골관절염 유전자 치료

Gene therapy for osteoarthritis

유전자 치료는 골관절염(OA) 치료제로 연구되고 있다. 시스템적으로 투여되는 약리학적 치료와는 달리 유전자 치료는 지속적이고, 유전자 생산물의 합성 및 관절 내 조직 재활을 확립하는 것을 목표로 한다.[1]

골관절염은 유전인자가 높고, 유전적 위험인자가 있을 수 있다. 골관절염의 잠재적인 의학적 관리를 위한 유전자 전이 전략은 이 만성 질환에 대한 병리학적 메커니즘과 가능한 치료법을 정의하기 위한 예비 연구 중에 있다. 바이러스 벡터와 비바이러스 벡터 모두 치료용 유전자를 운반해 인간 세포에 주입하는 수단으로 개발됐다.

이론

부모에서 자녀로 넘어가는 유전자는 유전자의 구성 요소다. 그것들은 단백질을 만드는 방법을 포함하고 있다. 만약 유전자가 올바른 방법으로 적절한 단백질을 생산하지 못한다면, 아이는 유전적 장애를 가질 수 있다. 유전자 치료는 결함이 있거나 없는 유전자를 대체하거나 과도한 압박을 받고 있는 유전자에 대항하기 위한 분자법이다. 이를 위해 유전자 격리, 조작, 대상 세포로의 전이 등 세 가지 기법을 활용할 수 있다.[2] 유전자 치료의 가장 일반적인 형태는 정상 유전자를 삽입하여 비정상적인 유전자를 대체하는 것이다. 비정상적인 유전자를 수리하고 유전자가 켜지거나 꺼지는 정도를 변경하는 등의 다른 접근법도 있다. 벡터를 대상 조직으로 전이하기 위해 두 가지 기본 방법론, 즉 생체외 유전자 전이 및 생체내 유전자 전이 방법을 활용한다. 유전자 전달이 환자의 몸 밖에서 일어나는 유전자 치료의 한 가지 유형을 생체외 유전자 치료라고 한다. 이 유전자 치료법은 변형된 세포를 배양, 시험, 조절할 수 있기 때문에 더 복잡하지만 안전하다.

골관절염의 의의 및 원인

골관절염(OA)은 서양에서 통증과 장애를 일으키는 대표적인 원인인 퇴행성 관절질환이다.[3][4] 움직이는 뼈의 끝을 덮고 있는 매끄러운 조직인 관절연골의 정상적인 구조와 기능이 점진적으로 상실되는 것이 특징이다.[5] 이 만성질환은 관절연골에만 영향을 주는 것이 아니라 골하골, 시노비움, 근막조직에도 영향을 미친다.[3] OA를 받은 사람들은 심한 고통과 제한된 움직임을 경험할 수 있다. OA는 대부분 연골외행렬의 생화학적 변화로 관절의 자연노화가 진행된 결과다.[4][6]

골관절염은 관절 외상과 관절 또는 관절 기구류의 기계적 과부하와 같은 기계적 요인에 의해 발생한다.[1][6] 연골의 퇴화는 되돌릴 수 없는 현상이기 때문에 치료에도 불치병이고 비용이 많이 들고 반응이 좋지 않다.[3] 이 질병의 유행으로 관절연골의 보수와 재생이 연구의 지배적인 영역이 되었다.[5] 골관절염으로 고생하는 사람들이 늘어나고 있고, 현재 치료법의 효용성은 이 만성질환의 진행을 치료하기 위한 유전적 기반 치료법에 많은 관심을 끌고 있다.

골관절염 유전자 전달을 위한 벡터

치료 유전자를 세포로 운반하기 위해 다양한 벡터가 개발되었다. 유전자 전달 벡터에는 크게 두 가지 범주가 있다: 바이러스 벡터, 중합체, 지질 등 바이러스와 비바이러스제를 포함한다.[1][7]

바이러스 벡터

바이러스 벡터는 세포의 수명 주기가 세포 자체의 유전자를 높은 효율로 숙주 세포에 전달하도록 요구하기 때문에 세포 전이에 더 성공적이라는 것이 증명되었다. 바이러스는 그 유전자를 세포에 직접 삽입함으로써 인간을 감염시킨다. 이것은 치명적일 수 있지만, 기발한 발상은 이 타고난 능력을 이용하는 것이다. 바이러스에 있는 위험한 유전자를 모두 제거하고 건강한 인간의 유전자를 주입하자는 취지다. 그래서 바이러스는 숙주 세포에 긍정적인 요소를 삽입하면서 공격하고 있고 그것들은 해롭다기보다는 오히려 도움이 될 것이다.[8]

바이러스 벡터는 유전자를 전달하는데 있어서 40% 더 효율적이지만, 그것들은 그들의 추가적인 부작용 때문에 생체내 유전자 전달에 대해 충분히 인식되지 않는다. 주로 바이러스 벡터는 염증 반응을 유발하는데, 이는 가벼운 부종이나 다발성 장기 장애와 같은 심각한 부작용을 일으킬 수 있다. 면역체계가 바이러스에 대한 반응을 강화했기 때문에 유전자 치료를 반복적으로 시행하는 것도 어렵다. 게다가, 뇌내 주입 후에 바이러스가 다른 장기로 퍼질 수 있고 이것은 중요한 단점이 될 것이다.[9] 그러나 대부분의 문제는 생체외 유전자 전달 방법으로 해결된 바이러스 벡터를 이용한 유전자 전달과 관련이 있었다. 골관절염 유전자 치료에서는 체외 방법을 통해 관절의 시노비탈 안감 세포뿐만 아니라 연골의 관절 연골과 연골 연골 연골 세포도 전치할 수 있다.[10]

비바이러스 벡터

비바이러스적 방법은 큐레이션 지질 및 지질, 폴리머, 폴리아민 및 폴리에틸에니민, 나노입자를 포함한 다양한 고분자에 대한 치료용 DNA를 복잡하게 만드는 것을 포함한다.[1] 푸젠6와 변형된 양이온지질은 지금까지 연골에 유전자를 전달하는 데 활용된 두 가지 비바이러스 유전자 전달 방법이다. 푸젠 6는 비지질성 지방질 제형으로, 다양한 세포라인을 전치시키는 데 성공적임이 입증됐다. 리포솜은 세포막과 핵산과의 상호작용을 용이하게 하기 위해 양이온성 리포솜이 만들어지는 유전자 전달의 적절한 후보물질임이 밝혀졌다.[13][14] 바이러스성 벡터와 달리 비바이러스성 벡터는 복제 능력을 획득하는 위험을 피한다. 이들은 다량의 치료 유전자를 반복적으로 전달할 수 있는 능력을 갖추고 있어 대규모로 생산하기에 편리하다. 무엇보다 중요한 것은 숙주 유기체에서 면역 반응을 이끌어내지 못한다는 점이다. 장점에도 불구하고 비바이러스 벡터는 상대적으로 효율이 낮고 단기 트랜스젠 발현으로 인해 아직 바이러스 벡터를 대체하지 못하고 있다.[7]

중합체 벡터를 포함한 골관절염 유전자 전달을 위한 새로운 비바이러스 벡터는 여전히 조사 중에 있다.

골관절염 유전자 치료의 표적 세포

OA 치료의 표적 세포는 자가 연골세포, 콘드로프로제네터 세포, 시신강 내 세포,[7] 근육, 힘줄, 인대, 뇌막 등 인접 조직의 세포들이다.

연골 기능 및 구조의 발달은 다음을 통해 달성될 수 있다.

  • 염증성 및 투석성 경로 억제
  • 행렬 재구성을 위한 아나볼릭 경로 자극
  • 세포 노화를 방해하는 것
  • 골생물의 병리학적 형성을 피한다.
  • 이러한 프로세스 중 몇 가지에 영향을 미치는 사멸 예방

이러한 프로세스 중 몇 가지 프로세스에 동시에 영향을 미치는 접근법도 성공적인 것으로 나타났다. 예를 들어, 카타볼리즘 경로와 아나볼릭 사건(IGF-I/IL-1RA)[16]의 억제제 및 활성제 조합뿐만 아니라 아나볼릭 및 증식 과정(FGF- 2/SOX9 또는 FGF-2/IGF-I)의 조합도 성공적인 것으로 나타났다.[15]

