Аннотация
Цель данного обзора – проанализировать современные достижения в области редактирования генома, их применение для моделирования и лечения нейродегенеративных заболеваний, а также обсудить текущие ограничения и перспективы преодоления барьеров в клинической практике. Материал и методы. Для достижения цели был проведен систематический анализ литературы за последние девять лет (2016–2024) в базах данных CyberLeninka, eLibrary, PubMed, Cochrane Library, SAGE Premier, Springer и Wiley Journals. Нейродегенеративные заболевания, такие как болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона, остаются серьезным вызовом для современной медицины, характеризуясь прогрессирующей утратой нейронов и отсутствием эффективных лечебных методов, способных остановить или обратить патологический процесс. В последние годы технологии редактирования генома, включая CRISPR-Cas9, TALEN и ZFN, открыли новые горизонты в терапии этих заболеваний. Однако их клиническое применение сопряжено с рядом ограничений, включая проблемы доставки инструментов редактирования в клетки центральной нервной системы, риск нецелевых мутаций и этические вопросы. В связи с чем, совершенствование методов редактирования генома является одним из ключевых направлений. Современные методы, такие как CRISPR-Cas9, базовое и прайм-редактирование, а также эпигеномное и РНК-редактирование, продемонстрировали высокий потенциал для точной коррекции генетических дефектов и модификации патогенетических процессов. Усовершенствование систем доставки, включая вирусные и невирусные методы, позволило преодолеть барьеры, такие как низкая проницаемость гематоэнцефалического барьера, и повысить эффективность терапии. Заключение. За последние годы достигнут значительный прогресс в разработке методов, направленных на повышение безопасности геномного редактирования в нервной системе. Несмотря на значительные достижения, технологии редактирования генома сталкиваются с рядом вызовов, включая необходимость повышения специфичности, минимизацию нецелевых эффектов, улучшение редактирования в постмитотических нейронах и разработку долгосрочных методов мониторинга безопасности, а также решением этических вопросов, связанных с клиническим применением этих технологий.
Ключевые слова
Авторы и аффилиации
С.Ю. Терещенко(1), Т.В. Потупчик(2), Л.С. Эверт(1, 3), В.А. Ковальчук(4), М.А. Филиппова(4), А.Р. Магалова(5)
1-Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр
Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение
«Научно-исследовательский институт медицинских проблем Севера»,
Российская Федерация, 660022, Красноярск, ул. Партизана Железняка, д. 3Г;
2-Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Красноярский государственный медицинский университет
им. профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения Российской Федерации,
Российская Федерация, 660022, Красноярск, ул. Партизана Железняка, д. 1;
3-Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова
Министерства науки и высшего образования РФ, Медицинский институт,
Российская Федерация, 655017, Абакан, проспект Ленина, д. 90;
4-Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Ярославский государственный медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации,
Российская Федерация, 150000, Ярославская область, Ярославль, ул. Революционная, д. 5;
5-Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова
Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет),
Российская Федерация, 119048, Москва, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2
Литература
World Health Organization. Dementia. 2023. Available at: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/dementia [Accessed 3 December 2024].
Медведев С.П., Маланханова Т.Б., Валетдинова К.Р., Закиян С.М. Создание и исследование клеточных моделей наследственных нейродегенеративных заболеваний с помощью направленного редактирования геномов. Нейрохимия. 2021; 38 (4): 313–9. DOI: 10.31857/S1027813321040075 [Medvedev S.P., Malanhanova T.B., Valetdinova K.R., Zakiyan S.M. Creation and research of cellular models of hereditary neurodegenerative diseases using directed genome editing. Neurochemistry. 2021; 38 (4): 313–9. DOI: 10.31857/S1027813321040075 (In Russian)].
Мельникова Е.В., Меркулов В.А., Меркулова О.В. Генная терапия нейродегенеративных заболеваний: достижения, разработки, проблемы внедрения в клиническую практику. БИОпрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. 2023; 23 (2): 127–47. DOI: 1G.3G895/2221-996X-2023-433 [Melnikova E.V., Merkulov V.A., Merkulova O.V. Gene therapy of neurodegenerative diseases: achievements, developments, problems of implementation in clinical practice. Biologics. Prevention, diagnosis, treatment. 2023; 23 (2): 127–47. DOI: 1G.3G895/2221-996X-2023-433 (In Russian)].
