National Institute of Health’den Dr. Michael Blaese ve Dr. French Anderson 1990 yılında ilk gen tedavisini iki hasta üzerinde denediler. Hastalardan biri dört yaşındaki Ashanthi DeSilva, diğeri ise dokuz yaşında adı açıklanmayan “hasta 2” idi. Her iki hastada ağır kombine immün yetmezlik hastalığı (SCID) taşıyordu.
SCID T ve B lenfosit fonksiyonlarının eksikliği ile karakterizedir. Bazı hastalarda NK hücre fonksiyonlarında da bozukluk vardır. Lenfositler mitojen ve antijenlere karşı proliferatif cevap göstermedikleri gibi serum antikor düzeyleri de çok düşüktür. SCID, çok çeşitli genetik bozuklardan kaynaklanabilir. 1970’lerde SCID’a neden olan ilk bozukluk adenozin deaminaz (ADA) eksikliği olarak gösterilmiştir. ADA eksikliği, lenfositler için apoptotik etki gösteren 2’deoksiadenozin ve 2’O_metiladenozinin birikimine yol açar. SCID hastalarının %15’inde ADA eksikliği söz konusudur. Hastaların doğumdan sonra ilk aylardan itibaren tekrarlayan enfeksiyonlarla karşılaşırlar ve çoğu ilk 2 yıl içinde ölür. Tedavideki yeniliklerle yaşam süresi uzamıştır. Gen tedavisi uygulanan her iki hastada da ADA eksikliği vardı.
ADA geni 20. kromozomun uzun kolunda lokalizedir. Hastalığın nedeni resesif bir mutasyon olduğundan, klinik bulguların ortaya çıkması için her iki gen kopyasının da bozuk olması gerekir.
Günümüzde ADA eksikliğinin tedavisi kemik iliği nakli ya da ADA enziminin PEGADA formunda replase edilmesidir. Saf ADA enziminin plasma yarı ömrü 30 dakika iken, polietilen glikol (PEG) molekülüne bağlandığında yarı ömrü 23 güne uzamaktadır. Gen tedavisi denenen iki hastaya kemik iliği nakli için uygun verici bulunamamıştı. Hastalar PEGADA tedavisi almaktaydılar.Bu tedavi ekstrasellüler ortamda ADA konsantrasyonlarını yükselterek hastaların klinik bulgularında iyileşme sağlamakla birlikte T ve B lenfositlerin iç yapılarında ADA eksikliği devam ettiğinden immün sistem normal fonksiyonlarına ulaşamaz.
Her iki hasta da, tedaviye başlarken hastalıklarının tamamen iyileşmesi ümidini taşıyordu. DeSilva tedaviden önemli ölçüde fayda görürken, hasta 2 de beklendiği kadar bir etki gözlenmedi. Böylece gen tedavisinde umutlu bir başlangıç yapılmış oldu.
Gen tedavisinde amaç, normal genin hedef hücrede istenilen düzeyde eksprese edilmesini sağlamaktır. Bu amaçla virüsler kullanılmaktadır. Virüslerin patojenik özelliklerini sağlayan genler çıkarıldıktan sonra istenen gen segmenti konmakta ve hedef hücreler bu genlerle enfekte edildiğinde, virüsün taşıdığı genin insan DNA’sına kalıcı olarak entegrasyonu sağlanmaktadır. Enfekte edilen hücrelerin bölünmesi sonrasında ortaya çıkan yeni hücrelerde de genin ekspresyonu devam etmektedir. Gen transferi için DNA virüsü olan adenovirüsler, adenobenzeri virüsler ile RNA virusleri olan retrovirüsler ve lentivirüsler kullanılmaktadır.Lentivirüsler retroviridae ailesine mensub olmasına rağmen, bölünmeyen hücreleri de enfekte ettikleri için ayrı bir grup olarak değerlendirilmektedir.
