Gen Therapy's New Hope: Et neuron-targeting virus sparer spædbarns liv

Intet usædvanligt hopper ud på at møde Evelyn, en boblende næsten 3-årig med røde krøller, bortset fra at hun ikke bør være her, chatter med en besøgende i sin families stue og twirler i tights til Pharrell Williams sangen "Happy .”

Evelyns ældre søster Josephine havde spinal muskelatrofi type 1 (SMA1), en genetisk sygdom, der gradvist lammede babyer. Hun døde om 15 måneder. Evelyn var en uventet graviditet, men hendes forældre besluttede at få babyen trods en-i-fire odds for en anden tragedie.

Kort efter at Evelyn blev født i december 2014 blev de ødelagt for at lære af genetisk testning, at hun også havde SMA1. "Vi vidste, hvad vi havde at gøre med: Vi vil elske hende så længe vi kan", siger hendes far, Milan Villarreal. Men den samme nat lærte de frækt på internettet, at de havde lært om et klinisk forsøg i Ohio og sendte en email. Ved 8 uger gamle modtog Evelyn en genterapi behandling, der gav hendes krop et afgørende manglende protein.

Og nu er hun, ikke så forskellig fra en sund pædagog. Selvom hun har svage lår og ikke kan løbe normalt eller springe, kan hun gå hurtigt, danse, spore bogstaver, smide skumblokke, bære en lille stol og klatre op på sin mor Elena's skød. Efter hjerteskæringen af ​​at miste deres første baby, har Villarreals set i forbavselse, da Evelyn har gennemsøgt, gik og talte. "Det var bare et mirakel. Hver milepæl var som en fest. Vi åbnede en flaske vin for hver lille ting, hun gjorde, "siger Milan.

MIKE SHANAHAN

Resultaterne af prøven Evelyn deltog i har blæst væk genterapi forskere, også markere et af de engang bekymrede feltets mest dramatiske succeser endnu. Alle 15 babyer behandlet til SMA1, som forventes at dø efter 2 år, lever i 20 måneder eller ældre, og de fleste kan sidde op, ifølge en rapport i New England Journal of Medicine (NEJM) i denne uge. Ligesom Evelyn går en dreng. Selvom et lægemiddel, der for nylig er godkendt til SMA1, har opnået lignende virkninger, skal det injiceres i rygsøjlen hver 4. måned. Genterapien er beregnet som en engangsbehandling, og den er simpelthen infunderet i en vene. "Jeg har aldrig set en effekt [af genterapi], der er god i en dødelig sygdom," siger neurolog Jerry Mendell fra Nationwide Children's Hospital i Columbus, der ledede den nylige undersøgelse.

Nyheden tilføjer til de stigende formuer for genterapi. En behandling for en genetisk form for blindhed, som blev godkendt i sidste måned af et rådgivende panel for fødevare- og lægemiddeladministration i USA, er på vej til at være den første genterapi i USA, der er godkendt til en arvelig sygdom. I sidste måned rapporterede et hold i NEJM at at give drenge en transplantation af deres egne genetisk modificerede stamceller kunne stoppe en ødelæggende hjernesygdom. En genterapi på markedet i Europa helbrede børn med en livstruende immunforsvar, og andre i udvikling hjalp hæmofilier med at gå ud af blodstivende stoffer.

Men SMA1-studiet bryder jorden fordi det demonstrerer kraften i en ny vektor, et virus, der bærer et terapeutisk gen, der, infunderet i en vene, kan bære sin fragt til centralnervesystemet over den såkaldte blod-hjernebarriere. Tidligere havde indsats for behandling af neurologiske sygdomme med genterapi ofte manglende resultater, og leveringen af ​​vektoren krævede nogle gange boring af huller i en patients kranium. Nu har forskere en ubestridelig succes, der leverer genterapi til centralnervesystemet. Resultaterne afviser også frygt for, at oversvømmelse af blodbanen med virus kan føre til en anden tragedie som en teenagers død i en genterapiforsøg for 18 år siden, hvilket kastede marken i forvirring.

