De nieuwe hoop van gentherapie: een op neuronen gericht virus is het redden van kinderen

Niets bijzonders springt eruit bij het ontmoeten van Evelyn, een bruisende bijna-3-jarige met rode krullen, behalve dat ze hier niet zou zijn, en kletste met een bezoeker in de woonkamer van haar familie, draaiend in haar panty naar het lied van Pharrell Williams "Happy .”

Evelyn's oudere zus Josephine had spinale musculaire atrofie type 1 (SMA1), een genetische ziekte die baby's geleidelijk verlamt. Ze stierf na 15 maanden. Evelyn was een onverwachte zwangerschap, maar haar ouders besloten de baby te krijgen, ondanks de kans van een tweede tragedie op één-op-vier.

Kort nadat Evelyn in december 2014 was geboren, waren ze verwoest om te leren van genetische tests dat zij ook SMA1 had. "We wisten waar we mee te maken hadden: we zullen haar zo lang mogelijk liefhebben", zegt haar vader, Milan Villarreal. Maar diezelfde avond, terwijl ze verwoed op het internet rondsnuffelden, leerden ze over een klinische proef in Ohio en stuurden ze een e-mail. Op 8 weken oud ontving Evelyn een gentherapiebehandeling die haar lichaam een ​​cruciaal ontbrekend eiwit gaf.

En nu is ze hier, niet zo anders dan elke gezonde peuter. Hoewel ze zwakke dijen heeft en niet normaal kan rennen of springen, kan ze snel lopen, dansen, letters traceren, schuimblokken gooien, een kleine stoel dragen en op de schoot van haar moeder Elena klimmen. Na het liefdesverdriet van het verlies van hun eerste baby, hebben de Villarreals met verbazing toegekeken terwijl Evelyn heeft gekropen, gelopen en gepraat. "Het was gewoon een wonder. Elke mijlpaal was als een feest. We openden een fles wijn voor elk klein dingetje dat ze deed, "zegt Milan.

MIKE SHANAHAN

De resultaten van de proef waaraan Evelyn deelnam, hebben onderzoekers van gentherapie ook weggeblazen en markeerden een van de meest dramatische successen ooit van het meest verontrustende veld. Alle 15 baby's die voor SMA1 worden behandeld en waarvan verwacht wordt dat ze op de leeftijd van 2 sterven, leven op 20 maanden of ouder en de meesten kunnen rechtop zitten, volgens een rapport deze week in The New England Journal of Medicine (NEJM). Net als Evelyn loopt een jongen. Hoewel een recentelijk goedgekeurd geneesmiddel voor SMA1 vergelijkbare effecten heeft bereikt, moet het elke 4 maanden in de wervelkolom worden geïnjecteerd. De gentherapie is bedoeld als een eenmalige behandeling en wordt eenvoudigweg in een ader ingebracht. "Ik heb nog nooit een effect [van gentherapie] gezien dat goed is in een dodelijke ziekte", zegt neuroloog Jerry Mendell van het Nationwide Children's Hospital in Columbus, die de recente proef leidde.

Het nieuws draagt ​​bij aan het stijgende vermogen van gentherapie. Een behandeling voor een genetische vorm van blindheid, vorige maand gesteund door een adviespanel van de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA), ligt op schema om de eerste gentherapie in de Verenigde Staten te zijn die is goedgekeurd voor een erfelijke ziekte. Vorige maand meldde een team in NEJM dat het geven van een transplantatie van hun eigen genetisch gemodificeerde stamcellen een verwoestende hersenziekte kon stoppen. Een gentherapie op de Europese markt genas kinderen met een levensbedreigende immuunziekte en anderen in ontwikkeling hielpen hemofiliepatiënten bloedstollende geneesmiddelen af ​​te voeren.

