Handboek Katholieke Medische Ethiek - Hoofdstuk IV

on-line editie vanaf 2019 onder redactie van dr. W.J. kardinaal Eijk, dr. L.J.M. Hendriks en prof.dr. F.J. van Ittersum

Ⓒ Katholieke Stichting Medische Ethiek 2019 - 2025

IV.4.1 Somatische gentherapie – de actuele stand van zaken

W.J. Eijk en E. Garcia Gronzalez

Genmodificatie betreft in het algemeen het wijzigen of verwijderen van een stukje DNA (DNA-sequentie) van cellen van een bepaald weefsel of orgaan of het inbrengen van stukjes DNA om gewenste effecten te verkrijgen, zoals het wijzigen en repareren van een afwijkend eiwit of om produceren van schadelijke eiwitten te voorkomen.
In principe kan genmodificatie op drie manieren plaatsvinden:

  1. Normale kopieën van het ontbrekende of afwijkende gen die de code bevatten voor het ontbrekende eiwit inbrengen in lichaamscellen die daarvoor in aanmerking komen. Als alternatief kan een gen worden geïntroduceerd dat instructies geeft voor het maken van een eiwit dat ervoor zorgt dat de cel normaal functioneert, ondanks de genetische afwijking. Om het inbrengen van het gen te vergemakkelijken wordt het verbonden met een virus, ook virale vector genoemd, die zelf onschadelijk is gemaakt (virussen repliceren zich bij infectie door hun genetisch materiaal (DNA of RNA) te laten inbouwen in het DNA van de gastheercel).
  2. Een afwijkend gen of een gedeelte (nucleotiden) van dat gen repareren door middel van homologe recombinatie. Hierbij wordt een normaal stukje DNA toegevoegd dat in het DNA van de cellen wordt geïncorporeerd. Bij deze techniek wordt gebruik gemaakt van eiwit-enzymen of eiwit-RNA-combinaties die unieke nucleotidesequenties herkennen en ervoor zorgen dat de cellen het ingebrachte DNA in hun DNA incorporeren (zinc-finger nucleases, Crispr Cas of gene targeting), (zie Hoofdstuk III.5.2.1.). Het ingebrachte stukje DNA komt gedeeltelijk overeen met het stukje DNA in de cellen dat een genetische afwijking heeft en gerepareerd moet worden.
  3. Een afwijkend gen dat verantwoordelijk is voor de productie van een schadelijk eiwit te verwijderen of uit te schakelen. Hiervoor wordt vaak gebruik gemaakt van de hulp van RNA –interferenten).

Gentherapie kan worden toegepast met behulp van verschillende strategieën:
Ex vivo: De cellen die gerepareerd moeten worden, worden uit een patiënt verwijderd, in het laboratorium gerepareerd en weer teruggeplaatst in het lichaam van de patiënt.
In situ: Het gen wordt direct in de cellen van het eigen defecte orgaan ingebracht.
In vivo: De normale kopie van het gen wordt direct in het lichaam van de patiënt toegediend, bijvoorbeeld door injectie in de bloedbaan of door inademing.

De Ex vivo methode blijkt het meest efficiënt te zijn en wordt dan ook vaak gebruikt. Deze is echter slechts toepasbaar als de cellen in het lichaam het weefsel of orgaan kunnen bereiken, waarop de gentherapie is gericht. Een nadeel van in situ en in vivo methodes is de moeilijkheid om de beoogde cellen te bereiken waardoor deze methodes minder effectief en betrouwbaar zijn.

Bij de toepassing van genetische therapie moet rekening worden gehouden met zowel het mogelijke effect van het nieuwe gen als de reactie van het orgaan of “gastweefsel” op de introductie van het gemodificeerde gen.

