Liệu pháp can thiệp ARN (RNAi)

Trong nhiều thập kỉ qua, y học truyền thống chủ yếu dựa vào các loại thuốc nhỏ phân tử và kháng thể đơn dòng để điều trị bệnh. Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế. Phần lớn các loại thuốc hiện nay (khoảng 95%) chỉ tác động lên protein, trong khi nhiều mục tiêu điều trị quan trọng vẫn chưa thể tiếp cận. Đáng chú ý, bệnh di truyền hiếm gặp và một số dạng ung thư rất khó điều trị bằng kháng thể hoặc thuốc phân tử nhỏ do thiếu mục tiêu protein phù hợp.

Số lượng bệnh nhân mắc bệnh di truyền hiếm và ung thư ngày càng tăng nên nhu cầu cần thiết phải tìm ra phương pháp điều trị mới. Các liệu pháp truyền thống chỉ có thể kiểm soát triệu chứng, chưa giải quyết được nguyên nhân gốc rễ. Do đó, các nhà khoa học cần phát triển phương pháp can thiệp trực tiếp vào quá trình biểu hiện của gen gây bệnh.

RNAi là một cơ chế tự nhiên điều hòa biểu hiện gen chính xác, trong đó các phân tử ARN nhỏ (small interfering RNA – siRNA) được sử dụng để phá hủy mRNA. Khác với thuốc truyền thống tác động cuối cùng lên protein, RNAi can thiệp ngay từ đầu vào quá trình tổng hợp protein từ ARN. Cách tiếp cận này mở ra cơ hội điều trị nhiều bệnh nan y.

Lịch sử

Sự can thiệp ARN (RNA interference) được khám phá thông qua những quan sát tình cờ trong phòng thí nghiệm thực vật vào những năm 1990. Các nhà khoa học lúc đầu phát hiện hiện tượng này trên cánh hoa dạ yến thảo. Khi đó, người ta cố gắng đưa thêm gen tạo sắc tố đỏ vào hoa với mong muốn làm cho màu hoa đậm hơn. Tuy nhiên, thay vì tăng cường màu sắc như dự đoán, quá trình này lại khiến hoa mất màu và trở nên trắng tinh.

Năm 1998, Fire và Mello tiến hành thí nghiệm trên tuyến trùng Caenorhabditis elegans. Họ tiêm ARN mang mã di truyền cho protein cơ vào cơ thể sinh vật này. Ban đầu, khi tiêm ARN đơn sợi, không có gì đáng chú ý xảy ra, nhưng khi kết hợp hai loại ARN đơn sợi (sense và antisense) tạo thành ARN sợi đôi, tuyến trùng bắt đầu có những chuyển động giật bất thường giống như khi gen protein cơ bị khiếm khuyết. Thí nghiệm này chứng minh ARN sợi đôi có thể vô hiệu hóa gen một cách chọn lọc và hiệu quả. Đáng ngạc nhiên, chỉ cần một lượng rất nhỏ ARN sợi đôi có thể làm im lặng hoàn toàn một gen. Hiệu ứng này còn lan truyền từ tế bào này sang tế bào khác và di truyền sang cả thế hệ sau.

Phát hiện đột phá này không chỉ giải đáp nhiều câu hỏi lớn trong sinh học phân tử mà còn mở ra một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới. Năm 2006, Fire và Mello nhận giải Nobel Y học cho khám phá quan trọng này—nền móng cho sự phát triển của liệu pháp RNAi trong tương lai.

Cơ sở sinh học

Dòng chảy thông tin di truyền

Trong tế bào, ADN chứa toàn bộ thông tin di truyền cần thiết để tạo ra protein. Quá trình tạo protein diễn ra theo hai bước bao gồm: đầu tiên, thông tin từ ADN được sao chép thành mRNA, sau đó mRNA chỉ đạo quá trình tổng hợp protein. Các protein được tạo ra từ quá trình này nắm vai trò trọng yếu trong mọi hoạt động sống của cơ thể. Chúng tham gia vào nhiều chức năng khác nhau như tiêu hóa thức ăn, truyền tín hiệu trong não bộ hoặc bảo vệ cơ thể chống lại vi khuẩn.

