Molekulyarnaya Meditsina (Molecular medicine)Molekulyarnaya Meditsina (Molecular medicine)Молекулярная медицина1728-29182499-9490Russkiy Vrach Publishing House67728710.29296/24999490-2024-06-04ReviewsОбзорыReview ArticleInnovative approaches to genome editing in the treatment of neurodegenerative diseasesИнновационные подходы к редактированию генома в лечении нейродегенеративных заболеванийhttps://orcid.org/0000-0002-1605-7859TereshchenkoSergey YuryevichТерещенкоСергей Юрьевич
Russian Federation

Head of the Clinical Department of Somatic and Mental Health of Children, Research Institute of Medical Problems of the North, Doctor of Medical Sciences, Professor

руководитель клинического отделения соматического и психического здоровья детей, обособленное подразделение – Научно-исследовательский институт медицинских проблем Севера, доктор медицинских наук, профессор

legise@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1133-4447PotupchikTatyana VitalievnaПотупчикТатьяна Витальевна
Russian Federation

Associate Professor, Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology with a postgraduate course, Candidate of Medical Sciences

доцент кафедры фармакологии и клинической фармакологии с курсом постдипломного образования, кандидат медицинских наук.

potupchik_tatyana@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0665-7428EvertLydia SemenovnaЭвертЛидия Семеновна
Russian Federation

Chief Researcher of the Clinical Department of Somatic and Mental Health of Children, a separate unit – Research Institute of Medical Problems of the North, Professor of the Department of General Professional Disciplines, Medical Institute. Doctor of Medical Sciences.

главный научный сотрудник клинического отделения соматического и психического здоровья детей, обособленное подразделение – Научно-исследовательский институт медицинских проблем Севера, профессор кафедры общепрофессиональных дисциплин, доктор медицинских наук

lidiya_evert@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-5183-4499KovalchukVladimir AlekseevichКовальчукВладимир Алексеевич
Russian Federation

6th year student

студент VI курса

ropegi47@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0008-3687-9404FilippovaMaria AndreevnaФилипповаМария Андреевна
Russian Federation

6th year student

студентка VI курса

mari.filippova.99@inbox.ruhttps://orcid.org/0009-0007-0652-2212MagalovaAysun RenatovnaМагаловаАйсун Ренатовна
Russian Federation

6th year student

студентка VI курса

amagalova2001@mail.ruFederal Research Center “Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Krasnoyarsk State Medical University named after Professor V.F. Voino-Yasenetsky” of the Ministry of Health of the Russian FederationФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный медицинский университет им. профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииKhakass State University named after N.F. Katanov of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, Medical InstituteХакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова Министерства науки и высшего образования РФ, Медицинский институтFederal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Yaroslavl State Medical University” of the Ministry of Health of the Russian FederationФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ярославский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education I.M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation (Sechenov University)Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет)1512202422629391703202517032025Copyright ©; 2024, Russkiy Vrach Publishing HouseCopyright ©; 2024, ИД "Русский врач"2024Russkiy Vrach Publishing HouseИД "Русский врач"https://journals.eco-vector.com/1728-2918/article/view/677287

The purpose of this review is to analyze current advances in the field of genome editing, their application for the modeling and treatment of neurodegenerative diseases, as well as to discuss current limitations and prospects for overcoming barriers in clinical practice.

Materials and methods. To achieve this goal, a systematic analysis of literature over the past nine years (2016–2024) was conducted in the databases CyberLeninka, eLibrary, PubMed, Cochrane Library, SAGE Premier, Springer and Wiley Journals.

The main provisions. Neurodegenerative diseases such as Alzheimer's, Parkinson's and Huntington's diseases remain a serious challenge for modern medicine, characterized by progressive loss of neurons and the lack of effective therapeutic methods capable of stopping or reversing the pathological process. In recent years, genome editing technologies, including CRISPR-Cas9, TALEN and ZFN, have opened up new horizons in the treatment of these diseases. However, their clinical application is associated with a number of limitations, including problems of delivering editing tools to cells of the central nervous system, the risk of non-target mutations, and ethical issues. In this regard, the improvement of genome editing methods is one of the key areas. Modern methods such as CRISPR-Cas9, basic and prime editing, as well as epigenomic and RNA editing, have demonstrated high potential for accurate correction of genetic defects and modification of pathogenetic processes. Improvements in delivery systems, including viral and non-viral methods, have made it possible to overcome barriers such as low permeability of the blood-brain barrier and increase the effectiveness of therapy.