Maar het SMA1-onderzoek breekt terrein omdat het de kracht van een nieuwe vector aantoont, een virus met een therapeutisch gen dat, ingebracht in een ader, zijn lading naar het centrale zenuwstelsel kan transporteren, over de zogenaamde bloed-hersenbarrière. In het verleden hadden pogingen om neurologische ziekten te behandelen met gentherapie vaak glansloze resultaten en het afleveren van de vector vereiste soms gaten in de schedel van een patiënt. Nu hebben wetenschappers een onbetwist succes met het leveren van gentherapie in het centrale zenuwstelsel. De resultaten verminderen ook de angst dat overstromingen in de bloedbaan met virussen kunnen leiden tot een nieuwe tragedie zoals de dood van een tiener in een proef met gentherapie, 18 jaar geleden, waardoor het veld in de war raakte.

De schijnbare veiligheid en het succes van de nieuwe behandeling zetten andere onderzoekers aan tot het gebruik van gentherapie die in een ader of ruggenwervel wordt toegediend om zeldzame neurologische en spierziekten bij kinderen te behandelen, en zelfs veel voorkomende stoornissen bij volwassenen, zoals de ziekte van Parkinson. "Het opent een heel nieuw concept voor een veld dat zeer voorzichtig is geweest", zegt Federico Mingozzi, die onlangs de Franse non-profit Généthon verliet om wetenschappelijk leider te worden van het gentherapiebedrijf Spark Therapeutics in Philadelphia, Pennsylvania.

"Mensen zullen terugkijken en zien dit als een mijlpaal in een nieuw type medicijn dat brede implicaties zal hebben voor heel veel ziekten," voegt gentherapie-onderzoeker Steven Gray van de Universiteit van North Carolina (UNC) in Chapel toe. Heuvel.

Aanvankelijk leken dieren die de patiënten waren, het behandelen van neurologische aandoeningen met gentherapie gemakkelijk. In de jaren negentig injecteerden onderzoekers de hersenen van pasgeboren muizen die waren gemanipuleerd om bepaalde stofwisselingsstoornissen te hebben met virale vectoren met een ontbrekend gen. Het resultaat was "schokkend, het was zo goed", herinnert Mark Sands van Washington University School of Medicine in St. Louis in Missouri zich. Maar het brein van een muis is klein, voegt hij eraan toe. "De uitdaging was hoe je opschaalt van een muizenbrein dat een halve gram weegt naar de hersenen van een kind dat 1000 gram weegt. Dat is een 2000-voudig verschil in schaal. Hoe maak je dat werk? "

Het bleek dat onderzoekers dat niet konden. In 1996 injecteerde een team vetdeeltjes met een gen dat geneest in de schedels van twee kinderen met een hersenaandoening die de ziekte van Canavan wordt genoemd. Het onderzoek was controversieel en het hielp de patiënten niet. Sommige van dezelfde onderzoekers behandelden later nog 13 Canavan-patiënten door zes gaten in hun schedels te boren en een vector te injecteren die was gevormd van een schijnbaar onschuldig virus dat bekend staat als een adeno-geassocieerd virus (AAV); een vergelijkbare AAV-studie vond plaats voor een andere ernstige genetische hersenstoornis in de kindertijd, de ziekte van Batten.

Noch de behandeling deed echter veel om de ziekte te vertragen. Onderzoekers in een proef met Taiwanese kinderen die ernstig gehandicapt waren door een tekort aan twee hersenchemicaliën, rapporteerden aanzienlijke voordelen. Maar de resultaten voor andere ziekten waren dubbelzinnig. Aapstudies hebben gesuggereerd dat de AAV-vector niet ver van de injectieplaatsen diffundeerde, dus niet genoeg hersencellen ontvingen waarschijnlijk het nieuwe gen. "Het waren op veel manieren heldhaftige inspanningen, maar de technologie was niet ideaal", zegt Gray.

