รีโทรไวรัส

รีโทรไวรัส (retrovirus) ใช้เป็นเวกเตอร์หลักอย่างหนึ่งในยีนบำบัดปัจจุบันรีโทรไวรัสลูกผสม เช่น Moloney murine leukemia virus สามารถรวมยีนเข้ากับจีโนมของเซลล์ถูกเบียนอย่างเสถียรโดยมีโปรตีนรีเวิร์สแทรนสคริปเทส (RT) เพื่อสร้างก๊อปปี้ที่เป็นดีเอ็นเอจากจีโนมที่เป็นอาร์เอ็นเอ และมีโปรตีน integrase ที่ทำให้สามารถรวมก๊อปปี้นั้นเข้ากับจีโนมของเซลล์ได้ซึ่งได้ใช้ในการทดลองทางคลินิกที่องค์การอาหารและยาสหรัฐอนุมัติหลายงานรวมทั้งโรค X-linked severe combined immunodeficiency (SCID-X1)[14]

เวกเตอร์ที่เป็นรีโทรไวรัสอาจแพร่พันธุ์ได้หรือไม่ได้แบบแพร่พันธุ์ไม่ได้สามัญที่สุดในงานศึกษาต่าง ๆ เป็นไวรัสอันแทนที่ยีนซึ่งจำเป็นในการสร้างอนุภาพไวรัส (virion replication and packaging) ด้วยยีนอื่น ๆ หรือลบยีนตรงนั้นเสียไวรัสเช่นนี้สามารถทำให้เซลล์เป้าหมายติดเชื้อแล้วส่งยีนเข้าไปในเซลล์ แต่ก็ไม่สามารถดำเนินการตามวิถีการสลายเซลล์ธรรมดา (lytic pathway) ซึ่งทำให้เซลล์สลายแล้วตาย

ในนัยตรงข้าม เวกเตอร์ไวรัสที่สามารถแพร่พันธุ์ได้มียีนที่จำเป็นในการสร้างอนุภาคไวรัส จึงสามารถแพร่พันธุ์ต่อไปได้เมื่อเซลล์ติดเชื้อแล้วเพราะจีโนมของไวรัสสำหรับเวกเตอร์เช่นนี้ยาวกว่ามาก ยีนที่สามารถแทรกเข้าไปในจีโนมจึงยาวจำกัดเทียบกับเวกเตอร์ที่ไม่สามารถแพร่พันธุ์ได้โดยขึ้นอยู่กับเวกเตอร์ ลำดับดีเอ็นเอที่แทรกเข้าไปในไวรัสที่แพร่พันธุ์ได้ปกติจะยาวประมาณ 8-10 กิโลเบส (kB)[15]แม้นี่จะจำกัดลำดับจีโนมที่สามารถแทรกเข้าไปได้หลายอย่าง แต่ลำดับ Complementary DNA ต่าง ๆ ก็ยังได้

ข้อเสียหลักในการใช้รีโทรไวรัสเป็นเวกเตอร์ก็คือ เซลล์ถูกเบียนจะต้องแบ่งตัวอย่างแอ๊กถีฟเพื่อถ่ายโอนยีนของไวรัส ดังนั้น เซลล์ที่ปกติไม่แบ่งตัวเช่นเซลล์ประสาทก็จะทนทานไม่ติดเชื้อและไม่ถ่ายโอนยีนของไวรัส

มีความกังวลตั้งแต่ต้นว่าการกลายพันธุ์โดยแทรกยีน (insertional mutagenesis) เนื่องกับการรวมยีนไวรัสเข้ากับจีโนมของเซลล์อาจก่อมะเร็งหรือมะเร็งเม็ดเลือดขาวซึ่งเป็นเพียงทฤษฎีจนกระทั่งทดลองยีนบำบัดกับคนไข้ SCID-X1 10 คนโดยใช้ Maloney murine leukemia virus[16]มีผลเป็นคนไข้สองคนเกิดมะเร็งเม็ดเลือดขาวเพราะวัคซีนที่รวมเข้ากับจีโนมได้กระตุ้นการทำงานของยีนมะเร็งคือ LMO2 ที่อยู่ใกล้ ๆ[17]

เลนทิไวรัส

เลนทิไวรัส (lentivirus) เป็นกลุ่มย่อยของรีโทรไวรัสซึ่งบางครั้งใช้เป็นเวกเตอร์ในยีนบำบัดเพราะสมรรถภาพในการรวมเข้ากับจีโนมของเซลล์ที่ไม่แบ่งตัว เป็นลักษณะพิเศษของไวรัสนี้เพราะรีโทรไวรัสอื่น ๆ สามารถทำการกับเซลล์ที่กำลังแบ่งตัวเท่านั้นจีโนมของไวรัสในรูปแบบอาร์เอ็นเอจะผ่านกระบวนการ reverse transcription[upper-alpha 4]เมื่อไวรัสเข้าไปในเซลล์เพื่อสร้างดีเอ็นเอจากอาร์เอ็นเอโดยใช้เอนไซม์รีเวิร์สแทรนสคริปเทส (RT)แล้วก็จะแทรกเข้าไปในจีโนมของเซลล์ที่ตำแหน่งสุ่ม (แต่งานศึกษาปี 2015 ก็แสดงว่า การแทรกดีเอ็นเอของไวรัสไม่ใช่ที่ตำแหน่งสุ่ม แต่จะเล็งยีนที่แอ๊กถีฟโดยสัมพันธ์กับการจัดระเบียบของจีโนม[18])โดยใช้เอนไซม์ integrase ของไวรัส

ในขั้นนี้ เวกเตอร์ซึ่งเรียกว่าโปรไวรัส (provirus) จะคงอยู่ในจีโนมแล้วสืบทอดไปยังลูกหลานของเซลล์เมื่อแบ่งตัวยังไม่มีเทคนิคกำหนดตำแหน่งที่ไวรัสเข้ารวมกับจีโนมซึ่งอาจก่อปัญหาเพราะโปรไวรัสอาจขัดการทำงานของยีน ทำให้ยีนมะเร็งทำงานแล้วก่อมะเร็ง ซึ่งเป็นข้อกังวลอย่างหนึ่งในการประยุกต์ใช้เลนทิไวรัสในยีนบำบัดแต่งานศึกษาต่าง ๆ ก็แสดงว่า เวกเตอร์เลนทิไวรัสมีแนวโน้มน้อยกว่าในการรวมเข้ากับยีนในตำแหน่งที่อาจก่อเมื่อมะเร็งเทียบกับเวกเตอร์รีโทรไวรัสแกมมา[19]โดยเฉพาะก็คือ งานศึกษาหนึ่งพบว่าเวกเตอร์เลนทิไวรัสไม่เพิ่มอุบัติการณ์เนื้องอก หรือทำเนื้องอกให้เกิดเร็วขึ้นในสายพันธุ์หนูที่มีอุบัติการณ์เนื้องอกสูง[20]อนึ่ง การทดลองทางคลินิกที่ใช้เวกเตอร์เลนทิไวรัสในยีนบำบัดเพื่อรักษาเอชไอวีไม่ก่อการกลายพันธุ์ยีนหรือก่อมะเร็งที่สูงขึ้น[21]

เพื่อความปลอดภัย เวกเตอร์เลนทิไวรัสจะไม่มียีนที่จำเป็นในการแพร่พันธุ์ไวรัสเพื่อผลิตเลนทิไวรัส พลาสมิดหลายชนิดจะนำ (transfection[upper-alpha 1]) เข้าไปในเซลล์สร้างอนุภาคไวรัสที่เรียกว่า packaging cell line โดยปกติเป็นเซลล์ไตตัวอ่อนมนุษย์สาย HEK 293 (เซลล์ซ้ายในรูป)พลาสมิดอย่างน้อยหนึ่งตัว (พลาสมิดซ้ายในเซลล์ซ้ายในรูป) ทั่วไปเรียกว่าพลาสมิดบรรจุ (packaging plasmid) จะเข้ารหัสโปรตีนของอนุภาคไวรัส (virion) เช่น แค็ปซิด (capsid) และรีเวิร์สแทรนสคริปเทสพลาสมิดอีกอย่าง (พลาสมิดขวาในเซลล์ซ้ายในรูป) มีวัสดุยีนที่มุ่งหมายให้เวกเตอร์เป็นตัวส่ง ซึ่งถอดรหัสเป็นอาร์เอ็นเอสายเดี่ยวโดยมีเครื่องหมายเป็นลำดับยีน ψ (psi)แล้วบรรจุเข้าไปในอนุภาคไวรัส (อนุภาคไวรัสนอกเซลล์ทั้งสองในรูป)

อะดีโนไวรัส

ไม่เหมือนกับเลนทิไวรัส ดีเอ็นเอของอะดีโนไวรัสจะไม่รวมเข้ากับจีโนมของเซลล์ถูกเบียน จึงไม่แพร่พันธุ์คือไม่ถ่ายแบบเมื่อเซลล์แบ่งตัวซึ่งจำกัดให้ใช้ไวรัสแต่ในงานวิจัยพื้นฐาน แต่ก็ยังใช้ในการทดลองในกาย (in vitro) และนอกกาย (in vivo) ได้ด้วยเหมือนกัน[22]เวกเตอร์อะดีโนไวรัสโดยหลักจะใช้ในยีนบำบัดและวัคซีนแต่เพราะมนุษย์ประสบกับอะดีโนไวรัสที่เป็นเหตุการติดเชื้อทางเดินหายใจ ทางเดินอาหาร และตาบ่อย ๆ คนโดยมากก็จะมีสารภูมิต้านทานแบบกำจัดฤทธิ์ (neutralizing antibody) ซึ่งสามารถฆ่าไวรัสก่อนไปถึงเซลล์เป้าหมายเพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันกำลังตรวจสอบอะดีโนไวรัสที่ติดสัตว์สปีชีส์อื่น (เช่น วัคซีนโควิด-19 AZD1222) ที่มนุษย์ยังไม่มีภูมิคุ้มกัน

Adeno-associated viruses

adeno-associated virus (AAV) เป็นไวรัสเล็ก ๆ ที่ทำให้มนุษย์และไพรเมตสปีชีส์อื่น ๆ ติดเชื้อ โดยมีชื่อเช่นนั้นเพราะเริ่มแรกนึกว่าเป็นสิ่งปนเปื้อนที่อยู่กับอะดีโนไวรัสAAV ปัจจุบันยังไม่ปรากฏว่าทำให้ติดโรค และเป็นเหตุให้ภูมิคุ้มกันตอบสนองแบบอ่อนมากแต่ก็สามารถทำให้เซลล์ทั้งที่แบ่งตัวและไม่แบ่งตัวติดเชื้อ และอาจรวมเข้ากับจีโนมของเซลล์ถูกเบียนแต่ไวรัสที่แปลงเป็นเวกเตอร์ปกติจะดำรงอยู่ในสภาพพลาสมิดที่ไม่ประกอบเข้ากับจีโนมของเซลล์ โดยยังสามารถแสดงออกโปรตีนได้ในระยะยาวอย่างเสถียร[23][24]คุณลักษณะเช่นนี้ ทำให้ AAV เป็นแคนดิเดตที่ดีเพื่อใช้สร้างเวกเตอร์ไวรัสสำหรับยีนบำบัด[1]แต่ก็สามารถแทรกยีนใส่ไวรัสได้เพียง 5 กิโลเบส ซึ่งเล็กมากเทียบกับจีโนมของไวรัสเอง[24]

เพราะไวรัสอาสมารถใช้เป็นเวกเตอร์สำหรับยีนบำบัดได้ นักวิจัยจึงได้สร้าง AAV แปลงรูปที่เรียกว่า self-complementary adeno-associated virus (scAAV)เพราะ AAV ดั้งเดิมประกอบด้วยดีเอ็นเองเพียงสายเดียว จึงต้องผ่านกระบวนการสังเคราะห์สายที่สอง เทียบกับ scAAV ซึ่งมีดีเอ็นเอทั้งสองสายประกอบเข้าด้วยกันผ่านกระบวนการ annealing เพราะไม่ต้องสังเคราะห์ดีเอ็นเอสายที่สอง scAAV จึงยังให้เซลล์แสดงออกโปรตีนที่ต้องการได้อย่างรวดเร็ว[25]นอกจากนี้แล้ว scAAV ก็มีลักษณะต่าง ๆ ของ AAV

ไวรัสของพืช

ไวรัสที่ติดพืชสามารถแปลงเป็นเวกเตอร์ไวรัส เพื่อใช้ส่งยีนเข้าไปในเซลล์พืชและยังเป็นแหล่งวัสดุชีวภาพและนาโนเทคโนโลยี[26][27]ไวรัสติดพืชรวมทั้งยาสูบคือ tobacco mosaic virus (TMV) เป็นไวรัสแรกสุดที่ได้ค้นพบ

ลูกผสม (ไฮบริด)

เวกเตอร์ลูกผสม (เวกเตอร์ไฮบริด) เป็นเวกเตอร์ไวรัสที่ผ่านพันธุวิศวกรรมเพื่อให้มีคุณสมบัติของเวกเตอร์มากกว่าหนึ่งอย่างคือจะดัดแปลงไวรัสไม่ให้มีข้อเสียของเวกเตอร์ไวรัสทั่วไป ซึ่งอาจมีความจุยีนจำกัด (limited loading capacity) ก่อปฏิกิริยาของภูมิคุ้มกัน (immunogenicity) เป็นพิษต่อยีน (genotoxicity) และไม่รองรับการแสดงออกของยีนลูกผสม (transgenic expression) ในระยะยาวได้เมื่อทดแทนสิ่งที่ไม่ต้องการด้วยสมรรถภาพที่ต้องการ เวกเตอร์ลูกผสมในอนาคตอาจจะทำการได้ดีกว่าเวกเตอร์มาตรฐานในด้านความปลอดภัยและประสิทธิภาพการรักษาโรค[28]