Wrench and socket on a graphic of DNA

CRISPR là một công cụ chỉnh sửa gen có độ chính xác cao đang thay đổi nghiên cứu và điều trị ung thư.

Tín dụng: Ernesto del Aguila III, Viện nghiên cứu bộ gen người quốc gia

Kể từ khi các nhà khoa học nhận ra rằng những thay đổi trong DNA gây ra ung thư, họ đã tìm kiếm một cách dễ dàng để điều chỉnh những thay đổi đó bằng cách thao túng DNA. Mặc dù một số phương pháp chỉnh sửa gen đã được phát triển trong nhiều năm, nhưng không có phương pháp nào thực sự phù hợp với yêu cầu về một công nghệ nhanh chóng, dễ dàng và rẻ tiền.

Nhưng một yếu tố thay đổi cuộc chơi đã xảy ra vào năm 2013, khi một số nhà nghiên cứu chỉ ra rằng một công cụ chỉnh sửa gen có tên CRISPR có thể thay đổi DNA của tế bào người giống như một chiếc kéo rất chính xác và dễ sử dụng.

Công cụ mới đã gây bão trong giới nghiên cứu, làm thay đổi rõ rệt ranh giới giữa khả thi và không thể. Ngay khi CRISPR xuất hiện trên kệ và tủ đông của các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới, các nhà nghiên cứu ung thư đã chớp lấy cơ hội sử dụng nó.

“CRISPR đang trở thành một phương pháp chủ đạo được sử dụng trong nhiều nghiên cứu sinh học ung thư vì sự tiện lợi của kỹ thuật này,” Jerry Li, MD, Ph.D., thuộc Khoa Sinh học Ung thư của NCI cho biết.

Giờ đây, CRISPR đang rời khỏi các đĩa trong phòng thí nghiệm và chuyển sang thử nghiệm trên những người mắc bệnh ung thư. Ví dụ, trong một nghiên cứu nhỏ, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một phương pháp điều trị ung thư liên quan đến các tế bào miễn dịch được chỉnh sửa bằng CRISPR để săn lùng và tấn công ung thư tốt hơn.

Bất chấp tất cả sự phấn khích, các nhà khoa học đã tiến hành một cách thận trọng, tìm ra điểm mạnh và cạm bẫy của công cụ, thiết lập các phương pháp hay nhất và tranh luận về hậu quả xã hội và đạo đức của việc chỉnh sửa gen ở người.

CRISPR hoạt động như thế nào?

Giống như nhiều tiến bộ khác trong khoa học và y học, CRISPR được lấy cảm hứng từ thiên nhiên. Trong trường hợp này, ý tưởng này được vay mượn từ một cơ chế bảo vệ đơn giản được tìm thấy ở một số vi sinh vật, chẳng hạn như vi khuẩn.

Để tự bảo vệ mình trước những kẻ xâm lược như vi-rút, những vi khuẩn này thu thập các đoạn DNA của kẻ xâm nhập và lưu trữ chúng dưới dạng các phân đoạn được gọi là CRISPR hoặc được nhóm lại thường xuyên xen kẽ các đoạn lặp lại ngược chiều ngắn. Nếu cùng một vi trùng cố gắng tấn công lại, các đoạn DNA đó (được biến thành các đoạn RNA ngắn) sẽ giúp một loại enzyme có tên là Cas tìm và cắt DNA của kẻ xâm lược.

Sau khi hệ thống phòng thủ này được phát hiện, các nhà khoa học nhận ra rằng nó có cấu tạo của một công cụ chỉnh sửa gen đa năng. Trong vòng một vài năm, nhiều nhóm đã điều chỉnh thành công hệ thống để chỉnh sửa hầu như bất kỳ phần nào của DNA, đầu tiên là trong tế bào của các vi khuẩn khác, và sau đó là trong tế bào của con người.

