Посещений:
ГЕНОТЕРАПИЯ В СТОМАТОЛОГИИ



и др. Терапевтические подходы

Applications of Gene Therapy in Dentistry: A Review Article
Karthika Nair, Amitha Ramesh Bhat
Journal of Health and Allied Sciences NU DOI: 10.1055/s-0042-1759711

Gene therapy promises to possess a good prospect in bridging the gap between dental applications and medicine. The dynamic therapeutic modalities of gene therapy have been advancing rapidly. Conventional approaches are being revamped to be more comprehensive and pre-emptive, which could do away with the need for surgery and medicine altogether. The complementary base sequences known as genes convey the instructions required to manufacture proteins. The oral cavity is one of the most accessible locations for the therapeutic intervention of gene therapy for several oral tissues. In 1990, the first significant trial of gene therapy was overseen to alleviate adenosine deaminase deficiency. The notion of genetic engineering has become increasingly appealing as a reflection of its benefits over conventional treatment modalities. An example of how this technology may alter dentistry is the implementation of gene therapy for dental and oral ailments. The objective of this article is to examine the effects of gene therapy on the field of dentistry, periodontology and implantology. Furthermore, the therapeutic factors of disease therapy, minimal invasion, and appropriate outcome have indeed been taken into consideration.
Целью генотерапии является создание функционирующих белков путем замены аберрантных генов их подходящими аналогами. Данные свидетельствуют о том, что основные заболевания, включая злокачественные опухоли, вирусные заболевания, генетические аномалии и аутоиммунные расстройства, можно лечить с помощью генотерапии, чтобы предотвратить, смягчить или, возможно, вылечить их.[1] Ученые стремятся искоренить болезни в самом их истоке, они пытаются изменить гены, вызывающие заболевания, вместо того чтобы искать лекарства для лечения недугов. Для этого используется генотерапия. Со временем появились новые технологии, методы, подходы и перспективы переноса генов. Термин "генотерапия", который первоначально использовался для обозначения "лечения с помощью замены гена " в начале 1980-х годов, сегодня перерос свое предполагаемое определение и теперь используется для обозначения любого процесса, который включает в себя перенос генов. [2] Кроме того, гетерогенное происхождение заболеваний пародонта включает микробный вызов и разнообразные иммунные реакции хозяина, которые определяются генетическими и экологическими детерминантами.[3-5] На первых двух этапах процесса генотерапии генетический код человека в качестве терапевтического средства обычно представлял собой ослабленный носитель или вектор, белок которого сначала расщепляется, а затем помещается в геном человека. На втором этапе модифицированный вектор вводится в предполагаемые клетки человека, в результате чего высвобождается последовательность ДНК, которая встраивается в хромосому. Клетки с новым генетическим дизайном в конечном итоге производят необходимые терапевтические белки, как только ген "включается" в соответствующем участке.[1] [6] [7] Генотерапия соматической и зародышевой линии - это две основные фазы генотерапии соответственно. [8] В зависимости от способа доставки вектора, перенос генов может быть осуществлен одним из двух методов: перенос генов ex vivo, который предполагает введение генно-инженерного вектора в культивируемые клетки тканей до фактического переноса измененных тканей в организм, или перенос генов in vivo, который предполагает непосредственное введение вектора с преобразованным геном пациенту [7] [9] ([рис. 1]).



Fig. 1 In vivo and ex vivo gene transfer.

Applications in Dentistry


Существенное продвижение было достигнуто в области генотерапии зубов.[10] См. Fig. 2.



Fig. 2 Applications of gene therapy in dentistry.

Salivary Glands


Первичные экскреторные протоки большой слюнной железы канюлируются (cannulated) ретродуктивно в рамках генотерапии слюнных желез. Это может привести к синтезу белков, которые являются лечебными для желез, и применяется широкий спектр генов, включая гены, продуцирующие гормоны,[15] [16] антибактериальный агент,[17] мембранные белки,[18] [19] факторы транскрипции,[20] ингибиторы протеаз,[21] белок, регулирующий апоптоз,[22] и многочисленные "репортерные белки" не млекопитающих.[23-25]
Синдром Sjogren's (SS) - это аутоиммунное заболевание. В основном оно характеризуется сухостью глаз и сухостью во рту. Синдром часто сосуществует с другими заболеваниями иммунной системы, включая волчанку и ревматоидный артрит. Учитывая это обстоятельство, сформировалась широкая парадигма для создания инновационных белковых, а в последнее время и генных методов лечения ряда аутоиммунных заболеваний, включая SS. Используемый нами метод, включающий биологический компонент, который усиливает активность Th2 и подавляет Th1 клетки, вероятно, эффективен для лечения.[26] Интерлейкин-10 или вазоактивный кишечный пептид, например, являются формами противовоспалительных цитокинов, передача которых может привести к снижению выработки про-воспалительных цитокинов, защищая слюнные гликопротеины (SGs) и поддерживая их секреторную функцию.[27].

