ژن‌درمانی چیست و چگونه انجام می‌شود؟

ژن‌درمانی در سال‌های اخیر بسیاری از عناوین خبری را به خود اختصاص داده است و علت امر تا حدی پیشرفت سریع بیوتکنولوژی بوده است که پزشکان را قادر می‌سازد چنین درمان‌هایی را به کار ببرند.

به‌طورکلی، ژن‌درمانی تکنیک‌هایی است که برای درمان یا پیشگیری از بیماری‌ها ازطریق تغییر محتوا یا بیان دی‌ان‌ای سلول‌ها و غالبا ازطریق جایگزینی ژن‌های معیوب با ژن‌های دارای عملکرد، استفاده می‌شود.

اصطلاح ژن‌درمانی گاهی همراه اطلاعات نادرست درمورد واکسن‌های mRNA ظاهر می‌شود که شامل واکسن‌های کووید ۱۹ مدرنا و فایزر می‌شود. این واکسن‌ها حاوی مولکول mRNA هستند که سلول‌ها را وادار می‌کند پروتئین اسپایک ویروس کرونا را بسازند. واکسن‌ها دی‌ان‌ای سلول‌ها را تغییر نمی‌دهند و پس از ساخت پروتئین اسپایک، بیشتر mRNA تجزیه می‌شود. سایر واکسن‌های کووید ۱۹ شامل واکسن‌های ناقل ویروسی ساخته‌شده توسط آسترازنکا و جانسون اند جانسون می‌شود که دی‌ان‌ای را برای ساخت پروتئین‌های اسپایک به سلول‌ها می‌رساند.

سلول‌هایی که پروتئین‌های اسپایک را با استفاده از دستورالعمل‌های واکسن‌های ناقل ویروسی یا واکسن‌های مبتنی‌بر mRNA می‌سازند، به‌عنوان تمرین هدفی برای سیستم ایمنی عمل می‌کنند، بنابراین به مدت‌ طولانی در بدن نمی‌مانند. آن‌ها با ژن‌درمانی تفاوت بسیار زیادی دارند. هدف ژن‌درمانی تغییر عملکرد سلول‌ها برای طولانی مدت است.

دی‌ان‌ای مولکولی است که اطلاعات ژنتیکی را ذخیره می‌کند. ژن‌ها تکه‌هایی از اطلاعات ژنتیکی هستند که سلول‌ها از آن‌ها برای ساخت محصول خاصی مانند پروتئین استفاده می‌کنند. د‌ی‌ا‌ن‌ای درون هسته سلول قرار دارد و در قالب ساختارهایی به نام کروموزوم‌ بسته‌بندی شده است. درون میتوکندری نیز دی‌ان‌ای وجود دارد. میتوکندی‌ها اندامک‌هایی هستند که به‌عنوان نیروگاه سلول عمل می‌کنند و خارج از هسته سلول قرار دارند.

اگرچه بیماری‌های میتوکندریایی وجود دارد که روزی می‌توان به کمک ژن‌درمانی آن‌ها را درمان کرد، درحال‌حاضر اصطلاح ژن‌درمانی به درمان‌هایی اشاره دارد که ژن‌های هسته‌ای یعنی ژن‌هایی را که روی ۲۳ جفت کروموزوم درون هسته قرار دارند، هدف قرار می‌دهند.

به‌طور کلاسیک، ژن‌درمانی به فرایند سرکوب ژن ناکارآمد یا اضافه‌کردن نسخه‌ای از ژن دارای عملکرد به هسته به‌منظور بهبود عملکرد سلول اشاره دارد.

ژن‌درمانی درحال‌حاضر روی بیماری‌هایی تمرکز دارد که ناشی از مشکل در رابطه با یک ژن یا تعداد اندکی ژن است، نه بیماری‌هایی که شامل تعداد زیادی ژن می‌شوند. اگرچه حوزه ژن‌درمانی درحال گسترش است تا شامل استراتژی‌هایی شود که در طبقه‌بندی‌های کلاسیک سرکوب ژن‌های معیوب یا اضافه‌کردن ژن‌های خوب قرار نمی‌گیرند. برای مثال، پژوهشگران شرکت سانگامو تراپیوتیکس (Sangamo Therapeutics) درحال ایجاد تکنیک‌های ژنتیکی برای درمان بیماری‌های پارکینسون، آلزایمر و هانتینگتون هستند که با افزایش یا سرکوب فعالیت ژن‌های خاص عمل می‌کنند.

