مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2 - Molecular and genetic factors in disease

 

 

 

16 

Lecture 4 - Gene Therapy 

                                              

Aim of the lecture  
After completion of this lec the student must know  
1. The concept of Gene therapy 
2. Types of Vector 
3. Types of gene therapy 
4. Concept of personalized Medicine &Pharmacogenomics 
 

  Gene therapy is a form of treatment that involves 

introducing genetic material into a person’s cells to fight 
or prevent disease A gene can be delivered to a cell using 
a carrier known as a “vector.” The most common types of 
vectors used in gene therapy are viruses. The viruses used 
in gene therapy are altered to make them safe, with 
introducing a therapeutic gene in the vector which will be 
then transferred to the patient. 

  Although some risks still exist with gene therapy. The 

technology has been used with some success. 

  Gene therapy for had been tried for a number of diseases, 

such as severe combined immunodeficiencies,  
hemophilia ,Parkinson's disease, cancer and even HIV.  

  Several approaches to gene therapy are being tested, 

including: 
  Replacing a mutated gene that causes disease with a 

healthy copy of the gene 

  Inactivating, or “knocking out,” a mutated gene that is 

functioning improperly 

  Introducing a new gene into the body to help fight a 

disease 

  In general, a gene cannot be directly inserted into a 

person’s cell. It must be delivered to the cell using a 
carrier, or vector.  

  Vector systems can be divided into: 

1)  Viral vectors 
2)  Non-viral vectors 

  The most common type of vectors is viruses that have 

been genetically altered to carry normal human DNA . 
Viruses have evolved a way of encapsulating and 
delivering their genes to human cells in a pathogenic 
manner. It has been tried to use this ability by 
manipulating the viral genome to remove disease-causing 
genes and insert therapeutic genes. 

  Target cells such as the patient's liver or lung cells are 

infected with the vector. The vector then unloads its 
genetic material containing the therapeutic human gene 
into the target cell. The generation of a functional protein 
product from the therapeutic gene restores the target cell 
to a normal state. 

Gene therapy can be split into two categories: 

1) 

Ex vivo

, which means exterior (where cells are modified 

outside the body and then transplanted back in again). In 
some gene therapy clinical trials, cells from the patient’s 
blood or bone marrow are removed and grown in the 
laboratory. The cells are exposed to the virus that is 
carrying the desired gene. The virus enters the cells and 
inserts the desired gene into the cells’ DNA. The cells grow 
in the laboratory and are then returned to the patient by 
injection into a vein. This type of gene therapy is called ex 
vivo because the cells are treated outside the body. 

2) 

In vivo

, where genes are changed in cells still in the body, 

This form of gene therapy is called in vivo, because the 
gene is transferred to cells inside the patient’s body. 

 

Types of Gene Therapy 

All cells in the human body contain genes, making them 
potential targets for gene therapy. However, these cells 
can be divided into two major categories: somatic 
cells 
(most cells of the body) or cells of 
the germline (eggs or sperm). In theory it is possible to 
transform either somatic cells or germ cells. 

1) 

Gene therapy using germ line cells 

results in 

permanent changes that are passed down to subsequent 
generations. The application of germ line gene therapy is 
its potential for offering a permanent therapeutic effect for 
all who inherit the target gene. Successful germ line 
therapies introduce the possibility of eliminating some 
diseases from a particular family, and ultimately from the 
population, forever. However, this also raises controversy. 
Some view this type of therapy as unnatural, Others have 
concerns about the technical aspects. They worry that the 
genetic change propagated by germ line gene therapy may 
be harmful, with the potential for unforeseen negative 
effects on future generations. 

2) 

Somatic cell therapy 

is more conservative and safer 

approach because it affects only the targeted cells in the 
patient, and is not passed on to future generations. 
However, the disadvantage of this type of therapy is that 
the effects of somatic cell therapy are short-lived. Because 
the cells of most tissues ultimately die and are replaced by 
new cells, repeated treatments over the course of the 
individual's life span are required to maintain the 
therapeutic effect. Transporting the gene to the target cells 
or tissue is also problematic. Regardless of these 
difficulties, however, somatic cell gene therapy is 
appropriate and acceptable for many disorders

including cystic fibrosis, muscular dystrophy, cancer, and 
certain infectious diseases, the results of any somatic gene 


background image

Unit 2 - Molecular and genetic factors in disease

 

 

 

17 

therapy are restricted to the actual patient and are not 
passed on to his or her children. All gene therapy to date 
on humans has been directed at somatic cells, whereas 
germline engineering in humans remains controversial . 
 

Choices of Vectors 

The ideal vector should have the following characteristics: 

1)  An adequate carrying capacity (some genes are large) . 
2)  To be undetectable by the immune system. 
3)  To be non-inflammatory. 
4)  To be safe to the patients. 
5)  Efficient 
6)  To have long duration of expression and or the ability 

to be safely readministred. 

 

Viral Vectors 

Viruses attack their hosts and introduce their genetic 
material into the host cell as part of their replication cycle. 
This genetic material contains basic 'instructions' of how to 
produce more copies of these viruses, The host cell will 
carry out these instructions and produce additional copies 
of the virus, leading to more and more cells becoming 
infected. Some types of viruses insert their genes into the 
host's genome. This incorporates the genes of that virus 
among the genes of the host cell for the life span of that 
cell.Viruses like this could be used as vehicles to carry 
'good' genes into a human cell. First, the virus genes that 
cause disease must be removed  then those genes are 
replaced with genes encoding the desired effect  
This procedure must be done in such a way that the genes 
which  allow  the  virus  to  insert  its  genome  into  its  host's 
genome are left intact. 

