Hệ thống chuyển tải gen và ứng dụng trong liệu pháp điều trị gen doc

Hệ thống chuyển tải gen và ứng dụng trong liệu pháp
điều trị gen
TS. Tạ Thành Văn
Bộ môn Hóa-Hóa sinh, Trờng Đại học Y Hà Nội

I. Giới thiệu chung
Việc áp dụng liệu pháp điều trị gen trong y
học là hớng điều trị đang đợc nghiên cứu
rộng rãi hiện nay. Liệu pháp này đợc thực
hiện bằng việc chuyển giao gen lành sang các
dòng tế bào bị đột biến gen của bệnh nhân
mắc bệnh di truyền. Các bệnh lý di truyền của
cơ quan tạo máu và của hệ miễn dịch là lĩnh
vực đầu tiên đợc nghiên cứu theo hớng áp
dụng liệu pháp điều trị gen. Ngày nay hớng
nghiên cứu điều trị này đợc triển khai trong
nhiều trờng hợp bệnh lý mà nguyên nhân là
do rối loạn hoặc tổn thơng hệ thống di truyền
nh: các loại hình ung th, các bệnh thơng
tổn hệ thống thần kinh bẩm sinh, hay do tuổi
già, đái tháo đờng, bệnh lý bẩm sinh của cơ
(dystrophy), bệnh của cơ quan tạo máu (1-3).
Nguyên tắc cơ bản để đạt đợc sự thành
công trong liệu pháp đIều trị gen là: 1, Đạt
đợc hiệu suất cao trong việc cấy gen lành vào
tế bào đích. 2, Gen cấy phải hoà nhập vào hệ
thống di truyền của tế bào nhận, hoạt động
hiệu quả và lâu dài để có thể làm thay đổi kiểu
hình của bệnh. Điều khác cũng không kém
phần quan trọng là phải hạn chế tai biến cho
bệnh nhân và chi phí thấp. Trong bài viết này,

tác giả đề cập đến các phơng tiện chuyển tải
gen, khâu then chốt nhất trong liệu pháp điều
trị gen.
Hệ thống chuyển tải gen tới tế bào đích.
Mục tiêu quan trọng nhất đối với việc phát
triển phơng pháp điều trị gen là tạo ra các
vector có khả năng chuyển tải và thể hiện gen
tại các tổ chức cần điều trị. Thế hệ đầu tiên của
các vector là việc sử dụng hệ thống virus để
chuyển tải các thông tin di truyền đến các tế
bào của ngời. Tiếp sau đó, các nhà khoa học
đã cố gắng phát triển các thế hệ vector không
thuộc hệ virus hoặc hệ lai giữa hai hệ thống đó
để tăng tính an toàn. Gần đây phơng pháp
dùng các tế bào gốc của ngời làm phơng
tiện chuyển tải gen điều trị tới quần thể tế bào
bệnh đặc hiệu đang đợc nghiên cứu áp dụng
(hình 1).
Mau
To chuc
Nhan
Te bao dich
Tac dung
sinh hoc

Hình 1: Các quá trình sinh học của việc
chuyển gen in vivo
(1) Các phơng tiện chuyển tải gen (virus,
không phải virus, tế bào) tới tế bào đích qua hệ
thống tuần hoàn hoặc trực tiếp tại chỗ. (2)

Vector xâm nhập vào tế bào đích thông qua
receptor đặc hiệu trên bề mặt tế bào (Rv). (3)
Tế bào tiếp nhận vector và vận chuyển vào
nhân. (4) Quá trình sao chép gen ghép trong
nhân. (5) Quá trình giải mã để tổng hợp protein
điều trị ở bào tơng. (6) Quá trình tơng tác
của protein mới tổng hợp với receptor đặc hiệu
tại chính tế bào sản xuất ra nó hoặc các tế bào
bên cạnh hoặc lu thông trong hệ thống tuần
hoàn để tới các tế bào đích ở tổ chức khác. (7)
Sau khi tơng tác với receptor protein điều trị
phát huy tác dụng sinh học.
1. Vector có nguồn gốc từ virus
Vector có nguồn gốc từ virus (virus-vector) là
phơng tiện vận chuyển gen thuộc thế hệ đầu

