Gentherapie als nieuwe behandeling voor mucoviscidose: wat, voor wie en hoe?

Gentherapie is het proces waarbij ofwel correcte kopieën van een gen (in het geval van muco: het CFTR-gen) worden toegevoegd aan bepaalde cellen in het lichaam, ofwel het aanwezige defecte gen in een cel wordt gerepareerd. In beide gevallen is de uitkomst dat de cellen die met gentherapie werden behandeld, opnieuw correct werkend (CFTR-)eiwit kunnen aanmaken.

Het grote voordeel van gentherapie voor de behandeling van muco is dat het kan toegepast worden bij iedereen, en dat het dus niet afhankelijk is van welke mutatie je hebt. Dit is wel het geval bij CFTR-modulatoren. Het nadeel is dat gentherapie enkel effect heeft in die specifieke cellen die werden behandeld. Als de longen behandeld worden met gentherapie, zal dit dus geen effect hebben op bijvoorbeeld de cellen van het spijsverterings- of voortplantingsstelsel.

Net zoals CFTR-modulatoren kan gentherapie reeds bestaande schade aan de longen niet ongedaan maken. Gentherapie kan de symptomen van muco wel verlichten en verdere achteruitgang voorkomen. Alhoewel er al erg veel onderzoek is naar verricht en er verschillende klinische studies werden/worden uitgevoerd, is gentherapie op dit moment nog nergens goedgekeurd voor de behandeling van mensen met muco.

Een hobbelig maar veelbelovend parcours

Toen het CFTR-gen in 1989 werd ontdekt, werd algemeen aangenomen dat het maar een kwestie van tijd zou zijn vooraleer de ziekte via gentherapie behandeld of zelfs genezen zou kunnen worden. De realiteit bleek echter anders. Alhoewel muco maar door één defect gen veroorzaakt wordt (waardoor er maar één gen vervangen of hersteld moet worden) en de long een orgaan is dat in theorie gemakkelijk te bereiken is (want rechtstreeks in contact met de buitenwereld), botsten de wetenschappers op verschillende hindernissen. Net omdat de longen zo veelvuldig in aanraking komen met invloeden van buitenaf (microben, stof, vuil en andere deeltjes) hebben ze er ook een aantal barrières tegen ontwikkeld: gezonde luchtwegen zijn bekleed met een fijn slijmlaagje waarin alle niet-lichaamseigen deeltjes blijven plakken. Met behulp van de trilhaartjes op de cellen aan de binnenkant van de luchtwegen, wordt het slijm naar boven bewogen waarna het opgehoest of ingeslikt wordt. Dit beschermingsmechanisme maakt het niet evident om de moleculen die benodigd zijn voor gentherapie, in de juiste cellen te krijgen. Bovendien is het immuunsysteem in de longen overontwikkeld waardoor er een snelle reactie zal komen op de vreemde deeltjes. Wanneer de moleculen dan toch de cellen bereiken en binnengaan, wacht er nóg een barrière: de celkern. Hier bevindt zich immers het DNA. Bij mensen met muco wordt de situatie nog wat moeilijker door het dikke slijm dat zich in de luchtwegen bevindt.

Toch zijn onderzoekers nu al zo’n 30 jaar bezig met het ontwikkelen van verschillende methoden voor gentherapie en vinden ze steeds doeltreffendere manieren om de benodigde moleculen in de luchtwegcellen te krijgen. Dit heeft reeds geleid tot veelbelovende resultaten in klinische studies. Hierdoor, en omdat gentherapie in theorie dé universele behandeling voor muco zou kunnen zijn, wordt er nog steeds tijd en geld in geïnvesteerd. Hieronder volgt een overzicht van de verschillende types van gentherapie, en de methodes om de behandeling tot in de cel te krijgen.

‘Klassieke’ gentherapie: correcte kopieën van het CFTR-gen aan de cel toevoegen

Er zijn twee manieren om het CFTR-gen in de kern van longcellen af te leveren, namelijk een virale en een niet-virale methode. Het genetische materiaal dat onder normale omstandigheden in een virus zit, kan mensen ziek maken (denk bijvoorbeeld aan het griepvirus). Virussen kunnen echter in het labo zodanig gewijzigd worden zodat hun schadelijke inhoud vervangen wordt door correcte kopieën van om het even welk gen. Op deze manier kan een virus gebruikt worden om DNA in cellen te krijgen. Virussen die enkel nuttig DNA bevatten, zullen geen ziekte veroorzaken. Het grote nadeel van deze aanpak is dat er maar weinig virussen ‘gespecialiseerd’ zijn in het binnendringen van longcellen. Bij de niet-virale methode wordt het DNA dat men in de cel wil krijgen, in het labo verpakt in een vetrijk omhulsel. Omdat de buitenkant van onze eigen lichaamscellen ook vetten bevatten, zorgt dit ervoor dat het omhulsel als het ware samensmelt (zoals wanneer twee druppels water samenvloeien tot één grote druppel) met de cel en het DNA erin vrijkomt.

In 2015 werd in het Verenigd Koninkrijk deze aanpak om correcte kopieën van het CFTR-gen in de longcellen te krijgen getest in een fase 2-klinische studie bij 116 mensen met muco. Eénmaal per maand gedurende een jaar moesten zij het CFTR DNA, verpakt in een vetrijk omhulsel, met behulp van hun aerosoltoestel inademen. Het onderzoek wees uit dat deze niet-virale aanpak veilig was en weinig neveneffecten veroorzaakte. Bij de deelnemers aan de studie kon men ook een kleine maar toch beduidende stijging van de longfunctie waarnemen. Dit toont aan dat klassieke gentherapie een veelbelovende aanpak is, maar er moeten nog aanpassingen gebeuren aan de manier waarop het DNA in de cel wordt afgeleverd zodat een langdurige en voelbare stijging van de longfunctie kan bekomen worden.

Op dit moment is dezelfde groep van onderzoekers bezig met het ontwikkelen van een virale strategie voor gentherapie. Omdat virussen nu eenmaal gespecialiseerd in het binnendringen van cellen, verwachten de wetenschappers dat dit de efficiëntie waarmee het CFTR-gen in de longcellen gebracht wordt, zal verhogen. In het labo hebben ze het virus ook zodanig kunnen aanpassen dat het specifiek longcellen binnendringt. In experimenten met muizen hebben ze al kunnen aantonen dat één enkele toediening van het virus met het CFTR-gen voldoende is om het CFTR-eiwit levenslang (voor een muis: twee jaar) opnieuw aan te kunnen maken. Dit betekent dat maandelijkse toediening dus niet nodig zou zijn. Het is het doel van de onderzoekers om deze methode ook in mensen te testen.

1. DNA, 2. RNA, 3. RNA verlaat de celkern 4. RNA wordt afgelezen door de eiwitmachinerie in onze cellen en eiwit wordt gevormd.

Gentherapie ‘light’: correct CFTR RNA in de cel afleveren

In ons DNA zit alle informatie vervat die ons maakt tot wie we zijn. Omdat DNA het fundament is van onze lichaamscellen, verlaat het nooit de celkern. RNA (ook wel mRNA genoemd) daarentegen is een echt werkpaard: je kan het beschouwen als een kopietje van ons DNA dat aan de machinerie in onze lichaamscellen alle informatie geeft die het nodig heeft om de juiste en nodige eiwitten aan te maken. Omdat er bij mensen met muco een foutje zit in het CFTR-gen, zal diezelfde fout dus ook in het RNA zitten. Als we een manier vinden om correcte kopieën van CFTR RNA in de cel te brengen, zou dit RNA kunnen gebruikt worden om goed functionerend CFTR-eiwit aan te maken. Het grote voordeel van deze aanpak is dat het RNA niet tot in de celkern moet geraken, één hindernis minder ten opzichte van ‘klassieke’ gentherapie dus!

Translate Bio, een Amerikaans biotechnologiebedrijf, is momenteel bezig met een fase 1/2-klinische studie met MRT5005, RNA verpakt in nanopartikels om zo via aerosoltherapie de longcellen te bereiken. Nanopartikels zijn een verbeterde vorm van de niet-virale methode om moleculen in de cel te krijgen. Dit is nog belangrijker bij RNA dat niet zo stabiel is en gemakkelijk wordt afgebroken. De resultaten van de klinische studie worden in de tweede helft van 2019 verwacht.

Een belangrijk nadeel van RNA-therapie is dat het frequent opnieuw moet worden toegediend omdat RNA niet in de celkern zit en dus na verloop van tijd wordt afgebroken. Gelukkig bleek uit dierstudies reeds dat het herhaaldelijk toedienen van RNA veilig is. De onderzoekers zijn nu ook aan het werken aan een manier om het RNA toe te dienen via een puffer wat het gebruiksgemak voor mensen met muco aanzienlijk zou verhogen.

