מדענים מפתחים מתגים מולקולריים שיכולים להשבית פעולה של גנים מושתלים הסוללים את הדרך לריפוי גֶני בטוח יותר. המטרה הראשונה: טיפול טוב בסרטן

בקיצור

  • הניסיונות המוקדמים בטיפול גני נתקלו בבעיות, בין השאר משום שחוקרים לא יכלו לשלוט במידת הפעילות של הגנים שאך זה הוחדרו.
  • חוקרים מנסים להתגבר על הבעיה באמצעות פיתוח מתגים מולקולריים שיוכלו לווסת באמינות מרבית את תפקוד הגן המושתל בשליטה מרחוק.
  • כמה מן המתגים הגניים האלה כבר שולבו בניסויים קליניים בבני אדם עם טיפולים חיסוניים ניסיוניים נגד סרטן.

 

"בני אדם אינם משילים את עורם," כך אומר לי ר' ג'יי קירק, מיליארדר "גיק" המנהל את עסקיו מן המשרדים שלו השוכנים באזור שליו מחוץ לווסט פאלם ביץ' שבפלורידה, מוקף בשקנאים ובמנגרובים סבוכים. קירק צבר את הונו מתרופות שגרתיות הניטלות בגלולות, ואני התקשרתי אליו כדי לשוחח עמו על היוזמות החדשות שלו בתחום הביוטכנולוגיה. לא ציפיתי לשמוע ממנו על רמשים. אבל בשיחתנו אני למד שלתהליך ההתנשלות, שבמהלכו חרקים בונים לעצמם שלד חיצוני חדש, שיחליף את הישן שכבר אינו מתאים למידותיהם הגדלות, יש כמה מאפיינים בולטים שאפשר לאמצם כדי לעשות את הריפוי הגֶני – עדיין תהליך ניסיוני במידה רבה – לבטוח יותר.

רופאים מעוניינים לטפל באנשים הסובלים ממגוון של מחלות תורשתיות באמצעות עותקים של גֶנים תקינים, שבין שאר תפקידיהם מספקים לתאים הוראות לייצור חלבונים. החדרה לגוף של גן פעיל יכולה אפוא לספק לחולה באופן שוטף את החלבונים החסרים לו. אבל לריפוי הגני היסטוריה בעייתית בין השאר מפני שמדענים אינם יכולים לשלוט במדויק במיקום שבו חודר הגן לתוך הדנ"א של התא ובמידת הפעילות שלו שם (מה שקובע את כמות החלבון שייווצר). בעיות אלה עלולות להוביל לתופעות לוואי בלתי רצויות, ובהן התפתחות של גידולים סרטניים.

מֶתֶג שבאמצעותו נוכל ולכבות ולהדליק כרצוננו ובאופן אמין את הגן שהוחדר למטרות ריפוי, ימנע ייצור של חלבונים במקומות בלתי רצויים ובכמויות מזיקות. זהו פתרון הגיוני, ובמקרה, חרקים משתמשים במתגים כאלה בדיוק לבקרת ההתנשלות, אומר קירק, המכהן כיושב ראש וכמנכ"ל חברת Intrexon, המפתחת שיטות חדשות בהנדסה גנטית.

לב העניין הוא זה: חרקים אינם מתנשלים "בערך", הם אינם מתחילים את התהליך ואז עוצרים באמצע. התהליך הרבה יותר נחרץ, או שהם מתנשלים באופן מלא או שהם אינם מתנשלים כלל. המסלול הגנטי שמניע את התהליך חייב להישאר כבוי באופן מוחלט עד שמגיע הזמן המתאים. הגֶן שמעניין את קירק משמש כמתג ראשי השולט על כל הפעילות הזאת. הגן מכיל את הקוד לייצור הורמון הקרוי אֶקדיסון. כשמולקולות אֶקדיסון מציפות את גוף החרק הן מפעילות סדרה של גנים אחרים שגורמים להתחלת הבנייה של שלד חיצוני חדש. כשהשלד החיצוני מוכן, החרק מסלק את הישן. כשההתנשלות קרֵבה לסיומה יורדות רמות האֶקדיסון לאפס והמסלול הגנטי כבֶה. ומה שחשוב יותר מנקודת מבטה של חברת אינטרקסון: הכיבוי מוחלט, התנשלות אינה מתרחשת כלל בהיעדר אֶקדיסון. המתג אינו מאפשר לסדרת הגנים הזאת לפעול שוב יחד עד תחילת ההתנשלות הבאה.