De eerste klinische experimenten met genmodificatie als therapie voor de behandeling van genetische ziekten bij mensen dateren uit 1990. [1M. Kiuru and R.G. Crystal. Progress and prospects: gene therapy for performance and appearance enhancement. Gene Ther. 20080124 ed., 2008, 15, 5, 329-337, https://doi.org/10.1038/sj.gt.3303100.] [2J.J. Suaudeau. Possibilités actuelles d’intervention génétique dans le domaine des maladies héréditaires. In: Laffitte L, Carrasco de Paula I, editors. La Génétique, au risque de l’eugénisme? XV Assemblée Générale de l’Académie pour la Vie (20-21 februari 2009), Citta del Vaticano: Libreria Editrice Vaticana, 2010, 49-90.] Het betrof de behandeling van een vorm van Severe Combined Immuno Deficiency die wordt veroorzaakt door het ontbreken van het enzym adenosine deaminase (ADA). Bij deze aandoening functioneert het immuunsysteem niet adequaat, waardoor patiënten meestal in hun eerste levensjaar na de geboorte aan ernstige infecties overlijden. De genen voor de productie van ADA werden door middel van een retrovirus in vivo ingebracht in T-lymfocyten van de patiënten.. Na enkele verbeteringen van de toegepaste methode in 2002 bleek deze gentherapie efficiënt.

In de eerste jaren werd aangenomen dat gentherapie weinig risico’s met zich meebracht. Daar kwam in 1999 verandering in, toen een jonge man van 18 jaar (Jesse Gelsinger) overleed door een complicatie van gentherapie. Hij leed aan een deficiëntie van het enzym ornithine carbamyl transferase, waardoor zich een toxische hoeveelheid ammoniak in het lichaam ophoopt. Het gevolg is een hyperammoniakale encefalopathie: 75% van de homozygote jongens sterft als kind aan deze aandoening. Het gen coderend voor het ontbrekend enzym werd, gekoppeld aan een adenovirus, geïnjecteerd in de lever via de rechter leverarterie. Men wilde dat de deelnemers aan de trial een informed consent zouden geven. Bijgevolg kwamen alleen deelnemers met een lichtere variant van de aandoening in aanmerking, omdat alleen zij de leeftijd konden bereiken waarop het mogelijk was een informed consent te geven. Gelsinger had een redelijke conditie door een eiwitarm dieet en voedingssupplementen. Desondanks nam hij vrijwillig deel aan de trial in de hoop eenmaal behandeld een normaal leven te kunnen leiden. Vier dagen na de toediening van het gen gekoppeld aan het retrovirus, overleed hij onverwacht aan een foudroyante virusinfectie die praktisch alle organen aantastte [3S. Lehrman. Virus treatment questioned after gene therapy death. Nature, 1999, 401, 6753, 517-518, https://doi.org/10.1038/43977.] .

Een eveneens ernstige complicatie van gentherapie manifesteerde zich in 2002. Het ging om een vorm van X-gebonden Severe Combined Immuno Deficiency, die alleen bij mannelijk pasgeborenen voorkomt en binnen het eerste levensjaar als gevolg van infecties tot de dood voert. De ziekte kenmerkte zich door een ernstig gebrek, bijna een afwezigheid van T-lymfocyten en Natural Killer Cellen en een disfunctie van B-lymfocyten, cellen die bij afweer tegen infecties een sleutelrol vervullen. Tussen 1999, het jaar waarin de trial begon, en 2002 waren de resultaten gunstig. De toediening ex vivo in beenmergcellen van het gen coderend voor het ontbrekend eiwit, gekoppeld aan een retrovirus, leidde tot een herstel van het aantal T-lymfocyten en Natural Killer cellen en tot normalisering van de functie van B-lymfocyten. Ook verbeterde de conditie van de deelnemers aanzienlijk. Na enkele jaren behandeling manifesteerde zich bij een aantal aldus behandelde patiënten een ernstige vorm van lymfocytaire leukemie (uitgaand van T-cellen) als gevolg van de insertie van het vectorvirus in een oncogen dat de oorzaak is van leukemie bij kinderen, en van andere mutaties [4S.J. Howe, M.R. Mansour, K. Schwarzwaelder, C. Bartholomae, M. Hubank, H. Kempski, M.H. Brugman, K. Pike-Overzet, S.J. Chatters, D. de Ridder, K.C. Gilmour, S. Adams, S.I. Thornhill, K.L. Parsley, F.J. Staal, R.E. Gale, D.C. Linch, J. Bayford, L. Brown, M. Quaye, C. Kinnon, P. Ancliff, D.K. Webb, M. Schmidt, C. von Kalle, H.B. Gaspar and A.J. Thrasher. Insertional mutagenesis combined with acquired somatic mutations causes leukemogenesis following gene therapy of SCID-X1 patients. J Clin Invest, 2008, 118, 9, 3143-3150, https://doi.org/10.1172/JCI35798.].

