Investigadores de la UCLA han desarrollado un enfoque de edición genética basado en nanopartículas lipídicas capaz de insertar un gen sano completo en células de las vías respiratorias humanas. Este avance ha restaurado funciones biológicas clave en un modelo de laboratorio de fibrosis quística, abriendo un nuevo camino potencial hacia una terapia génica independiente de la mutación para enfermedades pulmonares hereditarias.
El estudio, publicado en la revista Advanced Functional Materials, demuestra que las nanopartículas lipídicas – partículas diminutas a base de grasa ampliamente utilizadas para administrar vacunas de ARNm – pueden diseñarse para transportar la compleja carga molecular necesaria para la inserción precisa de un gen completo en el genoma, sin utilizar vectores virales.
“Este trabajo demuestra que podemos empaquetar todo lo necesario para una inserción genética precisa en un único sistema de administración no viral”, afirmó el Dr. Steven Jonas, autor principal del estudio y miembro del UCLA Broad Stem Cell Research Center. “Este es un paso crítico para desarrollar terapias génicas que puedan funcionar en diversas mutaciones causantes de enfermedades.”
La fibrosis quística es causada por mutaciones en un solo gen, el regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR), que codifica un canal que ayuda a mover el cloruro y el agua a través de la superficie de las células de las vías respiratorias. Cuando este canal no funciona correctamente, el moco en los pulmones se vuelve espeso y pegajoso, atrapando bacterias y provocando infecciones crónicas y daño pulmonar progresivo.
Aunque los fármacos moduladores de CFTR altamente eficaces han transformado la atención a muchos pacientes con fibrosis quística, alrededor del 10% de los pacientes producen muy poca o ninguna proteína CFTR, lo que deja a estos fármacos sin efecto.
“Para estos pacientes, la terapia génica no es solo una mejora, sino realmente la única opción”, señaló la Dra. Brigitte Gomperts, coautora del estudio y directora asociada de investigación traslacional en el centro de células madre. “Es necesario proporcionar a la célula la capacidad de producir la proteína en primer lugar.”
Una nueva forma de administrar un gen completo
Dado que existen más de 1.700 mutaciones diferentes en el gen CFTR que pueden causar fibrosis quística, el equipo buscó desarrollar un enfoque universal que pudiera corregir cualquiera de estos errores en una sola edición, en lugar de individualmente.
La mayoría de las terapias génicas experimentales se basan en vectores virales para administrar material genético a las células. Si bien son potentes, los enfoques virales pueden ser costosos de fabricar, limitados en la cantidad de material genético que pueden transportar y difíciles de administrar más de una vez, ya que el sistema inmunitario puede reconocerlos y reaccionar ante ellos.
En este estudio, el equipo de la UCLA utilizó nanopartículas lipídicas como un sistema de administración no viral. Las partículas fueron diseñadas para transportar simultáneamente tres componentes de edición genética: la maquinaria CRISPR para cortar el ADN en una ubicación precisa, moléculas guía para dirigirse al sitio genómico correcto y una plantilla de ADN que codifica una copia completa y funcional del gen CFTR.
“Lograr que todo esto entre en una sola partícula, especialmente un gen tan grande como el CFTR, es algo que no se había demostrado antes”, dijo Ruth Foley, primera autora del estudio y reciente graduada de doctorado del laboratorio Jonas en la UCLA. “Si se puede resolver el problema del ‘gen grande’, se abren las puertas a muchas otras enfermedades.”
Los investigadores probaron el sistema en células de las vías respiratorias humanas cultivadas en laboratorio que portaban una mutación grave de fibrosis quística que no responde a los fármacos existentes. Las nanopartículas entregaron con éxito un gen CFTR sano a aproximadamente el 3-4% de las células.
A pesar de esta pequeña fracción de células corregidas, el tratamiento restauró entre el 88% y el 100% de la función normal del canal CFTR en toda la población celular.
Los investigadores señalan que la fuerza de esta recuperación refleja no solo dónde se insertó el gen, sino también cómo se diseñó. El gen CFTR de reemplazo fue diseñado para maximizar la producción de proteínas una vez que entró en la célula, lo que permitió que incluso un pequeño número de células corregidas tuviera un efecto desproporcionado. Este diseño genético, conocido como optimización de codones, fue desarrollado por colaboradores en el laboratorio del Dr. Donald Kohn en la UCLA y aumenta la producción de proteínas CFTR sin alterar la proteína en sí.
Hacia terapias duraderas y únicas
A diferencia de los enfoques que administran ARN mensajero – que deben ser readministrados repetidamente – la nueva estrategia inserta el gen corregido directamente en el genoma, lo que podría permitir que las células y sus descendientes continúen produciendo CFTR funcional con el tiempo.
Sin embargo, para obtener beneficios a largo plazo, la edición genética debe llegar finalmente a las células madre de las vías respiratorias, que se encuentran en lo profundo del revestimiento protector de los pulmones y regeneran las vías respiratorias a lo largo de la vida de una persona. “Estas células madre son longevas y regeneran constantemente las vías respiratorias”, dijo Gomperts, quien también es profesora de pediatría y medicina pulmonar en la David Geffen School of Medicine de la UCLA. “Si se pueden corregir, teóricamente se podría tener una fuente duradera de células sanas.”
Alcanzar estas células sigue siendo uno de los mayores desafíos. Las vías respiratorias están diseñadas para bloquear las partículas extrañas y, en pacientes con fibrosis quística, el moco espeso crea una barrera adicional.
“Este trabajo es una prueba de concepto”, dijo Jonas, quien también es profesor asistente de pediatría en la escuela de medicina y miembro del California NanoSystems Institute. “Demuestra que podemos empaquetar y administrar la carga genética correcta. El siguiente desafío es llevarla a las células correctas del cuerpo.”
Una plataforma con implicaciones más amplias
Debido a que las nanopartículas lipídicas son modulares y no dependen de componentes virales, el enfoque podría ser más flexible, escalable y potencialmente más asequible que las terapias génicas tradicionales.
“Este tipo de plataforma te da margen para iterar”, dijo Foley. “Si necesitas readministrar o adaptar la carga para una enfermedad diferente, no estás empezando de cero.”
Más allá de la fibrosis quística, los investigadores afirman que la estrategia podría aplicarse a otras enfermedades pulmonares genéticas, e incluso a afecciones en otros tejidos, causadas por genes grandes con muchas mutaciones posibles.
“Para los pacientes que actualmente no tienen tratamientos eficaces”, dijo Gomperts, “este tipo de trabajo representa una esperanza, no porque esté listo para mañana, sino porque muestra un camino a seguir.”
Entre los autores adicionales se encuentran Paul G. Ayoub, Vrishti Sinha, Colin Juett, Alicia Sanoyca, Emily C. Duggan, Lindsay E. Lathrop, Priyanka Bhatt, Kevin Coote y Beate Illek.
La investigación fue apoyada por los National Institutes of Health, la Cystic Fibrosis Foundation, el California Institute for Regenerative Medicine y el Cystic Fibrosis Research Institute.