درحالی‌که این درمان‌ها ممکن است ژن‌ها را به سلول‌های بدنی اضافه کنند، ژن‌ها را سرکوب کنند یا به‌نحوی درجهت تغییر عملکرد ژن‌ها عمل کنند، هر ژن‌درمانی برای عمل روی سلول‌های بافت خاصی از بدن هدایت می‌شود. بنابراین، وقتی دانشمندان و پزشکان دراین‌باره صحبت می‌کنند که ژن‌درمانی با دی‌ان‌ای چه کاری می‌دهد، درمورد تمام دی‌ان‌ای بدن حرف نمی‌زنند، بلکه فقط درمورد بخشی از آن صحبت می‌کنند.

ژن‌درمانی می‌تواند در محیط طبیعی بافت زنده (in vivo) یا خارج از محیط طبیعی بافت زنده (ex vivo) انجام شود.

در ژن‌درمانی خارج از بدن، سلول‌ها از بدن خارج می‌شوند، درمان می‌شوند و سپس به بدن برگردانده می‌شوند. از این رویکرد برای درمان بیماری‌های ژنتیکی سلول‌های خونی استفاده می‌شود، زیرا می‌توان مغز استخوان را از بیمار برداشت و سلول‌های بنیادی مغز استخوان را با ژن‌درمانی درمان کرد (برای مثال، برای فراهم کردن ژنی که وجود ندارد یا عملکرد مناسبی ندارد) و سپس سلول‌های تغییریافته را می‌توان دوباره به بدن بیمار برگرداند.

ژن‌درمانی in vivo به این معنا است که خود ژن‌درمانی به بدن فرد تزریق یا انفوزیون (تزریق قطره‌ای) می‌شود. این رویه می‌تواند ازطریق تزریق مستقیم به محل آناتومیکی انجام شود که در آن ژن‌درمانی نیاز است (مثلا شبکیه چشم) یا می‌تواند به‌معنای تزریق یا انفوزیون محموله ژنتیکی باشد که باید به محلی از بدن که موردنیاز است، برود.

هم در ژن‌درمانی ex vivo و هم در ژن‌درمانی in vivo، محموله ژنتیکی قبل از تحویل به سلول‌ها یا بدن، درون ناقل بسته‌بندی می‌شود. یکی از این ناقل‌ها، ویروس همراه آدنو (AAV) است. این‌ نوع ویروس‌ها گروهی از ویروس‌ها هستند که در طبیعت وجود دارند، اما ژن‌های معمولی آن‌ها حذف و با محموله ژنتیکی جایگزین شده است و آن‌ها را به ناقل ژن‌درمانی تبدیل کرده است.

سال‌ها است از AAV برای تحویل ژن‌درمانی استفاده می‌شود، زیرا سابقه ایمنی خوبی دارد. احتمال بروز واکنش‌های ایمنی خطرناک دربرابر این ویروس نسبت‌به سایر ویروس‌هایی که چند دهه پیش یعنی زمانی که ژن‌درمانی تازه شروع بوده بود، به‌عنوان ناقل استفاده می‌شدند، بسیار کمتر است.

علاوه‌براین، بسته‌بندی محموله‌های ژنتیکی درون ناقل‌های AAV اجازه می‌دهد تا ژن‌درمانی تزریقی یا انفوزیون به بافت‌های خاص بدن که موردنیاز است، برسد. علت آن است که انواع متعددی از AAV وجود دارد و انواع خاصی از آن‌ها جذب بافت یا ارگان خاصی در بدن می‌شوند. بنابراین، اگر نیاز باشد محموله ژنتیکی به سلول‌های کبدی برسد، می‌توان آن را در نوعی از AAV بسته‌بندی کرد که دوست دارد به کبد برود.

