APPROCCI GENETICI ALLA
CURA DELLE MALATTIE
Trattamento della malattia genetica vs
trattamento genetico della malattia
Trattamento medico convenzionale mira ad
alleviare i sintomi di una malattia sia genetica che
non.
I trattamenti esistenti per molte malattie genetiche
sono insoddisfacenti.
Per alcune malattie genetiche di cui riconosciamo in
dettaglio le basi molecolari e cellulari è stato
possibile individuare una cura (errori congeniti del
metabolismo).
Interventi per malattie genetiche del
metabolismo
Substrato limitante. Es. fenilchetonuria (deficienza genetica di
fenilalanina idrossilasi) limitare l’assunzione di fenilalanina con la
dieta.
Sostituzione di un prodotto difettoso. Es. ipotiroidismo congenito
somministrazione di ormone tiroideo; enzimopatie congenite
trattamento sostitutivo con enzimi.
Uso di vie alternative per rimuovere metaboliti tossici. Es. emocromatosi
salasso per limitare il sovraccarico di Fe; disturbi del ciclo dell’urea
uso del benzoato per aumentare l’escrezione dell’azoto.
Uso di inibitori metabolici. Es. tirosinemia di tipo I (difetto a livello
dell’enzima fumarilacetoacetato idrolasi) uso di un farmaco inibitore,
2-(2-nitro-4-trifluorometilbenzoil)-1,3-cicloexanedione (NTBC),
dell’enzima 4-idrossifenilpiruvato diossigenasi.
Trattamento genetico di una malattia:
intervento a più livelli
Definizione del genotipo del paziente per
prevedere la risposta positiva o negativa ad un
dato trattamento farmacologico.
Uso delle conoscenze di genetica e biologia
cellulare per identificare possibili persagli contro cui
sviluppare nuovi farmaci.
Uso di tecniche genetiche per produrre farmaci e
vaccini per uso terapeutico.
Cura di malattie mediante l’uso di proteine
terapeutiche prodotte e/o modificate mediante
l’ingegneria genetica (proteine ricombinanti).
ricombinanti)
Uso della genetica in supporto di metodi di
trapianto cellulare per il trattamento delle malattie
la cui patogenesi comporta la perdita di tessuto o
cellule cellule staminali.
Modificazione genetica diretta delle cellule del
paziente terapia genica. Es. inserimento di un
gene, alterazione dell’espressione di un gene.
Farmaci attualmente in uso
I farmaci attualmente in uso sono spesso piccole
molecole chimiche estratte da sostanze naturali o
sintetizzate chimicamente.
Sono stati generalmente sviluppati quando le
informazioni sui possibili bersagli molecolari erano
ancora scarse.
L’intera gamma dei farmaci attualmente
commercializzati agisce su poche centinaia di molecolebersaglio, che appartengono ad un numero limitato di
classi di proteine come recettori (GPCRs), enzimi
(protein chinasi e fosfatasi, proteasi) o proteine canale
(canali voltaggio-dipendenti).
Farmacogenomica
Le industrie farmaceutiche hanno investito ingenti
somme di denaro nella genomica per cercare di
identificare nuove molecole-bersaglio.
Ricerca di farmaci genetici indirizzati verso uno specifico
prodotto genico, come i composti che sopprimono in
generale i codoni di stop. Es. PTC124 o ataluren, che
permette di superare i codoni di stop prematuri
(mutazioni nonsenso), senza alterare il riconoscimento
dei codoni di stop corretti (terapia della fibrosi cistica,
della distrofia muscolare e di alte malattie genetiche).
Ataluren
Genomica e proteomica dei
microorganismi patogeni
Sviluppo di nuovi vaccini e trattamenti
farmacologici.
Sequenziamento dell’intero genoma del plasmodium
falciparum.
Analisi del genoma del plasmodio alla ricerca di
enzimi specifici o di enzimi assenti nel parassita.
Identificazione di proteine di superficie del
patogeno che possono essere il bersaglio di nuovi
vaccini.
Proteine ricombinanti ottenute attraverso il
clonaggio in vettori di espressione
Proteina ricombinante
Per il trattamento di
Insulina (1982)
Diabete mellito
Ormone della crescita
Deficienza dell’ormone (nanismo ipofisario)
Fattore VIII di coagulazione
Emofilia A
Fattore IX di coagulazione
Emofilia B
Interferone
Leucemia a cellule capellute; epatite cronica
Interferone
Sclerosi multipla
Interferone
Infezioni in pazienti con malattia
granulomatosa cronica
Attivatore tissutale del plasminogeno
Disordini trombotici
GM-CSF, fattore di crescita dei granulociti e
dei macrofagi
Neutropenia in seguito a chemioterapia
Leptina
Obesità
Eritropoietina
Anemia
Espressione di proteine ricombinanti
Escherichia coli polipeptidi semplici bioreattori
Saccaromyces cervisiae polipeptidi semplici
bioreattori
Cellule di mammifero come la linea cellulare derivata
da ovaio di criceto CHO per esprimere proteine
complesse come anticorpi e citochine.
