L’editing genomico è una tecnica che consente di apportare modifiche controllate e precise al materiale genetico di un organismo, come il DNA ma non solo, grazie al sistema CRISPR-Cas9.
Ecco cos’è il gene editing, due esempi di terapia, quali sono le sfide attuali e cosa ci riserva il futuro.
Che cos’è l’editing genomico
Uno degli strumenti più potenti e diffusi per l’editing genomico è il sistema CRISPR-Cas9 che sfrutta una molecola guida di RNA (sgRNA) per indirizzare una proteina chiamata Cas9 verso la specifica sequenza di DNA che si desidera modificare.
Una volta giunta al punto designato, Cas9 agisce come una “forbice molecolare” tagliando entrambi i filamenti del DNA. La cellula percepisce questo come un segnale di pericolo e, di conseguenza, si organizza per riparare il danno attuando diverse strategie molecolari.
Queste strategie di riparo sono fondamentalmente di due tipologie. La prima (che si verifica più frequentemente) si preoccupa solo di ripristinare l’integrità del DNA a scapito della sua sequenza nucleotidica e ne determina spesso la compromissione (gene knock-out). La seconda invece fa uso della copia omologa di quel gene per ricostituire la sequenza originale e salvaguardarne la funzionalità. Quest’ultima può essere sfruttata ad esempio per correggere mutazioni patologiche.
Quali sono le sfide attuali
Dal punto di vista della ricerca scientifica le sfida principale è la specificità.
Nonostante i continui avanzamenti biotecnologici volti a potenziarne la precisione, la
proteina Cas9 può determinare modifiche anche in siti diversi da quello desiderato
portando a modifiche imprevedibili. Per quanto queste siano potenzialmente innocue
nella maggior parte dei casi, non si può escludere che qualcosa di potenzialmente
pericoloso si verifichi. La sfida sta nell’avanzare la tecnologia fino a quando il
rapporto rischi/benefici sia ottimale e i potenziali effetti indesiderati siano ridotti al
minimo.
Il secondo ostacolo è sviluppare una strategia di somministrazione che consenta
alla forbice molecolare di svolgere la sua attività dove serve, quindi solo nelle cellule
del tessuto di interesse, lasciando inalterati gli altri distretti. Questo limite è comune
a pressoché tutti i sistemi basati su terapie molecolari (compresi i farmaci) e dipende
dalla modalità che si utilizza per veicolare la terapia (DNA / RNA /virus / nanoparticelle /liposomi) ma si può dire rappresenti l’ostacolo maggiore nel caso del gene editing in quanto spesso limita la sua efficacia finale in termini di quante cellule vengono corrette e se sufficienti a determinare una risposta terapeutica.
CRISPR nel paziente: due esempi dove la terapia è in fase avanzata
Con questi presupposti si intuisce perché la prima terapia CRISPR approvata ad
oggi in UK e USA riguarda una malattia del sangue, tessuto facilmente accessibile.
Si tratta dell’anemia falciforme.
Anemia falciforme
L’anemia falciforme è una malattia del sangue ereditaria che colpisce l’emoglobina, una proteina presente nei globuli rossi responsabile del trasporto dell’ossigeno in tutto il corpo. Nei pazienti con anemia falciforme, il gene dell’emoglobina adulta subisce una mutazione che causa la formazione di globuli rossi dalla forma irregolare, simile ad una falce. Questo rende loro difficile scorrere attraverso i vasi sanguigni più piccoli, causando ostruzioni e riducendo il flusso di ossigeno ai tessuti.
In questo caso i ricercatori hanno sviluppato un approccio “ex vivo” per il quale le cellule prelevate dal midollo osseo del paziente (da cui derivano i globuli rossi) vengono coltivate in laboratorio, modificate con CRISPR per correggere la mutazione causa della malattia e reimmesse nel paziente utilizzando strategie di trapianto del midollo osseo ormai ben consolidate.
Inoltre, il disegno molecolare di questo approccio è molto sofisticato dal punto di
vista della specificità. Bisogna considerare che prima della nascita utilizziamo un tipo
di emoglobina chiamata “fetale” che è ideale per ricevere ossigeno dalla madre
attraverso la placenta. Ma dopo la nascita, dobbiamo progressivamente passare a
un’altra forma di emoglobina, chiamata “adulta”, più adatta per respirare attraverso i
polmoni. Questo cambiamento è mediato da una breve sequenza del genoma
specifica delle cellule ematopoietiche che determina lo spegnimento del gene fetale
a favore di quello adulto.