골관절염으로 이어지는 유전자 결함

골관절염은 유전성이 매우 높다.[17] 단일 유전자 돌연변이에 의한 골관절염의 형태는 유전자 치료에 의한 치료 가능성이 더 높다.[3]

역학 연구는 유전적 요소가 OA에서 중요한 위험 요인이 될 수 있다는 것을 보여주었다.[18] 인슐린 유사 성장인자 I 유전자(IGF-1)와 변환성장인자β, 연골과두 행렬 단백질, 뼈 형태유전성 단백질, 기타 아나볼릭 유전자 후보 유전자가 OA의 후보 유전자로 꼽힌다.[7] OA의 유전적 변화는 콜라겐과 같은 구조적 단백질의 결함이나 뼈와 연골의 신진대사의 변화를 초래할 수 있다. OA는 멘델리아 유전자가 다원적 질환이 지배적인 데 이어 단순한 질환으로 여겨지는 경우는 드물다.

그러나 OA유전자 치료 분야에서는 유전적 이상이나 다형성에 대항하기보다는 치료적 유전자 생산물의 전달체계로서 유전자의 전달체계에 연구가 더 집중되어 왔다. 관절연골의 기질을 보호하고 복원하는 데 기여하는 유전자가 가장 주목받고 있다. 이 유전자들은 표 1에 열거되어 있다. 아래에 나열된 모든 후보 중에서 인터루킨-1(IL-1)의 작용을 차단하거나 연골 매트릭스 분자의 합성을 촉진하는 단백질이 가장 많은 실험적인 정밀 검사를 받았다.[8]

표 1- OA 유전자 치료 대상자 [3][8]
카테고리 진 후보
사이토카인/사이토카인 대항제 IL-1R, sIL-1R, sTNFR, IL-4
연골성장인자 IGF-1, FGF, BMP, TGF, CGDF
매트릭스 파괴 억제제 TIMP, PAI, 세르핀
신호분자/전송 계수 스마드, 삭스-9, 익비
세포사멸억제제 Bcl-2
여분의 세포 매트릭스 분자 II형 콜라겐, COMP
자유 급진적 적대자 슈퍼옥사이드 디퓨타아제

골관절염의 대상으로서의 인터루킨-1

연구는 모든 잠재적 중재자들 중에서 인터루킨-1이라는 단백질이 골관절염과 관련된 통증, 관절염, 연골의 손실의 가장 강력한 원인이라고 말한다.[19] 관절염 결합 치료에 사용되는 치료 유전자가 두 번째 단백질을 생성해 인터루킨-1의 효과를 자연적으로 상쇄시킨다.[20] IL-1의 자연작용제인 인터루킨1 수용체 길항제(IL-1Ra)는 인터루킨-1 수용체의 세포 표면에 비생산적으로 결합되는 단백질로, 따라서 IL-1 수용체에 신호를 보내는 것을 방지하여 IL-1의 활동을 차단한다.[21][22] 골관절염 동물 모델에서 국소 IL-1Ra 유전자 치료의 장점을 입증하는 세 가지 주요 연구가 있다[4]. 개, 토끼, 말에 대한 일련의 실험은 재조합 인간 IL-1Ra가 퇴행성 변화로부터 관절연골을 강력하게 보호했다는 사실에 따라 국소 IL-1Ra 유전자 치료가 OA의 동물 모델에 안전하고 효과적이라는 것을 보여준다.[23][24][25]

골관절염 유전자 치료 전략

OA의 맥락에서, 유전자 전달을 위한 가장 매력적인 관절 내 부위는 시노비움과 관절 연골이다. 대부분의 실험 진행은 생체내 프로토콜과 생체외 프로토콜을 모두 사용하여 다양한 벡터에 의해 유전적 변형에 따른 조직인 시노비움과 같은 편리한 골내 조직으로의 유전자 전달으로 이루어졌다.

시노비움으로의 유전자 전이

유전자 전달의 주요 목적은 치료 분자의 내생적 원천 역할을 할 수 있는 방식으로 관절의 안감을 바꾸는 것이다(표-1) 치료 분자가 연골과 같은 인접 조직의 신진대사에 영향을 미칠 수 있다. 유전자는 벡터의 직접, 생체내 주입 또는 자가 세포, 피부 섬유화합물 또는 중피줄기세포와 같은 다른 세포 유형을 포함하는 간접적인 생체외 방법에 의해 RA와 OA의 동물 모델에서 시노비움에 전달될 수 있다.

