Der Weg zur Behandlung 23
Interview mit Tom Schwarz aus Harvard
Wir standen in Kontakt mit Thomas Schwarz, Professor für Neurobiologie an der Harvard Medical School und Professor für Neurologie am FM Kirby Neurobiology Center des Boston Children's Hospital. Thomas Schwarz und sein Labor engagieren sich in der ADOA-Forschung und entwickeln nicht nur eine, sondern zwei potenzielle Behandlungsmöglichkeiten!
Können Sie uns einen Einblick in Ihre ADOA-Forschung geben?
Ich werde antworten, indem ich erkläre, was das Team des Boston Children's Hospital in Bezug auf ADOA getan hat und was wir durch die Entwicklung therapeutischer Richtungen erreichen wollen. Unsere Arbeit zu ADOA entstand aus Gesprächen mit einer Familie, die ein sehr persönliches Interesse an dieser Krankheit hatte und daran interessiert war, die Forschung zu ADOA zu fördern und sogar zu sponsern. Hier am Boston Children's Hospital gibt es eine sehr starke neurowissenschaftliche Grundlagengemeinschaft, darunter mehrere Wissenschaftler, die retinale Ganglienzellen untersuchen, den Zelltyp, der bei ADOA am anfälligsten für Degeneration ist. Und da ist auch mein Labor, das sich schon lange für die Zellbiologie neuronaler Mitochondrien interessiert. Dazu gehören die Mitochondrien in den Ganglienzellen der Netzhaut, die aufgrund von ADOA absterben. Deshalb haben wir ein Kooperationskonsortium zusammengestellt, dem mein Labor und das von Dr. angehörten. Michael Do, Larry Benowitz und Chinfei Chen. Darüber hinaus pflegen wir eine hervorragende, fortlaufende Partnerschaft mit Dr. Marni Falk und ihre Kollegen am Children's Hospital of Philadelphia (CHoP). Ich muss sagen, dass die meiste Arbeit von einem fantastischen Postdoc in meinem Labor geleistet wurde, Dr. Chen Ding, PhD, mit Hilfe und Anleitung unserer Kollegen und Kerneinrichtungen hier bei Boston Children's.
Unser Plan bestand darin, ein neues Mausmodell von ADOA zu erstellen, das die in mehreren Familien vorkommende R290Q-Mutation trug. Viele ADOA-Mutationen verursachen das, was Genetiker „Haploinsuffizienz“ nennen, was bedeutet, dass die Mutation einfach eine der beiden Kopien des OPA1-Gens daran hindert, ein funktionsfähiges Protein zu produzieren, und die Zellen müssen mit der Hälfte der Menge OPA1 auskommen, die sie normalerweise haben sollten . Andere ADOA-Mutationen – insbesondere solche, die in den Teil von OPA1 mit enzymatischer Aktivität fallen – sind schlimmer als nur die Herstellung eines Proteins, das nicht funktioniert. Stattdessen produzieren sie ein Protein, das aktiv stört und verhindert, dass die gute Kopie von OPA1 ebenfalls funktioniert. Diese werden als „dominant negative“ Mutationen bezeichnet, und Patienten mit diesen Mutationen werden manchmal als ADOA+-Patienten bezeichnet. Die R290Q-Mutation befindet sich direkt am Rand dieses enzymatischen Teils, daher wussten wir nicht, ob es sich um eine einfache Mutation mit Funktionsverlust oder um eine dominant negative Mutation handeln würde, aber wir hofften, dass sie bei der Maus zu einem ausreichend starken Phänotyp führen würde Wir könnten damit die Degeneration der Ganglienzellen der Netzhaut untersuchen.
Wie haben Sie es geschafft, die Gene der Maus zu verändern, welche Technologie haben Sie eingesetzt?