Conclusion. In recent years, significant progress has been made in the development of methods aimed at improving the safety of genomic editing in the nervous system. Despite significant advances, genome editing technologies face a number of challenges, including the need to increase specificity, minimize non-targeted effects, improve editing in postmitotic neurons and develop long-term safety monitoring methods, as well as address ethical issues related to the clinical application of these technologies.

Цель данного обзора – проанализировать современные достижения в области редактирования генома, их применение для моделирования и лечения нейродегенеративных заболеваний, а также обсудить текущие ограничения и перспективы преодоления барьеров в клинической практике.

Материал и методы. Для достижения цели был проведен систематический анализ литературы за последние девять лет (2016–2024) в базах данных CyberLeninka, eLibrary, PubMed, Cochrane Library, SAGE Premier, Springer и Wiley Journals. Нейродегенеративные заболевания, такие как болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона, остаются серьезным вызовом для современной медицины, характеризуясь прогрессирующей утратой нейронов и отсутствием эффективных лечебных методов, способных остановить или обратить патологический процесс. В последние годы технологии редактирования генома, включая CRISPR-Cas9, TALEN и ZFN, открыли новые горизонты в терапии этих заболеваний. Однако их клиническое применение сопряжено с рядом ограничений, включая проблемы доставки инструментов редактирования в клетки центральной нервной системы, риск нецелевых мутаций и этические вопросы. В связи с чем, совершенствование методов редактирования генома является одним из ключевых направлений. Современные методы, такие как CRISPR-Cas9, базовое и прайм-редактирование, а также эпигеномное и РНК-редактирование, продемонстрировали высокий потенциал для точной коррекции генетических дефектов и модификации патогенетических процессов. Усовершенствование систем доставки, включая вирусные и невирусные методы, позволило преодолеть барьеры, такие как низкая проницаемость гематоэнцефалического барьера, и повысить эффективность терапии.

Заключение. За последние годы достигнут значительный прогресс в разработке методов, направленных на повышение безопасности геномного редактирования в нервной системе. Несмотря на значительные достижения, технологии редактирования генома сталкиваются с рядом вызовов, включая необходимость повышения специфичности, минимизацию нецелевых эффектов, улучшение редактирования в постмитотических нейронах и разработку долгосрочных методов мониторинга безопасности, а также решением этических вопросов, связанных с клиническим применением этих технологий.