Nieuwe horizonten zijn opengegaan door de ontwikkeling van andere technieken die gericht zijn om de genexpressie voor het maken van eiwitten aan te passen.

Gentherapie op basis van cellen

CAR-T-celtherapie (of chimere antigen receptor T-celtherapie) is een voorbeeld van celgebaseerde gentherapie. Dit type behandeling combineert de technologieën van gentherapie en celtherapie. Celtherapie maakt gebruik van cellen met een bepaalde functie om een aandoening te helpen behandelen. Bij celtherapie zijn cellen genetisch aangepast zodat ze een bepaalde functie kunnen uitvoeren. Bij CAR-T-celtherapie wordt het CAR-gen in T-cellen van de patiënt in vitro ingebracht zodat deze een eiwit maken dat het antigenen op het oppervlak van kankercellen herkent de zogenaamde chimere antigen receptor (CAR). Op deze manier kunnen T-cellen kankercellen herkennen en gericht aanvallen.

Epigenetische therapie

Een andere gen-gerelateerde therapie, epigenetische therapie genaamd, is gericht op epigenetische veranderingen in cellen. Epigenetische mutaties zijn specifieke modificaties (vaak “tags” genoemd) in het DNA die bepalen welke genen worden in- of uitgeschakeld. Abnormale patronen van epigenetische mutaties veranderen de genactiviteit en daarmee de eiwitproductie. Epigenetische therapieën worden gebruikt om epigenetische fouten achter genetische aandoeningen te corrigeren. [5Y. Lu, Y.T. Chan, H.Y. Tan, S. Li, N. Wang and Y. Feng. Epigenetic regulation in human cancer: the potential role of epi-drug in cancer therapy. Mol Cancer. 20200427 ed., 2020, 19, 1, 79, https://doi.org/10.1186/s12943-020-01197-3.]

RNA-therapie

RNA-therapie maakt gebruik van synthetische of gemodificeerde RNA-moleculen om de genexpressie te richten en te reguleren. Met andere woorden, het legt genen het zwijgen op en onderdrukt het transcriptieproces. De belangrijkste theorie achter RNA-therapie is dat RNA-moleculen de vertaling naar eiwitten kunnen voorkomen door zich te binden aan specifieke boodschapper-RNA (mRNA) moleculen. Door zich te richten op ziektegerelateerde mRNA-moleculen kan RNA-therapie de ontwikkeling van schadelijke eiwitten effectief tot zwijgen brengen of verminderen.

Een aantal technieken, RNA-therapieën genoemd, maken gebruik van stukjes RNA om een aandoening te behandelen. Bij de meeste van deze technieken werken de stukjes RNA samen met een molecuul dat boodschapper-RNA (of mRNA) wordt genoemd. Het mRNA in cellen gebruikt de informatie in de genen om een blauwdruk te maken voor het maken van eiwitten. Door de interactie met mRNA kunnen deze therapieën de hoeveelheid eiwitten die uit een gen worden geproduceerd beïnvloeden, zodat de effecten van een genetische afwijking kunnen worden gecompenseerd. Voorbeelden van deze RNA-therapieën zijn antisense oligonucleotide (ASO), small interfering RNA (siRNA) en microRNA (miRNA) therapieën. Een RNA-therapie die RNA aptameer therapie wordt genoemd, introduceert kleine stukjes RNA die zich direct aan eiwitten hechten om hun functies te veranderen. [6Y.K. Kim. RNA Therapy: Current Status and Future Potential. Chonnam Med J. 20200525 ed., 2020, 56, 2, 87-93, https://doi.org/10.4068/cmj.2020.56.2.87.]

