De weg naar behandeling 23
Interview met Tom Schwarz van Harvard
We hadden contact met Thomas Schwarz, die hoogleraar Neurobiologie is aan de Harvard Medical School en hoogleraar Neurologie aan het F.M. Kirby Neurobiology Center, Boston Children’s Hospital. Thomas Schwarz en zijn laboratorium zijn betrokken bij onderzoek naar ADOA en ontwikkelen niet één, maar twee potentiële behandelingen!
Kunt u ons wat inzicht geven in hoe u onderzoek doet naar ADOA?
Ik zal antwoorden door uit te leggen wat het team van het Boston Children’s Hospital heeft gedaan met betrekking tot ADOA en wat we proberen te doen door therapeutische richtingen te ontwikkelen. Ons werk over ADOA ontstond uit gesprekken met een familie die een zeer persoonlijk belang had bij deze ziekte en graag onderzoek naar ADOA wilde bevorderen en zelfs sponsoren. Hier bij het Boston Children’s Hospital is er een zeer sterke gemeenschap van basale neurowetenschappen, waaronder verschillende wetenschappers die retinale ganglioncellen bestuderen, het celtype dat het meest vatbaar is voor degeneratie bij ADOA. En er is ook mijn laboratorium, dat al lange tijd geïnteresseerd is in de celbiologie van neurale mitochondriën. Dit omvat de mitochondriën in de retinale ganglioncellen, die afsterven door ADOA. We hebben daarom een samenwerkingsconsortium samengesteld dat mijn laboratorium omvatte en dat van Drs. Michael Do, Larry Benowitz en Chinfei Chen. We hebben ook een uitstekende lopende samenwerking met Dr. Marni Falk en haar collega’s van het Children’s Hospital of Philadelphia (CHoP). Ik moet zeggen dat het meeste werk is gedaan door een fantastische postdoc in mijn laboratorium, Dr. Chen Ding, PhD, met hulp en begeleiding van onze collega’s en de kernfaciliteiten hier bij het Boston Children’s.
Ons plan was om een nieuw muismodel van ADOA te maken dat de R290Q-mutatie droeg die bij verschillende families wordt aangetroffen. Veel ADOA-mutaties veroorzaken wat genetici “haplo-insufficiëntie” noemen, wat wil zeggen dat de mutatie eenvoudigweg voorkomt dat een van de twee kopieën van het OPA1-gen een functioneel eiwit maakt, en de cellen moeten het doen met de helft van de hoeveelheid OPA1 die ze normaal zouden moeten hebben. Andere ADOA-mutaties – vooral die welke vallen in het deel van OPA1 met enzymatische activiteit – zijn erger dan alleen het maken van een eiwit dat niet functioneert. In plaats daarvan maken ze een eiwit dat actief in de weg zit en voorkomt dat het goede exemplaar van OPA1 ook functioneert. Die worden “dominant negatieve” mutaties genoemd, en de patiënten met deze mutaties worden soms ADOA+ patiënten genoemd. De R290Q-mutatie zit net aan de rand van dit enzymatische deel, dus we wisten niet of het een eenvoudige verlies-van-functie-mutatie zou zijn of een dominant negatieve, maar we hoopten dat het een sterk genoeg fenotype in de muis zou geven dat we het konden gebruiken om de degeneratie van de retinale ganglioncellen te bestuderen.
Hoe bent u erin geslaagd om de genen van de muis te veranderen, welke technologie heeft u gebruikt?
We hebben CRISPR-technologie gebruikt om deze R290Q-mutatie in te voeren – wat verrassend moeilijk bleek te zijn! We denken dat dit komt omdat de CRISPR-methode te goed werkte en beide kopieën van het OPA1-gen muteerde – en cellen met beide gemuteerde kopieën zullen geen levensvatbare muis voortbrengen. Maar uiteindelijk zijn we erin geslaagd om de R290Q-mutante muizenlijn te maken en hebben we die muis de afgelopen 2 jaar bestudeerd. We hebben ook van CHoP een stamcellijn verkregen die afkomstig is van een patiënt en dezelfde mutatie heeft – en een controlegroep met die mutatie gecorrigeerd door CRISPR. Dat betekent dat we experimenten parallel kunnen uitvoeren in het muismodel en in menselijke neuronen die we kunnen genereren uit die stamcellen. Het werk met de R290Q-muis verloopt goed. De normale functies van het OPA1-gen omvatten het toestaan van het versmelten van de binnenmembranen van mitochondriën wanneer twee mitochondriën elkaar ontmoeten. In gezonde cellen, inclusief gezonde neuronen, zijn veel mitochondriën met elkaar versmolten tot een netwerk. Bij neuronen van de R290Q-muis zijn de mitochondriën echter gefragmenteerd, zoals verwacht wordt bij een OPA1-mutatie. De retina’s van deze muizen zijn verrassend normaal en functioneel wanneer de muizen jong zijn, maar naarmate ze ouder worden, zien we veel defecten die parallel lopen met die bij ADOA-patiënten. Bedenk dat het verlies van retinale ganglioncellen bij ADOA-patiënten tientallen jaren kan duren, maar muizen leven doorgaans ongeveer 2 jaar. We hebben dus geluk dat we in ons muismodel kunnen zien dat sommige van die retinale ganglioncellen sterven na slechts 9 – 12 maanden.
