VIRUS

- FRÅ VONDSKAP TIL VERKTØY VED GENTERAPI

LARS HAARR

Senter for virologisk forskning

Universitetet i Bergen

_______________________________

Noko av det fine med ordtak er at dei har minst dobbel botn. På heimplassen min vert det stundom sagt: «Du he´ for mykje velde (verktøy) i den litla smiå di». Det er lett å pressa for mykje inn i det avgrensa området ein har fått av rom eller tid, slik at ein ikkje får gjort det ein skulle. Men ei djupare meining av ordtaket er at ein tumlar med for mange- og for store- tankar i høve til hjernekapasiteten. I somme moderne smier vert nye reiskap laga til framtida sin medisin, til den delen som kallast genterapi . Genterapi er sprungen ut frå forsking på molekylnivå i mange medisinske disiplinar, og er tilføring av genetisk material, DNA eller RNA, for å reparera ein skade eller bremsa, eventuelt stoppa ein sjukdom. Fagfeltet er berre nokre få år gamalt, men har alt sine eigne tidsskrift, eigne konferansar og eigne forskingssentra. Temaet er korleis virus kan brukast som verktøy i denne behandlinga. Virus koplar me automatisk saman med sjukdom, gjerne alvorlege infeksjonar. Finn ein ikkje det infeksiøse agens, så heiter det som regel - i alle fall på folkemunne og kanskje også hos doktoren- at « det er eit virus». Virus er berre problem og vondskap. Og vondskapen er det, som kjent, uråd å fjerna frå verda.

Kontroll av virus som låser seg inn i cella

Det finst likevel råd: det vonde kan endrast til å tena eit godt føremål. Dette er ein gamal tanke som er nemnt i verdslitteraturen for bortimot 3000 år sidan, rett nok i ein annan samanheng. I Jesaiasboka i Bibelen heiter det: « Dei skal smida sverda sine om til plogjern og spyda sine til vingardsknivar». På same måte som jarnet i våpna vart omforma til noko nyttig kan virus omformast.

Virus er usjølvstendige organismar som manglar ein god del utstyr. Det tek dei frå vertcella. Alle virus må altså inn i celler for å formeira seg. Det skjer ikkje på slump, men på ein måte som er meir og mindre spesifikk for kvar einaste virustype. På overflata av virus er det visse molekyl som kjenner att molekylære komponentar på celleoverflata. Me snakkar om ligand på virussida, og reseptor på cellesida. Virus brukar så å seia ein nøkkel til å låsa seg inn i cella. Systemet kan vera komplekst med fleire låsar, slik at ein treng fleire nøklar.

Kvar virustype har sine målceller og sin ganske bestemte måte å koma seg inn på. Denne målrettinga, å treffa visse celler, er ein viktig eigenskap for genterapi. Det genetiske materialet som skal tilførast kan puttast inn i ein viruspartikkel. Brukar ein rett partikkel så treffer ein - nær sagt automatisk - blinken.

Men me må unngå vanleg infeksjon. Det kan ein få til ved å fjerna eller øydeleggja visse sjukdomsframkallande gener. Etter kvart er den molekylære strukturen av ulike virustypar så godt kjend at ein veit presist kva gener som er ansvarlege for sjukdom og ikkje. Virus vert omforma, som synt i figuren, og kan nå bera med seg det genetiske materialet utan risiko for å framkalla sjukdom. Virus er smidd om til eit verktøy, til det som kallast ein vektor på fagspråket.

Det at nøkkel og lås er spesielle for kvar virustype og vertcelle er også ei sterk avgrensing: Somme vitustypar kan ikkje koma inn i visse celler fordi nøkkelen på virusoverflata manglar. Men i laboratorie-smiene veit ein råd. Ein kan vera låssmedar og utstyra virus med den rette nøkkelen. Ved genetisk manipulering kan ein setja inn eit molekyl i overflata på viruspartikkelen slik at den nå kan gå inn i nye celler. Nøkkelen - lignaden- treng ikkje å vera frå ein annan viruspartikkel. Den kan vera «lånt» frå ein annan stad. Rundt i kroppen er det ei uhorveleg mengd av ulike ligandar og reseptorar - nøklar og låsar om ein vil- som syter for eit rett samspel mellom cellene og signalmolekyl utanfrå.

Omforminga av virus for å få verktøy til genterapi stiller visse krav. Som sagt må ein ha detaljert kunnskap om kva gener hos virus som er årsak til sjukdom , slik at desse genene kan koplast ut. Dessutan må ein vita kva slag material virus skal ta med seg inn i cella. Det vil seia ein må kjenna det molekylære grunnlaget for ein sjukdom.