La terapia CRISPR permette di inattivare tale sequenza ed invertire il fenomeno a favore dell’emoglobina fetale risolvendo la patologia. Il fatto che la sequenza bersaglio sia specifica per le cellule del sangue, impedisce che questa strategia abbia conseguenze in altri distretti.
Tra il novembre 2020 e l’agosto 2021, due fratelli di 19 e 23 anni sono stati trattati
con successo con questa terapia presso l’ospedale Bambin Gesù di Roma e godono
attualmente di ottima salute, con significativa riduzione della sintomatologia
anemica.
Amiloidosi da accumulo di transtiretina
Quando la patologia è a carico di un distretto tissutale che si rigenera a partire da cellule staminali, come il sangue o gli epiteli, può esistere la possibilità di intervenire “ex vivo”. Ciò garantisce la possibilità di validare adeguatamente la modifica genetica prima di “installarla” nel paziente.
Nei casi in cui ciò non è possibile, l’approccio di gene editing diventa estremamente complesso perché deve raggiungere con la modifica tutte le cellule necessarie ad una risposta terapeutica. Una patologia di questo tipo che è attualmente sotto il mirino di approcci CRISPR è l’amiloidosi da accumulo di transtiretina (amiloidosi ATTR). L’amiloidosi ATTR è una malattia genetica rara caratterizzata dalla formazione di depositi anomali di una proteina epatica all’interno di vari tessuti e organi del corpo. Questi depositi si accumulano nei tessuti e negli organi, interferendo con la loro normale funzione e causando danni progressivi.
Due diverse biotech (Intellia Therapeutics e Regeneron Pharmaceuticals) hanno
sviluppato un approccio sistemico che mediante l’uso di vettori lipidici ha permesso
di veicolare il complesso CRISPR in forma di RNA direttamente nel fegato a seguito
di iniezione endovenosa. Il risultato è stato una significativa riduzione della
produzione della transtiretina mutata che si è dimostrata efficace e duratura nel
tempo.
Questo è il primo esempio in cui la terapia CRISPR è stata utilizzata con
successo per via sistemica, e ciò è stato possibile grazie a due aspetti chiave della
malattia. Innanzitutto, l’enzima coinvolto si trova nel fegato, un organo facilmente
raggiungibile con un’infusione venosa. In secondo luogo, per ridurre l’attività
dell’enzima, è sufficiente distruggere la sequenza di DNA responsabile della sua
produzione secondo il primo meccanismo di riparo citato in precedenza.
Conclusioni
L’editing genomico, con il suo potente strumento CRISPR-Cas9, rappresenta una
rivoluzione nella medicina e nella ricerca scientifica. Grazie a questa tecnologia, gli
scienziati possono apportare modifiche mirate al DNA, offrendo nuove speranze di
trattamento per malattie genetiche che difficilmente potrebbero essere trattate
altrimenti. Sull’onda di questo ottimismo, c’è un emergente interesse dell’industria
biotecnologica italiana nello sviluppo di approcci bassati su gene editing. Alia
Therapeutics è il primo spin-off italiano interamente dedicato allo sviluppo sia di tecnologie CRISPR che di suoi approcci terapeutici.
Questa realtà punta a basare le proprie strategie su strumenti molecolari sviluppati proprio dall’università di Trento, in particolar modo una variante della
proteina Cas9 (chiamata evoCas9) che presenta una specificità superiore rispetto
alla tradizionale forbice molecolare.
Nonostante i successi ottenuti, ci sono ancora sfide da affrontare, come migliorare la
specificità, sviluppare strategie di somministrazione più precise e ridurre i rischi di
effetti indesiderati. Spinti da questi propositi, sono attualmente in sviluppo nuovi
approcci di gene editing basati su sistemi CRISPR che non determinano un danno al
DNA. Questi sistemi consentiranno di apportare modifiche precise a geni difettosi,
senza tagliare direttamente i geni, ma attraverso una sorta di riscrittura degli stessi.