De meest efficiënt RNA-therapie die veel succes heeft geboekt in het gericht repareren en vervangen van genetische afwijkingen een veel preciezere techniek om genen te veranderen en relatief weinig risico’s met zich meebrengt is CRISPR-Cas9. Crispr staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats en 9 verwijst naar het Cas9-eiwit dat het DNA van de cellen knipt op de doellocatie. Hoewel Cas9 het meest gebruikte enzym is, kunnen ook andere enzymen, zoals Cpf1, worden gebruikt. Zodra het DNA is geknipt, wordt de eigen DNA-herstelmechanismen van de cel gebruikt om stukjes genetisch materiaal toe te voegen of te verwijderen of om wijzigingen in het DNA aan te brengen door een gen of stuk DNA dat in de cellen wordt ingebracht. Het CRISPR-systeem wordt in het algemeen beschreven als een rudimentair immuunsysteem in bacteriën waarmee deze zich tegen infecties door bacteriofagen beschermen. Wanneer bacteriën worden besmet door een bacteriofaag kopiëren en integreren zij het virale DNA in een regio van hun eigen genoom, wat de Crispr regio wordt benoemd. Deze regio bestaat uit korte stukjes van het eigen DNA en ingebouwde stukjes van het virale DNA. waardoor het wordt doorgegeven aan de volgende generaties bacteriën. Dit fragment zal dienen als een “geheugen” om nieuwe infectie met diezelfde virussen snel te herkennen en onschadelijk te maken. Als de bacteriofaag een bacteriekolonie op nieuw infecteert dienen de geïntegreerde virale fragmenten als een soort gids bij het maken van een ribonucleoproteïnecomplex dat bestaat uit Cas-eiwitten die een klein crRNA dragen (“cr” voor CRISPR) (crRNA/Cas complex). Het Cas9 eiwit gebruikt de crRNA-sequenties om het virale DNA in het DNA de bacterie op te sporen, Wanneer een match wordt gevonden tussen het nieuwe virus-DNA dat de bacterie is binnengedrongen en het DNA dat was opgeslagen in de bacterie kan cas9 het DNA van het binnengedrongen virus kapot knippen en daarmee onschadelijk maken. Zo wordt de bacterie genetisch beschermd tegen het ooit eerder binnengedrongen virus.

De ontdekking van het CRISPR-Cas9 systeem leverde Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier de Nobelprijs voor Scheikunde op in 2020. [7E. Charpentier and J.A. Doudna. Genetic scissors: a tool for rewriting the code of life The Nobel Prize. The Nobel Prize in Chemistry 2020: The Royal Swedish Academy of Sciences 2020, 1-4.] Het CRISPR-Cas9 systeem is uitvoerig bestudeerd, aangepast en gewijzigd, waardoor het kan worden gebruikt bij mensen [8H. Frangoul, D. Altshuler, M.D. Cappellini, Y.S. Chen, J. Domm, B.K. Eustace, J. Foell, J. de la Fuente, S. Grupp, R. Handgretinger, T.W. Ho, A. Kattamis, A. Kernytsky, J. Lekstrom-Himes, A.M. Li, F. Locatelli, M.Y. Mapara, M. de Montalembert, D. Rondelli, A. Sharma, S. Sheth, S. Soni, M.H. Steinberg, D. Wall, A. Yen and S. Corbacioglu. CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and beta-Thalassemia. N Engl J Med. 20201205 ed., 2021, 384, 3, 252-260, https://doi.org/10.1056/NEJMoa2031054.] en dieren. Tegenwoordig maakt CRISPR niet alleen het doorknippen en inactiveren van genen mogelijk, maar ook het bewerken en repareren van genen, op een eenvoudige, effectieve en specifieke manier. [9E.I. Leonova and R.R. Gainetdinov. CRISPR/Cas9 Technology in Translational Biomedicine. Cell Physiol Biochem, 2020, 54, 3, 354-370, https://doi.org/10.33594/000000224.] De combinatie van CRISPR en adenovirale vectoren belooft een grote vooruitgang in de gentherapie, met mogelijk gebruik bij het genezen van HIV-infectie en erfelijke genetische syndromen.