מדעני החברה החליטו להפיק תועלת מן המאפיינים חסיני הטעות האלה כדי להדק את השליטה בגנים שיושתלו בבני אדם. תארו לכם את האפשרות לצייד כל גן המושתל למטרות טיפול במתג ביולוגי, שנדלק ומשפעל את הגן המוחדר אך ורק בנוכחות מולקולות אֶקדיסון שהותאמו לעבוד בתנאים הפיזיולוגיים השוררים בגוף האדם. כשהחולים יקבלו מנות קטנות של התרופה המשַפעלת הזאת, המכונה בשפה המקצועית ליגנד, יופעלו עותקים מעטים של הגן המושתל, ולכן ייווצרו בתא כמויות קטנות של החלבון המקוּדד בגן הזה. כשחולים יקבלו מנות גדולות של התרופה, יופעלו עותקים רבים של הגן וייווצרו כמויות גדולות של התרכובת המבוקשת. במצב חירום בלתי צפוי, הוצאת הליגנד תעצור את התהליך כולו מפני שבהיעדר אֶקדיסון הגנים שהוחדרו אינם פעילים. יתרון נוסף של השיטה נובע מכך שאֶקדיסון אינו מגיב עם שום גן אנושי בגוף האדם משום שגוף האדם אינו משתמש בהורמון הזה ואינו נזקק לו לוויסות פעילות גנטית. או כפי שמנסח זאת קירק, "בני אדם אינם עוברים התנשלות."

איור מתג לכיבוי ולהדלקה של גנים קרדיט: ג'ורדנו פולני | Scientific American
איור: ג'ורדנו פולוני

במרוצת שמונה השנים האחרונות חיברה אינטרקסון את מתגי האֶקדיסון שלה לאלפי גנים אנושיים והדגימה בניסויים במעבדה שלמעשה אפשר לשלוט בכל גן בגוף האדם באמצעות ההורמון. בנוסף, הוסיפו החוקרים בקבוצתו של קירק שכבת ריסון נוספת: היא חיברה את המתגים למקַדמים (פרומוטרים) הפועלים רק בתאים מסוג מסוים. המקדמים הם מקטעים של חומר גנטי הגורמים לגנים לפעול (או "להתבטא") רק ברקמות מסוימות, כמו תאי עצב, תאי דם או תאי כבד, או רק בתנאים מסוימים כמו רמת חמצן נמוכה האופיינית לגידולים סרטניים. הוספת שומרי־סף מולקולריים כאלה מפחיתה עוד יותר את הסיכון לתופעות לוואי בלתי רצויות באזורי גוף שאינם מטרת הטיפול.

בינתיים, קבוצות מחקר אחרות נעזרות בתהליכים ביולוגיים שונים כדי לפתח מתגים גנטיים משלהן וגם הן מוסיפות למתגים האלה מנגנוני בקרה. בסופו של דבר, היכולת להשתיל כמה גנים, שהפעילות של כל אחד מהן ניתנת לוויסות באמצעות מתגים, תעשה את הריפוי הגני בטוח ויעיל דיו כדי להשתלב בזרם המרכזי ברפואה. זה הרעיון, לפחות. ניסויים ראשונים בבני אדם מלמדים שגישת המתג אכן עשויה לפעול כמתוכנן. עד עכשיו ניסו את הגישה בעיקר בטיפול נגד סרטן ושם כנראה היא תטביע את חותמה לראשונה.