Bone Repair


Кости имеют хороший потенциал для регенерации и заживления и могут быть изменены, в отличие от других твердых тканей зубов (таких как эмаль и дентин).[28] [29] В стоматологии были использованы методы ex vivo для переноса генов, кодирующих костные морфогенетические белки.[30] [31] Костные морфогенетические белки являются признанными индукторами эктопического и ортотопического развития костей. Переломы костей и травмы часто заживают, не оставляя шрамов. Однако заживление и ремоделирование костей может быть затруднено при патологических переломах или значительных деформациях костей.[32-35] Надежный митоген, известный как фактор роста тромбоцитов (PDGF), является еще одним фактором, имеющим решающее значение для заживления ран. Биологические эффекты PDGF носят анти-апоптотический характер и влияют на миграцию клеток, пролиферацию и производство внеклеточного матрикса. Ген ареста роста останавливает его активность (gas gene). Разработка биоактивного гена PDGF позволила обойти ингибирующее действие гена остановки роста, что имеет решающее значение для заживления ран.[36] В сочетании с геном CBFA1, который играет важную роль в дифференцировке клеток и экспрессии генов костного сиалопротеина во время восстановления и регенерации кости, костный сиалопротеин является важным не-коллагеновым белком, участвующим в заживлении кости.[37]

Carcinomas


Раковые заболевания полости рта, околоносовых пазух, гортани, глотки и кожи головы и шеи относятся к категории плоскоклеточной карциномы головы и шеи (SCCHN). Она считается шестым по распространенности раком в мире.[32] В доклинических и клинических испытаниях плоскоклеточной карциномы была тщательно изучена уникальная стратегия генотерапии, которая преимущественно обусловливает размножение внутри опухолевых клеток и лизирует их. Для терапии злокачественных опухолей, лишенных активности р53, был создан ONYX-015 (d11520), аденовирус с делецией гена E1B 55kD.[38] Пациентам с рецидивирующей/рефрактерной плоскоклеточной карциномой можно безопасно вводить ONYX-015 путем инъекции в опухоль. Однако, когда этот конкретный тип генотерапии применялся самостоятельно, было получено очень мало доказательств противоопухолевой эффективности.[39] [40] В исследовании II фазы внутри-опухолевого введения ONYX-015 с цисплатином и 5-фторурацилом у пациентов с рецидивирующей SCCHN наблюдались значительные объективные реакции, включая высокий процент полных ответов. В отличие от всех не-инъецированных опухолей, получавших только химиотерапию, ни одна из ответивших опухолей не прогрессировала к 6 месяцам. В образцах опухолей, взятых после терапии, наблюдалась избирательная для опухоли вирусная репликация и индукция некроза, но не было очевидной связи между наличием мутаций р53 в опухоли и клиническим исходом. [41] Эти результаты подтверждают недостаточность взаимодействия с соседями и иллюстрируют важность создания агентов для системного введения.

"Suicide" Gene Therapy


"Самоубийственная" генотерапия подразумевает введение в клетку гена, позволяющего предшественнику лекарства превратиться в активный цитотоксический препарат. Тимидинкиназа вируса простого герпеса - это метод, который был исследован больше всего (HSV-TK). Этот ген производит вирусный фермент, который превращает ganciclovi в монофосфатную форму, которую внутриклеточные ферменты затем фосфорилируют в активное трифосфатное вещество, останавливающее синтез ДНК[42].