Ook al is CRISPR efficiënter en veiliger dan andere methoden voor gentherapie, het systeem is niet 100% betrouwbaar, omdat het risico bestaat dat het systeem de verkeerde sequence in het DNA herkent. Dit staat bekend als “off-target” effecten. Deze onbedoelde effecten kunnen schadelijk zijn en bijvoorbeeld kanker kan veroorzaken [10J. Tao, Q. Wang, C. Mendez-Dorantes, K.H. Burns and R. Chiarle. Frequency and mechanisms of LINE-1 retrotransposon insertions at CRISPR/Cas9 sites. Nat Commun. 20220627 ed., 2022, 13, 1, 3685, https://doi.org/10.1038/s41467-022-31322-3.]. Wetenschappers proberen nieuwe versies van CRISPR te ontwikkelen die minder off-target effecten hebben en de veiligheid van de technologie verbeteren voor zowel therapeutisch gebruik als andere toepassingen. Het gebruik van andere Crispr-Cas systemen naast Crispr-Cas9 blijkt de specificiteit van gentherapie te verhogen zoals de f1 (74), [11D. Kim, J. Kim, J.K. Hur, K.W. Been, S.H. Yoon and J.S. Kim. Genome-wide analysis reveals specificities of Cpf1 endonucleases in human cells. Nat Biotechnol. 20160606 ed., 2016, 34, 8, 863-868, https://doi.org/10.1038/nbt.3609.] [12D. Kim, J. Kim, J.K. Hur, K.W. Been, S.H. Yoon and J.S. Kim. Erratum: Genome-wide analysis reveals specificities of Cpf1 endonucleases in human cells. Nat Biotechnol, 2016, 34, 8, 888, https://doi.org/10.1038/nbt0816-888a.] C2c1, C2c2 en C2C3-eiwitten [13K. Chaudhary, A. Chattopadhyay and D. Pratap. The evolution of CRISPR/Cas9 and their cousins: hope or hype? Biotechnol Lett, 2018, 40, 3, 465-477.]. Andere recente ontwikkelingen zijn de introductie van alternatieve CRISPR-systemen, zoals Cas12 en Cas13 [14B. Zetsche, J.S. Gootenberg, O.O. Abudayyeh, I.M. Slaymaker, K.S. Makarova, P. Essletzbichler, S.E. Volz, J. Joung, J. van der Oost, A. Regev, E.V. Koonin and F. Zhang. Cpf1 is a single RNA-guided endonuclease of a class 2 CRISPR-Cas system. Cell. 20150925 ed., 2015, 163, 3, 759-771, https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.09.038.] [15J.S. Chen, E. Ma, L.B. Harrington, M. Da Costa, X. Tian, J.M. Palefsky and J.A. Doudna. CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity. Science. 20180215 ed., 2018, 360, 6387, 436-439, https://doi.org/10.1126/science.aar6245.] en Cas 14. [16D.F. Savage. Cas14: Big Advances from Small CRISPR Proteins. Biochemistry. 20190211 ed., 2019, 58, 8, 1024-1025, https://doi.org/10.1021/acs.biochem.9b00035.] Naast het risico op off-target effecten zijn er andere wetenschappelijke uitdagingen die verder onderzocht moeten worden: mosaicism, onbekende epigenetische effecten en de langetermijngevolgen van off-target effecten. Hierbij speelt mee dat de rol en de functie van de grote hoeveelheden niet-coderend DNA ‘junk-DNA’ (sequenties die niet coderen voor genen) onduidelijk is.. Dit betreft meer dan 95% van het menselijk genoom. Er zijn echter steeds meer aanwijzingen dat delen van deze sequenties een belangrijke functie hebben. (Ball P 2013). [17P. Ball. DNA: Celebrate the unknowns. Nature, 2013, 496, 7446, 419-420, https://doi.org/10.1038/496419a.]

