ทีมวิจัยนำโดยมหาวิทยาลัยโตรอนโตพัฒนาวิธีรักษาด้วย RNA แบบไม่ใช้ไวรัสสำหรับโรคซิสติกไฟโบรซิสที่เกิดจาก nonsense mutation หรือความผิดพลาดทางพันธุกรรมซึ่งใส่สัญญาณ “หยุด” ลงในคำสั่งสร้างโปรตีนก่อนเวลาอันควร
แทนที่จะตัดต่อยีน CFTR โดยตรง นักวิจัยใช้ transfer RNA ที่ออกแบบขึ้นใหม่ หรือ suppressor tRNA (sup-tRNA) ให้ทำหน้าที่อ่านข้ามสัญญาณหยุดที่ผิดพลาดนั้น เพื่อให้เซลล์สร้างโปรตีน CFTR ต่อจนได้ความยาวเต็มและกลับมาทำงานได้ ผลการทดลองเกิดขึ้นในเซลล์เยื่อบุหลอดลม แบบจำลองหนู และออร์แกนอยด์ที่สร้างจากเซลล์ผู้ป่วย อย่างไรก็ตาม นี่ยังเป็นหลักฐานระดับก่อนคลินิก ไม่ใช่การรักษาที่พิสูจน์แล้วในมนุษย์ 1
ปัญหาคือสัญญาณหยุดที่มาเร็วเกินไป
เมื่อเกิด nonsense mutation เครื่องจักรสร้างโปรตีนของเซลล์จะหยุดอ่านรหัสเร็วเกินไป ในยีน CFTR ผลลัพธ์อาจเป็นโปรตีนที่สั้นกว่าปกติ หรือแทบไม่มีโปรตีน CFTR แบบเต็มความยาวที่ทำหน้าที่เป็นช่องทางลำเลียงคลอไรด์อยู่บนผิวเซลล์
ประเด็นนี้ทำให้แนวทางดังกล่าวแตกต่างจากยาปรับการทำงานของ CFTR ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ยากลุ่มนี้ออกแบบมาเพื่อช่วยให้ CFTR ที่เซลล์สร้างขึ้นแล้วพับตัว ลำเลียงไปยังตำแหน่งที่ถูกต้อง หรือทำงานได้ดีขึ้น แต่ไม่สามารถชดเชยได้เต็มที่หากสัญญาณหยุดก่อนเวลาทำให้ไม่มีโปรตีนแบบเต็มความยาวเพียงพอ งานวิจัยจึงมุ่งไปยังผู้ป่วยที่มี nonsense mutation ใน CFTR ซึ่งอาจตอบสนองต่อยาเหล่านี้ได้ไม่ดีพอเพียงลำพัง 12
Nonsense mutation พบในโรคทางพันธุกรรมที่ถ่ายทอดได้ประมาณ 11% ตามการประเมินหนึ่ง เนื่องจากความผิดพลาดลักษณะเดียวกันเกิดขึ้นได้ในยีนหลายชนิด กลยุทธ์ที่ช่วยให้เซลล์อ่านข้ามสัญญาณหยุดได้อย่างปลอดภัยจึงมีโอกาสต่อยอดไปยังโรคอื่นนอกเหนือจากซิสติกไฟโบรซิส 2
sup-tRNA ทำหน้าที่เหมือนทางเบี่ยงของรหัสพันธุกรรม
โดยปกติ tRNA จะจับคู่โคดอนบน messenger RNA กับกรดอะมิโนระหว่างกระบวนการแปลรหัส นักวิจัยออกแบบ sup-tRNA ให้มีแอนติโคดอนที่จดจำโคดอนหยุดก่อนเวลาใน messenger RNA ของ CFTR ที่กลายพันธุ์
เมื่อ sup-tRNA ไปถึงสัญญาณหยุดที่ผิดพลาด มันจะนำกรดอะมิโนเข้าไปแทนการสั่งหยุด ทำให้ไรโบโซมอ่านรหัสต่อจนสร้างโปรตีน CFTR แบบเต็มความยาวได้ กล่าวง่าย ๆ คือ วิธีนี้ไม่ได้ซ่อมลำดับ DNA แต่สร้าง “ทางเบี่ยง” ให้เซลล์ข้ามคำสั่งหยุดที่วางผิดตำแหน่ง 14
เนื่องจาก RNA ไม่ได้มีเป้าหมายเพื่อเปลี่ยนแปลงจีโนมอย่างถาวร ผลจึงเป็นแบบชั่วคราว หากพัฒนาไปถึงการใช้ทางคลินิก อาจต้องให้ซ้ำเป็นระยะ แต่ความถี่ในการให้ยาจะขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่ฤทธิ์คงอยู่และความปลอดภัยของการให้ซ้ำ