Den nye behandling er tilsyneladende sikkerhed og succes, der udfordrer andre forskere til at anvende genterapi leveret i en vene eller rygsøjlen til behandling af sjældne barndoms neurologiske og muskelsygdomme og endda almindelige voksne lidelser som Parkinsons sygdom. "Det åbner et helt nyt koncept til et område, der har været meget forsigtigt", siger Federico Mingozzi, der for nylig forlod den franske non-profit Généthon til at blive chefforsker i genterapi firmaet Spark Therapeutics i Philadelphia, Pennsylvania.

"Folk skal se tilbage og se dette som en milepæl i en ny type medicin, der vil få store konsekvenser for mange og mange sygdomme," tilføjer genterapiforsker Steven Gray fra University of North Carolina (UNC) i kapellet Bakke.

Først da dyr var patienterne, syntes behandling af neurologiske sygdomme med genterapi let. I 1990'erne injicerede forskere hjernen hos nyfødte mus, der var konstrueret til at have visse metaboliske sygdomme med virale vektorer, der bærer et manglende gen. Resultatet var "chokerende, det var så godt" minder om Mark Sands fra Washington University School of Medicine i St. Louis i Missouri. Men en mus hjerne er lille, tilføjer han. "Udfordringen var, hvordan du skalere op fra en mus hjerne, der vejer et halvt gram til et barns hjerne, der vejer 1000 gram. Det er en 2000-foldig skala i skalaen. Hvordan laver du det arbejde? "

Det viste sig, at forskere ikke kunne. I 1996 indsprøjtede et hold injiceret fedtpartikler, der indeholdt et helbredende gen i kranierne af to børn, der havde en hjernesygdom, der hedder Canavan-sygdom. Forskningen var kontroversiel, og det hjalp ikke patienterne. Nogle af de samme forskere behandlede senere 13 andre Canavan-patienter ved at kede seks huller i deres kranier og injicere en vektor udformet fra en tilsyneladende harmløs virus kendt som en adenoassocieret virus (AAV); et lignende AAV forsøg fandt sted for en anden alvorlig barndoms genetisk hjerneforstyrrelse, Batten sygdom.

Hverken behandling gjorde dog meget for langsom sygdom. Forskere i et forsøg med taiwanske børn, der var alvorligt handicappede fra en mangel på to hjernekemikalier, rapporterede betydelige fordele. Men resultaterne for andre sygdomme har været uensartede. Monkey-studier har antydet, at AAV-vektoren ikke diffunderer langt fra injektionsstederne, så det er ikke nok nok hjerneceller, der sandsynligvis modtog det nye gen. "De var heroiske bestræbelser på mange måder, men teknologien var ikke ideel," siger Gray.

En helt anden tilgang gav de eneste solide succeser i neurologisk sygdom. Forskere tog blodstamceller fra patienter, brugte modificeret HIV til at sy i et nyt gen og infunderede cellerne tilbage i patienterne. Nogle af cellerne migrerede derefter til hjernen og dannede neuron-støttende celler kaldet glia, der producerede et nødvendigt protein. I 15 drenge, stoppede denne "ex vivo" genterapi ifølge en undersøgelse, der blev offentliggjort sidste måned i NEJ, en dødelig sygdom kaldet adrenoleukodystrofi (ALD), som ødelægger myelinkappen omkring neuroner. Italienske genterapiforskere har rapporteret sammenlignelige resultater for en lignende behandling givet til unge patienter med hjerne sygdoms metakromatisk leukodystrofi.

Men ex vivo genterapi virker bedst for hjernens sygdomme forårsaget af manglende udskillet protein: Transplanterede celler kan erstatte det ved at kure molekylet for andre neurale celler til afhentning. For mange lidelser virker det manglende protein i celler, og derfor skal alle celler, der har brug for det, modtage vektoren.