Een geheel andere aanpak leverde de enige solide successen op bij neurologische aandoeningen. Onderzoekers namen bloedstamcellen van patiënten, gebruikten gemodificeerd HIV om een ​​nieuw gen te naaien en brachten de cellen terug in de patiënten. Sommige cellen migreerden vervolgens naar de hersenen en vormden neuron-ondersteunende cellen, glia genaamd, die een nodig eiwit produceerden. In 15 jongens, volgens een studie die vorige maand in NEJM werd gepubliceerd, stopte deze "ex vivo" gentherapie een dodelijke ziekte genaamd adrenoleukodystrophy (ALD), die de myeline-omhulsel rond neuronen vernietigt. Italiaanse gentherapie-onderzoekers hebben vergelijkbare resultaten gerapporteerd voor een vergelijkbare behandeling voor jonge patiënten met de metachromatische leukodystrofie in de hersenen.

Maar ex vivo gentherapie werkt het best voor hersenziekten die worden veroorzaakt door het ontbreken van uitgescheiden eiwit: getransplanteerde cellen kunnen het vervangen door het molecuul uit te roeien zodat andere neurale cellen kunnen worden opgepakt. Voor veel aandoeningen werkt het ontbrekende eiwit in cellen en dus moeten alle cellen die het nodig hebben de vector ontvangen.

(SOURCE) CLINICALTRIALS.GOV

Het verhaal van de virale vector die deze behoefte lijkt te beantwoorden begint met een dood. In de vroege jaren 2000 werd een leider van het veld, geneticus James Wilson van de Universiteit van Pennsylvania (UPenn), gedwongen om zijn onderzoek om te leiden. Wilson had de proef in 1999 geleid waarin de 18-jarige Jesse Gelsinger stierf aan een massieve immuunreactie op een krachtige adenovirusvector die hij had gekregen om zijn leverziekte te behandelen. Wilson, die een financieel belang had bij de rechtszaak, kreeg te maken met een rechtszaak door de familie en een FDA-onderzoek, en hij stemde uiteindelijk in met een verbod van 5 jaar op toonaangevende klinische onderzoeken. Dus wendde hij zich tot het vinden van nieuwe soorten AAV's, die veiliger waren dan adenovirussen en een populaire vector waren geworden.

In 2004 rapporteerden Guangping Gao en anderen in het laboratorium van Wilson dat ze door menselijke en primaatweefsels hadden gekamd en vonden ze meer dan 100 nieuwe AAV's met een "tropisme" of voorkeur voor het infecteren van specifieke soorten cellen. Eén type, AAV9, was "in tegenstelling tot andere AAV. Wanneer je het met een hoge dosis in het bloed injecteerde, ging het overal "- hart, spier, hersenweefsel - herinnert Wilson zich. Het meest prikkelende van alles was het vermogen om neuronen in huis te halen, wat de sleutel is tot het behandelen van vele hersenziekten en spinale aandoeningen.

Andere onderzoekers krabbelden om de liefde van AAV9 voor het zenuwstelsel te bevestigen. In 2009 publiceerden een Frans team en het laboratorium van Brian Kaspar van Nationwide afzonderlijke artikelen die het veld verzwaarden: intraveneus aan pasgeboren muizen, AAV9 door de bloed-hersenbarrière - het dichte netwerk van cellen dat het centrale zenuwstelsel beschermt tegen ziekteverwekkers en toxinen en geïnfecteerde neuronen in het ruggenmerg en de hersenen.

Toen het nationale team klaar was om AAV9 bij mensen te proberen, koos het ervoor om zich te richten op SMA1, de meest voorkomende genetische doodsoorzaak bij baby's. Zuigelingen missen een functionerend SMN1-gen, dat codeert voor een eiwit genaamd overlevingsmotorneuron (SMN) dat gedurende het hele leven spinale neuronen ondersteunt. De meeste mensen hebben meerdere kopieën van een back-upgen, SMN2, die kleine hoeveelheden SMN kunnen produceren, waardoor de ernst van de ziekte beperkt wordt. Maar die met SMA1 hebben slechts twee van die back-upgenen, en veel te weinig van het cruciale eiwit.

