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Syndromes Génétiques et
Thérapie Génique
Rajab et al., J Genet Syndr Gene Ther 2013, 4:9
http://dx.doi.org/10.4172/2157-7412.1000187
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Thérapie par gènes suicides contre le cancer
Taufiek K Rajab2, Peter J Nelson3, Emily Z Keung1,2 and Claudius Conrad1*
Département d’Oncologie Chirurgicale, MD Anderson Cancer Center, Université du Texas, Houston, Texas, États-Unis
Département de Chirurgie, Brigham and Women’s Hospital, Faculté de Médecine, Université Harvard, Boston, Massachusetts, États-Unis
Département de Médecine Interne IV, AG Biochimie, Université de Munich, Munich, Allemagne
1
2
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Résumé
Les handicaps majeurs des chimiothérapies classiques auxquels nous faisons face aujourd’hui dans les traitements de
cancers sont les faibles indices thérapeutiques et les effets secondaires qui résultent des effets indésirables des médicaments
sur les tissus normaux (hors cible). L’une des approches les plus innovantes pour le développement d’agents antinéoplasiques
avec une sélectivité accrue de la tumeur est l’objectif de la thérapie des gènes suicides. La thérapie des gènes suicides implique
l’administration d’un produit génique à proximité du tissu cancéreux ciblé par divers méthodes d’administration ciblées suivies
d’une expression spécifique tissu/tumeur du produit génique qui convertit ensuite un promédicament systémique disponible
en un médicament actif au sein de l’environnement local de la tumeur. Dans cette étude, nous allons résumer le concept de la
thérapie génique du cancer et présenter les systèmes de thérapie par gènes suicides les plus fréquemment utilisés. De plus, nous
discuterons des vecteurs viraux, moléculaires et cellulaires ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients. Enfin, nous allons
décrire les applications cliniques, les handicaps et les effets secondaires potentiels de la thérapie par gènes suicides connus
jusqu’à ce jour.
Mots clés: Thérapie par gènes suicides; Cancer
Introduction
Le cancer et son traitement sont un immense fardeau non seulement
sur le patient mais également sur l’ensemble du système de santé.
Plus de 1,5 million de patients sont diagnostiqués de nouveau cancer
aux États-Unis et plus de 500.000 patients meurent chaque année
du cancer [1]. En dépit de quelques améliorations dans les résultats
des patients atteints de cancer, le taux élevé de décès liés au cancer
et l’incidence croissante globale du cancer met l’accent sur quelquesuns des handicaps des stratégies conventionnelles de traitement contre
le cancer comme la chimiothérapie, la radiothérapie et la résection
chirurgicale. Une approche thérapeutique personnalisée et novatrice
plus efficace pour cibler les cancers est préconisée.
La chimiothérapie a longtemps été le fondement du traitement
contre le cancer [2]. Cependant, un inconvénient important de la
chimiothérapie conventionnelle est l’indice thérapeutique relativement
faible en raison du manque de spécificité tumorale. Ceci a des
répercussions sur le dosage de la chimiothérapie où l’efficacité d’un
agent chimiothérapeutique traditionnel doit faire bon ménage avec les
effets secondaires liés à la toxicité. Pour surmonter ces limitations de
la chimiothérapie conventionnelle, des toutes nouvelles approches qui
permettront d’accroître la sélectivité des traitements contre les cellules
cancéreuses doivent être développées. L’une d’elles est l’application
de la thérapie des gènes suicides sélectifs appelée également thérapie
à base d’enzyme et de promédicament dirigé contre le gène (GDEPT,
pour Gene Directed Enzyme Prodrug Therapy) dans le traitement
contre le cancer.
Le concept fondamental qui sous-tend la thérapie par gènes
suicides s’établit comme suit: un gène est introduit de manière
sélective dans l’environnement tumoral qui code pour une enzyme qui
métabolise un promédicament disponible dans l’organisme en un agent
antinéoplasique actif localement. Moolten et al. ont fourni le premier
exemple de l’approche des gènes suicides pour la thérapie contre le
cancer en 1986, décrivant l’introduction du gène de la thymidine kinase
du virus herpès simplex dans les lignées de cellules de sarcome K3T3 de
souris néoplasiques BALB/c [3]. Le traitement par ganciclovir, qui est
converti par la thymidine kinase en composés qui deviennent toxiques
après triphosphorylation par kinases cellulaires, a causé la destruction
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des cellules tumorales in vitro. L’administration de ganciclovir à des
souris BALB/c portant des tumeurs à sarcome K3T3 produites par
des lignées cellulaires a eu comme effet, la destruction des tumeurs
in vivo [3]. Depuis lors, l’intérêt pour la thérapie génique du cancer a
augmenté de manière considérable (Figure 1). Il est fondamentalement
justifié que la thérapie par gènes suicides a comme objectif de
générer artificiellement les différences biochimiques exploitables
entre les tissus hôtes sains et les cellules cancéreuses. Le ciblage de
l’environnement du cancer est obtenu par la sélection du vecteur utilisé
pour fournir le gène suicide, ainsi que par la biologie du système de
gènes suicides/promédicaments employés. En conséquence, les doses
élevées de médicaments produits uniquement dans l’environnement de
la tumeur a entraîné des effets secondaires limités dans d’autres tissus.
La thérapie par gènes suicides du cancer a également d’autres avantages
sous la forme de destruction du spectateur. Autrement dit, il s’agit de la
destruction des cellules tumorales qui n’expriment pas directement le
gène suicide. Les jonctions communicantes jouent un rôle central dans la
médiation de ces effets. Les jonctions communicantes sont constituées
de canaux intercellulaires qui génèrent des connexions intercellulaires
spécialisées entre les cellules qui communiquent directement entre
elles. Ils facilitent une communication directe entre le cytoplasme de
deux ou plusieurs cellules et le transfert direct des ions et des petites
molécules entre les cellules adjacentes. Les protéines des canaux de
jonctions communicantes appartiennent à la famille des connexines qui
s’expriment dans presque tous les tissus. Dans le traitement de gènes
suicides, les jonctions communicantes permettent la diffusion locale
du médicament actif résultant en un effet amélioré. De plus, un effet
*Auteur Principal: Claude Conrad, Professeur Adjoint de Chirurgie, Université
du Texas, MD Anderson Cancer Center, Département d’Oncologie Chirurgicale,
Houston, TX, 77030, États-Unis, Tél: (713) 792-1502; Fax: (713) 745-1921; E-mail:
[email protected]
Reçu le 31 mai 2013; Accepté le 30 Septembre 2013; Publié le 10 Octobre, 2013
Citation: Rajab TK, Nelson PJ, Keung EZ, Conrad C (2013) Thérapie par gènes
suicides contre le cancer. J Genet Syndr Gene Ther 4: 187. doi: 10.4172/21577412.1000187
Copyright: © 2013 Rajab TK, et al. Il s’agit d’un article en libre accès distribué
selon les dispositions de la Licence “Creative Commons Attribution”, qui autorise
une utilisation, distribution et reproduction sans restriction sur toute sorte de
support, à condition à condition de mentionner le nom de l’auteur et de la source
originelle.
