Cập nhật các thử nghiệm lâm sàng về chỉnh sửa gen bằng công nghệ CRISPR/Cas năm 2021

Bài viết được viết bởi Tiến sĩ Đào Thị Mai Lan - Chuyên viên Y tế - Công nghệ gen, Viện nghiên cứu Tế bào gốc và Công nghệ gen Vinmec.

Năm 2020 là một năm thành công của những nhà nghiên cứu về công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR khi mà có rất nhiều phát hiện đột phá về ứng dụng của công cụ này, đồng thời giải thưởng danh giá Nobel năm 2020 về Hoá học cũng đã được trao cho hai nhà nghiên cứu lần đầu tiên phát hiện ra công cụ chỉnh sửa gen CRISPR.

Từ năm 2012, công cụ chỉnh sửa hệ gen đã được ứng dụng mạnh mẽ trong rất nhiều lĩnh vực sinh học. Trong đó các ứng dụng nhằm điều trị bệnh lý di truyền cũng đang được triển khai. Hiện nay các thử nghiệm lâm sàng về chỉnh sửa gen dựa trên công nghệ CRISPR vẫn còn đang ở giai đoạn khởi đầu. Các thử nghiệm lâm sàng về chỉnh sửa gen được chia thành 5 nhóm bệnh bao gồm: Các bệnh về máu, bệnh ung thư, bệnh về mắt, bệnh truyền nhiễm, các bệnh hiếm liên quan đến protein-folding. Các thử nghiệm lâm sàng này đều hướng tới việc sửa chữa gen trong các tế bào hoặc mô mà không can thiệp vào các tế bào sinh dục (trứng, tinh trùng) hoặc phôi để tránh gây nên những biến đổi di truyền cho thế hệ sau.

Tế bào máu (hồng cầu) sử dụng phần tử hemoglobin để vận chuyển oxy đến phổi và tất cả các mô trong cơ thể. Các đột biến gen mã hóa cho hemoglobin gây ra các bệnh di truyền như thiếu máu hồng cầu hình liềm và beta thalassemia.

Thử nghiệm lâm sàng đầu tiên trên bệnh beta thalassemia được tiến hành ở Đức vào tháng 2 năm 2019, có 12 bệnh nhân đã được điều trị và cho kết quả tốt về tính an toàn cũng như hiệu quả điều trị, không bệnh nhân nào phải phụ thuộc truyền máu sau 1 tháng sử dụng liệu pháp. Sau đó thử nghiệm tương tự cũng được tiến hành ở Mỹ. Kết quả bước đầu trên tất cả các bệnh nhân cho thấy:

• Tất cả các bệnh nhân thiếu máu hồng cầu hình liềm hoặc beta thalassemia đều cho thấy có cải thiện mức hemoglobin trở về bình thường đến gần như bình thường từ 30% -40%
• Các tế bào chỉnh sửa gen được tìm thấy trong tuỷ xương của bệnh nhân beta thalassemia, điều này chứng tỏ các tế bào chỉnh sửa gen đã ghép thành công trong tuỷ xương người bệnh.
• Tác dụng phụ tức thời duy nhất liên quan đến việc điều trị là hệ quả của việc điều trị hoá chất.

Hiện nay, Công ty CRISPR Therapeutics và Vertex Pharmaceuticals đang cùng hợp tác để điều hành các thử nghiệm hemoglobin và đang tiếp tục tuyển bệnh nhân cho thử nghiệm lâm sàng tại Mỹ, Canada và Châu Âu. Ngoài ra nhiều công ty dược phẩm và công nghệ sinh học cũng như các tổ chức nghiên cứu học thuật đang làm việc trên cả dược phẩm và liệu pháp di truyền cho bệnh về máu và trong tương lai bệnh nhân chắc chắn sẽ được hưởng lợi từ những nghiên cứu này.

Ung thư là nhóm bệnh gây ra bởi sự phát triển không kiểm soát của tế bào. Hiện tại các liệu pháp gen dựa trên CRISPR chủ yếu nhằm điều trị các bệnh ung thư máu như bệnh bạch cầu, ung thư hạch. Gần đây, một thử nghiệm ở Trung Quốc đối với một loại ung thư phổi cũng đã được hoàn thành.

