Генная терапия остеоартрита - Gene therapy for osteoarthritis

Генная терапия изучается как лечение остеоартроз (О.А.). В отличие от фармакологического лечения, которое назначают системно, генная терапия направлен на обеспечение устойчивого синтеза генных продуктов и восстановление тканей сустава.[1]

Остеоартрит имеет высокую степень наследственности, и могут быть генетические факторы риска заболевания. Стратегии переноса генов для потенциального медицинского лечения остеоартроз находятся в стадии предварительного исследования для определения патологический механизмы и возможные методы лечения этого хронического заболевания. И вирусные, и невирусные векторы были разработаны как средство для переноса терапевтических генов и введения их в клетки человека.

Теория

Переходя от родителей к детям, гены являются строительными блоками наследования. Они содержат инструкции по приготовлению белки. Если гены не производят нужные белки правильным образом, у ребенка может быть генетическое заболевание. Генная терапия это молекулярный метод, направленный на замену дефектных или отсутствующих генов или противодействие генам, подвергающимся избыточной экспрессии. Для этой цели можно использовать три метода: выделение гена, манипуляции и перенос в клетки-мишени.[2] Наиболее распространенная форма генной терапии включает вставку нормального гена для замены аномального гена. Другие подходы, включая восстановление аномального гена и изменение степени включения или выключения гена. Для переноса векторов в ткани-мишени используются две основные методологии; Ex vivo перенос генов и In-vivo перенос генов. Один из видов генной терапии, при котором передача гена происходит за пределами тела пациента, называется генной терапией ex vivo. Этот метод генной терапии более сложен, но более безопасен, поскольку с его помощью можно культивировать, тестировать и контролировать модифицированные клетки.

Значение и причины остеоартрита

Остеоартроз (ОА) - дегенеративное заболевание суставов, которое является ведущей причиной боли и инвалидности в западном мире.[3][4] Он характеризуется прогрессирующей потерей нормальной структуры и функции суставов. хрящ, гладкая ткань, покрывающая конец движущихся костей.[5] Это хроническое заболевание поражает не только суставной хрящ, но и субхондральную кость. синовиальная оболочка и околосуставные ткани - другие кандидаты.[3] Люди с ОА могут испытывать сильную боль и ограниченное движение. ОА чаще всего является результатом естественного старения сустава из-за биохимических изменений хряща. внеклеточный матрикс.[4][6]

Остеоартрит вызывается механическими факторами, такими как суставы травма и механическая перегрузка суставов или нестабильность суставов.[1][6] Поскольку дегенерация хряща - это необратимое явление, оно неизлечимо, дорого и плохо поддается лечению.[3] Из-за распространенности этого заболевания восстановление и регенерация суставного хряща стало доминирующей областью исследований.[5] Растущее число людей, страдающих остеоартритом, и эффективность нынешних методов лечения привлекают большое внимание к генетическим терапевтическим методам лечения прогрессирования этого хронического заболевания.

Векторы доставки гена остеоартрита

Разные векторов были разработаны для переноса терапевтических генов в клетки. Есть две широкие категории векторов доставки генов: Вирусные векторы, с участием вирусы и невирусные агенты, такие как полимеры и липосомы.[1][7]

Вирусные векторы

Вирусные векторы оказался более успешным в трансфекции клетки поскольку их жизненные циклы требуют от них переноса собственных генов в клетки-хозяева с высокой эффективностью. Вирус заражает человека, вставляя свой ген непосредственно в его клетки. Это может быть смертельно опасно, но блестящая идея - воспользоваться этой природной способностью. Идея состоит в том, чтобы удалить все опасные гены вируса и ввести здоровые гены человека. Таким образом, вирусы внедряют в клетки-хозяева положительные элементы, нападая на них, и они будут скорее полезными, чем вредными.[8]