ניסויים רפואיים ראשוניים

חוקרים מתמקדים בניסיון להשתמש בגישת המתגים כדי להקל על החולים את תהליך הטיפול החיסוני בסרטן. גישת הטיפול החיסוני (אימונותרפיה) בסרטן, שעלתה לאחרונה לכותרות, שואפת לעורר מחדש את התגובה החיסונית של הגוף לאחר שאותות כימיים שהפיץ הגידול הסרטני הרדימו אותה, או להתניע תגובה אנטי-סרטנית חדשה לגמרי ובעלת עוצמה רבה שמערכת החיסונית הטבעית אינה יכול להשיג בכוחות עצמה. הצרה היא שאתחול מחדש של מערכת החיסון עלול בקלות לצאת משליטה ולגרום לחום גבוה שיסכן את חיי המטופלים או להביא להצטברות קטלנית של נוזלים בגוף.

ניסויים רפואיים מצומצמים, הבוחנים מתגים גניים, נערכים כעת במטופלים שנבחרו בקפידה הסובלים מגידולים חוזרים של מלנומה (סוג של סרטן עור) וסרטן השד. בניסויים האלה, הרופאים מטפלים באחד או בשניים מן הגידולים הממאירים בגופם של החולים האלה. הם מזריקים לגידולים גנים שתוכננו להאיץ ייצור של ציטוקינים, מולקולות איתות (כמו אינטֶרפֶרוֹן ואינטֶרלוּקינים שונים) המשמשים את מערכת החיסון בוויסות המלחמה שהיא מנהלת בגידולים. חוקרים סבורים שאין צורך בטיפול בכל גידול וגידול בגוף החולה, משום שכשהמערכת החיסונית מופעלת כראוי להתמודדות עם אזור אחד של תאים סרטניים היא תתחיל לחפש בגוף אזורים נגועים אחרים ללא כל המרצה נוספת.

ציטוקינים מעוררים מגוון רחב של תגובות פיזיולוגיות. הם מרחיבים, למשל, צינורות דם כדי להקל על תאי מערכת החיסון להגיע במהירות אל זירת ההתרחשות של דלקת, או משפעלים תאי T תוקפניים המתמחים, בין השאר, בהשמדת תאים סרטניים. אבל עד כה נכשלו הרופאים בטיפול באמצעות אחד הציטוקינים החזקים ביותר, הידוע כאינטֶרלוּקין 12, או IL-12.

הכישלון נובע בחלקו מהנטייה של IL-12 לשחרר "סערת ציטוקינים" שבמהלכה נראה כאילו המערכת החיסונית משתוללת ומתפרצת נגד הגוף. אינטֶרלוּקין 12 עלול לגרום לירידה חדה בלחץ הדם, לקשיים בפעילות הריאות, לבעיות בלב, וכל אלה יחד עלולים להוליך לכשל איברים ולמוות. ועם זאת, אומר לורנס קופר, רופא-מדען במרכז לסרטן על שם מ' ד' אנדרסון באוניברסיטת טקסס ומנכ"ל חברת הביוטכנולוגיה Ziopharm Oncology, "יש טונות של מאמרים מדעיים על היעילות של IL-12 בסביבה התאית של הגידול. אינטֶרלוּקין 12 הוא הגביע הקדוש של הטיפול החיסוני." הרעיון אפוא הוא להחדיר לגידול יחיד את הכמות המרבית של IL-12 שלא תעורר סערת ציטוקינים. כאן עשויה טכנולוגיית המתג לחולל מהפכה.

חוקרים החדירו לתוך גידול בחולה גנים ל-IL-12 מחוברים למתג. הגנים התמקמו בתאים רבים, ובהם תאי מערכת החיסון שכבר היו שם והמריצו את פעולתם. היות שהמתג משופעל רק בנוכחות ליגנד, רופאים יכולים להגדיל את רמות הציטוקין בגידול בזהירות מחושבת על ידי העלאה אטית במינון התרופה שהם נותנים לחולה. אם מתחילה להתפתח סערת ציטוקינים הם יכולים לדלג על המנה הבאה בתור וכך למנוע את עיקר הנזק.