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Citation: Rajab TK, Nelson PJ, Keung EZ, Conrad C (2013) Thérapie par gènes suicides contre le cancer. J Genet Syndr Gene Ther 4: 187.
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Figure 1: Number of citations for cancer gene therapy in NCBI PubMed.
spectateur peut être transmis par une réponse immunitaire renforcée
comme l’effet de la nécrose cancéreuse résultante qui peut sensibiliser
le système immunitaire indépendamment du gène suicide exprimé.
Les effets spectateurs ont été examinés dans divers modèles in
vivo. Par exemple, dans un modèle murin des xénogreffes tumorales
exprimant le gène suicide de la cytosine désaminase (voir ci-dessous),
une régression significative dans toutes les tumeurs a été observée
après administration du promédicament 5-Fluorcytosine même lorsque
2% seulement de la masse tumorale exprimait le gène suicide [4]. Dans
un deuxième exemple, les souris qui ont été inoculées avec une lignée
cellulaire de carcinome du côlon porteuses du gène suicide Uracile
Phosphoribosyltransférase (UPRT) ont répondu à un traitement à base
de promédicaments et ont éliminé les cellules de carcinome du côlon
de type sauvage de la même lignée cellulaire, mais pas les cellules
tumorales non syngéniques. Cet effet n’a pas été observé chez les
souris nudes, ce qui suggère un rôle du système immunitaire adaptatif
dans l’effet spectateur [5].
L’objectif de cette étude est de résumer les différents concepts et
résultats expérimentaux qui sous-tendent le domaine en développement
de la thérapie par gènes suicide du cancer, ainsi que sa pertinence
clinique en tant que modalité thérapeutique. Cet article va également
aborder brièvement les limites de la thérapie par gènes suicides.
Systèmes de gènes suicides pour la thérapie contre le cancer
La thérapie par gènes suicides est fondée sur l’introduction des
gènes dans le tissu tumoral qui entraînent finalement la mort des cellules
cancéreuses. La combinaison de gènes suicide/promédicaments devrait
répondre parfaitement aux exigences suivantes [6]. Premièrement,
le gène suicide ne doit pas être exprimé en quantité importante
dans les organes sains. Deuxièmement, il doit spécifiquement et
efficacement catalyser la conversion du promédicament choisi en agent
anticancéreux actif. Enfin, le gène suicide doit activer complètement
le promédicament sans avoir besoin de nombreuses autres enzymes
endogènes (qui peuvent être mutées ou non exprimées par certaines
tumeurs).
De même, il ya des exigences spécifiques pour le promédicament
[6]. Premièrement, le promédicament devrait avoir une toxicité
minimale avant l’activation. Deuxièmement, il devrait avoir une
toxicité maximale pour les cellules cancéreuses après conversion
en médicament actif. Troisièmement, il devrait être spécifiquement
converti en médicament actif par l’enzyme codée par le gène
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suicide - mais pas par les autres enzymes natives situées hors cancer.
Quatrièmement, le promédicament devrait être en mesure d’atteindre
toutes les cellules cancéreuses. Plusieurs systèmes de gènes suicides
ont été développés, chacun avec ses propres forces et ses faiblesses en
ce qui concerne les caractéristiques mentionnées ci-dessus (Tableau 1).
Les systèmes les plus importants sont présentés ci-dessous.
Thymidine kinase/gancyclovir du virus herpès simplex
Le système de gène suicide le plus étudié est la thymidine-kinase
du virus herpès simplex (HSV TK, Herpes Simplex Virus Thymidine
Kinase) et le promédicament du ganciclovir [7]. La HSV TK catalyse la
phosphorylation de ganciclovir (GCV) en ganciclovir monophosphate
[8]. Le ganciclovir monophosphate peut ensuite être converti en dérivés
diphosphates et triphosphates par des kinases cellulaires. Les composés
résultants sont toxiques car ils sont intégrés par ADN-polymérases
cellulaires dans l’ADN, entraînant la fin de la chaîne d’ADN et de
l’apoptose [7]. Ce système a été évalué dans une série des modèles
précliniques in vivo qui a conduit à son application dans divers essais
cliniques pour les cancers tels que le glioblastome et le cancer de la
prostate, que nous allons détailler plus loin dans cet article [9-12].
Les limites du système HSV/Tk-GCV comprennent
l’immunogénicité potentielle de l’enzyme virale, et l’obligation de la
mitose active de ce système de provoquer la mort cellulaire [13]. En
outre, le GCV-triphosphate pénètre dans les cellules passivement ou
via les jonctions communicantes qui peuvent potentiellement limiter
les effets thérapeutiques globaux [14]. D’autres approches de recherche
ont conduit à la conception des systèmes de thérapie par gènes suicides
qui tentent de contourner ces limitations.
Cytosine Désaminase/5-FU
Le système de la cytosine désaminase a été décrit comme un
système de sélection négative pour les études expérimentales, et dans
les traitements utilisant des techniques de transfert de gènes [15]. La
cytosine désaminase est exprimée par les bactéries et les levures, mais est
absente dans les cellules de mammifères. Elle catalyse normalement la
désamination de la cytosine en uracile et ammoniaque. Cependant, cette
enzyme peut également convertir le promédicament 5-fluorocytosine
(5-CF) en Uracile 5-Fluoro (5-FU), un médicament important utilisé
dans la chimiothérapie conventionnelle contre le cancer. 5-FU pénètre
la voie de sauvetage de nucléotides et est transformé en 5-Fluoro2’-désoxyuridine-5’-Monophosphate (5-FdUMP), 5-Fluoro-uridinediphosphate (5-FUDP) et 5-Fluoro-uridine-triphosphate (5-FUTP).
