O desenvolvimento de medicamentos é normalmente lento: o processo desde as descobertas da investigação básica que fornecem a base para um novo medicamento até aos ensaios clínicos e depois à produção de um medicamento amplamente disponível pode levar décadas. Mas décadas podem parecer impossivelmente distantes para alguém que atualmente tem uma doença fatal. Sonia Vallabh, líder do grupo sênior do Broad Institute of MIT e Harvard, está perfeitamente ciente dessa corrida contra o tempo, porque o tema de sua pesquisa é uma doença neurodegenerativa e, em última análise, fatal - insônia familiar fatal, um tipo de doença por príon - que ela quase certamente desenvolverá conforme ela envelhece. 

Vallabh e seu marido, Eric Minikel, mudaram de carreira e se tornaram pesquisadores depois que souberam que Vallabh carrega uma versão causadora de doenças do gene da proteína príon e que não existe terapia eficaz para doenças fatais por príon. Os dois agora dirigem um laboratório no Broad Institute, onde trabalham para desenvolver medicamentos que possam prevenir e tratar essas doenças, e o prazo para o sucesso não se baseia em ciclos de bolsas ou expectativas acadêmicas, mas na bomba-relógio do código genético de Vallabh.

É por isso que Vallabh ficou animada ao descobrir, quando entrou em colaboração com Jonathan Weissman, membro do Whitehead Institute for Biomedical Research, que o grupo de Weissman gosta de trabalhar a todo vapor. Em menos de dois anos, Weissman, Vallabh e seus colaboradores desenvolveram um conjunto de ferramentas moleculares chamadas CHARMs que podem desativar genes causadores de doenças, como o gene da proteína príon — bem como, potencialmente, genes que codificam muitas outras proteínas implicadas em doenças neurodegenerativas e outras — e estão refinando essas ferramentas para serem boas candidatas para uso em pacientes humanos. Embora as ferramentas ainda tenham muitos obstáculos a superar antes que os pesquisadores saibam se funcionam como terapêuticas, a equipe está encorajada pela velocidade com que desenvolveram a tecnologia até agora.

“O espírito da colaboração desde o início é que não houve espera pela formalidade”, diz Vallabh. “Assim que percebemos nosso entusiasmo mútuo em fazer isso, tudo começou a correr.”

Os coautores Weissman e Vallabh e os coprimeiros autores Edwin Neumann, um estudante de pós-graduação no laboratório de Weissman, e Tessa Bertozzi, uma pós-doutoranda no laboratório de Weissman, descrevem CHARM - que significa Coupled Hisstone tail for Autoinhibition Release of Myltransferase - em um artigo publicado hoje na revista Science .

“Com os Institutos Whitehead e Broad bem próximos um do outro, não acho que haja lugar melhor do que este para um grupo de pessoas motivadas se moverem de forma rápida e flexível na busca pela ciência acadêmica e tecnologia médica”, diz Weissman, que também é professor de biologia no MIT e um Investigador do Instituto Médico Howard Hughes. “Os CHARMs são uma solução elegante para o problema de silenciar genes de doenças, e eles têm o potencial de ter uma posição importante no futuro dos medicamentos genéticos.”

A doença do príon, que leva à rápida neurodegeneração e morte, é causada pela presença de versões deformadas da proteína do príon. Estas provocam um efeito cascata no cérebro: as proteínas priónicas defeituosas deformam outras proteínas e, em conjunto, estas proteínas não só deixam de funcionar adequadamente, como também formam agregados tóxicos que matam os neurônios. O tipo mais famoso de doença por príon, conhecida coloquialmente como doença da vaca louca, é infeccioso, mas outras formas de doença por príon podem ocorrer espontaneamente ou ser causadas por genes defeituosos da proteína príon.