생체내 직접적 접근방식은 신경세포에 영향을 미치는 벡터를 골내 삽입하는 것이다. 벡터는 이 방법의 성공에 결정적인 역할을 한다.[26] 시노비움에 대한 생체내 유전자 전달에 대한 다른 벡터의 효과는 표 2에 요약되어 있다.

표 2- 생체내 유전자 전달을 위한 서로 다른 벡터의 성능 [8]
벡터 댓글
비바이러스 벡터 단기적이고 효율성이 떨어지는 전염성, 많은 염증성
레트로바이러스 정상 시노비움의 전도가 없음, 염증 시노비움의 중간 전도가 없음
렌티바이러스 극도로 높은 전도와 트랜스젠 표현, 명백한 부작용 없음
아데노바이러스 높은 전달 효율, 용량 의존적 염증 반응
아데노 관련 바이러스 정상 및 염증 시노비움의 중간 수준의 전달
헤르페스 심플렉스바이러스 고효율 전이, 세포독성

간접적 생체외 접근법은 시노비움의 수확, 시노비세포의 고립과 배양, 체외전도와 공학적 시노비체들을 관절에 주입하는 것을 포함한다.[27]

연골로 유전자 전이

세포를 분할하고 있고 지질이나 바이러스 벡터를 사용하여 체내 변환이 가능한 시노비세포와는 반대로, 연골세포에 대한 유전자의 체내 전달은 이 세포들을 둘러싸고 있는 밀집된 여분의 세포 매트릭스에 의해 방해된다. 콘드로시테스는 분열이 없는 세포로 콜라겐과 프로테오글리칸의 네트워크에 내장돼 있지만, 연구 결과 센다이 바이러스(HVJ-Liposome)와 아데노 관련 바이러스를 함유한 리포솜의 고관내 주입에 의해 유전자가 정상 연골 내의 콘드로시테스로 전이될 수 있는 것으로 나타났다.[29][30]

연골로 유전자가 전이되는 가장 효율적인 방법은 연골세포나 연골세포 등을 이용한 생체외 전략이었다. 연골세포는 표 1에서 언급한 보완 DNA 부호화 IL-1RA, IGF-1 또는 매트릭스 분해 억제제를 전송하여 유전적으로 강화된다. 앞에서 논의했듯이, 이식된 세포는 치료 분자의 골내 공급원 역할을 할 수 있다.[8]

안전

인간 유전자 치료와 관련된 중요한 이슈 중 하나는 안전, 특히 OA와 같은 비임상 질병의 유전자 치료와 관련된 것이다. 주요 관심사는 특정 바이러스 벡터의 높은 면역유전성이다. 레트로바이러스 벡터는 그들이 감염시키는 세포의 염색체에 통합된다. 종양 억제기 유전자나 종양 유전자에 통합되어 치명적인 세포변형으로 이어질 가능성이 항상 있을 것이다.[31]