צילום של פרפר בתהליך התנשלות הנשלט על ידי ההורמון אקסידון, שלא תפקיד מפתח במתגים גניים. צילום: ספטן קרסמן, סיינס  סורס | Scientific American
בהשראת הטבע: ההורמון אֶקדיסון מבקר את תהליך ההתנשלות המעצב את צורתם של חרקים רבים, כמו פרפר זה, לצורתם הבוגרת. חברה ביוטכנולוגית משתמשת כעת באֶקדיסון כבמתג ביטחון הנחוץ מאוד בריפוי גני. (צילום: סטפן ג'יי קרסמן, סיינס סורס)

חברת זיופרם שעובדת בשיתוף פעולה עם חברת אינטרקסון על פיתוח מתג שיאפשר טיפול בבני אדם באמצעות ציטוקין, מדווחת על התקדמות מעודדת עד עתה. קירק מודה שהם בוחנים גן אחר, בעל עוצמה פחותה מזו של IL-12 לבדיקת הגישה שלהם, מפני שצעד מוטעה קטן ביותר בשימוש ב-IL-12 עלול להיות קטלני. אבל, הוא אומר, "בחרנו את אחד מן הגנים הקשים ביותר כדי לבחון את המתג במצבים קיצוניים." ובמילים אחרות, האם גם בתנאים כאלה, מתג כבוי יישאר סגור לגמרי?

תוצאות משני ניסויי בטיחות שנוהלו בכמה מרכזים רפואיים (בסך הכול בפחות מ-40 חולים) מלמדות שהתשובה לשאלה היא: כן. אף שאיש לא נרפא, מערך הרכיבים המבוקר באמצעות מתג הוכח כבטוח לשימוש במידה סבירה. כמצופה, כמה מן החולים החלו להראות סימנים של תגובת-יתר מסוכנת, אך היא שככה מיד לאחר שהפסיקו לבלוע גלולות של אֶקדיסון.

החוקרים מצאו גם רמזים לכך שהטיפול יכול לעזור. באחד המחקרים הם הזריקו את הגן המחובר למתג ל-12 מטופלות עם סרטן שד גרורתי. כל אחת מהן כבר עברה בממוצע שמונה טיפולים קודמים בסרטן, ותקוותן לשרוד הלכה ופחתה. מסיבות שונות, החוקרים הצליחו להעריך את השפעת הטיפול החדש רק על שבע מטופלות. הטיפול ב-IL-12 כיווץ כמה מן הגידולים ובשלוש מטופלות נראה שהמחלה לא התפשטה, לפחות בתקופה הקצרה של משך הניסוי. במחקר הבטיחות השני, שבו השתתפו 26 חולים שעברו קודם בממוצע שישה טיפולים במלנומה גרורתית, נמצאה עלייה ברמת הציטוקין ובפעילות אנטי-סרטנית אחרת. במאי 2015 החלה חברת זיופרם מחקר אחר שבו השתמשה בגנים של IL-12 מחוברים למתג כטיפול ניסיוני בגליובלסטומה רב־צורנית, סוג אלים במיוחד של סרטן מוח.

מתגים ריבוזימיים

ריצ'רד מליגן מבית הספר לרפואה באוניברסיטת הרווארד עובד על מתג מסוג שונה. הגישה שלו מתבססת על מולקולות רנ"א קטנות המצויות בתא באופן טבעי: ריבּוֹזימים, שהתגלו בשנות ה-80 של המאה ה-20. ריבוזימים פועלים כמו אנזימים ומזרזים תגובות כימיות בתא, אלא שלא כמו רוב האנזימים שהם חלבונים, הריבוזימים בנויים מרנ"א. ריבוזימים מתאימים לשמש כמתגים מפני שכמה מהם מסוגלים לחתוך את עצמם ולגרום למולקולות הנושאות מידע גנטי, שאליהן הם קשורים, להשמיד את עצמן.

