تصویر: رساندن DNA به سلول های ایمنی، پیچیده ترین قسمت در ایجاد روش های درمانی جدید مبتنی بر ژن است. SAK Design / SHutterstock.com
 
از خرید آنلاین لذت می برم. با این حال، من غالباً خودم را در مورد گزینه های تحویل در هنگام وارسی در حال ایراد گیری می یابم. این به این دلیل است که همه خدمات تحویل به یک اندازه کارآمد و بدون استرس نیستند.
 
این تجربه شخصی الهام بخش تحقیقات من نیز بوده است. من به عنوان یک دانشجو در مقطع دکترا در دانشگاه استنفورد، مواد نانو ریز - حدوداً 10 هزار برابر کوچکتر از یک دانه برنج - را مهندسی کرده ام تا بتواند DNA را به سلول های سفید خون موسوم به سلول های T که از ما در برابر سرطان دفاع می کنند، انتقال دهد. روش من - که به نظر من معادل FedEx  و UPS است- DNA را به طور کارآمد به سلول های T می رساند و سپس آنها را برای ردیابی و حمله به سلول های سرطانی به سوپر سرباز تبدیل می کند.
این گامی به سوی یک رویکرد درمانی جدید است که پتانسیل زیادی برای درمان بیماری های انسانی مانند دیابت و سرطان و نظارت بر سطح التهاب در بیماری های التهابی روده را فراهم می کند.

نوید داروی ایمنی

علیرغم دهه ها تحقیق، سرطان همچنان یک بیماری چالش برانگیز برای درمان است زیرا سلول های سرطانی به سرعت جهش می یابند و در برابر درمان هایی مانند داروهای شیمی درمانی و اشعه مقاوم می شوند. سازمان بهداشت جهانی تخمین می زند که در سال 2018، نزدیک به 10 میلیون نفر بر اثر سرطان درگذشتند. برآورد هزینه اقتصادی ناشی از معالجه و از دست رفتن بهره وری هنگامی که بیماران نتوانستند در حین درمان کار کنند، رقم هولناک 1.2 تریلیون دلار بود و انتظار می رود با افزایش جمعیت، این میزان افزایش یابد.
 
 
 
تصویر: اندی تای ، CC BY-SA
 
 
 
تصویر: اینها مجسمه هایی از یک کیت اسباب بازی به نام "Rainbow Heroes" است. من این کیت را با دانشکده طراحی استنفورد ایجاد کردم تا به کودکان مبتلا به سرطان 5-10 ساله در باره ایمنی درمانی سرطان آموزش دهم. مجسمه های سیاه نشان دهنده سلول های سرطانی "دشمن" است در حالی که مجسمه های رنگارنگ سلول های ایمنی "قهرمان" هستند. اندی تای ، CC BY-SA
 مخالفان ارگانیسم های اصلاح شده ژنتیکی ممکن است با افزودن میکروب های طراح به روده ما مخالفت کنند. اما درست مانند آنچه که در مورد غذاهای اصلاح شده ژنتیکی انجام می شود، مقررات سختگیرانه FDA نیز وجود دارد که ایمنی این میکروب ها را تضمین می کند.در دهه 1990 جیمز آلیسون و تاسوکو هونجو، که برنده جایزه نوبل پزشکی یا فیزیولوژی در سال 2018 برای ایمونوتراپی سرطان شدند، کشف کردند که سلول های سرطانی می توانند سلول های T را مهار کرده و از شناسایی سلول های توموری جلو گیری کنند. آنها با استفاده از پروتئین هایی به نام آنتی بادی برای اتصال به سلول های سرطانی پیشگام استراتژی بودند. این مانع از تداخل سلول های سرطانی با سلول های T و سرکوب آنها می شود.
 
نوع دوم ایمونوتراپی سرطان، که من مطالعه می کنم، شامل مهندسی ژنتیک سلول های T با DNA متناسب است. DNA ای که من وارد سلول های T می کنم پروتئین هایی را رمز گذاری می کند که مانند سلاح هایی عمل می کنند که سلول های سرطانی را سریع تر از بین می برند قبل از این که فرصتی برای ایجاد جهش های جدید پیدا کنند.
 
