CRISPR/Cas9 jako obiecujące narzędzie do edycji genów w leczeniu anemii sierpowatokrwinkowej - przegląd głównych osiągnięć i dalszych wyzwań

Sebastian Kościjański; Zuzanna Złotnicka; Paweł Krupa; Karolina Zięba; Jakub Kmieć

CRISPR/Cas9 jako obiecujące narzędzie do edycji genów w leczeniu anemii sierpowatokrwinkowej - przegląd głównych osiągnięć i dalszych wyzwań

Autorzy

Sebastian Kościjański - Studenckie Koło Naukowe przy Katedrze i Zakładzie Biofizyki im. prof. Zbigniewa Religi, Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach; Zuzanna Złotnicka - 1. Studenckie Koło Naukowe przy Katedrze i Zakładzie Biofizyki im. prof. Zbigniewa Religi, Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach; Paweł Krupa - Studenckie Koło Naukowe przy Katedrze i Zakładzie Biofizyki im. prof. Zbigniewa Religi, Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach; Karolina Zięba - Studenckie Koło Naukowe przy Katedrze i Zakładzie Biofizyki im. prof. Zbigniewa Religi, Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach; Jakub Kmieć - Studenckie Koło Naukowe przy Katedrze i Zakładzie Biofizyki im. prof. Zbigniewa Religi, Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Słowa kluczowe:

anemia sierpowatokrwinkowa, łańcuch β hemoglobiny, CRISPR/Cas9, edycja genów

Streszczenie

Anemia sierpowatokrwinkowa (SCD) to choroba uwarunkowana genetycznie, której patomechanizm opiera się na mutacji punktowej genu kodującego łańcuch β hemoglobiny. W efekcie dochodzi do produkcji patologicznej hemoglobiny HbS, która powoduje, że powstające erytrocyty przyjmują sierpowaty kształt. Najczęstszą manifestacją kliniczną są kryzysy naczyniowo-okluzyjne (VOCs). Przez długi czas szukano alternatywnych metod leczenia dla transfuzji hematopoetycznych komórek macierzystych, pobranych od dopasowanego dawcy. Rozwiązaniem okazało się wykorzystanie systemu CRISPR/Cas9 do edycji genów komórek autologicznych, pobranych od chorego i wszczepienie ich z powrotem pacjentowi. Na szczególną uwagę zasługują trzy podejścia wykorzystujące wspomniany system: korekta mutacji SCD przy użyciu matrycy dawcy DNA, edycja genów in vivo oraz zatwierdzone przez FDA podejście opierające się na indukcji hemoglobiny płodowej poprzez edycję genu BCL11A. Preparat z edytowanymi komórkami, których DNA zmodyfikowano przy wykorzystaniu ostatniego z wymienionych podejść, funkcjonuje pod nazwą handlową Casgevy. Mimo ogromnych osiągnięć w tej dziedzinie, nadal czyhają pewne wyzwania, takie jak na przykład ryzyko wystąpienia mutacji poza celem w obrębie genomu. Dlatego konieczne są dalsze badania, aby w pełni zoptymalizować omówioną terapię genową.

Bibliografia

Alshabeeb MA, Alwadaani D, Al Qahtani FH, i in. Impact of Genetic Variations on Thromboembolic Risk in Saudis with Sickle Cell Disease. Genes. 2023;14(10):1919. doi:10.3390/genes14101919

Oteng-Ntim E, Meeks D, Seed PT, i in. Adverse maternal and perinatal outcomes in pregnant women with sickle cell disease: systematic review and meta-analysis. Blood. 2015;125(21):3316-3325. doi:10.1182/blood-2014-11-607317

Vichinsky E. Chronic organ failure in adult sickle cell disease. Hematology. 2017;2017(1):435-439. doi:10.1182/asheducation-2017.1.435

Doudna JA. The promise and challenge of therapeutic genome editing. Nature. 2020;578(7794):229-236. doi:10.1038/s41586-020-1978-5

Park SH, Bao G. CRISPR/Cas9 gene editing for curing sickle cell disease. Transfusion and Apheresis Science. 2021;60(1):103060. doi:10.1016/j.transci.2021.103060]

Gundry MC, Brunetti L, Lin A, i in. Highly Efficient Genome Editing of Murine and Human Hematopoietic Progenitor Cells by CRISPR/Cas9. Cell Reports. 2016;17(5):1453-1461. doi:10.1016/j.celrep.2016.09.092

Charlesworth CT, Camarena J, Cromer MK, i in. Priming Human Repopulating Hematopoietic Stem and Progenitor Cells for Cas9/sgRNA Gene Targeting. Molecular Therapy - Nucleic Acids. 2018;12:89-104. doi:10.1016/j.omtn.2018.04.017