Орофациальная боль


Орофациальный дискомфорт - это боль, возникающая в области мягких и твердых тканей лица, головы и шеи. Из-за сложности и неясности процессов, лежащих в основе их этиологии и патогенеза, многие орофациальные болевые синдромы, особенно хронические, могут быть особенно сложными для выявления и лечения. [43-48] Они варьируются от синдромов с четко установленной причиной (например, тригеминальная постгерпетическая невралгия и посттравматическая тригеминальная невропатическая боль) до синдромов, которые могут быть идиопатическими (например, синдром жжения во рту, постоянная идиопатическая лицевая боль и постоянная идиопатическая дентоальвеолярная боль), а также тех, которые проявляются как симптом известного хронического расстройства или заболевания. Более того, если острое заболевание не лечить своевременно и адекватно, то ~20% острых болей могут перерасти в хроническую боль.[49-53] При лечении боли обычно используются анальгетики[54-[56] и седативные средства[57]. Исследования генотерапии проводятся с целью эффективного облегчения хронической боли за счет снижения потребления лекарств, представляющих угрозу системной токсичности, опиоидной зависимости и других пагубных последствий.[58] В настоящее время генотерапия для лечения боли используется в основном на животных моделях. Недавно было показано, что экспрессия человеческого гена препроэнкефалина с помощью вектора простого герпеса уменьшает боль в тройничном нерве в мышиной модели.[59] В будущем усовершенствованные векторные генные системы могут сделать генотерапию более эффективной в лечении болевых синдромов, включая невралгию тройничного нерва и заболевания височно-нижнечелюстного сустава.[60] [61]

Tooth Repair and Regeneration


В течение десятилетий пульпа была известна как орган с сильными репаративными и регенеративными способностями. Клетки пульпы зуба обладают способностью к завершающему развитию в клетки, которые имитируют одонтобласты для образования репаративного дентина. Повышенная способность к одонтогенной дифференцировке клеток пульпы, трансфицированных фактором роста/дифференцировки11, наблюдалась в ходе испытаний генно-терапевтических подходов.[62] Также исследовалось, как стимулировать дифференцировку клеток пульпы в одонтобласт-подобные клетки с помощью синтетического глюкокортикоида дексаметазона и факторов роста, таких как BMP2. [63] [64] При введении непосредственно в обнаженную пульпу зуба в ходе генной терапии in vivo гены, стимулирующие развитие дентина, улучшают способность тканей, таких как дентин-пульпарный комплекс, к восстановлению.[65] Стволовые клетки пульпы зуба также могут быть новой альтернативной популяцией клеток для сердца,[66] костей,[67] [68] мышц,[69] мозга,[70] и восстановления и/или регенерации зубов,[71-73] согласно эмпирическим доказательствам in vivo на животных. Примечательно, что в прошлом году один пациент прошел с успехом первую клиническую операцию по восстановлению альвеолярной кости с помощью стволовых клеток пульпы зуба .[74]
Orthodontic Tooth Movement


Операция альвеолярной кортикотомии является вспомогательным методом лечения, который может сократить длительность ортодонтического лечения вдвое.[75][76] Тем не менее, необходимо рассмотреть альтернативные методы лечения из-за быстро сокращающегося времени подвижности и высокого уровня заболеваемости, связанного с этим типом операции. Резорбция и аппозиция кости - это два биологических процесса, которые тесно связаны с подвижностью зубов (TM). Соотношение рецепторного активатора ядерного фактора-kB (RANKL) и остеопротегерина (OPG) тесно связано с биомолекулярными путями активации остеокластов (OPG).[77] Эмпирически было доказано, что лечение неправильного прикуса с помощью кортикотомии сокращает фазы подвижности зубов из-за усиления темпов ремоделирования костной ткани, вызванного так называемым феноменом регионального ускорения. [78] [79] Принимая во внимание всю информацию, мы предположили, что устойчивая избыточная экспрессия RANKL не только усилит остеокластогенез и резорбцию кости и избирательно активирует остеокласты, но и вызовет ускорение подвижности зубов под действием силы с течением времени, а не только в начале терапии, в отличие от процедуры кортикотомии. Было предложено, что локальная передача гена RANKL будет полезной стратегией для смещения потерявших подвижность (ankylosed) зубов, а также для сокращения времени ортодонтической терапии. Локальная передача генов OPG, в отличие от RANKL, уменьшила смещение зубов после 21 дня после приложения силы примерно на 50%. В результате сокращения времени лечения и улучшения результатов, ортодонтическая терапия претерпит изменение. [80] Кроме того, генотерапия продемонстрировала потенциальные результаты в снижении дискомфорта ортодонтического смещения зубов. Будущие терапевтические решения на основе генотерапии, которые могут применяться для устранения дискомфорта, связанного с ортодонтическим смещением зубов, могут быть разработаны в дальнейших исследованиях. [56]
Applications of Gene Therapy in Periodontics [Fig. 3]
Periodontal Vaccination


Когда слюнная железа мыши подвергается воздействию плазмидной ДНК, кодирующей fimbrial ген Porphyromonas gingivalis, то слюнная железа производит фимбриальный белок локально в ткани слюнной железы, что в дальнейшем приводит к выработке специфических антител против сывороточных и слюнных иммуноглобулинов G (IgG) и иммуноглобулинов А . Выработанный P. gingivalis затем может быть уничтожен, что не позволит ему способствовать росту зубного налета ([рис. 3]).



