נגיף השפעת A (IAV) היה הגורם לשש מגיפות שפעת גדולות, האחראיות ל-50 עד 100 מיליון מקרי מוות ברחבי העולם. בארה"ב לבדה, ההערכה היא שלמרות חיסונים מעודכנים עונתיים, זיהומי IAV עדיין מובילים ל-140,000 עד 710,000 אשפוזים ול-12,000 עד 52,000 מקרי מוות בשנה.
הפיתוח של טיפולים אנטי-ויראליים נגד IAV – או גישות חיסון עמידות יותר לצורך העניין – היה מאתגר ביותר מכיוון ש-IAV מפתחת בקלות עמידות נגדם על ידי שינוי המבנה הגנטי שלה. עד כה, יכולתו "לעבור מוטציה", לארגן מחדש את המידע הגנטי שלו או אפילו לשלב אותו מחדש עם זה של נגיפי IAV אחרים שמדביקים את אותו תא היוותה אתגר בלתי עביר עבור מפתחי תרופות, ומהווה סיכון מתמיד להופעת זני מגיפה חדשים.
החיפוש אחר נשק יעיל נגד המבנה הגנטי המשתנה של IAV נבלם עקב היעדר אדם מתאים בַּמַבחֵנָה מודל לבדיקת טיפולים חדשים. אתגר זה מתווסף על ידי העובדה שמודלים של בעלי חיים של זיהום IAV אינם מצליחים לשכפל במדויק תגובות חיסוניות אנושיות, ומשלוח תרופות לרקמת ריאה אנושית פועל בתנאים שונים מאשר בבעלי חיים. נבדקות גישות חדשות המבוססות על טכנולוגיית עריכת גנים של CRISPR, אך הרצפים אליהם מתמקדים הם כל כך ספציפיים לאדם, עד שלא ניתן לבצע מחקרים במודלים של בעלי חיים בצורה משמעותית.
כעת, מחקר שיתופי חדש ממכון Wyss להנדסה בהשראה ביולוגית באוניברסיטת הרווארד התייחס לאתגרים הללו על ידי מינוף בו-זמנית של שבב ריאות אנושי "נושם" מיקרו-נושם של זיהום IAV שפותח בקבוצת המנהל המייסד דונלד אינבר, MD, Ph.D., Ph.D., Ph.D. Associate Director, PhD. והקבוצה שלה, כמו גם טכנולוגיית CRISPR חדישה. הצוות השיג זאת על ידי תכנון מכונות CRISPR המכוונות לרצף שמור מאוד בגנום של IAV, אריזתו בננו-חלקיקים זעירים עם זיקה לתאי אפיתל ריאות, ומסירת החלקיקים הטעונים לתאי אפיתל ריאות המצפים תעלה מיקרו-נוזלית בשבב הריאה שנדבקו ב-IAV מגיפה. כתוצאה מכך, העומס של הנגיף ברקמה המהונדסת הופחת ביותר מ-50% לאחר מתן יחיד של הטיפול, והתגובה הדלקתית של המארח שנגרמה על ידי הנגיף הוקהה באופן משמעותי. חשוב לציין, רק השפעות מינימליות מחוץ למטרה, כפי שהתגלו בניתוח טרנסקריפטומי, התרחשו במערכת. לפיכך, מודל שבב איברים זה המחקה טוב יותר זיהום IAV אנושי מאשר מודלים פרה-קליניים אחרים מאפשר להעריך את היעילות והבטיחות של טיפולי CRISPR RNA בצורה רלוונטית יותר מבחינה קלינית מאשר גישות קודמות. הממצאים מתפרסמים ב מעבדה על צ'יפ.
הממצאים שלנו מראים שמודל ה-Lung Chip האנושי של זיהום IAV הוא ערכת בדיקה פרה-קלינית בעלת ערך רב עבור תרופות טיפוליות ב-CRISPR RNA הפועלות על פני זני וירוסים, מכיוון שהוא לא רק מדווח על יעילותם באופן רלבנטי לאדם, אלא, חשוב מכך, גם מאפשר הערכה של ההשפעות הפוטנציאליות שלהם מחוץ למטרה, שלדעתנו עד כה הן מינימליות. בהתחשב בסבירות הגבוהה למגפות עתידיות והשונות העונתית הטבעית של IAV, טיפולים אנטי-ויראליים מסוג פאן-IAV יכולים לעזור לנו להקדים את הנגיף, ובאופן פוטנציאלי להציל אלפי חיים".
דונלד אינגבר, MD, Ph.D.
אינגבר הוא גם ה יהודה פולקמן פרופסור לביולוגיה של כלי דם בבית הספר לרפואה של הרווארד ובבית החולים לילדים בבוסטון, וה הפרופסור להנדסה בהשראה ביולוגית הנסורג וייס ב-SEAS.
כאשר CRISPR פוגש שבבי איברים
המאמצים לפתח טיפולים אנטי-ויראליים נגד IAV עד כה הסתמכו במידה רבה על מודלים של בעלי חיים כמו עכברים, אוגרים וחמוסים שיכולים להיות נגועים בניסוי בזני IAV, בין אם הם מותאמים למעבדה ובין אם הם מבודדים אנושיים רלוונטיים מבחינה קלינית, ולפתח תסמינים דמויי שפעת. עם זאת, יש להם חסרונות מרובים: הם נבדלים מבני אדם באנטומיה, פיזיולוגיה ועיצוב גנטי, מה שעלול להשפיע גם על היעילות שבה הנגיף חודר לתאי הריאה ומשתכפל בהם. חשוב לציין, גם מערכות החיסון שלהם מתפקדות בצורה שונה מזו של בני אדם בהיבטים חשובים; ולהעברת תרופות לרקמות הריאה שלהם יש דרישות שונות מאשר העברת תרופה לרקמת ריאה אנושית.
