הודות ל-CRISPR, למומחים הרפואיים שלנו תהיה בקרוב שליטה חסרת תקדים על האופן שבו הם מטפלים ומונעים כמה מההפרעות והמחלות הגנטיות המאתגרות ביותר שלנו. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) הוא כלי לעריכת גנים זוכה פרס נובל, שכבר נעשה בו שימוש נרחב על ידי מדענים כדי לחתוך ולשנות רצפי DNA כדי להפעיל ולכבות גנים או להכניס DNA חדש שיכול לתקן חריגות. CRISPR משתמש באנזים המכונה Cas9 כדי לחתוך ולשנות DNA.
מהנדסים בבית הספר להנדסה ב-USC Viterbi המחלקה להנדסה ביו-רפואית, Alfred E. Mann, פיתחו כעת עדכון לכלי שיאפשר לטכנולוגיית CRISPR להיות חזקה עוד יותר בעזרת אולטרסאונד ממוקד. ערכת הכלים שתתקבל תאפשר לעריכת גנים של CRISPR להיות ממוקדת במדויק לאזורים הספציפיים הדורשים טיפול. צוות המחקר כבר מיישם את הגילוי הזה כדי לחדד את עבודתם באימונותרפיה של סרטן.
את העבודה מובילים דווייט סי והילדגרדה א. באום היו"ר להנדסה ביו-רפואית, פיטר ינגשיאו וואנג, וחברי מעבדת וואנג, כולל עוזר פרופסור להנדסה ביו-רפואית Longwei Liu. זה פורסם ב תקשורת טבע.
"CRISPR הוא מהפכני," אמר וואנג, "אתה יכול לבצע עריכת גנום או אפיגנום ישירות בגרעין התא – כך שבעצם, אתה יכול לטפל במחלות הקשורות גנטית. אבל אנחנו דוחפים את זה צעד אחד קדימה כדי להפוך את זה לשליטה. של עריכה רציפה של הגנום, אנו יכולים כעת לשלוט בו כך שיופעל במיקום מסוים ובזמן מסוים באמצעות גל אולטרסאונד לא פולשני שנשלט מרחוק. זו פריצת הדרך".
לוואנג ולמעבדתו היסטוריה ארוכה של אולטרסאונד ממוקד כחלק ממחקר אימונותרפיה פורץ דרך לסרטן תוך שימוש בתאי T מהונדסים של קולטן אנטיגן כימרי (CAR) -; תאי חיסון המופקים מחולים ומשונים להיות יעילים יותר נגד סרטן. וואנג וצוותו רותמים גלי אולטרסאונד כדי לשלוט ישירות בתאי ה- CAR הללו למיקוד מדויק של תאי גידול מבלי לפגוע ברקמה בריאה.
העבודה האחרונה משתמשת גם באימונותרפיה של סרטן כדי להדגים את העוצמה שאולטרסאונד ממוקד יכול להוסיף לארגז הכלים של CRISPR, שבו הצוות רותם גם אולטרסאונד ממוקד CRISPR וגם אימונותרפיה כדי למגר תאים סרטניים במחקרי עכברים. וואנג אמר שזה כלי שניתן ליישם על מגוון רחב של הפרעות גנטיות, מחלות ומצבים אוטואימוניים.
"זהו המחקר הראשון שמספק ארגז כלים של CRISPR מקיף מאוד, הניתן לשליטה באולטרסאונד, כדי לדפוק, להפעיל או להשתיק גן מסוים", אמר ליו. "בשילוב זה עם אימונותרפיה, הראינו טיפול משופר בגידולים בעכברים."
הפיכת גלי אולטרסאונד לא פולשניים למעצמת רפואה מדויקת
וואנג אמר שאחד החסרונות הנוכחיים של CRISPR הוא שברגע שהוא מופעל ומועבר לגוף, הוא יכול להמשיך בתפקוד עריכת הגנים שלו ברציפות.
