Genterapis New Hope: ett Neuron-targeting Virus spädbarn livräddning

Inget ovanligt hoppar ut vid möte Evelyn, ett bubblig nästan-3-åring med röda lockar — förutom att hon inte borde vara här, chatta med en besökare i familjens vardagsrum, snurrande i hennes tights till Pharrell Williams sången ”Happy”.

Evelyns äldre syster Josephine hade spinal muskelatrofi typ 1 (SMA1), en genetisk sjukdom som gradvis paralyserar bebisar. Hon dog vid 15 månader. Evelyn var en oväntad graviditet, men hennes föräldrar beslutat att ha barnet trots en i fyra oddsen för en andra tragedi.

Snart efter Evelyn föddes i December 2014, var de förkrossad att lära av genetisk testning att hon även hade SMA1. ”Vi visste vad vi handlade: vi kommer att älska henne för så länge vi kan”, säger hennes far, Milano Villarreal. Men samma kväll, frenetiskt söka på internet, de lärde sig om en klinisk prövning i Ohio och skickade ett mail. Vid 8 veckor gammal fick Evelyn en gen terapi behandling som gav hennes kropp ett avgörande saknas protein.

Och nu hon är här inte så annorlunda från alla friska barn. Även om hon har svaga lår och inte kan köra normalt eller hoppa, kan hon gå snabbt, Dans, spåra bokstäver, slänga skum block, bära en liten stol och klättra upp på sin mor Elenas knä. Efter sorg att förlora deras första barn, har Villarreals såg i häpnad som Evelyn har kröp, gick och pratade. – Det var bara ett mirakel. Varje milstolpe var som en hyllning. ”Vi öppnade en flaska vin för varje liten sak som hon gjorde”, säger Milano.

MIKE SHANAHAN

Resultaten av den studie som Evelyn deltagit i har blåst bort genen terapi forskare, också, märkning en av en gång-sjukt fältets mest dramatiska framgångar ännu. Alla 15 spädbarn behandlas för SMA1, förväntas dö av ålder 2, är levande på 20 månader eller äldre, och de flesta kan sitta upp, enligt en rapport denna vecka i The New England Journal of Medicine (NEJM). En pojke som Evelyn, ligger inom gångavstånd. Även om en drog som nyligen godkänts för SMA1 har uppnått liknande effekter, måste det injiceras i ryggraden var 4 månader. I genterapi är avsedd som en engångsbehandling, och det är helt enkelt infunderas i en ven. ”Jag har aldrig sett en effekt [av genterapi] så bra i en dödlig sjukdom”, säger neurolog Jerry Mendell av rikstäckande barnsjukhuset i Columbus, som ledde den senaste prövningen.

Nyheter lägger till genterapi stigande öden. En behandling för en genetisk form av blindhet, godkändes förra månaden av en US Food and Drug Administration (FDA) rådgivande panel, är på väg att bli den första genterapin i USA godkänd för en ärftlig sjukdom. Förra månaden rapporterade ett team i NEJM att ge pojkarna en transplantation av egna genetiskt modifierade stamceller skulle kunna stoppa en förödande hjärnsjukdom. En genterapi på marknaden i Europa botade barnen med en livshotande immun sjukdom, och andra i utvecklingen hjälpt blödarsjuka slocknar efter blod-koagulering läkemedel.

Men den SMA1 studie bryter mark eftersom det visar kraften i en ny vektor, ett virus som bär en terapeutisk gen som infusion i en ven, kan bära sin last till det centrala nervsystemet, genom den så kallade blod - hjärnbarriären. Tidigare försök att behandla neurologiska sjukdomar med genterapi ofta hade lackluster resultat och leverera vektorn ibland krävs borra hål i en patients skalle. Forskare har nu en odiskutabla framgång att leverera genterapi i centrala nervsystemet. Resultaten också dämpa oro som översvämningar blodomloppet med virus kan leda till en annan tragedi som döden av en tonåring i en gen terapi rättegång 18 år sedan, som kastade fältet i oordning.