متأسفانه، انتقال DNA به سلول آسان نیست و روش های موجود ناکافی هستند و ممکن است عملکردهای ضد سرطانی سلول های T را به خطر بیندازند. برخی از سلول های T ممکن است پس از تحویل DNA بیش فعال شوند و به اندام های خود بیماران حمله کنند.
 

بهبود تحویل  DNA

دو روش غالب برای تحویل DNA به سلول های T وجود دارد. در اولین مورد از ویروس ها برای انتقال DNA استفاده می شود. روش دوم از الکتروپوراسیون (یا الکتریکی شدن) انبوه استفاده می کند، تکنیکی که با استفاده از الکتریسیته سوراخ هایی را در سلول ها ایجاد می کند که به DNA اجازه می دهد وارد شود. با این حال، هر دو ناکارآمد هستند و معایب زیادی دارند.
 
ویروس ها DNA ویروسی خود را در کنار DNA درمانی، در حین تحویل، وارد سلول های میزبان می کنند. این خطرناک است، زیرا نتیجه طولانی مدت وجود ژن های ویروسی در بدن ما ناشناخته است. ویروس ها همچنین می توانند باعث ایجاد پاسخ های ایمنی سمی مانند تب مداوم و حتی مرگ شوند. یکی دیگر از معایب این است که ویروس ها تنها می توانند بسته های کوچکی از DNA را حمل کنند، و این، چپاندن جدیدترین ابزارهای ویرایش ژن را به داخل آنها مشکل می سازد.
 
این کمبودها راه را برای الکتروپوراسیون هموار کرد. این روش با قرار دادن سلول ها در معرض میدان های الکتریکی قوی، که باعث ایجاد سوراخ هایی در غشای سلول ها می شود و اجازه عبور DNA را می دهد، کار می کند. با این حال، این روش شبیه ایجاد سوراخ های انفجار توسط پستچی در خانه شخص برای تحویل بسته است. من و دیگران نشان داده ایم که این روش به سلول های T آسیب می رساند و توانایی مبارزه با سرطان را کاهش می دهد.
 

قدرت مهندسی نانو

برای رفع این شکاف فنی، من تکنیک جدیدی به نام نانو الکترو تزریق مغناطیسی یا MagNEI (مخفف magnetic nano-electro-injection) ایجاد کرده ام که می تواند DNA را تا چهار برابر کارآمدتر از ویروس و الکتروپوراسیون فله ای به سلولهای T برساند. این برای تولید تعداد زیادی از سربازان سلول T مهندسی شده ژنتیکی - یک میلیارد یا بیشتر - لازم برای مبارزه با سرطان، ضروری است.
 
MagNEI این گونه کار می کند. من ابتدا سلول های T را با ذرات مغناطیسی تأیید شده توسط FDA تزئین می کنم تا آنها را فعال تر کرده و پذیرای DNA بیشتری باشند. سپس با استفاده از آهن ربا این سلول ها را روی لوله های نانو توخالی محکم می کنم. قطر این لوله ها 10 هزار برابر کمتر از یک دانه برنج است. بعد، میدان های الکتریکی از طریق لوله های نانو برای ایجاد منافذ کوچک یا تونل هایی به غشای سلول وارد می شوند تا DNA به سلول ها وارد شود. سپس نیروهای مغناطیسی DNA را به سمت هسته سلول هدایت می کنند. این روش بسیار نرم تر از الکتروپوراسیون است.
روده بزرگ با جامعه ای از باکتری ها و سایر میکروارگانیسم ها که برای سلامتی ضروری هستند پر شده است.   
تصویر: چپ: سلول T تزئین شده با ذرات مغناطیسی فعال کننده آن، آن را برای تحویل DNA آماده می کند. راست: تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از نانو لوله های توخالی. اندی تای ، CC BY-SA
 

معیارهای جدید برای ارزیابی تکنیک های تحویل

علاوه بر بررسی کارایی انتقال DNA - درصدی از سلول هایی که با DNA مهندسی شده ژنتیکی با موفقیت تغییر شکل می یابند - در نظر گرفتن سایر عواقب روش های مختلف تحویل نیز مهم است. به عنوان مثال، من دریافته ام که توانایی سربازان مهندسی سلول T در مهاجرت و شکار سلول های سرطانی پس از تحویل DNA ضعیف تر می شود.
 
