Biología Molecular. Libro II Jornada Radiaciones y Cáncer (7)

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AVANCES TERAPÉUTICOS BASADOS EN LA MANIPULACIÓN GÉNICA DE CÉLULAS MADRE Dr. Juan A. Bueren Jefe de la División de Hematopoyesis y Terapia Génica CIEMAT. Avenida Complutense 22. 28040 Madrid

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Biología Molecular. Libro II Jornada Radiaciones y Cáncer. Parte 7ª del libro

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AVANCES TERAPÉUTICOS BASADOS EN LA MANIPULACIÓN GÉNICA

DE CÉLULAS MADRE

Dr. Juan A. BuerenJefe de la División de Hematopoyesis y Terapia Génica

CIEMAT. Avenida Complutense 22. 28040 Madrid

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1.- Introducción

La posibilidad de introducir genes en células eucariotas ha permitido dar comienzo anuevos protocolos de terapia génica humana, que no resultaban abordables hace unos pocosaños, y que en esencia se fundamentan en dos estrategias que se recogen en la Figura 1.

Los protocolos actuales de TerapiaGénica tienen su fundamento en la incor-poración de un gen terapéutico sobre elfondo genético de la célula a transducir.Esta aproximación facilita la expresión degenes no presentes en el genoma celular,o bien que no se expresan en la célula notransducida. Con los vectores actualmentedesarrollados, la inserción génica sepuede conseguir con una eficacia sufi-ciente para el tratamiento de determinadasenfermedades humanas. Como aspectosmás negativos a resaltar han de conside-rarse, sin embargo, las limitaciones rela-cionadas con la regulación de la expresión

de los genes transferidos.

La alternativa ideal para restaurar lafuncionalidad de genes defectivos, se basaen la recombinación homóloga de losgenes no funcionales por genes homólo-gos funcionales, ya que de este modo esposible conseguir una reparación precisadel gen defectivo, y con ello, una perfectaregulación de su expresión génica. Noobstante, esta alternativa no es todavíaaplicable a la terapia humana debido a lareducida eficacia de recombinación queactualmente se alcanza.

AVANCES TERAPÉUTICOS BASADOS EN LAMANIPULACIÓNGÉNICA DE CÉLULAS MADRE

Dr. Juan A. BuerenJefe de la División de Hematopoyesis y Terapia Génica

CIEMAT. Avenida Complutense 22. 28040 Madrid

TERAPIA DE ADICIÓN TERAPIA DE SUSTITUCIÓN

Inserción Génica Inserción Génica Recombinación Homóloga Recombinación Homóloga

- Alta Eficacia de Inserción - Baja Eficacia de Recombinación - Inserción Génica Homo o Heteróloga - Precisa Reparación Génica- Limitaciones de Regulación - Óptima Regulación de Expresión

Actualmente Aplicable en No Implantado Todavía enTerapia Humana Terapia Humana

Figura 1: Modalidades básicas en las que se fundamentan los protocolos de Transferenciay Terapia Génica

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Si bien la terapia génica surgió comouna herramienta principalmente dirigida ala curación de enfermedades metabólicashereditarias, una gran parte de los proto-colos de terapia génica actualmente enmarcha tienen por objeto el tratamiento deenfermedades adquiridas, y muy particu-larmente el cáncer. En esencia, el procesode transferencia génica puede realizarsetanto in vivo (inoculando el vector detransferencia en el paciente), como invitro. En este caso, la transferencia génicase realiza sobre células extraídas delpaciente; las cuales, una vez modificadasgenéticamente, serán reinoculadas en elmismo. En general, los vectores de trans-ferencia actuales presentan una eficaciade transducción notablemente superiorcuando Éstos se inoculan in vitro sobre lascélulas diana a transducir, en relación acuando estos se utilizan in vivo. Por ello,una gran parte de los protocolos actualesde Terapia Génica tienen su fundamentoen la obtención, transducción y reinfusiónde las células del paciente. A pesar de ello,los vectores adenovirales, y en menormedida los retrovirales, se han comenza-do a utilizar in vivo en protocolos de tera-pia génica antitumoral, mediante inocula-ciones directas en la masa tumoral.

