Un nuevo vehículo viral que transporta genes se muestra prometedor en la terapia génica del cerebro humano
Científicos diseñan un virus adenoasociado (AAV) que cruza eficientemente la barrera hematoencefálica en modelos de células humanas y distribuye genes por todo el cerebro de ratones humanizados.
Por el Instituto Broad del MIT y Harvard
Los neurocientícos usan vehículos virales para hacer llegar al cerebro el ADN terapéutico. Imagen conceptual generada con DALL-E
En un paso importante hacia terapias génicas más eficaces para enfermedades neurológicas, investigadores del Instituto Broad del MIT y Harvard, en Estados Unidos, han diseñado un vehículo de administración génica que utiliza una proteína humana para atravesar eficazmente la barrera hematoencefálica y administrar un gen patológico al cerebro de ratones, que expresan así la proteína humana. Dado que el vehículo se une a una proteína bien estudiada de la barrera hematoencefálica, los científicos afirman que tiene buenas posibilidades de funcionar en pacientes humanos.
Ante de nada hay que decir que la barrera hematoencefálica es una estructura importante del cuerpo humano que funciona como un filtro selectivo capaz de impide el paso de ciertas sustancias desde la sangre hacia el cerebro, mientras que permite la entrada de otras esenciales para su funcionamiento.
La barrera hematoencefálica está formada por células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos del cerebro y están unidas muy estrechamente. Además, aparece reforzada por células como los pericitos y los astrocitos, que contribuyen a su integridad y funcionamiento.
La terapia génica podría potencialmente tratar una variedad de trastornos cerebrales genéticos graves.
Esta muralla biológica es crucial porque protege al cerebro de agentes patógenos, toxinas y fluctuaciones de iones y neurotransmisores en la sangre, lo que permite mantener así un entorno estable para el tejido neural. Sin embargo, también puede representar un desafío para el tratamiento de enfermedades cerebrales, ya que restringe la entrega de muchos medicamentos al cerebro destinados a tratar las enfermedades neurológicas.
En este sentido, la terapia génica podría potencialmente tratar una variedad de trastornos cerebrales genéticos graves, que actualmente no tienen cura y tienen pocas opciones de tratamiento. La terapia génica es una técnica médica avanzada que implica la modificación del material genético de las células de un individuo para tratar o prevenir enfermedades. En esencia, este enfoque terapéutico busca corregir o compensar los genes defectuosos o introducir nuevos genes con el objetivo de curar una enfermedad o mejorar la función biológica del cuerpo.
La terapia génica puede aplicarse de varias maneras, como es la sustitución de un gen defectuoso que causa enfermedad con otro que funciona correctamente; la inactivación de un gen que está operando incorrectamente; o la introducción de un nuevo gen en el cuerpo para ayudar a combatir una enfermedad.
Vectores virales y no virales.
Estos cambios genéticos se realizan utilizando lo que los biólogos denominan vectores, que básicamente son de dos tipos: no virales, como lisosomas y DNA desnudo; y virales, caso de los retrovirus, los lentivirus, los adenovirus, los virus adenoasociados. En esta segunda opción, se trata generalmente de virus que han sido genéticamente modificados para ser seguros, que transportan el gen terapéutico a las células del paciente. Una vez que el gen se introduce en ellas, puede producir las proteínas necesarias para tratar o prevenir enfermedades.
Pero las formas aprobadas, por ejemplo por la Administración de Alimentos y Medicamentos estadounidense, la FDA, del vehículo más comúnmente utilizado para empaquetar y administrar estas terapias a las células diana, los citados virus adenoasociados (AAV), no son capaces de cruzar eficientemente la barrera hematoencefálica en niveles altos y entregar carga terapéutica.
Los virus adenoasociados se usan como vectores en la terapia génica. Cortesía: Jazzlw
El enorme desafío de lograr que las terapias superen esta barrera ha obstaculizado durante décadas el desarrollo de terapias génicas más seguras y efectivas para las enfermedades cerebrales.
Ahora, investigadores en el laboratorio de Ben Deverman, director de Ingeniería de Vectores en el Instituto Broad del MIT y Harvard, han desarrollado el primer AAV publicado que se dirige a una proteína humana para alcanzar el cerebro en ratones humanizados —ratones que llevan genes, células, tejidos y órganos humanos funcionales—.
El gen GBA1 está relacionado con la enfermedad de Gaucher, la demencia de cuerpos de Lewy y la enfermedad de Parkinson.
El virus adenoasociado se une al receptor de la transferrina humana, que se expresa altamente en la barrera hematoencefálica del ser humano. En un nuevo estudio publicado en la revista Science, el equipo de Deverman demostró que su AAV, cuando se inyecta en el torrente sanguíneo en ratones que expresan un receptor de transferrina humanizado, es capaz de pasar al cerebro en niveles mucho más altos que el virus adenoasociado que se utiliza en una terapia génica aprobada por la FDA para el sistema nervioso central, el AAV9.
También alcanzó a un gran número de importantes tipos de células neuronales, incluidas las neuronas y los astrocitos. Los investigadores demostraron entonces que su AAV podía hacer llegar copias del gen GBA1, que se ha relacionado con la enfermedad de Gaucher, la demencia de cuerpos de Lewy y la enfermedad de Parkinson, a una gran proporción de células de todo el cerebro.
Los científicos añaden que su nuevo AAV podría ser una mejor opción para tratar trastornos neurodesarrollistas —un grupo de condiciones que afectan el desarrollo del sistema nervioso, especialmente el cerebro, y se manifiestan generalmente desde la infancia o la adolescencia— causados por mutaciones en un solo gen. Es el caso del síndrome de Rett o la deficiencia de SHANK3; de las enfermedades de almacenamiento lisosomal, como la deficiencia de GBA1; y de patologías neurodegenerativas, como la enfermedad de Huntington, la enfermedad priónica, la ataxia de Friedreich y formas de un solo gen de la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y la enfermedad de Parkinson.