Graphic showing how Cas and a guide RNA work together to find and cut the target DNA. Phóng to

CRISPR bao gồm một RNA hướng dẫn (thiết bị nhắm mục tiêu RNA, màu tím) và enzyme Cas (màu xanh). Khi RNA hướng dẫn khớp với DNA mục tiêu (màu cam), Cas sẽ cắt DNA. Sau đó, một đoạn DNA mới (màu xanh lá cây) có thể được thêm vào.

Tín dụng: Viện Khoa học Y khoa Tổng hợp Quốc gia, Viện Y tế Quốc gia

Trong phòng thí nghiệm, công cụ CRISPR bao gồm hai tác nhân chính: RNA hướng dẫn và enzyme cắt DNA, phổ biến nhất là Cas9. Các nhà khoa học thiết kế RNA hướng dẫn để phản chiếu DNA của gen cần chỉnh sửa (được gọi là đích). RNA hướng dẫn hợp tác với Cas và—đúng như tên gọi của nó—dẫn Cas đến mục tiêu. Khi RNA hướng dẫn khớp với DNA của gen mục tiêu, Cas sẽ cắt DNA.

Điều gì xảy ra tiếp theo phụ thuộc vào loại công cụ CRISPR đang được sử dụng. Trong một số trường hợp, DNA của gen mục tiêu bị xáo trộn trong khi nó được sửa chữa và gen này bị bất hoạt. Với các phiên bản CRISPR khác, các nhà khoa học có thể điều khiển gen theo những cách chính xác hơn như thêm một đoạn DNA mới hoặc chỉnh sửa các ký tự DNA đơn lẻ.

Các nhà khoa học cũng đã sử dụng CRISPR để phát hiện các mục tiêu cụ thể, chẳng hạn như DNA từ vi-rút gây ung thư và RNA từ tế bào ung thư. Gần đây nhất, CRISPR đã được đưa vào sử dụng như một thử nghiệm thực nghiệm để phát hiện chủng virus corona mới.

Tại sao CRISPR lại là một vấn đề lớn?

Các nhà khoa học coi CRISPR là nhân tố thay đổi cuộc chơi vì một số lý do. Có lẽ ưu điểm lớn nhất là CRISPR rất dễ sử dụng, đặc biệt là so với các công cụ chỉnh sửa gen cũ hơn.

“Trước đây, chỉ một số ít phòng thí nghiệm trên thế giới có thể tạo ra các công cụ thích hợp [để chỉnh sửa gen]. Alejandro Chavez, MD, Ph.D., trợ lý giáo sư tại Đại học Columbia, người đã phát triển một số công cụ CRISPR mới, cho biết giờ đây, ngay cả một học sinh trung học cũng có thể tạo ra sự thay đổi trong một bộ gen phức tạp” bằng cách sử dụng CRISPR.

CRISPR cũng hoàn toàn có thể tùy chỉnh. Nó có thể chỉnh sửa hầu như bất kỳ đoạn DNA nào trong 3 tỷ chữ cái của bộ gen người và nó chính xác hơn các công cụ chỉnh sửa DNA khác.

Và chỉnh sửa gen bằng CRISPR nhanh hơn rất nhiều. Với các phương pháp cũ hơn, “thường [mất] một hoặc hai năm để tạo ra một mẫu chuột biến đổi gen, nếu bạn may mắn,” Tiến sĩ Li cho biết. Nhưng giờ đây với CRISPR, một nhà khoa học có thể tạo ra một mô hình chuột phức tạp trong vòng vài tháng, ông nói.

Một điểm cộng nữa là CRISPR có thể dễ dàng mở rộng quy mô. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng hàng trăm RNA hướng dẫn để thao tác và đánh giá hàng trăm hoặc hàng nghìn gen cùng một lúc. Các nhà nghiên cứu ung thư thường sử dụng loại thí nghiệm này để chọn ra các gen có thể tạo ra các mục tiêu thuốc tốt.

