APPROCCI GENETICI ALLA CURA DELLE MALATTIE

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1 APPROCCI GENETICI ALLA CURA DELLE MALATTIE

2 Trattamento della malattia genetica vs trattamento genetico della malattia Trattamento medico convenzionale mira ad alleviare i sintomi di una malattia sia genetica che non. I trattamenti esistenti per molte malattie genetiche sono insoddisfacenti. Per alcune malattie genetiche di cui riconosciamo in dettaglio le basi molecolari e cellulari è stato possibile individuare una cura (errori congeniti del metabolismo).

3 Interventi per malattie genetiche del metabolismo Substrato limitante. Es. fenilchetonuria (deficienza genetica di fenilalanina idrossilasi) limitare l assunzione di fenilalanina con la dieta. Sostituzione di un prodotto difettoso. Es. ipotiroidismo congenito somministrazione di ormone tiroideo; enzimopatie congenite trattamento sostitutivo con enzimi. Uso di vie alternative per rimuovere metaboliti tossici. Es. emocromatosi salasso per limitare il sovraccarico di Fe; disturbi del ciclo dell urea uso del benzoato per aumentare l escrezione dell azoto. Uso di inibitori metabolici. Uso di inibitori metabolici. Es. tirosinemia di tipo I (difetto a livello dell enzima fumarilacetoacetato idrolasi) uso di un farmaco inibitore, 2-(2-nitro-4-trifluorometilbenzoil)-1,3-cicloexanedione (NTBC), dell enzima 4-idrossifenilpiruvato diossigenasi.

4 Trattamento genetico di una malattia: intervento a più livelli Definizione del genotipo del paziente per prevedere la risposta positiva o negativa ad un dato trattamento farmacologico. Uso delle conoscenze di genetica e biologia cellulare per identificare possibili persagli contro cui sviluppare nuovi farmaci. Uso di tecniche genetiche per produrre farmaci e vaccini per uso terapeutico. Cura di malattie mediante l uso di proteine terapeutiche prodotte e/o modificate mediante l ingegneria genetica (proteine ricombinanti).

5 Uso della genetica in supporto di metodi di trapianto cellulare per il trattamento delle malattie la cui patogenesi comporta la perdita di tessuto o cellule cellule staminali. Modificazione genetica diretta delle cellule del paziente terapia genica. Es. inserimento di un gene, alterazione dell espressione di un gene.

6 Farmaci attualmente in uso I farmaci attualmente in uso sono spesso piccole molecole chimiche estratte da sostanze naturali o sintetizzate chimicamente. Sono stati generalmente sviluppati quando le informazioni sui possibili bersagli molecolari erano ancora scarse. L intera gamma dei farmaci attualmente commercializzati agisce su poche centinaia di molecolebersaglio, che appartengono ad un numero limitato di classi di proteine come recettori (GPCRs), enzimi (protein chinasi e fosfatasi, proteasi) o proteine canale (canali voltaggio-dipendenti).

7 Farmacogenomica Le industrie farmaceutiche hanno investito ingenti somme di denaro nella genomica per cercare di identificare nuove molecole-bersaglio. Ricerca di farmaci genetici farmaci genetici indirizzati verso uno specifico prodotto genico, come i composti che sopprimono in generale i codoni di stop. Es. PTC124 o ataluren, che permette di superare i codoni di stop prematuri (mutazioni nonsenso), senza alterare il riconoscimento dei codoni di stop corretti (terapia della fibrosi cistica, della distrofia muscolare e di alte malattie genetiche).

8 Ataluren

9 Genomica e proteomica dei microorganismi patogeni Sviluppo di nuovi vaccini e trattamenti farmacologici. Sequenziamento dell intero genoma del plasmodium falciparum. Analisi del genoma del plasmodio alla ricerca di enzimi specifici o di enzimi assenti nel parassita. Identificazione di proteine di superficie del patogeno che possono essere il bersaglio di nuovi vaccini.