Animali transgenici (capre, pecore o maiali): per la
produzione di grandi quantità di proteine facilmente
purificabili nel latte. Es. Atryn (2009 FDA, GTC
Biotherapeutics), un antitrombina usata nelle terapie
anticoagulanti.
Produzione di anticorpi per uso terapeutico
Anticorpi monoclonali (mAb): secreti da ibridomi linee cellulari
immortalizzate prodotti dalla fusione di linfociti B di un topo
immunizzato, che producono l’anticorpo d’interesse, con un linfocita B
tumorale (cellula di mieloma) di topo.
Produzione mediante l’ingegneria genetica di anticorpi monoclonali
modificati, in cui alcune parti o tutta la sequenza di roditore sono
sostituite con l’equivalente sequenza umana:
mAb chimerici
chimerici: le sequenze delle regioni variabili originali di roditore
sono mantenute, ma la sequenza per la regione costante è sostituita
con la sequenza equivalente di origine umana;
mAb umanizzati
umanizzati: contenenti solo come sequenze originali di roditore le
regioni CDR (complementary determining reions), mentre il resto della
molecola è costituita dalla sequenza di origine umana.
Anticorpi monoclonali
Produzione di anticorpi per uso terapeutico
o: mAb di topo; xi, mAb chimerico; zu, mAb umanizzato; xizu, mAb chimerico/umanizzato;
u, mAb completamente umano.
Produzione di anticorpi per uso terapeutico
Single-chain variable fragment (scFv
SinglescFv)) antibodies
antibodies:
hanno la stessa specificità di legame di un mAb, ma
sono formati da una singola catena variabile non
glicosilata. Questi anticorpi possono essere prodotti
su larga scala in cellule batteriche, di lievito ed in
cellule vegetali. Sono particolarmente adatti come
anticorpi intracellulari (intracorpi): invece di essere
secreti sono progettati in modo da legare specifici
bersagli intracellulari e possono anche essere
indirizzati verso specifici compartimenti subcellulari.
Single--chain variable fragment (scFv
Single
scFv)) antibodies
Single--chain variable fragment (scFv
Single
scFv)) antibodies
mAb parzialmente od interamente umani approvati dal FDA nel 2008
Malattia
Bersaglio
Nome generale e
commerciale del mAb
Tipo di mAb
Malattia
trattata
Malattie
autoimmuni
immunologiche
CD11a
CD25 = IL2R
Efalizumab (Raptiva)
Basiliximab (Simulect)
Daclizumab (Zenapax)
Eculizumab (Soliris)
Omalizumab (Xolair)
Natalizumab (Tysabri)
Infliximab (Remicade)
Certolizumab pegol
(Cimzia)
Adalimumab (Humira)
Umanizzato
Chimerico
Umanizzato
Umanizzato
Umanizzato
Umanizzato
Chimerico
Umanizzato
Psoriasi
Prev. del rigetto
nei trap. di rene
Emogl. paros. n.
Asma
Sclerosi multipla
Morbo di Crohn,
artrite
reumatoide
Complemento-5
IgE
Integrina 4
TNF-
Cancro
CD20
CD33
CD52
Completament
e umano
Chimerico
Rituximab (Rituxan,
MabThera)
Gentuzumab ozogamicin Umanizzato
(Mylotarg)
Alemtuzumab
(Campath)
Umanizzato
Linfoma nonHodgkin
Leucemia
mieloide acuta
CD33+
leucemia
linfoide cronica
a cellule B
Malattia
Bersaglio
Nome generale e
commerciale del mAb
Tipo di mAb
Cancro
EGFR
VEGF
Cetuximab (Erbitux)
Panitumamab
(Vectibix)
Trastuzumab
(Herceptin)
Bevacizumab (Avastin)
Chimerico
Cancro del
Completamente colon-retto
umano
Umanizzato
Cancro del seno
metastatico
umanizzato
Cancro del colon-retto,
rene, polmone
GPIIb/IIIa
Abciximab (ReoPro)
Chimerico
RSV
Palivizumab (Synagis)
Umanizzato
VEGF
Ranibizumab (Lucentis)
Umanizzato
HER2
Altre
malattie
Malattia trattata
Aggiunto
nell’angioplastica
coronarica
transluminale
percutanea
Profilassi contro il virus
respiratorio sinciziale
Degenerazione
maculare legata
all’età (iniezione
intravitreale)
Aptameri
Si possono selezionare corti oligonucleotidi (o
peptidi) che si leghino a (e inibiscono) specifiche
proteine bersaglio, con affinità simile a quella degli
anticorpi.