Gen tedavisi stratejileri
ex vivo yaklaşım: Doğru genin aktarılması hedeflenen hücre gruplarının ayrıştırılması, laboratuar ortamında virüsle transfekte edildikten sonra hastaya geri verilmesi prensibine dayanır. Bu yaklaşım, periferik kandaki lenfositler gibi kolay ayrıştırılabilir hücre gruplarında ya da transfekte edilen hücrelerin ürettiği faktörlerin normalin küçük bir yüzdesine eriştiğinde klinik bulguların düzeltilebildiği (ADA eksikliği, faktör 8 eksikliği gibi) durumlarda etkilidir. Virüsün sınırlı sayıda hücreyle karşılaşması nedeniyle yan etki riski daha düşüktür.
in vivo yaklaşım: Genin doğrudan hedef organa veya organı besleyen artere enjeksiyonu ile gerçekleştirilir. Virüsların hedef hücreye olan özgünlüğünün artırılması suretiyle sistemik diğer organların etkilenmesinin önlenmesi çalışmaları sürmektedir. Genetik bozukluk, hücre içi bir bozukluğa yol açıyorsa hedef hücrelerin transfekte edilmesi gerekir. Hastalık, dolaşıma salınan bir faktörün eksikliğine bağlı ise, hangi hücrenin transfekte edildiğinin önemi yoktur.
Adenoviral vektörler
Adenovirüs vektörleri in vivo olarak kullanılan ilk virüslerdir. Çift iplikçikli DNA virüsleri olan adenovirüslerin yüzeyindeki penton bazlarının modifiye edilmesi ile hücre özgüllüğünün değiştirilmesi ve gen transferinin etkinliğinin artırılması başarılabiliyor. Adenovirüs vektörlerle yapılan gen transferinin en önemli zorluğu ekspresyonun geçici olmasıdır. Virüs çok antijenik olduğu için, enfekte edilen hücrelerin immün sistem tarafından hedef alınması sonucu gen ekspresyonu en fazla birkaç hafta sürmektedir. Kistik fibrozda yapılan denemelerde alınan olumlu klinik yanıtlar genelde kısa süreli olmuştur. Lizozomal depo hastalıklarında yapılan denemelerde klinik olarak yeterli cevaplar alınmaktadır. Bu hastalıklarda lizozomlarda yıllar içinde depolanan materyalin kısa süreli gen ekspresyonu ile temizlenilmesi başarılabilmektedir. Adenovirüslere karşı immün cevap bazen çok ciddi olabilmektedir. Ornitin transkarbamilaz eksikliği olan 18 yaşındaki Jesse Gelsinger adlı bir hastanın yüksek doz intraportal adenoviral gen transferi yapıldıktan 4 gün sonra çoklu organ yetmezliği sonucu ölmesi gen tedavisi çalışmalarına ağır darbe vurmuştur. Bu olay adenovirüse kaşı gelişen aşırı immün yanıta bağlanmıştır. Gelsinger’in ölümünden sonra FDA tüm gen tedavisi protokollerini geçici bir süre durdurmuş ve ancak daha sıkı denetlemeler koyarak devamına izin vermiştir. Aynı şekilde hemofili A tedavisi için yürütülen bir çalışmada adenoviral vektöre bağlı geçici trombositopeni ve karaciğer fonksiyon bozukluğu görülmesi üzerine çalışma durdurulmuştur. Edinilen tecrübeler, intravenöz değil de doğrudan hedef organa yapılan enjeksiyonlarda doz, 1012 partiküle kadar yükseltilebileceğini göstermiştir.
Adeno benzeri virüs vektörleri
Adeno benzeri virüs (AAV) basit bir protein kapsülü bulunan tek zincirli bir DNA virüsüdür. AAV vektörlerinin avantajı, transfer edilen genin, yenilenme hızı yüksek olmayan karaciğer, beyin, kalp, plevra ve retina gibi doku organlarda da eksprese olmasıdır. AAV vektörün değişik serotipleri üretilmiştir. AAV8 karaciğer için trofizm gösterirken, AAV5 akciğer epitelinde daha etkilidir. AAV genomunda virüse ait eksprese edilen gen olmadığı için hastanın immünitesi önemli sorun çıkarmaz ancak viral kapside karşı antikor gelişebilir. AAV vektörünün en önemli zorluğu, 4.9 kb’lik düşük gen taşıma kapasitesidir.
