فناوری ویرایش ژن در آغاز راه

به گزارش singularityhub، ابزار ویرایش ژن کریسپر در نوامبر، اولین تاییدیه بالینی را برای درمان بیماری کم خونی سلول داسی شکل و تالاسمی بتا در بریتانیا کسب کرد. این اختلالات خونی دردناک بر اثر یک اشتباه نگارشی ژنتیکی است که گلبول های خون را تغییر شکل می دهد و توانایی اکسیژن رسانی آنها را محدود می‌کند.

چند هفته بعد، اداره غذا و داروی آمریکا به درمان سلول داسی شکل چراغ سبز نشان داد و قرار است تا مارس سال آینده در مورد درمان تالاسمی بتا تصمیم گیری کند. کمیته نظارتی سازمان دارویی اروپا این درمان را تایید کرد که نشانگر آن است که احتمالا در اروپا این درمان عرضه خواهد شد.

CRISPR-Cas۹ اولین بار به عنوان یک مکانیسم دفاعی باکتریایی کشف شد. بیش از یک دهه از اولین آزمایش این شیوه در سلول های انسانی می گذرد، این فناوری چهره بیوتکنولوژی را تغییر داد و ابزارهای دقیقی برای ویرایش طرح اولیه حیات در اختیار ما قرار داده است.

از زمان نقشه برداری ژنوم انسان، دانشمندان برای درمان بیماری های ژنتیکی، جایگزینی ژن های جهش یافته را با ژن های سالم درنظر داشته اند. امسال، CRISPR این چشم انداز را تحقق بخشید. Casgevy، ویرایشگر ژنی که به تازگی تایید شده، اشتباهات ژنتیکی را در سلول های بنیادی جدا شده از مغز استخوان بیماران اصلاح می کند. هنگامی که سلول‌های بنیادی ویرایش‌شده به بدن تزریق شوند، گلبول های خونی سالم تولید می‌کنند که اکسیژن را به سراسر بدن می‌رسانند.

کریسپر با وجود پیچیدگی، مشکلاتی دارد. این ابزار هر دو رشته دی ان ای را برش می‌دهد که می‌تواند باعث جهش‌های خطرناک شود، مانند جهش‌هایی که ژن‌های سرطانزا را فعال می‌کنند. همچنین می‌تواند به‌طور ناخواسته بخش‌های نامرتبط از ژنوم را بریده و عوارض جانبی ایجاد کند.

CRISPR یک پیشرفت غیرقابل انکار است و ارزش دریافت جایزه نوبل را دارد. اما شاید هیجان انگیزتر نکته این واقعیت باشد که این فقط ابزار نسل اول است، با ظرفیت تحول بخشیدن به بیوتکنولوژی برای دهه های آینده.

دستورالعمل CRISPR دارای دو جزء اصلی است: یک پروتئین "قیچی" که ژنوم را برش یا شکاف می دهد و یک راهنمای RNA برای اتصال قیچی به ژن هدف. تغییر دستورالعمل باعث ایجاد دنیایی از ابزارهای ویرایش ژن می شود که هر کدام تخصص خاص خود را دارند. برخی حروف ژنتیکی را با هم جابجا می کنند، برخی دیگر به جای بریدن هر دو، یک رشته دی ان ای را قطع می کنند. هدف نهایی یکسان است: ویرایش دقیق هر بخشی از هر ژنوم به دلخواه.

امسال، کریسپر همچنین با کمک یکی دیگر از فناوری‌های قدرتمند یعنی هوش مصنوعی مرزهای ویرایش ژن را جابجا کرد.

به طور مثال، دانشمندان از هوش مصنوعی برای بهینه سازی ابزارهای ویرایش ژن موجود استفاده کردند. یادگیری ماشینی به پیش‌بینی آثار ناخواسته در ابزارهای کریسپر که آر ان ای را به جای دی ان ای هدف قرار می‌دهند، کمک کرد و دامنه درمانی این ابزار را گسترش داد. یک الگوریتم مبتنی بر AlphaFold که ساختار پروتئین را پیش‌بینی می‌کند، روی «تیغ های جراحی»‌ کوچک‌تر پروتئین کریسپر قرار دارد که برش‌های ژنتیکی را دقیق‌تر می‌کند. ویرایشگرهای ژن کوچک شده نیز راحت تر بسته بندی شده و به سوی هدف ژنومی خود ارسال می شوند.

هوش مصنوعی همچنین به گسترش انواع کریسپر کمک کرد. مشاهده پایگاه‌های اطلاعاتی عظیم مواد ژنتیکی از منابع عجیب - جمع‌آوری‌شده از سواحل قطب جنوب تا بزاق سگ - یک الگوریتم، صدها نوع بالقوه کریسپر را در باکتری‌ کشف کرد که نادر، اما برای ویرایش ژنوم انسان پایدار و مؤثر است.

داده کاوی همچنین به طور شگفت انگیزی مکانیسم هایی شبیه کریسپر را در شاخه دیگری از حیات یعنی یوکاریوت ها پیدا کرد که شامل قارچ ها، جلبک ها و حیوانات می شوند، اما نه باکتری ها، جایی که کریسپر برای اولین بار کشف شد. این سیستم‌ها که آنزیم فنزور Fanzors نامیده می‌شوند، مشابه کریسپر هستند و فقط اجزای مختلف دارند. مطالعات اولیه نشان داده است که فنزورها می تواند اطلاعات ژنتیکی را در سلول های انسانی با حداقل آسیب جانبی به دی ان ای یا آر ان ای مجاور وارد و حذف کند و به راحتی برای هدف قرار دادن مکان های ژنومی خاص دوباره برنامه ریزی شود.