Le 5-FUdMP est un inhibiteur irréversible de la thymidylate synthase,
entraînant l’inanition de la thymidine et l’inhibition de la synthèse de
l’ADN. Le 5-FUDP est également transformé plus loin en FdUTP 5,
qui peut être incorporé dans l’ADN et entraîner des dommages de
l’ADN et une apoptose. Le 5 FUTP peut également être incorporé
dans l’ARN, remplaçant UTP et inhibant l’épissage de l’ARN [6]. La
thérapie par gènes suicides accomplit dans ce cas, minimise les effets
secondaires systémiques normales de la thérapie 5-FU, et maximise
l’effet anti-tumoral potentiel local. Le succès dans les modèles animaux
précliniques a conduit à des demandes d’essais cliniques approfondis
dans le cancer du sein et le cancer de la prostate [9-11].
Carboxyl Estérases/Irinotécan (CE/CPT-11)
La carboxylestérase est une estérase de sérine trouvée dans une
variété de tissus, notamment, le sérum, le foie et l’intestin [16]. La
carboxylestérase peut améliorer la biodisponibilité générale de divers
agents thérapeutiques. Par exemple, la chimiothérapie à base de
promédicament Irinotécan (CPT-11 ou) est clivé par l’enzyme afin de
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Suicide Gene Product
Prodrug
Drug
Herpes simplex virus thymidine kinase
Ganciclovir
Ganciclovir triphosphate
Varicella-Zoster virus thymidine kinase
6-Methoxypurine arabinoside
Adenine arabinoside triphosphate
Cytosine deaminase
5-Fluorocytosine
5-Fluorouracil
Purine nucleoside phosphorylase
6-Methylpurine-2-deoxyriboside
6-Methylpurine
Nitroreductase
5-Aziridinyl-2,4-dinitrobenzamide
5-(Aziridinyl)-4-hidroxylamine-2-nitrobenzamide
Beta-Galatosidase
N-[4″-(beta-d-galactopyranosyl)-3″-nitrobenzyloxycarbonyl]
daunomycin
Daunomycin
Hepatic cytochrome P450-2B1
Cyclophosphamide and Ifosfamide
Phosphoramide mustard and acrolein
Linamarase
Linamarin
Cyanide
Horseradish peroxidase
Horseradish Indole-3-acetic acid and derivatives, paracetamol
Free radicals
Carboxypeptidase A
Methotrexate (MTX)-α-peptides
MTX
Carboxypeptidase G2
N,N-[(2-chloroethyl) (2-mesyloxy-ethyl) amino] benzoyl-l-glutamic
acid
N,N-[(2-chloroethyl) (2-mesyloxyethyl) amino] benzoic
acid
Table 1: Suicide Gene Systems.
générer l’agent anti-tumoral puissant 7-éthyl-10-hydroxycamptothécine
(SN38), un inhibiteur de l’activité de la topoisomérase I [17]. Le SN38 est insoluble et donc agit uniquement localement. L’inhibition de la
topoisomérase I par le SN-38 conduit à l’accumulation des cassures de
double brin d’ADN en divisant de manière active, les cellules du cancer,
provoquant une inhibition à la fois de la réplication et de la transcription
de l’ADN. Dans une étude préclinique, un vecteur adénovirus porteur
du gène de la carboxylestérase a été injecté directement dans les lignées
cellulaires de carcinome A549 de poumons humains sous-cutanées
chez les souris. Chez les souris recevant le CPT-11, s’est traduit une
réduction de 35% de la taille de la tumeur après 27 jours [18].
que le cancer de la prostate et le cancer du foie. Cet agent est également
perméable aux cellules, ce qui entraîne un effet spectateur efficace
[20]. Le système NRT/CB1954 a été utilisé cliniquement dans le
cancer de la prostate. Les patients atteints de cancer de la prostate non
métastatique, pour qui le traitement local avait échoué, ont été traités
par injection intraprostratique directe d’un vecteur adénoviral qui code
pour la nitroréductase et ont ensuite été traités par voie systémique avec
le promédicament CB1954. Cet essai clinique de phase I/II a montré
une toxicité minimale du promédicament systémique ou du vecteur. Il
y avait aussi un retard dans la progression du marqueur tumoral PSA
à 6 mois [11].
Thymidine Kinase de virus Varicelle-Zona/6-Méthoxypurine
Arabinonucléoside (VZVTK/Aram)
Carboxypeptidase G2/4-[(2-chloroéthyl) (2-mesyloxyethyl)
amino]benzoyl-L-glutamique (CPG2/CMDA)
Le virus Varicelle-Zona code également pour une Thymidinekinase (VZV TK) qui est responsable de l’activation de l’acyclovir de
nucléoside antiherpétique. Le VZV TK a été l’un des premiers gènes
suicides évalués pour la modification génétique des cellules tumorales.
La 6-méthoxypurine arabinonucléoside (ara-M) joue le rôle de
promédicament pour l’enzyme VZV-TK. L’ara-M est monophosphorylé
par VZV-TK aboutissant à l’ara-M monophosphate (ara-MMP). Il
est ensuite métabolisée en adénine d’arabinonucléoside triphosphate
(ara-ATP) hautement toxique par quatre enzymes cellulaires: l’AMP
désaminase, la lyase adénylosuccinate synthétase, l’AMP kinase et
la kinase diphosphate de nucléoside. Un problème en rapport avec le
système de gène suicide VZV TK est l’efficacité généralement faible
du promédicament activé contre certains types de cellules cancéreuses.
Divers nucléosides pyrimidiques d’antiherpétiques analogues ont
été récemment développés, ce qui montre une montée en efficacité.
Par exemple, le nouveau promédicament (E)-5-(2-bromovinyl)-2désoxyuridine (BVDU) s’est avéré être 80 fois plus toxique pour les
cellules exprimant le transgène VZV TK que le composé ara-M.