Và như một phần thưởng bổ sung, “nó chắc chắn rẻ hơn các phương pháp trước đây,” Tiến sĩ Chavez lưu ý.

Hạn chế của CRISPR là gì?

Với tất cả những ưu điểm của nó so với các công cụ chỉnh sửa gen khác, CRISPR đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho các nhà khoa học nghiên cứu về ung thư. Cũng có hy vọng rằng nó cũng sẽ có một vị trí trong điều trị ung thư. Nhưng CRISPR không hoàn hảo và những nhược điểm của nó đã khiến nhiều nhà khoa học thận trọng khi sử dụng nó ở người.

Một cạm bẫy lớn là CRISPR đôi khi cắt DNA bên ngoài gen mục tiêu—cái được gọi là chỉnh sửa “ngoài mục tiêu”. Các nhà khoa học lo lắng rằng những chỉnh sửa ngoài ý muốn như vậy có thể gây hại và thậm chí có thể biến tế bào thành ung thư, như đã xảy ra trong một nghiên cứu năm 2002 về liệu pháp gen.

Tiến sĩ Chavez giải thích: “Nếu [CRISPR] bắt đầu phá vỡ các phần ngẫu nhiên của bộ gen, thì tế bào có thể bắt đầu ghép mọi thứ lại với nhau theo những cách thực sự kỳ lạ và có một số lo ngại về việc điều đó trở thành ung thư. Nhưng bằng cách điều chỉnh cấu trúc của Cas và RNA hướng dẫn, các nhà khoa học đã cải thiện khả năng của CRISPR để chỉ cắt mục tiêu đã định, ông nói thêm.

Một rào cản tiềm năng khác là đưa các thành phần CRISPR vào các tế bào. Cách phổ biến nhất để thực hiện việc này là sử dụng vi-rút để thực hiện công việc. Thay vì vận chuyển các gen gây bệnh, vi-rút được biến đổi để mang gen cho RNA hướng dẫn và Cas.

Đưa CRISPR vào các tế bào được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm là một chuyện; nhưng đưa nó vào các tế bào trong cơ thể con người lại là một câu chuyện khác. Một số vi-rút được sử dụng để mang CRISPR có thể lây nhiễm nhiều loại tế bào, vì vậy, chẳng hạn, chúng có thể kết thúc quá trình chỉnh sửa tế bào cơ khi mục tiêu là chỉnh sửa tế bào gan.

Các nhà nghiên cứu đang khám phá những cách khác nhau để tinh chỉnh việc cung cấp CRISPR tới các cơ quan hoặc tế bào cụ thể trong cơ thể con người. Một số đang thử nghiệm vi-rút chỉ lây nhiễm một cơ quan, như gan hoặc não. Những người khác đã tạo ra các cấu trúc nhỏ gọi là viên nang nano được thiết kế để cung cấp các thành phần CRISPR cho các tế bào cụ thể.

Vì CRISPR mới bắt đầu được thử nghiệm ở người nên cũng có những lo ngại về cách cơ thể—đặc biệt là hệ thống miễn dịch—sẽ phản ứng với vi-rút mang CRISPR hoặc với chính các thành phần CRISPR.

Một số thắc mắc liệu hệ thống miễn dịch có thể tấn công Cas (một loại enzyme vi khuẩn lạ đối với cơ thể con người) và phá hủy các tế bào được chỉnh sửa bằng CRISPR hay không. Hai mươi năm trước, một bệnh nhân đã chết sau khi hệ thống miễn dịch của anh ta phát động một cuộc tấn công lớn chống lại vi-rút mang liệu pháp gen mà anh ta đã nhận được. Tuy nhiên, các phương pháp dựa trên CRISPR mới hơn dựa trên các loại vi-rút có vẻ an toàn hơn so với các phương pháp được sử dụng cho các liệu pháp gen cũ.