Пока вирусные векторы на 40% более эффективны в переносе генов, они не используются в полной мере для доставки генов in vivo из-за их дополнительных побочных эффектов. В первую очередь вирусные векторы вызывают воспалительный ответ, который может вызвать незначительные побочные эффекты, такие как легкие отек или серьезные, такие как мультисистемная органная недостаточность. Также сложно повторно назначать генную терапию из-за усиленного ответа иммунной системы на вирусы. Кроме того, вирусы могут распространяться на другие органы после внутрисуставной инъекция и это будет серьезным недостатком.[9] Однако большинство проблем, связанных с доставкой генов с использованием вирусных векторов, решается методом доставки генов ex vivo. В генной терапии остеоартрита метод ex vivo позволяет трансфицировать не только клетки синовиальной оболочки суставов, но и суставные клетки. хондроциты и хондропрогениторные клетки хряща.[10]

Невирусные векторы

Невирусные методы включают комплексные терапевтические ДНК различным макромолекулы включая катионные липиды и липосомы, полимеры, полиамины и полиэтиленимин, и наночастицы.[1] FuGene 6 [11] и модифицированные катионные липосомы [12] представляют собой два невирусных метода доставки генов, которые до сих пор использовались для доставки генов в хрящ. FuGene 6 - это нелипосомальный липидный препарат, который доказал свою эффективность при трансфекции различных клеточных линий. Липосомы оказались подходящим кандидатом для доставки генов,[13] где катионные липосомы созданы для облегчения взаимодействия с клеточными мембранами и нуклеиновыми кислотами.[14]В отличие от вирусных векторов, невирусные векторы избегают риска приобретения репликационной способности. Они обладают способностью многократно доставлять большое количество терапевтических генов, и их удобно производить в больших масштабах. Самое главное, они не вызывают иммунных ответов в организме хозяина. Несмотря на свои преимущества, невирусные векторы еще не заменили вирусные векторы из-за относительно низкой эффективности и краткосрочного трансген выражение.[7]

Новые невирусные векторы для доставки генов остеоартрита, включая полимерные векторы, все еще находятся в стадии исследований.

Клетки-мишени в генной терапии остеоартрита

Клетки-мишени в терапии ОА являются аутологичными хондроциты, Хондропрогениторные клетки, Клетки в синовиальной полости,[7] и клетки соседних тканей, такие как мышца, сухожилия, связки, и мениск.

Развитие функции и структуры хряща может быть достигнуто за счет:

Подходы, влияющие на несколько из этих процессов одновременно, также оказались успешными, например, перенос комбинации ингибиторов путей катаболизма и активаторов анаболических событий (IGF-I /Ил-1РА ),[16] а также активаторов анаболических и пролиферативных процессов (FGF-2 / SOX9 или FGF-2 / IGF-I).[15]

Генные дефекты, приводящие к остеоартриту

Остеоартроз имеет большую степень наследственности.[17] Формы остеоартрита, вызванные мутацией одного гена, имеют больше шансов излечиться с помощью генной терапии.[3]

Эпидемиологический исследования показали, что генетический компонент может быть важным фактором риска при ОА.[18] Инсулиноподобный фактор роста I гены (IGF-1), Трансформирующий фактор роста β, белок олигомерного матрикса хряща, костный морфогенетический белок, и другие кандидаты в анаболические гены входят в число генов-кандидатов в ОА.[7] Генетические изменения при ОА могут привести к дефектам структурного белка, такого как коллаген, или изменения в метаболизме костей и хрящей. ОА редко рассматривается как простое заболевание после Менделирующее наследование являясь преимущественно многофакторным заболеванием.