10 Proteine ricombinanti ottenute attraverso il clonaggio in vettori di espressione Proteina ricombinante Insulina (1982) Ormone della crescita Fattore VIII di coagulazione Fattore IX di coagulazione Interferone Interferone Interferone Attivatore tissutale del plasminogeno GM-CSF, fattore di crescita dei granulociti e dei macrofagi Leptina Eritropoietina Per il trattamento di Diabete mellito Deficienza dell ormone (nanismo ipofisario) Emofilia A Emofilia B Leucemia a cellule capellute; epatite cronica Sclerosi multipla Infezioni in pazienti con malattia granulomatosa cronica Disordini trombotici Neutropenia in seguito a chemioterapia Obesità Anemia

11 Espressione di proteine ricombinanti Escherichia coli polipeptidi semplici bioreattori Saccaromyces cervisiae polipeptidi semplici bioreattori Cellule di mammifero come la linea cellulare derivata da ovaio di criceto CHO per esprimere proteine complesse come anticorpi e citochine. Animali transgenici (capre, pecore o maiali): per la produzione di grandi quantità di proteine facilmente purificabili nel latte. Es. Atryn (2009 FDA, GTC Biotherapeutics), un antitrombina usata nelle terapie anticoagulanti.

12 Produzione di anticorpi per uso terapeutico Anticorpi monoclonali (mab): secreti da ibridomi linee cellulari immortalizzate prodotti dalla fusione di linfociti B di un topo immunizzato, che producono l anticorpo d interesse, con un linfocita B tumorale (cellula di mieloma) di topo. Produzione mediante l ingegneria genetica di anticorpi monoclonali modificati, in cui alcune parti o tutta la sequenza di roditore sono sostituite con l equivalente sequenza umana: mab chimerici: le sequenze delle regioni variabili originali di roditore sono mantenute, ma la sequenza per la regione costante è sostituita con la sequenza equivalente di origine umana; mab umanizzati: contenenti solo come sequenze originali di roditore le regioni CDR (complementary determining reions), mentre il resto della molecola è costituita dalla sequenza di origine umana.

13 Anticorpi monoclonali

14 Produzione di anticorpi per uso terapeutico o: mab di topo; xi, mab chimerico; zu, mab umanizzato; xizu, mab chimerico/umanizzato; u, mab completamente umano.

15 Produzione di anticorpi per uso terapeutico Single-chain variable fragment (scfv) antibodies: hanno la stessa specificità di legame di un mab, ma sono formati da una singola catena variabile non glicosilata. Questi anticorpi possono essere prodotti su larga scala in cellule batteriche, di lievito ed in cellule vegetali. Sono particolarmente adatti come anticorpi intracellulari (intracorpi): invece di essere secreti sono progettati in modo da legare specifici bersagli intracellulari e possono anche essere indirizzati verso specifici compartimenti subcellulari.

16 Single-chain variable fragment (scfv) antibodies

17 Single-chain variable fragment (scfv) antibodies

18 mab parzialmente od interamente umani approvati dal FDA nel 2008 Malattia Bersaglio Nome generale e commerciale del mab Malattie autoimmuni immunologiche Cancro CD11a CD25 = IL2R Complemento-5 IgE Integrina 4 TNF- CD20 CD33 CD52 Efalizumab (Raptiva) Basiliximab (Simulect) Daclizumab (Zenapax) Eculizumab (Soliris) Omalizumab (Xolair) Natalizumab (Tysabri) Infliximab (Remicade) Certolizumab pegol (Cimzia) Adalimumab (Humira) Rituximab (Rituxan, MabThera) Gentuzumab ozogamicin (Mylotarg) Alemtuzumab (Campath) Tipo di mab Umanizzato Chimerico Umanizzato Umanizzato Umanizzato Umanizzato Chimerico Umanizzato Completament e umano Chimerico Umanizzato Umanizzato Malattia trattata Psoriasi Prev. del rigetto nei trap. di rene Emogl. paros. n. Asma Sclerosi multipla Morbo di Crohn, artrite reumatoide Linfoma non- Hodgkin Leucemia mieloide acuta CD33+ leucemia linfoide cronica a cellule B

19 Malattia Bersaglio Nome generale e commerciale del mab Cancro Altre malattie EGFR HER2 VEGF GPIIb/IIIa RSV VEGF Cetuximab (Erbitux) Panitumamab (Vectibix) Trastuzumab (Herceptin) Bevacizumab (Avastin) Abciximab (ReoPro) Palivizumab (Synagis) Ranibizumab (Lucentis) Tipo di mab Chimerico Completamente umano Umanizzato umanizzato Chimerico Umanizzato Umanizzato Malattia trattata Cancro del colon-retto Cancro del seno metastatico Cancro del colon-retto, rene, polmone Aggiunto nell angioplastica coronarica transluminale percutanea Profilassi contro il virus respiratorio sinciziale Degenerazione maculare legata all età (iniezione intravitreale)

20 Aptameri Si possono selezionare corti oligonucleotidi (o peptidi) che si leghino a (e inibiscono) specifiche proteine bersaglio, con affinità simile a quella degli anticorpi. Gli aptameri vengono ottenuti attraverso cicli successivi di selezione ed amplificazione, a partie da un ampio assortimento di oligonucleotidi a sequenza casuale sulla base del metodo SELEX (systematic evolution of ligands by esponential enrichment).

