tRNA “vượt” tín hiệu dừng, mở hướng điều trị mới cho một nhóm bệnh nhân xơ nang

Một nhóm nghiên cứu do Đại học Toronto dẫn dắt đã phát triển chiến lược RNA không dùng virus nhằm xử lý bệnh xơ nang do đột biến vô nghĩa—những sai sót di truyền chèn tín hiệu kết thúc sớm vào “bản hướng dẫn” tạo protein. Thay vì chỉnh sửa gene CFTR, các nhà khoa học đưa vào tế bào một loại tRNA ức chế được thiết kế đặc biệt (sup-tRNA), có khả năng đọc xuyên tín hiệu dừng sai này để tế bào tiếp tục sản xuất protein CFTR hoàn chỉnh. 1

Kết quả được ghi nhận trong tế bào biểu mô phế quản người, mô hình chuột và các organoid xơ nang lấy từ bệnh nhân. Đây là một nền tảng tiền lâm sàng đầy hứa hẹn, chưa phải phương pháp điều trị đã được chứng minh an toàn và hiệu quả ở người.

Khi tín hiệu dừng xuất hiện quá sớm

Đột biến vô nghĩa khiến bộ máy tạo protein của tế bào dừng quá sớm trong quá trình dịch mã. Với gene CFTR, hậu quả có thể là tế bào tạo ra rất ít hoặc không tạo được protein hoàn chỉnh—loại protein đóng vai trò như kênh vận chuyển ion chloride trên bề mặt tế bào đường thở.

Điểm này giải thích vì sao một số thuốc điều biến CFTR hiện nay không đủ hiệu quả với nhóm bệnh nhân nói trên. Các thuốc điều biến được thiết kế để cải thiện quá trình gấp cuộn, vận chuyển hoặc hoạt động của protein CFTR mà tế bào đã tạo ra; chúng khó bù đắp tình trạng tế bào không sản xuất đủ protein hoàn chỉnh do tín hiệu dừng sớm. Vì vậy, nghiên cứu mới tập trung vào nhóm bệnh nhân có đột biến vô nghĩa CFTR, những người có thể không đáp ứng đầy đủ với thuốc điều biến đơn độc. 12

Đột biến vô nghĩa được ước tính chiếm khoảng 11% nguyên nhân của các rối loạn di truyền. Vì cùng một kiểu lỗi dịch mã có thể xuất hiện ở nhiều gene, một chiến lược “đọc xuyên” an toàn về lý thuyết có thể được điều chỉnh cho các bệnh khác ngoài xơ nang. 2

tRNA hoạt động như thế nào?

Trong điều kiện bình thường, tRNA ghép các bộ ba mã hóa trên RNA thông tin với acid amin tương ứng trong quá trình dịch mã. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế sup-tRNA có bộ ba đối mã nhận diện codon kết thúc sớm trên RNA thông tin CFTR bị đột biến.

Khi gặp tín hiệu dừng sai, sup-tRNA đưa một acid amin vào thay vì để quá trình dịch mã kết thúc. Ribosome—“bộ máy” lắp ráp protein của tế bào—sau đó có thể tiếp tục đọc bản hướng dẫn và tạo ra protein CFTR đủ chiều dài. Nói cách khác, phương pháp này tạo một “đường vòng” quanh tín hiệu dừng bị đặt nhầm, thay vì sửa trực tiếp trình tự DNA. 14

Vì RNA này không nhằm thay đổi vĩnh viễn bộ gene, tác dụng của liệu pháp mang tính tạm thời. Nếu tiến tới thử nghiệm lâm sàng, nhiều khả năng người bệnh sẽ cần dùng nhắc lại; khoảng cách giữa các lần dùng sẽ phụ thuộc vào thời gian hoạt tính kéo dài và mức độ an toàn khi tái sử dụng.

Vì sao phải biến đổi hóa học tRNA?

Sup-tRNA chưa biến đổi phải vượt qua nhiều trở ngại: tồn tại đủ lâu trong tế bào, được nạp đúng acid amin, đọc xuyên codon kết thúc hiệu quả và không kích hoạt quá mức phản ứng miễn dịch bẩm sinh.

Nhóm nghiên cứu đã đưa vào tRNA một biến đổi hóa học tại vị trí xác định, vốn được tìm thấy tự nhiên trong tRNA. Theo báo cáo, biến đổi này giúp tăng khả năng nạp acid amin cho tRNA, cải thiện hiệu quả đọc xuyên tín hiệu dừng sớm, kéo dài hoạt tính chức năng và giảm kích hoạt miễn dịch bẩm sinh. Các thông tin hiện có không nêu tên chính xác biến đổi này, vì vậy không nên tự suy đoán đó là một hợp chất cụ thể như pseudouridine. 158

Đây là điểm quan trọng: một tRNA có thể đọc xuyên codon dừng nhưng sẽ khó trở thành thuốc hữu ích nếu bị phân hủy nhanh, không được “nạp hàng” đúng hoặc gây viêm mạnh. Việc tối ưu hóa hóa học đã đồng thời giải quyết nhiều nút thắt của công nghệ.