 

Non-Viral Vectors 

Non-viral methods present certain advantages over viral 
methods, with simple production and low host 
immunogenicity. Previously, their disadvantage was low 

levels of transfection and expression of 
the gene  however, recent advances in vector technology 
have generate molecules and techniques with transfection 
efficiencies similar to those of viruses.example: .Naked 
DNA &Liposome  

1)  Naked DNA 

This is the simplest method of non-viral transfection, 
intramuscular injection of a naked DNA plasmid have 
occurred with some success; however, the expression has 
been very low in comparison to other methods of 
transfection. In addition to trials with plasmids, there have 
been trials with naked PCR product, which have had 
similar or greater success. This success, however, does 
not compare to that of the other methods, leading to 
develop more efficient methods for delivery of the naked 
DNA such the use of a "gene gun", which shoots DNA 
coated gold particles into the cell using high pressure gas.  

2)  Liposome  

Liposome is an artificial lipid sphere with the therapeutic 
DNA in the aqueous core it is capable of passing the DNA 
through the cell membrane  
Advantage of non-viral vector 

•  DNA/lipid complexes are easy to prepare  
•  there is no limit to the size of genes that can be delivered 
•  Carrier systems lack proteins; they may evoke much less 

immunogenic responses.  

•  Much less risk of generating the infectious form or 

inducing tumorigenic mutations because genes delivered 
have low integration frequency and cannot replicate or 
recombine.  
 

Antisense therapy  

Oligonucleotides 

Is a form of treatment for genetic disorders or infections. 
When the genetic sequence of a particular gene is known 
to be cause of a particular disease, it is possible to 
synthesize a strand of nucleic acid (DNA, RNA or a 
chemical analogue) that will bind to the messenger RNA 
(mRNA) produced by that gene and inactivate it, 
effectively turning that gene "off  
The use of synthetic oligonucleotides in gene therapy is to 
inactivate the genes involved in the disease process. There 
are several methods by which this is achieved. One 
strategy uses antisense specific to the target gene to 
disrupt the transcription of the defective gene. 
Another strategy uses double stranded 
oligodeoxynucleotides as a trick for the transcription 
factors that are required to activate the transcription of the 
target gene. The transcription factors bind to the it instead 


background image

Unit 2 - Molecular and genetic factors in disease

 

 

 

18 

of the promoter of the defective gene, which reduces the 
transcription of the target gene, lowering expression. 
 

Problems with vectors: 

1)  The new gene might be inserted in the wrong location in 

the DNA, possibly causing harmful mutations to the DNA 
or even cancer.  

2)  2.The possibility that transferred genes could 

be overexpressed,producing so much of the 
missing protein as to be harmful;  

3)  The viral vector could cause an immune reaction;  
4)  The viral vector could be transmitted from the patient to 

other individuals or into the environment 

 

•  Current uses of gene therapy focus on treating or curing 

existing conditions. In the future, the focus could shift to 
prevention. As more of the human genome is understood, 
medicine will know more about which genes contribute to 
or cause disease. With that knowledge in hand, gene 
therapy could be used to head off problems before they 
occur  
 

Is Gene therapy totally safe ??? 

Although gene therapy is a promising treatment option for 
a number of diseases (including inherited disorders, some 
types of cancer, and certain viral infections), the technique 
remains risky and is still under study to make sure that it 
will be safe and effective. Gene therapy is currently only 
being tested for the treatment of diseases that have no 
other cures  

How can the patients receive: "the right medication, in 
the right amount, in the right form, at the right time, 
for the right disease 
The answer is by the Personalized Molecular Medicine  

 

Pharmacogenomics  

  Genetic testing for assessment of drug response  may 

predict the best specific drugs and dosages for individual 
patients based on genetic profiling: so-called 
‘personalized medicine’ 

  Polymorphic mutations within genes can affect individual 

responses to some drugs, such as loss-of-function mutations    

  Example:CYP2D6 gene is part of a large family of highly 

polymorphic genes encoding cytochrome P450 proteins, 
mostly expressed in the liver, which determine the 
metabolism of a host of specific drugs. Polymorphisms in 
the CYP2D6 gene determine codeine activation, while 
those in the CYP2C9 gene affect warfarin inactivation 

This. Polymorphisms in these and other drug genes 
determine the persistence of drugs and, therefore,should 
provide information about dosages and toxicity  
 

 

Pathway medicine 

The ability to manipulate pathways that have been altered 
in genetic disease has therapeutic potential for Mendelian 
disease, but a firm understanding of both disease 
pathogenesis and drug action at a biochemical level is 
required. An example of this has been the discovery that 
the vascular pathology associated with Marfan’s 
syndrome is due to the defect in fibrillin molecules 
causing up-regulation of transforming growth factor 
(TGF)- signalling in the vessel wall. Losartan is an 
antihypertensive drug  also acts as a partial antagonist of 
TGF-signalling and is effective in preventing aortic 
dilatation in Marfan’s syndrome 
 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 55 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل