Wetenschappelijke achtergrond van de exon skip therapie

Duchenne spierdystrofie wordt veroorzaakt door de afwezigheid van functioneel dystrofine eiwit. Dystrofine is een eiwit dat een belangrijke schakel is tussen het skelet van spiervezels en de bindweefsel laag die spiervezels omhult. Het eiwit zorgt ervoor dat spiervezels worden beschermd tegen spierschade tijdens het bewegen (krimpen en weer langer worden van de spiervezel). Je kunt dystrofine voorstellen als het touw tussen een anker en een boot (zie Figuur 1). Hierbij is het voor het functioneren van het anker van belang dat het begin en het einde van het touw vast zitten aan respectievelijk het anker en de boot.

Figuur 1: Dystrofine fungeert als een soort anker.

De blauwdruk van het dystrofine eiwit ligt op het DMD (Duchenne muscular dystrophy) gen. De delen die de daadwerkelijke informatie bevatten die de cel nodig heeft om eiwitten te maken heten "exonen". Het DMD gen heeft 79 exonen (zie Figuur 2). Deze exonen passen als puzzelstukjes in elkaar en vormen zo de genetische code voor het dystrofine eiwit.

Figuur 2. De exonen van het DMD gen.

Bij Duchenne patiënten zit er een fout (mutatie) in het DMD gen. Meestal missen er een of meerdere exonen (een zogenaamde "deletie"). In het voorbeeld in Figuur 3 missen exon 48, 49 en 50.

Figuur 3. Een deletie van exon 48-50.
 

Als we inzoomen op het deel waar de fout zich bevindt, zien we dat exon 47 niet goed past op exon 51 (Figuur 4).

Figuur 4. Exon 47 past niet op exon 51.

Omdat exon 47 en exon 51 niet goed aansluiten, is de genetische code verbroken. Het gevolg is dat de blauwprint na exon 47 onleesbaar wordt en de aanmaak van het dystrofine eiwit stopt na dit exon. Omdat dystrofine een verbindingsfunctie heeft, is een half dystrofine eiwit totaal niet functioneel (zie Figuur 5).

Figuur 5. Door de fout in het DMD gen wordt alleen het begin van het dystrofine eiwit gemaakt. Hierdoor gaat de functie volledig verloren ("het touw zit niet meer vast aan de boot en deze vaart weg").
 

Door het gebrek aan functioneel dystrofine zijn de spiervezels van Duchenne patiënten veel gevoeliger voor spierschade. Met de gevolgen hiervan bent u allemaal bekend.

 

Het is ook mogelijk dat de fout in het DMD gen de genetische code niet verbreekt, zoals het voorbeeld in Figuur 6 en Figuur 7.

Figuur 6. Een deletie van exon 48-51.

Figuur 7. Exon 47 past op exon 52.

 

Exon 48, 49, 50 en 51 missen door de fout, maar omdat exon 52 op exon 47 past, is de genetische code niet verbroken. De blauwprint blijft dus leesbaar en het eiwit wordt gewoon afgemaakt. Het begin en het einde van het dystrofine eiwit zijn aanwezig, dus ook de verbinding tussen anker en boot, alleen in het midden mist een stukje (nl. het deel dat werd beschreven in exon 48-51). Dit dystrofine is deels functioneel (Figuur 8). Het touw is iets korter, maar de boot blijft op zijn plek.

 

Figuur 8. Een dystrofine eiwit dat in het midden wat korter is, is nog deels functioneel.

 

Fouten die de genetische code niet verstoren worden gevonden bij patiënten met Becker spierdystrofie. Omdat het dystrofine van deze patiënten deels functioneel is, zijn de spiervezels minder gevoelig voor schade dan bij Duchenne patiënten. Over het algemeen is het ziektebeloop bij deze patiënten dan ook minder ernstig.
Het doel van de exon skip aanpak is om de genetische code te herstellen voor Duchenne patiënten, zodat ze in plaats van een niet functioneel dystrofine een deels functioneel dystrofine kunnen maken. Hierdoor wordt de progressie van de ziekte hopelijk vertraagd of zelfs helemaal stopgezet.