neurodegenerative diseasesCRISPR-Cas9TALENZFNgenome editingpersonalized medicineclinical trialsнейродегенеративные заболеванияCRISPR-Cas9TALENZFNгеномное редактированиеперсонализированная медицинаклинические исследованияWorld Health Organization. Dementia. 2023. Available at: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/dementia [Accessed 3 December 2024].Медведев С.П., Маланханова Т.Б., Валетдинова К.Р., Закиян С.М. Создание и исследование клеточных моделей наследственных нейродегенеративных заболеваний с помощью направленного редактирования геномов. Нейрохимия. 2021; 38 (4): 313–9. DOI: 10.31857/S1027813321040075 [Medvedev S.P., Malanhanova T.B., Valetdinova K.R., Zakiyan S.M. Creation and research of cellular models of hereditary neurodegenerative diseases using directed genome editing. Neurochemistry. 2021; 38 (4): 313–9. DOI: 10.31857/S1027813321040075 (In Russian)].Мельникова Е.В., Меркулов В.А., Меркулова О.В. Генная терапия нейродегенеративных заболеваний: достижения, разработки, проблемы внедрения в клиническую практику. БИОпрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. 2023; 23 (2): 127–47. [Melnikova E.V., Merkulov V.A., Merkulova O.V. Gene therapy of neurodegenerative diseases: achievements, developments, problems of implementation in clinical practice. Biologics. Prevention, diagnosis, treatment. 2023; 23 (2): 127–47. (In Russian)].Ветчинова А.С., Федотова Е.Ю., Иллариошкин С.Н. Редактирование эпигенома при нейродегенеративных заболеваниях. Нейрохимия. 2021; 38 (4): 320–8. DOI: 10.31857/S1027813321040086 [Vetchinova A.S., Fedotova E.Yu., Illarioshkin S.N. Epigenome editing in neurodegenerative diseases. Neurochemistry. 2021; 38 (4): 320–8. DOI: 10.31857/S1027813321040086 (In Russian)].Колбин А.С., Гомон Ю.М. Перспективы применения системы CRISPR/Cas9 с позиции клинической фармакологии. Клиническая фармакология и терапия. 2024; 33 (2): 7–15. DOI: 10.32756/0869-5490-2024-2-7-15. [Kolbin A.S., Gomon Yu.M. Prospects for the use of the CRISPR/Cas9 system from the perspective of clinical pharmacology. Clinical pharmacology and therapy. 2024; 33 (2): 7–15. DOI: 10.32756/0869-5490-2024-2- 7-15. (In Russian)].Славянская Т.А., Сальникова С.В. Прецизионная медицина в онкологии: миф или реальность? Вестник российского государственного медицинского университета. 2019; 2: 5–15. DOI: 10.24075/brsmu.2019.018 [Slavyanskaya T.A., Salnikova S.V. Precision medicine in oncology: myth or reality? Bulletin of the Russian State Medical University. 2019; 2: 5–15. DOI: 10.24075/brsmu.2019.018 (In Russian)].Javed H., Tavi S.I.H., Ullah N., Ullah H., Murtaza G., Mushtaq G., Kamal M.A. CRISPR/Cas9 genome editing for neurodegenerative diseases. International Journal of Molecular Sciences. 2023; 24 (13): 10450. DOI: 10.3390/ijms241310450Kaya E., Yilmaz S., Yilmaz E., Ozdemir O., Kaya B., Kocak N., Yanik, T. Extracellular vesicle and CRISPR gene therapy: Current applications in Alzheimer's disease, Parkinson's disease, amyotrophic lateral sclerosis, and Huntington's disease. Journal of Cellular Physiology. 2024; 239 (9): 5859–74. DOI: 10.1002/jcp.31125Zhan T., Rindtorff N., Boutros M. Genome Editing Technology for the Study and Correction of Neurodegenerative Diseases. Trends in Molecular Medicine. 2021; 27 (10): 973–86. DOI: 10.1016/j.molmed.2021.07.008Peng R., Lin G., Li J. Potential pitfalls of CRISPR/Cas9-mediated genome editing. The FEBS J. 2016; 283 (7): 1218–31. DOI: 10.1111/febs.13586Gao X., Tao Y., Lamas V., Huang M., Yeh W.H., Pan B., Hu Y.J. et al. Treatment of autosomal dominant hearing loss by in vivo delivery of genome editing agents. Nature. 2018; 553 (7687): 217–21. DOI: 10.1038/nature25164Guo R., Wan Y., Xu D., Cui L., Deng M., Zhang G., Jia R. et al. Generation and application of mouse-rat allodiploid embryonic stem cells. Cell. 2021; 184 (11): 2082–99.e15. DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.015Gao Z., Herrera-Carrillo E., Berkhout B. Improving the activity of high-fidelity Cas9 variants. Molecular Therapy - Nucleic Acids. 