Wir nutzten die CRISPR-Technologie, um diese R290Q-Mutation einzuführen – was sich als überraschend schwierig herausstellte! Wir glauben, dass dies daran liegt, dass die CRISPR-Methode zu gut funktioniert hat und beide Kopien des OPA1-Gens mutiert hat – und Zellen, bei denen beide Kopien mutiert sind, keine lebensfähige Maus hervorbringen werden. Aber schließlich gelang es uns, die R290Q-Mutantenmauslinie zu erschaffen, und wir haben diese Maus in den letzten zwei Jahren untersucht. Wir haben von CHoP auch eine Stammzelllinie erhalten, die von einem Patienten stammt und die gleiche Mutation aufweist – und eine Kontrollgruppe mit dieser durch CRISPR korrigierten Mutation. Das bedeutet, dass wir Experimente parallel im Mausmodell und in menschlichen Neuronen durchführen können, die wir aus diesen Stammzellen generieren können. Die Arbeit mit der R2Q-Maus läuft gut. Zu den normalen Funktionen des OPA290-Gens gehört es, den inneren Membranen der Mitochondrien die Verschmelzung zu ermöglichen, wenn zwei Mitochondrien aufeinandertreffen. In gesunden Zellen, auch in gesunden Neuronen, sind viele Mitochondrien zu einem Netzwerk verschmolzen. In Neuronen der R1Q-Maus sind die Mitochondrien jedoch fragmentiert, wie bei einer OPA290-Mutation zu erwarten ist. Die Netzhäute dieser Mäuse sind überraschend normal und funktionsfähig, wenn die Mäuse jung sind, aber mit zunehmendem Alter sehen wir viele Defekte, die denen bei ADOA-Patienten ähneln. Denken Sie daran, dass der Verlust retinaler Ganglienzellen bei ADOA-Patienten Jahrzehnte dauern kann, Mäuse jedoch typischerweise etwa zwei Jahre leben. Wir haben also Glück, dass wir in unserem Mausmodell sehen können, dass einige dieser retinalen Ganglienzellen bereits nach 1 – 2 Monaten absterben.
Bei gesunden Mäusen gibt es eine normale Isolierschicht um die Axone (den langen Teil des Sehnervs, der Informationen an das Gehirn überträgt) der Ganglienzellen der Netzhaut. Die R290Q-Maus zeigt auch eine Demyelinisierung von Nervenfasern (Axonen) im Sehnerv – mit anderen Worten einen Verlust der normalen Isolierschicht, die bei der Nervenleitung in dem Teil der Ganglienzellen der Netzhaut hilft, der Signale vom Auge zum Gehirn überträgt . Wir machen auch elektrophysiologische Aufzeichnungen (Elektroretinogramme und visuell evozierte Potenziale), mit denen die Fähigkeit der Ganglienzellen der Netzhaut festgestellt werden kann, zu feuern und Signale an das Gehirn zu senden. Diese Aufnahmen zeigen mit zunehmendem Alter der Tiere schwerwiegende Mängel. Darüber hinaus hat das Labor von Michael Do einen bemerkenswerten Test entwickelt, mit dem sie die Netzhaut mit dem daran befestigten Sehnerv herausschneiden, der Netzhaut präzise Lichtmuster präsentieren und die daraus resultierende elektrische Aktivität im Sehnerv aufzeichnen können – eine wunderbar direkte Methode um die Funktion von Populationen retinaler Ganglienzellen zu untersuchen. Dies deutet erneut auf eine Funktionsänderung bei der mutierten R290Q-Maus hin und zeigt, wo diese Änderung auftritt.
Können Sie uns bitte etwas mehr darüber erzählen, wie dies zu einer Therapie für ADOA führen könnte?