به نظر من، جامعه ایمنی درمانی سرطان برای ارزیابی سودمندی تکنیک های جدید تحویل DNA باید فراتر از ارزیابی های ساده مانند کارایی و بقای سلول باشد.
 
بنابراین، در یک بررسی اخیر، من چارچوبی با معیارهای جدید برای ارزیابی مؤثرترین روش های انتقال DNA ارائه دادم. یکی از راه های ارزیابی تأثیر تحویلDNA ، اندازه گیری چگونگی تغییر فعالیت ژن های خاص با تحویل DNA خارجی است.
 
به عنوان مثال، من دریافتم که الکتروپوراسیون عمده باعث تغییرات قابل توجهی در فعالیت ژن های مرتبط با متابولیسم می شود. این ممکن است توضیح دهد که چرا سلول های تحت درمان با این روش به آرامی رشد می کنند. این کاهش رشد سلول می تواند هزینه های ساخت این سلول های T مهندسی شده را افزایش دهد و مدت زمان درمان را برای بیماران طولانی کند.
توانایی سربازان مهندسی سلول T در مهاجرت و شکار سلول های سرطانی پس از تحویل DNA ضعیف تر می شود. روش های مقیاس نانو مبتنی بر آهنربا از جمله روش خودم مزایایی نسبت به ویروس و الکتروپوراسیون فله ای برای انتقال DNA  دارند، اما تاکنون، آنها را فقط در مطالعات حیوانات و آزمایش های خارج از بدن انسان آزمایش کرده ام. در آینده، من امیدوارم که از مواد نانو برای تولید DNA برای ایجاد درمان های مبتنی بر سلول استفاده نمایم.
 

داروهای زنده

 
 
تصویر: یک کپسول با باکتری مهندسی ژنتیک برای اهداف درمانی. abrakadabra / Shutterstock.com
 
یک قرص حاوی میلیون ها باکتری آماده برای استعمار روده شما ممکن است برای بسیاری یک کابوس باشد. اما همین ممکن است به ابزاری جدید و مؤثر برای مبارزه با بیماری تبدیل شود.
 
در بسیاری از بیماری های ژنتیکی ارثی، ژن جهش یافته به این معنی است که فرد نمی تواند ماده حیاتی لازم برای رشد، توسعه و عملکرد بدن خود را ایجاد کند. گاهی اوقات این را می توان با یک جایگزین مصنوعی - یک قرص - که آنها می توانند روزانه مصرف کنند و جایگزین آنچه بدن آنها باید به طور طبیعی درست می کرد باشد، برطرف نمود. افراد مبتلا به بیماری ژنتیکی نادری به نام فنیل کتونوریا (PKU) (مخفف phenylketonuria) فاقد آنزیمی هستند که برای تجزیه پروتئین ضروری است. بدون آن، مواد شیمیایی سمی در خون جمع شده و می توانند باعث آسیب دائمی مغز شوند.
 دو روش غالب برای تحویل DNA به سلول های T وجود دارد. در اولین مورد از ویروس ها برای انتقال DNA استفاده می شود. روش دوم از الکتروپوراسیون (یا الکتریکی شدن) انبوه استفاده می کند، تکنیکی که با استفاده از الکتریسیته سوراخ هایی را در سلول ها ایجاد می کند که به DNA اجازه می دهد وارد شود. خوشبختانه، رفع آن آسان است. پزشکان با قرار دادن بیماران خود در رژیم غذایی فوق العاده کم پروتئین تا آخر عمر بیماری را درمان می کنند. در واقع، از آن جا که رفع این مشکل بسیار ساده بود، PKU  اولین اختلالی بود که نوزادان تازه متولد شده از سال 1961 با تجزیه و تحلیل قطره خون جمع شده از یک خار در پاشنه کودک، به طور مرتب در مورد آن غربالگری می شدند.
 