참고 항목

참조

  1. ^ Jump up to: a b c d Evans, C. H; Ghivizzani, S. C; Robbins, P. D (2018). "Gene Delivery to Joints by Intra-Articular Injection". Human Gene Therapy. 29 (1): 2–14. doi:10.1089/hum.2017.181. PMC 5773261. PMID 29160173.
  2. ^ C. Wayne McIlwraith David D. Frisbie; McIlwraith, C. W. (Aug 2001). "Gene Therapy: Future Therapies in Osteoarthritis". Vet Clin North Am Equine Pract. 17 (2): 233–243. doi:10.1016/S0749-0739(17)30059-7. PMID 15658173.
  3. ^ Jump up to: a b c d e CH Evans; JN Gouze; E Gouze; PD Robbins; SC Ghivizzani (2004). "Osteoarthritis gene therapy". Gene Therapy. 11 (4): 379–389. doi:10.1038/sj.gt.3302196. PMID 14724685. S2CID 25482399.
  4. ^ Jump up to: a b Madry, H.; Luyten, F.P.; Facchini, A. (2011). "Biological aspects of early osteoarthritis". Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 20 (3): 407–422. doi:10.1007/s00167-011-1705-8. PMID 22009557. S2CID 31367901.
  5. ^ Jump up to: a b Buckwalter, J.A.; Mankin, H.J. (1997). "Instructional Course Lectures, The American Academy of Ortopaedic Surgeons – Articular cartilage: Part II.Degeneration and osteoarthritis, repair, regeneration, and transplantation". J Bone Joint Surg Am. 4. 79 (14): 612–632. doi:10.2106/JBJS.J.01935. PMID 22810408.[필요하다]
  6. ^ Jump up to: a b Felson, D.T., David T.; Lawrence, R.C.; Dieppe, P.A.; Hirsch, R.; et al. (2000). "Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors". Annals of Internal Medicine. 133 (8): 635–646. doi:10.7326/0003-4819-133-8-200010170-00016. PMID 11033593.
  7. ^ Jump up to: a b c d Antonios G. Mikos A. Saraf (2006). "Gene delivery strategies for cartilage tissue engineering". Advanced Drug Delivery Reviews. 58 (4): 592–603. doi:10.1016/j.addr.2006.03.005. PMC 2702530. PMID 16766079.
  8. ^ Jump up to: a b c d e Christopher H. Evans, Christopher H. (2004). "Gene Therapies for Osteoarthritis". Current Rheumatology Reports. 6 (1): 31–40. doi:10.1007/s11926-004-0081-5. PMID 14713400. S2CID 43252961.
  9. ^ N. Somia I.M. Verma, Inder M.; Somia, Nikunj (1997). "Gene Therapy — promises, problems and prospects". Nature. 389 (6648): 239–242. Bibcode:1997Natur.389..239V. doi:10.1038/38410. PMID 9305836.
  10. ^ Q.J. Jiang K. Gelse; et al. (2001). "Fibroblast-mediated delivery of growth factor complementary DNA into mouse joints induces chondrogenesis but avoids the disadvantages of direct viral gene transfer". Arthritis Rheum. 44 (8): 1943–1953. doi:10.1002/1529-0131(200108)44:8<1943::aid-art332>3.0.co;2-z. PMID 11508447.
  11. ^ G. Kaul H. Madry; et al. (2005). "Trippel, Enhanced repair of articular cartilage defects in vivo by transplanted chondrocytes overexpressing insulin-like growth factor I (IGF-I)". Gene Therapy. 12 (15): 1171–1179. doi:10.1038/sj.gt.3302515. PMID 15815701.
  12. ^ T.M. Maris; R. Gelberman; M. Boyer; M. Silva; D. Amiel R.S. Goomer (2000). "Nonviral in vivo Gene Therapy for tissue engineering of articular cartilage and tendon repair". Clin. Orthop. Relat. Res. 379 (379 Suppl): 189–200. doi:10.1097/00003086-200010001-00025. PMID 11039769. S2CID 26414603.
  13. ^ Apparailly F, Verwaerde C, Jacquet C, Auriault C, Sany J, Jorgensen C (1998). "Adenovirus-mediated transfer of viral IL-10 gene inhibits murine collagen-induced arthritis". Journal of Immunology. 160 (11): 5213–5220. PMID 9605116.
  14. ^ J. Honiger; D. Damotte; A. Minty; C. Fournier; D. Fradelizi; M. Boissier N. Bessis (1999). "Encapsulation in hollow fibres of xenogeneic cells engineered to secrete IL-4 or IL-13 ameliorates murine collagen-induced arthritis (CIA)". Clinical & Experimental Immunology. 117 (2): 376–382. doi:10.1046/j.1365-2249.1999.00959.x. PMC 1905333. PMID 10444273.
  15. ^ Jump up to: a b Magali Cucchiarini; Henning Madry. "Magali Cucchiarini and Henning Madry". Experimental Orthopaedics and Osteoarthritis Research, Saarland University Medical Center. Homburg/Saar.
