Nhiều bệnh là do thiếu hoặc có bản sao khiếm khuyết của một gen duy nhất. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã nghiên cứu các phương pháp điều trị bằng liệu pháp gen có thể chữa khỏi những bệnh này bằng cách cung cấp một bản sao mới của gen bị thiếu cho các tế bào bị ảnh hưởng.

Bất chấp những nỗ lực đó, rất ít phương pháp điều trị bằng liệu pháp gen được FDA phê duyệt. Một trong những thách thức trong việc phát triển các phương pháp điều trị này là kiểm soát được mức độ biểu hiện của gen mới trong tế bào - quá ít thì sẽ không thành công, quá nhiều thì có thể gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng.

Để giúp kiểm soát liệu pháp gen chính xác hơn, các kỹ sư của MIT đã tinh chỉnh và áp dụng một mạch điều khiển có thể giữ mức độ biểu hiện gen trong phạm vi mục tiêu. Trong tế bào người, họ đã chứng minh rằng có thể sử dụng phương pháp này để truyền gen, giúp điều trị các bệnh bao gồm hội chứng Fragile X, một rối loạn dẫn đến thiểu năng trí tuệ và các vấn đề phát triển khác.

“Về lý thuyết, việc bổ sung gen có thể giải quyết các rối loạn đơn gen rất đa dạng nhưng có thể được khắc phục bằng liệu pháp gen tương đối đơn giản nếu bạn có thể kiểm soát liệu pháp đủ tốt”, Katie Galloway, Giáo sư Phát triển Sự nghiệp WM Keck về Kỹ thuật Y sinh và Kỹ thuật Hóa học, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu mới, cho biết.

Nghiên cứu sinh Kasey Love của MIT là tác giả chính của bài báo, được trên tạp chí Cell Systems .

Truyền tải gen

Mặc dù liệu pháp gen hứa hẹn điều trị được nhiều loại bệnh, bao gồm bệnh máu khó đông và thiếu máu hồng cầu hình liềm, nhưng cho đến nay chỉ có một số ít phương pháp điều trị được phê duyệt, dành cho một bệnh về võng mạc di truyền và một số bệnh ung thư máu nhất định.

Hầu hết các phương pháp trị liệu gen đều sử dụng virus để đưa một bản sao mới của gen vào tế bào, sau đó bản sao này sẽ được tích hợp vào DNA của tế bào chủ. Một số tế bào có thể hấp thụ nhiều bản sao của gen, trong khi những tế bào khác thì không nhận được bản sao nào.

“Việc biểu hiện quá mức lượng protein mang tải trọng đó có thể dẫn đến phạm vi biểu hiện rất rộng trong các gen mục tiêu do chúng chiếm số lượng bản sao khác nhau của các gen đó hoặc chỉ đơn giản là có mức độ biểu hiện khác nhau,” Love nói. “Nếu mức độ biểu hiện không đủ, điều đó sẽ làm mất đi mục đích của liệu pháp. Nhưng mặt khác, biểu hiện ở mức quá cao cũng là một vấn đề, vì lượng protein mang tải trọng đó có thể gây độc”.

Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã thử nghiệm với nhiều loại mạch điều khiển khác nhau nhằm hạn chế sự biểu hiện của gen điều trị. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của MIT đã quyết định sử dụng một loại mạch gọi là vòng lặp phản hồi không đồng bộ (IFFL).

Trong mạch IFFL, việc kích hoạt gen mục tiêu đồng thời kích hoạt quá trình sản xuất một phân tử ức chế biểu hiện gen. Một loại phân tử có thể được sử dụng để đạt được sự ức chế đó là microRNA - một chuỗi RNA ngắn liên kết với RNA thông tin, ngăn cản quá trình dịch mã thành protein.

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của MIT đã thiết kế một mạch IFFL, được gọi là “ComMAND” (Compact microRNA-mediated attenuator of noise and dosage), sao cho một chuỗi microRNA ức chế quá trình dịch mã mRNA được mã hóa bên trong gen điều trị. MicroRNA này nằm trong một đoạn ngắn gọi là intron, đoạn này sẽ bị loại bỏ khỏi gen khi nó được phiên mã thành mRNA. Điều này có nghĩa là bất cứ khi nào gen được kích hoạt, cả mRNA và microRNA ức chế nó đều được sản xuất với số lượng gần bằng nhau.

Phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát toàn bộ mạch ComMAND chỉ với một promoter duy nhất - vị trí DNA nơi quá trình phiên mã gen được kích hoạt. Bằng cách thay thế các promoter có cường độ khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh lượng gen trị liệu được sản sinh ra.

Ngoài khả năng kiểm soát chặt chẽ hơn, thiết kế nhỏ gọn của mạch cho phép nó được mang trên một phương tiện vận chuyển duy nhất, chẳng hạn như lentivirus hoặc virus adeno-associated, điều này có thể cải thiện khả năng sản xuất các liệu pháp này. Cả hai loại virus này đều thường được sử dụng để vận chuyển các chất trị liệu.

“Những người khác đã phát triển các vòng lặp phản hồi không đồng bộ dựa trên microRNA, nhưng điều mà Kasey đã làm là đưa tất cả vào một bản sao duy nhất, và cô ấy đã chứng minh rằng điều này mang lại khả năng kiểm soát tốt nhất có thể khi bạn cần cung cấp dữ liệu đến các tế bào với mức độ khác nhau”, Galloway nói.

Kiểm soát chính xác

Để chứng minh hệ thống này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế mạch ComMAND có thể truyền tải gen FXN, gen bị đột biến trong bệnh mất điều hòa vận động Friedreich - một rối loạn ảnh hưởng đến tim và hệ thần kinh. Họ cũng truyền tải gen Fmr1, gen mà sự rối loạn chức năng của nó gây ra hội chứng Fragile X. Trong các thử nghiệm trên tế bào người, họ đã chứng minh rằng họ có thể điều chỉnh mức độ biểu hiện gen lên khoảng tám lần so với mức độ bình thường thấy ở các tế bào khỏe mạnh.

Nếu không có ComMAND, sự biểu hiện gen sẽ cao hơn gấp 50 lần so với mức bình thường, điều này có thể gây ra rủi ro về an toàn. Các nhà nghiên cứu cho biết cần tiến hành thêm các thử nghiệm trên mô hình động vật để xác định mức độ tối ưu.

Các nhà nghiên cứu cũng tiến hành thử nghiệm trên tế bào thần kinh chuột, nguyên bào sợi chuột và tế bào T người. Đối với các tế bào này, họ đã đưa vào một gen mã hóa protein huỳnh quang, để có thể dễ dàng đo mức độ biểu hiện gen. Trong các tế bào đó, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng họ có thể kiểm soát mức độ biểu hiện gen chính xác hơn so với khi không sử dụng mạch điều khiển.

Các nhà nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch nghiên cứu xem liệu họ có thể sử dụng phương pháp này để đưa gen vào ở mức độ đủ để khôi phục chức năng bình thường và đảo ngược các dấu hiệu bệnh tật, cả trong tế bào nuôi cấy hoặc mô hình động vật.

“Có lẽ cần phải điều chỉnh một số mức độ biểu cảm, nhưng chúng tôi hiểu một số nguyên tắc thiết kế đó, vì vậy nếu cần điều chỉnh mức độ lên hoặc xuống, tôi nghĩ chúng tôi có thể biết cách thực hiện điều đó”. Các nhà nghiên cứu cho biết, phương pháp này cũng có thể được áp dụng cho các bệnh khác như hội chứng Rett, loạn dưỡng cơ và teo cơ cột sống.

“Thách thức với nhiều bệnh trong số đó là chúng cũng là những bệnh hiếm gặp, vì vậy số lượng bệnh nhân không nhiều”, Galloway nói. “Chúng tôi đang cố gắng xây dựng những công cụ mạnh mẽ để mọi người có thể tìm ra cách điều chỉnh, bởi vì số lượng bệnh nhân rất ít và không có nhiều kinh phí để giải quyết một số rối loạn này”.