זיהוי "אזורים בטוחים" להחדרת גנים ל-DNA: צעד למימוש ההבטחה הגדולה לריפוי מחלות תורשתיות

תארו לעצמכם שיכולנו לרפא מחלות תורשתיות בעזרת טיפול חד-פעמי, שהיה פותר את הבעיה מהשורש ולא רק מטפל בתסמינים שלה. זוהי בדיוק המטרה של ריפוי גני (gene therapy), אשר נחשב לאחת ההבטחות הגדולות של עולם המדע והרפואה. "ריפוי גני" פירושו הכנסת שינויים בגנום של אדם חולה, שיתקנו את הבעיה הגנטית שהוא סובל ממנה.

הנגיף שמכניס את הגן

הכיוון המתבקש ביותר, ולכאורה הפשוט ביותר, של ריפוי גני הוא עבור מחלה תורשתית שנובעת מגן פגום, שעבר מוטציה. במקרה כזה אפשר להכניס עותק תקין של הגן הזה למקום אחר בגנום – לא למקום שבו נמצא הגן הפגום – כך שהחלבון שנוצר מההוראות הכתובות בגן התקין יבצע את תפקידו בצורה טובה, וימלא את מקום החלבון של הגן הפגום. כיום עומדים לרשותנו שני טיפולים מסוג זה שזכו לאישור מנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA): לוקסטורנה (Luxturna), שנועד לטיפול במחלת עיניים נדירה וזולגנסמה (Zolgensma) שנועד לטיפול במחלת ניוון השרירים השדרתי (SMA). טיפול גני נוסף שזכה לאישור הוא שיטת CAR T cells, שבה מוציאים מגופו של חולה הסרטן תאי T תקינים, מחדירים להם גן שמאפשר להם לזהות ולתקוף תאי סרטן מסוג מסוים ומחזירים אותם לגוף.

רעיון הטיפול הגני, וגם הכלים שמציעה הביולוגיה המולקולרית, קיימים כבר עשרות שנים. אם כך, מדוע קיימים כיום רק שלושה טיפולים מסוג זה? הסיבה לכך נעוצה בסיכונים הכרוכים בטיפולים אלו. כדי להבין מהם הסיכונים האלה צריך להבין תחילה כיצד מתבצע טיפול גני כיום. כדי להחדיר גן מבחוץ לתוך הגנום, הרופאים משתמשים בנגיפים מהונדסים אשר מכילים בתוכם את הגן התקין המבוקש. הנגיפים רכשו להם במהלך האבולוציה את היכולת לשלב את הגנים שלהם בגנום של המארח, במקרה שלנו – בני אדם. משום כך שימוש בנגיפים מהונדסים גנטית המכילים רק את הגן הרצוי הוא שיטה יעילה להחדרת גנים לגנום. 

הבעיה העיקרית הכרוכה בשימוש בנגיפים היא שאין לנו שליטה על המקום שבו הגן יוחדר לגנום שלנו. כאשר הגן נכנס למקום אקראי בגנום, הוא עלול לפגוע בפעילות של גנים תקינים שנמצאים באותו מקום, ולגרום למחלות שיכולות להתבטא גם שנים אחר כך. כך בדיוק קרה בניסוי בריפוי גני שנערך בצרפת בשנת 2000, ואשר נועד לרפא ילדים שנולדו עם כשל חיסוני חמור בשם SCID או בכינויו הידוע יותר – ילדי בועה. תשעת הילדים אשר טופלו אכן הראו שיפור במצבם, אך לאחר כמה שנים, התגלה אצל ארבעה מהם סרטן דם כתוצאה מהטיפול.

אילוסטרציה של תא שנגיפים מדביקים אותו ומשנים את ה-DNA שלו | Keith Chambers, Science Photo Library
כדי להחדיר גן לתוך הגנום, הרופאים משתמשים בנגיפים מהונדסים שמכילים בתוכם את הגן המבוקש. אילוסטרציה של תא שנגיפים מדביקים אותו ומשנים את ה-DNA שלו | Keith Chambers, Science Photo Library

יעדים בטוחים להחדרת גנים

כיצד אפשר בכל זאת להשתמש בריפוי גני בצורה בטוחה ובלי תופעות לוואי מסוכנות? מחקר חדש אשר פורסם בכתב העת המדעי Cell Reports Methods מספק פתרון מבטיח לבעיה הזאת בדיוק. המחקר, שנעשה בהובלת חוקרים מאוניברסיטת הרווארד שבארצות הברית ומהמכון הטכנולוגי של ציריך בשווייץ ובשיתוף פעולה עם מוסדות מחקר נוספים ממדינות אלה, מדגים כיצד אפשר למצוא אזורים בגנום אשר יהיו בטוחים להחדרת גנים מבחוץ. החוקרים מכנים את האזורים הללו "חוף מבטחים גנטי".