Gli aptameri vengono ottenuti attraverso cicli
successivi di selezione ed amplificazione, a partie
da un ampio assortimento di oligonucleotidi a
sequenza casuale sulla base del metodo SELEX
(systematic evolution of ligands by esponential
enrichment).
Aptameri
Potenziali applicazioni terapeutiche degli aptameri:
inibizione di molecole intracellulari, come fattori
trascrizionali;
inibizione di molecole extracellulari.
L’aptamero pegaptanib (Macugen) è stato
approvato dal FDA per il trattamento della
degenerazione maculare essudativa legata all’età.
Il pegaptanib si lega in maniera specifica al VEGF
e ne inibisce l’azione pro-angiogenica.
Ingegneria genetica e vaccini
L’ingegneria genetica è stata applicata in vari modi per produrre
nuovi tipi di vaccini.
Può essere utilizzata per disattivare un microorganismo patogeno
o oppure per produrre un antigene modificato del patogeno che
risulta più immunogenico (vaccino
vaccino ricombinante):
ricombinante
Antigene ricombinante del virus dell’epatite B;
Tossina della pertosse ricombinante.
Vaccini a DNA (induzione di risposta immunitaria sia umorale che
cellulare).
Vaccini antitumorali:
vaccini antitumorali preventivi;
vaccini antitumorali terapeutici.
Terapia genica
Modificazione genetica diretta delle cellule del
paziente a scopo terapeutico.
Terapia su cellule germinali (su gamete, zigote od
embrione precoce).
Terapia su cellule somatiche modificazione di
specifiche cellule o tessuti: cellule bersaglio quelle
direttamente coinvolte nella patologia o quelle del
sistema immunitario per indurre una potente
risposta immunitaria per esempio contro il tumore.
Terapia genica
Terapia di incremento genico (aggiunta di un gene): es.
fibrosi cistica; rimpiazzare un gene oncosoppressore difettoso
nei tumori.
Eliminazione di mutazioni patogeniche: ripristinare la
funzione del gene mutato.
Inibizione mirata dell’espressione genica: patologie infettive,
autoimmuni, silenziamento di un allele mutante in una malattia
ereditaria.
Uccisione mirata di cellule bersaglio: terapia dei tumori
1) uccisione diretta mediante l’uso di geni codificanti
endotossine; 2) uccisione indiretta mediante l’induzione di una
risposta immunitaria molto forte.
Terapia genica
Trasferimento dei geni nelle cellule del paziente:
geni clonati (DNA), RNA od oligonucleotidi.
Uso di vettori virali (trasferimento del DNA nelle
cellule: trasduzione.
Metodi non basati su virus (DNA, RNA,
oligonucleotidi): trasfezione.
Terapia genica ex vivo.
Terapia genica in vivo.
Terapia genica: vettori virali
Retrovirus oncogeni (): ssRNA; 7-8 kb; integrazione; solo in
cellule in divisione; permanente; resa modesta di produzione
dei vettorie rischio di attivare oncogeni.
Lentivirus: ssRNA; fino a 8 kb; integrazione; cellule in
divisione e non , tropismo variabile; permanente ed alti livelli
di espressione; alta resa di produzione dei vettori ma rischio
di attivare oncogeni.
Adenovirus: dsDNA; 7,5 kb (fino a 35 kb nei vettori svuotati);
non integrazione; cellule in divisione e non; espressione
transiente, ma ad alti livelli; alta resa di produzione dei
vettori, immunogenecità.
Terapia genica: vettori virali
Virus adeno-associati: ssDNA; < 4,5 kb; non integrazione;
cellule in divisione e non; alti livelli di espressione a medio e
lungo termine (1 anno); alta resa di produzione dei vettori,
bassa capacità di clonaggio, ma immunogenicità ridotta.
Herpex simplex virus: dsDNA; > 30 kb; non integrazione;
sistema nervoso centrale; potenziale espressione permanente;
in gradi di instaurare infezioni latenti per tutta la vita.
Vaccina virus: dsDNA; 25 kb; non integrazione; cellule in
divisione e non; transiente.
Terapia genica
I sistemi di trasferimento genico non virale sono più sicuri, ma il
trasferimento genico è meno efficiente e spesso l’espressione
dei transgeni è debole.
Trasferimento dell’ac. nucleico per iniezione diretta o con
bombardamento di particelle.
Tasferimento genico mediato da lipidi.
Nanoparticelle compatte di DNA.
Terapia genica
RNA e oligonucleotidi terapeutici: per inattivare in
modo selettivo un allele mutante.
Ribozimi terapeutici.
siRNA terapeutici.
Gli oligonucleotidi antisenso possono indurre il salto
di un esone(exone skipping) per superare una
mutazione dannosa.