L’enzyme bactérienne carboxypeptidase G2 (CPG2) clive la moitié
de l’acide glutamique à partir du promédicament 4-[(2-chloroéthyl)
(2-mesyloxyethyl) amino] benzoyl-L-glutamique (CMDA). Cela
entraîne la production d’un médicament moutarde de réticulation
d’ADN 4-[(2-chloroéthyl) (2-mesyloxyethyl) amino] benzoïque,
qui ne nécessite pas de modification métabolique supplémentaire
pour agir en tant qu’agent cytotoxique puissant. Alors que la plupart
des cellules exprimant la CPG2 sont sensibles au CMDA, certaines
tumeurs résistent à cette toxine en raison de la faible absorption du
promédicament. Pour remédier à cela, les mutants du gène de la CPG2
ont été générés, ce qui a pour conséquence, le ciblage de la protéine de
la CPG2 à la membrane et expression cellulaires en tant que protéine
de surface cellulaire. Cette modification du gène suicide de la CPG2
entraîne une augmentation de la toxicité du promédicament CMDA
dans les cellules précédemment résistantes, et un effet spectateur très
efficace.
Nitroréductase NFSB/5-(Aziridin-1-Yl)-2 4-Dinitroben
zamide (NTR/CB1954)
La nitroréductase NfsB (NTR) est une flavoprotéine dérivée
d’Escherichia coli qui montre une large spécificité de substrat. L’enzyme
agit en réduisant les quinones et les composés nitroaromatiques
par NADPH ou NADH. Le promédicament 5-(aziridin-1-yl)-2
4-dinitrobenzamide (CB1954) est réduit par cette enzyme entraînant la
production d’un agent cytotoxique puissant. Cela peut conduire à une
réticulation des interbrins d’ADN indépendants de cycles cellulaires
[19]. Les agents anticancéreux qui ne ciblent pas le cycle cellulaire sont
importants pour traiter efficacement les cancers à croissance lente tels
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L’approche de gènes suicides comprend une série diversifiée de
systèmes thérapeutiques potentielles. Malgré ses avantages, la thérapie
par gènes suicides dans le traitement du cancer peut être limitée par
un mauvais transport des gènes suicides pour cibler les tissus. Un
aspect crucial de la recherche sur les gènes suicides/GDEPT est la mise
en place des méthodes spécifiques et efficaces de transport du gène
thérapeutique dans l’environnement de la tumeur.
Transport ci blé de gènes suicides
Une fois qu’un système approprié de gène suicide a été sélectionné, le
gène suicide doit être acheminé de manière sélective à l’environnement
du cancer. Le véhicule de transport idéal doit avoir des effets
secondaires minimes, montrer une spécificité pour l’environnement de
cancer, et effectuer un transport efficace de gènes aux cellules cibles.
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Citation: Rajab TK, Nelson PJ, Keung EZ, Conrad C (2013) Thérapie par gènes suicides contre le cancer. J Genet Syndr Gene Ther 4: 187.
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Un certain nombre de méthodes de transport ont été décrites pour le
transport sélectif de gènes appropriés dans l’environnement local des
cellules cancéreuses [21]. Ces méthodes générales de transport peuvent
être classées dans les catégories suivantes: vecteurs viraux, vecteurs
moléculaires et vecteurs cellulaires.
Vecteurs viraux
Les vecteurs viraux sont un moyen efficace pour le transport
de gènes suicides dans les cellules cancéreuses. En raison de leur
grande efficacité de transduction, ils sont la méthode la plus utilisée
à ce jour pour les stratégies de transfert de gènes dans les essais
cliniques de thérapie génique [22,23]. Les vecteurs viraux sont conçus
par l’introduction des gènes thérapeutiques dans un ensemble bien
caractérisé d’éléments viraux. Le choix du système viral utilisé dépend
du tissu cible et du système de gènes suicides utilisé.
Les adénovirus sont les vecteurs viraux les plus populairement
utilisés à ce jour dans les essais cliniques en raison de leur aptitude à
transduire les cellules qui se multiplient et celles qui ne se multiplient
pas [22]. Il s’agit d’un virus à ADN non enveloppé avec un génome 36
kb structuré en une région précoce (E1 à E4), deux premières unités
retardées (IX et 1Va2), une région tardive (L1 à L5) et les régions VA.
Ce génome est flanqué de deux séquences à courte répétition inversée
en extrémité. Les adénovirus pénètrent dans la cellule cible par
endocytose médié par le récepteur, et sont transportés au noyau. Ensuite,
les gènes viraux sont transcrits et les produits de gènes sont exprimés
par les enzymes cellulaires. Les vecteurs adénoviraux sont conçus en
remplaçant les séquences virales dans l’ADN d’adénovirus par l’ADNc
pour le gène suicide. Cela se traduit par l’expression du gène de haut
niveau. Cependant, l’inconvénient majeur de cette approche est que
l’expression du gène est éphémère puisque l’adénovirus ne s’intègre
pas dans le génome de la cellule cible. Des nouveaux procédés sont en
cours de développement pour générer les vecteurs à base d’adénovirus
hybrides avec la capacité d’intégrer le génome des cellules cibles.
Un défi de la thérapie génique à base d’adénovirus est la réaction
immunitaire intense suscitée par le vecteur qui a entraîné des réactions
mortelles dans des premiers essais cliniques sur les patients. En outre,
un test thérapeutique de remplacement génique à base d’adénovirus
de la carence en ornithine transcarbamylase a entraîné la mort d’un
patient de l’étude en raison d’un choc anaphylactique en réponse aux
adénovirus immunogènes [24].
Les vecteurs rétroviraux ont également été utilisés pour le
transport de gènes dans certains essais cliniques [25]. Par exemple,
le premier test de thérapie génique fait avec succès, qui a corrigé un
déficit immunitaire combiné sévère lié à l’X en insérant le gène de la
chaîne gamma commune dans des cellules souches hématopoïétiques,
a utilisé un vecteur rétroviral [26,27]. L’un des principaux avantages
de l’utilisation des rétrovirus est leur capacité à intégrer de façon
stable le génome de la cellule cible. Les rétrovirus ont des génomes
d’ARN flanqués par des séquences terminales répétées (LTR). Le
génome comprend les gènes du noyau ribonucléoprotéique (gag), la
Name of epitope
MHC binding
protéase, la transcriptase inverse et les enzymes intégrases (pol) et les
glycoprotéines d’enveloppe (env). Pour la thérapie par gènes suicides,
ces gènes peuvent être remplacés par un promoteur qui conduit l’ADNc
au gène suicide souhaité. Dans ce cas, les lignées cellulaires qui
expriment le gag, pol et env peuvent fournir les protéines nécessaires
pour compléter les particules virales [28]. À la suite de la fixation des
particules virales à la cellule, l’ARN est transcrit de manière inversée
dans l’ADN qui est ensuite intégré dans le génome hôte. Dans la sousclasse de lentivirus du rétrovirus, cette intégration peut être réalisée
dans les cellules qui se divisent ainsi que dans celles qui ne se divisent
pas. Un problème important dans l’utilisation de vecteurs rétroviraux
est la petite taille de l’enveloppe d’un transgène. Les essais cliniques
réalisés en utilisant des vecteurs viraux ont également mis en relief
quelques unes des difficultés en termes de sécurité et de toxicité de
ces vecteurs utilisés directement pour traiter la maladie génétique [22].
