Mukoviszidose Medikamente zielen auf die missgebildeten Proteine an der Wurzel der Krankheit

Im Laufe von zwei Jahrzehnten verbrachte die Entwicklung von Behandlungen für die genetische Lungenerkrankung Mukoviszidose, Biologe Fredrick Van Goor hat Hunderte von Gesprächen mit patienten. Aber er erinnert sich besonders an einen.,

Die Diskussion drehte sich um die Genetik der Mukoviszidose, einer Krankheit, die entsteht, wenn eine Person zwei fehlerhafte Kopien des Mukoviszidose-Transmembran-Leitfähigkeitsregulators (CFTR) erbt. Dieses Gen kodiert für das CFTR-Protein, das sich in der Zellmembran befindet und Chlorid-und Bikarbonat-Ionen aus der Zelle transportiert. Mehr als 2,000 Varianten von CFTR wurden identifiziert, und es ist bekannt, dass mehr als 350 von ihnen genügend Störungen in der Funktion des Proteins hervorrufen, um den schwächenden und lebensverkürzenden Zustand auszulösen.,

Im Mittelpunkt des Gesprächs standen die unvermeidlichen Ungleichheiten der personalisierten Medizin, die für Menschen, die bestimmte Kriterien erfüllen, sehr effektiv sein können, aber andere hinter sich lassen — wie dies bei diesem Patienten der Fall war. „Er beschrieb es als auf einem sinkenden Schiff, als alle anderen Rettungsboote gegangen sind“, erinnert sich Van Goor. „Dieses Bild ist bei mir geblieben.“

Van Goor, der Leiter der Mukoviszidose-Forschung bei Vertex Pharmaceuticals in San Diego, Kalifornien, hatte eine wichtige Rolle beim Bau des bisher größten Rettungsboots für Mukoviszidose: des Blockbuster-Kombinationsmedikaments Trikafta., Das Medikament erzielte in den ersten 10 Wochen nach seiner Einführung Ende 2019 einen Umsatz von 420 Millionen US-Dollar und übertraf damit die Erwartungen weit.

„Ich denke, es hat einen großen Unterschied gemacht“, sagt Martina Gentzsch, Molekularbiologin, die CFTR an der University of North Carolina in Chapel Hill studiert. „Der Erfolg in der Klinik rechtfertigt wirklich, dass dies eine absolut hervorragende Behandlung ist.“Trikafta ist indiziert für Menschen mit Mukoviszidose, die mindestens eine Kopie einer Mutation tragen, die als F508del bekannt ist., Dies ist die häufigste Mukoviszidose-Mutation, die bei mehr als 80% der über 90.000 Menschen mit Mukoviszidose weltweit auftritt.

Das Aufkommen von Mukoviszidose-Therapien, die auf spezifische CFTR-Mutationen abzielen, hat das Verständnis der Wissenschaftler, wie die unglaublich unterschiedlichen Mutationen in Klassen eingeteilt werden können, verändert und die Entwicklung von Ansätzen zum Testen der Wirksamkeit von Medikamenten vorangetrieben. Es inspiriert auch die Bemühungen, Behandlungen für Patienten zu finden, die zurückgelassen wurden — um die Flotte der Rettungsboote zu erweitern.,

Methodische Arbeit

Vor zwei Jahrzehnten behandelten die einzigen Therapien gegen Mukoviszidose die Krankheitssymptome wie die Physiotherapie zur Entfernung von Schleim aus der Lunge und Antibiotika zur Behandlung von Infektionen. Die Cystic Fibrosis Foundation, eine gemeinnützige Organisation mit Sitz in Bethesda, Maryland, wollte die Entwicklung von Behandlungen fördern, die auf die zugrunde liegende Ursache der Krankheit abzielen., Die Stiftung schloss einen Deal mit Aurora Biosciences, einem auf Hochdurchsatz-Screening spezialisierten Unternehmen in San Diego, um nach Verbindungen zu suchen, die die Funktion defekter Proteine verbessern könnten, die durch fehlerhafte CFTR-Gene produziert werden. Als Vertex Pharmaceuticals mit Hauptsitz in Boston, Massachusetts, das Unternehmen 2001 kaufte, hielt es das Programm am Laufen und fügte seine eigene Expertise in der Synthese von Molekülen hinzu, um die Suche nach sogenannten CFTR-Modulatoren zu erweitern.