การดัดแปลงทางเคมีช่วยแก้ข้อจำกัดหลายด้าน
sup-tRNA ที่ไม่ได้ดัดแปลงมีอุปสรรคหลายอย่าง ทั้งต้องคงตัวได้นานพอ ต้องถูกเติมกรดอะมิโนที่ถูกต้อง ต้องช่วยให้เกิดการอ่านข้ามโคดอนหยุดได้อย่างมีประสิทธิภาพ และต้องไม่กระตุ้นภูมิคุ้มกันแต่กำเนิดมากเกินไป
ทีมวิจัยจึงเพิ่มการดัดแปลงทางเคมีเฉพาะตำแหน่ง ซึ่งเป็นการดัดแปลงที่พบได้ตามธรรมชาติใน tRNA รายงานระบุว่าการดัดแปลงนี้ช่วยเพิ่มการเติมกรดอะมิโนให้กับ tRNA หรือ aminoacylation เพิ่มประสิทธิภาพการอ่านข้ามสัญญาณหยุด ยืดระยะเวลาการทำงาน และลดการกระตุ้นภูมิคุ้มกันแต่กำเนิด 158
อย่างไรก็ดี หลักฐานที่มีไม่ได้ระบุชื่อการดัดแปลงดังกล่าว จึงไม่ควรสรุปว่าเป็นสารชนิดใดชนิดหนึ่ง เช่น pseudouridine 158
ความสำคัญของการออกแบบนี้คือไม่ได้แก้ปัญหาเพียงจุดเดียว เพราะ tRNA ที่อ่านข้ามโคดอนหยุดได้แต่ถูกทำลายเร็ว เติมกรดอะมิโนไม่ได้ดี หรือกระตุ้นการอักเสบมาก ก็ย่อมมีคุณค่าทางการรักษาจำกัด
ทำไมต้องส่งยาด้วยการสูดดม
นักวิจัยยังพัฒนาอนุภาคไขมันนาโน หรือ LNP ให้เหมาะกับโครงสร้างที่ซับซ้อนของ tRNA โดยคัดกรองสูตรต่าง ๆ ตามประสิทธิภาพการนำส่ง ก่อนเลือกสูตรที่ให้ผ่านการสูดดม เพื่อเพิ่มโอกาสให้ RNA ไปสะสมในเนื้อปอดและเข้าสู่เซลล์ทางเดินหายใจ 18
ระบบนี้เป็นการนำส่งแบบไม่ใช้ไวรัส อนุภาคไขมันทำหน้าที่พา RNA เข้าสู่เซลล์ โดยไม่ต้องอาศัยพาหะไวรัสและไม่ได้มุ่งแทรกยีนที่แก้ไขแล้วเข้าไปในจีโนมอย่างถาวร งานก่อนหน้านี้เคยแสดงให้เห็นว่า LNP สามารถนำส่ง sup-tRNA และช่วยฟื้นการสร้างโปรตีนที่ทำงานได้ในแบบจำลองหนู จึงเป็นพื้นฐานให้การศึกษาครั้งใหม่นี้ปรับทั้งตัว RNA และระบบนำส่งให้เหมาะกับปอดมากขึ้น 4
ผลการทดลองในเซลล์ หนู และออร์แกนอยด์ผู้ป่วย
การรักษาด้วย sup-tRNA ที่ดัดแปลงทางเคมีร่วมกับ LNP แบบสูดดมช่วยฟื้นการสร้าง CFTR และการทำงานของช่องทางดังกล่าวในหลายระบบทดลอง ได้แก่
- เซลล์เยื่อบุหลอดลมมนุษย์: การรักษาช่วยให้เซลล์อ่านข้ามโคดอนหยุดก่อนเวลา และกลับมาสร้าง CFTR แบบเต็มความยาว
- แบบจำลองซิสติกไฟโบรซิสในหนู: การให้ยาทางการสูดดมเข้าถึงปอดและมีฤทธิ์ต่อเนื่อง โดยรายงานว่าพบกิจกรรมได้นานสูงสุดประมาณ 40 วันในหนู ระยะเวลาดังกล่าวเป็นข้อมูลก่อนคลินิกและยังนำไปเทียบกับคนไม่ได้ 16
- ออร์แกนอยด์จากผู้ป่วย: แนวทางนี้ช่วยฟื้นการสร้าง CFTR แบบเต็มความยาวในออร์แกนอยด์ที่มีความผิดปกติของ CFTR สี่ตำแหน่ง รวมถึง nonsense mutation สองตำแหน่ง 18
ผลจากออร์แกนอยด์ยังชี้ให้เห็นข้อจำกัดสำคัญด้วย แม้ sup-tRNA จะช่วยให้สร้าง CFTR ขึ้นมาใหม่ แต่ในแบบจำลองนี้โปรตีนที่ได้ยังต้องใช้ยาผสม elexacaftor–tezacaftor–ivacaftor ซึ่งรู้จักกันในชื่อ Trikafta เพื่อช่วยให้โปรตีนพับตัว ลำเลียงไปยังตำแหน่งที่เหมาะสม และทำงานเป็นช่องคลอไรด์ได้เต็มที่ 13