כדי למצוא את האזורים האלה, החוקרים הגדירו תחילה קריטריונים ברורים לחוף מבטחים בגנום. בין היתר, האזור צריך להיות מרוחק מספיק מכל גן ידוע ומכל אזור בקרה ידוע - אזור בגנום שאינו מכיל הוראות לבניית חלבון, אך משפיע על הפעולות של גנים, שכן מכילים הוראות כאלו. נוסף על כך, החוקרים חיפשו מקומות רחוקים במיוחד מגנים שידוע כי שינויים או מוטציות בקרבתם עלולים להפוך את התא לסרטני. חיפוש ממוחשב ברצף הגנום הניב כ-2,000 אזורים העשויים להתאים להגדרות. מבין 2,000 האזורים האלה, החוקרים בחרו באופן אקראי 5 אזורים וחקרו אותם באופן מעמיק יותר.

במקום להשתמש בנגיפים, החוקרים השתמשו בטכנולוגיית קריספר (CRISPR), אשר מאפשרת לערוך שינויים בגנום בצורה מדויקת ביותר. גם בשימוש בקריספר יש סיכון מסוים לגרימת מוטציות במקומות לא רצויים, אך השיטה מאפשרת לכוון את ההכנסה של הגן בצורה ששימוש בנגיף אינו מאפשר, וכך למזער את הפגיעה הזו. החוקרים השתמשו בשתי שורות תאים שנמצאות בשימוש רחב במחקר האקדמי ובתעשייה הביוטכנולוגית, והחדירו להן גן מדווח, כלומר גן שמדווח על נוכחותו בכך שהוא גורם לתאים לזהור תחת מיקרוסקופ פלואורוסצנטי. בדרך זו אפשר לדעת שקטע ה-DNA שרצינו להחדיר לתא אכן הוחדר בהצלחה, והגן המדווח שהחדרנו אכן מתבטא כחלבון. 

בעזרת קריספר החדירו החוקרים את הגן המדווח לחמשת האזורים שנבחרו, ולשמחתם, בשניים מביניהם נצפתה זהירה, כלומר הגן הוחדר והתבטא ברמה טובה. בבדיקות מעמיקות יותר לא נמצא שינוי באף אחד מהגנים שידוע כי הם קשורים להתפתחות סרטן. החוקרים עקבו אחרי התאים במשך 90 יום, וראו שהחלבון הזוהר עדיין מופיע בהם.

אילוסטרציה של חלבוני קריספר עורכים את ה-DNA של תא המטרה | Carlos Clarivan, Science Photo Library
החוקרים השתמשו בטכנולוגיית קריספר, אשר מאפשרת לערוך שינויים בגנום בצורה מדויקת ביותר. אילוסטרציה של חלבוני קריספר עורכים את ה-DNA של תא המטרה | Carlos Clarivan, Science Photo Library

כדי לבדוק את שני האזורים הבטוחים שמצאו בהקשרים רפואיים רלוונטיים, חזרו החוקרים על הניסוי עם תאי T שמקורם בתורם בריא. החוקרים הכניסו את הגן המדווח לאזורים הבטוחים בתאים אלה, וראו שהוא מתבטא לאורך זמן. אחר כך בדקו היטב את תאי ה-T, וכמעט לא מצאו הבדלים בינם לבין תאי T שלא עברו טיפול. והעיקר, גם כאן לא היה כל שינוי בגנים הקשורים להיווצרות תאים סרטניים, ממצא המאשש את בטיחותם של האזורים הבטוחים.

לבסוף בחנו החוקרים עוד אפשרות להחדרת גן לאזורים הבטוחים במערכת של תאי עור. החוקרים לקחו תאי עור והחדירו להם גן בשם LAMB3. מחלות עור תורשתיות מסוימות קשורות במוטציות בגן הזה, והחוקרים רצו להראות כי אפשר להחדיר לתאי העור עותק תקין של הגן. כמו תאי ה-T, גם תאי העור המשיכו לבטא את החלבון במשך כל הניסוי. החוקרים העלו את האפשרות להשתיל תאי עור כאלו באנשים הסובלים ממחלות תורשתיות הקשורות במוטציות בגן זה.

אז איך מתקדמים הלאה? לאט ובזהירות

מציאת "חופי המבטחים" היא תגלית חשובה העשויה לתרום לפיתוח טיפולים גניים בטוחים יותר, ללא חשש שהטיפול יגרום להתפתחות סרטן או פגיעות אחרות האופייניות לשימוש בנגיפים מהונדסים. עם זאת, עריכת שינויים בגנום כרוכה תמיד בסיכונים, משום שאיננו מכירים בצורה טובה מספיק את כל אזורי הגנום ואת ההשלכות האפשריות של שינויים בהם. רק לפני חודשים אחדים נעצר ניסוי קליני בתאי T בדיוק מסיבה זו, של שינויים בלתי צפויים בגנום. דרושים אפוא עוד ניסויים ובדיקות כדי לוודא שהאזורים שנמצאו במחקר זה הם באמת "חופי מבטחים". אך כבר עתה אין ספק, כי גילויים אלה הם התקדמות חשובה לקראת שימוש נרחב יותר בריפוי גני.