Однако в области генной терапии ОА исследования больше сосредоточены на переносе генов в качестве системы доставки терапевтических генных продуктов, а не на противодействии генетическим аномалиям или полиморфизмы. Наибольшее внимание привлекают гены, которые способствуют защите и восстановлению матрикса суставного хряща. Эти гены перечислены в Таблица 1. Среди всех кандидатов, перечисленных ниже, белки, которые блокируют действие интерлейкина-1 (IL-1) или способствуют синтезу молекул хрящевого матрикса, получили наибольшее экспериментальное исследование.[8]

Таблица 1 - Кандидаты на генную терапию ОА [3][8]
КатегорияКандидат Гена
Цитокин / антагонист цитокиновIL-1Ra, sIL-1R, sTNFR, IL-4
Фактор роста хрящаIGF-1, FGF, BMP, TGF, CGDF
Ингибитор разрушения матрицыТИМП, ПАИ, серпины
Сигнальная молекула / фактор транскрипцииСмад, Сокс-9, ИКБ
Ингибитор апоптозаBcl-2
Молекула внеклеточного матриксаКоллаген типа II, КОМП
Антагонист свободных радикаловСупероксиддисмутаза

Интерлейкин-1 как мишень при остеоартрите

Исследования показывают, что среди всех потенциальных медиаторов белок под названием Интерлейкин-1 на сегодняшний день является наиболее серьезной причиной боли, воспаления суставов и потери хрящевой ткани, связанных с остеоартритом.[19] Терапевтический ген, используемый для лечения артрита, производит второй белок, который естественным образом противодействует эффекту интерлейкина-1.[20] В Антагонист рецептора интерлейкина 1 (IL-1Ra), природный агонист IL-1, представляет собой белок, который непродуктивно связывается с клеточной поверхностью рецептора интерлейкина-1, поэтому блокирует активность IL-1, не позволяя ему посылать сигнал на IL- 1 рецептор.[21][22] Есть три основных исследования, которые доказывают преимущества местной генной терапии IL-1Ra на животных моделях остеоартрита [4]. Серия экспериментов на собаках, кроликах и лошадях демонстрирует, что местная генная терапия IL-1Ra безопасна и эффективна на животных моделях ОА, в соответствии с тем фактом, что рекомбинантный человеческий IL-1Ra сильно защищает суставной хрящ от дегенеративных изменений.[23][24][25]

Стратегии генной терапии остеоартрита

В контексте ОА наиболее привлекательными внутрисуставными участками для переноса генов являются синовиальная оболочка и суставной хрящ. Наибольший экспериментальный прогресс был достигнут с переносом генов в удобную внутрисуставную ткань, такую ​​как синовиальная оболочка, ткань, поддающаяся генетической модификации различными векторами, с использованием протоколов как in vivo, так и ex vivo.

Перенос генов в синовиальную оболочку

Основная цель доставки генов - изменить слизистую оболочку сустава таким образом, чтобы он мог служить эндогенным источником терапевтических молекул (Таблица 1) терапевтические молекулы могут диффундировать и влиять на метаболизм соседних тканей, таких как хрящи. Гены могут быть доставлены в синовиальную оболочку в животных моделях РА и ОА путем прямой инъекции вектора in vivo или косвенными методами ex vivo с участием аутологичных синовиальных клеток кожи. фибробласты, или другие типы клеток, такие как мезенхимальные стволовые клетки.

Прямой подход in vivo - это внутрисуставное введение вектора для воздействия на синовициты. Векторы играют решающую роль в успехе этого метода.[26] Эффект различных векторов для доставки гена in vivo в синовиальную оболочку суммирован в Таблица 2:

Таблица 2 - Эффективность различных векторов для доставки гена in vivo в синовиальную оболочку [8]
ВекторКомментарий
Невирусные векторыКратковременная и менее эффективная трансфекция; многие воспалительные
РетровирусНет трансдукции нормальной синовиальной оболочки; умеренная трансдукция воспаленной синовиальной оболочки
ЛентивирусЧрезвычайно высокая трансдукция и экспрессия трансгена; нет явных побочных эффектов
АденовирусВысокая эффективность трансдукции; дозозависимый воспалительный ответ
Аденоассоциированный вирусУмеренный уровень трансдукции нормальной и воспаленной синовиальной оболочки
Вирус простого герпесаВысокоэффективная трансдукция; цитотоксический

Непрямой подход ex vivo включает сбор синовиальной оболочки, выделение и культивирование синовиоцитов, трансдукцию in vitro и инъекцию сконструированных синовицитов в сустав.[27]

Перенос гена в хрящ

В отличие от синовиоцитов, которые являются делящимися клетками и могут эффективно трансдуцироваться in vivo с использованием липосом или вирусных векторов, доставка генов к хондроцитам in vivo затруднена плотным внеклеточным матриксом, окружающим эти клетки. Хондроциты - это неделящиеся клетки, встроенные в сеть из коллагены и протеогликаны; однако исследования предполагают, что гены могут быть перенесены в хондроциты в пределах нормального хряща путем внутрисуставной инъекции липосом, содержащих вирус Сендай (HVJ-липосомы) [28] и аденоассоциированный вирус.[29][30]

Наиболее эффективные методы переноса генов в хрящ включают стратегии ex vivo с использованием хондроцитов или хондропрогениторных клеток. Хондроциты генетически улучшены путем передачи кодирующей комплементарной ДНК Ил-1РА, IGF-1, или поломка матрицы ингибиторы упомянутый в Таблица 1. Как обсуждалось ранее, трансплантированные клетки могут служить внутрисуставным источником терапевтических молекул.[8]

Безопасность

Одним из важных вопросов, связанных с генной терапией человека, является безопасность, особенно для генной терапии нефатальных заболеваний, таких как ОА. Основная проблема - высокая иммуногенность некоторых вирусных векторов. Ретровирусные векторы интегрируются в хромосомы клеток, которые они заражают. Всегда будет шанс интегрироваться в ген-супрессор опухоли или онкоген, что приводит к вирулентной трансформации клетки.[31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Evans, C.H; Ghivizzani, S.C; Роббинс, П. Д. (2018). «Доставка гена в суставы с помощью внутрисуставной инъекции». Генная терапия человека. 29 (1): 2–14. Дои:10.1089 / гл.2017.181. ЧВК  5773261. PMID  29160173.
  2. ^ К. Уэйн Макилрайт Дэвид Д. Фрисби; Макилрайт, К. У. (август 2001 г.). «Генная терапия: будущие методы лечения остеоартрита». Ветеринарная клиника North Am Equine Pract. 17 (2): 233–243. Дои:10.1016 / S0749-0739 (17) 30059-7. PMID  15658173.
  3. ^ а б c d е CH Evans; JN Gouze; E Gouze; П. Д. Роббинс; SC Ghivizzani (2004). «Генная терапия остеоартроза». Генная терапия. 11 (4): 379–389. Дои:10.1038 / sj.gt.3302196. PMID  14724685.
  4. ^ а б Madry, H .; Luyten, F.P .; Факкини, А (2011). «Биологические аспекты раннего остеоартроза». Хирургия коленного сустава, Спортивная травматология, Артроскопия. 20 (3): 407–422. Дои:10.1007 / s00167-011-1705-8. PMID  22009557.
  5. ^ а б Buckwalter, J.A .; Манкин, HJ (1997). «Лекции учебного курса, Американская академия хирургов-ортопедов - суставной хрящ: Часть II. Дегенерация и остеоартрит, восстановление, регенерация и трансплантация». J Bone Joint Surg Am. 4. 79 (14): 612–632. Дои:10.2106 / JBJS.J.01935. PMID  22810408.[требуется разъяснение ]
  6. ^ а б Felson, D.T., David T .; Lawrence, R.C .; Dieppe, P.A .; Hirsch, R .; и другие. (2000). «Остеоартрит: новые взгляды. Часть 1: болезнь и ее факторы риска». Анналы внутренней медицины. 133 (8): 635–646. Дои:10.7326/0003-4819-133-8-200010170-00016. PMID  11033593.