Bộ gen người chứa khoảng 30.000 gen, nhưng mỗi tế bào chỉ sử dụng một phần nhỏ trong số đó. Quá trình lựa chọn gen biểu hiện (tổng hợp protein) được điều khiển bởi quá trình phiên mã. Quá trình này được điều hòa bởi nhiều yếu tố khác nhau nhằm tổng hợp mRNA từ ADN.

Cơ chế điều hòa này đảm bảo mỗi loại tế bào chỉ sản xuất những protein cần thiết cho chức năng của mình, đồng thời cho phép cơ thể thích ứng linh hoạt với những thay đổi trong môi trường sống. Sự điều hòa này duy trì hoạt động bình thường của tế bào và cơ thể.

RNAi kiểm soát dòng chảy thông tin di truyền

RNA interference (RNAi) là một cơ chế điều hòa biểu hiện gen tinh vi, nó hoạt động như một hệ thống kiểm soát chính xác dòng chảy thông tin di truyền từ ADN đến protein. Khi dsRNA xuất hiện bên trong tế bào, enzyme Dicer—một loại enzyme thuộc họ RNase III—cắt dsRNA thành những đoạn ngắn khoảng 21–23 nucleotide được gọi là siRNA. Những đoạn siRNA này có cấu trúc đặc biệt với hai nucleotide thừa tại đầu 3′ nên bộ máy RNAi của tế bào có thể nhận biết và xử lí chúng.

Sau đó, các phân tử siRNA được chuyển giao cho một phức hợp protein đa chức năng được gọi là RNA-Induced Silencing Complex (RISC). Trong quá trình lắp ráp phức hợp RISC, siRNA sợi đôi được tách thành hai sợi đơn. Trong hai sợi này, sợi có độ bền nhiệt động học thấp hơn tại đầu 5′ được chọn làm sợi dẫn đường (guide strand), trong khi sợi còn lại (passenger strand) bị loại bỏ. Sợi dẫn đường tồn tại trong phức hợp RISC với vai trò quyết định tính đặc hiệu của quá trình nhận biết mRNA đích.

Phức hợp RISC đã được kích hoạt với sợi dẫn đường bắt đầu quá trình tìm kiếm và gắn kết với các phân tử mRNA có trình tự bổ sung. Khi tìm thấy mục tiêu, sợi dẫn đường gắn với mRNA theo nguyên tắc bổ sung. Nếu sợi dẫn đường và mRNA đích gắn kết hoàn hảo, protein Argonaute trong phức hợp RISC cắt mRNA tại vị trí giữa nucleotide thứ 10 và 11 tính từ đầu 5′ của sợi dẫn đường.

Sau khi bị cắt, mRNA đích bị phân hủy nhanh chóng bởi các enzyme phân hủy ARN có sẵn trong tế bào. Do đó, quá trình dịch mã từ mRNA thành protein bị ngăn chặn hoàn toàn và gen bị bất hoạt một cách hiệu quả. Đáng chú ý, phức hợp RISC có khả năng hoạt động nhiều lần để tìm kiếm và phá hủy nhiều phân tử mRNA đích khác nhau, chúng tạo nên hiệu ứng khuếch đại mạnh mẽ trong quá trình ức chế biểu hiện gen.

Cơ chế RNAi có độ chính xác cao nhờ vào sự bổ sung nucleotide chặt chẽ giữa sợi dẫn đường và mRNA đích. Chỉ những phân tử mRNA có trình tự hoàn toàn bổ sung mới bị cắt và phân hủy nên tính đặc hiệu cao của quá trình im lặng gen được đảm bảo. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, nếu có những sai khác nhỏ trong trình tự, phức hợp RISC có thể chỉ ức chế quá trình dịch mã thay vì cắt hoàn toàn mRNA.