AAV vektörü ile yapılan cDNA gen transferi ile yapılan hayvan deneylerinde Hemofili A, B, mukopolisakkaridoz, 1, mukopolisakkaridoz IIIb, NiemanPick A ve tip II glikojen depo hastalığında kalıcı iyileşmeler sağlanmıştır. En ilginç başarılardan biri, körlüğe neden olan Leber kojenital amaurozisin köpek modelinde retina epiteline yapılan gen transferi ile görme sağlanmasıdır.
AAV vektörünün herediter hastalıkların tedavisinde insanda ilk denendiği durum, kistik fibrozlu hastalarda kistik fibroz transmembran iletim düzenleyici (CFTR) cDNA’sının solunum yolu epiteline transferidir. Solunum yolu epiteli, nasal, sinüs ve havayolu epiteline gen transveri çalışmaları başarısızlıkla sonuçlanmıştır. Bunun nedeni olarak kullanılan AAV’nin epiteli etkin şekilde enfekte edememesi ve gen taşıma kapasitesi düşük olduğundan kısa ve zayıf promoterlerin kullanılma zorunluluğu olarak bildirilmiştir.
AAV vektörü ile yapılan çalışmalar önemli bir gerçeği ortaya çıkardı: insanlar büyük fareler değildir, bir protein eksikliğinin giderilmesi için gen transferi gerçekten zor bir iştir. Hemofili B tedavisi için faktör 9 taşıyan AAV serotip 2 vektörü hepatik arterden verildiğinde F9 düzeyinde küçük ve geçici bir yükselme izlenmiştir. Viral doz artırıldıkça hastalarda immün aktivasyon, geçici hepatit ve sonuçta F9 düzeylerinde düşme izlenmiştir.
AAV vektörü ile daha büyük gen segmentlerinin transferi için denenen diğer bir yöntem ise DNA’nın iki parça halinde iki ayrı vektörle hedefe gönderilmesidir. Gönderilen genler peşpeşe yerleşerek tek bir gen ürünü eksprese edebileceği gibi; iki ayrı gen ürünün ayrı mRNA’ları sentezlemesi ve bunların daha sonra doğru oryatasyonda hibridize olmasıdır.
Retrovirüsler
Moloney murin lösemi retrovirus (MMLV) gen transferi kullanılan ilk retrovirüsdür. MMLV vektörleri çeşitli modifikasyonlardan sonra ‘retrovirüs vektör’ başlığı altında toplanmıştır. Son yıllarda retrovirüslere değişik kılıflar entegre edilerek hedef hücreye bağlanma özellikleri değiştirilmektedir. Retrovirüsler kompleman aktivasyonuna duyarlı olduğundan tedavi stratejileri genelde exvivo uygulamalara dayanmaktadır. Ailesel hiperkolesterolemili bir hastadan alınan hepatositlere lipoprotein reseptör geni aktarılmış ve bu hepatositler hastaya geri verilmiştir. Aktarılan hücre sayısı sınırlı olduğu için klinik bulgularda düzelme belirgin olmamıştır.
Exvivo çalışmaların başarısızlığının en önemli nedenlerinden biri, sağlam gen aktarılan hücrelerin çoğalma ve hastalıklı gene sahip hücrelere göre hayatta kalma yönünde belirli bir avantajı olmamasıdır. ADA eksikliğine bağlı SCID tedavisinde ise genetik tedavinin başarılı olması için birkaç neden mevcuttur. Birincisi sağlam gen aktarılan T hücrelerinde apoptoz oranı azalmaktadır. ikincisi ise normalin %5’i kadar bir ADA aktivitesinin sağlanması hastalığın tedavisi için yeterlidir. Herediter bir hastalığın tedavisi için yapılan ilk klinik deneyde matür T hücreleri ex vivo olarak retrovirüsle enfekte edilmiştir. Takip eden klinik çalışmalarda da çeşitli kaynaklardan elde edilen hematopoietik kök hücreler ve daha gelişmiş retrovirüsler kullanılmıştır. Bu hastaların çoğunda ADA replasman tedavisi sürdürülmüş olmasına karşın, tedaviden 10 yıl geçtikten sonra bile gen nakli yapılan hücrelerin sağ kaldığı ve bu süre içinde önemli bir yan etki gözlenmediği bildirilmiştir. ADA replasmanı kullanamayan 2 çocukla yapılan daha yeni bir çalışmada, gen nakli yapılan kök hücrelerinin sağ kalım şansını artırmak için başlangıçta myeloablatif dozlarda olmayan bir immunosupresyon yapılmıştır. Bu hastalarda lenfosit sayımlarının arttığı, immünitenin düzeldiği, toksik metabolitlerin azaldığı ve nakledilen kök hücrelerinin uzun süre hayatta kaldığı gösterilmiştir.