Trong cơ thể, tế bào bạch cầu cần thiết cho phản ứng của hệ thống miễn dịch, chúng có các thụ thể nhận biết các tế bào lạ nào là an toàn hoặc độc hại. Tế bào bạch cầu tuần hoàn trong cơ thể và tiêu diệt các tế bào lạ hoặc nguy hiểm, hoặc cung cấp tín hiệu cho các tế bào khác hỗ trợ.

Với liệu pháp miễn dịch CAR-T, các nhà nghiên cứu thiết kế loại tế bào T với một thụ thể giúp nhận biết tế bào ung thư của bệnh nhân, thông báo cho tế bào T tấn công. Các nhà nghiên cứu sử dụng CRISPR để chỉnh sửa gen PD-1 trong tế bào T nhằm ngăn chúng tạo ra các thụ thể PD-1 chức năng để chúng không thể bị các tế bào ung thư đánh lừa. Phương pháp điều trị miễn dịch này được gọi là ức chế điểm kiểm soát và nó thường được sử dụng kết hợp với kỹ thuật CAR-T để tạo cho tế bào T cơ hội loại bỏ ung thư cao nhất có thể. Đối với những phương pháp điều trị này, các nhà nghiên cứu chỉnh sửa tế bào T trong phòng thí nghiệm sau đó, đưa chúng trở lại máu của bệnh nhân. Liệu pháp CAR-T đã được phê duyệt để sử dụng trong điều trị ung thư máu vào năm 2017.

Năm 2016, một bệnh nhân ung thư phổi đã trở thành người đầu tiên trên thế giới được điều trị bằng liệu pháp CRISPR: Bệnh nhân này được tiêm tế bào T đã chỉnh sửa PD-1 trong một thử nghiệm lâm sàng ở Trung Quốc. Một thử nghiệm lâm sàng của Mỹ sử dụng liệu pháp miễn dịch dựa trên CRISPR cho bệnh ung thư đã được hoàn thành. Một số thử nghiệm lâm sàng khác sử dụng liệu pháp miễn dịch dựa trên CRISPR, chủ yếu để điều trị ung thư máu, đang được tiến hành.

Vào tháng 4 năm 2020, kết quả từ một thử nghiệm lâm sàng đã được công bố trên tạp chí Nature Medicine báo cáo rằng:

• Phương pháp điều trị được thực hiện an toàn và có các tác dụng phụ có thể chấp nhận được như sốt, phát ban và mệt mỏi.
• Chỉnh sửa gen theo mong muốn với hiệu suất 6% tế bào T / bệnh nhân trước khi truyền trở lại bệnh nhân.
• Các hiệu ứng ngoài mục tiêu - những thay đổi không mong muốn ở các vị trí khác nhau trong bộ gen - được quan sát với tần suất thấp và chủ yếu ở các phần của bộ gen không mã hóa protein. Các tác dụng trên mục tiêu - những thay đổi không mong muốn tại vị trí mục tiêu - phổ biến hơn (trung bình là 1,69%).
• Các tế bào T đã chỉnh sửa được tìm thấy ở 11 trong số 12 bệnh nhân hai tháng sau khi tiêm truyền. Bệnh nhân có nhiều tế bào được chỉnh sửa thì có tiến triển bệnh chậm hơn.

Nghiên cứu này chỉ ra rằng liệu pháp CAR-T dựa trên công cụ CRISPR có thể là một phương pháp điều trị đầy hứa hẹn: An toàn, các tác dụng phụ có thể chấp nhận được và việc điều trị không gây ra phản ứng miễn dịch mạnh.

Bệnh u mỡ bẩm sinh Leber (LCA) là nguyên nhân phổ biến nhất gây mù lòa ở trẻ em và LCA10 là dạng LCA phổ biến nhất. Căn bệnh này do đột biến trong gen cảm thụ ánh sáng gây ra, gây mất thị lực nghiêm trọng hoặc mù ngay trong vài tháng đầu đời.

Tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu thần kinh truyền đến não. Với bệnh nhân LCA10, đột biến trong gen cảm thụ ánh sáng tạo ra một phiên bản protein lỗi khiến cho các tế bào thụ ánh sáng bị rối loạn hoạt động. Bệnh nhân mắc LCA10 có thể nhận được ánh sáng đến mắt, nhưng các tế bào cảm thụ ánh sáng bị rối loạn chức năng không thể gửi thông điệp đến não. Nếu không có sự giao tiếp giữa mắt và não, bệnh nhân bị giảm thị lực hoặc mù.

Phương pháp điều trị sử dụng liệu pháp chỉnh sửa gen CRISPR cho LCA10 giúp tạo chỉnh lại gen bị lỗi trong tế bào cảm thụ ánh sáng bị lỗi.

Bệnh nhân nhận một liều duy nhất của liệu pháp CRISPR bằng cách tiêm trực tiếp vào mắt. Thuốc tiêm là công cụ chỉnh sửa gen cùng với phiên bản không bị lỗi của gen. Phương pháp này khác với phương pháp thực hiện với bệnh ung thư và bệnh về máu vì đây là phương pháp chỉnh sửa gen diễn ra bên trong cơ thể bệnh nhân. So với chỉnh sửa gen trong phòng thí nghiệm, chỉnh sửa gen bên trong bệnh nhân có nhiều thách thức hơn và có nhiều rủi ro khác như gây ra các phản ứng miễn dịch nguy hiểm.

Đây là thử nghiệm liệu pháp CRISPR trong cơ thể đầu tiên, có nghĩa là lần đầu tiên CRISPR được sử dụng để chỉnh sửa gen ngay trong cơ thể của chính họ. Nghiên cứu này được thực hiện bởi Editas Medicine và kết quả chưa được công bố. Tuy nhiên, nếu phương pháp điều trị có kết quả, đây sẽ là thử nghiệm đầu tiên về sửa chữa trực tiếp một căn bệnh di truyền. Thành công trong thử nghiệm này sẽ là một bước tiến lớn trong y học di truyền.

Nhiễm trùng đường tiết niệu (UTIs) là một bệnh nhiễm trùng phổ biến. Nhiễm trùng đường tiết niệu xảy ra khi vi khuẩn cư trú trong bàng quang, thận, các ống kết nối bàng quang với thận hoặc ống dẫn nước tiểu ra khỏi cơ thể. Vi khuẩn E. coli thường là thủ phạm gây ra nhiễm trùng đường tiết niệu. Nhiễm trùng đường tiết niệu gây ra cảm giác nóng rát khi đi tiểu và phải đi tiểu thường xuyên. Ngoài sự khó chịu, chúng có thể trở nên nguy hiểm nếu ảnh hưởng đến thận hoặc nếu vi khuẩn xâm nhập vào máu. Hầu hết đều được điều trị dễ dàng bằng một đợt kháng sinh ngắn, nhưng đôi khi thuốc kháng sinh không hiệu quả hoặc nhiễm trùng tái phát và trở thành nhiễm trùng đường tiết niệu mãn tính.

Ứng dụng phương pháp điều trị sử dụng công cụ chỉnh sửa gen giúp tấn công bộ gen của ba chủng vi khuẩn E. coli gây ra khoảng 95% trường hợp nhiễm trùng đường tiết niệu. Sự phá hủy bộ gen sẽ giết chết vi khuẩn.

Bacteriophages, là thực khuẩn thể, là loại virus tấn công vi khuẩn. Chúng thường hoạt động bằng cách tiêm vật liệu di truyền của chúng vào vi khuẩn và sử dụng vi khuẩn làm nhà máy để tạo ra nhiều thực khuẩn thể hơn. Cuối cùng, vi khuẩn sẽ vỡ ra và chết giải phóng nhiều bản sao của thực khuẩn thể hơn. Các thể thực khuẩn đang được phát triển để sử dụng chống lại các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn, và gần đây đã được chú ý nhiều hơn do tình trạng kháng thuốc kháng sinh đã trở thành một mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng.

Trong phương pháp điều trị này, các thực khuẩn thể được thiết kế để tấn công E. coli bằng cách điều trị trực tiếp ở bàng quang bằng ống thông trong thử nghiệm giai đoạn 1 và có kế hoạch phát triển phương pháp điều trị bằng đường uống hoặc IV cho các giai đoạn sau.