در روزهای اولیه ژن‌درمانی که در سال ۱۹۸۹ آغاز شد، پژوهشگران از رتروویروس‌ها به‌عنوان ناقل استفاده می‌کردند. این ویروس‌ها محموله ژنتیکی را مستقیما به کروموزوم‌های هسته بیمار منتقل می‌کردند. اگرچه این نگرانی وجود داشت که ادغام دی‌ان‌دی جدید با کوروموزوم موجب تغییراتی شود که سرطان را در پی داشته باشد، بنابراین این استراتژی در ابتدا کنار گذاشته شد. (اخیراً، دانشمندان بدون ایجاد سرطان، با موفقیت از رتروویروس‌ها در ژن‌درمانی‌های تجربی استفاده کرده‌اند. برای مثال از درمان مبتنی‌بر رتروویروس برای درمان نوزادان مبتلا به بیماری بچه حبابی استفاده شده است).

پژوهشگران پس از دور شدن از رتروویروس‌ها، به آدنوویروس‌ها روی آوردند که مزیت تحویل بار ژنتیکی را به شکل اپی‌زوم‌ دارند (قطعه‌ای از دی‌ان‌ای که درون هسته به‌عنوان ژن عمل می‌کند، اما در موجودیتی جدا از کروموزوم‌ها باقی می‌ماند). خطر ابتلا به سرطان با این نوآوری بسیار کم بود، اما مشخص شد ناقل‌های آدنوویروس سیستم ایمنی را به شدت تحریک می‌کنند. در سال ۱۹۹۹ واکنش ایمنی ناشی از ژن‌درمانی حامل آدنوویروس باعث مرگ جسی گلسینگر ۱۸ ساله شد که داوطلب کارآزمایی بالینی بود.

مرگ گلسینگر جامعه ژن‌درمانی را شوکه کرد و این حوزه از علم را برای چندین سال متوقف کرد، اما ژن‌درمانی‌های کنونی که در طول سال‌ها براساس AAV توسعه پیدا کرده‌اند، خطرناک نیستند. اگرچه، آن‌ها معمولا گران بوده و میزان موفقیت آن‌ها متغیر است، بنابراین معمولا به‌عنوان آخرین راه چاره برای درمان بیماری‌های ژنتیکی استفاده می‌شوند.

ژن‌درمانی می‌تواند برخی از بیماری‌های خونی مانند هموفیلی A، هموفیلی B، بیماری سلول داسی‌شکل و از سال ۲۰۲۲، تالاسمی بتا را درمان کند. وجه مشترک این بیماری‌ها این است که مشکل فقط به یک ژن مربوط می‌شود.

این امر موجب شده است تالاسمی بتا و بیماری سلول داسی‌شکل به هدف ساده‌ای برای ژن‌درمانی‌های خارج از بدن تبدیل شوند که شامل خارج‌کردن و تغییر سلول‌های بنیادی مغز استخوان می‌شود، درحالی‌که هموفیلی A و هموفیلی B به‌کمک ژن‌درمانی‌های درون بدن درمان می‌شوند که سلول‌های کبدی را مورد هدف قرار می‌دهند. البته درمان‌های دیگری نیز برای این بیماری‌های خونی وجود دارند، بنابراین ژن‌درمانی در بیشتر موارد به‌عنوان آخرین راه چاره استفاده می‌شود.

بسیاری از اختلالات کمبود آنزیم نیز ناشی از ژن معیوبی هستند که باید جایگزین شود. آدرنولکودیستروفی که موجب تجمع اسیدهای چرب در مغز می‌شود، یکی از اختلالاتی است که با ژن‌درمانی قابل درمان است. همچنین، درمان‌های بر پایه گیرنده‌های کایمری آنتی‌ژن‌ها (CAR T cell therapy) که برای برخی از سرطان‌ها تایید شده است، شامل برداشت و اصلاح سلول‌های ایمنی بیمار است و به‌عنوان ژن‌درمانی مبتنی‌بر سلول شناخته می‌شود. ژن‌درمانی در درمان بیماری‌های ارثی شبکیه درمان‌های دیگر برای آن‌ها سودمند نبوده است، نیز مفید بوده است.