از زمان نقشه برداری ژنوم انسان، دانشمندان برای درمان بیماری های ژنتیکی، جایگزینی ژن های جهش یافته را با ژن های سالم درنظر داشته اند

به عبارت دیگر، دنیای گسترده تری از ابزارهای ویرایش ژن وجود دارد که در انتظار کشف شدن هستند.

یوکاریوت ها موجودات تک سلولی یا چند سلولی هستند که هسته سلول‌هایشان دارای پوشش مشخص است.

یک موج جدید بالینی

تایید درمان مبتنی بر کریسپر، زمینه را برای نسل‌های جدیدتر این فناوری، از جمله ویرایش بنیادی و پایه فراهم می‌کند.

ویرایش پایه که در سال ۲۰۱۶ ابداع شد، به جای بریدن هر دو رشته، یک رشته دی ان ای واحد را می برد که احتمال بریدن بخش های ناخواسته بسیار کمتر می شود. از آن زمان، دانشمندان پروتئین «قیچی» را بازمهندسی کردند تا آسیب‌های ناخواسته دی ان ای به کمترین میزان برسد و ابعاد اجزا را کاهش دادند تا بتوانند به راحتی ویروس‌ها یا نانوذرات ایمن را وارد سلول کنند.

امسال، ویرایش پایه با درمان CAR-T انجام شد؛ درمانی که سلول های ایمنی فرد را برای مبارزه با سرطان تقویت می کند. در این روش سلول های تی فرد برداشته می‌شوند و برای شکار بهتر اهداف مهندسی می‌شوند. کارآزمایی بلندپروازانه از ویرایش پایه برای بازبینی چهار ژن در سلول‌های ایمنی استفاده می‌کند تا به آنها کمک کند سلول‌های تومور را در سرطان خون جستجو کرده و از بین ببرند.

این درمان مشابه درمان Casgevy مورد تایید اداره نظارت بر مواد غذایی و دارویی آمریکا برای بیماری سلول داسی شکل است که پزشکان باید سلول های بنیادی خون ساز را خارج از بدن استخراج و ویرایش کنند. سپس بیمار تحت درمان قرار می گیرد تا سلول های بیمار از مغز استخوان پاکسازی شوند و جا برای سلول های ویرایش شده باز شود.

سلول های بنیادی در نهایت باعث تولید گلبول های قرمز سالم می شوند که اکسیژن رسانی را در سراسر بدن تقویت کرده و علائم بیماری را کاهش می دهند. این درمان طولانی و دشوار است. بیماران ممکن است قبل از شروع درمان دستکم یک ماه در بیمارستان بستری شوند که به هزینه های درمان می افزاید.

امسال، در یک کارآزمایی بالینی کوچک روی افرادی که استعداد ژنتیکی ابتلا به میزان بالا و خطرناک کلسترول را داشتند، ویرایش پایه، چربی‌های گرفتگی عروق را تا ۵۵ درصد کاهش داد که نتایج به‌طور بالقوه تا پایان عمر باقی می‌ماند. این کارآزمایی که توسط شرکت بیوتکنولوژی Verve Therapeutics توسعه یافته است، اولین آزمایشی است که از ویرایش پایه در انسان برای یک بیماری مزمن استفاده می شود.

بر خلاف درمان‌های سرطانی که به شدت براساس ساختار زیستی یک فرد خاص طراحی شده‌اند، این روش به‌طور بالقوه فناوری را با هزینه‌های کمتر به عموم مردم می‌رساند. دانشمندان در حال بررسی درمان‌های مشابه برای فیبروز کیستیک هستند که به ریه‌ها و دستگاه گوارشی آسیب می‌زند.

در همین حال، ویرایش بنیادی نیز برای آزمایش‌های بالینی مهم است. این فناوری که در سال ۲۰۱۹ آغاز شد، ویرایش ژن را به دلیل دقت خیره کننده اش با موفقیت آغاز کرد. از آن زمان، دانشمندان این سیستم را برای افزایش بیشتر کارایی آن بهینه کرده اند. بهینه‌سازی نتیجه داده است. شرکت بیوتکنولوژی Prime Medicine در حال آغاز کارآزمایی بالینی ویرایش بنیادی برای بیماری گرانولوماتوز مزمن، یک اختلال ارثی است که توانایی بدن برای دفع عفونت‌ها را کاهش می‌دهد.

از ژن تا اپی ژنوم

کریسپر که به عنوان ویرایشگر ژن شناخته می شود، اخیراً دامنه خود را به اپی ژنوم - خانواده ای از مکانیسم هایی که زمان روشن یا خاموش شدن ژن ها را کنترل می کند - گسترش داده است. در یک مطالعه روی پستانداران پریمات، خاموش کردن یک ژن با استفاده از ویرایش اپی ژنتیک، به کاهش میزان کلسترول کمک کرد و آثار آن تقریباً یک سال باقی ماند.

ویرایش اپی ژنوم مزایای خود را دارد. احتمالاً بسیار ایمن تر از کریسپر است؛ زیرا مستقیم ژنوم را تغییر نمی دهد. همچنین می‌تواند عفونت‌های مزمن مانند هپاتیت بی یا اچ‌آی‌وی را که حتی بدون علائم مشهود در بدن مخفی می شوند، از بین ببرد.

کریسپر با آزمایش‌های بالینی متعددی که در حال انجام است، مهیای برای یک سال عطف دیگر است. همانطور که مخترع اصلی ویرایش، دکتر دیوید لیو در سال ۲۰۱۹ گفت: این یک آغاز به جای پایان است.