כדי להתגבר על המגבלות הללו, הקבוצה של אינגבר, עם תמיכה מהמרכז הלאומי לקידום מדעי התרגום (NIH) של המכון הלאומי לבריאות, בשנת 2017, השיקה פרויקט שבב איברים אנושי במימון NIH כדי לדגמן בצורה מדויקת יותר זיהום IAV אנושי. הצוות נבנה על פלטפורמת שבבי איברים של מכון Wyss, התקדם עם תמיכה מסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של ההגנה (DARPA). שפותח כחלק מפלטפורמה זו, שבב הריאה האנושי, המחקה את שקי האוויר הזעירים של הריאה (אלוואלי) המאפשרים חילופי חמצן ו-CO2 ומהווים גם את האתר של הדבקה ב-IAV, איפשר לצוות בשנת 2022 לדגמן זיהום ב-IAV דמוי-אדם, ולחשוף תרופות חדשניות המווסתות את התגובה החיסונית החיסונית הראשונה של המארחת הנגועה (מולדת בחיים) דלקת. חלק מהתרופות הללו עברו לניסויים קליניים בבני אדם להערכת השפעותיהם בחולים עם COVID-19.
בשבב הריאה, אפיתל מכתשי ראשוני אנושי נוצר באחת משתי תעלות מקבילות של שבב מיקרופלואידי בגודל של מקל זיכרון, בעוד שתאי אנדותל כלי דם ריאתיים אנושיים מתרבים בתעלה השנייה כדי לחקות כלי דם תומך. שתי הערוצים מופרדים על ידי קרום נקבובי דק כדי לאפשר החלפה חופשית של מולקולות וגזים, כפי שקורה במכתשות של הריאה האנושית. על ידי הזרמת מצע תרבות דרך "ערוץ כלי הדם", החוקרים יכולים לדמות את זרימת הדם הטבעית במככיות; ועל ידי זרימת אוויר דרך "תעלת האפיתל" ומתיחה מחזורית והרפיה של הרקמה המהונדסת על ידי לחיצה והפחתת הלחץ של שני תאי צד חלולים שמצדדים את שתי התעלות, החוקרים יכולים לחקות את "אינטרפאז אוויר-נוזל" של הריאה. כדי ליצור קו בסיס למחקר החדש שלהם, הם השתמשו במערכת זו והוסיפו חלקיקי וירוס IAV של זנים שונים, כולל זן ה-H3N2 המגפה, שגרם למגיפת שפעת עולמית עם מיליון מקרי מוות ב-1968, דרך ערוץ האפיתל. זה שיחזר נאמנה רבים מהמורכבויות של זיהום IAV, כולל כניסה ושכפול וירוסים בתאי ריאה, שחרור של וירוסים חדשים ותגובות דלקתיות וחיסוניות המופעלות על ידי הזיהום.
עם זאת, המחקר החדש לקח את הפלטפורמה הרבה יותר רחוק בכך שהוכיח שיש לה ערך חסר תקדים ככלי פרה-קליני יעיל לפיתוח סוג חדש של תרופות אנטי-ויראליות המשתמשות בטכנולוגיית CRISPR, המכוונת לרצפי גנים שהם מאוד ספציפיים למין. מערכת עריכת הגנים כבר נחקרה כפלטפורמה אנטי-ויראלית נגד IAV, אך בעיקר בתרביות מנות ומודלים של בעלי חיים. אתגרים תרגום חשובים כמו משלוח CRISPR ספציפי לרקמות אנושיות והשפעות פוטנציאליות מחוץ למטרה של מכונות CRISPR המכוונות לווירוס על ביטוי הגנים של תאי ריאה אנושיים, עד כה, לא ניתנו לחקור.
חברי הצוות של אינגבר, כולל Yuncheng Man, Ph.D., המחבר הראשון ועמית בתר-דוקטורט במעבדה של אינבר בבית החולים לילדים בבוסטון, תכננו גרסה של מנגנון CRISPR שמשתמש בשני CRISPR RNAs (crRNAs) המכוונים לשני אזורים בלתי משתנים במה שנקרא פולימראז בסיסי 1 (PB1), שרובם המוחלט של הנגיף הנשמר של הנגיף הם מצאו של IAV. להדביק בני אדם. כאשר החוקרים הציגו את ה-crRNAs יחד עם מולקולת mRNA המקודדת לאנזים ה-Cas13 הורס RNA, ה-crRNAs הנחו את Cas13 לרצף היעד PB1 של IAVs שונים שבהם השתמשו כדי להדביק תאי ריאה מתורבתים. זה הביא להפחתה של יותר מ-80% ברמות PB1 RNA.
CRISPR: חתום, חתום ונמסר
כדי לחקור את ההשפעות הטיפוליות של הטיפול הפאן-IAV CRISPR שלהם, הצוות היה צריך לארוז אותו בחלקיקים כדי להגן עליו מפני השפלה לא ספציפית ולאפשר להעביר אותו בצורה יעילה יותר לתאי אפיתל ריאות בשבב הריאות. "מציאת הסוג הנכון של חלקיק המאפשר אריזה יעילה של מולקולות ה-RNA הטיפוליות והפנמתן על ידי רקמת ריאות אנושית היא אתגר בפני עצמו", אמר מן.
מחברים אחרים במחקר כללו את ריאן פוזי, Haiquing Bai, Amanda Jiang, Pere Dosta, Diana Ocampo-Alvarado, Robert Plebani, Jie Ji, ו-Chaitra Belgur. המחקר נתמך על ידי Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) במסגרת הסכם שיתוף פעולה HR0011-22-2-0017, ומכון Wyss באוניברסיטת הרווארד.
