9, un sistema que edita genes dentro de células vivas, se ha utilizado como herramienta de investigación básica durante la última década. Cada vez más, muchos científicos clínicos están entusiasmados con el potencial de CRISPR-Cas9 para generar terapias con células vivas.
Con la edición de genes, uno puede desactivar, eliminar o reemplazar un gen mutado que causa una enfermedad, o aumentar la actividad de lucha contra el cáncer de una célula inmunitaria, entre otras cosas. Si bien las primeras aplicaciones terapéuticas de CRISPR-Cas9 han ingresado recientemente a los ensayos clínicos, la tecnología aún se ha visto limitada por el desafío de producir grandes cantidades de células correctamente editadas de manera segura.
“Esta tecnología tiene el potencial de hacer que las nuevas terapias celulares y genéticas sean más rápidas, mejores y menos costosas”.
Tradicionalmente, los investigadores han confiado en vectores virales (las envolturas de los virus sin sus componentes causantes de enfermedades) para transportar el ADN (llamado plantilla de ADN) utilizado para terapias de genes Sin embargo, la fabricación de grandes cantidades de vectores virales de grado clínico ha sido un importante obstáculo para hacer llegar las terapias celulares a los pacientes. Además, los investigadores no pueden controlar fácilmente dónde los vectores virales tradicionales insertan los genes dentro del genoma.
“El uso de vectores virales es costoso y requiere muchos recursos”, dice Shy. "Un beneficio importante de un enfoque no viral de la ingeniería genética es que no estamos tan limitados por los costos, la complejidad de la fabricación y los desafíos de la cadena de suministro".
En 2015, el grupo de Marson, en colaboración con el laboratorio de edición del pionero Jennifer Doudna — primero demostró que podían insertar plantillas cortas de ADN en células inmunitarias sin vectores virales, usando un campo eléctrico que hace que las membranas externas de las células sean más permeables. Para 2018, desarrollaron un método para cortar y pegar secuencias de ADN más largas en células inmunitarias con CRISPR.
Luego, en 2019, los investigadores descubrieron que al también usando una versión modificada de las plantillas de ADN que pueden unirse a la enzima Cas9-lo mismo proteína que actúa como tijeras moleculares durante la edición de genes CRISPR: podrían entregar las nuevas secuencias al sitio del genoma objetivo de manera más eficiente.
Sin embargo, se requirió más trabajo para mejorar el rendimiento de las células inmunitarias diseñadas con éxito y hacer que el proceso fuera compatible con la fabricación de futuras terapias celulares. Esos objetivos motivaron el estudio actual del equipo.
El ADN puede existir en cadenas simples o dobles (como piezas opuestas de velcro) y Cas9 Se adhiere al ADN de doble cadena. Los investigadores descubrieron rápidamente que los niveles elevados de ADN de doble cadena pueden ser tóxicos para las células, por lo que el método solo se podía utilizar con cantidades bajas de ADN de cadena, lo que daba lugar a una baja eficiencia.
El nuevo método desarrollado por Marson (derecha) y su equipo podría duplicar la eficiencia de la edición de genes y mejorar la administración de terapias en las células. Aquí se muestra con Ujjwal Rathore (izquierda), científico investigador del personal de Gladstone.
El equipo sabía que el ADN monocatenario era menos tóxico para las células, incluso en concentraciones relativamente altas. Entonces, en el nuevo documento, describen un método para adjuntar el Cas9 modificado enzima a una plantilla de ADN monocatenario, agregando solo un pequeño saliente de ADN bicatenario en los extremos.
“Esto nos brinda un enfoque equilibrado y lo mejor de ambos mundos”, dice Marson.
La plantilla de ADN de cadena sencilla podría más que duplicar la eficiencia de la edición de genes en comparación con el enfoque anterior de cadena doble. Y los extremos de doble cadena de las moléculas permiten a los investigadores usar Cas9 para mejorar la entrega de vectores no virales a las células.
"Esta tecnología tiene el potencial de hacer que las nuevas terapias celulares y génicas sean más rápidas, mejores y menos costosas", dice Jonathan Esensten, MD, Ph.D., autor del nuevo trabajo y profesor asistente de medicina de laboratorio en UCSF y un investigador afiliado en Gladstone.
Un camino a la clínica
En el estudio, los investigadores utilizaron la nueva plantilla de ADN para generar más de mil millones de células CAR-T que atacan al mieloma múltiple. Las células CAR-T son inmunes las células T Modificados genéticamente para combatir eficazmente células específicas o cánceres. Con las nuevas plantillas monocatenarias dirigidas por Cas9, aproximadamente la mitad de todas las células T adquirieron el nuevo gen y, como resultado, se convirtieron en células CAR-T.
"Sabíamos que dirigir las plantillas de ADN a una ubicación específica en el genoma, llamada sitio TRAC, mejoraría la potencia antitumoral de las células CAR-T", dice Justin Eyquem, Ph.D., coautor del estudio. nuevo periódico e investigador afiliado en Gladstone. “Este nuevo enfoque no viral nos permite lograr ese objetivo de manera mucho más eficiente, lo que acelerará el desarrollo de la próxima generación de terapias con células CAR-T”.
Además, los investigadores demostraron que su enfoque podría, por primera vez, reemplazar en su totalidad dos genes asociados con enfermedades inmunes genéticas raras, los genes IL2RA y CTLA4.
Shy y sus colegas demostraron que su método podría servir como un enfoque de "talla única" para tratar a muchos pacientes con diferentes mutaciones, en lugar de necesitar terapias personalizadas para cada paciente.
En el pasado, los científicos habían demostrado que podían reemplazar pequeñas secciones del gen IL2RA en pacientes particulares con mutaciones. Ahora, el equipo de Marson demostró que pueden reemplazar todos los genes IL2RA y CTLA4 a la vez, un enfoque de “talla única” que podría tratar a muchos pacientes con diferentes mutaciones en estos genes, en lugar de tener que generar plantillas personalizadas para cada paciente. crianza de organismos con mutación deseadaCasi el 90 por ciento de las células tratadas con este método de ingeniería genética obtuvieron las versiones saludables de los genes.
Los investigadores ahora buscan la aprobación para avanzar en los ensayos clínicos utilizando la tecnología CRISPR no viral tanto en la terapia con células CAR-T como en el tratamiento de la deficiencia de IL2RA.
Este artículo fue publicado originalmente por Institutos Gladstone.
Contactos para los medios:
Andy Murdock, andymurdock@berkeley.edu
Julie Langelier, julie.langelier@gladstone.org
By
Sarah CP Williams
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