Par exemple, les vecteurs rétroviraux peuvent entraîner la mutagenèse
insertionnelle qui représente l’inconvénient majeur de ces systèmes
de vecteurs [29]. Cela est devenu radicalement évident dans un essai
clinique de thérapie génique pour le déficit immunitaire combiné sévère
lié à l’X, dans lequel deux patients sur 10 ont développé une leucémie
due à l’intégration rétrovirale à proximité du promoteur proto-oncogène
LMO2 [30]. De toute évidence, il faut être prudent lors de l’utilisation
des vecteurs viraux pour le traitement des maladies humaines, mais cet
aspect cause bien sûr moins de problèmes lorsque ces vecteurs sont
utilisés pour concevoir efficacement des véhicules cellulaires ex vivo
qui réduisent les problèmes de toxicité et de sécurité, un sujet qui sera
abordé plus tard dans cette étude.
Les vecteurs moléculaires
Les différents problèmes associés à l’utilisation de vecteurs viraux
ont conduit à une concentration accrue sur les systèmes non viraux
du transport de matériel génétique à l’environnement tumoral. Ces
méthodes comprennent l’utilisation de divers vecteurs non viraux,
ainsi que les approches physiques qui se traduisent par un transfert
de gène direct. Le vecteur moléculaire le plus essentiel est l’ADN nu.
Cette approche repose sur l’absorption non spécifique de l’ADN par
les cellules cancéreuses, un processus qui est relativement inefficace.
Cette approche est appropriée si une proportion relativement faible
de gènes introduits avec succès est suffisante pour produire un effet
thérapeutique. L’efficacité de cette approche peut être augmentée par
diverses méthodes physiques, telles que l’utilisation d’un canon à
gènes. Un autre procédé physique de transport de gène est l’utilisation
du transfert de gène hydrodynamique. Cette technique repose sur
l’application de la pression hydrodynamique contrôlée dans des
capillaires afin d’augmenter la perméabilité cellulaire. En conséquence,
les solutions contenant l’ADN nu peuvent être livrées de manière plus
efficace [31].
L’ADN peut également être combiné avec des véhicules pour
améliorer l’absorption [32]. Ces systèmes de vecteurs non viraux sont
relativement sûrs; peuvent être facilement construits et présentent une
Peptide sequence
Immunogenicity
PASD1(1) 38–47
HLA-A*0201
QLLDGFMIT
IFNγ secretion following MLR with patient T cells [64]. Demonstrated by IFNγ ELISpot and CTL
assays ex vivo [48]
PASD1(2)167-175
HLA-A*0201
YLVGNVCIL
IFNγ secretion following MLR with patient T cells [64]. Demonstrated by IFNγ ELISpot and CTL
assays ex vivo [48]
PASD1(6)31–50
HLA-DRB1
DYFNQVTLQLLDGFMITLST
IFNγ secretion following MLR with patient T cells [65]
PASD1(7)42–61
HLA-DRB1
DGFMITLSTDGVIICVAENI
IFNγ secretion following MLR with patient T cells [65]
RLWQELSDS/RLWQELSDI
IFNγ secretion following MLR with patient T cells. Demonstrated by IFNγ ELISpot and CTL assays
ex vivo [63]
Pw8/Pa14
HLA-A*0201
Table 2: Details of the most immunogenic PASD1 epitopes.
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Citation: Rajab TK, Nelson PJ, Keung EZ, Conrad C (2013) Thérapie par gènes suicides contre le cancer. J Genet Syndr Gene Ther 4: 187.
doi:10.4172/2157-7412.1000187
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forte capacité d’encapsulation de gènes. Les approches non virales
comprennent l’application de polymères cationiques tels que la
polyéthylène-imine ou la polyLlysine, les peptides cationiques, et les
liposomes cationiques. Parmi ces vecteurs, l’approche de liposomes a
été la plus largement utilisée dans les essais cliniques pour le traitement
des tumeurs [33]. Le transport de gène à l’aide des liposomes cationiques
a été démontré à l’aide d’un premier lipide cationique synthétique, le
N-[1-(2,3-dioleyloxy) propyl]-N,N,Ntrimethylammonium chlorure
(DOTMA). Les petits liposomes unilamellaires contenant du DOTMA
interagissent spontanément avec l’ADN pour former des complexes
lipide-ADN. Par la suite, DOTMA facilitera la fusion du complexe
contenant l’ADN avec la membrane plasmique des cellules cibles, ce
qui entraîne à la fois l’absorption et l’expression de l’ADN [32]. Afin
d’améliorer le ciblage, une autre stratégie de vecteurs moléculaires
repose sur l’incorporation des anticorps à fragments variables
monocaténaires (scFv) dirigés contre les protéines tumorales pour
permettre un ciblage actif des cellules tumorales. Les transgènes
thérapeutiques ont été livrés avec succès dans les cellules de cancer
de l’ovaire en utilisant des anticorps scFv dirigés contre l’HER2/ neu,
RON, et NK1R, [34]. Un avantage majeur de ces vecteurs est qu’ils
sont considérés comme étant plus sûrs que les vecteurs viraux en
raison du risque réduit de la mutagenèse insertionnelle ou des effets
secondaires de réactions immunitaires contre le vecteur [35].
Les nanoparticules à coquille représentent une nouvelle forme
de véhicules de transfert de gènes. Ces nanoparticules comprennent
un noyau cationique. Cette approche offre la possibilité d’une
transfection de gènes hautement efficace avec la livraison potentielle
de médicaments et de gènes aux mêmes cellules. Cette approche peut
avantageusement utiliser le ciblage cellulaire passif ou actif.