  7. ^ а б c d Антониос Г. Микос А. Сараф (2006). «Стратегии доставки генов для инженерии хрящевой ткани». Расширенные обзоры доставки лекарств. 58 (4): 592–603. Дои:10.1016 / j.addr.2006.03.005. ЧВК  2702530. PMID  16766079.
  8. ^ а б c d е Кристофер Х. Эванс, Кристофер Х. (2004). «Генная терапия остеоартрита». Текущие отчеты ревматологии. 6 (1): 31–40. Дои:10.1007 / s11926-004-0081-5. PMID  14713400.
  9. ^ N. Somia I.M. Verma, Inder M .; Сомия, Никундж (1997). «Генная терапия - перспективы, проблемы и перспективы». Природа. 389 (6648): 239–242. Bibcode:1997Натура.389..239В. Дои:10.1038/38410. PMID  9305836.
  10. ^ Q.J. Цзян К. Гелсе; и другие. (2001). «Опосредованная фибробластами доставка комплементарной ДНК фактора роста в суставы мыши индуцирует хондрогенез, но позволяет избежать недостатков прямого переноса вирусного гена». Ревматоидный артрит. 44 (8): 1943–1953. Дои:10.1002 / 1529-0131 (200108) 44: 8 <1943 :: aid-art332> 3.0.co; 2-z.
  11. ^ Г. Каул Х. Мадри; и другие. (2005). «Trippel, Улучшенное восстановление дефектов суставного хряща in vivo с помощью трансплантированных хондроцитов, сверхэкспрессирующих инсулиноподобный фактор роста I (IGF-I)». Генная терапия. 12 (15): 1171–1179. Дои:10.1038 / sj.gt.3302515. PMID  15815701.
  12. ^ Т.М. Марис; Р. Гельберман; М. Бойер; М. Сильва; Д. Амиэль Р.С. Гумер (2000). «Невирусная генная терапия in vivo для тканевой инженерии суставного хряща и восстановления сухожилий». Clin. Orthop. Relat. Res. 379: 189–200. Дои:10.1097/00003086-200010001-00025.
  13. ^ Apparailly F, Verwaerde C, Jacquet C, Auriault C, Sany J, Jorgensen C (1998). «Опосредованный аденовирусом перенос вирусного гена IL-10 ингибирует артрит, индуцированный коллагеном у мышей». Журнал иммунологии: 5213–5220.
  14. ^ Дж. Хонигер; Д. Дамотт; А. Минти; К. Фурнье; Д. Фраделизи; М. Буассье Н. Бессис (1999). «Инкапсуляция в полых волокнах ксеногенных клеток, сконструированных для секреции IL-4 или IL-13, улучшает индуцированный коллагеном артрит у мышей (CIA)». Клиническая и экспериментальная иммунология. 117 (2): 376–382. Дои:10.1046 / j.1365-2249.1999.00959.x. ЧВК  1905333. PMID  10444273.
  15. ^ а б Магали Куккиарини; Хеннинг Мадри. «Магали Куккиарини и Хеннинг Мадри». Экспериментальная ортопедия и исследования остеоартрита, Медицинский центр Саарландского университета. Хомбург / Саар.
  16. ^ Haupt JL; и другие. (2005). «Трансдукция инсулиноподобного фактора роста-I и белка-антагониста рецептора интерлейкина-1 контролирует деградацию хряща в модели культуры остеоартрита». Журнал ортопедических исследований. 23 (1): 118–126. Дои:10.1016 / j.orthres.2004.06.020. PMID  15607883.
  17. ^ МакГрегор AJ (2000). «Генетический вклад в рентгенологический остеоартрит тазобедренного сустава у женщин: результаты классического исследования близнецов». Ревматоидный артрит. 43 (11): 2410–2416. Дои:10.1002 / 1529-0131 (200011) 43:11 <2410 :: aid-anr6> 3.0.co; 2-e.
  18. ^ Пьеркарло Сарци-Путтини; и другие. (2005). «Остеоартрит: обзор болезни и стратегий ее лечения». Семинары по артриту и ревматизму. 35 (1): 1–10. Дои:10.1016 / j.semarthrit.2005.01.013. PMID  16084227.