(SOURCE) CLINICALTRIALS.GOV

Historien om den virale vektor, der synes at svare på dette behov, begynder med en død. I begyndelsen af ​​2000'erne blev en leder af feltet, genetiker James Wilson fra University of Pennsylvania (UPenn), tvunget til at omdirigere sin forskning. Wilson havde ledet 1999-prøven, hvor den 18-årige Jesse Gelsinger døde af en massiv immunreaktion på en potent adenovirusvektor, som han havde modtaget til behandling af hans leversygdom. Wilson, der havde en økonomisk interesse i retssagen, stod over for en retssag fra familien og en FDA-undersøgelse, og han sluttede til sidst et 5-årigt forbud mod at lede kliniske forsøg. Så han vendte sig mod at finde nye typer af AAV'er, som var sikrere end adenovirus og var blevet en populær vektor.

I 2004 rapporterede Guangping Gao og andre i Wilsons laboratorium, at de havde kæmmet gennem humane og primære væv og fundet mere end 100 nye AAV'er med "tropisme" eller præference for at inficere bestemte typer celler. En type, AAV9, var "i modsætning til enhver anden AAV. Når du injicerede det i blodet i en høj dosis, gik det overalt "-hjerte, muskel, hjernevæv - Wilson minder om. Mest afslappende var dets evne til at komme ind på neuroner, som er nøglen til at behandle mange hjerne- og rygsygdomme.

Andre forskere krypterede for at bekræfte AAV9s kærlighed til nervesystemet. I 2009 offentliggjorde et fransk team og labben fra Brian Kaspar på Nationwide separate papirer, der galvaniserede feltet: I intravenøs grad til nyfødte mus krydsede AAV9 blodhjernebarrieren - det stramme netværk af celler, der beskytter centralnervesystemet mod patogener og toksiner og inficerede neuroner gennem rygmarven og hjernen.

Da landsdækkende hold var klar til at prøve AAV9 hos mennesker valgte den at målrette SMA1, den mest almindelige genetiske dødsårsag hos babyer. Spædbørn med det mangler et fungerende SMN1-gen, der koder for et protein, der hedder overlevelsesmotorneuron (SMN), der opretholder spinalneuroner i hele livet. De fleste mennesker har flere kopier af et backup gen, SMN2, der kan producere små mængder af SMN, der begrænser sygdommens sværhedsgrad. Men de med SMA1 har kun to af disse backupgener og alt for lidt af det afgørende protein.

Babyer født med SMA1 er floppy og kan ikke suge godt eller løfte deres hoveder; fordi spinalmotorneuroner mangler, svækker deres muskler og på et tidspunkt kan de ikke længere trække vejret og dø. Et team ledet af Kaspar satte op til at udvikle en behandling ved at konstruere AAV9 til at bære SMN genet. De planlagde at injicere det intravenøst ​​efter at have vist, at nyfødte mus med SMA1, der blev behandlet på denne måde, havde normal motorfunktion og livslængder.

Men det ville sandsynligvis kræve massive mængder viral vektor. Fordi leverceller også er et yndlingsmål for AAV'er fjerner leveren de fleste AAV9 injiceret i blodet; meget af det resterende går til andre væv. Som følge heraf krydser mindre end 1% af den oprindelige dosis blodhjernebarrieren, Grey, mens han var postdoc med UNCs Jude Samulski. Baseret på den mængde, der var nødvendig for at behandle SMA1-mus, foreslog det landsdækkende team en terapeutisk dosis vektor 100 gange højere end nogensinde blevet injiceret i en patients blod i en genterapiforsøg.

Men test med aber foreslog, at dosen ville være sikker. FDA og det rådgivende udvalg for rekombinant DNA, National Institute of Health (NIH), som gennemgår de fleste amerikanske genterapiforsøg, godkendte undersøgelsen, som Nationwide og en fond var enige om at finansiere. (Et nyt selskab med medfødt af Kaspar ved navn AveXis finansierede de senere stadier af forsøget efter at have godkendt terapien fra Nationwide.)

Alligevel holdt mange genterapiforskere vejret og frygtede en anden Gelsinger-lignende katastrofe. "Det havde en række mennesker nervøse. Det var en enorm viral belastning, der blev givet til meget unge patienter, "siger Samulski.