گروه دیگری از اهداف ژن‌درمانی، بیماری‌های سیستم عصبی هستند. دکتر مریت کودکوویچ، رئیس بخش اعصاب بیمارستان عمومی ماساچوست و استاد دانشکده پزشکی هاروارد به لایوساینس گفت: «در زمان برجسته‌ای از علوم اعصاب قرار داریم که در آن درمان‌هایی برای اختلالات عصبی ژنتیکی درحال توسعه است.»

برای مثال، ژن درمانی‌هایی برای درمان یک جفت بیماری ژنتیکی به نام بیماری تِی-سَکس و بیماری سندهوف درحال توسعه است. هر دو بیماری ناشی از پرشدن اندامک‌هایی به نام لیزوزوم با مولکول‌های چربی‌مانندی به نام گانگلیوزیدها هستند. اثرات این بیماری‌ها شامل تاخیر در رسیدن به نقاط عطف، از دست دادن مهارت‌هایی که قبلا کسب شده است، سفتی، نابینایی، ضعف و عدم هماهنگی و درنهایت فلجی است. کودکانی که مبتلا به بیماری های تی‌سکس و سندهوف به دنیا می‌آیند، معمولا به ۵ سالگی نمی‌رسند.

دکتر جاگدیپ ولیا، متخصص ژنتیک بالینی و سرپرست بخش ژنتیک پزشکی در گروه بیماری‌های کودکان مرکز علوم بهداشت کینگستون و دانشگاه کوئینز در انتاریو می‌گوید، هیچ آزمایش روتین پیش از تولد یا دوران نوزادی برای تشخیص بیماری تی‌سکس و سندهوف وجود نداشته است، زیرا این بیماری‌ها درمانی نداشته‌اند.

والیا درحال ایجاد ژن‌درمانی با هدف جایگزینی ژن آنزیم Hex A است که کودکان بیمار به کمبود آن دچار هستند. تاکنون، این درمان در مدل‌های حیوانی کارآیی و ایمنی خوبی را نشان داده است، اما باید روی بیماران انسانی نیز آزمایش شود.

با توجه به پیشرفت‌های فنی جدید ازجمله ویرایش ژن کریسپر، آینده ژن‌درمانی امیدوارکننده به‌نظر می‌رسد. کریسپر تکنیک بسیار قدرتمندی برای حذف بخش‌هایی از مولکول‌ دی‌ان‌ای و حتی جایگذاری بخش‌های جدید درون آن است.

کریسپر اولین روشی نیست که دانشمندان از آن برای ویرایش د‌ی‌ان‌ای استفاده کرده‌اند، اما نسبت‌به روش‌های دیگر تطبیق‌پذیری بیشتری دارد. این روش هنوز به‌طور کامل برای دستکاری کروموزومی درون بدن آماده نیست، اما با سرعت بالایی درحال پیشرفت است.

شاید پیشرفت نزدیک‌تر، چشم‌انداز تحویل محموله‌های ژنتیکی بزرگ‌تر به سلول‌ها باشد. یکی از اشکالات بزرگ ناقل AAV این است که هر ذره ویروسی می‌تواند مقدار کمی دی‌ان‌ای حمل کند. پژوهش‌های اخیر نشان داده است نوع دیگری از ویروس به نام سیتومگالوویروس می‌تواند برای استفاده در ژن‌درمانی اصلاح شود. ویروس مذکور می‌تواند بار ژنتیکی بزرگ‌تری را حمل کند. این کار نه‌تنها ممکن است ژن‌درمانی را به درمانی برای بیماری‌هایی تبدیل کند که نسبت‌به آنچه AAV می‌تواند حمل کند، به ژن‌های بزرگ‌تری نیاز دارند، بلکه همچنین می‌تواند تحویل بیش از یک ژن را در قالب یک درمان واحد امکان‌پذیر کند.