Aus heutiger Sicht sieht der Ansatz wie ein Kinderspiel aus, sagt Van Goor., Aber er erinnert sich, dass das Mukoviszidose-Programm damals intern als „das Fantasy-Projekt“bekannt war. Niemand wusste, ob es möglich sein würde, ein Molekül zu finden, um die Auswirkungen einer bestimmten Mutation auf die Proteinfunktion umzukehren, da dies bei keiner Krankheit zuvor geschehen war.

Van Goor erzählt die Geschichte als eine methodische Arbeit, die zu stetigen, inkrementellen Fortschritten führt-wenn auch nicht auf einem ganz einfachen Weg., Das Team wusste, dass es eine Behandlung wollte, die die Funktion von F508del CFTR retten konnte, da dies der größten Gruppe von Menschen mit Mukoviszidose helfen würde. Aber F508del ist ein kompliziertes Ziel.

Verschiedene CFTR-Mutationen haben unterschiedliche Wirkungen. Einige verhindern die Synthese eines Proteins überhaupt oder führen zu zu wenig Protein; Andere liefern ein Protein, das es nie an seinen richtigen Platz in der Zellmembran schafft, nicht effektiv funktioniert, wenn es dort ankommt oder nicht so lange dort bleibt, wie es sollte. Verschiedene Kategorien von CFTR-Modulator-Medikamenten zielen auf diese verschiedenen Probleme ab., Darüber hinaus erkennen Wissenschaftler zunehmend, dass viele Mutationen zu mehreren Kategorien von Funktionsstörungen führen.

Im Falle von F508del führt der Verlust einer einzelnen Aminosäure etwa ein Drittel des Weges entlang des CFTR-Proteins zu zwei Defekten: Das resultierende Protein hat Probleme, zur Zellmembran zu gelangen, und die wenigen Kopien des Proteins, die dorthin gelangen, funktionieren nicht sehr gut, da der Teil des Proteins, der einen Kanal über die Zellmembran bildet, sich nicht richtig öffnet und schließt.,

Das Vertex-Team wusste also, dass es eine Kombination von mindestens zwei Medikamenten benötigen würde: einen Korrektor, der hilft, das mutierte F508del-Protein zu stabilisieren und es an die Zelloberfläche zu bringen, und einen Potentiator, der ihm hilft, zu funktionieren, sobald es dort ankommt.,

Am Ende lösten die Forscher zuerst das zweite Problem: Sie identifizierten einen Potentiator namens Ivacaftor, der dem Kanal im CFTR-Protein hilft, offen zu bleiben. Allein würde das Molekül nicht ausreichen, um die Funktion von F508del CFTR wiederherzustellen. Es könnte jedoch einen Unterschied für Menschen mit einer Mutation namens G551D machen, die nur das Öffnen und Schließen des Membrankanals beeinflusst.,

Im Jahr 2012 genehmigten die US Food and Drug Administration (FDA) und die Europäische Arzneimittel-Agentur Ivacaftor, das unter dem Handelsnamen Kalydeco verkauft wird, für Menschen mit Mukoviszidose, die mindestens eine Kopie von G551D haben. G551D macht etwas mehr als 2% aller Mukoviszidose-Allele oder Formen des CFTR-Gens aus. Dennoch war hier der Beweis, dass das „Fantasy-Projekt“ in der Realität Ergebnisse liefern könnte.