במערכת הכימית שבנה מוליגן, הריבוזים אינו קשור לגן "קלסי" אלא למולקולת רנ"א־שליח (mRNA). בתהליך ייצור חלבונים בתא, קטע הדנ"א של הגן משועתק קודם כול למולקולה של רנ"א־שליח (כעין עותק חד-גדילי נייד), אחר כך, הרנ"א השליח מתורגם לחלבון. מנקודת המבט של התא, הוספת מקטע של דנ"א או הוספת עותק של אותו גן בצורת רנ"א־שליח, יביאו לאותה תוצאה: ייצור של חלבון מסוים.

כצעד ראשון, בנו החוקרים גדיל של דנ"א המכיל שני קודים: האחד הוא רצף של ריבוזים בעל יכולת חיתוך עצמי והשני קוד לייצור חלבון מסוים שנבחר למטרות טיפול. אחר כך הם הזריקו את הגדיל הזה לגוף המטופל. כשתא של אדם משעתק את הדנ"א הסינתטי הזה נוצר רנ"א־שליח בעל שני חלקים: ריבוזים וקוד לייצור חלבון. ואולם, הריבוזים יחתוך את עצמו ויפגום במבנה הרנ"א השליח כולו. מנגנוני התיקון בתא יזהו את הרנ"א השליח הפגום, יפרקו אותו ויעצרו את תהליך ייצור החלבון. התוצאה, למעשה, זהה לכיבוי הגן.

היכולת להשתיל כמה גנים, שהפעילות של כל אחד מהן ניתנת לוויסות באמצעות מתגים, תעשה את הריפוי הגני בטוח ויעיל דיו כדי להשתלב בזרם המרכזי ברפואה.

כבר בשנת 2000 הראו רונלד ר' בריקר ועמיתיו באוניברסיטת ייל כיצד להגן על הרנ"א השליח ועם זאת להפסיק את סינתזת החלבון כשצריך. הסוד הוא לקשור את הריבוזים למולקולה נוספת הקרויה אַפְּטַמר (aptamer): כעין חיישן רגיש לתרופה. בנוכחות התרופה (ואך ורק בנוכחות התרופה) החיישן משנה את צורתו בדרך המונעת מן הריבוזים להרוס את הרנ"א השליח. כשהרנ"א השליח שלם ותקין, התא מייצר את החלבון. כשמסלקים את התרופה המפעילה את החיישן, הריבוזים והרנ"א השליח עוברים הרס עצמי.

ב-2004 מייצרים מליגן ועמיתיו באופן שגרתי מתגי ריבוזים המצוידים בחיישנים רגישים־לתרופה שהותאמו בקפידה, והוא ממשיך לשכלל את הטכנולוגיה היום. מליגן אומר שאפשר לתכנן את החיישן כך שיפעל ברמת ספציפיות גבוהה ובדרך זו להפחית עוד יותר את הסיכון של תופעות לוואי בלתי רצויות. המערכת הזאת, כמו המתג תלוי האֶקדיסון, תאפשר ייצור של חלבון רק אם המטופל יבלע את התרופה המתאימה. קחו את הגלולה והפעילו את הגן, הפסיקו לבלוע אותה והגן יכבה.

ריבוי מתגים

אף שמתגים הפועלים על גן אחד עדיין לא הגיעו לשכלול מרבי, חוקרים צופים שבעתיד הלא רחוק שימוש ביותר ממתג אחד ייעשה עניין שבשגרה, ויאפשר להגביר את הדיוק בריפוי גני. טיפול משולב שיכלול שיטות אנטי־סרטניות אחרות יחד עם שימוש במתגים לבקרה על ריפוי גני, יוכל להניב פירות יוצאים מן הכלל.