Dựa trên cơ chế của RNAi, người ta tìm cách thiết kế và tổng hợp các phân tử siRNA có trình tự bổ sung với mRNA mục tiêu. Những phân tử nhỏ này sau đó được đưa vào cơ thể, khiến mRNA mục tiêu bị phân hủy mRNA hoặc không thể thực hiện dịch mã, từ đó giảm sản xuất protein gây bệnh.

Ứng dụng

Liệu pháp RNAi đã chứng minh được tiềm năng to lớn trong điều trị nhiều loại bệnh khác nhau, từ những rối loạn di truyền hiếm gặp đến các căn bệnh phổ biến như ung thư và bệnh tim mạch. Khả năng tác động chính xác vào các gen gây bệnh đã mở ra những cơ hội điều trị mới cho những bệnh nhân trước đây không có nhiều lựa chọn.

Trong lĩnh vực điều trị các bệnh di truyền hiếm, liệu pháp RNAi đã đạt được những thành công đáng kể. Những bệnh này thường do đột biến gen dẫn đến các phiên bản protein bất thường hoặc có hại. Bằng cách sử dụng siRNA để im lặng các gen đột biến, liệu pháp RNAi có thể ngăn chặn quá trình sản xuất protein độc hại và khôi phục chức năng bình thường của tế bào. Cơ chế này cực kì quan trọng với những bệnh không thể điều trị bằng cách thay thế protein bị khiếm khuyết.

Ứng dụng RNAi trong điều trị ung thư cũng thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học. Các tế bào ung thư thường có nhiều gen bị biến đổi, bao gồm các oncogene (gen gây ung thư) hoạt động quá mức và các gen ức chế khối u bị mất chức năng. Liệu pháp RNAi có thể được thiết kế để bất hoạt các oncogene, từ đó tế bào ung thư ngừng phát triển và lây lan. Hơn nữa, RNAi còn có thể được sử dụng để tăng cường độ nhạy cảm của tế bào ung thư với hóa trị và xạ trị.

Trong lĩnh vực bệnh tim mạch, liệu pháp RNAi đang được nghiên cứu để điều trị các rối loạn lipid máu và giảm nguy cơ bệnh tim mạch. Khả năng điều chỉnh các gen liên quan đến chuyển hóa cholesterol và triglyceride mở ra những cơ hội mới trong phòng ngừa và điều trị bệnh tim mạch, nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trên toàn thế giới.

Các sản phẩm được thương mại hóa

Patisiran (Onpattro) là thuốc siRNA đầu tiên được FDA phê duyệt vào tháng 8 năm 2018, đánh dấu bước ngoặt trong lịch sử y học. Thuốc này được sử dụng nhằm điều trị bệnh polyneuropathy do amyloidosis di truyền liên quan đến transthyretin (hATTR)—một bệnh di truyền hiếm gây tổn thương thần kinh nghiêm trọng. Patisiran bất hoạt gen TTR trong gan, từ đó protein transthyretin bất thường bị giảm sản xuất. Các thử nghiệm lâm sàng cho thấy thuốc này có thể làm chậm tiến triển bệnh và cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân.

Givosiran (Givlaari) được phê duyệt vào tháng 11 năm 2019 nhằm điều trị bệnh porphyria cấp tính tại gan. Thuốc này tác động vào enzyme aminolevulinate synthase 1 (ALAS1), từ đó các chất độc hại giảm tích tụ nên các cơn đau nghiêm trọng thuyên giảm. Sự thành công của givosiran đã chứng minh khả năng của liệu pháp RNAi trong điều trị những bệnh di truyền có cơ chế phức tạp.

Lumasiran (Oxlumo) được phê duyệt vào tháng 11 năm 2020, trở thành thuốc đầu tiên giúp giảm nồng độ oxalate trên bệnh nhân mắc bệnh tăng oxalate niệu nguyên phát type 1. Bệnh có thể gây sỏi thận, tổn thương thận nghiêm trọng và thậm chí suy thận giai đoạn cuối. Trước khi có lumasiran, phương pháp điều trị duy nhất là ghép gan. Thuốc hoạt động bằng cách vô hiệu hóa gen HAO1 để giảm sản xuất enzyme glyoxylate oxidase, từ đó oxalate giảm theo.

Inclisiran (Leqvio) được phê duyệt vào năm 2021 nhằm điều trị tăng cholesterol. Khác với các thuốc siRNA trước đó được sử dụng cho những bệnh hiếm, inclisiran nhắm đến một vấn đề sức khỏe phổ biến hơn. Thuốc này hoạt động bằng cách im lặng gen PCSK9 nhằm tăng cường khả năng loại bỏ cholesterol LDL khỏi máu. Đáng chú ý, người bệnh chỉ cần tiêm inclisiran hai lần mỗi năm.

Thách thức

Thách thức lớn nhất trong phát triển liệu pháp RNAi là vấn đề vận chuyển thuốc đến đúng tế bào đích. Các phân tử siRNA có kích thước lớn lại mang điện tích âm nên dễ bị phân hủy bởi các enzyme trong máu. Do đó, quá trình đưa RNAi vào tế bào đích trở nên cực kỳ khó khăn. Các phân tử siRNA phải vượt qua nhiều rào cản sinh lí, bao gồm sự phân hủy trong máu, thẩm thấu qua thành mạch máu, xâm nhập vào tế bào và thoát khỏi lưới nội chất để đến được nơi có thể hoạt động.

Vấn đề tác dụng ngoài mục tiêu (off-target effects) cũng là mối quan tâm lớn. Mặc dù RNAi có độ chính xác cao, vẫn có khả năng siRNA có thể gắn kết và im lặng những gen không mong muốn, dẫn đến tác dụng phụ không lường trước được. Các cấn đề này đòi hỏi quá trình thiết kế siRNA phải được thực hiện một cách cẩn thận và kiểm tra kĩ lưỡng để đảm bảo tính an toàn.

Chi phí sản xuất cao là một rào cản khác trong phát triển và thương mại hóa liệu pháp RNAi. Quá trình sản xuất siRNA đòi hỏi công nghệ phức tạp và qui trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, dẫn đến chi phí cao. Do đó, mở rộng sản xuất trong khi vẫn duy trì chất lượng và tính nhất quán là một thách thức lớn đối với quá trình sản xuất.

Các phản ứng miễn dịch không mong muốn cũng có thể xảy ra khi cơ thể tiếp xúc với siRNA ngoại lai. Hệ miễn dịch có thể nhận biết siRNA như một chất lạ và tạo ra phản ứng viêm, do đó hiệu quả điều trị giảm và bệnh nhân có thể gặp biến chứng có hại. Vì vậy, các hệ thống vận chuyển cần được thiết kế có khả năng che giấu siRNA khỏi hệ miễn dịch.

Vấn đề bão hòa phức hợp RISC cũng cần được xem xét. Khi quá nhiều siRNA ngoại lai được đưa vào tế bào, chúng có thể cạnh tranh với microRNA nội sinh để gắn kết với RISC, dẫn đến rối loạn điều hòa gen tự nhiên. Điều này có thể gây ra những hậu quả không lường trước được đối với chức năng tế bào.

Cuối cùng, vấn đề kháng thuốc cũng bắt đầu xuất hiện trong một số trường hợp. Các tế bào có thể phát triển khả năng chống lại tác động của siRNA thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm thay đổi trong bộ máy xử lý RNAi hoặc đột biến trong trình tự mRNA đích.

Lời kết

Liệu pháp ARN interference đại diện cho một bước tiến đột phá trong y học hiện đại, mở ra những khả năng điều trị mới cho nhiều căn bệnh nghiêm trọng. Với sự phát triển mạnh mẽ của thị trường và những đầu tư nghiên cứu tiếp tục, liệu pháp RNAi hứa hẹn trở thành một trụ cột quan trọng trong y học chính xác.