Mischen und Abgleichen

Als nächstes wandte sich das Team den Korrektoren zu., Die Forscher identifizierten einen vielversprechenden Kandidaten, Lumacaftor, der zusammen mit Ivacaftor die Funktion von F508del CFTR verbessern könnte. Diese Kombinationstherapie namens Orkambi wurde 2015 für Menschen mit zwei Kopien der F508del-Mutation zugelassen-etwa 42% der Menschen mit Mukoviszidose weltweit. Ein verbesserter Korrektor, Tezacaftor, wurde dann mit dem Potentiator Ivacaftor kombiniert und 2018 unter dem Markennamen Symdeko für dieselbe Population sowie für diejenigen mit einer Kopie von F508del plus 17 anderen Mutationen am zweiten CFTR-Allel zugelassen., Um Trikafta herzustellen, fügte das Vertex-Team den beiden Arzneimitteln, aus denen Symdeko bestand, einen zweiten Korrektor, Elexacaftor, hinzu.

Die beiden Korrektoren in Trikafta arbeiten an verschiedenen Teilen des CFTR-Proteins und haben zusammen einen synergistischen Effekt. Die Kombination ist so effektiv bei der Verbesserung der Funktion von F508del CFTR, dass sie jedem zugute kommen kann, der nur eine Kopie der F508del — Mutation trägt, unabhängig davon, welche Mutation sie auf dem anderen Allel tragen-und eine andere große Gruppe von Menschen in das Rettungsboot lässt.

„Es ist sehr vielversprechend., Da ist keine Frage“, sagt Molekularbiologe Gergely Lukacs. Lukacs, der CFTR-Funktion an der McGill University in Montreal, Kanada, studiert, warnt jedoch davor, dass die langfristigen Vorteile von Trikafta noch nicht klar sind, und sagt, dass frühere Erfahrungen darauf hindeuten, dass die Erwartungen bescheiden gehalten werden sollten, bis mehr reale Daten gesammelt wurden. Zum Beispiel zeigte Kalydeco dramatische Anfangseffekte bei Menschen mit G551D — Mutationen, konnte aber den Rückgang der Lungenfunktion langfristig nicht stoppen-möglicherweise aufgrund bereits bestehender Lungenschäden. Etwas Ähnliches könnte mit Trikafta auftreten., „Wir müssen abwarten“, sagt Lukacs.

Vertex führt derzeit klinische Studien mit Trikafta bei jüngeren Teilnehmern durch (die erste Zulassung gilt für Personen ab 12 Jahren), wie dies bei früheren Mukoviszidose-Medikamenten der Fall war. Das letztendliche Ziel des Unternehmens ist es, eine Reihe von Therapien zu haben, die bald nach der Diagnose bei Säuglingen eingeleitet werden könnten — und somit, so hofft man, Lungenschäden zu verhindern und langfristige Ergebnisse zu verbessern.,

Das Unternehmen plant, seine anderen Mukoviszidose-Medikamente auf dem Markt zu halten, obwohl es erwartet, dass die meisten Patienten aufgrund ihrer potenziell höheren Wirksamkeit schließlich zu Trikafta wechseln werden. Das Vertex-Team testet auch weiterhin weitere Moleküle, die in Zukunft Bestandteile verbesserter Kombinationsmedikamente werden könnten. Eine neue Version von Ivacaftor befindet sich in klinischen Studien der Phase II sowie ein potenzielles Korrektormolekül.

Vertex ist auch nicht das einzige Unternehmen auf der Jagd nach diesen Medikamenten., Das Pharmaunternehmen AbbVie in Chicago, Illinois, testet in klinischen Studien der Phasen I und II mehrere Potentiatoren und Korrektoren. Flatley Discovery Lab und Proteostasis Therapeutics, beide in Boston, haben jeweils einen Potentiator und einen Korrektor in Studien am Menschen.