לורנס קופר ממרכז אנדרסון כבר משלב בקרת גנים באמצעות מתגים עם טיפול תאי בסרטן. הגנים ייצרו שני חלבונים: IL-12 וציטוקין אחר הקרוי IL-15. בדיקות במעבדה מרמזות ש- IL-15מגביר את יעילותו של IL-12 בהמרצת תאי מערכת החיסון. החלק השלישי של הטיפול הניסיוני זה, הטיפול התאי, מתמקד בקבוצה של תאי חיסון שעברו שינוי באמצעות הנדסה גנטית הקרויים תאי T מסוג CAR [מילולית: מכונית]. התאים האלה מצטיינים בכיוון כוח האש שלהם נגד רקמות סרטניות בהשוואה לתאי חיסון טבעיים. אם קופר יוסיף לתאי ה-T מסוג CAR גם גנים של IL-12 ושל IL-15 שיופעלו באמצעות מתגים, הוא יוכל להגביר את עוצמתם ויעילותם של התאים האלה. מכיוון שלכל מתג יש חומר משפעל משלו, יוכל קופר לווסת את רמות ה-IL-12 וה-IL-15 באופן בלתי תלוי זו בזו. בדרך זו הוא יוכל אפוא לכוונן את הטיפול לקבלת תוצאות מיטביות תוך שימוש בכמויות מזעריות ככל האפשר של IL-12 וכך למזער את הסיכון של שחרור סערת ציטוקינים. במעט שובבות, קופר מכנה את המערכת החדשה של התאים המהונדסים "מכוניות בשלט רחוק".

עדיין נותרו משוכות טכניות רבות, אבל קשת האפשרויות להתקדמות מתחילה להיפרס. אם החדרת גנים חדשים לגופנו בשנות ה-90 הייתה הדור הראשון של ההנדסה הגנטית, הרי שבקרת גנים מבוססת-מתג היא הדור השני. יום יבוא וגלולות רבות שהרופאים ירשמו לחולים ישמשו להפעלת גנים מושתלים שונים בתזמון הנכון ובמיקום הנכון בגוף. טיפול כזה יחליף את השימוש בחומרים רבי עוצמה המציפים את האיברים והרקמות ופועלים בכל הגוף, גם במקומות שהם אינם נחוצים, וגורמים לתופעות לוואי. חברות התרופות יפסיקו לייצר רבים ממוצריהם במכלי ענק או בביו-ריאקטורים. במקום זאת, טיפולים גניים חדשים יאפשרו לחולים לייצר בקצב מהיר מולקולה מסוימת בדיוק במקום ובזמן שהיא נחוצה ביותר בגוף.


טוב לדעת

כיצד זה פועל: שתי אסטרטגיות לבקרת פעילות גנים באמצעות גלולות. איור: טומי טולפה | Scientific American

כיצד זה פועל: שתי אסטרטגיות לבקרת פעילות גנים באמצעות גלולות
אתגר עיקרי לפיתוח ולהצלחה של ריפוי גני הוא הביטחון שהגן החדש שהוחדר אינו פעיל יותר מדי, דבר שעלול לגרום לסרטן, בין שאר התופעות. הגנים, שכולם עשויים מדנ"א, מנחים את התאים ליצור מולקולה אחרת, הקרויה רנ"א, שעל פי רוב מכוונת את ייצור החלבונים. חוקרים מנסים גישות שונות (שתיים מהן מתוארות בתרשים) כדי ליצור מתגים ביולוגיים שיכולים להפעיל את פעולת הגנים (ובכך את ייצור החלבונים) או להפסיק את פעילותם לגמרי.
(איור: טמי טולפה)


התפתחויות במלחמה בסרטן, הרצאה קצרה מפי לורנס קופר, 15 באוקטובר 2013

מאמר זה פורסם בעיתון Scientific American ותורגם ונערך בידי רשת אורט ישראל

0 תגובות