Zonari E, Desantis G, Petrillo C, i in. Efficient Ex Vivo Engineering and Expansion of Highly Purified Human Hematopoietic Stem and Progenitor Cell Populations for Gene Therapy. Stem Cell Reports. 2017;8(4):977-990. doi:10.1016/j.stemcr.2017.02.010

Lattanzi A, Meneghini V, Pavani G, i in. Optimization of CRISPR/Cas9 Delivery to Human Hematopoietic Stem and Progenitor Cells for Therapeutic Genomic Rearrangements. Molecular Therapy. 2019;27(1):137-150. doi:10.1016/j.ymthe.2018.10.008

Mandal PK, Ferreira LMR, Collins R, i in. Efficient Ablation of Genes in Human Hematopoietic Stem and Effector Cells using CRISPR/Cas9. Cell Stem Cell. 2014;15(5):643-652. doi:10.1016/j.stem.2014.10.004

Hendel A, Bak RO, Clark JT, i in. Chemically modified guide RNAs enhance CRISPR-Cas genome editing in human primary cells. Nat Biotechnol. 2015;33(9):985-989. doi:10.1038/nbt.3290

[McIntosh BE, Brown ME, Duffin BM, i in. Nonirradiated NOD,B6.SCID Il2rγ−/− KitW41/W41 (NBSGW) Mice Support Multilineage Engraftment of Human Hematopoietic Cells. Stem Cell Reports. 2015;4(2):171-180. doi:10.1016/j.stemcr.2014.12.005

Parums DV. Editorial: First Regulatory Approvals for CRISPR-Cas9 Therapeutic Gene Editing for Sickle Cell Disease and Transfusion-Dependent β-Thalassemia. Med Sci Monit. 2024;30. doi:10.12659/msm.944204

Liu N, Hargreaves VV, Zhu Q, i in. Direct Promoter Repression by BCL11A Controls the Fetal to Adult Hemoglobin Switch. Cell. 2018;173(2):430-442.e17. doi:10.1016/j.cell.2018.03.016

Hoy SM. Exagamglogene Autotemcel: First Approval. Mol Diagn Ther. 2024;28(2):133-139. doi:10.1007/s40291-024-00696-z

Komunikat prasowy Agencji ds. Żywności i Leków (FDA). FDA zatwierdza pierwsze terapie genowe w leczeniu pacjentów z anemią sierpowatokrwinkową 8 grudnia 2023 r. Dostępne na stronie: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-first-gene-therapies-treat-residents-sickle-cell-disease

Agencja Regulacyjna ds. Leków i Produktów Opieki Zdrowotnej (MHRA) Komunikat prasowy. MHRA zatwierdza pierwszą na świecie terapię genową, której celem jest leczenie niedokrwistości sierpowatokrwinkowej i b-talasemii zależnej od transfuzji. 16 listopada 2023 r. Dostępne na stronie: https://www.gov.uk/government/news/mhra-authorises-world-first-gene-therapy-that-aims-to-cure-sickle-cell-disease-and- talasemia zależna od transfuzji

Romero Z, Lomova A, Said S, i in. Editing the Sickle Cell Disease Mutation in Human Hematopoietic Stem Cells: Comparison of Endonucleases and Homologous Donor Templates. Molecular Therapy. 2019;27(8):1389-1406. doi:10.1016/j.ymthe.2019.05.014

Magis W, DeWitt MA, Wyman SK, i in. High-level correction of the sickle mutation is amplified in vivo during erythroid differentiation. iScience. 2022;25(6):104374. doi:10.1016/j.isci.2022.104374

Pattabhi S, Lotti SN, Berger MP, i in. In Vivo Outcome of Homology-Directed Repair at the HBB Gene in HSC Using Alternative Donor Template Delivery Methods. Molecular Therapy - Nucleic Acids. 2019;17:277-288. doi:10.1016/j.omtn.2019.05.025

Li C, Psatha N, Sova P, i in. Reactivation of γ-globin in adult β-YAC mice after ex vivo and in vivo hematopoietic stem cell genome editing. Blood. 2018;131(26):2915-2928. doi:10.1182/blood-2018-03-838540

Wagner DL, Amini L, Wendering DJ, i in. High prevalence of Streptococcus pyogenes Cas9-reactive T cells within the adult human population. Nat Med. 2018;25(2):242-248. doi:10.1038/s41591-018-0204-6

Tong S, Moyo B, Lee CM, Leong K, Bao G. Engineered materials for in vivo delivery of genome-editing machinery. Nat Rev Mater. 2019;4(11):726-737. doi:10.1038/s41578-019-0145-9