Den nya behandlingen skenbar säkerhet och framgång uppmuntrar andra forskare att använda genterapi som levereras i en ven eller ryggraden för att behandla sällsynta barn neurologiska och muskulära sjukdomar, och även vanliga vuxen sjukdomar såsom Parkinsons sjukdom. ”Det öppnar upp ett helt nytt koncept till ett fält som har varit mycket försiktiga”, säger Federico Mingozzi, som nyligen lämnade de franska ideell Généthon att bli vetenskapliga chefstjänsteman gen terapi företaget Spark Therapeutics i Philadelphia, Pennsylvania.

”Människor kommer att titta tillbaka och se detta som en milstolpe i en ny typ av läkemedel som kommer att få omfattande konsekvenser för massor av sjukdomar”, tillägger gen terapi forskaren Steven Gray av University of North Carolina (UNC) i Chapel Hill.

Först när djuren var patienterna, verkade behandling av neurologiska sjukdomar med genterapi lätt. På 1990-talet injiceras forskare hjärnan hos nyfödda möss konstruerad för att ha vissa metabola sjukdomar med virala vektorer bär en saknade genen. Resultatet var ”chockerande, det var så bra”, minns Mark Sands av Washington University School of Medicine i St Louis i Missouri. Men en mus hjärna är liten, tillägger han. ”Utmaningen var hur du skalar upp från en mus hjärna som väger ett halvt gram till barnets hjärna att vikter 1000 gram. Det är en 2000-fold skillnad i skala. Hur du gör detta arbete ”?

Det visade sig forskare kunde inte. 1996 injiceras ett team fett partiklar som innehåller en läkande gen i skallar av två barn som hade en störning i hjärnan som kallas Canavan sjukdom. Forskningen var kontroversiell, och det hjälpte inte patienterna. Några av samma forskare behandlas senare 13 fler Canavan patienter genom tråkigt sex hål i deras skallar och injicerar en vektor som hederliga från en tydligen ofarligt virus som kallas en adeno-associerade virus (AAV); en liknande AAV rättegången ägde rum för en annan svår barndom genetiska system för hjärnsjukdom, Batten disease.

Varken behandling gjorde mycket långsam sjukdom, dock. Forskare i en studie med taiwanesiska barn som var allvarligt handikappade från en brist på två hjärnan kemikalier rapporterar betydande fördelar. Men resultaten för andra sjukdomar har varit tvetydiga. Monkey studier har föreslagit att AAV vektorn inte diffus långt från injektionsställena, så inte tillräckligt hjärnceller som sannolikt fått den nya genen. ”De var heroiska insatser på många sätt, men tekniken var inte idealisk”, Gray säger.

En helt annan strategi gav endast solid framgångar på neurologisk sjukdom. Forskarna tog blod stamceller från patienter, används modified HIV att sy i en ny gen, och infunderas cellerna tillbaka till patienterna. Några av cellerna sedan migreras till hjärnan och bildade neuron-stödjande celler som kallas glia som producerat ett protein som behövs. I 15 pojkar, stannade enligt en studie som publicerades förra månaden i NEJM, denna ”ex vivo” genterapi en dödlig sjukdom som kallas adrenoleukodystrophy (ALD), som förstör myelinskidan runt nervceller. Italienska gen terapi forskarehar rapporterat jämförbara resultatför en liknande behandling ges till unga patienter med den hjärnan sjukdom metakromatisk leukodystrophy.

Men ex vivo genterapi fungerar bäst för hjärnans sjukdomar orsakade av bristen på utsöndrade proteinet: transplanterade celler kan ersätta det av spottar ut molekylen för andra neurala celler att plocka upp. För många sjukdomar, saknade proteinet fungerar inom celler och så alla celler som behöver det måste ta emot vektorn.