"עם ביטוי מתמשך, זה יוביל לאימונוגניות בבני אדם מכיוון שגוף אנושי יזהה את התאים החיוביים Cas9 ויתקוף סוגים אלה של תאים," אמר ליו
"כמובן שזה יפעיל תכונות לא רצויות. אם זה עובד ללא הרף, לפעמים אתה רוצה להפסיק את זה, אבל אתה לא יכול. במערכת הניתנת לשליטה שלנו, אתה יכול להפעיל ולכבות אותו מתי שאתה רוצה. אז זה היופי של מערכת – מספקת שכבה נוספת או יכולת שליטה, ולכן דיוק", אמר וואנג.
האולטרסאונד הממוקד מונע את הבעיות הללו על ידי שימוש בגלי אולטרסאונד כדי ליזום שינוי טמפרטורה במקום המדויק שבו החוקרים רוצים שהחלבון CRISPR יופעל. לדוגמה, מיקום זה יכול להיות אתר גידול שבו צריך להשתמש ב-CRISPR כדי לשנות את ה-DNA של תאים סרטניים כדי להפוך אותם רגישים יותר להתקפות של אימונותרפיה מבוססת תאי T CAR.
"אז בעצם, אתה מחבר את גל האולטרסאונד דרך שינוי הטמפרטורה לייצור מולקולת CRISPR," אמר וואנג. "ברגע שתפעיל אותו, מולקולת ה-CRISPR תתחיל לעשות את עבודתה היכן שתרצה. לאחר מכן, לאחר זמן מסוים, היא תתחיל להתפרק מעצמה, היא תיסגר לתקופה, ואז אתה יכול להפעיל אותו שוב מתי שתרצה."
במונחים של מאבק בסרטן, צוות המחקר השתמש ב-CRISPR הממוקד באולטרסאונד כדי למקד את הטלומרים, מבנה DNA-חלבון שנמצא בקצה הכרומוזומים שמגן על שלמות הכרומוזום ומגביל את מספר הפעמים שתא יכול להתחלק.
"לטלומר יש הרבה מאוד חזרות, ואנו משתמשים ב-CRISPR, בהנחיית אולטרסאונד, כדי לחתוך את הטלומר הזה כך שהוא יגרום לניתוק הכרומוזום בשני קצוות", אמר וואנג. "מכיוון שיש להם רצף שניתן לחזור עליהם, כולם ייחתכו, ולכן, תא הגידול כבר לא יכול לתקן את עצמו. הכל שבור. לאחר מכן התא יעבור אפופטוזיס וימות".
וואנג אמר שמכאן, התאים יפעילו ייצור ציטוקינים -; חלבונים המופרשים על ידי תאי חיסון הפועלים כשליחים המושכים תאי חיסון אחרים לאתר כדי לתקוף את תאי הגידול שכבר גוססים.
משם, המערכת של צוות המחקר משלשת את אפקט הרג הסרטן על ידי שחרור תאי ה-T-SynNotch CAR שלהם – תאים מהונדסים שתוקפים רק תאים סרטניים המבטאים חלבון המכונה CD19 (שכלי ה-CRISPR מפעיל), ומפחיתים את הסיכון של פגיעה בתאים בריאים. וואנג אמר כי פני השטח של הגידול פועלים אז כמו מרכז אימון לתאי CAR T אלה.
"ובעקבות ההכשרה שלהם, תאי ה-T SynNotch CAR יתחילו לייצר קולטן CAR על פני השטח כדי לכוון לכל אוכלוסיית הגידול", אמר וואנג. "עם שלושת הגורמים האלה ביחד, אנחנו מגיעים ליעילות גבוהה מאוד לניקוי גידולים."
הצוות הוכיח תוצאות מעבדה מבטיחות על ידי רתימת כלי האולטרסאונד הממוקד CRISPR בשילוב עם טכנולוגיית CAR T-cell.
"התוצאה הייתה מפתיעה לטובה", אמר וואנג. "בכל העכברים, הגידול לא רק האט בצמיחה, אלא הוא גם התנקה -; הגידול בעצם נרקב ונעלם. אז אלו הן תוצאות מעודדות מאוד".
העבודה נכתבה גם על ידי הדוקטורנט לשעבר של וואנג, Yiqian Shirley Wu, כיום עוזר פרופסור באוניברסיטת פקינג, יחד עם מועמד לדוקטורט של Wang Lab Peixiang He ומשתפי פעולה ב-UC San Diego, Georgia Institute of Technology ואוניברסיטת אמורי.