2. Terapia génica de enfermedadesmonogénicas

Inicialmente, el tratamiento genéticode las enfermedades hereditarias se estácentrando en la terapia de patologíasmonogénicas recesivas, en las cuales laexpresión de una copia funcional delcorrespondiente transgén pueda ser sufi-ciente para la curación de la enfermedad.Así, en algunas patologías en las que noes eficaz la administración exógena de laproteína deficitaria, se han planteado

alternativas de terapia génica sobre estospacientes.

Entre las inmunodeficiencias conside-radas para su tratamiento genético son dedestacar las inmunodeficiencias severascombinadas asociadas a mutaciones enlos genes de la Adenosina Deaminasa(ADA) y la inmunodeficiencia SCID-X1.La ausencia de la ADA implica una acu-mulación del sustrato desoxiadenosina tri-fosfato en las células, resultando particu-larmente tóxico para los linfocitos T. Éstafue una de las primeras patologías en sertratadas mediante protocolos de terapiagénica con vectores retrovirales, primeroen el NIH de Estados Unidos (1), y luegoen el Hospital S. Raffaelle de Milán (2).Las dos alternativas que se han considera-do para el tratamiento genético de estaenfermedad estuvieron basadas en latransferencia del gen ADA en las célulasT de pacientes y también en células madrehematopoyéticas (CMHs). En todos loscasos se comprobó la presencia de célulastransducidas en los pacientes y evidenciasde mejora en su inmunocompetencia.Recientemente se ha observado quepacientes con deficiencia de ADA quefueron acondicionados con protocolospoco agresivos y trasplantados con célu-las de médula ósea corregida genética-mente han podido hacerse independientesde la administración exógena del ADAexógeno y recuperado su función inmune(3).

La inmunodeficiencia SCID-X1representa aproximadamente la mitad detodas las inmunodeficiencias severas yestá asociada a un defecto en la cadena gc,un péptido que forma parte de numerososreceptores de interleuquinas. La terapiagénica de estos pacientes se ha realizado

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mediante la transferencia de la versiónfuncional del transgén a CMHs, utilizan-do para ello técnicas optimizadas detransferencia retroviral (Figura 2). LasCMHs se han trasplantado a once pacien-tes no acondicionados, habiéndose obser-vado una evidente mejoría clínica de lospacientes que les permitió abandonar lasunidades de aislamiento a las pocas sema-nas del tratamiento (4).

Se considera que este protocolo, des-arrollado en Francia por el grupo de A.Fischer, es el primer protocolo de terapiagénica de una enfermedad metabólica queha demostrado una eficacia terapéuticaincuestionable. Desgraciadamente, dos delos once pacientes actualmente tratadoshan desarrollado una leucemia linfocíticacomo consecuencia de la activación deloncogén LMO2 en las células que habíanincorporado el gen terapéutico (5). Estaobservación supone, por tanto, también elprimer efecto patogénico asociado a unainserción retroviral en un paciente, y ponede manifiesto la necesidad de estudiar elriego asociado a la práctica de la terapiagénica insercional.

La Granulomatosis crónica constituyeotra inmunodeficiencia que ha recibidoatención particular para su tratamientogenético. Esta enfermedad se caracterizapor un fallo por parte de las células fago-

cíticas para generar el anión superóxido,por lo que se manifiesta mediante un sín-drome recurrente de infecciones y forma-ción de granulomas. El defecto en cual-quiera de los genes del complejo de enzi-mático de la NADPH oxidasa puede serresponsable de este síndrome. Sin embar-go, dos tercios de los pacientes conGranulomatosis crónica son consecuenciade mutaciones en el gen ligado al cromo-soma X gp22phox. Estudios experimenta-les sugieren que la corrección genética deaproximadamente un 5% de los granulo-citos circulantes será suficiente parareportar un beneficio terapéutico. Losestudios clínicos en fase I actualmentereportados se han basado en el trasplantede células CD34+ transducidas sobrepacientes no acondicionados. El númerode células corregidas después del tras-plante fue muy inferior al necesario paraconferir beneficio clínico, por lo que en laactualidad se considera que en estospacientes será necesario recurrir a algúntipo de acondicionamiento al menos sub-mieloablativo.