 

Exonen kunnen worden geskipt door middel van zogenaamde antisense oligonucleotiden (AONs). Dit zijn kleine, synthetische stukjes aangepast DNA, die een specifiek exon afdekken (Figuur 9). Hierdoor wordt dit exon overgeslagen (geskipt) bij het samenstellen van de genetische code. In het voorbeeld van Figuur 9 leidt het skippen van exon 51 tot het herstel van de genetische code.

Figuur 9. Exon skippen voor een patient met een deletie van exon 48-50. Door de deletie wordt exon 47 aan exon 51 gezet in de genetische code. Dit past echter niet en de genetische code is verbroken (en de eiwit synthese wordt vroegtijdig gestopt). Door een AON gericht tegen exon 51 wordt dit exon afgeplakt en overgeslagen (geskipt) bij het samenvoegen van de genetische code. Hierdoor wordt exon 47 nu aan exon 52 gezet, wat past, dus de genetische code is hersteld en de eiwit synthese kan worden voltooid.

 

Resultaten tot nu toe (preklinisch)

 

Welk exon er geskipt moet worden om de genetische code te herstellen is afhankelijk van de mutatie. In samenwerking met Prosensa hebben we momenteel meer dan 150 AONs getest en AONs gevonden die 39 DMD exonen kunnen skippen. Dit kan de genetische code herstellen voor ~85% van alle patiënten. Omdat sommige mutaties vaker voorkomen dan andere, is het skippen van bepaalde exonen toepasbaar voor relatief grote groepen patiënten. Het beste voorbeeld is exon 51: het skippen van dit exon is toepasbaar voor 16% van alle patiënten. Andere exonen waarvan het skippen voor veel patiënten toepasbaar zijn, zijn exon 45 (11%), exon 53 (9.5%) en exon 44 (8%).
We hebben onze AONs getest in gekweekte cellen van Duchenne patiënten. Voor iedere patient zagen we na behandeling dat het beoogde exon werd geskipt en dat deels functioneel dystrofine werd geproduceerd. Tot slot is ook in het mdx muismodel (waar de genetische code van het muizen dystrofine is verbroken) aangetoond dat na AON behandeling het beoogde exon werd geskipt en dystrofine werd hersteld. Dit ging gepaard met een verbetering in spierfunctie in vergelijking met niet behandelde mdx muizen.

 

Resultaten van de eerste klinische studie

 

Naar aanleiding van de bemoedigende preklinische resultaten, heeft hebben Prosensa en het LUMC (Centrum voor Humane en Klinische Genetica en de Afdeling Neurologie) een klinische studie opgezet om deze therapie voor het eerst te testen in Duchenne patiënten. Hierbij werd bij vier patiënten een AON gericht tegen exon 51 (PRO051) lokaal ingespoten in de scheenbeen spier (tibialis anterior). Een maand na injectie werd een spierbiopt genomen uit het behandelde gebied. Voor iedere patient kon worden aangetoond dat exon 51 was geskipt en dystrofine produktie was hersteld in het grootste deel van de spiervezels in het biopt. Ook werd de behandeling goed verdragen door de patiënten (er werden geen ernstige bijwerkingen gevonden). Deze resultaten waren mooier dan we hadden durven hopen en zijn zeer bemoedigend voor vervolg studies.

 

En hoe nu verder?

 

De eerste klinische studie was nodig om aan te tonen dat de aanpak ook daadwerkelijk werkte in patiënten en goed verdragen werd, maar lokale toediening van AONs in alle spieren is niet toepasbaar. Daarom wordt er nu onderzoek gedaan door het LUMC en Prosensa naar manieren om AONs systemisch toe te dienen in het mdx muis model. Tevens worden door Prosensa voorbereidingen getroffen om PRO051 systemisch te testen in een klinische studie en wordt gewerkt aan de ontwikkeling van AONs om andere exonen te skippen (meer informatie op www.prosensa.nl) 

Heeft u nog vragen of is iets niet helemaal duidelijk, kunt u ons een email sturen.