(KÄLLA)CLINICALTRIALS.GOV

Historien om virala vektorn som verkar svara på detta behov börjar med en död. I början av 2000 talet tvingades ledare för fältet, genetiker James Wilson av University of Pennsylvania (UPenn), omdirigera sin forskning. Wilson hade lett 1999 rättegången som 18-åring Jesse Gelsinger dog i en massiv immunreaktion till en potent adenovirus-vektor som han hade mottagit för att behandla sin leversjukdom. Wilson, som hade ett ekonomiskt intresse i rättegången, inför en rättegång av familjen och utredning FDA, och han gick så småningom till ett 5-års förbud mot ledande kliniska prövningar. Så vände han sig till att hitta nya typer av AAVs, som var säkrare än adenoviruses och hade blivit en populär vektor.

Under 2004 rapporterade Guangping Gao och andra i Wilsons lab att de hade kammat igenom mänskliga och primas vävnader och hittat mer än 100 nya AAVs med ”tropism” eller preferens, för infekterar specifika typer av celler. En typ, AAV9, var ”till skillnad från alla andra AAV. När du injiceras det i blodet vid höga doser, det gick överallt ”– hjärta, muskler, hjärnvävnad — Wilson påminner om. De flesta kittlande av alla var dess förmåga till hem i på nervceller, som är nyckeln till att behandla många hjärnan och spinal sjukdomar.

Andra forskare kodade att bekräfta AAV9's kärlek till nervsystemet. I 2009, en fransk lag och labbet av Brian Kaspar på Nationwide publiceras separat papper som galvaniserad fältet: AAV9 ges intravenöst till nyfödda möss, och korsade den blood - brain barriären — snäva nätverket av celler som skyddar nervsystemet från patogener och gifter – och infekterade nervceller i ryggmärgen och hjärnan.

När rikstäckande teamet var redo att prova AAV9 i personer, valde man att rikta SMA1, den vanligaste genetiska orsaken till dödsfall hos barn. Spädbarn med det saknar en fungerande SMN1-genen, som kodar för ett protein kallat survival motorneuron (SMN) som upprätthåller spinal nervceller under hela livet. De flesta människor har flera kopior av en backup gen, SMN2, som kan producera små mängder SMN, begränsa svårighetsgraden av sjukdomen. Men de med SMA1 har endast två av dessa backup gener, och alldeles för lite av proteinet avgörande.

Barn som föds med SMA1 kan inte är plumsa och suga väl eller lyfta sina huvuden; eftersom spinal motoriska nervceller saknas, musklerna försvagas och de vid någon punkt inte längre kan andas på egen hand och dö. En grupp ledd av Kaspar som anges för att utveckla en behandling av engineering AAV9 att bära genen SMN. De planerade att injicera det intravenöst, efter att ha visat att nyfödda möss med SMA1 som behandlades på detta sätt hade normala motorisk funktion och livslängd.

Men det skulle sannolikt kräva massiva mängder av virala vektorn. Eftersom levern celler är också en favorit mål av AAVs, levern tar bort de flesta AAV9 injiceras i blodet; Mycket av vad som återstår går till andra vävnader. Som ett resultat, beräknad mindre än 1% av den ursprungliga dosen korsar på blod - hjärnbarriären, grå medan han var anställd som postdoc hos UNC'S Jude Samulski. Baserat på det belopp som behövs för att behandla SMA1 möss, rikstäckande laget föreslog en terapeutisk dos av vector 100 gånger högre än någonsin hade varit injiceras i en patients blod i en rättegång genterapi.

Men tester med apor föreslog dosen skulle vara säkert. FDA och den rådgivande kommittén för rekombinant DNA, National Institutes of Health (NIH) kroppen som recensioner de flesta amerikanska genterapeutiska prövningar, godkända studien som rikstäckande och en stiftelse enats om att finansiera. (Ett nytt bolag grundade av Kaspar kallas AveXis finansierat de senare stadierna av rättegången efter licensiering terapin från Nationwide.)

Fortfarande, många gen terapi forskare höll andan, frukta en Gelsinger-liknande katastrof. ”Det hade ett antal människor nervösa. ”Det var en enorm viral load som ges till mycket unga patienter”, säger Samulski.