También se encuentran en fase de des-arrollo clínico otros protocolos de terapiagénica para otras inmunodeficiencias,tales como la inmunodeficiencia JAK-3,la deficiencia de adhesión leucocitariaLAD-1, asociada a un defecto de la subu-nidad común β2 de las integrinas, el sín-drome de Wiscott-Aldrich, la agamaglo-bulinemia ligada al cromosoma X, amutaciones en ZAP-70, etc. Sin embargo,la descripción de estos protocolos se salefuera del objeto de esta breve revisión.

La Enfermedad de Gaucher está aso-ciada a una deficiencia en glucocerebrosi-dasa (GC), por lo que se presentan impor-tantes acumulaciones de glucocerebrósido

Figura 2: Protocolo de Terapia génica depacientes con inmunodeficiencia SCID-X1

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en macrófagos y en células derivadas delos mismos, produciéndose patologías dela médula ósea, hígado, bazo y cerebro.Para que la terapia Génica de esta patolo-gía sea eficaz se requerirá, por tanto, quelas células corregidas alcancen órganoshematopoyéticos y no hematopoyéticos.En particular, para el tratamiento de lapatología que afecta a la microgía del sis-tema nervioso central requerirá será nece-sario que las células modificadas genéti-camente migren al SNC y confieran allí elefecto necesario sobre la manifestaciónneurológica. Hasta el momento se hanrealizado pocos estudios piloto, aunquelos mismos se encuentran todavía en fasestempranas de estudio clínico. En amboscasos se transdujeron células CD34+ demédula ósea, que se implantaron enpacientes no acondicionados. También eneste caso un número reducido de leucoci-tos circulantes mostró la incorporacióndel transgén después del trasplante; sinembargo en algún caso se observó unaactividad enzimática elevada, y aparentebeneficio terapéutico. Otras enfermeda-des de acumulación de sustratos, talescomo la mucopolisacaridosis de tipo II(síndrome de Hunter) han recibido aten-ción para su tratamiento genético, aunquesu desarrollo no se encuentra tan avanza-do como en el caso de la enfermedad deGaucher.

Tanto la Hemofía A, producida comoconsecuencia de un defecto en la produc-ción del Factor VIII de coagulación,como la Hemofília B, asociada al defectoen el Factor IX, han sido consideradaspara su tratamiento por terapia génica. Unestudio clínico reciente ha mostrado lasprimeras evidencias de eficacia clínicaasociada al tratamiento con vectores AAVque codifican el factor IX. En este estu-

dio, los vectores AAV se inocularon en elmúsculo de pacientes de Hemofília B,obteniéndose resultados que sugieren quela Hemofília B podría transformarse enuna enfermedad más leve mediante laproximación genética propuesta.

La talasemia-β y la anemia falciformeconstituyen las dos patologías de estegrupo más estudiadas para su tratamientomediante terapia génica. Constituyen lasdos enfermedades monogénicas más fre-cuentes, y su patología molecular ha sidoampliamente investigada. El remplaza-miento de la globina-β, defectiva o ausen-te en pacientes con talasemia β puede sercurativa. Los altos niveles de expresióndel gen que codifica la globina-γ normalen las células eritroides de pacientes conanemia falciforme, se confía que seabeneficiosa, debido al ensamblaje prefe-rente de los tetrámeros α y γ, y la relativa

inestabilidad de las cadenas βs. La terapiagénica de esta enfermedad requerirá, sinembargo, muy altos niveles de expresióndel transgén, lo cual supone una tareatodavía pendiente.