Ветчинова А.С., Федотова Е.Ю., Иллариошкин С.Н. Редактирование эпигенома при нейродегенеративных заболеваниях. Нейрохимия. 2021; 38 (4): 320–8. DOI: 10.31857/S1027813321040086 [Vetchinova A.S., Fedotova E.Yu., Illarioshkin S.N. Epigenome editing in neurodegenerative diseases. Neurochemistry. 2021; 38 (4): 320–8. DOI: 10.31857/S1027813321040086 (In Russian)].
Колбин А.С., Гомон Ю.М. Перспективы применения системы CRISPR/Cas9 с позиции клинической фармакологии. Клиническая фармакология и терапия. 2024; 33 (2): 7–15. DOI: 10.32756/0869-5490-2024-2-7-15. [Kolbin A.S., Gomon Yu.M. Prospects for the use of the CRISPR/Cas9 system from the perspective of clinical pharmacology. Clinical pharmacology and therapy. 2024; 33 (2): 7–15. DOI: 10.32756/0869-5490-2024-2- 7-15. (In Russian)].
Славянская Т.А., Сальникова С.В. Прецизионная медицина в онкологии: миф или реальность? Вестник российского государственного медицинского университета. 2019; 2: 5–15. DOI: 10.24075/brsmu.2019.018 [Slavyanskaya T.A., Salnikova S.V. Precision medicine in oncology: myth or reality? Bulletin of the Russian State Medical University. 2019; 2: 5–15. DOI: 10.24075/brsmu.2019.018 (In Russian)].
Javed H., Tavi S.I.H., Ullah N., Ullah H., Murtaza G., Mushtaq G., Kamal M.A. CRISPR/Cas9 genome editing for neurodegenerative diseases. International Journal of Molecular Sciences. 2023; 24 (13): 10450. DOI: 10.3390/ijms241310450
Kaya E., Yilmaz S., Yilmaz E., Ozdemir O., Kaya B., Kocak N., Yanik, T. Extracellular vesicle and CRISPR gene therapy: Current applications in Alzheimer's disease, Parkinson's disease, amyotrophic lateral sclerosis, and Huntington's disease. Journal of Cellular Physiology. 2024; 239 (9): 5859–74. DOI: 10.1002/jcp.31125
Zhan T., Rindtorff N., Boutros M. Genome Editing Technology for the Study and Correction of Neurodegenerative Diseases. Trends in Molecular Medicine. 2021; 27 (10): 973–86. DOI: 10.1016/j.molmed.2021.07.008
Peng R., Lin G., Li J. Potential pitfalls of CRISPR/Cas9-mediated genome editing. The FEBS J. 2016; 283 (7): 1218–31. DOI: 10.1111/febs.13586
Gao X., Tao Y., Lamas V., Huang M., Yeh W.H., Pan B., Hu Y.J. et al. Treatment of autosomal dominant hearing loss by in vivo delivery of genome editing agents. Nature. 2018; 553 (7687): 217–21. DOI: 10.1038/nature25164
Guo R., Wan Y., Xu D., Cui L., Deng M., Zhang G., Jia R. et al. Generation and application of mouse-rat allodiploid embryonic stem cells. Cell. 2021; 184 (11): 2082–99.e15. DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.015
Gao Z., Herrera-Carrillo E., Berkhout B. Improving the activity of high-fidelity Cas9 variants. Molecular Therapy - Nucleic Acids. 2022; 27: 27–36. DOI: 10.1016/j.omtn.2021.11.003
Dabrowska M., Juzwa W., Krzyzosiak W.J., Olejniczak M. Precise excision of the CAG tract from the huntingtin gene by Cas9 nickases. Frontiers in Neuroscience. 2018; 12: 75. DOI: 10.3389/fnins.2018.00075
Cappella M., Elouej S., Biferi M.G. Therapy development for spinal muscular atrophy: perspectives for muscular dystrophies and neurodegenerative disorders. Journal of Clinical Medicine. 2022; 11 (2): 176. DOI: 10.3390/jcm11020176
Bhujbal S.P., Hah J.M. An Innovative Approach to Address Neurodegenerative Diseases through Kinase-Targeted Therapies: Potential for Designing Covalent Inhibitors. Pharmaceuticals (Basel). 2023; 16 (9): 1295. DOI: 10.3390/ph16091295.