Fig. 3 Applications of gene therapy in Periodontics.

Кроме того, исследователи обнаружили на крысах, что вакцинация генетически преобразованными векторами Streptococcus gordonii, экспрессирующими фимбриальный антиген P. gingivalis, эффективна для предотвращения P. gingivalis-ассоциированного пародонтита[81].
Гемагглютинин (Hemagglutinin), являющийся неотъемлемой частью поддержания летальности P. gingivalis, был обнаружен, клонирован и амплифицирован в Escherichia coli. У крыс Fischer, инфицированных P. gingivalis, подкожное введение рекомбинантного гемагглютинина B (rHag B) приводило к появлению антител IgG в сыворотке крови и синтезу интерлейкина-2 (IL-2), IL-10 и IL-4, что обеспечивало защиту от вызванной P. gingivalis потери костной ткани[82].
Biofilm Antibiotic Resistance


Согласно исследованиям, бактерии, образующие биопленки, в 1000 раз более устойчивы к антибиотикам, чем их естественные собратья, что делает их сложными для регулирования. Недавно Мах et al. обнаружили ген ndvB штамма Pseudomonas aeruginosa RA14,[82] который экспрессирует гликозилтрансферазу, необходимую для биосинтеза периплазматических глюканов.
Electroporation for Alveolar Bone Remodeling


При воздействии механических нагрузок и воспаления ткани пародонта агрессивно перестраиваются, синтезируя широкий спектр химических веществ. Предсказуемая перестройка альвеолярной кости была продемонстрирована с помощью переноса in vivo гена LacZ (содержащего код для множества молекул ремоделирования) в периодонтальную связку (PDL) и использования плазмидной ДНК в качестве вектора в сочетании с переходной трансфекцией (электрический импульс) для переноса гена в клетку [83].
Tight Adherence Gene for Control of Periodontal Disease Progression


Важным первым компонентом в развитии локализованного агрессивного пародонтита является инвазия тканей-мишеней перидонтальным патогеном, таким как Actinobacillus actinomycetemcomitans. Было установлено, что для прикрепления и вирулентности Actinobacillus actinomycetemcomitans требуется "плотная (tight) адгезия". Исследователи выделили мутантный штамм, дефектный по "tight adherence gene", который действительно может предсказуемо влиять на прогрессирование перидонтальных заболеваний, подавляя рекрутирование и патогенез A. actinomycetemcomitans[84].
Antimicrobial Gene Therapy to Control Disease Progression


Трансфекция клеток хозяина антимикробным пептидом или геном, кодирующим белок, является одним из методов усиления защитного механизма хозяина против инфекции.
Так, согласно исследованию, наблюдалась устойчивая антимикробная активность, усиливающая противомикробную защиту хозяина, когда клетки хозяина были инвазированы in vivo геном defensin-2 (HBD-2) с помощью ретровирусного вектора[85].
( o F. Designer Терапия с использованием препаратов для лечении пародонтоза[85] )
Если определить гены, необходимые для нормального развития, можно разработать "дизайнерские терапевтические вмешательства", которые будут воздействовать на один или оба компонента гена. Поскольку они будут изменять только ту генную аномалию, которая была четко определена с помощью генетических исследований, эти дизайнерские методы лечения будут более безопасными, чем фармацевтические препараты, которые мы используем сегодня.
Gene Therapy to Grow New Teeth


Стоматологи надеются, что в лабораторных условиях можно будет изготавливать зубы так, что люди, потерявшие свои зубы, смогут их имплантировать. Эти зубы не будут иметь нервов и кровеносных сосудов, но они будут состоять из тех же компонентов, что и человеческие зубы. Для этого исследователи должны определить гены, вырабатывающие 25 регуляторных белков, которые помогают компенсировать структуру зуба. Тем не менее, может существовать и множество других генов, инструктирующих организм, где, когда и в какой момент должен развиваться конкретный зуб [85].
Gene Therapy to Promote Oral Implant Osseointegration


