Bij ADOA wordt het afsterven van de oogzenuw meestal veroorzaakt door een fout in het OPA1-gen. Het OPA1-gen zorgt voor de productie van het OPA1-eiwit, wat belangrijk is voor goed functionerende oogzenuwcellen. Er zijn verschillende onderzoekers die erin slaagden om het OPA1-gen onder laboratoriumomstandigheden te bewerken. Dit is erg belangrijk, omdat het gerepareerde eiwit zowel de langzame celdood van de oogzenuw stopt, als de langzame achteruitgang van het gezichtsvermogen.

De hoofdgeneticus van een recente studie, professor Michael Cheetham van het University College London Institute of Ophthalmology, was bereid de studie in lekentermen samen te vatten, uit te leggen wat we van het onderzoek kunnen verwachten en hoe dit werk uiteindelijk kan bijdragen aan een medicijn tegen ADOA.

Kunt u het onderzoek in lekentaal beschrijven?
Erfelijke veranderingen in het OPA1-gen produceren een defect eiwit, wat leidt tot een lager energieniveau van de oogzenuwcellen en uiteindelijk celdood. Dit is de oorzaak van ADOA. Ons team corrigeerde de veranderingen in het gen door van patiënten stamcellen af te leiden, met behulp van de nieuw ontwikkelde CRISPR/CAS9-methode voor genbewerking. Correctie van de genmutatie zorgde voor herstel van het eiwit, verhoogde het energieniveau van de oogzenuwcellen en verminderde de celdood onder laboratoriumomstandigheden. 

Wat is de conclusie van het onderzoek in een of twee zinnen?
De studie toont aan dat het corrigeren van de erfelijke veranderingen in het gen de gebreken in de oogzenuwcellen kan voorkomen die door het defecte eiwit worden veroorzaakt. We hebben het OPA1-gen gecorrigeerd op de plek dat de ADOA+-mutatie veroorzaakt, en aangetoond dat de oogzenuwcellen inderdaad niet doodgaan.

Kunt u wat meer in detail uitleggen hoe u het OPA1-gen hebt bewerkt (technisch)?
Meestal wordt ADOA veroorzaakt door genetische fouten in het OPA1-gen. Het OPA1-gen codeert de aanmaak van een groot eiwit genaamd OPA1. Het OPA1 eiwit is in feite een schakelaar die de energieactiviteit van de oogzenuwcel regelt met behulp van een factor die GTP wordt genoemd. De veranderingen in OPA1 die ADOA veroorzaken zijn verspreid over het gen, beïnvloeden verschillende delen van het eiwit en betekenen meestal dat er geen eiwit wordt aangemaakt. Soms leiden spelfouten (die een bepaald soort bouwsteen verandert in een andere) in het deel van het eiwit dat aan GTP bindt tot productie van een defect eiwit. Het defecte eiwit kan dan de werking van het andere normale kopie van het eiwit beïnvloeden. In dit geval kunnen meer uiteenlopende symptomen ontstaan met andere aangetaste weefsels, dit is het geval bij mensen met ADOA+. Ook deze afwijking in het OPA1-eiwit hebben we in deze studie hebben gecorrigeerd. Dit is belangrijk omdat deze aanpak niet alleen die tweede benodigde kopie produceert, maar ook het defecte ‘slechte’ eiwit verwijdert en voorkomt dat het een slecht effect heeft op de oogzenuwcel.

Verschillende mutaties op het OPA1-gen kunnen ADOA veroorzaken. Echter hebben we ons in deze studie gericht op een zeer specifiek deel van het OPA1-gen om de OPA1-eiwitten te corrigeren. Dit is voornamelijk de manier waarop de CRISPR-technologie die we gebruikten, werkt – het is een geweldige doorbraak voor onderzoek omdat het ons onderzoekers in staat stelt om bijna overal in het genoom veranderingen aan te brengen. Met behulp van iets dat een RNA-gids wordt genoemd, dat een enzym Cas9 aanstuurt om op een specifieke plaats te knippen, en een reparatiesjabloon die vervolgens het beschadigde deel van het gen vervangt via een proces dat homologic directed repair (HDR) wordt genoemd. Deze HDR is iets wat cellen doen om fouten in hun DNA te corrigeren terwijl ze groeien.