Le vecteur cellulaire
Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont des
cellules progénitrices pluripotentes qui contribuent au maintien et
à la régénération de divers tissus après une blessure et lors d’une
inflammation chronique [36]. Les tissus endommagés dégagent
des signaux qui entraînent la mobilisation des cellules souches
mésenchymateuses et leur recrutement ultérieur à la zone de la lésion.
Les tumeurs sont considérées par l’organisme comme quelque chose
analogue à une plaie chronique, et par conséquent, les CSM sont
recrutées activement à l’environnement de la tumeur [37]. Les CSM
peuvent contribuer à divers aspects de la niche tumorale en agissant
en tant que cellules progénitrices pour les vaisseaux tumoraux et
les cellules stromales-fibroblastiques [38]. Le mécanisme exact de
ce ralliement est encore incertain, mais implique probablement un
facteur de croissance endothélial vasculaire de biologie chimiokine
[39] (VEGF) [40], dans le ralliement initial - ainsi que des molécules
d’adhésion cellulaire intégrine A4b1, une molécule 1 d’adhésion
cellulaire vasculaire et une fibronectine cellulaire dans la diapédèse et
la transmigration [39,41,42].
Ces cellules représentent des prometteurs vecteurs de transport
pour la thérapie par gènes suicides du cancer. Les CSM peuvent être
isolées par des moyens classiques (par exemple, l’isolement de la
moelle osseuse), et sont accessibles pour une modification génétique
in vitro, et peuvent aussi être facilement multipliées en culture. Les
CSM se greffent avec succès dans des tissus dans un contexte de
renouvellement accéléré des cellules, comme vu lors de la croissance
néoplasique. Les CSM ont aussi largement un privilège immunitaire
car ils n’ont pas d’expression du CMH de classe II, montrent une faible
expression du CMH de classe I, et n’ont pas d’expression de CD40,
CD80 et CD86. Cela implique également que l’utilisation de cellules
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souches mésenchymateuses allogènes peut ne pas poser problème au
niveau de brevet.
Une série de groupes a montré que les CSM modifiées avec des
gènes suicides (par exemple, HSV-TK) conservent le tropisme tumoral
[43]. Les cellules sont recrutées avec succès sur différents types de
tumeurs expérimentales et suscitent des effets anti-tumoraux, en
combinaison avec le GCV. Surtout, Les CSM génétiquement modifiées
contournent la nécessité d’une myéloablation et d’une greffe de moelle
osseuse. Elles conservent leurs caractéristiques de cellules souches
et la capacité de ralliement et maintiennent l’expression à long terme
du transgène in vitro et in vivo. Dans une étude réalisée par Hung et
al., les cellules souches mésenchymateuses humaines qui avaient été
transduites en utilisant les vecteurs lentiviraux pour exprimer l’HSVTK rallié de manière efficace au cancer du côlon sous-cutanée dans un
modèle murin [44]. Matušková et al. ont également introduit le gène
HSV-TK dans les CSM humaines à l’aide des vecteurs rétroviraux,
et ont montré que, après injection i.v. de la transduction des cellules
souches mésenchymateuses humaines ralliées à un gliome souscutanée dans un modèle murin, et a conduit à un effet thérapeutique
après un traitement GCV [45]. Song et al. ont transduit les CSM de
rat avec un vecteur lentiviral exprimant l’HSV-TK et ont traité avec
succès le cancer de la prostate se développant par voie sous-cutanée
chez un modèle de rat [46]. Dans la plupart de ces modèles de tumeurs,
le traitement par les cellules souches mésenchymateuses modifiées a
montré un ralliement aux tumeurs important et efficace, ainsi qu’une
efficacité concernant l’inhibition de la croissance locale de la tumeur,
la suppression des métastases, ou la prolongation de la survie des
animaux.
Les promoteurs spécifiques des tissus permettent un
transport sélectif de l’expression des gènes thérapeutiques
Alors que les CSM semblent être relativement efficaces dans
leur migration vers les environnements tumoraux, elles migrent aussi
bien vers les tissus non tumoraux et isolés dans le poumon [47]. Les
promoteurs spécifiques de tissus liés à la voie de différenciation initiée
dans la cellule souche recrutée au sein des environnements tumoraux
ont été utilisés pour aider à limiter l’expression du gène suicide
aux environnements tumoraux. Dans cet objectif, Les CSM ont été
modifiées pour exprimer les transgènes thérapeutiques lorsque les
cellules sont recrutées au tissu tumoral et sont activées par des signaux
spécifiques de la tumeur. Ces effets sélectifs dépendent des promoteurs
de gènes spécifiques qui sont induits lorsque les CSM subissent des
programmes d’activation sélective ou de différenciation spécifique.
Cette approche permet l’expression sélective des gènes thérapeutiques
uniquement dans un contexte biologique défini. Les CSM qui sont
recrutées à d’autres niches de tissus, mais qui ne subissent pas le
même programme de différenciation ou d’activation, n’induisent
pas d’expression du gène thérapeutique. Cette approche a conduit à
un degré important de contrôle de l’expression sélective des gènes
thérapeutiques au sein d’un microenvironnement défini, par exemple,
l’angiogenèse tumorale ou le développement des tumeurs stromales
fibroblastiques.
Nous avons montré la promesse de cette approche thérapeutique
dans les résultats des expériences principales au moyen de deux
modèles in vivo. Le premier utilise un modèle syngénique orthotopique
de cancer du pancréas chez les souris C57BL/6 et le second, un
modèle spontané de cancer du sein chez les souris transgéniques
portant l’oncogène c-neu activé de rat [48]. Les CSM négatives
au CD34 ont été isolées à partir de la moelle osseuse de souris et
modifiées génétiquement pour exprimer le gène suicide HSV-TK
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sous le contrôle du promoteur/amplificateur Tie2. L’angiogenèse
tumorale a été sélectivement ciblée en utilisant la capacité des cellules
souches mésenchymateuses pour agir en tant que progéniteurs pour la
croissance des vaisseaux de la tumeur et ensuite pour activer le gène
HSV TK dans le cadre de cette manifestation. L’expression du gène
Tie2 est en grande partie limitée aux “points chauds” angiogéniques
dans les tumeurs. Les CSM transférées de manière adoptive qui ont été
recrutées à la vascularisation de la tumeur spontanée du sein, ou de la
tumeur orthotopique du pancréas, ont induit l’expression du transgène
que lorsque la CSM a développé des caractéristiques endothéliales.