Toch wordt gentherapie al met succes toegepast voor de behandeling van genetisch erfelijke (monogenetische) ziekten, onder andere severe combined immunodeficiency (SCID) [18M. Cavazzana-Calvo, S. Hacein-Bey, G. de Saint Basile, F. Gross, E. Yvon, P. Nusbaum, F. Selz, C. Hue, S. Certain, J.L. Casanova, P. Bousso, F.L. Deist and A. Fischer. Gene therapy of human severe combined immunodeficiency (SCID)-X1 disease. Science, 2000, 288, 5466, 669-672, https://doi.org/10.1126/science.288.5466.669.] [19L.A. Kohn and D.B. Kohn. Gene Therapies for Primary Immune Deficiencies. Front Immunol. 20210225 ed., 2021, 12, 648951, https://doi.org/10.3389/fimmu.2021.648951.] spinale musculaire atrofie, spierdystrofie van Duchenne, α-1-antitrypsine deficiëntie, junctionele epidermiolysis bullosa, aandoeningen aan meerdere orgaansystemen, waaronder de lever, hersenen en ogen [20A.C. Nathwani, E.G. Tuddenham, S. Rangarajan, C. Rosales, J. McIntosh, D.C. Linch, P. Chowdary, A. Riddell, A.J. Pie, C. Harrington, J. O’Beirne, K. Smith, J. Pasi, B. Glader, P. Rustagi, C.Y. Ng, M.A. Kay, J. Zhou, Y. Spence, C.L. Morton, J. Allay, J. Coleman, S. Sleep, J.M. Cunningham, D. Srivastava, E. Basner-Tschakarjan, F. Mingozzi, K.A. High, J.T. Gray, U.M. Reiss, A.W. Nienhuis and A.M. Davidoff. Adenovirus-associated virus vector-mediated gene transfer in hemophilia B. N Engl J Med. 20111210 ed., 2011, 365, 25, 2357-2365, https://doi.org/10.1056/NEJMoa1108046.] en hemoglobinopathieën als sikkelcelanemie en transfusieafhankelijke β-thalassemie, hemofilie A en B. Hemofilie dient als paradigma voor aandoeningen met een genetische of systemische basis aangezien een verhoging van plasma stollingsfactoren van slechts 1-2% kan resulteren in een significante fenotypische verbetering, waarbij ongeveer 6% van ernstige symptomen worden omgezet in milde. [21P.M. Mannucci and E.G. Tuddenham. The hemophilias–from royal genes to gene therapy. N Engl J Med, 2001, 344, 23, 1773-1779, https://doi.org/10.1056/NEJM200106073442307.] Naast het gebruik van gentherapie voor genetische overdraagbare aandoeningen wordt deze techniek ook met succes gebruikt voor de behandeling van kanker en infectieziektes.

Om de effectiviteit en specificiteit van gentherapie te verhogen zijn er een aantal technische problemen die moeten worden opgelost:

  1. Het introduceren van het gen in het specifieke celtype of weefsel dat is aangetast.
  2. Het bereiken van het expressieniveau (eiwitproductie) dat nodig is om de ziekte te corrigeren; het geïntroduceerde gen moet een geschikte promotor hebben zodat RNA kan worden gesynthetiseerd.
  3. Een continue en effectieve regulatie van de expressie van het geïntroduceerde of gerepareerde gen te bewerkstellen, totdat de gewenste effecten zoals verminderen van symptomen of genezen van de ziekte, worden bereikt.
image_pdfimage_print