  19. ^ Коул А.А., Куэттнер К.Е., К; Коул, А (февраль 2005 г.). «Дегенерация хрящей в различных суставах человека». Остеоартрит и хрящ. 13 (2): 93–103. Дои:10.1016 / j.joca.2004.11.006. PMID  15694570.
  20. ^ Динарелло, Калифорния (2003). Семейство интерлейкинов-1; Справочник по цитокинам. Лондон: Academic Press.
  21. ^ Steinkasserer A, Spurr NK, Cox S, Jeggo P, Sim RB (июль 1992 г.). «Ген антагониста рецептора человеческого IL-1 (IL1RN) картируется на хромосоме 2q14-q21, в области локусов IL-1 альфа и IL-1 бета». Геномика. 13 (3): 654–657. Дои:10.1016 / 0888-7543 (92) 90137-Н. PMID  1386337.
  22. ^ Аренд В.П., Эванс СН (2003). «Антагонист рецептора интерлейкина-1 [IL-1F3]». В Thomson AW, Lotze MT (ред.). Справочник по цитокинам. Лондон: Academic Press. С. 669–708. Дои:10.1016 / b978-012689663-3 / 50032-6. ISBN  978-0-12-689663-3.
  23. ^ Фернандес Дж. К., Мартель-Пеллетье Дж., Карон Дж. П. и др. (1996). «Хондропротекторный эффект внутрисуставных инъекций антагониста рецептора интерлейкина-1 при экспериментальном остеоартрозе: подавление экспрессии коллагеназы-1». Ревматоидный артрит. 39 (9): 1535–1544. Дои:10.1002 / арт.1780390914.
  24. ^ Тардиф Дж., Мартель-Пеллетье Дж., Фернандес Дж. И др. (1999). «Перенос in vivo гена антагониста рецептора интерлейкина-1 в коленные суставы кроликов, страдающих остеоартритом: предотвращение прогрессирования остеоартрита». Американский журнал патологии. 154 (4): 1159–1169. Дои:10.1016 / с0002-9440 (10) 65368-0. ЧВК  1866546. PMID  10233854.
  25. ^ Гивиццани С.К., Роббинс П.Д., Фрисби Д.Д. и др. (2002). «Лечение экспериментального остеоартрита лошадей путем доставки in vivo гена антагониста рецептора интерлейкина-1 лошади». Генная терапия. 9 (1): 12–20. Дои:10.1038 / sj.gt.3301608. PMID  11850718.
  26. ^ C. H .; Роббинс, П. Д. Эванс (1994). Генная терапия артрита. Gene Therapeutics, J. A. Wolff, Edition. С. 320–343. Дои:10.1007/978-1-4684-6822-9_18. ISBN  978-1-4684-6824-3.
  27. ^ Bandara, G .; и другие. (1990). «Внутрисуставная экспрессия биологически активного белка-антагониста рецептора интерлейкина-1 посредством переноса гена ex vivo». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 90 (22): 10764–10768. Bibcode:1993ПНАС ... 9010764Б. Дои:10.1073 / пнас.90.22.10764. ЧВК  47858. PMID  8248169.
  28. ^ Хашимото Х., Томита Н., Томита Т. и др. (1997). «In vivo прямой перенос гена в суставной хрящ с помощью внутрисуставной инъекции, опосредованной вирусом HVJ (сендай) и липосомами». Ревматоидный артрит. 40 (5): 901–906. Дои:10.1002 / арт.1780400518.
  29. ^ Шварц Э (2000). «Аденоассоциированный вирусный вектор для ортопедической генной терапии». Клиническая ортопедия и смежные исследования. 379: 31–40. Дои:10.1097/00003086-200010001-00005.
  30. ^ Ю Ю, Манделл I, Анджеле П. и др. (2000). «Хондропрогениторные клетки и генная терапия». Клин Ортоп: 164–170.
  31. ^ Андерсон В.Ф., В. (1992). «Генная терапия человека». Наука. 256 (5058): 808–813. Дои:10.1126 / science.1589762. PMID  1589762.