  16. ^ Haupt JL; et al. (2005). "Transduction of insulin-like growth factor-I and interleukin-1 receptor antagonist protein controls cartilage degradation in an osteoarthritic culture model". Journal of Orthopaedic Research. 23 (1): 118–126. doi:10.1016/j.orthres.2004.06.020. PMID 15607883.
  17. ^ MacGregor AJ (2000). "The genetic contribution to radiographic hip osteoarthritis in women: results of a classic twin study". Arthritis Rheum. 43 (11): 2410–2416. doi:10.1002/1529-0131(200011)43:11<2410::aid-anr6>3.0.co;2-e. PMID 11083262.
  18. ^ Piercarlo Sarzi-Puttini; et al. (2005). "Osteoarthritis: An Overview of the Disease and Its Treatment Strategies". Seminars in Arthritis and Rheumatism. 35 (1): 1–10. doi:10.1016/j.semarthrit.2005.01.013. PMID 16084227.
  19. ^ Cole AA Kuettner KE, K; Cole, A (Feb 2005). "Cartilage degeneration in different human joints". Osteoarthritis and Cartilage. 13 (2): 93–103. doi:10.1016/j.joca.2004.11.006. PMID 15694570.
  20. ^ Dinarello CA (2003). Interleukin-1 family;The Cytokine Handbook. London: Academic Press.
  21. ^ Steinkasserer A, Spurr NK, Cox S, Jeggo P, Sim RB (July 1992). "The human IL-1 receptor antagonist gene (IL1RN) maps to chromosome 2q14-q21, in the region of the IL-1 alpha and IL-1 beta loci". Genomics. 13 (3): 654–657. doi:10.1016/0888-7543(92)90137-H. PMID 1386337.
  22. ^ Arend WP, Evans CH (2003). "Interleukin-1 receptor antagonist [IL-1F3]". In Thomson AW, Lotze MT (eds.). The Cytokine Handbook. London: Academic Press. pp. 669–708. doi:10.1016/b978-012689663-3/50032-6. ISBN 978-0-12-689663-3.
  23. ^ Fernandes JC, Martel-Pelletier J, Caron JP, et al. (1996). "Chondroprotective effect of intra-articular injections of interleukin-1 receptor antagonist in experimental osteoarthritis: suppression of collagenase-1 expression". Arthritis Rheum. 39 (9): 1535–1544. doi:10.1002/art.1780390914. PMID 8814066.
  24. ^ Tardif G, Martel-Pelletier J, Fernandes J, et al. (1999). "In vivo transfer of interleukin-1 receptor antagonist gene in osteoarthritic rabbit knee joints: prevention of osteoarthritis progression". American Journal of Pathology. 154 (4): 1159–1169. doi:10.1016/s0002-9440(10)65368-0. PMC 1866546. PMID 10233854.
  25. ^ Ghivizzani SC, Robbins PD, Frisbie DD, et al. (2002). "Treatment of experimental equine osteoarthritis by in vivo delivery of the equine interleukin-1 receptor antagonist gene". Gene Therapy. 9 (1): 12–20. doi:10.1038/sj.gt.3301608. PMID 11850718.
  26. ^ C. H.; Robbins, P. D. Evans (1994). Gene therapy for arthritis. Gene Therapeutics, J. A. Wolff, Edition. pp. 320–343. doi:10.1007/978-1-4684-6822-9_18. ISBN 978-1-4684-6824-3.
  27. ^ Bandara, G.; et al. (1990). "Intraarticular expression of biologically active interleukin-1 receptor antagonist protein by ex vivo gene transfer". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 90 (22): 10764–10768. Bibcode:1993PNAS...9010764B. doi:10.1073/pnas.90.22.10764. PMC 47858. PMID 8248169.
  28. ^ Hashimoto H, Tomita N, Tomita T, et al. (1997). "In vivo direct gene transfer into articular cartilage by intra-articular injection mediated by HVJ (sendai) virus and liposomes". Arthritis Rheum. 40 (5): 901–906. doi:10.1002/art.1780400518. PMID 9153552.
  29. ^ Schwartz E (2000). "The adeno-associated virus vector for orthopaedic gene therapy". Clinical Orthopaedics and Related Research. 379 (379 Suppl): 31–40. doi:10.1097/00003086-200010001-00005. PMID 11039749.
  30. ^ Yoo U, Mandell I, Angele P, et al. (2000). "Chondroprogenitor cells and gene therapy". Clin Orthop: 164–170.
  31. ^ Anderson WF, W. (1992). "Human gene therapy". Science. 256 (5058): 808–813. doi:10.1126/science.1589762. PMID 1589762.