Virusi su pogodni kao vektori jer su tijekom milijardi godina evolucije stekli i usavršavali aparat pomoću kojeg se mogu ubaciti u živu stanicu, integrirati svoj genetski materijal u genom stanice, te navesti molekularni aparat stanice da prepisuje njihove gene. Znanstvenici su to iskoristili na način da iz genoma virusa isijeku gene koji čine virus opasnim za bolesnika, te u genom virusa uklope genetski materijal koji žele dostaviti u stanicu.
Najčešće su upotrebljavani virusni vektori temeljeni na adenovirusima, retrovirusima, lentivirusima, adeno-pridruženim virusima ili herpes-simplex virusima.
- Retrovirusi: Većina se protokola za genski transfer koristi retrovirusnim vektorima. Za primjenu u onkologiji, sposobnost retrovirusa da se integrira u stanice koje se dijele, pokazuje se kao prednost. Pokušaji prijenosa ex vivo pokazali su se vrlo uspješnima. Ipak, postoji i nekoliko nedostataka. Retrovirusi imaju mali genski kapacitet od svega osam kilobaza. Serumski komplement ih može inaktivirati. Trenutno postignuti titar je nizak u usporedbi s onim kojeg bi trebalo postići u liječenju velikih tumora. Pacijent može primiti ograničnu količnu retrovirusa.
- Adenovirusi: Ograničenja pri radu s retrovirusima nametnula su potrebu nalaženja drugih vektora koji bi se s više uspjeha rabili u genskoj terapiji. Pozornost je usmjerena na adenoviruse, kad se otkrilo da posjeduju dvostruku DNA te je moguća djelotvornija transdukcija u različite vrste stanica bez obzira na mitotski stadij stanice. Ti se vektori mogu proizvesti i u većem titru od retrovirusa. Istraživanja su pokazala da se s minimalnom količinom virusa može postići dostatan stupanj ekspresije u većini tkiva, osim u hematopoetskim stanicama. Primjena adenovirusnih vektora najprije je provjerena u liječenju netumorskih poremećaja, kao što je cistična fibroza, ali se radi i na primjeni u liječenju raka. Istražuje se, na primjer, mogućnost njihove uporabe pri ugradbi gena za HSV-TK u bolesnika s tumorima mozga i jetre, te tumor-supresijskog gena p53 u bolesnika s tumorima pluća, glave i vrata. Premda su adenovirusi pokazali dobra svojstva za korištenje u genskoj terapiji, ni oni nisu bez nedostataka. Nazočnost nepromijenjenih virusnih gena u rekombiniranom virusu može izazvati imunološki odgovor na te antigene, a time i protiv stanice koja ga nosi. Dosad je istražen velik broj virusa s jednistvenim svojstvima korisnima za primjenu u genskoj terapiji. Neki od njih su Herpes simplex virus, Avipox virus, Vaccinia virus i Baculovirus.
Najvažnije svojstvo po kojem razlikujemo virusne vektore je efikasnost unošenja gena u stanični genom, te duljina i stabilnost izražavanja tog gena. Različiti virusni vektori međusobno se razlikuju i prema veličini "tereta" koji mogu unijeti u stanicu, tj. duljini DNA koju pomoću njih možemo ubaciti u stanični genom. Također se razlikuju i po tome da li zaražavaju stanice u diobi, one koje miruju ili obje kategorije. Neki virusni vektori posjeduju i određenu tkivnu specifičnost, kao npr. HSV(herpes simplex virus) kojeg se koristi za ubacivanje gena u živčane stanice.
Međutim ovakav pristup nije bez opasnosti, jer imunološki sustav bolesnika može reagirati na unošenje virusa, te virus potpuno eliminirati, ponekad uz potencijalno smrtonosnu imunološku reakciju. Također postoji bojazan, za sada nepotvrđena, da bi virusni genom uklapanjem u genom stanice domaćina mogao poremetiti regulaciju njenog rasta i množenja, te dovesti do maligne promjene.