Baby's geboren met SMA1 zijn slap en kunnen niet goed zuigen of hun hoofd optillen; omdat spinale motorneuronen ontbreken, verzwakken hun spieren en op een gegeven moment kunnen ze niet langer zelfstandig ademen en sterven. Een team onder leiding van Kaspar was van plan om een ​​behandeling te ontwikkelen door AAV9 te engineeren om het SMN-gen te dragen. Ze waren van plan om het intraveneus te injecteren, nadat ze hadden aangetoond dat pasgeboren muizen met SMA1 die op deze manier werden behandeld, een normale motorische functie en levensduur hadden.

Maar dat zou waarschijnlijk enorme hoeveelheden virale vector vereisen. Omdat levercellen ook een favoriet doelwit zijn van AAV's, verwijdert de lever de meeste AAV9 die in het bloed is geïnjecteerd; veel van wat overblijft gaat naar andere weefsels. Als gevolg daarvan passeerde minder dan 1% van de oorspronkelijke dosis de bloed-hersenbarrière, schat Gray toen hij postdoc was bij UNC's Jude Samulski. Op basis van de hoeveelheid die nodig is om SMA1-muizen te behandelen, stelde het Nationwide-team een ​​therapeutische dosis voor van 100 keer hoger dan ooit tevoren in een bloed van een patiënt in een gentherapie-onderzoek.

Toch suggereerden testen met apen dat de dosis veilig zou zijn. FDA en het Recombinant DNA-adviescomité, de instantie van de National Institutes of Health (NIH) die de meeste Amerikaanse gentherapiepogingen beoordeelt, hebben de studie goedgekeurd die Nationwide en een stichting hebben afgesproken te financieren. (Een nieuw bedrijf dat mede werd opgericht door Kaspar, AveXis genaamd, financierde de latere stadia van de proef na de licentiëring van de therapie van Nationwide.)

Toch hielden veel gentherapie-onderzoekers hun adem in, uit angst voor een nieuwe Gelsinger-achtige ramp. "Het had een aantal mensen nerveus. Het was een enorme virale last die aan zeer jonge patiënten werd gegeven, "zegt Samulski.

Kort nadat de eerste baby een testdosis van de AAV9-therapie kreeg, stegen haar leverenzymen tot 31 keer normaal, wat mogelijke celschade signaleert. "Ik heb die nacht niet goed geslapen," zegt Mendell. Maar steroïden brachten het niveau snel naar beneden en FDA raadde hem aan om door te gaan, zegt hij. Drie andere kinderen ontwikkelden verhoogde leverenzymen, maar er waren geen klinische tekenen van leverbeschadiging en de proef ging door.

Hoewel het onderzoek voornamelijk was opgezet om de veiligheid van de therapie te testen, werd al snel duidelijk dat het geïntroduceerde gen de atrofie van de baby vertraagde. In plaats van floppies te worden en moeite om te ademen, werden ze sterker. Evelyn, die op haar buik lag, begon op een dag haar hoofd op te tillen, herinnert Elena Villarreal zich. "Het was alsof, dat is het, dat is onmogelijk met SMA1." Inmiddels hebben slechts acht van de 15 behandelde baby's hulp nodig van een gezichtsmasker om te ademen. En 11 van de 12 die de grootste van de twee AAV9-doses ontvingen - van wie er één te laat werd behandeld, na zes maanden - kan op zijn minst even zonder hulp zitten, eten en spreken. Matteo, een jongen in Miami, Florida, die de therapie slechts 27 dagen na de geboorte kreeg, kan rennen en raakt normale ontwikkelingsmijlpalen, zegt zijn vader, Derwin Almeida.

De resultaten van de proef zijn "opmerkelijk", zegt Charlotte Sumner, een SMA-onderzoeker aan de Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland. Een drug genaamd nusinersen, bestaande uit een streng RNA die het SMN2-gen helpt meer eiwit te produceren, heeft even indrukwekkende effecten gehad bij SMA1-kinderen in een lopend onderzoek en het werd in december jongstleden door de FDA goedgekeurd. Maar gentherapie is aantrekkelijk vanwege het "one-en-done-voordeel", merkt Sumner op.