Đưa thuốc đến phổi bằng hạt nano lipid

Các nhà nghiên cứu cũng phát triển các công thức hạt nano lipid (LNP) phù hợp với cấu trúc tương đối đặc biệt của tRNA. Sau khi sàng lọc khả năng đưa RNA vào tế bào, họ chọn công thức để sử dụng qua đường hít, nhằm tập trung cargo RNA vào mô phổi và các tế bào đường thở. 18

Đây là hệ thống đưa thuốc không dùng virus: LNP chỉ đóng vai trò “vỏ vận chuyển” RNA vào tế bào, không dựa vào vector virus và không chèn một gene đã sửa vào bộ gene của người. Những nghiên cứu trước đó từng cho thấy sup-tRNA được đưa bằng LNP có thể khôi phục quá trình tạo protein chức năng ở chuột, tạo nền tảng cho thiết kế mới dành riêng cho cargo tRNA và đường hô hấp. 4

Các mô hình đã cho thấy điều gì?

Phối hợp sup-tRNA biến đổi hóa học với LNP dạng hít đã khôi phục quá trình tạo CFTR và chức năng kênh liên quan trong nhiều hệ thống thử nghiệm:

• Tế bào biểu mô phế quản người: liệu pháp thúc đẩy đọc xuyên codon kết thúc sớm và khôi phục việc tạo protein CFTR đủ chiều dài.
• Mô hình chuột mắc xơ nang: RNA dạng hít đến được phổi và duy trì hoạt tính kéo dài, được báo cáo lên tới khoảng 40 ngày ở chuột. Đây là dữ liệu tiền lâm sàng, không thể mặc nhiên áp dụng cho người. 16
• Organoid lấy từ bệnh nhân: phương pháp khôi phục CFTR hoàn chỉnh trong một organoid mang bốn biến thể CFTR, trong đó có hai biến thể vô nghĩa. 18

Thử nghiệm trên organoid cũng cho thấy giới hạn quan trọng. Protein CFTR mới được tạo ra vẫn cần phối hợp thuốc điều chỉnh và tăng cường hoạt tính elexacaftor–tezacaftor–ivacaftor, thường được biết đến với tên Trikafta, để đạt khả năng gấp cuộn, vận chuyển và hoạt động kênh tối ưu. Vì vậy, logic điều trị ở ít nhất một số đột biến có thể là: khôi phục việc tạo protein trước, sau đó cải thiện hoạt động của protein được giải cứu—chứ không nhất thiết loại bỏ hoàn toàn thuốc điều biến CFTR. 13

Tiềm năng vượt ra ngoài bệnh xơ nang

Về nguyên tắc, sup-tRNA có thể được thiết kế để nhận diện cả ba loại codon kết thúc. Điều này tạo ra một nền tảng nhắm vào nhóm đột biến, thay vì chỉ một gene hay một bệnh cụ thể. Nếu xác định được loại tRNA phù hợp, acid amin cần đưa vào, liều RNA đủ và cách vận chuyển an toàn đến mô đích, chiến lược này có thể được điều chỉnh cho nhiều bệnh do đột biến vô nghĩa gây ra.

Tuy nhiên, tiềm năng đó không đồng nghĩa mọi bệnh đều có thể áp dụng ngay. Mỗi protein có thể “chấp nhận” một loại thay thế acid amin khác nhau; protein được tạo lại sau khi đọc xuyên tín hiệu dừng vẫn có thể gấp cuộn sai hoặc cần thuốc ổn định. Khâu đưa thuốc cũng phụ thuộc từng cơ quan. Công thức tối ưu cho đường hít vào phổi chưa chắc phù hợp với gan, cơ, não hoặc thận; mỗi mô có thể cần một loại hạt nano và đường dùng riêng. 34

Những câu hỏi an toàn chưa được giải đáp

Trước khi đi từ mô hình sang thử nghiệm ở người, các nhà nghiên cứu cần làm rõ nhiều vấn đề:

• Sup-tRNA có vô tình đọc xuyên các codon kết thúc bình thường hay không?
• Việc thay đổi quá trình dịch mã có tạo ra protein ngoài ý muốn hoặc các thay thế acid amin có hại không?
• Công thức LNP có an toàn và duy trì hiệu quả khi được hít lặp lại không?
• RNA phân bố đến đâu trong phổi và tồn tại trong bao lâu?
• LNP hoặc RNA có gây viêm hay kích hoạt phản ứng miễn dịch khác không?

Một số bài viết bên ngoài nghiên cứu đã lưu ý tình trạng viêm phụ thuộc liều ở chuột, cùng những quan ngại rộng hơn về độ an toàn hô hấp của LNP dạng hít. Đây sẽ là vấn đề cần được đánh giá kỹ trước khi phương pháp có thể được xem là liệu pháp lâm sàng. 613

Vì thế, bước tiến chính của công trình không phải là một phương pháp chữa xơ nang đã sẵn sàng, mà là sự kết hợp giữa hóa học tRNA và hệ thống đưa thuốc định hướng đến cơ quan. Bằng cách cải thiện khả năng đọc xuyên, độ bền, việc nạp acid amin và khả năng dung nạp, đồng thời đưa cargo đến phổi, nhóm nghiên cứu đã khôi phục đáng kể lượng và chức năng CFTR trong các mô hình tiền lâm sàng và organoid từ bệnh nhân.

Thách thức tiếp theo là xác định liệu hiệu quả này có thể lặp lại một cách an toàn, ổn định và dự đoán được ở người hay không—và liệu từng đột biến CFTR có cần phối hợp với Trikafta hoặc các thuốc ổn định protein khác để protein được giải cứu thực sự hoạt động hay không.