Retrovirüs tedavisinin en büyük avantajı gen naklinin hedef hücre genomuna katılarak hücrede kalıcı olmasıdır. Ancak bu özelliğin önemli bir dezavantajı vardır: Genin hasta genomuna katılırken mutasyona yol açması ve buna bağlı neoplazi gelişimi. Xlinked SCID tedvisi için Fransa’da yapılan bir klinik çalışmada, ?csitokin reseptör cDNA taşıyan retrovirüslerle exvivo enfekte edilen hematopoietik kök hücrelerinin nakliyle çocukların immün yetmezliği düzeltilmiş ve sürekli korunaklı ortamda yaşamaktan kurtulmuşlardır. Ancak bu çalışmaya katılan üç hastada T lenfositlerde kontrolsüz çoğalma sonucu bir tür lösemi gelişmiş, çocuklardan biri ölmüştür. Bunun üzerine Ocak 2003 de FDA bütün retroviral gen tedavisi çalışmalarını durdurmuştur. Lösemi gelişme nedeni olarak vektörün LMO2 adı verilen ve lösemiler başta olmak üzere kanser indüksiyonu yaptığı bilinen bir genin yakınına girmesi gösterilmiştir. Kullnılan retrovirüs, transfekte ettiği 100 bin hücrede bir LMO2 geni yakınına girme riski taşımaktaydı. Bu deneydeher hasta yaklaşık 1 milyon transfekte edilmiş hücre aldığından, bir ya da daha fazla hücrede LMO2 geninin aktivasyonun gerçekleşmesi oldukça yüksek bir olasılıktı. Virüslerden bazıları genomun rastgele bir yerine girerken, bir tür lösemi virüsü bu retrovirüs (MuLV), daha yüksek bir seçicilikle LMO2 gen bölgesine bağlanıyor olabilir. Bu durumda lösemi indüklenme riski 1/100.000 hücrenin çok daha fazla olabilir. Viral genlerin insan genomuna girişini sağlayan, integraz adı verilen enzimlerdir. Bu enzimlerin daha spesifik olanlarının geliştirilerek, viral genlerin, insan genomunda belirlenecek ‘güvenli’ kısımlara entegre edilmesine yönelik yoğun çalışmalar yapılmaktadır.
Lentivirüsler HIV1 virüsünden elde edilen vektörlerdir. Retrovirüs olmalarına karşın, MMLV’den üretilen vektörlere karşı, bölünmeyen hücreleri de enfekte edebilme gibi bir avantajı vardır. HIV1 virüsünün replikasyonunu önlemek için bir kısım genler çıkarılmıştır. Başka virüslerin kılıf proteinleri alınarak hedef hücreye bağlanma özellikleri artırılmıştır. Retrovirüslerde olduğu gibi retrovirüslerde de mutagenez riski bulunmaktadır.
Lentivirüs vektörleri, metakromatik lökodistrofi ve mukopolisakkaridoz tipVII gibi hastalık modellerinde fare santral sinir sistemine gen nakli için kullanılmıştır. Fare talessemi modelinde betaglobulin geninin hematopoietik kök hücrelerin ex vivo transfeksiyonu ile aneminin düzelmesi sağlanmıştır. Lentivirüsler herhangi bir herediter hastalığın tedavisinde klinik çalışmada kullanılmamıştır ancak HIV1 enfeksiyonunun tedavisinde exvivo bir yöntem olarak kullanılmaktadır.