Существует огромный потенциал для перидонтальной регенеративной медицины в использовании остеогенных факторов роста, таких как PDGF, для восстановления опорной кости зуба и альвеолярной кости около имплантата в доклинических моделях [86-[90] и в ранних испытаниях на людях.[91] [92] Хрупкость препарата в месте введения является одной из причин, почему последствия этих вмешательств ограничены с точки зрения регенерации и надежности.
Таким образом, использование генотерапии для модуляции высвобождения и биодоступности остеогенных факторов роста открывает перспективы для тканевой инженерии костных дефектов. [93] Наша команда недавно увидела возможность использования генетической рекомбинации для омоложения цемента и альвеолярной кости вокруг зубов, а также альвеолярной кости, связанной с креплениями зубных имплантатов. [36][94]. Эти исследования уже показали, что использование редактирования генома для регенерации кости действительно имеет значительный потенциал.
В отличие от постоянного введения PDGF in vitro, перенос генов стимулирует митогенез и пролиферацию фибробластов десен, PDL и клеток зубной облицовки (цементобластов). Кроме того, фактор PDGF показал замечательные результаты в восстановлении костной ткани вокруг зубов и в стоматологическом лечении. Основной целью данной заявки является оценка новых методик регенеративной медицины с переносом гена PDGF на животных моделях с долгосрочной перспективой использования его у человека. [95] [96]
Recent Advances of Gene Therapy


Для более точной и эффективной передачи генов для борьбы с болезнями, которые не поддаются лечению с помощью одиночного носителя генов, реагирующего на стимулы, были разработаны многочисленные нано-носители, реагирующие на множественные стимулы.[97] Системы, которые адаптируются к множественным стимулам, используют множественные реакции на стимулы. Например, две полимерные мицеллы с подложками из поли(N-изопропилакриламида), функционализированными сульфаниламидами, были использованы для создания симпатических нано-носителей, реагирующих на рН/температуру. [98] Как поверхностно-функционализированные сульфадиметоксином, так и поверхностно-функционализированные сульфаметазином мицеллы демонстрировали более высокое внутриклеточное поглощение при активации доказанным антипролиферативным препаратом в слабокислых условиях (рН 6,8) при температуре значительно выше их нижней критической температуры раствора. Обе формы микроэмульсий могут быть использованы в качестве внутриклеточных лекарственных средств или систем доставки генов, реагирующих на рН и температуру.
Future Directions in Periodontal Regeneration


Тканевая инженерия оказывает серьезное влияние на область пародонтологии. Биоинженерные попытки разработать терапевтическую систему для лечения перидонтальных болезней объединяют клеточную и генную терапию для ускорения и направления закрытия перидонтальных ран на более предсказуемую регенеративную траекторию. Однако до сих пор существует ряд проблем. Многочисленные новые системы, обладающие потенциалом для улучшения биологии заживления тканей, были освещены в содержании этой оценки. Как улучшить использование клеток и генов, доставляемых в пассивную или податливую среду, где существует контекст для желаемого типа клеток, но в которые подаются определенные молекулярные сигналы для стимуляции нормальной функции клеток, остается главной задачей на сегодняшний день. Определение источников клеток и клинически значимого их количества, интеграция множества клеток в существующие тканевые матрицы и стремление достичь биоактивности тканевых эквивалентов с помощью расширенного репертуара биоматериалов - все это препятствия, которые еще предстоит преодолеть области тканевой инженерии. Практические и нормативные требования к внедрению этих технологий в здравоохранении продолжают создавать серьезные проблемы в области переноса клеток и генов.
Conclusion


Несмотря на огромный интерес к этой области, до сих пор не было проведено ни одного клинического исследования по восстановлению дентина и лишь ограниченное число клинических применений для лечения перидонтальных заболеваний. Клеточная биоинженерия и материаловедение должны определить предпосылки для производства надежных, воспроизводимых изделий, которые проверяются на эффективность и безопасность. Проводятся глубокие исследования генотерапии для различных биомедицинских и стоматологических применений. Ожидается, что генотерапия станет очень полезным инструментом для лечения заболеваний полости рта и улучшения прогноза и качества жизни в свете экспоненциального роста случаев плоскоклеточной карциномы полости рта и заболеваний пародонта. Положительные результаты недавних клинических исследований на людях вселили в врачей уверенность в том, что генотерапия вскоре может перейти к практическому применению. Будущая клиническая ортодонтия только выиграет от такого рода биологических исследований, поскольку, как и другие биомедицинские дисциплины, она должна адаптироваться к новым разработкам в области биологического применения для улучшения клинических результатов и эффективности лечения. Поиск решений этих проблем, которые мешают генотерапии стать распространенным терапевтическим методом, должен быть в центре внимания исследователей. Ожидается, что в ближайшем будущем удастся преодолеть трудности, связанные с клиническим применением генотерапии. С дальнейшими исследованиями и достижениями стоматологи возьмут на себя новую роль "генных терапевтов", отлично справляясь с лечением рака полости рта и исправлением аномалий альвеолярной кости в клинических условиях.