Hoe lang de behandeling zal werken is onbekend. Anders dan HIV en andere virussen die worden gebruikt voor ex vivo gentherapie, integreren AAV's het therapeutische gen niet in het genoom van een cel; ze deponeren het als een vrij zwevende lus van DNA, wat betekent dat de effecten verloren kunnen gaan als cellen zichzelf kopiëren. Maar neuronen delen niet, dus het behandelde weefsel zou jarenlang SMN-eiwit moeten blijven produceren, zegt Kevin Flanigan, directeur van het gentherapiecentrum van Nationwide.

Als de voordelen van de gentherapie uiteindelijk vervagen, zouden de SMA1-patiënten herbehandeling nodig hebben en ze hebben nu antilichamen tegen AAV9 die het kunnen belemmeren. Maar onderzoekers in het hele land werken aan tegenmaatregelen, zoals het filteren van antilichamen uit het bloed of het geven van bepaalde immunosuppressieve medicijnen, zegt Mendell.

Een andere verre zorg is kanker. Onderzoek door Sands en anderen heeft aangetoond dat sommige AAV's bij toediening van IV in grote doses aan pasgeboren muizen hun DNA kunnen integreren in het genoom en leverkanker kunnen veroorzaken. Sands merkt op dat wetenschappers nog niet weten of die resultaten relevant zijn voor mensen. Sommige gentherapeuten zijn gerustgesteld dat leverkanker niet is verschenen in de honderden patiënten die werden blootgesteld aan AAV's in eerdere gentherapieonderzoeken.

AveXis heeft een tweede SMA1-studie gelanceerd en is ook van plan om mildere vormen van de aandoening te behandelen. Als de proeven de belofte van de therapie bevestigen, is het een uitdaging om voldoende doses te produceren om aan de behoeften van de patiënten te voldoen. Maar een woordvoerder van AveXis zegt dat een nieuwe fabriek in de buurt van Chicago, Illinois, in staat moet zijn om doses te produceren voor de 500 SMA1-geboorten per jaar in de Verenigde Staten en Europa. Het bedrijf heeft nog geen prijskaartje op de behandeling gezet, maar het zal waarschijnlijk duur zijn - gentherapieën op het marktcommando stijgen van $ 700.000 per behandeling.

BELEID VOOR HERSENEN VAN GERINGE HERSENEN HERSENEN EN HONDEN

Nu dat hooggedoseerde, systemisch afgeleverde AAV-gentherapie veilig lijkt, zetten teams bij Nationwide en elders tests in voor andere neuromusculaire ziekten, die gericht zijn op het leveren van een nieuw gen door IV aan spiercellen in plaats van neuronen.

Wetenschappers onderzoeken ook de volgende vraag voor AAV9: kan het verder gaan dan het helpen van spinale neuronen en tot diep in de hersenen reiken op niveaus die hoog genoeg zijn om daar ziekten te stoppen? De eerste resultaten kunnen afkomstig zijn van een doorlopende studie, gesponsord door het bedrijf Abeona Therapeutics en gerund door Nationwide, dat gebruik maakt van IV-toediening van een AAV9-gentherapie voor het Sanfilippo type A-syndroom. Kinderen met de ziekte missen een enzym dat nodig is om heparaansulfaat af te breken, een molecuul dat zich opstapelt in de hersenen en schade veroorzaakt die zichtbaar is in de leeftijd van 2 tot 6. Een jaar nadat drie kinderen werden behandeld, niveaus van heparaansulfaat in hun ruggengraatvloeistof zijn sterk gedaald, hun vergrote levers zijn kleiner geworden en hun scores op non-verbale cognitieve tests lijken te zijn gestabiliseerd, meldde Flanigan tijdens vergaderingen.