Một mối lo ngại lớn khác là việc chỉnh sửa các tế bào bên trong cơ thể có thể vô tình tạo ra những thay đổi đối với tinh trùng hoặc tế bào trứng có thể truyền lại cho các thế hệ tương lai. Nhưng đối với hầu hết các nghiên cứu đang diễn ra trên người liên quan đến CRISPR, các tế bào của bệnh nhân được loại bỏ và chỉnh sửa bên ngoài cơ thể của họ. Tiến sĩ Chavez cho biết, cách tiếp cận “ex vivo” này được coi là an toàn hơn vì nó được kiểm soát tốt hơn so với việc cố gắng chỉnh sửa các tế bào bên trong cơ thể.

Tuy nhiên, một nghiên cứu đang tiến hành đang thử nghiệm chỉnh sửa gen CRISPR trực tiếp trên mắt của những người mắc bệnh di truyền gây mù lòa, được gọi là bệnh mù bẩm sinh Leber.

Thử nghiệm lâm sàng đầu tiên của CRISPR đối với bệnh ung thư

Thử nghiệm đầu tiên ở Hoa Kỳ để thử nghiệm liệu pháp điều trị ung thư do CRISPR tạo ra đã được triển khai vào năm 2019 tại Đại học Pennsylvania. Nghiên cứu, được tài trợ một phần bởi NCI, đang thử nghiệm một loại liệu pháp miễn dịch trong đó các tế bào miễn dịch của chính bệnh nhân được biến đổi gen để “nhìn thấy” tốt hơn và tiêu diệt ung thư của họ.

Liệu pháp này liên quan đến việc thực hiện bốn biến đổi gen đối với tế bào T, tế bào miễn dịch có thể tiêu diệt ung thư. Đầu tiên, việc bổ sung một gen tổng hợp mang lại cho các tế bào T một loại protein giống móng vuốt (được gọi là thụ thể) “nhìn thấy” NY-ESO-1, một phân tử trên một số tế bào ung thư.

Sau đó, CRISPR được sử dụng để loại bỏ ba gen: hai gen có thể can thiệp vào thụ thể NY-ESO-1 và một gen khác hạn chế khả năng tiêu diệt ung thư của tế bào. Sản phẩm hoàn chỉnh, được đặt tên là tế bào NYCE T, được nuôi cấy với số lượng lớn và sau đó truyền vào bệnh nhân.

Phóng to

Thử nghiệm đầu tiên của CRISPR dành cho bệnh nhân ung thư đã thử nghiệm các tế bào T đã được sửa đổi để “nhìn” và tiêu diệt ung thư tốt hơn. CRISPR đã được sử dụng để loại bỏ ba gen: hai gen có thể can thiệp vào thụ thể NY-ESO-1 và một gen khác hạn chế khả năng tiêu diệt ung thư của tế bào.

Tín dụng: Viện Ung thư Quốc gia

Trưởng nhóm thử nghiệm, Edward Stadtmauer, MD, thuộc Đại học Pennsylvania, cho biết: “Chúng tôi đã thực hiện một nghiên cứu trước đây về các tế bào T định hướng NY-ESO-1 và thấy một số bằng chứng về phản ứng được cải thiện và độc tính thấp. Anh ấy và các đồng nghiệp của mình muốn xem liệu việc loại bỏ ba gen bằng CRISPR có làm cho các tế bào T hoạt động tốt hơn hay không, anh ấy nói.

Mục tiêu của nghiên cứu này trước tiên là tìm hiểu xem phương pháp điều trị do CRISPR tạo ra có an toàn hay không. Nó đã được thử nghiệm ở hai bệnh nhân mắc bệnh đa u tủy tiến triển và một bệnh nhân mắc bệnh sarcoma di căn. Cả ba đều có khối u chứa NY-ESO-1, mục tiêu của liệu pháp tế bào T.