Dans les deux modèles de tumeur, le produit du gène HSV-TK exprimé
localement en combinaison avec le traitement par ganciclovir entraîne
une réduction significative de la croissance tumorale primaire ainsi
qu’une prolongation de la vie.
Les CSM peuvent également fonctionner comme des cellules
souches de fibroblastes associés aux tumeurs (TAF) [48]. Les TAF sont
un type cellulaire essentiel dans l’établissement et la progression des
tumeurs solides. Les cytokines CCL5 sont induites par les CSP recrutées
au moment où elles rencontrent la tumeur in vivo et commencent à se
développer dans les TAF. Dans une seconde approche, Les CSM ont
été modifiées pour exprimer le HSV-TK sous le contrôle du promoteur
CCL5. Les cellules modifiées sont injectées dans la circulation
périphérique de souris avec des tumeurs pancréatiques orthotopiques
croissantes. L’effet sur la croissance tumorale et les métastases des
tumeurs a ensuite été évalué. Le ralliement et l’activation des CSM
modifiées par le promoteur CCL5 ont été vérifiés par l’expression
du gène rapporteur. En présence de ganciclovir, les CSM modifiées
de CCL5-HSV-TK ont conduit non seulement à une réduction
significative de la croissance des tumeurs pancréatiques primaires, mais
ont également réduit de façon spectaculaire l’incidence des métastases
[49]. Une comparaison directe de stratégies de ciblage de Tie2 et CCL5
dans un modèle orthotopique du carcinome hépatocellulaire a montré
que les deux approches suppriment la croissance de la tumeur, mais
la stratégie de CCL5 était plus efficace [50]. Nous pensons que sur
base de la biologie unique de chaque type de tumeur, chaque entité
de la tumeur sera plus ou moins sensible à une approche spécifique
de ciblage. Par conséquent, la sélection de la combinaison des gènes
CSM/suicides les plus efficaces pour l’entité spécifique de la tumeur
sera plus importante.
Dans chacune de ces expériences, les cellules souches injectées par
voie systémique ont été trouvées en grande partie à l’intérieur de la
tumeur, mais elles pourraient également être identifiées dans d’autres
tissus, notamment la peau, l’intestin et les vaisseaux lymphatiques
secondaires. Les expériences parallèles de gènes rapporteurs ont montré
que les cellules souches modifiées recrutées à d’autres niches de tissus
n’ont pas subi le même programme de différenciation et d’activation,
et par conséquent, n’ont pas exprimé le transgène. Ainsi, le ciblage
amélioré des environnements tumoraux au moyen du promoteur
Tie2 ou RANTES/CCL5 a largement éliminé l’expression de milieu
non spécifique du transgène dans d’autres systèmes organiques, à
l’exception de la rate. La rate, en tant qu’organe le plus important du
système réticulo-endothélial, a une capacité élevée de suppression en
général pour les cellules administrées par voie systémique.
Les applications cliniques
L’approche de la thérapie par gènes suicides pour le cancer a été
validée par des expériences in vitro et in vivo et dans une série d’études
précliniques. Sur ce fondement, un petit nombre d’essais cliniques a été
mené chez l’homme [51]. Comme nous l’abordons ci-dessous, il ya des
préoccupations compréhensibles liées à l’administration de matériel
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génétique aux humains. Par conséquent, les cancers ciblés dans ces
premiers essais de thérapie par gènes suicides contre le cancer sont
généralement très agressifs et les options thérapeutiques disponibles y
sont limitées.
Le glioblastome multiforme
Le glioblastome multiforme est la forme la plus courante et la plus
agressive de tumeur cérébrale primaire chez les adultes [52] avec une
survie médiane de moins de 15 mois. Dans une étude prospective,
huit patients atteints de glioblastome multiforme récurrent ont été
soignés avec un vecteur liposomal portant le gène HSV-TK suivi d’une
application systémique de ganciclovir. Cette thérapie a entraîné une
réduction de plus de 50% du volume de la tumeur chez deux patients
sur huit, et les effets du traitement correspondants chez les autres
patients [12]. Ce traitement a été toléré sans effets secondaires majeurs,
en soutenant la faisabilité de la thérapie par gènes suicides contre le
glioblastome multiforme.
Le mésothéliome
Le mésothéliome est un cancer mortel de la plèvre mondialement
connu. La survie médiane après l’apparition de la maladie est inférieure
à un an [53]. Dans la première phase de l’essai clinique, les cellules
provenant de la lignée cellulaire PA1STK humaines et transduites de
manière stable avec le gène HSV TK ont été directement injectées
dans les effusions pleurales malignes. Par la suite, le ganciclovir a été
administré par perfusion intraveineuse durant sept jours. Cela a abouti
à une induction mesurable des niveaux de cytokines Th1 et Th2 dans le
sérum et le liquide pleural. Cependant, la tomodensitométrie périodique
n’a pas montré une amélioration notable de la charge tumorale [54].
Le cancer gastro-intestinal
Le carcinome hépatocellulaire est le sixième cancer le plus
répandu, et la troisième cause de décès lié au cancer la plus fréquente
[55]. Dix-huit patients atteints de carcinome hépatocellulaire primaire
d’un à cinq cm de diamètre ou présentant des métastases hépatiques
résécables provenant d’un cancer colorectal ont été traités avec un
vecteur adénoviral portant le gène suicide nitroréductase par injection
guidée par ultrasons avant de subir une résection. Les patients ont été
traités avec des doses croissantes des produits élaborés (gamme, 10(8)5×10(11) particules virales). L’administration du vecteur a été bien
tolérée avec des effets secondaires minimes, a eu une courte demi-vie
dans la circulation, et a stimulé une forte réaction des anticorps selon
les tests ELISA. Les augmentations liées à la dose dans l’expression
nitroréductase tumorale mesurée par analyse immunohistochimique
des tumeurs réséquées ont été observées [56]. La taille tumorale en tant
que paramètre de résultat n’a pas été évaluée.