Endringar av eit gen er ikkje alltid like enkelt og rett fram. Ein må vita korleis heile genet fungerer. Den strukturelle delen av genet gjev dei målbare produkta mRNA og protein. Men utanfor denne delen er det ein kontrollregion som avgjer om eit gen skal skruast på eller av , om det er aktivt eller ikkje. Kontrollregionen er igjen påverka av ei rekke molekylære faktorar. Somme stimulerer, andre blokkerer. Somme av desse finst i ein celletype, men ikkje i ein annan. Kontrollregionen kan difor kopla genet på i ein celletype, men skrua det av i ein annan. Når ein transporterer eit nytt gen inn i ei celle ved hjelp av ein virusvektor, så må både kontrollregionen og den strukturelle regionen fungera om ein skal få det ein ynskjer, nemleg eit genprodukt.

Virus er ikkje det einaste verktøyet som vert brukt i genterapi. Andre vektorar er f. eks. liposomar eller «feittblærer». Vanlege virusvektorar er retrovirus, adenovirus, adeno-assosiert virus, og herpes simplex virus. Me kunne lett forlengja lista. For å finna att vektoren i dei infiserte cellene set ein gjerne inn ein markør som gjev ein fargereaksjon. Fargen kan ein så sjå i mikroskopet i einskilde celler og i vevssnitt, eller direkte i organ utan å bruka mikroskop.

Genterapi er meir enn overføring av gener

Sjølv om oveføring av gener spelar ei sentral rolle ved genterapi, så må to andre molekyl nemnast for å gjera biletet så nokonlunde heilt. Eit gen har 2 trådar eller komponentar som gjerne kallast «sense» og «antisense». Genproduktet lagast frå «sense» tråden. Ved genterapi kan ein føra inn «antisense» svarande til eit bestemt gen. «Antisense» vil binda seg til genproduktet og blokkera funksjonen for dette. « Antisense» er f. eks. brukt til å inaktivera visse faktorar som fører til samantrekking av blodårer, eller som gjer at det inste cellelaget i små blodårer vert tjukkare og årene trongare. Her har ein eksempel på genterpi som er retta mot hjarte-kar sjukdomar. I det siste har me også fått muligheten til å bruka ein ny type molekyl som kallast ribozym. Desse molekyla kan verta smidde slik at dei treffer heilt bestemte genprodukt - for så å klippa dei sund.

Nytte av genterapi

Genterapi er noko meir enn teoretiske konstruksjonar og store borns leik med lego-klossar. Behandlinga er prøvd mot ei rekke sjukdomar, helst i dyremodellar. I nokre tilfelle er det også utført på menneske. Sjukdomar der genterapi er aktuelt er: Defektar i bloddannande celler, hjarte-kar sjukdomar, cystisk fibrose, hudsjukdom med defekt i DNA reparasjon (xeroderma pigmentosum), defektar i viktige strukturar inne i cella ( mitokondriar og peroxysomar), muskelsjukdomar ( Duchenne´s muskeldystrofi), bindevevssjukdomar (osteogenesis imperfecta), nevrologiske sjukdomar ( Alzheimer og parkinsonisme), kreft. Lista kunne lett gjerast mykje lenger, og det kunne vore sagt ein gode del om kvar av desse tilstandane. Nokre eksempel kan nemnast. Blodet inneheld fleire typar ferdig utvikla celler som har felles opphav i stamcellene. I kvar av dei fullt utvikla cellene kan det finnast arvelege skavankar som fører til anemi, immunsvikt og andre sjukdomar. Desse kan ein sjølvsagt freista å retta på ved inngrep i dei ferdige cellene. Men det ville vera langt meir rasjonelt om ein kunne nå fram til sjølve utgangspunktet, altså stamcellene. Etter at det vart funne ein markør for stamcellene vert genterapi meir og meir retta mot dette målet.

Behandling av cystisk fibrose

Personar som har den arvlege sjukdomen cystisk fibrose døyr som regel i barne- eller ungdomsåra. Sjukdomen skriv seg frå skade i eit protein som er nødvendig for effektiv transport av klor ut av overflatecellene i luftvegane. Sjølv om produktet frå det defekte genet finst i ei rekke organ, f. eks. i nyrer, tarm, lever og bukspyttkjertel, så er det først og fremst lungene som er affiserte. Genet for sjukdomen er identifisert og sett inn i adenovirus eller adeno-assosiert virus. Me kan lesa rapportar om at desse vektorane er brukte til genterapi både i cellekulturar, med rotter og med rhesus aper. Virus vert tilført i dråpeform. Transport av klor og natrium ( og andre ioner) over cellemembraner fører til voltdifferanse mellom ut- og innside. Denne spenninga kan målast. Måling av volt og biopsi frå det sjuke vevet kan dermed nyttast som objektive kriterier for effekten av terapien. I tillegg kjem sjølvsagt ei totalvurdering av sjukdomstilstanden. Zabner og medarbeidarar rapporterte første behandling av 3 friviljuge menneske i tidsskriftet Cell i l993. Dei fann normal biopsi l veke etter behandlinga starta, og normal spenning overcellemembranen. Det var nok litt lokal irritasjon der virusinfeksjonen var, i nasen, men dette var doseavhengig og var borte etter kort tid.