Khi tình trạng kháng thuốc kháng sinh truyền thống như penicillin trở thành mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng, ngày càng có nhiều sự quan tâm trong việc phát triển và thử nghiệm các liệu pháp điều trị thực khuẩn thể. Các thực khuẩn thể thậm chí có thể được ưa chuộng hơn các loại thuốc kháng sinh bởi vì mỗi thực khuẩn thể thường chỉ tiêu diệt một loại vi khuẩn cụ thể. Vì vậy, thay vì được điều trị bằng một loại thuốc kháng sinh có khả năng tiêu diệt cả vi khuẩn có lợi, liệu pháp thực khuẩn thể nhắm mục tiêu chính xác hơn.

Locus Biosciences là công ty tài trợ cho hoạt động nghiên cứu này. Locus Biosciences bắt đầu tuyển dụng bệnh nhân tình nguyện ở Hoa Kỳ vào cuối năm 2019 và hoàn thành thử nghiệm Giai đoạn 1b vào tháng 2 năm 2021. Locus Biosciences báo cáo rằng kết quả của thử nghiệm có tính an toàn và khả năng dung nạp của liệu pháp mới, không liên quan đến thuốc tác dụng phụ. Thử nghiệm đã hoàn thành là Giai đoạn 1, có nghĩa là nó chủ yếu được thiết kế để kiểm tra xem liệu phương pháp điều trị có an toàn và có các tác dụng phụ có thể chấp nhận được hay không, chứ không phải mức độ hiệu quả của phương pháp điều trị. Tuy nhiên, kết quả từ thử nghiệm chỉ ra rằng liệu pháp này có thể làm giảm mức độ vi khuẩn E. coli trong mụn nước của bệnh nhân bị nhiễm bệnh. Locus Biosciences có kế hoạch tiếp tục với các thử nghiệm hiệu quả trên người Giai đoạn 2.

Bệnh thoái hoá dạng bột do di truyền (hATTR) là một bệnh gây tử vong do đột biến trong gen TTR. Khi gen TTR bị đột biến, protein mà nó tạo ra sẽ gấp lại sai cách. Các protein gấp khúc không chính xác dính vào nhau và tạo thành các đám được gọi là sợi amyloid, trong một quá trình được gọi là quá trình amyloidosis. Các khối protein tích tụ trong các cơ quan và mô, cản trở các chức năng bình thường của chúng.

ATTR ảnh hưởng đến bệnh nhân ở tuổi trưởng thành sớm hoặc trung niên và thường có ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thần kinh và / hoặc tim. Đau dây thần kinh, mất kiểm soát cử động, các vấn đề tiêu hóa, giảm thị lực, sa sút trí tuệ và suy tim thường gặp trong ATTR. Các tác động lên hệ thần kinh và / hoặc tim cuối cùng khiến bệnh nhân tử vong.

ATTR thường xảy ra một cách tự phát, nhưng đối với một số bệnh nhân là do di truyền gen đột biến từ cha mẹ. ATTR di truyền là một căn bệnh hiếm gặp, ảnh hưởng đến khoảng 50.000 người trên toàn thế giới.

Phương pháp điều trị sử dụng công cụ CRISPR để giảm lượng protein TTR bị lỗi mà cơ thể tạo ra. TTR ít bị lỗi hơn có nghĩa là ít hình thành và tích tụ các khối protein (bệnh amyloidosis). Việc điều trị được phân phối bằng một liều duy nhất bằng đường tiêm tĩnh mạch. Mục tiêu của điều trị hATTR không phải là sửa chữa một gen mà sẽ phá huỷ gen để ngừng tạo ra protein bị lỗi. Các thành phần CRISPR cắt gen TTR, tạo ra đứt gãy sợi kép trong DNA. Khi tế bào cố gắng sửa chữa DNA mà không có khuôn mẫu đã sửa chữa, thì việc sửa chữa càng làm cho gen đột biến nhiều hơn. Và khi một gen bị hư hại quá nặng, tế bào sẽ ngừng tạo ra protein mà nó mã hóa.

Thử nghiệm lâm sàng này phân phối hệ thống CRISPR vào cơ thể qua hạt nano lipid. Đây là thử nghiệm đầu tiên sử dụng các hạt nano lipid để thực hiện phương pháp điều trị chỉnh sửa bộ gen. Thử nghiệm được tài trợ bởi Intellia Therapeutics kết hợp với Regeneron Pharmaceuticals. Bệnh nhân đầu tiên được điều trị vào tháng 11 năm 2020 tại Anh. Hiện tại, nhiều bệnh nhân vẫn đang tiếp tục được thu tuyển để tham gia chương trình.