Lentivirüs vektörüyle HIV tedavisi
VIRxSYS firmasının ürettiği VRX496 lentivirüs vektörü, eksprese olduğunda viral RNA’yı parçalayan bir inhibitör RNA (RNAi) dizini taşıyor. Diğer retrovirüsler gibi VRX496 vektörünün RNA’sından sentezlenen cDNA genoma integre olmaktadır. Hücre HIV ile infekte olduğunda VRx496’nın yakınına entegre olmakta ve viral DNA eksprese oldukça, RNAi taşıyan VRX496 da eksprese olmaktadır. Böylece hücre enfekte olsa bile virüsün çoğalması engellenmekte ve hücreye bir çeşit bağışıklık getirmektedir. Klinik çalışmada exvivo strateji ile T hücreleri enfekte edilerek geri varilmektedir. Transfekte edilen T hücrelerinin diğer hücrelere göre sağ kalım avantajı bulunduğu için zaman içinde VRX496 taşıyan T lenfositlerin sayımı yükselmektedir. Vekötürün, antiviral ilaçlara dirençli HIV+ hastalardaki faz 1 çalışması 2005’de başladı. Hastaların CD4 hücre sayımlarında düşmenin durduğu ve bir çoğunda artış izlendiği belirtiliyor. Erken dönem sonuçların umut verici olması ve önemli bir güvenlik sorunu yaşanmaması üzerine faz 2 çalışmalarına başlandı. Bu çalışmaların üçüncü kolu olacak: Birinci kolda ilaç tedavisinin başarısız olduğu hastalar seçilecek. Bu kolda ilk aşamada 24 hasta çalışmaya alındı ve bunlara 4 ya da 8 doz tedavi uygulanmaya başlandı. Daha sonra çalışmaya alınacak 15 hastada ise bölünmüş küçük dozlar yerine tek ve yüksek bir doz uygulanacak. ikinci kolda ise antiviral tedaviyle virüs yükü kontol altında olan hastalar seçilecek, VRX496 tedavisine geçilip antiviral tedavilerin kesilmesi denenecek. Üçüncü kolda ise viral yükü az olduğu için antiviral tedaviye henüz başlanmamış ya da ilacın toksisitesi nedeniyle antiviral tedavi kullanamayan 20 hasta bulunacak.
Çıplak Plasmid ile gen transferi
Plasmid, bakterilerde paraziter bir yaşam siklüsü olan, kromozomal DNA’dan bağımsız olarak otonom çoğalabilen çift iplikçikli halkasal DNA’lardır. Tabiatta plasmidler antibiyotik rezistansı gibi genlerin bakteriler arasında aktarımını sağlar. Plasmidler belli bir geni taşıyan vektörlere dönüştürebilmektedir. Çıplak plasmidlerin ökaryotik hücreleri transfekte etme kapasiteleri sınırlıdır. Plasmidlerin lipozomlar içinde paketlenerek verilmesi ya da exvivo yaklaşımda yüksek voltta eletrik uygulanarak (elektroporasyon) hedef hücrelerin zarlarında porlar oluşturulması suretiyle plasmidlerin hücreye girişi artırılabilir. Plasmid tedavisi her zaman geçici gen ekspresyonu sağlamaktadır. 36 ay sonrasında transfekte edilen genler elimine edilmektedir. Plasmidle gen tedavisinin en önemli çalışması, Euroinject One grubunun yürüttüğü, başka bir revaskülarizasyon şansı olmayan 80 hastaya plasebo ya da Vasküler Endotelyal Büyüme Faktörü (VEGF) taşıyan plasmid enjeksiyonu çalışmasıdır. 2005 de yayınlanan sonuçlarda intramyokardial enjeksiyonla VEGF gen transferi yapılan hastalarda duvar hareketlerinde ve angina pektorisde iyileşme saptanırken myokardın stres perfüzyon testlerinde anlamlı iyileşme saptanmadı. VEGF plasmidi ile gen transferinin, myokardial enjeksiyona ait zorluklar dışında yan etkisi saptanmadı.
Diabetik periferik arter hastalığına bağlı ağır bacak iskemisinde yapılan bir faz2 çalışmada, 54 hasta intramuskuler plasmid VEGF ya da plasebo enjekte edilmiş. VEGF geni alan (27) veya almayan (27) hastalarda amputasyon 3’e karşı 7, hemodinamik iyileşme 7’ye karşı 1, cilt ülserlerinde iyileşme 7’ye karşı 0, ağrıda azalma 5’e karşı 2 hastada izlendi. Genel skorlamada VEGF alan 27 hastanın 14’ünde, almayan 27 hastanın ise ancak 3’ünde iyileşme izlendi. Hasta sayısı sınırlı olmasına karşın VEGF plasmid tedavisi umut verici ve güvenli bir tedavi olarak görülmektedir.