La Anemia de Fanconi (AF) es unaenfermedad autosómica recesiva pocofrecuente entre la población, pero de muymal pronóstico. Los pacientes suelen des-arrollar anomalías congénitas múltiples(en un 65% de los casos), fallo de médulaósea y predisposición a cáncer. En prome-dio, la manifestación de la aplasia seobserva alrededor de los 8 años de edad,siendo la supervivencia media de estospacientes de 16 años. Una de las caracte-rísticas de esta enfermedad que la hacenparticularmente apropiada para su trata-miento por terapia génica radica en laventaja selectiva que parecen tener lascélulas corregidas, respecto a las células

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defectivas en los genes de Fanconi. La AFes consecuencia de mutaciones o delecio-nes en cualquiera de los once genes queen la actualidad se sabe están implicadosen una función celular relacionada con laestabilidad del genoma de estas células.En modelos de ratones deficientes para elgen FANCA, en nuestro laboratoriohemos conseguido revertir el fenotipo delas células hematopoyéticas (6).

3. Terapia Génica del Cáncer

El principal problema al que seenfrenta la terapia génica del cáncer esque, en sus formas más habituales, no setrata de una enfermedad monogénica yque las células cancerosas presentan ungran número de anomalías genéticas ycromosómicas.

En base a esta premisa general, ha sidonecesario avanzar en el conocimientomolecular y fisiológico del enemigo abatir, antes de contar con herramientassuficientemente eficaces para afrontar elreto que supone conceptualmente.Actualmente, y contando con que en cadatipo de tumor humano los circuitos impli-cados principales pueden ser distintos,conocemos varios principios de la fisiolo-gía tumoral sobre los que poder incidircon garantías razonables de éxito. Lasprincipales vías afectadas (en solitario oen combinación) en los tumores humanosson las siguientes:

1) Bloqueo de los programas de muer-te celular programada.

2) Insensibilidad a señales antiprolife-rativas.

3) Generación de circuitos de supervi-

vencia alternativos.

4) Proliferación descontrolada.

5) Invasivididad y metástasis.

6) Inducción de angiogénesis asociadaal desarrollo de tumores sólidos.

Este desarrollo ha llevado a un cambioconceptual del “tumor”, asumiéndoseactualmente que se trata de un nuevo“tejido”, con necesidades fisiológicasespecíficas. Frente a la visión “reduccio-nista” del tumor, asumiendo que es unconjunto de células, relacionadas clonal-mente, pero heterogéneas por su inestabi-lidad génica intrínseca, la nueva visiónemergente entiende el tumor como un“neotejido” en constante evolución, conunas necesidades cambiantes, tanto en tér-minos metabólicos como protectores. Eltumor genera señales y sustancias que“manipulan” su entorno fisiológico en supropio beneficio; se está jugando su pro-pia supervivencia. Los tumores primarioscrecen autónomamente hasta que susnecesidades nutricionales les obliga areclutar más recursos. Este es un momen-to crítico en el que el tumor se estructuraatrayendo células de soporte, promuevela neovascularización de su entorno(angiogénesis) y atrae células inmunescirculantes y las estimula para que secre-ten metaloproteasas para favorecer suexpansión y extravasación.

En la actualidad, la mayoría de losprocedimientos de terapia génica contra elcáncer han resultado menos eficacescuando se comparan con protocolos deterapia génica de enfermedades monogé-nicas. En términos generales, si el princi-pal proceso afectado es la eliminación de

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los mecanismos de control negativo de laproliferación, se intentan introducir ver-siones correctas de estos genes (p.e. losgenes p53 o p16). Si el defecto consiste enla resistencia a los mecanismos naturalesde inducción de muerte celular programa-da, se intentan expresar genes que la pue-den promover o hacerla más efectiva (cas-pasas, FasL, etc). Un buen ejemplo es eltratamiento de gliomas mediante la expre-sión de caspasa-8 con vectores adenovira-les (7). Si el tumor es muy dependiente dela inducción de neovascularización o esmuy propenso a metastatizar, se introdu-cen genes que puedan bloquear o dismi-nuir dichos procesos (VEGF-R, análogosde angiostatina, moduladores de integrinaso metaloproteasas, etc; (8).

Los procedimientos empleados pararealizar la transferencia génica son muyvariados y dependen fundamentalmente dela biología y fisiología del tumor, pero estaetapa es crítica para el resultado final deltratamiento. Se emplean vectores virales(adenovirus, adeno-asociados, virus her-pes, retrovirus, y vectores derivados delentivirus), vectores no-virales (liposomas,dendrímeros, péptidos, bombardeo conmicropartículas de oro que transportan lasconstrucciones génicas, etc), y el procedi-miento puede ser in vivo o ex vivo.

Una rama especialmente desarrolladaen la terapia génica del cáncer se basa enla introducción de genes pro-citotóxicosen las células tumorales (fundamental-mente la timidina kinasa del virus herpes-HSV-TK-, y la proteína citidin-deaminasa-CDA-) lo que las susceptibiliza a distin-tos compuestos (el más empleado es elganciclovir, GCV) de forma diferencialcon respecto a las células sanas. La admi-nistración de estas sustancias al modelo

animal o al paciente, elimina las célulastumorales transducidas y aquellas que seencuentran en sus cercanías por un fenó-meno conocido como “bystander” queesta mediado por la transferencia de ladroga metabolizada a las células circun-dantes.

Dos son los modelos tumorales quemás atención han recabado de las expecta-tivas de la terapia génica contra el cáncer,y lógicamente, son los tumores que peorpronóstico presentan con los tratamientosclínicos actuales: glioma maligno y mela-noma avanzados. El tratamiento de glio-mas ha sido evaluado por numerosos auto-res, obteniendo resultados variables.Sandmair y col, han comparado la eficien-cia del tratamiento, bien utilizando vecto-res retrovirales, bien con adenovirus. Susresultados demuestran claramente que losefectos secundarios del tratamiento sonaceptables, y que los pacientes tratadoscon vectores adenovirales han mostradouna duplicación del tiempo de superviven-cia, en comparación con los pacientes tra-tados con vectores retrovirales, y el grupocontrol (9).

Este tipo de estrategia es bastante efec-tiva, aunque todavía presenta algunosinconvenientes como los derivados de: 1)aparición de células tumorales resistentesal tratamiento, 2) eficiencia del proceso detransferencia y 3) generación de inmuno-genicidad por la expresión de la proteínaviral (TK).

De forma adicional existe una ramacasi exclusiva de la terapia génica del cán-cer que pretende mejorar la respuestainmune del organismo frente a los tumores(inmunoterapia bioquímica y/o celular).En esta aproximación se utilizan también

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distintas aproximaciones que se puedenresumir en las siguientes:

Aislamiento, amplificación ex vivo,modificación génica (en algunos casos) yretrasplante en el paciente de linfocitosautólogos del paciente (TILs, LAKs,ALTs) que presentan afinidad por eltumor.

Inmunización con DNA de oncogenestumor-específicos (p.e – neu en el caso decáncer de mama-).

Generación de vacunas autólogas, uti-lizando células tumorales inactivadas, pri-mando células dendríticas, o potenciandola inmunogenicidad de las células tumora-les mediante la introducción de genes quefavorecen el proceso (HGFs, ILs, molécu-las accesorias, etc). Esta es una de lasaproximaciones más evaluadas, con dis-tintas filosofías. Miller y col ha demostra-do que la administración intratumoral decélulas dendríticas modificadas con ade-novirus que expresan IL-7, aumenta larespuesta inmune antitumoral (cáncer depulmón) hasta conseguir su erradicación(10). El tratamiento del melanoma tam-bién se ha intentado mediante técnicas devacunación.

Cualquiera de estas aproximacionespresenta la gran ventaja respecto a los tra-tamientos más convencionales de que, almenos teóricamente, sería capaz de alcan-zar los reservorios residuales del tumor(santuarios) que no son eliminables porlas terapias convencionales (cirugía, qui-mio y radioterapia), por lo que los trata-mientos más prometedores podrían serutilizados en combinación con los queactualmente se utilizan en clínica.

Finalmente se han introducidos nue-vos vectores virales citotóxicos con unaparticularidad esencial: se replican yamplifican preferentemente en las célulastumorales. Actualmente existen variosmodelos preliminares (11) que necesita-rán una posterior etapa de refinamiento yde bioseguridad, pero que resultan muyatractivos.

4. Seguridad en la terapia génica

Aunque la terapia génica ha evolucio-nado como alternativa terapéutica parauna serie de enfermedades hereditarias,también se han demostrado durante estosúltimos años los riesgos asociados al usode vectores retrovirales integrativos. Enmodelos experimentales, el grupo del DrBaum describió la generación de una leu-cemia mieloide como resultado de latransducción retroviral de las células de lamédula ósea de ratón que fueron someti-das a dos transplantes seriados en recepto-res irradiados. Aunque los receptores deltrasplante primario no mostraron efectospatológicos, todos los receptores secunda-rios desarrollaron una neoplasia hemato-lógica. El desarrollo de la enfermedad seasoció a la mutagénesis insercional indu-cida por la transducción retroviral, dadoque el provirus se insertó cerca del genEvi1 (Ecotropic Viral Integration Site-1,Sitio de Integración Viral Ecotrópica-1),alterando la regulación de su expresión.

En el ensayo clínico para el tratamien-to de la inmunodeficiencia severa congé-nita ligada al cromosoma X (SCID-X1) sehan observado dos leucemias linfocíticasen 2 de 11 pacientes sujetos al protocolode la terapia génica, ambos asociados coneventos de mutagénesis insercional.Sorprendentemente, en ambos pacientes,

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el vector se insertó cerca del mismo gen,el gen LMO2, cuya desregulación habíasido anteriormente asociada a la leucemiade las células T. La observación de que elmismo oncogén está involucrado en estasdos leucemias sugiere la existencia de unmecanismo colaborador entre el productodel gen LMO2 y el gen terapéutico ?c. Laobservación de que sólo se produjo unefecto leucemogénico en el protocoloSCID-X1 como resultado de la insercióndel provirus apoya el efecto colaboradorentre los productos de los genes ?c y

LMO2. A este respecto, merece la penamencionar que todos los pacientes conADA tratados mediante terapia génica(desde hace 12 años) están, hasta la fechasanos. Asimismo, tampoco en el ensayoclínico desarrollado para el control de laenfermedad injerto contra huésped, latransducción de los linfocitos periféricoscon vectores retrovirales ha producidoningún efecto secundario grave en lospacientes. Independientemente del meca-nismo responsable de la leucemogénesisde los pacientes SCID-X1, se requierennuevas mejoras de los vectores integrati-vos actuales. Hasta que la sustitución delgen mediante recombinación homóloga sevuelva clínicamente eficaz, se deberíandesarrollar vectores incluyendo elementosde seguridad.

Por último, de acuerdo con la evolu-ción de las estrategias de terapia génica dela hematopoyesis, queda claro que senecesitan nuevos análisis preclínicos queno sólo demuestren eficacia, sino tambiénseguridad. Como ocurrió con otras opcio-nes terapéuticas como la radioterapia o laquimioterapia, también se han demostra-do efectos adversos en la terapia génica deenfermedades hereditarias. Tal como haocurrido con otras modalidades terapéuti-

cas, confiamos que el balance entre losriesgos y los beneficios asociados a laterapia génica será muy positivo para losenfermos.

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