Bij gezonde muizen is er een normale isolerende laag rond de axonen (het lange deel van de oogzenuw dat informatie naar de hersenen overbrengt) van de retinale ganglioncellen. De R290Q-muis vertoont ook demyelinisatie van zenuwvezels (axonen) in de oogzenuw – met andere woorden, een verlies van de normale isolerende laag die helpt bij zenuwgeleiding in het deel van de retinale ganglioncellen dat de signalen van het oog naar de hersenen draagt. We maken ook elektrofysiologische opnames (elektroretinogrammen en visueel opgewekte potentialen) die de mogelijkheid van de retinale ganglioncellen om te vuren en signalen naar de hersenen te verzenden, kunnen detecteren. Die opnames tonen diepgaande defecten naarmate de dieren ouder worden. Bovendien heeft het laboratorium van Michael Do een opmerkelijke assay opgezet waarbij ze het netvlies met de oogzenuw eraan kunnen uitsnijden, nauwkeurige lichtpatronen aan het netvlies kunnen presenteren, en de resulterende elektrische activiteit in de oogzenuw kunnen registreren – een prachtig directe manier om de functie van populaties van retinale ganglioncellen op te nemen. Ook dit suggereert een verandering in functie bij de R290Q-mutante muis en begint te onthullen waar die verandering plaatsvindt.
Kunt u ons alstublieft wat meer vertellen over hoe dit kan leiden tot een therapie voor ADOA?
Met onze modelsystemen bij de hand testen we twee therapeutische strategieën. Een daarvan is Genvervangende Therapie. Eenvoudig gezegd is dit een manier om een goed exemplaar van OPA1 terug in de retinale ganglioncellen te plaatsen. Aan de ene kant is ADOA een goede kandidaat voor deze aanpak omdat het relatief eenvoudig is om kopieën van een gen in retinale ganglioncellen te krijgen door injectie in het glasvocht van het oog, met een veilig, niet-reproducerend virus dat het gen tot expressie brengt. Dit is een vorm van gentherapie die is goedgekeurd voor klinisch gebruik in het netvlies voor andere aandoeningen. Bovendien, omdat de degeneratie langzaam verloopt, is er een goed tijdsvenster om te proberen de degeneratie te verstoren door het goede exemplaar toe te voegen. Maar er is een probleem – het menselijke OPA1-eiwit wordt in 8 verschillende varianten gemaakt (door een proces dat alternatieve RNA-splicing wordt genoemd) en het is niet mogelijk om ze allemaal terug toe te voegen. We zijn aan het uitzoeken of het toevoegen van slechts één van die varianten voldoende zal zijn en, zo ja, welke variant te gebruiken.
Onze tweede aanpak is om een neuronale eiwit genaamd SARM1 te remmen. SARM1 is een enzym dat wordt geactiveerd in gestreste of beschadigde neuronen en die neuronen doet sterven – het lijkt geen ander doel te hebben dan te dienen als een celzelfmoordschakelaar. Veel mensen in academische kringen en in farmaceutische en biotechbedrijven investeren tijd en geld in het ontwikkelen van SARM1-remming als een strategie om neurodegeneratie te voorkomen. Als de degeneratie van de retinale ganglioncellen bij ADOA verloopt door SARM1 te activeren, kunnen ADOA-patiënten baat hebben bij die ontwikkelingen.
Verwacht u dat de in ontwikkeling zijnde behandeling van toepassing zal zijn op een bredere groep ADOA-patiënten of zal deze mutatiespecifiek zijn?
In tegenstelling tot bepaalde CRISPR-gebaseerde strategieën die zijn afgestemd op slechts één specifieke mutatie, zouden zowel het terugplaatsen van een werkend exemplaar van OPA1 als het voorkomen van SARM1-activering even goed moeten werken voor de meeste, misschien alle, patiënten die OPA1-mutaties hebben. De uitzondering voor de genvervangingsbenadering zou kunnen zijn bij de ernstige dominant negatieve vormen die worden gevonden bij ADOA+; er zou een soort concurrentie zijn tussen de gemuteerde kopieën en de normale kopieën en de dominant negatieve mutatie zou toch problemen kunnen veroorzaken. De andere kanttekening is dat deze strategieën, als ze werken, relatief eenvoudig zouden zijn toe te passen in het oog, maar gentherapie is moeilijker voor de andere soorten neuronen die worden aangetast bij ADOA+.
Zouden de twee therapeutische benaderingen in combinatie kunnen worden gebruikt, of zou de focus liggen op een van beide?
We hopen dat minstens een van deze strategieën vruchten zal afwerpen. Als ze beide werken, zie ik geen reden waarom de strategieën, als ze werken, niet gecombineerd zouden kunnen worden als dat hun doeltreffendheid zou vergroten. Er is niets a priori onverenigbaar aan hen.
Tot slot wil ik benadrukken hoe cruciaal het is geweest om een team van deskundige samenwerkingspartners te hebben. Dit is de kracht van velen – geen van ons zou de moed hebben gehad om deze uitdaging aan te gaan zonder onze gecombineerde expertise en niets ervan zou zijn gebeurd zonder het initiatief van de familie die het project heeft aangewakkerd en ondersteund.