CRISPR/Cas9: het defecte CFTR-gen herstellen

De twee hierboven beschreven strategieën voor gentherapie bestaan uit het toevoegen van correcte kopieën van het CFTR-gen of –RNA aan de longcellen. Dit wordt dan door de cel gebruikt om functioneel CFTR-eiwit van te maken. Deze vormen van gentherapie brengen echter geen wijzigingen aan in het reeds aanwezige DNA in de cel. Dit heeft als voornaamste nadeel dan in sommige gevallen het effect van de therapie tijdelijk is en het correcte genetische materiaal geregeld opnieuw moet toegevoegd worden.

Een andere mogelijkheid is om het defecte CFTR-gen te gaan herstellen in het DNA aanwezig in de longcellen. Deze aanpak noemt men ‘gene editing’. Eén manier om dit te doen is via de CRISPR/Cas9-techniek. CRISPR/Cas9 is een complex dat opgebouwd is uit drie componenten. CRISPR bestaat uit RNA en is in staat om foutief DNA te herkennen (in het geval van muco de ziekte-veroorzakende mutaties in het CFTR-gen). Cas9 is eiwit dat verbonden is aan CRISPR. Wanneer CRISPR het foutieve DNA heeft geïdentificeerd, kan Cas9 dit als het ware uit de rest van de DNA-streng knippen, een beetje zoals een schaar op moleculair niveau. De derde component van het complex is een herstelsjabloon. Deze bevat de correcte genetische informatie om het CFTR-gen te herstellen. Hiermee kan de cel dan zelf aan de slag om het DNA te vervolledigen. De Amerikaanse patiëntenorganisatie heeft hier een bevattelijk filmpje over gemaakt (in het Engels).

Momenteel wordt CRISPR/Cas9 getest in het labo en nog niet bij mensen. Het grote voordeel van ‘gene editing’ is dat de wijzigingen in het DNA permanent zijn voor de levensduur van de cel. Dit zou willen zeggen dat mensen met muco slechts eenmalig met CRISPR/Cas9 zouden moeten behandeld worden. Er zijn echter nog enkele belangrijke hindernissen te overwinnen vooraleer ‘gene editing’ ook daadwerkelijk in de praktijk kan toegepast worden:

  • In theorie is ‘gene editing’ erg nauwkeurig en wordt het DNA enkel opengeknipt door Cas9 daar waar het werd herkend door CRISPR. In de praktijk zien we echter dat dit niet perfect is en dat er al eens foutjes gebeuren. Het DNA wordt dan op de verkeerde plaats opengeknipt waardoor er net nieuwe mutaties in het DNA worden geïntroduceerd. Dit kan bijvoorbeeld leiden tot kanker.
  • CRISPR/Cas9 maakt gebruik van de DNA-herstelmechanismen aanwezig in de cel om het CFTR-gen opnieuw te vervolledigen. Het probleem hierbij is dat deze mechanismen enkel kunnen worden aangewend wanneer de cel deelt. Bij volwassen mensen delen de meeste longcellen echter niet meer. De longen zijn dan volgroeid en hoeven zich ook niet meer te vernieuwen. Hierin verschillen de longen bijvoorbeeld van de huid die zich om de 6 à 8 weken volledig vernieuwt. In de longen zijn een klein aantal longstamcellen aanwezig die wel nog delen. Dit heeft als gevolg dat ‘gene editing’ heel exact zou moeten gericht zijn op dit type van cellen.

Er is dus wel nog wat werk aan de winkel vooraleer ‘gene editing’ een echte behandeloptie kan worden. Gelukkig wordt er volop onderzoek naar gedaan. De verwachting is dat het nog enkele jaren zal duren voor ‘gene editing’ op een veilige manier bij mensen kan getest worden.

Antisense oligonucleotiden: het defecte RNA herstellen

Zoals hierboven beschreven is ‘gene editing’ een pad dat niet zonder obstakels is. Daarom ging men in tussentijd op zoek naar een manier om het defecte RNA te herstellen. Zoals eerder gezegd is RNA als het ware een kopietje van het DNA dat genetische informatie doorgeeft aan de eiwitmachinerie van onze cellen. Iedere fout die in het DNA zit, zal dus ook worden overgenomen in het RNA. Antisense oligonucleotiden (ASO’s) zijn in het labo ontwikkelde RNA-achtige moleculen die in staat zijn de fouten in het RNA in de cel te herstellen. Het Nederlandse farmaceutische bedrijf ProQR, dat zich heeft gespecialiseerd in de ontwikkeling van ASO’s voor verscheidene zeldzame aandoeningen, waaronder muco, heeft hierover een begrijpelijk filmpje gemaakt (in het Engels).