Önce Mısırlar sonra insanlar mı?
Gıda teknolojisinde gen teknolojileri uzun zamandır yaygın olarak kullanılıyor. Genetik manuple edilen mısırlar hep aynı boy , şekil ve lezzette olabiliyor. Genetik modifiye salatalıklarlar torna tezgahından çıkmış kadar düzgün olabiliyor. Domateslere paratizer hastalıklara karşı koruyucu genler konabiliyor. Peki aynı müdahaleci ve yapay mükemmeliyetçi yaklaşım, insan nesline de uygulanabilir mi? Genetik çalışmalarının ortaya koyduğu önemli gerçekler var: Birincisi insana gen transferi ne mısıra ne de fareye gen aktarımı kadar kolay değil. insan genomunun daha iyi tanınması ve gen transferi yapılabilecek güvenli bölgelerin saptanması gerekiyor. Ayrıca spesifik olarak bu bölgelere gen transferi yapabilecek vektörler geliştirilmelidir. Vektörlerin hedef hücre seçiciliklerinin de artırılması gerekiyor. Transfekte edilen hücrelerin immün sistemden korunması ve yaşam sürelerinin uzatılması kalıcı bir gen transferi için zorunlu görünmektedir.
Gen transferi ile ilgili bütün bu zorluklar aşıldığında, karşımıza çok daha büyük etik sorunlar ortaya çıkacak: insan doğası ne ölçüde maniple edilebilir ya da edilmelidir? Hastalık ve normal ayrımı nasıl yapılacaktır? Örneğin yaşlanmayla ilgili genlerin müdahale edilmesiyle insan ömrünün uzatılması bir tedavi şekli sayılabilir mi? Zeka ile ilişkili genlerin tanımlanmasından sonra çocuklarının daha zeki olmasını isteyen anne babaların çocuklarına gen nakli yaptırması nasıl engellenecektir? Kas metabolizmasını değiştiren genlerin nakliyle, kas fonksiyonlarının geliştirilmesi ve kas yorgunluğunun azaltılması ne tür bir doping sayılacaktır? Köpekler kadar iyi koku alan, yarasalar gibi ultrasonik sesleri duyabilen ya da kartal kadar keskin gören insanlar ‘üretmek’ mümkün olduğunda, insanın yapabildiklerinin sınırını görme hevesinin önünde kim durabilecek? Sahi, hangimiz görülmeyeni görmek, duyulmayanı duymak, daha güçlü ve dayanıklı olup uzun ve sağlıklı bir ömür sürmek istemez?
Kaynaklar
Anthony Meager , (Editor). Gene Therapy Technologies, Applications and Regulations. John Wiley & Sons Ltd, England, 1999. Joseph Panno,Gene Therapy:Treating Disease by Repairing Genes Facts On File, Inc. New York, 2005.
Mariann Gyongyosi, et al. NOGAGuided Analysis of Regional Myocardial Perfusion Abnormalities Treated With Intramyocardial Injections of Plasmid Encoding Vascular Endothelial Growth Factor A165 in Patients With Chronic Myocardial Ischemia Subanalysis of the EUROINJECTONE Multicenter DoubleBlind Randomized Study Circulation, 112;157165, 2005
Timothy P. O’Connor and Ronald G. Crystal. Genetic medicines: treatment strategies for hereditary disorders Nature Reviews Genetics,7(26176), 2006
Conclusions and Recommendations of the NIH Recombinant DNA Advisory Committee Gene Transfer Safety Symposium: Current Perspectives on Gene Transfer for XSCID March 15, 2005
Curtis A. Machida. Viral Vectors for Gene Therapy Methods and Protocols Humana Pres, New Jersey, 2003.
Jens Kastrup et al. Direct Intramyocardial Plasmid Vascular Endothelial Growth FactorA165 Gene Therapy in Patients With Stable Severe Angina Pectoris A Randomized DoubleBlind PlaceboControlled Study: The Euroinject One Trial J Am Col Cardiology 45(98288), 2005.
Bu makale, Aralık 2006 tarihli Sağlık Düşüncesi Dergisi 1.sayıda yayımlanmıştır.