Wenn sich Korrektoren vermehren, wird es immer wichtiger zu verstehen, auf welchen Teil des CFTR-Proteins jeder Korrektor einwirkt, sagt Lukacs. Wissenschaftler können effektivere Kombinationstherapien entwerfen, erklärt er, indem sie Verbindungen einschließen, die unterschiedliche Wirkmechanismen oder verschiedene Bindungsstellen haben.,

Andere Arten von CFTR-Modulatoren sind ebenfalls in der Entwicklung: Verstärker zur Verbesserung des Flusses von Chloridionen durch den CFTR-Kanal und Stabilisatoren zur Verlängerung der Lebensdauer des Proteins in der Zellmembran. Die Weiterentwicklung dieser Ansätze könnte Behandlungen für Menschen mit einigen der seltenen Mukoviszidose-Mutationen bieten, die nicht auf bestehende Medikamente ansprechen — aber nur wenige Kandidaten in diesen Klassen sind in klinische Studien eingetreten.

Ein Medikament für jeden Patienten?,

Die Bemühungen, CFTR-Modulatoren zu entwickeln, und insbesondere der Wunsch, Behandlungen für seltene Mutationen zu finden, haben gezeigt, wie Wissenschaftler die Mutationen verstehen, die die Krankheit verursachen. Herkömmlicherweise werden diese Mutationen aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Proteinstruktur und-funktion in sechs Klassen eingeteilt. Es stellte sich jedoch heraus, dass nicht alle Mutationen in derselben Klasse auf denselben CFTR-Modulator reagieren. Weitere komplizierte Angelegenheiten, manchmal Mutationen in verschiedenen Klassen könnten dennoch durch das gleiche Medikament gezielt werden.,

„Da wir uns der verschiedenen Eigenschaften von CFTR immer mehr bewusst geworden sind, ist nichts einfach“, sagt Garry Cutting, klinischer Genetiker an der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland. Cutting war einer von mehreren Wissenschaftlern, die vorschlugen, CFTR-Proteine als „Theratypen“ zu klassifizieren, ein System, das auch beinhaltet, wie Mutationen auf verschiedene CFTR-Modulatoren reagieren.

Die Idee der Typisierung war, „es einfacher zu machen, diese Medikamente für so viele Patienten wie möglich verfügbar zu machen, insbesondere wenn sie eine seltene Variante tragen“, sagt Cutting. Cutting leitet CFTR2.org eine Referenz-Datenbank ausführen, die gemeinsam von der Johns Hopkins und die Mukoviszidose-Stiftung, die Dokumente CFTR-Varianten. Die Datenbank wurde erstmals eingerichtet, um bei der Diagnose zu helfen, ist aber auch zu einem Repository für die Typisierung von Informationen geworden.,

Gleichzeitig haben Forscher Möglichkeiten gefunden, die Wirksamkeit von Arzneimitteln bei seltenen Mutationen zu testen. Große klinische Studien sind in diesen Fällen unpraktisch, sagt Van Goor: „Wie erhalten Sie die Zulassung für Medikamente, wenn es nur ein oder zwei Menschen auf der Welt mit dieser bestimmten Mutation gibt?“Um dieses Problem zu umgehen, haben kommerzielle und akademische Forscher Zellkultursysteme verwendet, um Daten über die Anfälligkeit seltener Mutationen für verschiedene Medikamente zu sammeln., Auf der Grundlage von In-vitro-Daten hat Vertex die FDA-Zulassung für die Verwendung seiner Medikamente bei Menschen mit mehreren seltenen Mutationen erhalten-eine Premiere für die Regulierungsbehörde.

Solche Strategien haben die Reichweite einiger Medikamente von Vertex erweitert. Kalydeco wurde für 37 weitere seltene Mutationen zugelassen, die wie G551D hauptsächlich das Öffnen und Schließen von Kanälen beeinflussen. Die Bevölkerung, die für Trikafta in Frage kommt, könnte auf ähnliche Weise expandieren, prognostiziert Lukacs.,

Kanalisierung neuer Behandlungen

Selbst eine vollständige Suite von CFTR-Modulatoren wird wahrscheinlich eine Gruppe von Menschen mit Mukoviszidose auslassen: die etwa 7%, die überhaupt kein CFTR-Protein produzieren.