2022; 27: 27–36. DOI: 10.1016/j.omtn.2021.11.003Dabrowska M., Juzwa W., Krzyzosiak W.J., Olejniczak M. Precise excision of the CAG tract from the huntingtin gene by Cas9 nickases. Frontiers in Neuroscience. 2018; 12: 75. DOI: 10.3389/fnins.2018.00075Cappella M., Elouej S., Biferi M.G. Therapy development for spinal muscular atrophy: perspectives for muscular dystrophies and neurodegenerative disorders. Journal of Clinical Medicine. 2022; 11 (2): 176. DOI: 10.3390/jcm11020176Bhujbal S.P., Hah J.M. An Innovative Approach to Address Neurodegenerative Diseases through Kinase-Targeted Therapies: Potential for Designing Covalent Inhibitors. Pharmaceuticals (Basel). 2023; 16 (9): 1295. DOI: 10.3390/ph16091295.Nojadeh J.N., Eryilmaz N.S.B., Ergüder B.I. CRISPR/Cas9 genome editing for neurodegenerative diseases. EXCLI J. 2023; 22: 567–82. DOI: 10.17179/excli2023-6155.Fischell J.M., Fishman P.S. A Multifaceted Approach to Optimizing AAV Delivery to the Brain for the Treatment of Neurodegenerative Diseases. Front Neurosci. 2021; 15: 747726. DOI: 10.3389/fnins.2021.747726.Michelson N.J., Kadam S.D., Comi A.M., Thakor N.V. Microbubble drug conjugate and focused ultrasound blood brain barrier delivery of AAV-2 SIRT-3. J. of Controlled Release. 2022; 344: 11–22. DOI: 10.1016/j.jconrel.2022.02.031Xu Y., Jiang Y., Zhang Y., Zhu X., Gao Y., Shi J. Shi, K. et al. Anchoring Microbubbles on Cerebrovascular Endothelium as a New Strategy Enabling Low-Energy Ultrasound-Assisted Delivery of Varisized Agents Across Blood-Brain Barrier. Advanced Science. 2023; 10 (31): 2303014. DOI: 10.1002/advs.202303014Pant A., Sharma A., Gupta S., Mishra S., Sharma A., Sharma S., Sharma R.K. et al. Recent Advances in Genome-Editing Technology with CRISPR/Cas9 Variants and Stimuli-Responsive Targeting Approaches within Tumor Cells: A Future Perspective of Cancer Management. Pharmaceutics. 2023; 15 (4): 1087. DOI: 10.3390/pharmaceutics15041087Suh S., Choi E.H., Raguram A., Liu D.R., Palczewski K. Precision genome editing in the eye. Proc Natl Acad Sci USA. 2022; 119 (39): e2210104119. DOI: 10.1073/pnas.2210104119.Singh K., Bhushan B., Kumar S., Singh S., Macadangdang R.R., Pandey E., Varma A.K. et al. Precision Genome Editing Techniques in Gene Therapy: Current State and Future Prospects. Curr Gene Ther. 2024; 24 (5): 377–94. DOI: 10.2174/0115665232279528240115075352.Vakulskas C.A., Dever D.P., Rettig G.R., Turk R., Jacobi A.M., Collingwood M.A., Bode N.M. et al. A high-fidelity Cas9 mutant delivered as a ribonucleoprotein complex enables efficient gene editing in human hematopoietic stem and progenitor cells. Nature Medicine. 2018; 24 (8): 1216–24. DOI: 10.1038/s41591-018-0137-0Gao W., Xu J., Xu X., Jin S., Yu H., Wei Y. ComPE: A novel computational method to discover high-fidelity Cas9 variants with improved specificity. Briefings in Bioinformatics. 2022; 23 (5): bbac372. DOI: 10.1093/bib/bbac372Anzalone A.V., Koblan L.W., Liu D.R. CRISPR-Cas9 DNA Base-Editing and Prime-Editing. The CRISPR J. 2020; 3 (5): 315–29. DOI: 10.1089/crispr.2020.0053Banan M. Recent advances in CRISPR/Cas9-mediated knock-ins in mammalian cells. Journal of Biotechnology. 2020; 308: 1–9. DOI: 10.1016/j.jbiotec.2019.11.010Zhu Y., Li C., Sun B., Gao T., Li X. Advances in utilizing the endogenous CRISPR-Cas system for genome editing of lactic acid bacteria. Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao. 2022; 38 (7): 2322–34. DOI: 10.13345/j.cjb.210458Kim M., Hwang Y., Lim S., Jang H.-K., Kim H.-O. Advances in Nanoparticles as Non-Viral Vectors for Efficient Delivery of CRISPR/Cas9. Pharmaceutics. 2024; 16 (9): 1197. DOI: 10.3390/pharmaceutics16091197.Xie R., Wang Y., Burger J.C., Li D., Zhu M., Gong S. Non-viral approaches for gene therapy and therapeutic genome editing across the blood–brain barrier. Med X. 2023; 1 (1): 6. DOI: 10.1007/s44258-023-00004-0.DeWeirdt P.C., Sanson K.R., Sangree A.K., Hegde M., Hanna R.E., Feeley M.N. , Griffith A.L. et al. Optimization of AsCas12a for combinatorial genetic screens in human cells. Nat Biotechnol. 2021; 39 (1): 94–104. DOI: 10.1038/s41587-020-0600-6.