Mit unseren vorliegenden Modellsystemen testen wir zwei Therapiestrategien. Eine davon ist die Genersatztherapie. Einfach ausgedrückt ist dies eine Möglichkeit, eine gute Kopie von OPA1 zurück in die Ganglienzellen der Netzhaut zu bringen. Einerseits ist ADOA ein guter Kandidat für diesen Ansatz, da es relativ einfach ist, Kopien eines Gens durch Injektion in den Glaskörper des Auges mit einem sicheren, sich nicht reproduzierenden Virus, der das Gen exprimiert, in die Ganglienzellen der Netzhaut zu bringen . . Hierbei handelt es sich um eine Form der Gentherapie, die für den klinischen Einsatz in der Netzhaut bei anderen Erkrankungen zugelassen ist. Da die Degeneration langsam erfolgt, gibt es außerdem ein gutes Zeitfenster, um zu versuchen, die Degeneration durch Zugabe der guten Probe zu unterbrechen. Aber es gibt ein Problem: Das menschliche OPA1-Protein wird in acht verschiedenen Varianten hergestellt (durch einen Prozess namens alternatives RNA-Spleißen) und es ist nicht möglich, sie alle wieder hinzuzufügen. Wir überlegen, ob das Hinzufügen nur einer dieser Varianten ausreicht und wenn ja, welche Variante wir verwenden sollen.
Unser zweiter Ansatz besteht darin, ein neuronales Protein namens SARM1 zu hemmen. SARM1 ist ein Enzym, das in gestressten oder beschädigten Neuronen aktiviert wird und zum Absterben von Neuronen führt – es scheint keinen anderen Zweck zu haben, als als Zell-Selbstmordschalter zu dienen. Viele Menschen in der Wissenschaft sowie in Pharma- und Biotech-Unternehmen investieren Zeit und Geld in die Entwicklung der SARM1-Hemmung als Strategie zur Vorbeugung von Neurodegeneration. Wenn die Degeneration retinaler Ganglienzellen bei ADOA durch die Aktivierung von SARM1 voranschreitet, könnten ADOA-Patienten von diesen Entwicklungen profitieren.
Erwarten Sie, dass die in der Entwicklung befindliche Behandlung auf eine breitere Gruppe von ADOA-Patienten anwendbar ist, oder wird sie mutationsspezifisch sein?
Im Gegensatz zu einigen CRISPR-basierten Strategien, die nur auf eine bestimmte Mutation abzielen, sollte sowohl die Wiederherstellung einer Arbeitskopie von OPA1 als auch die Verhinderung der SARM1-Aktivierung für die meisten, vielleicht sogar alle Patienten mit OPA1-Mutationen gleichermaßen gut funktionieren. Die Ausnahme vom Genersatzansatz könnten die schweren dominant negativen Formen sein, die bei ADOA+ vorkommen; Es gäbe eine Art Konkurrenz zwischen den mutierten Kopien und den normalen Kopien und die dominant negative Mutation könnte immer noch Probleme verursachen. Die andere Einschränkung besteht darin, dass diese Strategien, wenn sie funktionieren, relativ einfach im Auge anzuwenden wären, die Gentherapie jedoch für die anderen Arten von Neuronen, die bei ADOA+ betroffen sind, schwieriger ist.
Könnten die beiden Therapieansätze kombiniert eingesetzt werden oder würde der Fokus auf dem einen oder dem anderen liegen?
Wir hoffen, dass sich mindestens eine dieser Strategien auszahlt. Wenn beide funktionieren, sehe ich keinen Grund, warum die Strategien, wenn sie funktionieren, nicht kombiniert werden könnten, wenn das ihre Wirksamkeit erhöhen würde. Es gibt nichts a priori Unvereinbares an ihnen.
Abschließend möchte ich betonen, wie wichtig es war, ein Team aus erfahrenen Mitarbeitern zu haben. Das ist die Stärke vieler – keiner von uns hätte ohne unser gebündeltes Fachwissen den Mut gehabt, diese Herausforderung anzunehmen, und nichts davon wäre ohne die Initiative der Familie zustande gekommen, die das Projekt vorangetrieben und unterstützt hat.