Le cancer de la prostate
Le cancer de la prostate est la deuxième cause de décès chez
les hommes aux États-Unis avec des taux de mortalité supérieurs à
25 000 par an [57]. Dans un essai clinique humain, les patients qui
présentaient une récidive locale du cancer de la prostate après un
traitement radiologique définitif, ont été traités au moyen d’une
thérapie par gènes suicides HSV -TK et CD, à médiation d’adénovirus
capable de se répliquer, avec une thérapie à base de promédicament
5-FC+GCV. Sept patients (44%) ont affiché une diminution supérieure
à 25% de taux d’antigènes prostatiques spécifiques dans le sérum, et
trois patients (19%) ont montré une diminution supérieure à 50% de
taux d’antigènes prostatiques spécifiques dans le sérum [9]. Dans un
deuxième essai clinique, le système de nitroréductase a également
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été utilisé uniquement pour le traitement du cancer de la prostate.
Les patients atteints de cancer local de la prostate, qui doivent subir
une prostatectomie radicale, ont reçu des injections intra prostatiques
directes d’un vecteur adénoviral portant la nitroréductase. Cela confirme
la sécurité et la tolérabilité de l’approche. Un deuxième groupe de
patients qui présentait une récidive locale, prouvée par biopsie après
le traitement primaire, ont été également injectés le vecteur adénoviral
portant la nitroréductase. Ces patients ont reçu par la suite une perfusion
systémique du promédicament CB1954. Le traitement a été bien toléré
à nouveau et les patients traités ont eu un retard dans la progression du
marqueur tumoral PSA à 6 mois par rapport à un groupe de contrôle
[11]. D’autres essais cliniques ont également confirmé la preuve du
concept de thérapie par gènes suicides du cancer de la prostate [10].
Les cancers gynécologiques
Le cancer de l’endomètre est le cancer le plus fréquent de l’appareil
génital féminin avec une incidence mondiale de près de 200.000 cas
diagnostiqués chaque année [58]. Le cancer de l’ovaire se produit dans
environ 25.000 nouveaux cas, et est responsable de plus de 15.000
décès par an, aux États-Unis [59]. Les deux cancers ont été traités
au moyen de la thérapie par gènes suicides. Dans un essai clinique
de douze patients, neuf patients atteints de cancer de l’ovaire et
3 patients atteints de cancer de l’endomètre ont été administrés des
adénovirus améliorés en infectiosité, exprimant le gène suicide HSVTK. L’efficacité clinique a été déterminée en comparant les résultats
de la tomodensitométrie avant le traitement avec les résultats de la
tomodensitométrie 29 jours après l’administration du ganciclovir. Cela
a révélé une stabilité de la maladie chez cinq patients et une progression
de la maladie chez sept patients.
Les facteurs limitants
La thérapie par gènes suicides du cancer présente un potentiel
thérapeutique considérable. Toutefois, une application clinique de
routine chez l’homme est actuellement limitée par des inquiétudes sur
la faisabilité et la sureté de cette stratégie. L’une des difficultés a été
l’efficacité sous-optimale de l’introduction des gènes suicides dans les
cellules cancéreuses. Il s’est avéré difficile de réaliser l’introduction
du gène suicide dans les cellules cancéreuses. Il existe un certain
nombre de raisons à cela. Les vecteurs viraux sont ciblés par la réponse
immunitaire adaptative et innée. De plus, en raison de la nature clonale
de cancer, même un petit nombre de cellules survivantes peut entraîner
la progression ou la réapparition de la maladie.
Une deuxième difficulté consiste à savoir de quelle manière
introduire les gènes suicides dans les cellules cancéreuses sans
impliquer les cellules non-cancéreuses normales avec un degré élevé de
spécificité dans le but de minimiser les effets secondaires indésirables.
Une fois ce défi surmonté, il reste la préoccupation que l’activation
locale des promédicaments peut encore entraîner des effets secondaires
régionaux et éventuellement des effets secondaires systémiques sur
l’hôte.
Les complications
La sécurité de la thérapie par gènes suicides pour le cancer demeure
préoccupante. Comme toute thérapie impliquant des manipulations
génétiques, l’introduction des gènes suicides dans les cellules cibles a
le potentiel d’être tumorigène en elle-même. Par exemple, l’insertion
du gène suicide peut entraîner des mutations non voulues avec un gain
de fonction dominant, qui activent des oncogènes ou une perte d’un
gène suppresseur de tumeur. Ses mécanismes potentiels comprennent
la perturbation des éléments activateurs ou promoteurs dans le vecteur
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ou un épissage aberrant de la transcription du vecteur. Cela est devenu
radicalement évident dans un essai clinique de thérapie génique pour
un déficit immunitaire combiné sévère lié à l’X, dans lequel 2 des 10
patients ont développé une leucémie due à une intégration rétrovirale
à proximité du promoteur proto-oncogène LMO2 [27]. En outre, les
essais précliniques sont souvent menés dans des modèles animaux avec
des périodes relativement courtes de suivi. Par conséquent, le risque de
contracter une mutagenèse au cours de la vie chez un être humain est
difficile à estimer [47].
Le second problème se produit à partir de la réponse immunitaire
de l’hôte induite contre le vecteur et le produit de gène suicide. Par
exemple, un essai clinique de thérapie génique à base d’adénovirus
d’une déficience en ornithine transcarbamylase a entraîné la mort d’un
patient dans l’étude en raison d’un choc anaphylactique en réponse au
vecteur d’adénovirus [24].
Conclusion
La thérapie par gènes suicides est une approche prometteuse pour la
réalisation de traitements très spécifiques du cancer tout en minimisant
les effets toxiques des médicaments chimiothérapeutiques sur les tissus
non-ciblés/non-cancéreux. Un certain nombre de systèmes de thérapie
par gènes suicides a été développé, notamment, HSV-TK / GCV et
CD/5-FU. De plus, il existe des vecteurs qui permettent un transport
spécifique de gènes suicides à l’environnement du cancer. Il s’agit
notamment des cellules souches mésenchymateuses, des vecteurs
viraux et d’ADN libre. Dans ce contexte, un grand nombre de preuves
appuie cette stratégie dans les modèles précliniques. Cependant,
l’approche thérapeutique chez l’homme est limitée par une faible
efficacité du transport des gènes et des préoccupations en matière de
sécurité. Ainsi, le nombre d’essais cliniques chez des patients humains
a été limité et les avantages de traitement observés modestes. Un effort
intensif de recherche est nécessaire pour surmonter ces obstacles et
rendre la thérapie par gènes suicides un réel avantage pour nos patients.
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