Einige mögliche Behandlungen für diese Gruppe könnten für alle mit Mukoviszidose nützlich sein. Gentherapie verspricht einen Weg, die Krankheit zu heilen, indem die Ursache adressiert wird. Es gibt auch Medikamente, die neben CFTR die Funktion anderer Proteine verbessern oder hemmen, die Chlorid-oder Natriumionen aus der Zelle transportieren., Die Verbesserung der Leistung dieser Ionenkanalproteine könnte dazu beitragen, den Mangel an funktionellem CFTR auszugleichen.

Andere Ansätze, um Menschen zu helfen, die überhaupt kein CFTR-Protein herstellen, wären mutationsspezifischer. Viele solcher Mutationen führen zu einem sogenannten vorzeitigen Stop-Codon, das im Wesentlichen „Das Ende“ in die Mitte der proteinbildenden Anweisungen des Gens schreibt. Dies führt dazu, dass das Ribosom, die Proteinfabrik der Zelle, ein abgeschnittenes, nicht funktionelles Protein produziert.

Lesen-durch Drogen sind eine mögliche Lösung für dieses problem., Diese Moleküle induzieren das Ribosom, das fehlerhafte Stoppsignal zu überspringen und ein leicht verändertes, aber in voller Länge funktionelles Protein zu produzieren.

Es ist bekannt, dass das Antibiotikum Gentamicin die Ablesbarkeit geringfügig erhöht, aber für den Langzeitgebrauch zu toxisch ist. Wissenschaftler suchen nach sichereren Kandidaten, aber es gibt keine systematische Möglichkeit, sie zu finden. „Es sollte einige geben, aber es gibt nicht viele Möglichkeiten, das Ribosom auszutricksen“, sagt Alexandre Hinzpeter, der Proteinmodulationstherapien bei der biomedizinischen Forschungsagentur INSERM in Paris studiert.,

Das Finden einer Behandlung für Menschen mit vorzeitigen Stop-Codons erfordert wahrscheinlich auch die Umgehung des unsinnvermittelten Zerfalls, einer Art zellulären Korrekturleseprozesses, bei dem abweichende proteinkodierende Anweisungen oder Transkripte entfernt werden, bevor sie überhaupt das Ribosom erreichen. Dies erfordert jedoch eine sorgfältige Kalibrierung: Eine zu starke Störung dieses Prozesses kann schwerwiegende Auswirkungen auf die Gesamtfunktion der Zelle haben. „Sie müssen einen Weg finden, Ihr Transkript zu schützen, auf das Sie abzielen, aber den Rest der Zelle mit einer normalen Menge unsinnvermittelten Zerfalls am Laufen zu halten“, sagt Hinzpeter.,

Viele genetische Krankheiten beinhalten Mutationen, die vorzeitige Stop-Codons einführen. Theoretisch könnte eine Therapie gegen Mukoviszidose auch Menschen mit anderen Erkrankungen helfen, sagt Hinzpeter. Dies geschieht jedoch nicht immer in der Praxis. Ein Read-Through-Medikament namens Ataluren wurde zur Behandlung der Duchenne-Muskeldystrophie zugelassen, scheiterte jedoch an Mukoviszidose-Studien.

Diese Probleme bedeuten, dass es genauso viel Zeit, Mühe und Investitionen kosten kann, Behandlungen für die letzten 10% der Menschen mit Mukoviszidose zu finden, wie für die ersten 90%, sagt Van Goor., Aber er fügt hinzu und wiederholt die Entschlossenheit der Wissenschaftler von akademischen und pharmazeutischen Unternehmen: „Wir können niemanden zurücklassen.”