درمان جدید tRNA: اصلاح جهش‌های ژنتیکی و درمان هزاران بیماری

برای دهه‌ها، حوزه پزشکی ژنتیک مجبور بوده است که یک بازی طاقت‌فرسای «بزن در رو» (whack-a-mole) بیولوژیکی را انجام دهد. از آنجایی که بیماری‌های ژنتیکی ناشی از هزاران جهش متمایز در صدها ژن مختلف هستند، محققان به طور سنتی مجبور بودند برای هر بیماری یک درمان اختصاصی طراحی کنند. اما مطالعه جدیدی که امروز در مجله Science منتشر شده است، رویکردی کاملاً متفاوت را نوید می‌دهد. محققان دانشگاه تورنتو با موفقیت نشان داده‌اند که RNA ناقل مهندسی‌شده (tRNA) می‌تواند به عنوان یک «غلط‌گیر» جهانی برای دسته‌ای خاص از خطاهای ژنتیکی که به عنوان جهش‌های بی‌معنی (nonsense mutations) شناخته می‌شوند، عمل کند. این تیم با رساندن یک درمان tRNA استنشاقی به موش‌ها، توانستند تولید پروتئین‌های عملکردی را در مدل‌های فیبروز سیستیک بازیابی کنند. این یک نقطه عطف بزرگ برای یک روش درمانی نوظهور است که می‌تواند در نهایت هزاران بیماری نادر را با یک استراتژی درمانی واحد درمان کند.[1][2]

برای درک پتانسیل tRNA، بهتر است بدانیم سلول‌ها چگونه پروتئین تولید می‌کنند. در یک سلول سالم، RNA پیام‌رسان (mRNA) دستورالعمل‌های ژنتیکی را از DNA به ریبوزوم، یعنی کارخانه تولید پروتئین سلول، منتقل می‌کند. مولکول‌های RNA ناقل (tRNA) به عنوان کارگران مونتاژ عمل می‌کنند، کد mRNA را سه حرف سه حرف می‌خوانند و اسیدهای آمینه مربوطه را برای ساخت زنجیره پروتئینی حمل می‌کنند. با این حال، در حدود ۱۱ درصد از تمام اختلالات ژنتیکی ارثی، یک «جهش بی‌معنی» یک کدون توقف زودرس را وارد می‌کند – اساساً یک علامت توقف را در وسط دستورالعمل‌های ژنتیکی قرار می‌دهد. ریبوزوم تولید را زودتر متوقف می‌کند و در نتیجه یک پروتئین ناقص و بی‌فایده یا اصلاً هیچ پروتئینی تولید نمی‌شود.[1][3]

بوون لی، استادیار دانشکده داروسازی لزلی دن دانشگاه تورنتو و نویسنده اصلی این مطالعه جدید، توضیح داد: «جهش بی‌معنی مانند قرار دادن یک علامت توقف در وسط جاده است. خودرو مجبور است ترمز کند و پروتئین هرگز کامل نمی‌شود.» این سیگنال‌های توقف زودرس مسئول طیف وسیعی از بیماری‌های شدید، از جمله زیرمجموعه‌هایی از فیبروز سیستیک، دیستروفی عضلانی دوشن و آتروفی عضلانی نخاعی هستند. از آنجایی که مکانیسم اصلی – کدون توقف زودرس – در تمام این بیماری‌های متفاوت یکسان است، درمانی که بتواند به ریبوزوم بیاموزد این علامت توقف را نادیده بگیرد، از لحاظ نظری می‌تواند همه آنها را درمان کند، صرف نظر از اینکه کدام ژن خاص تحت تأثیر قرار گرفته است.[1][3]

لی و تیمش یک مولکول tRNA مصنوعی را مهندسی کردند که به طور خاص برای شناسایی این کدون‌های توقف زودرس طراحی شده است. tRNA مهندسی‌شده به جای توقف تولید، به سیگنال توقف متصل می‌شود و اسید آمینه صحیح را در زنجیره وارد می‌کند و به ریبوزوم اجازه می‌دهد تا خطا را نادیده بگیرد و ساخت پروتئین کامل و طبیعی را به پایان برساند. هنگامی که محققان این tRNA اصلاح‌شده را از طریق یک غبار استنشاقی به موش‌های مبتلا به فیبروز سیستیک ناشی از جهش بی‌معنی رساندند، مشاهده کردند که این درمان با خیال راحت به سلول‌های اپیتلیال ریه‌ها رسیده و تا ۴۰ روز فعال باقی مانده است. مهم‌تر از آن، عملکرد پروتئین جهش‌یافته CFTR را با موفقیت بازیابی کرد.[1][2]

تیم دانشگاه تورنتو همچنین tRNA مهندسی‌شده خود را بر روی مدل‌های ارگانوئید انسانی که از سلول‌های بیماران فیبروز سیستیک مشتق شده بودند، آزمایش کردند. آنها درمان tRNA را با داروی پرفروش تریکافتا (Trikafta) از شرکت ورتکس فارماسوتیکالز (Vertex Pharmaceuticals) مقایسه کردند؛ دارویی که توسط FDA تأیید شده و حدود ۹۰ درصد از موارد فیبروز سیستیک را به طور مؤثر درمان می‌کند. تریکافتا با کمک به پروتئین‌های CFTR که به درستی تا نشده‌اند، کار می‌کند تا آنها را به سطح سلول برساند. با این حال، برای ۱۰ درصد از بیمارانی که بیماری آنها ناشی از جهش بی‌معنی است، تریکافتا تا حد زیادی بی‌اثر است، زیرا سلول‌ها به اندازه کافی پروتئین تولید نمی‌کنند تا دارو بتواند آن را ترمیم کند.[2][3]

در مدل‌های ارگانوئید، درمان سلول‌ها تنها با تریکافتا نتوانست عملکرد پروتئین را بازیابی کند، دقیقاً همانطور که در بیماران انسانی با جهش‌های بی‌معنی دیده می‌شود. اما هنگامی که محققان تریکافتا را با tRNA مهندسی‌شده خود ترکیب کردند، سلول‌ها شروع به تولید پروتئین‌های عملکردی کردند. tRNA به سلول‌ها اجازه داد تا پروتئین کامل را بسازند، سپس تریکافتا به تا شدن و انتقال آن به غشای سلولی کمک کرد. این اثر هم‌افزایی نشان می‌دهد که درمان‌های tRNA می‌توانند در کنار داروهای مولکول کوچک موجود استفاده شوند تا بیمارانی که در حال حاضر هیچ گزینه درمانی قابل قبولی ندارند، نجات یابند.[1][2]

در حالی که درمان‌های mRNA پس از موفقیت واکسن‌های کووید-۱۹ و پیشرفت‌های اخیر در واکسن‌های سرطان شخصی‌سازی‌شده، کانون توجه پزشکی ژنتیک بوده‌اند، RNA ناقل مزایای متمایزی برای درمان بیماری‌های ارثی ارائه می‌دهد. از آنجایی که مولکول‌های tRNA فقط باید یک اسید آمینه واحد را حمل کنند، نه دستورالعمل‌های یک توالی پروتئینی کامل، آنها به طور قابل توجهی کوچک‌تر از درمان‌های mRNA هستند. این اندازه فشرده، بسته‌بندی آنها در نانوذرات لیپیدی و رساندن آنها به بافت‌های هدف با دوزهای کمتر را بسیار آسان‌تر می‌کند، که می‌تواند خطر سمیت سلولی و واکنش‌های ایمنی را به طور قابل توجهی کاهش دهد.[2][3]

علاوه بر این، به نظر می‌رسد درمان‌های tRNA در داخل بدن (in vivo) بسیار بادوام هستند. در مطالعه فیبروز سیستیک، اثرات درمانی بیش از یک ماه پس از یک دوز استنشاقی واحد در ریه‌ها باقی ماند. در مقابل، تلاش‌های قبلی برای درمان فیبروز سیستیک با درمان‌های mRNA نیازمند برنامه‌های دوزدهی مکرر، گاهی هفتگی، بودند – مانعی که اخیراً منجر به توقف برنامه فیبروز سیستیک mRNA شرکت مدرنا (Moderna) شد. لی اشاره کرد که ماندگاری tRNA می‌تواند به بیماران اجازه دهد تا بیماری خود را تنها با یک بار درمان استنشاقی در ماه مدیریت کنند. این یک مزیت عملی بزرگ برای بیماران است.[2][3]

حوزه درمان‌های tRNA به سرعت در حال پیشرفت است و از آزمایشگاه‌های دانشگاهی فراتر رفته و وارد فاز توسعه بالینی تجاری شده است. چندین استارتاپ بیوتکنولوژی، با حمایت صدها میلیون دلار سرمایه خطرپذیر، در تلاشند تا این داروهای مستقل از ژن را به دست بیماران برسانند. شرکت Alltrna، که توسط شرکت سرمایه‌گذاری خطرپذیر Flagship Pioneering تأسیس شده است، اخیراً اعلام کرد که تأییدیه نظارتی را برای آغاز یک کارآزمایی بالینی فاز ۱ در استرالیا برای AP003، کاندیدای اصلی tRNA مهندسی‌شده خود، دریافت کرده است.[3]

کارآزمایی Alltrna یک نقطه عطف تاریخی است، زیرا این اولین باری است که یک درمان tRNA مهندسی‌شده در انسان ارزیابی می‌شود. AP003 برای هدف قرار دادن جهش بی‌معنی آرژینین به TGA طراحی شده است، که شایع‌ترین نوع کدون توقف زودرس است و تقریباً ۲۲ درصد از کل جهش‌های بی‌معنی در بیماری‌های ژنتیکی انسانی را تشکیل می‌دهد. Alltrna امیدوار است با اثبات اینکه یک مولکول tRNA واحد می‌تواند با خیال راحت تولید پروتئین را در داوطلبان سالم بازیابی کند، یک پایه بالینی برای رویکرد «کارآزمایی سبدی» (basket trial) ایجاد کند، جایی که بیماران مبتلا به بیماری‌های ژنتیکی مختلف که ناشی از یک کدون توقف یکسان هستند، می‌توانند با دقیقاً همان دارو درمان شوند.[4]

در صورت موفقیت، این چارچوب «مبتنی بر جهش و مستقل از بیماری» می‌تواند اساساً اقتصاد توسعه داروهای بیماری‌های نادر را تغییر دهد. در حال حاضر، شرکت‌های داروسازی اغلب برای توجیه هزینه هنگفت توسعه یک ژن‌درمانی سنتی برای یک بیماری فوق‌نادر که تنها چند ده بیمار در سراسر جهان را تحت تأثیر قرار می‌دهد، با مشکل مواجه هستند. اما اگر یک tRNA مهندسی‌شده واحد بتواند در ده‌ها بیماری نادر مختلف که دارای یک جهش بی‌معنی مشترک هستند، به کار گرفته شود، جمعیت کلی بیماران به اندازه‌ای بزرگ می‌شود که از کارآزمایی‌های بالینی قوی و تجاری‌سازی حمایت کند و امیدی تازه به میلیون‌ها نفری بدهد که توسط پارادایم کنونی پزشکی دقیق نادیده گرفته شده‌اند.[1][4]

در حالی که ترجمه بالینی tRNA هنوز در مراحل اولیه خود است و دسترسی معمول بیماران سال‌ها فاصله دارد، داده‌های پیش‌بالینی منتشر شده امروز یک اثبات مفهوم قدرتمند را ارائه می‌دهد. لی و همکارانش در دانشگاه تورنتو در حال حاضر در تلاشند تا سیستم‌های تحویل نانوذرات لیپیدی خود را برای هدف قرار دادن اندام‌های دیگر فراتر از ریه‌ها تطبیق دهند، با هدف پیشبرد درمان استنشاقی خود به کارآزمایی‌های انسانی در ۲ تا ۳ سال آینده. همانطور که محققان به نقشه‌برداری از بیولوژی پیچیده ماشین‌آلات ترجمه پروتئین ادامه می‌دهند، RNA ناقل مهندسی‌شده آماده است تا به یک ستون اصلی در نسل بعدی پزشکی ژنتیک تبدیل شود و مسیری واقع‌بینانه و مقیاس‌پذیر را برای میلیون‌ها بیمار با شرایطی که در حال حاضر غیرقابل درمان هستند، ارائه دهد.[2][3][4]