“Desde que llegamos al Broad nos hemos centrado en la misión de facilitar terapias génicas para el sistema nervioso central—afirma Deverman, autor principal del estudio. Y añade—: Si este AAV hace lo que creemos que hará en humanos basándonos en nuestros estudios con ratones, será mucho más eficaz que las opciones actuales”.
“Estos AAV tienen el potencial de cambiar la vida de muchos pacientes— dice Ken Chan, coautor del artículo y jefe del grupo de Deverman, que lleva casi una década trabajando para resolver el desafío de colar genes en el sistema nervioso central.
El mecanismo, primero.
Durante años, los investigadores han desarrollado virus adenoasociados para aplicaciones específicas preparando bibliotecas masivas de ellos y probándolos en animales para identificar los mejores candidatos. Pero incluso cuando este método tiene éxito, los candidatos no suelen funcionar en otras especies, y no proporciona información sobre cómo los AAV alcanzan sus objetivos. Esto puede dificultar la traslación de una terapia génica con estos AAV de animales a humanos.
Para encontrar un vehículo de administración con más posibilidades de llegar al cerebro de las personas, el equipo de Deverman cambió de estrategia. Utilizaron un método que publicaron el año pasado y que consiste en examinar una biblioteca de virus adenoasociados en un tubo de ensayo en busca de los que se unen a una proteína humana específica. A continuación, prueban los candidatos más prometedores en células y ratones modificados para expresar, esto es, producir la proteína.
La técnica de cribado del equipo identificó un AAV denominado BI-hTFR1.
Como diana, los investigadores eligieron el receptor de la transferrina humana, que desde hace tiempo es el objetivo de terapias basadas en anticuerpos que pretenden llegar al cerebro. Varios de estos tratamientos han demostrado llegar al cerebro en pacientes humanos.
La técnica de cribado del equipo identificó un AAV denominado BI-hTFR1 que se une al receptor de la transferrina humana, penetra en las células cerebrales humanas y sortea un modelo celular humano de la barrera hematoencefálica.
“Hemos aprendido mucho de los cribados in vivo, pero ha sido difícil encontrar virus adenoasociados que funcionaran tan bien en todas las especies— comenta Qin Huang, coautor del estudio e investigador principal del laboratorio de Deverman, que ayudó a desarrollar el método de cribado para encontrar AAV que se unieran a dianas proteicas específicas. Y continúa—: Encontrar uno que funcione utilizando un receptor humano es un gran paso adelante».
Ensayos con éxito en ratones humanizados.
Para probar los AAV en animales, los investigadores utilizaron ratones en los que el gen del roedor que codifica la síntesis del receptor de la transferrina se sustituyó por su equivalente humano. El equipo inyectó los virus adenoasociados en el torrente sanguíneo de ratones adultos y observó niveles mucho más elevados de estos vectores en el cerebro y la médula espinal que en los ratones sin el gen humano del receptor de la transferrina.
Esto venía a indicar que el receptor transportaba activamente los AAV a través de la barrera hematoencefálica.
Los AAV también mostraron una acumulación de cuarenta a cincuenta veces mayor en el tejido cerebral que el AAV9, que forma parte de una terapia aprobada por la FDA para la atrofia muscular espinal —un grupo de enfermedades genéticas que daña y mata las neuronas motoras— en bebés, pero es relativamente ineficiente para entregar carga al cerebro adulto. Los nuevos virus adenoasociados alcanzaron hasta el 71% de las neuronas y el 92% de los astrocitos en diferentes regiones del cerebro.
En un trabajo liderado por el científico investigador Jason Wu, el equipo de Deverman también utilizó los AAV para entregar copias sanas del gen humano GBA1, que está mutado en varias dolencias neurológicas. Los nuevos AAV entregaron treinta veces más copias del gen GBA1 que el AAV9 en ratones, y se distribuyeron por todo el cerebro.
El equipo mencionó que los nuevos virus adenoasociados son ideales para la terapia génica, porque se dirigen a una proteína humana y tienen rendimientos de producción y purificación similares a los del AAV9 utilizando métodos de fabricación escalables.
Una cápside modificada que abre un mundo de posibilidades.
Una empresa biotecnológica cofundada por Deverman, Apertura Gene Therapy, ya está desarrollando nuevas terapias utilizando los virus adenoasociados para dirigirse al sistema nervioso central.
Con el desarrollo y perfeccionamiento de esta estratagema, los científicos creen que es posible mejorar la eficacia de la administración de genes de sus vectores virales al sistema nervioso central, disminuir su acumulación en el hígado y evitar la inactivación por anticuerpos en algunos pacientes.
Sonia Vallabh y Eric Minikel, dos investigadores deI Instituto Broad del MIT y Harvard que están desarrollando tratamientos para la enfermedad priónica, están entusiasmados con el potencial de los AAV para administrar terapias cerebrales en humanos.
“Cuando pensamos en la terapia génica para una enfermedad cerebral completa como la priónica [por ejemplo, la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob], necesitamos una administración sistémica y una biodistribución amplia para conseguir algo— explica Minikel. Y concluye—: Los AAV naturales no nos van a llevar a ninguna parte. Esta cápside modificada abre un mundo de posibilidades”.
Información facilitada por el Instituto Broad del MIT y Harvard -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: Qin Huang et al. An AAV capsid reprogrammed to bind human transferrin receptor mediates brain-wide gene delivery. Science (20249. DOI: 10.1126/science.adm8386