 
 
تصویر: برای تشخیص فنیل کتونوریا (PKU) و بسیاری از اختلالات دیگر، در هنگام غربالگری نوزاد تازه متولد شده، از پاشنه یک نوزاد پسر 1 روزه با سیخوک زدن خون گرفته می شود. عکس AP / J. اسکات اپل وایت
 
اما تصور کنید اندازه گیری هر چیزی که در طول زندگی می خورید چقدر چالش برانگیز است. برای درمانPKU  محققان در حال بررسی استراتژی های جدید درمانی هستند. یکی شامل استفاده از ابزارهای ویرایش ژن برای اصلاح جهش های ژنتیکی است. با این حال، فناوری فعلی هنوز خطرناک است. احتمال اخلال در سایر ژن ها و ایجاد آسیب جانبی به بیماران وجود دارد.
 
اگر کسی بتواند ژن شکسته شده را بدون تأثیر بر ژنوم بیمار جایگزین کند، چه می شود؟ این دقیقاً همان کاری است که محققان شرکت بیوتکنولوژی Synlogic در کمبریج ، ماساچوست انجام داده اند. آنها تصمیم گرفتند که به جای دخالت مستقیم در ژنوم انسان، ژن های درمانی را مستقیماً وارد باکتری های طبیعی کنند که در روده انسان قرار دارند. سپس این باکتری های اصلاح شده ژنتیکی آنزیم هایی را که بیماران PKU فاقد آن هستند تولید کرده و پروتئین ها را به محصولات غیر سمی تجزیه می کنند.
 
من یک محقق فوق دکترا در UCSD هستم که جامعه میکروب هایی را که در بدن ما زندگی می کنند و نحوه تأثیر آنها بر سلامتی مان را مطالعه می کنم. اکنون ما در حال درک نقش آنها در حفظ سلامتی هستیم. گام بعدی این است که بدانیم چگونه می توانیم آنها را برای بهبود سلامتی تغییر دهیم. و مطالعه Synlogic این رویا را یک گام نزدیک می کند.
سلول های سرطانی می توانند سلول های T را مهار کرده و از شناسایی سلول های توموری جلو گیری کنند.  
تصویر: روده بزرگ با جامعه ای از باکتری ها و سایر میکروارگانیسم ها که برای سلامتی ضروری هستند پر شده است. یکی از این باکتری های روده که به طور طبیعی وجود دارد توسط Synlogic مجدداً مهندسی شده و برای کمک به درمان بیماری ژنتیکی PKU تغییر یافته است. Anatomy Insider / Shutterstock.com
 

باکتری های مهندسی که در روده ما زندگی می کنند

شاید تعجب کنید که بدانید که روده های ما محل سکنای تریلیون ها باکتری هستند که به ما کمک می کنند غذا را هضم کنیم، برای ما ویتامین تولید می کنند، و سیستم ایمنی بدن ما را آموزش می دهند. این جامعه از میکروب ها میکروبیوم ماست. آنها با هم میلیون ها ژن مختلف را در ژنوم های خود نگهداری می کنند، 150 تا 1 ژن بیش از ژن های انسانی ما هستند و ما می توانیم از آنها به نفع خود استفاده کنیم.
 
اشریشیا کلی نیسل 1917 یکی از آن میکروب هایی است که در اکثر ما زندگی می کند و بیش از یک قرن است که به عنوان پروبیوتیک به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد که این ایمنی آن را ثابت می کند.
 
این همان باکتری ای است که Synlogic برای ایجاد یک "سوپر باکتری" درمانی جدید با نام SYNB1618 برای بیماران PKU انتخاب کرد که مهندسی کند.
 