Straks efter at den første baby modtog en testdosis af AAV9-terapi, steg leverenzymerne til 31 gange normale, hvilket signalerede mulig celleskader. "Jeg sov ikke godt den aften," siger Mendell. Men steroider bragte hurtigt niveauerne ned, og FDA rådede ham om at fortsætte, siger han. Tre andre spædbørn udviklede forhøjede leverenzymer, men der var ingen kliniske tegn på leverskade, og forsøget fortsatte.

Selvom forsøget primært var designet til at teste sikkerhedens sikkerhed, blev det hurtigt klart, at det introducerede gen svækkede spædbarnets atrofi. I stedet for at blive floppier og kæmper for at trække vejret blev de stærkere. Liggende på hendes mave begyndte Evelyn en dag at løfte hovedet, minder Elena Villarreal om. "Det var ligesom, det er det, det er umuligt med SMA1." I øjeblikket behøver kun otte af de 15 behandlede babyer hjælp fra en ansigtsmaske til at trække vejret. Og 11 af de 12, der fik den største af to AAV9-doser, hvoraf den ene blev behandlet sent, efter 6 måneder, kan sidde i det mindste kort uden hjælp, spise og tale. Matteo, en dreng i Miami, Florida, som fik terapi kun 27 dage efter fødslen, kan løbe og rammer normale udviklingsmiljøer, siger hans far, Derwin Almeida.

Resultaterne af forsøget er "bemærkelsesværdige", siger Charlotte Sumner, en SMA-forsker ved Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland. Et lægemiddel kaldet nusinersen, der består af en RNA-streng, der hjælper SMN2-genet, producerer mere protein, har haft en lige så imponerende effekt i SMA1-spædbørn i en igangværende undersøgelse, og den blev godkendt af FDA i december sidste år. Men genterapi er tiltalende på grund af den "endelige fordel", anfører Sumner.

Hvor længe behandlingen vil virke, er ukendt. I modsætning til hiv og andre vira, der anvendes til ex vivo genterapi, integrerer AAV'er ikke det terapeutiske gen i en celle genom; de deponerer det som en fritflydende sløjfe af DNA, hvilket betyder, at virkningerne kan gå tabt, da celler kopierer sig selv. Men neuroner opdeles ikke, så det behandlede væv bør fortsætte med at producere SMN protein i årevis, siger Kevin Flanigan, direktør for Nationwide's genterapi center.

Hvis genterapiens fordele efterhånden falmer, vil SMA1-patienterne have behov for genbehandling, og de har nu antistoffer mod AAV9, der kan hæmme det. Men landsdækkende forskere arbejder på modforanstaltninger, såsom filtrering af antistoffer fra blodet eller at give visse immunsupprimerende lægemidler, siger Mendell.

En anden fjern bekymring er kræft. Undersøgelser af Sands og andre har fundet ud af, at når nogle af AAV'erne giver IV-celler i store doser til nyfødte mus, kan de integrere deres DNA i genomet og forårsage levercancer. Sands bemærker, at forskere endnu ikke ved, om disse resultater er relevante for mennesker. Nogle genterapeuter er forsikrede om, at levercancer ikke har optrådt hos de hundredvis af patienter, der er udsat for AAV'er i tidligere genterapiforsøg.

AveXis har lanceret et andet SMA1-studie, og det planlægger også at behandle mildere former for tilstanden. Hvis forsøgene bærer løftet om terapien, vil det være en udfordring at producere tilstrækkelige doser til at imødekomme patienternes behov. Men en AveXis-talsmand siger, at en ny plante i nærheden af ​​Chicago, Illinois, burde have kapacitet til at producere doser til 500 SMA1-fødsler hvert år i USA og Europa. Virksomheden har endnu ikke lagt pris på behandlingen, men det vil sandsynligvis være dyregenerapatienter på markedet kommando op på $ 700.000 pr. Behandling.

WEILL CORNELL MEDICINE BRAIN AND SPINE CENTER

Nu, at den høje dosis, som systemisk leveret AAV-genterapi virker sikker, går teams på Nationwide og andre steder i gang med forsøg på andre neuromuskulære sygdomme, som vil sigte på at levere et nyt gen af ​​IV til muskelceller snarere end neuroner.