A maioria dos medicamentos convencionais atua visando uma proteína. Os CHARMs, no entanto, funcionam mais a montante, desligando o gene que codifica a proteína defeituosa, para que a proteína nunca seja produzida. Os CHARMs fazem isso por meio de edição epigenética, na qual uma etiqueta química é adicionada ao DNA para desligar ou silenciar um gene alvo. Ao contrário da edição genética, a edição epigenética não modifica o DNA subjacente – o próprio gene permanece intacto. No entanto, tal como a edição genética, a edição epigenética é estável, o que significa que um gene desligado pelo CHARM deve permanecer desligado. Isto significaria que os pacientes só teriam que tomar CHARM uma vez, ao contrário dos medicamentos direcionados às proteínas que devem ser tomados regularmente à medida que os níveis de proteína das células são reabastecidos.

Pesquisas em animais sugerem que a proteína príon não é necessária em um adulto saudável e que, em casos de doença, a remoção da proteína melhora ou até elimina os sintomas da doença. Em uma pessoa que ainda não desenvolveu sintomas, a remoção da proteína deve prevenir completamente a doença. Em outras palavras, a edição epigenética poderia ser uma abordagem eficaz para o tratamento de doenças genéticas, como doenças herdadas por príons. O desafio é criar um novo tipo de terapia.

Felizmente, a equipe tinha um bom modelo para o CHARM: uma ferramenta de pesquisa chamada CRISPRoff que o grupo de Weissman desenvolveu anteriormente para silenciar genes. O CRISPRoff usa blocos de construção da tecnologia de edição de genes CRISPR, incluindo a proteína guia Cas9 que direciona a ferramenta para o gene alvo. O CRISPRoff silencia o gene alvo adicionando grupos metil, marcadores químicos que impedem que o gene seja transcrito ou lido em RNA e, portanto, expresso como proteína. Quando os pesquisadores testaram a capacidade do CRISPRoff de silenciar o gene da proteína príon, eles descobriram que ele era eficaz e estável.

Várias de suas propriedades, no entanto, impediram que o CRISPRoff fosse um bom candidato para uma terapia. O objetivo dos pesquisadores era criar uma ferramenta baseada no CRISPRoff que fosse tão potente, mas também segura para uso em humanos, pequena o suficiente para ser entregue ao cérebro e projetada para minimizar o risco de silenciar os genes errados ou causar efeitos colaterais.

Liderados por Neumann e Bertozzi, os pesquisadores começaram a projetar e aplicar seu novo editor de epigenoma. O primeiro problema que tiveram que resolver foi o tamanho, porque o editor precisa ser pequeno o suficiente para ser empacotado e entregue em células específicas do corpo. Entregar genes ao cérebro humano é um desafio; muitos ensaios clínicos usaram vírus adeno-associados (AAVs) como veículos de entrega de genes, mas estes são pequenos e podem conter apenas uma pequena quantidade de código genético. CRISPRoff é muito grande; o código do Cas9 sozinho ocupa a maior parte do espaço disponível.

Os pesquisadores do laboratório Weissman decidiram substituir a Cas9 por uma proteína de dedo de zinco (ZFP) muito menor. Assim como a Cas9, as ZFPs podem servir como proteínas guia para direcionar a ferramenta para um local alvo no DNA. As ZFPs também são comuns em células humanas, o que significa que elas têm menos probabilidade de desencadear uma resposta imune contra si mesmas do que a Cas9 bacteriana.

Em seguida, os pesquisadores tiveram que projetar a parte da ferramenta que silenciaria o gene da proteína príon. Primeiro, eles usaram parte de uma metiltransferase, uma molécula que adiciona grupos metil ao DNA, chamada DNMT3A. No entanto, na configuração específica necessária para a ferramenta, a molécula era tóxica para a célula. Os pesquisadores se concentraram em uma solução diferente: em vez de fornecer DNMT3A externo como parte da terapia, a ferramenta é capaz de recrutar o próprio DNMT3A da célula para o gene da proteína príon. Isso liberou um espaço precioso dentro do vetor AAV e evitou a toxicidade.