107
Bài viết đợc thực hiện tại bộ môn Sinh học phân tử, khoa Y, Trờng Đại học Kyoto, Nhật Bản.

tiên đợc ứng dụng cho tế bào ngời. Đa số các
virus-vector sử dụng trên lâm sàng có nguồn gốc
từ retrovirus hoặc adenovirus. Một số virus-vector
có nguồn gốc từ các loại virus khác nh
lentivirus, herpes virus, pox virus cũng đang
đợc nghiên cứu áp dụng (4). Các phần tử
retrovirus mang gen ghép có khả năng xâm nhập
vào hệ thống gen của tế bào chủ để tạo ra dòng
tế bào mang gen ghép ổn định. Các retrovirus
trớc hết đợc tổng hợp thông qua sự sao chép
trong tế bào đóng gói (packaging cell) đặc hiệu

sau khi tế bào này đợc chuyển gen từ retrovirus
-vector. Các hạn chế chính trong việc áp dụng
retrovirus -vector là hiệu lực virus thấp, không có
khả năng nhiễm vào tế bào không phân chia, và
tiềm ẩn khả năng gây đột biến cho tế bào chủ.
Khác với retrovirus, adenovirus có hiệu lực cao
song lại không có khả năng xâm nhập vào hệ
thống gen của tế bào chủ để tạo ra dòng tế bào
ổn định mang gen ghép. Tuy vậy adenovirus có
thể xâm nhập vào cả tế bào đang trong giai đoạn
phân chia lẫn ở trạng thái nghỉ. Adenovirus là yếu
tố gây bệnh của ngời và do vậy đa số ngời
bệnh trong tiền sử đều đã từng bị nhiễm. Do vậy
trong máu bệnh nhân thờng tồn tại một lợng
nhất định kháng thể kháng virus. Chính điều này
làm ảnh hởng đến việc áp dụng adenovirus
trong điều trị. Việc sử dụng adenovirus không
phải nguồn gốc ngời có thể tránh đợc hạn chế
này trong điều trị. Tuy vậy hiệu quả của việc áp
dụng adenovirus lần 2 thờng hạn chế hơn lần
đầu. Nói tóm lại việc áp dụng virus-vector trong
điều trị ghép gen trong tơng lai sẽ phụ thuộc vào
các hệ thống điều hòa gen bao gồm gen công
tắc (hoạt động theo cơ chế đóng mở), promoter
đặc hiệu tổ chức để cho phép sự thể hiện gen
đợc thực hiện một cách chuẩn xác về thời điểm,
vị trí trong một khoảng thời gian mong muốn.
Các phơng tiện chuyển gen nguồn gốc
không phải virus.
Cho đến thời điểm này việc tạo ra các

phơng tiện vận chuyển gen nguồn gốc không
phải từ virus còn nhiều hạn chế. Việc áp dụng
các chất mang gen này mang lại độ an toàn
cao, độc tính thấp song lại bị hạn chế do hiệu
quả chuyển gen thấp. Tuy nhiên trong thời gian
gần đây, việc tổng hợp ra các chất mang
gen mới có bản chất là lipid và các chất mang
cationic polymer đã làm tăng đáng kể hiệu quả
của việc chuyển gen (5). Để tạo ra phơng tiện
vận chuyển gen có hiệu quả cao, độc tính thấp,
các nhà khoa học đang nghiên cứu tạo ra
phơng tiện chuyển gen có nguồn gốc trung
gian giữa virus và tổng hợp (6). Phơng tiện
này sẽ kết hợp đợc u điểm của cả hai
phơng pháp, hiệu quả chuyển gen cao (nguồn
gốc virus), độc tính thấp (nguồn gốc tổng hợp),
(hình 2).
Te bao dich
Nhan

Hình 2: Cơ chế hoạt động của phơng tiện
vận chuyển gen tổng hợp
(1) Gen cô đặc (bởi protamine sulfate)
cùng với yếu tố đặc hiệu màng đợc bao phủ
(bởi polyethylene-glycol) lu thông trong máu
đến tế bào đích. (2) Phức hợp gen-yếu tố đặc
hiệu màng gắn vào màng tế bào đặc hiệu. (3,
4) Phức hợp đợc vận chuyển vào trong tế bào
và tiến đến nhân. (5, 6) Phức hợp xâm nhập
vào nhân, hoà vào bộ gen của tế bào đích và

quá trình sao chép, tổng hợp protein đợc khởi
động.
2. Vận chuyển gen bằng tế bào gốc.
Trong y học, mặc dù việc dùng tế bào để
điều trị (chẳng hạn nh truyền máu) đã đợc
áp dụng cách đây hàng thập kỷ song việc lấy
tế bào bệnh của bệnh nhân, đa gen lành vào
rồi đa lại vào cơ thể ngời bệnh là hớng
nghiên cứu mới mẻ (4, 7). Việc sử dụng tế bào
gốc của ngời bệnh để đa gen lành vào sau
đó cấy trở lại cơ thể bệnh nhân nhằm tái tạo ra
nhiều dòng tế bào mang gen lành trong một cơ