Forskere udforsker også det næste spørgsmål til AAV9: Kan det gå ud over at hjælpe spinal neuroner og nå dybt ind i hjernen på niveauer, der er høje nok til at standse sygdomme der? De første resultater kunne komme fra et løbende forsøg, sponsoreret af firmaet Abeona Therapeutics og drives af Nationwide, der bruger IV levering af en AAV9 genterapi til Sanfilippo type A syndrom. Børn med sygdommen mangler et enzym, der er nødvendigt for at nedbryde heparansulfat, et molekyle, der opbygges i hjernen og forårsager skade, der er tydeligt i alderen 2 til 6. Et år efter tre børn blev behandlet, blev niveauet af heparansulfat i deres spinalvæske er faldet kraftigt, deres forstørrede lever er krympet, og deres score på ikke-verbale kognitive tests ser ud til at være stabiliseret, har Flanigan rapporteret på møder.

Andre forsøg er baseret på AAV9's neuron-homing egenskaber, men administreres direkte til patientens centralnervesystem gennem en injektion i rygsvæsken ( se tabel ). Dette kræver færre vira end IV levering, så fremstillingen vil ikke være så meget af en hindring; det kan også virke bedre for ældre patienter, hvis blodhjernebarriere er mere udviklet end spædbørn '. Og spinal levering bør reducere ethvert immunrespons.

I den første test af denne strategi har en undersøgelse hos NIH givet otte patienter med en sygdom, der hedder kæmpe axonal neuropati, en AAV9 vektor indeholdende et erstatningsgen for den skyldige, som ødelægger axonsnervecellernes impulssenderende tendrils - og påvirker hjernen. Grå, hvis dyreforsøg i Samulskis laboratorium lagde grunden til retssagen, siger det er for tidligt at rapportere resultaterne. Men Lori Sames of Rexford, New York, hvis velgørende Hannah's Hope Fund støttede Greys forskning, siger, at hendes kørestolsbundne 13-årige datter Hannah, behandlet i juli 2016, har set nogle forbedringer: Hendes synstab er stabiliseret, og hun kan fodre sig selv og stå med støtte. "Vi er virkelig tilfredse med det vi ser," siger Sames.

For patienter med SMA1 og andre progressive lidelser er tidlig behandling kritisk. "Når neuroner er væk, er de væk", siger pædiatrisk neurolog Jonathan Mink fra University of Rochester Medical Center i New York. For øjeblikket er søsken af ​​børn, der allerede er ramt af disse genetiske sygdomme, mest sandsynligt identificeret tidligt nok til forebyggende behandling. Men patientgrupper opfordrer indtrængende til, at sygdomme som ALD og SMA tilføjes til nyfødte screeningstest, hvilket kunne udvide terapiens rækkevidde.

Nogle forskere forbliver skeptiske over for, at de nye, mindre invasive måder at levere AAV9 vil nå nok hjerneceller. "Jeg er i tvivl om, at det kommer til at være meget anvendeligt for andre lidelser," især i ældre børn, siger Ronald Crystal of Weill Cornell Medicine i New York City, som har brugt kranietilførsel til behandling af Batten-sygdom.

Andre genterapeuter sætter deres håb på at finde nye AAV-vektorer, der er endnu bedre at krydse blod-hjernebarrieren. En gruppe på California Institute of Technology i Pasadena har identificeret flere, herunder en AAV-variant, der krydser barrieren 40 gange mere effektivt end AAV9 hos mus. Voyager Therapeutics i Cambridge, Massachusetts, siger, at disse vektorer synes at virke i aber også, selv om disse data forbliver upubliceret.

Som glade for at genterapeuter er med SMA1-studiet, der gav Evelyns forældre deres dansende lille pige, vil de være ivrige efter at se, om den samme strategi kan spare flere børn med alvorlige genetiske sygdomme. Hvis det gør det, vil genterapiens sted i medicinens arsenal blive sikret. Siger Wilson: "dette var ikke en beskeden forbedring Dette er en transformationsændring. Det var det, vi altid havde håbet på, genterapi ville være. "

Nyheder fra videnskab, Af Jocelyn Kaiser 1. november 2017, 17:00

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