Nojadeh J.N., Eryilmaz N.S.B., Ergüder B.I. CRISPR/Cas9 genome editing for neurodegenerative diseases. EXCLI J. 2023; 22: 567–82. DOI: 10.17179/excli2023-6155.
Fischell J.M., Fishman P.S. A Multifaceted Approach to Optimizing AAV Delivery to the Brain for the Treatment of Neurodegenerative Diseases. Front Neurosci. 2021; 15: 747726. DOI: 10.3389/fnins.2021.747726.
Michelson N.J., Kadam S.D., Comi A.M., Thakor N.V. Microbubble drug conjugate and focused ultrasound blood brain barrier delivery of AAV-2 SIRT-3. J. of Controlled Release. 2022; 344: 11–22. DOI: 10.1016/j.jconrel.2022.02.031
Xu Y., Jiang Y., Zhang Y., Zhu X., Gao Y., Shi J. Shi, K. et al. Anchoring Microbubbles on Cerebrovascular Endothelium as a New Strategy Enabling Low-Energy Ultrasound-Assisted Delivery of Varisized Agents Across Blood-Brain Barrier. Advanced Science. 2023; 10 (31): 2303014. DOI: 10.1002/advs.202303014
Pant A., Sharma A., Gupta S., Mishra S., Sharma A., Sharma S., Sharma R.K. et al. Recent Advances in Genome-Editing Technology with CRISPR/Cas9 Variants and Stimuli-Responsive Targeting Approaches within Tumor Cells: A Future Perspective of Cancer Management. Pharmaceutics. 2023; 15 (4): 1087. DOI: 10.3390/pharmaceutics15041087
Suh S., Choi E.H., Raguram A., Liu D.R., Palczewski K. Precision genome editing in the eye. Proc Natl Acad Sci USA. 2022; 119 (39): e2210104119. DOI: 10.1073/pnas.2210104119.
Singh K., Bhushan B., Kumar S., Singh S., Macadangdang R.R., Pandey E., Varma A.K. et al. Precision Genome Editing Techniques in Gene Therapy: Current State and Future Prospects. Curr Gene Ther. 2024; 24 (5): 377–94. DOI: 10.2174/0115665232279528240115075352.
Vakulskas C.A., Dever D.P., Rettig G.R., Turk R., Jacobi A.M., Collingwood M.A., Bode N.M. et al. A high-fidelity Cas9 mutant delivered as a ribonucleoprotein complex enables efficient gene editing in human hematopoietic stem and progenitor cells. Nature Medicine. 2018; 24 (8): 1216–24. DOI: 10.1038/s41591-018-0137-0
Gao W., Xu J., Xu X., Jin S., Yu H., Wei Y. ComPE: A novel computational method to discover high-fidelity Cas9 variants with improved specificity. Briefings in Bioinformatics. 2022; 23 (5): bbac372. DOI: 10.1093/bib/bbac372
Anzalone A.V., Koblan L.W., Liu D.R. CRISPR-Cas9 DNA Base-Editing and Prime-Editing. The CRISPR J. 2020; 3 (5): 315–29. DOI: 10.1089/crispr.2020.0053
. Banan M. Recent advances in CRISPR/Cas9-mediated knock-ins in mammalian cells. Journal of Biotechnology. 2020; 308: 1–9. DOI: 10.1016/j.jbiotec.2019.11.010
Zhu Y., Li C., Sun B., Gao T., Li X. Advances in utilizing the endogenous CRISPR-Cas system for genome editing of lactic acid bacteria. Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao. 2022; 38 (7): 2322–34. DOI: 10.13345/j.cjb.210458
Kim M., Hwang Y., Lim S., Jang H.-K., Kim H.-O. Advances in Nanoparticles as Non-Viral Vectors for Efficient Delivery of CRISPR/Cas9. Pharmaceutics. 2024; 16 (9): 1197. DOI: 10.3390/pharmaceutics16091197.
Xie R., Wang Y., Burger J.C., Li D., Zhu M., Gong S. Non-viral approaches for gene therapy and therapeutic genome editing across the blood–brain barrier. Med X. 2023; 1 (1): 6. DOI: 10.1007/s44258-023-00004-0.
DeWeirdt P.C., Sanson K.R., Sangree A.K., Hegde M., Hanna R.E., Feeley M.N. , Griffith A.L. et al. Optimization of AsCas12a for combinatorial genetic screens in human cells. Nat Biotechnol. 2021; 39 (1): 94–104. DOI: 10.1038/s41587-020-0600-6.