Terapia Genica

253 Pages·2011·6.002 MB·Italian

by  Mauro Giacca (auth.)

TERAPIA GENICA
Mauro Giacca
TERAPIA GENICA
Presentazione a cura di
Angelo Fiori
123
MAUROGIACCA
Centro Internazionale di Ingegneria Genetica
e Biotecnologia
(ICGEB)
Trieste
ISBN 978-88-470-1988-1 ISBN 978-88-470-1989-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-88-470-1989-8
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9 8 7 6 5 4 3 2 1 2011 2012 2013 2014
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A Serena,Massimo e Giovanna,
senza cui nulla sarebbe possibile.
M.G.
Prefazione
Mi sono affffacciato all monddo ddelllla terapia genica allll’’inizio ddeglli anni ’’90,affffasci-
nato dall’immenso potenziale che l’utilizzo dei geni offriva alla medicina, alla
ricerca di nuove metodologie per risolvere problemi terapeutici insolubili.Fin da
allora ho vissuto in maniera stretta i successi e gli insuccessi di questa disciplina,
cercando in particolare di contribuire con il lavoro del mio laboratorio allo svi-
luppo di soluzioni terapeutiche innovative per le malattie cardiovascolari. Nel
corso di questi anni,ho avuto modo di parlare in molteplici occasioni in Italia e
in giro per il mondo sulla terapia genica,a livello sia accademico sia divulgativo,
e ho costantemente notato che il campo è di grande interesse per scienziati di
tutte le discipline.Cosa più affascinante,di fatto,della possibilità di affrontare e
curare le malattie utilizzando l’informazione genetica stessa o modulandone
direttamente l’espressione?
Nonostante quest’interesse diffuso, tuttavia, un libro che fosse in qualche
modo comprensivo dell’intera disciplina della terapia genica non esisteva,limi-
tandosi la maggior parte delle opere pubblicate a descrivere in maniera troppo
tecnica settori specialistici,rappresentando quindi dei manuali per gli addetti ai
lavori, o a presentare l’argomento in maniera troppo divulgativa e superficiale.
Da queste considerazioni è nata l’idea di scrivere un volume che avesse l’ambi-
zione di essere una sorta di libro di testo, tale da coprire l’intero campo della
terapia genica, ma che allo stesso tempo utilizzasse un linguaggio semplice dal
punto di vista tecnico,in modo da poter essere letto e consultato dallo studente
di dottorato,dal ricercatore formato e attratto dalla disciplina,o dal clinico che
cerca di comprendere i principi di base su cui le metodologie del trasferimento
genico o la scelta degli acidi nucleici terapeutici si basano. Dal momento che il
libro si rivolge sia a ricercatori di base sia a medici clinici,ho inserito quante più
descrizioni possibili, al fine di soddisfare le rispettive necessità di approfondi-
mento.Ad esempio,il lettore clinico può trovare difficile comprendere il razio-
nale della costruzione dei vettori retrovirali senza conoscere la biologia del ciclo
replicativo dei retrovirus, mentre il ricercatore di base può ignorare le esigenze
cliniche del paziente con scompenso cardiaco e come queste si correlino con la
fisiopatologia di questa malattia.In entrambi i casi,il libro fornisce le rilevanti
informazioni.
Il volume si apre fornendo una visione ampia del campo della terapia genica e
dei suoi sviluppi storici (Capitolo 1),per poi proseguire con la descrizione accu-
rata degli strumenti della terapia genica, ovvero gli acidi nucleici con funzione
VII
VIII Prefazione
terapeutica (Capitolo 2) e le modalità con cui essi possono essere somministrati
ai pazienti (Capitolo 3). Il lungo Capitolo 4 riporta un’estesa descrizione delle
condizioni cliniche che la terapia genica ha finora affrontato,descrivendo i suc-
cessi e le delusioni ottenute in oltre 20 anni di sperimentazione.A questo propo-
sito, mi preme sottolineare che il libro intende essere un vero libro di “terapia”
genica,considerando soltanto quelle condizioni in cui la sperimentazione è effet-
tivamente arrivata al paziente, e trascurando la grande mole di studi biofisici,
chimici o di biologia molecolare che si sono limitati alla ricerca di laboratorio o
alla sperimentazione sugli animali. Infine, i molteplici problemi sociali ed etici
connessi all’uso dei geni ed alla potenziale modificazione dell’informazione
genetica umana sono trattati nel Capitolo 5.Oltre a discutere delle problemati-
che connesse alla sicurezza delle sperimentazioni sui pazienti, questo capitolo
affronta i problemi relativi sia al trasferimento genico nelle cellule germinali,nel-
l’utero,sia alla possibilità di utilizzare la terapia genica per condizioni non pro-
priamente mediche,quali il doping genetico o la cosmesi.
Il contenuto del volume ha già costituito la base per una serie di corsi acca-
demici che ho avuto modo di tenere,negli ultimi anni,presso la Scuola Normale
di Pisa,l’Università di Trieste e alcune Università in altri Paesi.Questi corsi sono
stati frequentati da studenti dei corsi magistrali in biologia o biotecnologie medi-
che,studenti del corso di medicina negli ultimi anni di studio,medici specializ-
zandi in diversi settori della medicina interna o delle discipline specialistiche,
nonché studenti di dottorato e ricercatori in vari campi della moderna ricerca
biomedica.
Curare le malattie umane utilizzando l’informazione genetica rappresenta una
delle sfide più difficili e allo stesso tempo più stimolanti della scienza,e gli osta-
coli tecnologici da superare rimangono ancora molti.Tuttavia,sono fermamente
convinto che, quando questi saranno definitivamente superati, la terapia genica
offrirà una vasta e precedentemente insperata gamma di soluzioni a malattie che
oggi necessitano disperatamente dello sviluppo di terapie innovative.
Trieste,febbraio 2011 Mauro Giacca
Ringraziamenti
II mmiieeii ppiiùù ssiinncceerrii rriinnggrraazziiaammeennttii aadd OOssccaarr BBuurrrroonnee,,SSeerreennaa ZZaacccchhiiggnnaa,,LLoorreennaa