Os pesquisadores também precisavam ativar o DNMT3A. Na célula, o DNMT3A geralmente fica inativo até interagir com certas moléculas parceiras. Esta inatividade padrão evita a metilação acidental de genes que precisam permanecer ativados. Neumann descobriu uma maneira engenhosa de contornar isso, combinando seções de moléculas parceiras do DNMT3A e conectando-as a ZFPs que as levam ao gene da proteína príon. Quando o DNMT3A da célula se depara com essa combinação de partes, ele é ativado, silenciando o gene.

“Das perspectivas de toxicidade e tamanho, fazia sentido recrutar a maquinaria que a célula já tem; era uma solução muito mais simples e elegante”, diz Neumann. “As células já estão usando metiltransferases o tempo todo, e estamos essencialmente apenas enganando-as para desligar um gene que elas normalmente deixariam ligado.”

Testes em ratos mostraram que CHARMs guiados por ZFP poderiam eliminar mais de 80% da proteína príon no cérebro, enquanto pesquisas anteriores mostraram que apenas 21% de eliminação podem melhorar os sintomas.

Uma vez que os pesquisadores souberam que tinham um potente silenciador de genes, eles se voltaram para o problema dos efeitos fora do alvo. O código genético para um CHARM que é entregue a uma célula continuará produzindo cópias do CHARM indefinidamente. No entanto, depois que o gene da proteína príon é desligado, não há benefício nisso, apenas mais tempo para os efeitos colaterais se desenvolverem, então eles ajustaram a ferramenta para que, depois que ela desligasse o gene da proteína príon, ela então se desligasse.

Enquanto isso, um projeto complementar do laboratório do cientista e colaborador do Broad Institute, Benjamin Deverman, focado na entrega de genes em todo o cérebro e publicado na Science em 17 de maio, trouxe a tecnologia CHARM um passo mais perto de estar pronta para testes clínicos. Embora tipos naturais de AAV tenham sido usados para terapia genética em humanos antes, eles não entram no cérebro adulto de forma eficiente, tornando impossível tratar uma doença cerebral completa como a doença de príons. Lidando com o problema da entrega, o grupo de Deverman projetou um vetor AAV que pode entrar no cérebro de forma mais eficiente, alavancando um caminho que naturalmente transporta ferro para o cérebro. Vetores projetados como este tornam uma terapia como CHARM um passo mais perto da realidade.

Graças a estas soluções criativas, os investigadores têm agora um editor epigenético altamente eficaz, suficientemente pequeno para ser entregue ao cérebro e que, em culturas celulares e testes em animais, parece ter baixa toxicidade e efeitos fora do alvo limitados.

“Foi um privilégio fazer parte disso; é muito raro passar da pesquisa básica à aplicação terapêutica em tão pouco tempo”, diz Bertozzi. “Acho que a chave foi formar uma colaboração que aproveitasse a experiência de construção de ferramentas do laboratório Weissman, o profundo conhecimento da doença dos laboratórios Vallabh e Minikel e a experiência do laboratório Deverman na entrega de genes.”

Com os principais elementos da tecnologia CHARM resolvidos, a equipe agora está ajustando sua ferramenta para torná-la mais eficaz, mais segura e mais fácil de produzir em escala, como será necessário para ensaios clínicos. Eles já tornaram a ferramenta modular, para que suas várias peças possam ser trocadas e futuros CHARMs não precisem ser programados do zero. Os CHARMs também estão sendo testados atualmente como terapêuticos em camundongos. 

O caminho da pesquisa básica até os ensaios clínicos é longo e tortuoso, e os pesquisadores sabem que os CHARMs ainda têm um longo caminho a percorrer antes de se tornarem uma opção médica viável para pessoas com doenças por príons, incluindo Vallabh, ou outras doenças com genética semelhante. componentes. No entanto, com um forte desenho terapêutico e resultados laboratoriais promissores em mãos, os investigadores têm boas razões para estar esperançosos. Eles continuam trabalhando a todo vapor, com a intenção de desenvolver sua tecnologia para que ela possa salvar a vida dos pacientes, não um dia, mas o mais rápido possível.