Snart efter det första barnet fått en testdos av AAV9 terapi, hennes leverenzymer skjutit i höjden till 31 gånger normal, signalering möjligt cellskador. ”Jag inte sov bra den natten”, säger Mendell. Men steroider snabbt fällde nivåerna, och FDA rådde honom att hålla igång, säger han. Tre andra spädbarn utvecklat förhöjda leverenzymer, men det fanns inga kliniska tecken på leverskada och rättegången fortsatte.

Även rättegången var främst avsedd att testa säkerheten av terapin, blev det snabbt klart att den införda genen bromsas upp spädbarnets atrofi. Istället för att bli floppier och kämpar för att andas, fick de starkare. Liggande på magen, Evelyn en dag började lyfta huvudet, Elena Villarreal påminner om. ”Det var som, det är det, det är omöjligt med SMA1”. Nu behöver bara åtta av de 15 behandlade barn hjälp från en ansiktsmask att andas. Och 11 av de 12 som fick den större av två AAV9 doser — varav behandlades sent, vid 6 månader — kan sitta minst kort utan hjälp, äta och tala. Matteo, en pojke i Miami, Florida, som fick behandlingen bara 27 dagar efter födseln, kan köra och slår normalt utvecklingsmässiga milstolpar, säger hans far, Derwin Almeida.

Resultaten av studien är ”anmärkningsvärt”, säger Charlotte Sumner, en SMA forskare vid Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland. En drog som kallas nusinersen, som består av en del av RNA som hjälper SMN2 genen producerar mer protein, har haftlika imponerande effekterSMA1 spädbarn i en pågående studie, och det godkändes av FDA i December. Men genterapi är tilltalande på grund av ”en-och-gjort nytta”, Sumner anteckningar.

Det är okänt hur länge behandling fungerar. Till skillnad från HIV och andra virus som används för ex vivo genterapi, integrera AAVs inte terapeutiska genen i cellens arvsmassa; de sätter in det som en fritt flytande loop av DNA, vilket innebär att effekterna kan förloras när celler kopierar sig själva. Men nervceller inte dela upp, så den behandlade vävnaden bör hålla producera SMN protein i år, säger Kevin Flanigan, chef för Nationwide's gene therapy center.

Om den genterapi fördelar så småningom blekna, SMA1 patienterna skulle behöva upprepad behandling och de nu har antikroppar mot AAV9 som kan hindra den. Men rikstäckande forskare arbetar på motåtgärder, såsom filtrering antikroppar från blodet eller ge vissa Immunosuppressiva läkemedel, Mendell säger.

En annan avlägsen oro är cancer. Studier av Sands och andra har funnit att när ges av IV i stora doser till nyfödda möss, vissa AAVs kan integrera deras DNA i genomet och orsaka levercancer. Sands anteckningar att forskarna inte ännu veta huruvida dessa resultat är relevant för människa. Vissa gene terapeuter är lugnade att levercancer inte har medverkat i hundratals patienter som exponerats för AAVs i senaste genterapeutiska prövningar.

AveXis har lanserat en andra SMA1 studie, och kommissionen planerar också att behandla lindrigare former av sjukdomen. Om försöken bär ut löftet om terapin, behov producerar tillräckligt doser för att möta patienternas blir en utmaning. Men en AveXis talesman säger en ny anläggning nära Chicago, Illinois, bör ha kapacitet att producera doser för 500 SMA1 födelserna varje år i USA och Europa. Företaget har ännu inte sätta en prislapp på behandling, men det kommer sannolikt bli dyrt — genterapi på kommandot marknaden uppåt $700,000 per behandling.

WEILL CORNELL MEDICIN HJÄRNAN OCH SPINE CENTER

Nu när högdos, systemiskt levereras AAV genterapi visas säker, team på Nationwide och lanserar annorstädes prövningar för andra neuromuskulära sjukdomar, som syftar till att leverera en ny Gen IV till muskelcellerna i stället för nervceller.