Zentilin e Miguel Mano per la lettura critica del testo e a Suzanne Kerbavcic per
il suo prezioso aiuto. Molti ringraziamenti anche a tutti gli altri membri del
mio laboratorio presso l’International Centre for Genetic Engineering and
Biotechnology di Trieste per aver contribuito a mantenere un ambiente scien-
tifico e intellettuale molto stimolante durante questi anni.
Mauro Giaccaa
IX
IInnddiiccee
Capiitollo 1 – Introdduziione alllla terapiia geniica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Geni come farmaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Terapia genica:una visione d’insieme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Scelta del gene terapeutico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Modalità di somministrazione dei geni terapeutici . . . . . . . . . 5
Sistemi di trasferimento genico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Targetingcellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Persistenza del gene terapeutico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Espressione del gene terapeutico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Risposta immunitaria alla terapia genica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Capitolo 2 – Acidi nucleici con funzione terapeutica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Geni codificanti proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Proteine sostitutive di proteine cellulari assenti o mutate . . . . 13
Proteine che modulano funzioni cellulari . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Fattori di crescita secreti e citochine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Proteine che regolano la sopravvivenza cellulare
e l’apoptosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Antigeni per la vaccinazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Anticorpi e anticorpi intracellulari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Subunità delT-cell receptor(TCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Controllo dell’espressione dei geni terapeutici . . . . . . . . . . . . . 18
Acidi nucleici non codificanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Oligonucleotidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Oligonucleotidi modificati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Applicazioni cliniche degli oligonucleotidi . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Acidi nucleici catalitici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Piccoli RNA con funzione regolatoria (siRNA,microRNA) . . 30
Decoy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Aptameri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Modalità di somministrazione o sintesi intracellulare
dei piccoli RNA regolatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Letture consiggliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
XI
XII Indice
Capiitolo 3 – Metodologiie per iil trasfferiimento geniico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Barriere cellulari al trasferimento genico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Endocitosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Fuoriuscita dal compartimento vescicolare . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Indirizzamento al nucleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Metodologie per il trasferimento genico per la terapia
genica:una visione d’insieme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Inoculazione diretta di DNA ed RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Metodi fisici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Elettroporazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Iniezione idrodinamica intravascolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Sonoporazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Bombardamento con microparticelle ricoperte di DNA
(gene gun) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Iniezione di DNA con getti ad alta pressione
(((jet injection) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Metodi chimici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Liposomi e lipidi cationici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Polimeri cationici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Problematiche legate all’utilizzo dei metodi chimici
per il trasferimento genico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Vettori virali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Vettori basati sui gammaretrovirus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Vettori basati sui lentivirus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Vettori basati sugli adenovirus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Vettori basati sul virus adeno-associato (AAV) . . . . . . . . . . . . . 93
Vettori basati sul virus dell’herpes simplex (HSV) . . . . . . . . . . 102
Vettori virali per la terapia genica:campi di applicazione
e valutazione comparativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Letture consigliate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Capitolo 4 – Sperimentazioni cliniche di terapia genica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Sperimentazioni cliniche di terapia genica:
considerazioni generali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Terapia genica delle cellule staminali ematopoietiche . . . . . . . . . . 121
Ematopoiesi e trapianto di cellule staminali
ematopoietiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Trasferimento genico nelle cellule staminali
ematopoietiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Applicazioni della terapia genica nelle cellule
staminali ematopoietiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Sperimentazioni cliniche di trasferimento genico nelle
cellule staminali ematopoietiche:considerazioni generali . . . . 127