ดังนั้น แนวคิดการรักษาที่เป็นไปได้ในผู้ป่วยบางกลุ่มอาจเป็นการ “ฟื้นการสร้างโปรตีนก่อน แล้วจึงปรับการทำงานของโปรตีนที่กู้คืนมา” มากกว่าการใช้ sup-tRNA เพื่อแทนที่ยาปรับการทำงานของ CFTR ทั้งหมด
โอกาสต่อยอดไปยังโรคพันธุกรรมอื่น
ในหลักการ นักวิจัยสามารถออกแบบ sup-tRNA ให้จดจำโคดอนหยุดทั้งสามชนิดได้ จึงอาจพัฒนาเป็นแพลตฟอร์มสำหรับโรคที่เกิดจาก nonsense mutation หลายประเภท โดยต้องเลือก tRNA ให้เหมาะกับโคดอนและกรดอะมิโนที่ควรใส่ รวมถึงต้องนำส่ง RNA ไปยังอวัยวะเป้าหมายได้ในปริมาณที่เพียงพอและปลอดภัย
แต่โอกาสนี้ไม่ได้หมายความว่าสูตรเดียวจะใช้ได้กับทุกโรค โปรตีนแต่ละชนิดอาจยอมรับการแทนที่ด้วยกรดอะมิโนต่างกัน บางโปรตีนที่ช่วยกู้คืนจากสัญญาณหยุดก่อนเวลาอาจยังพับตัวผิดรูป หรือจำเป็นต้องใช้ยาช่วยทำให้โปรตีนเสถียร นอกจากนี้ การนำส่งก็ขึ้นอยู่กับอวัยวะอย่างมาก อนุภาคที่ออกแบบมาสำหรับการสูดดมเข้าปอดอาจไม่เหมาะกับตับ กล้ามเนื้อ สมอง หรือไต ซึ่งแต่ละอวัยวะอาจต้องใช้สูตรอนุภาคและวิธีให้ยาที่แตกต่างกัน 34
คำถามด้านความปลอดภัยยังต้องตอบอีกมาก
ก่อนจะขยับจากแบบจำลองไปสู่การรักษาในคน นักวิจัยยังต้องประเมินประเด็นสำคัญ ได้แก่
- sup-tRNA จะทำให้เกิดการอ่านข้ามโคดอนหยุดปกติโดยไม่ตั้งใจหรือไม่
- การแปลรหัสที่เปลี่ยนไปจะสร้างโปรตีนที่เป็นอันตราย หรือทำให้ใส่กรดอะมิโนผิดตำแหน่งหรือไม่
- สูตร LNP และ RNA จะปลอดภัยและยังคงมีประสิทธิภาพเมื่อให้ทางการสูดดมซ้ำหรือไม่
- ยากระจายไปทั่วปอดได้มากน้อยเพียงใด และคงฤทธิ์อยู่ได้นานแค่ไหน
- LNP หรือ RNA จะกระตุ้นการอักเสบและปฏิกิริยาภูมิคุ้มกันอื่น ๆ หรือไม่
รายงานจากภายนอกกล่าวถึงการอักเสบที่ขึ้นกับขนาดยาในหนู รวมถึงข้อกังวลด้านความปลอดภัยของระบบ LNP แบบสูดดมโดยรวม ประเด็นเหล่านี้จึงต้องผ่านการทดสอบอย่างรอบคอบ ก่อนจะถือว่าแนวทางนี้พร้อมใช้ทางคลินิก 613
จุดก้าวหน้าหลักของงานนี้อยู่ที่การผสาน เคมีของ tRNA เข้ากับการนำส่งที่มุ่งเป้าไปยังปอด การปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพการอ่านข้ามโคดอนหยุด ความคงทน การเติมกรดอะมิโน และความทนต่อระบบภูมิคุ้มกัน ทำให้ทีมวิจัยฟื้นการสร้างและการทำงานของ CFTR ได้ในเซลล์ แบบจำลองสัตว์ และออร์แกนอยด์จากผู้ป่วย
โจทย์ต่อไปคือดูว่าผลลัพธ์นี้จะเกิดขึ้นในมนุษย์ได้อย่างปลอดภัย สม่ำเสมอ และคาดการณ์ได้หรือไม่ รวมถึงต้องพิจารณาว่า CFTR แต่ละ mutation จำเป็นต้องใช้การรักษาแบบผสม เช่น sup-tRNA ร่วมกับยาปรับการทำงานของ CFTR หรือไม่