Andere onderzoeken zijn gebaseerd op de neuron-homing-eigenschappen van AAV9, maar geven deze rechtstreeks toe aan het centrale zenuwstelsel van een patiënt via een injectie in de spinale vloeistof ( zie tabel ). Dit vereist minder virussen dan IV-levering, dus de productie zal niet zo'n groot obstakel zijn; het kan ook beter werken voor oudere patiënten, van wie de bloed-hersenbarrière meer is ontwikkeld dan die van baby's. En spinale toediening zou elke immuunrespons moeten verminderen.

In de eerste test van deze strategie heeft een proef bij NIH acht patiënten met een aandoening genaamd gigantische axonale neuropathie een AAV9-vector gegeven die een vervangend gen bevat voor diegene die de fout veroorzaakt, die axons-zenuwcellen 'impuls-doorlatende tendrils vernietigt-en beïnvloedt de hersenen. Gray, wiens dierstudies in Samulski's laboratorium de basis legden voor het proces, zegt dat het te vroeg is om resultaten te rapporteren. Maar Lori Sames uit Rexford, New York, wiens liefdadigheidsinstelling Hannah's Hope Fund het onderzoek van Gray ondersteunde, zegt dat haar rolstoel-gebonden, 13-jarige dochter Hannah, die in juli 2016 werd behandeld, enkele verbeteringen heeft gekend: haar visueel verlies is gestabiliseerd, en ze kan zichzelf voeden en met steun staan. "We zijn erg blij met wat we zien," zegt Sames.

Voor patiënten met SMA1 en andere progressieve stoornissen is een vroege behandeling van cruciaal belang. "Als neuronen eenmaal verdwenen zijn, zijn ze verdwenen", zegt kinderneuroloog Jonathan Mink van het medisch centrum van de universiteit van Rochester in New York. Voorlopig zijn broers en zussen van kinderen die reeds door deze genetische ziekten zijn getroffen, het meest waarschijnlijk vroeg genoeg geïdentificeerd voor preventieve behandeling. Maar patiëntengroepen dringen erop aan dat ziekten zoals ALD en SMA worden toegevoegd aan screeningstests voor pasgeborenen, waardoor het bereik van de therapie zou kunnen toenemen.

Sommige onderzoekers blijven sceptisch dat de nieuwe, minder ingrijpende manieren om AAV9 af te leveren voldoende hersencellen zullen bereiken. "Ik betwijfel of het breed toepasbaar zal zijn op andere aandoeningen," zegt Ronald Crystal van Weill Cornell Medicine in New York City, die schedelaflevering heeft gebruikt om de ziekte van Batten te behandelen, vooral bij oudere kinderen.

Andere gentherapeuten spinnen hun hoop op het vinden van nieuwe AAV-vectoren die nog beter zijn in het doorkruisen van de bloed-hersenbarrière. Een groep bij het California Institute of Technology in Pasadena heeft verschillende geïdentificeerd, waaronder een AAV-variant die de barrière 40 maal effectiever kruist dan AAV9 bij muizen. Voyager Therapeutics in Cambridge, Massachusetts, zegt dat deze vectoren ook in apen lijken te werken, hoewel die gegevens nog niet gepubliceerd zijn.

Hoe verrukkelijk gentechnologen ook zijn bij de SMA1-studie die de ouders van Evelyn hun dansende meisje gaf, zullen ze angstig kijken of dezelfde strategie meer kinderen met ernstige genetische ziekten kan redden. Als dat zo is, zal de plaats van gentherapie in het arsenaal van de geneeskunde worden gegarandeerd. Zegt Wilson: "Dit was geen bescheiden verbetering. Dit is een transformationele verandering. Dat is wat we altijd hadden gehoopt dat gentherapie zou zijn. "

Nieuws uit Science, door Jocelyn Kaiser 1 november 2017, 17:00 uur

http://www.sciencemag.org/news/2017/11/gene-therapy-s-new-hope-neuron-targeting-virus-saving-infant-lives