21 Aptameri Potenziali applicazioni terapeutiche degli aptameri: inibizione di molecole intracellulari, come fattori trascrizionali; inibizione di molecole extracellulari. L aptamero pegaptanib (Macugen) è stato approvato dal FDA per il trattamento della degenerazione maculare essudativa legata all età. Il pegaptanib si lega in maniera specifica al VEGF e ne inibisce l azione pro-angiogenica.

22 Ingegneria genetica e vaccini L ingegneria genetica è stata applicata in vari modi per produrre nuovi tipi di vaccini. Può essere utilizzata per disattivare un microorganismo patogeno o oppure per produrre un antigene modificato del patogeno che risulta più immunogenico (vaccino ricombinante): Antigene ricombinante del virus dell epatite B; Tossina della pertosse ricombinante. Vaccini a DNA (induzione di risposta immunitaria sia umorale che cellulare). Vaccini antitumorali: vaccini antitumorali preventivi; vaccini antitumorali terapeutici.

23 Terapia genica Modificazione genetica diretta delle cellule del paziente a scopo terapeutico. Terapia su cellule germinali (su gamete, zigote od embrione precoce). Terapia su cellule somatiche modificazione di specifiche cellule o tessuti: cellule bersaglio quelle direttamente coinvolte nella patologia o quelle del sistema immunitario per indurre una potente risposta immunitaria per esempio contro il tumore.

24 Terapia genica Terapia di incremento genico (aggiunta di un gene): es. fibrosi cistica; rimpiazzare un gene oncosoppressore difettoso nei tumori. Eliminazione di mutazioni patogeniche: ripristinare la funzione del gene mutato. Inibizione mirata dell espressione genica: patologie infettive, autoimmuni, silenziamento di un allele mutante in una malattia ereditaria. Uccisione mirata di cellule bersaglio: terapia dei tumori 1) uccisione diretta mediante l uso di geni codificanti endotossine; 2) uccisione indiretta mediante l induzione di una risposta immunitaria molto forte.

25 Terapia genica Trasferimento dei geni nelle cellule del paziente: geni clonati (DNA), RNA od oligonucleotidi. Uso di vettori virali (trasferimento del DNA nelle cellule: trasduzione. Metodi non basati su virus (DNA, RNA, oligonucleotidi): trasfezione. Terapia genica ex vivo. Terapia genica in vivo.

26 Terapia genica: vettori virali Retrovirus oncogeni (): ssrna; 7-8 kb; integrazione; solo in cellule in divisione; permanente; resa modesta di produzione dei vettorie rischio di attivare oncogeni. Lentivirus: ssrna; fino a 8 kb; integrazione; cellule in divisione e non, tropismo variabile; permanente ed alti livelli di espressione; alta resa di produzione dei vettori ma rischio di attivare oncogeni. Adenovirus: dsdna; 7,5 kb (fino a 35 kb nei vettori svuotati); non integrazione; cellule in divisione e non; espressione transiente, ma ad alti livelli; alta resa di produzione dei vettori, immunogenecità.

27 Terapia genica: vettori virali Virus adeno-associati: ssdna; < 4,5 kb; non integrazione; cellule in divisione e non; alti livelli di espressione a medio e lungo termine (1 anno); alta resa di produzione dei vettori, bassa capacità di clonaggio, ma immunogenicità ridotta. Herpex simplex virus: dsdna; > 30 kb; non integrazione; sistema nervoso centrale; potenziale espressione permanente; in gradi di instaurare infezioni latenti per tutta la vita. Vaccina virus: dsdna; 25 kb; non integrazione; cellule in divisione e non; transiente.

28 Terapia genica I sistemi di trasferimento genico non virale sono più sicuri, ma il trasferimento genico è meno efficiente e spesso l espressione dei transgeni è debole. Trasferimento dell ac. nucleico per iniezione diretta o con bombardamento di particelle. Tasferimento genico mediato da lipidi. Nanoparticelle compatte di DNA.

29 Terapia genica RNA e oligonucleotidi terapeutici: per inattivare in modo selettivo un allele mutante. Ribozimi terapeutici. sirna terapeutici. Gli oligonucleotidi antisenso possono indurre il salto di un esone(exone skipping) per superare una mutazione dannosa.