محققان سه ژن را معرفی کردند که SYNB1618 را قادر می سازد تا یکی از عناصر سازنده پروتئین، اسید آمینه ای به نام فنیل آلانین، را به ترکیب ایمن فنیل پیرووات تبدیل کند. تا زمانی که سطح فنیل آلانین پایین نگه داشته شود، بیماران PKU  هیچ علائمی نشان نمی دهند و زندگی عادی دارند.
 

آیا باکتری های GM ایمن هستند؟

 
تصویر: باکتریی های زنده اشرشیاکلی در پوسته قابل حل. TeraVector / Shutterstock.com
 
مخالفان ارگانیسم های اصلاح شده ژنتیکی ممکن است با افزودن میکروب های طراح به روده ما مخالفت کنند. اما درست مانند آنچه که در مورد غذاهای اصلاح شده ژنتیکی انجام می شود، مقررات سختگیرانه FDA نیز وجود دارد که ایمنی این میکروب ها را تضمین می کند.
 سرطان همچنان یک بیماری چالش برانگیز برای درمان است زیرا سلول های سرطانی به سرعت جهش می یابند و در برابر درمان هایی مانند داروهای شیمی درمانی و اشعه مقاوم می شونددر مورد SYNB1618 محققان ژنی را که مسئول تولید ماده اصلی برای ساخت باکتری است، حذف کردند. اگر محققان ماده گمشده باکتری های مهندسی را تهیه نکنند، آنها نمی توانند تکثیر شوند و می میرند. این راهی برای محققان است تا بتوانند SYNB1618 را در بدن بیمار کنترل کنند.
 
هنگامی که آنها میکروب ها را در موش آزمایش کردند، متوجه شدند که پس از 48 ساعت بدون ماده اصلی، SYNB1618 از روده آنها ناپدید شده است.
 
محققان در Synlogic همچنین هنگام مهندسی SYNB1618 و انتخاب میکروب هایی که برای درمان استفاده می کنند، اقدامات احتیاطی دیگری نیز انجام دادند. غیر از ژن های اضافه شده به فرآیند فنیل آلانین، باکتری های مهندسی شده دقیقاً همان ژن های E. coli Nissle 1917 اصلی را دارند که بومی روده است و ایمنی آن را تضمین می کند.
 

آیا واقعاً جواب می دهد؟

هنگامی که محققان ثابت کردند باکتری می تواند فنیل آلانین را در آزمایشگاه تبدیل کند، تصمیم گرفتند که تزریق این باکتری ها را به موش دارای PKU تجویز کنند. نتایج نشان داد که SYNB1618 باعث تخریب فنیل آلانین در روده حیوانات می شود، که این سطح خون موش های تحت درمان را کاهش می دهد.
 
سپس، برای اطمینان از ایمنی و کارآیی در انسان، برای آماده سازی آزمایشات روی انسان، SYNB1618  را روی میمون ها آزمایش کردند. به میمون های سالم و فاقد PKU فنیل آلانین داده می شود و پس از آن دوز میکروب به آنها داده می شود. باکتری SYNB1618 با موفقیت سطح خون فنیل آلانین را کاهش داد - درست همان طور که در موش انجام شد.
 
هم اکنون Synlogic در یک آزمایش بالینی فاز 1 در حال آزمایش SYNB1618 بر روی انسان است.
 
این گامی به سوی یک رویکرد درمانی جدید است که پتانسیل زیادی برای درمان بیماری های انسانی مانند دیابت و سرطان و نظارت بر سطح التهاب در بیماری های التهابی روده را فراهم می کند.
 
با کشف و درک نقش همه میکروب های ساکن در بدن ما، انتظار داریم که میکروب هایی را شناسایی کنیم که ممکن است وسیله نقلیه مناسبی برای حمل انواع ژن درمانی باشند که حتی بیماری های بیشتری را درمان می کنند، از جمله آنهایی که متابولیسم و ​​سیستم عصبی مرکزی دارند.
 
منبع: اندی تای، Stanford University، پدرو بلدا فر، University of California San Diego