Nye behandlingar for kreft

Genterapi av kreft har ført til stor optimisme i mange leirar, og sikkert også ein del vonbrot. Optimismen starta for 10 år sidan då Moolten publiserte ein artikkel i tidsskriftet Cancer Research. Han brukte ein enkel strategi som synte seg å vera svært effektiv. Herpes simplex virus inneheld nemleg eit gen som kallast thymidin kinase ( TK). Dette genet er ansvarleg for at to medikament mot virus, acyclovir og gancyclovir, vert omforma i infiserte celler til aktive substansar som blokkerer syntese av arvematerialet, og dermed stoppar celleveksten. Moolten overførte TK genet til kreftceller i kultur. Etterpå tilsette han medikamentet gancyclovir til kreftcellene, som då vart drepne. Han gjorde tilsvarande eksperiment med kreftsvulst hos mus og fekk same resultatet. Denne strategien er seinare prøvd på kreftceller frå hjernesvulst hos mennesket. Ram og medarbeidarar førte slike celler inn i hjernen hos rotte. Så vart retrovirus som inneheldt TK genet sprøyta inn i tumor. Deretter fekk rottene gancyclovir. Ved passe dose av virus var det tilbakegang av svulstvevet hos 70-80% av rottene! Behandlinga er også prøvd på menneske. Mellom anna er det i år ein rapport frå ei spansk gruppe som behandla 3 pasientar med hjernesvulsten glioblastom. Hos ein av desse var det ein sterk tilbakegang av svulsten. Hos ein annan var det middels effekt, og hos ein tredje ingen verknad. I samband med kreftbehandling vert gjerne TK genet frå herpes simplex virus kalla sjølvmordsgen eller suicidal gen. Ikkje berre cellene som har fått tilført slikt gen døyr. Også naboceller, utan ekstra gen, går til grunne ved ein såkalla «bystander effekt». Det molekylære grunnlaget for denne effekten er uklart, men det ser ut til at direkte kontakt mellom cellene er avgjerande.

Tolmodig strev og ingen snarvegar

Strategien for genterapi mot kreft endrar seg støtt. Nå brukar ein gjerne ein kombinasjon av suicidale gener og gener som styrkjer immunforsvaret sitt angrep på svulsten. Denne kombinasjonen gjev betre resultat i dyremodellar enn eitt gen åleine. Summering av status i dag må verta slik: Virus kan omformast i laboratoriet til viktige verktøy i genterapi. Genterapi er framtidsretta og har eit stort potensial. Men behandlinga er ennå på det eksperimentelle stadiet. Det er ein god del att å gjera, både på vektor-sida og for å få det innsette genet til å fungera i lengre tid. Forskingsmiljøa er optimistiske. Det er alltid somme som er utålmodige og ventar på store resultat med det same. Då kan det vera greitt å minna om eit visdomsord i ein leiar i eit av dei siste nummera av tidsskriftet Gene Theray: « Seriøse sjukdomsforskarar har alltid vore klåre over at raske konklusjonar er sjeldne unnatak i jakta på behandling. Som regel er terapeutiske framsteg resultat av nøye, samvitsfull basalforsking og iherdige, ofte trøyttande, kliniske utprøvingar. Det vil verta det same for gentrapi» (Dr. J.A. Barranger). Sagt på ein annan måte: «Skunda deg langsomt».

Ulike typar virus vektorar

Retrovirus har namnet sitt etter ein heilt spesiell prosess. Vanlegvis lagast RNA frå DNA, og RNA styrer protein syntesen. Retrovirus tek eit steg i «feil» retning, lagar DNA frå RNA ved hjelp av revers transkriptase. Arvematerialet i virus ( virusgenomet) er altså RNA, men det er DNA produktet som vert innebygd i verten sitt arvematerial, og ligg latent der. Fordelane med retrovirus er effektiv innføring i målcellene, og at det skjer ein integrasjon i cella sitt arvematerial. Eit av problema er at det er vanskeleg å få laga retrovirus vektorar i høge nok konsentrasjonar. Det trengst gjerne store mengder virus for effektiv genterapi. Og ein retrovirus vektor er berre aktiv i celler som deler seg. Som kjent er somme celler trege i så måte. Nerveceller (nevronar) delar seg ikkje i det heile. Blant virus med DNA som arvematerial er spesielt adenovirus og herpes simplex virus aktuelle. Båe har eit breitt spekter av vertceller. Ein kan setja inn større bitar framandt genetisk material enn i retrovirus. Og ein kan spesifikt kopla ut slike gener som fører til sjukdom. Båe virustypane formeirer seg i celler som deler seg, og celler som ikkje gjer det, f. eks. nevronar. Eit virus som er meir og meir nytta i det siste er adeno-assosiert virus. Det er apatogent, framkallar altså ikkje sjukdom. Viruset vert innnebygd i kromosom 19 hos mennesket, og kan liggja der i ein latent tilstand.