Những phát hiện ban đầu cho thấy việc điều trị là an toàn. Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng một số tác dụng phụ đã xảy ra, nhưng chúng có khả năng gây ra bởi các bệnh nhân hóa trị được nhận trước khi truyền tế bào NYCE. Không có bằng chứng về phản ứng miễn dịch đối với các tế bào được chỉnh sửa bằng CRISPR.

Chỉ khoảng 10% tế bào T được sử dụng cho liệu pháp này có tất cả 4 biến đổi di truyền mong muốn. Và các chỉnh sửa ngoài mục tiêu đã được tìm thấy trong các tế bào đã sửa đổi của cả ba bệnh nhân. Tuy nhiên, Tiến sĩ Stadtmauer lưu ý rằng không có tế bào nào có chỉnh sửa ngoài mục tiêu phát triển theo cách cho thấy chúng đã trở thành ung thư.

Việc điều trị có ảnh hưởng nhỏ đến bệnh ung thư của bệnh nhân. Các khối u của hai bệnh nhân (một bị đa u tủy và một bị sarcoma) đã ngừng phát triển trong một thời gian nhưng lại tiếp tục phát triển sau đó. Việc điều trị hoàn toàn không hiệu quả đối với bệnh nhân thứ ba.

Tiến sĩ Stadtmauer cho biết: “Thật thú vị khi phương pháp điều trị ban đầu có hiệu quả với bệnh nhân sarcoma vì “khối u rắn khó phá vỡ bằng liệu pháp tế bào hơn nhiều. Có lẽ kỹ thuật [CRISPR] sẽ nâng cao khả năng điều trị khối u rắn bằng tế bào của chúng ta. trị liệu.”

Tiến sĩ Stadtmauer tiếp tục: “Mặc dù thử nghiệm cho thấy rằng liệu pháp tế bào được chỉnh sửa bằng CRISPR là có thể, nhưng những tác động lâu dài vẫn cần được theo dõi. Các tế bào NYCE “an toàn chừng nào chúng tôi còn theo dõi [những người tham gia nghiên cứu]. Kế hoạch của chúng tôi là tiếp tục theo dõi chúng trong nhiều năm, nếu không muốn nói là hàng thập kỷ,” ông nói.

Sắp có thêm các nghiên cứu về phương pháp điều trị CRISPR

Trong khi nghiên cứu về các tế bào T của NYCE đánh dấu thử nghiệm đầu tiên về phương pháp điều trị ung thư dựa trên CRISPR, thì có thể còn nhiều nghiên cứu nữa sẽ đến.

“[Thử nghiệm] này thực sự là một bằng chứng về nguyên tắc, tính khả thi và an toàn, giờ đây mở ra toàn bộ thế giới chỉnh sửa CRISPR và các kỹ thuật chỉnh sửa [gen] khác để hy vọng tạo ra thế hệ trị liệu tiếp theo,” Tiến sĩ Stadtmauer nói.

Các nghiên cứu lâm sàng khác về phương pháp điều trị ung thư do CRISPR thực hiện đang được tiến hành. Một số thử nghiệm đang thử nghiệm các liệu pháp tế bào T CAR được thiết kế bằng CRISPR, một loại liệu pháp miễn dịch khác. Ví dụ, một công ty đang thử nghiệm các tế bào CAR T được thiết kế bằng CRISPR ở những người mắc bệnh ung thư tế bào B và những người mắc bệnh đa u tủy.

Vẫn còn rất nhiều câu hỏi về tất cả các cách mà CRISPR có thể được sử dụng trong nghiên cứu và điều trị ung thư. Nhưng có một điều chắc chắn: Lĩnh vực này đang phát triển cực kỳ nhanh và các ứng dụng mới của công nghệ liên tục xuất hiện.

Tiến sĩ Li cho biết: “Mọi người vẫn đang cải thiện các phương pháp CRISPR. “Đó là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển tích cực. Tôi chắc chắn rằng CRISPR sẽ có nhiều ứng dụng hơn nữa trong tương lai.”