Une méthode améliorée d’édition de gènes pourrait alimenter la prochaine génération de thérapies cellulaires et géniques

Une nouvelle approche du génie génétique des cellules promet des améliorations significatives en termes de vitesse, d’efficacité et de réduction de la toxicité cellulaire par rapport aux méthodes actuelles. L’approche pourrait également alimenter le développement de thérapies cellulaires avancées pour les cancers et d’autres maladies, selon une étude menée par des chercheurs de la Perelman School of Medicine de l’Université de Pennsylvanie.

Dans l’étude, parue cette semaine dans Biotechnologie naturelleles chercheurs ont découvert que les fragments de protéines utilisés par certains virus pour les aider à pénétrer dans les cellules pouvaient également être utilisés pour introduire des molécules d’édition de gènes CRISPR-Cas dans les cellules et leurs noyaux contenant de l’ADN avec une efficacité extraordinairement élevée et une faible toxicité cellulaire.

Les scientifiques s’attendent à ce que la nouvelle technique soit particulièrement utile pour modifier les lymphocytes T et d’autres cellules du corps d’un patient afin de créer des thérapies cellulaires. Une de ces applications pourrait être la thérapie CAR T (cellule T du récepteur antigénique chimérique), qui utilise des cellules immunitaires spécialement modifiées d’un patient pour traiter le cancer. Les lymphocytes T, un type de globules blancs, sont retirés du patient et reprogrammés pour trouver et attaquer les cellules cancéreuses lorsqu’ils sont réintroduits dans la circulation sanguine.

La première thérapie CAR T approuvée par la FDA a été développée à Penn Medicine et a reçu l’approbation de la Food & Drug Administration en 2017. Il existe maintenant six thérapies cellulaires CAR T approuvées par la FDA aux États-Unis. Les thérapies ont révolutionné le traitement de certaines leucémies à cellules B, lymphomes et autres cancers du sang, mettant de nombreux patients qui, autrement, avaient peu d’espoir en rémission à long terme.

« Cette nouvelle approche, qui s’appuie sur l’historique d’innovation de la thérapie cellulaire et génique de Penn Medicine, a le potentiel d’être une technologie habilitante majeure pour les thérapies cellulaires d’ingénierie », a déclaré le co-auteur principal E. John Wherry, Ph.D., Richard et Barbara Professeur émérite du président de Schiffrin et président de la pharmacologie des systèmes et de la thérapeutique translationnelle à Penn Medicine.

Les molécules CRISPR-Cas sont dérivées d’anciennes défenses antivirales bactériennes et sont conçues pour éliminer avec précision l’ADN aux emplacements souhaités dans le génome d’une cellule. Certains systèmes basés sur CRISPR-Cas combinent la suppression de l’ancien ADN avec l’insertion d’un nouvel ADN pour une édition polyvalente du génome. Cette approche peut être utilisée pour remplacer les gènes défectueux par des gènes corrigés ou supprimer ou modifier des gènes pour améliorer la fonction cellulaire. Certains systèmes peuvent également ajouter des gènes qui confèrent de nouvelles propriétés aux cellules CAR T telles que la capacité de reconnaître les tumeurs ou de résister au microenvironnement tumoral agressif qui épuise normalement les cellules T.

Bien que les systèmes CRISPR-Cas soient déjà largement utilisés comme outils de laboratoire standard pour la biologie moléculaire, leur utilisation pour modifier les cellules des patients afin de créer des thérapies cellulaires a été limitée, en partie parce que les molécules CRISPR-Cas peuvent être difficiles à pénétrer dans les cellules, puis dans les noyaux contenant l’ADN des cellules.

« Les méthodes actuelles d’introduction des systèmes CRISPR-Cas dans les cellules, qui incluent l’utilisation de virus porteurs et d’impulsions électriques, sont inefficaces pour les cellules prélevées directement sur les patients (appelées cellules primaires). Ces méthodes tuent également généralement de nombreuses cellules sur lesquelles elles sont utilisées. , et peut même provoquer de vastes changements indésirables dans l’activité des gènes », a déclaré le co-auteur principal Shelley L. Berger, Ph.D., professeur à l’Université Daniel S. Och en biologie cellulaire et développementale et génétique et directeur du Penn Epigenetics Institute.

Dans l’étude, les chercheurs ont exploré l’utilisation de petits fragments de protéines dérivés de virus, appelés peptides, pour piloter plus efficacement les molécules CRISPR-Cas à travers les membranes externes des cellules humaines primaires et dans leurs noyaux. Notamment, les chercheurs ont découvert qu’une combinaison fusionnée de deux peptides modifiés – l’un trouvé dans le VIH et l’autre dans les virus de la grippe – pouvait être mélangée avec des molécules CRISPR-Cas pour les introduire dans les cellules primaires humaines ou de souris et leurs noyaux avec des efficacités allant jusqu’à près de 100 pour cent, selon le type de cellule, avec presque aucune toxicité ou modification de l’expression génique.

L’équipe a démontré l’approche, qu’elle appelle PAGE (édition du génome assistée par peptide), pour plusieurs types de thérapie cellulaire envisagée, y compris les thérapies cellulaires CAR T.

En plus de son utilisation potentielle dans les thérapies cellulaires et géniques, les auteurs notent que l’approche PAGE pourrait voir une large application dans la recherche scientifique fondamentale. L’inefficacité des méthodes standard de pénétration cellulaire CRISPR-Cas signifie que l’édition de gènes pour créer des modèles murins de maladies nécessite généralement un processus en plusieurs étapes et chronophage de génération de souris transgéniques – pour introduire la machinerie d’édition de gènes dans leur ADN. En revanche, la PAGE, avec sa grande efficacité et sa faible toxicité, pourrait permettre une édition de gènes rapide, efficace et simple chez des souris de laboratoire ordinaires.

« La simplicité et la puissance du concept d’assistance peptidique suggèrent qu’il pourrait potentiellement être adapté à l’avenir pour la livraison dans les cellules primaires d’autres protéines d’édition du génome, ou même de médicaments à base de protéines », a déclaré le co-auteur principal Junwei Shi, Ph.D., professeur adjoint de biologie du cancer et membre du Penn Epigenetics Institute et de l’Abramson Family Cancer Research Institute.

L’étude était une collaboration qui comprenait les laboratoires du co-auteur de Penn Rahul Kohli, MD, Ph.D., professeur agrégé de maladies infectieuses et de biochimie et biophysique, et co-auteur Gerd Blobel, MD, Ph.D., le Frank E. Weise III Professeur de pédiatrie et co-directeur de l’Institut d’épigénétique.