Momenteel is er één experimenteel geneesmiddel op basis van ASO’s dat klinisch getest wordt bij mensen met muco, namelijk Eluforsen (ontwikkeld door ProQR). De voorlopige resultaten gaan alvast de goede richting uit. Bij mensen die twee F508del mutaties hebben, werd het geneesmiddel veilig bevonden en werden ook al de eerste bewijzen geleverd voor z’n doeltreffendheid. De onderzoekers stelden namelijk vast dat de functie van het CFTR-eiwit beduidend verbeterde en dat dit effect behouden bleef tot twee weken na het beëindigen van de behandeling. Tevens konden de deelnemers via zelfrapportering aangeven hoe het gesteld was met de conditie van hun longen. Ook hier werd een beduidende verbetering opgetekend. Ten slotte wilden de onderzoekers ook weten of er een verbetering in de longfunctie (onder de vorm van FEV1) merkbaar was. Ze stelden vast dat bij de mensen met muco die bij aanvang van de studie reeds een ernstig gedaalde longfunctie hadden, er een lichte stijging plaatsvond na het opstarten van Eluforsen. Hierbij is het belangrijk om te benadrukken dat dit een zeer kleinschalige studie was (36 deelnemers) en dat het ontwerp van de studie er eigenlijk niet op gericht was om verschillen in longfunctie te meten. Bij een grotere, fase 2-studie die specifiek als doel heeft om de doeltreffendheid van het geneesmiddel na te gaan, is er dus een goeie kans dat er wel een beduidende verbetering in de longfunctie kan worden vastgesteld. Je kan de volledige Engelstalige samenvattingen van de studies hier en hier nalezen.

Het belangrijkste nadeel van ASO’s is dat het effect tijdelijk is omdat ze door de cel afgebroken worden. Ze moeten dus regelmatig opnieuw worden toegediend.

Antisense oligonucleotiden voor andere kanalen dan CFTR

Het CFTR-kanaal is verantwoordelijk voor zout-watertransport in de cellen van ons lichaam (hoe dit precies in z’n werk gaat, kun je hier nalezen). Er zijn echter nog andere kanalen die een gelijkaardige functie hebben, en die communiceren met het CFTR-kanaal. Een voorbeeld hiervan is ENaC, wat een afkorting is voor Epitheliaal Natriumkanaal. De functie van ENaC is het transporteren van natriumdeeltjes vanuit de luchtwegen terug in de longcellen. Het CFTR-kanaal heeft een afremmende werking op ENaC. Wanneer het CFTR-kanaal niet of minder goed werkt, wat het geval is bij muco, zorgt dit ervoor dat via ENaC teveel natrium uit de luchtwegen wordt opgenomen. Natrium maakt deel uit van zout. Grote hoeveelheden natrium in de longcellen zorgen ervoor dat er water aan de luchtwegen onttrokken wordt. Dit resulteert in een verdere uitdroging van de longen met de kenmerkende taaie slijmen tot gevolg.

Naast het herstellen van fouten in het RNA, zijn bepaalde andere ASO’s in staat om specifiek RNA af te breken zodat er geen eiwit wordt gevormd. Het farmaceutische bedrijf Ionis Pharmaceuticals, dat net zoals ProQR gespecialiseerd is in het ontwikkelen van ASO’s, is op dit moment testen aan het uitvoeren met een ASO dat ervoor zorgt dat RNA dat codeert voor ENaC, afgebroken wordt. Op die manier worden er veel minder van die kanalen gevormd wat ervoor zou moeten zorgen dat er meer water overblijft in de luchtwegen. De eerste resultaten in muizen zijn alvast veelbelovend: de longfunctie van de dieren verbeterde, er was minder slijmopstapeling in de luchtwegen en ook de ontstekingsreactie in de longen nam af. Uiteraard is het nu afwachten of dergelijke effecten ook bij mensen met muco waarneembaar zullen zijn.

Zoals je kunt lezen, zijn nieuwe gentechnieken dus volop in ontwikkeling. Sommige, zoals gentherapie met RNA, zouden misschien al binnen afzienbare tijd ter beschikking kunnen zijn, terwijl het op andere, bijvoorbeeld ‘gene editing’ met CRISPR/Cas9 wellicht nog wat langer wachten is. Onthoud echter dat de wetenschap niet stilstaat, en dat overal ter wereld mensen aan het werken zijn aan een oplossing! Met de regelmaat van de klok bereiken ons berichten over nieuwe methodes voor gentherapie, nieuwe moleculen enzovoort. Het doel van dit artikel is dus om een overzicht te geven van welke soorten gentherapie er bestaan, niet om een volledige lijst te voorzien van alle moleculen die men nu aan het uittesten is.

ut ut ante. venenatis felis sed tristique