Maar het nadeel van deze methode is dat deze heel specifiek is – dit is een benadering die voor iedere verschillenda DNA-verandering moet worden ontwikkeld en getest. Het goede nieuws is dat we onlangs andere wijzigingen in OPA1 hebben kunnen targeten met nieuwe handleidingen en reparatiesjablonen, maar de mogelijkheid om meerdere of verschillende doelen te targeten met dezelfde gids zou betekenen dat ze heel dicht bij elkaar zouden moeten liggen (en meestal is dat niet zo). Sommige van de overgeërfde wijzigingen in OPA1 komen echter vrij vaak voor, dus voor mensen die dezelfde afwijking hebben, kunnen dezelfde tools worden gebruikt.

Dat gezegd hebbende, zijn er pogingen om grote brokken genen op een minder specifieke manier te vervangen – maar deze zijn veel minder efficiënt en zijn nog niet uitgeprobeerd in OPA1.

Hoe kunnen deze resultaten bijdragen aan een medicijn tegen ADOA?
Nu hebben we een systeem opgezet om optische zenuwstamcellen te produceren met bewerkte genen. Die bieden de nodige infrastructuur voor verder onderzoek. We kunnen deze gen-bewerkte stamcellen gebruiken om oogzenuwcellen te maken in laboratoriumschaaltjes en ze gebruiken om het ziekteproces in een menselijke oogzenuwcel te begrijpen. Bij de zoektocht naar een behandeling kunnen we deze gen-bewerkte stamcellen ook gebruiken om vergelijkingen te maken met de originele patiëntencellen en om te testen hoe goed eventuele therapieën werken. Kortom, we zijn klaar om therapieën te gaan testen bij biotechbedrijven of andere academische laboratoria. We kunnen ook proberen efficiënte methoden te ontwikkelen om de veranderingen in optische zenuwcellen te bewerken.

Kan deze benadering worden uitgeprobeerd bij echte ADOA-patiënten?

Er zijn verschillende technologische uitdagingen voordat we deze therapie bij levende patiënten kunnen gebruiken. Echte oogzenuwcellen zijn geen stamcellen, en in dit onderzoek, voor de HDR-technologie is het nodig dat de cellen zich delen. Oogzenuwcellen bij een ADOA-patiënt delen zich niet langer, en daarom zou deze benadering zonder aanpassingen niet werken. We denken na over verschillende benaderingen om genen in een levende oogzenuwcel te herstellen, maar wetenschappers zoals wij staan nog in de beginfase bij het ontwikkelen van een praktische therapie.

Wat we zeker weten, is dat als we het gen repareren, het gerepareerde gen de celdood in stamcellen kan stoppen en we hopen dat hetzelfde zal gebeuren in de oogzenuw.

Verbetert zo’n genbewerking het gezichtsvermogen, of helpt het de retinale ganglioncellen alleen om (veel) langer te overleven? Dus kan een dergelijke gentherapie de visuele achteruitgang omkeren, of alleen het gezichtsvermogen stabiliseren?
Deze aanpak is vergelijkbaar met veel andere aanpakken die momenteel worden ontwikkeld en getest – het zou er in de eerste plaats op gericht zijn de oogzenuwcellen langer te laten overleven. Het is mogelijk dat als onderdeel hiervan de resterende oogzenuwcellen beter gaan functioneren en dat het gezichtsvermogen niet alleen wordt gestabiliseerd. Echter, deze aanpak kan geen cellen vervangen die al verloren zijn gegaan. Dus het zou beperkt nut hebben voor iemand die erg zwaar getroffen is door ADOA.

Blijkbaar is dit een zeer spannende ontwikkeling, die we de komende jaren gaan volgen!

Door Peter Makai