Forskare undersöker också nästa fråga för AAV9: kan det gå längre än att hjälpa spinal nervceller och nå djupt in i hjärnan på nivåer som är tillräckligt hög för att stoppa sjukdomar där? De första resultaten kan komma från en pågående studie, sponsrad av företaget Abeona Therapeutics och drivs av Nationwide, som använder IV leverans av en AAV9 genterapi för Sanfilippo typ A syndrom. Barn med sjukdomen avsaknaden ett enzym som behövs för att bryta ner heparansulfat sulfat, en molekyl som byggs upp i hjärnan och orsakar skador som är uppenbart på åldrarna 2 till 6. Ett år efter tre barn behandlades, nivåerna av heparansulfat sulfat i deras ryggmärgsvätskan har sjunkit kraftigt, deras utvidgade lever har krympt och sina poäng på icke-verbal kognitiva tester verkar ha stabiliserats, har Flanigan rapporterat vid möten.

Andra prövningar lita på AAV9's neuron-homing boenden men administrera det direkt till en patients centrala nervsystemet genom en injektion i den spinal vätska (Se tabell). Detta kräver färre virus än IV leverans, så att tillverkning inte så mycket ett hinder; Det kan också fungera bättre för äldre patienter, vars blod - hjärnbarriären är mer utvecklade än spädbarn. Och spinal leverans bör minska eventuella immunsvar.

I det första testet av denna strategi, en rättegång vid NIH har få åtta patienter med en sjukdom som heter giant axonal neuropati en AAV9 vektor som innehåller en gen som ersättning för ett fel, som förstör axoner — nervceller impuls-sändning rankor — och påverkar hjärnan. Gray, vars djurstudier i Samulskis lab grunden för rättegången, säger att det är för tidigt att rapportera resultat. Men Lori Sames Rexford, New York, vars kärlek Hannahs hopp Fund stöds Grays forskning, säger att rullstolsbundna, 13-åriga dottern Hannah, behandlas i juli 2016, har sett några förbättringar: hennes synförlust har stabiliserats, och hon kan mata själv och stå med stöd. ”Vi är verkligen nöjda med vad vi ser”, säger Sames.

För patienter med SMA1 och andra progressiva sjukdomar är tidig behandling avgörande. – När nervceller är borta, de är borta, säger barnneurolog Jonathan Mink av University of Rochester Medical Center i New York. För nu är syskon barn redan drabbats av dessa genetiska sjukdomar mest sannolikt att identifieras tidigt nog för förebyggande behandling. Men patientgrupper uppmanar att sjukdomar som ALD och SMA läggas till nyfödda screeningtest, som kunde utöka terapins reach.

Vissa forskare är fortfarande skeptisk att den nya, mindre invasiv sätten leverera AAV9 kommer att nå tillräckligt hjärnceller. ”Jag har mina tvivel om att det kommer att vara allmänt tillämpliga på andra sjukdomar”, särskilt hos äldre barn, säger Ronald Crystal Weill Cornell läkemedel i New York City, som har använt skalle leverans för att behandla Batten disease.

Andra gen terapeuter sätter sitt hopp till att hitta nya AAV vektorer som är ännu bättre på att korsa den blod - hjärnbarriären. En grupp vid California Institute of Technology i Pasadena har identifierat flera, inklusive en AAV variant som korsar barriären 40 gånger mer effektivt än AAV9 i möss. Voyager Therapeutics i Cambridge, Massachusetts, säger dessa vektorer verkar fungera hos apor, också, även om dessa data förbli opublicerade.

Som glada eftersom genen terapeuter med SMA1 studien som gav Evelyns föräldrar deras dansande liten flicka, kommer de titta på ängsligt att se om samma strategi kan spara fler barn med svåra genetiska sjukdomar. Om den gör kommer att genterapis plats i medicine's arsenal vara säker. Säger han: ”detta var inte en blygsam förbättring. Detta är en omvälvande förändring. ”Det är vad vi hade alltid hoppats genterapi skulle vara”.

Nyheter från vetenskap, avJocelyn Kaiser1 nov 2017, 5:00 PM

http://www.sciencemag.org/news/2017/11/Gene-Therapy-s-New-Hope-neuron-targeting-virus-Saving-Infant-Lives