108
quan nhất định nào đó là hớng nghiên cứu
đợc nhiều ngời quan tâm nhất hiện nay. Các
nghiên cứu gần đây tập chung vào việc sử
dụng các tế bào tạo máu, tế bào gốc thần kinh
và các tế bào gốc của bào thai cho mục đích
này. Tuy nhiên có nhiều vấn đề cần phải đợc
giải quyết đó là: 1) Tìm ra môi trờng phân lập
và nuôi cấy thích hợp đối với từng loại tế bào
gốc. 2) Tìm ra điều kiện thích hợp để tế bào
gốc mang gen ghép có thể biệt hóa thành tế
bào mong muốn cần điều tri. 3) Tạo ra các
vector thích hợp để đa gen cần điều trị vào tế
bào gốc và thúc đẩy gen này hòa vào bộ gen
của tế bào chủ một cách ổn định.
II. Kết luận
Các nhà khoa học đang cố nghiên cứu

nhằm tìm ra một vector hoàn hảo thỏa mãn
tất cả các yêu cầu của liệu pháp điều trị gen.
Tuy vậy cũng cần phải nhấn mạnh rằng vector
hoàn hảo đó sẽ không phải là công cụ đa
năng bởi lẽ mỗi loại bệnh tật sẽ đòi hỏi một kỹ
thuật chuyên biệt với một vector đặc hiệu. Ví
dụ: một số bệnh chỉ đòi hỏi sự chuyển gen cục
bộ nh các bệnh Parkinson, viêm võng mạc,
thiếu máu cục bộ trong khi một số bệnh khác
lại đòi hỏi sự chuyển gen cho cả một hệ thống
trong cả một thời gian dài nh bệnh xơ vữa
động mạch, ung th. Đối với một số bệnh sản
phẩm của các gen ghép là protein có thể đợc
tổng hợp từ tế bào của nhiều tổ chức khác
nhau trong cơ thể nh yếu tố VIII, IX trong
hemophilia A và B, các hormone Song trong
một số bệnh khác, sản phẩm gen ghép chỉ cần
đợc tổng hợp trong một giai đoạn nhất thời
nh giai đoạn tiền ung th. Thêm vào đó trong
một số trờng hợp sản phẩm của gen ghép
không cần phải kiểm soát chặt chẽ nh yếu tố
VIII, IX trong hemophilia A và B thì ở bệnh tiểu
đờng, lợng insulin tổng hợp cần phải đợc
điều hòa hết sức nghiêm ngặt. Cho đến nay
một số vector đặc hiệu cho một số bệnh đã
đợc áp dụng trên lâm sàng (bảng 1) và đã
đợc cấp bản quyền song việc tạo ra một
vector hoàn hảo vẫn luôn là một trở ngại nhất
trong liệu pháp điều trị gen.
Bảng 1: Các hệ thống chuyển tải gen

(vector) và số lần thử nghiệm trên lâm sàng
(1992-2001)
Hệ thống chuyển tải
nghiệm
Số lần thử
Retrovirus 67
Liposome 59
Adenovirus 54
Tế bào gốc 20
Pox virus 26
Phơng pháp khác* 16
AND tự do 8

*, Electroporation, súng bắn gen
Tài liệu tham khảo
1. Anderson, W. F. Human gene therapy.
Nature 392, 25-30 (1998).
2. Sneyers, M., Dumon, J-C., Vanerenbergh, B
et al. Gene therapy clinical trial in Belgium.
Human gene therapy 12, 1361-1365 (2001).
3. Rubanyi G.M. The future of human gene
therapy. Mol. aspects med. 22, 113-142
(2001).
4. Halene, S., Kohn, D. B. Gene therapy using
hematopoetic stem cells: Sisyphus approaches
the Crest. Human gene therapy 11, 1259-1267
(2000).
5. Li, S., Huang, L. Nonviral gene therapy:
Promises and challenges. Gene therapy 7, 31-
34 (2000).

6. Kaneda, Y. Development of a novel
fusogenic viral liposome system (HVJ-
liposomes) and its applications to the treatment
of acquired diseases. Mol. Membr. Biol. 16,
119-122 (1999).
7. Kohn, D. B. Gene therapy for genetic
haematological disorders and
immunodeficiencies. J. Inter. Med. 249, 379-
390 (2001).

109
Summary
Gene delivery system and its application in gene
therapy
Human gene therapy (HGT) is one of the new therapeutic approaches emerging from this
molecular biology and biotechnology revolution. HGT is defined as the transfer of nucleic acides
(DNA) to somatic cells of a patient, which results in a therapeutic effect, by either correcting genetic
defects or by overexpressing proteins that are therapeutically useful.
HGT is a complex process, involving multiple steps in the human body including delivery to
organs, tissue targeting, cellular trafficking, regulation of gene expression level and duration,
biological activity of therapeutic protein, safety of the vector and gene product ect, most of which
are not completely understood. However, over the recent years, significant progress has been
made in various enabling technologies, in the molecular understanding of diseases and the
manufacturing of vectors. The technical advances together with the ever increasing knowledge and
experience in the field will undoubtedly lead to the realization of the potential of HGT in medicine.


110