Cystisk fibros läkemedel riktar sig mot missbildade proteiner vid roten av sjukdomen

under loppet av två decennier tillbringade utveckla behandlingar för genetisk lungsjukdom cystisk fibros, biolog Fredrick Van Goor har haft hundratals samtal med patienter. Men han minns en i synnerhet.,

diskussionen handlade om genetiken av cystisk fibros, en sjukdom som utvecklas när en person ärver två felaktiga kopior av genen cystisk fibros transmembrane conductance regulator (CFTR). Denna gen kodar för CFTR-proteinet, som finns i cellmembranet och transporterar klorid-och bikarbonatjoner ut ur cellen. Mer än 2,000 varianter av CFTR har identifierats, och mer än 350 av dem är kända för att producera tillräckligt med störningar i proteinets funktion för att utlösa försvagande och livsförkortande tillstånd.,

samtalets fokus var den oundvikliga ojämlikheten hos personlig medicin, som kan vara mycket effektiv för personer som uppfyller vissa kriterier, men kommer att lämna andra bakom sig — vilket var fallet för denna patient. ”Han beskrev det som att vara på ett sjunkande skepp, när alla andra livbåtar har lämnat,” påminner Van Goor. ”Den bilden har fastnat med mig.”

Van Goor, chef för cystisk fibros-forskning vid Vertex Pharmaceuticals i San Diego, Kalifornien, hade en viktig roll för att bygga den största livbåten för cystisk fibros än: blockbuster-kombinationsläkemedlet Trikafta., Läkemedlet uppnådde försäljning av US $ 420 miljoner under de första 10 veckorna efter lanseringen i slutet av 2019, långt över förväntningarna.

”jag tror att det har gjort stor skillnad, säger Martina Gentzsch, molekylärbiolog studera CFTR vid University of North Carolina at Chapel Hill. ”Framgången i kliniken motiverar verkligen att detta är en helt enastående behandling.”Trikafta är indicerat för personer med cystisk fibros som bär minst en kopia av en mutation som kallas F508del., Detta är den vanligaste cystisk fibros mutation, närvarande i mer än 80% av de över 90.000 personer med cystisk fibros över hela världen.

tillkomsten av cystisk fibros terapier som riktar sig till specifika CFTR-mutationer har omformat forskares förståelse för hur man grupperar de otroligt olika mutationerna i klasser och har sporrat utvecklingen av tillvägagångssätt för att testa effektiviteten av droger. Det är också inspirerande ansträngningar att hitta behandlingar för de patienter som har blivit kvar — för att expandera livbåtens flotta.,

metodiskt arbete

För två decennier sedan behandlade de enda terapierna för cystisk fibros symtomen på sjukdomen, såsom fysisk terapi för att rensa slem från lungorna och antibiotika för att behandla infektioner. Den Cystic Fibrosis Foundation, en ideell organisation baserad i Bethesda, Maryland, ville uppmuntra utvecklingen av behandlingar som skulle rikta den bakomliggande orsaken till sjukdomen., Stiftelsen slog en överenskommelse med Aurora Biosciences, ett San Diego-företag som specialiserat sig på screening med hög genomströmning, för att leta efter föreningar som kan förbättra funktionen hos defekta proteiner som produceras av felaktiga CFTR-gener. När Vertex Pharmaceuticals, som har sitt huvudkontor i Boston, Massachusetts, köpte företaget 2001, fortsatte programmet och lade till sin egen expertis i att syntetisera molekyler för att utöka sökandet efter vad som kallas CFTR-modulatorer.

från dagens utsiktspunkt ser tillvägagångssättet ut som ”en no-brainer”, säger Van Goor., Men han kommer ihåg att vid den tiden var cystic fibrosis-programmet internt känt som ”the fantasy project”. Ingen visste om det skulle vara möjligt att hitta en molekyl för att vända effekterna av en viss mutation på proteinfunktionen, eftersom det aldrig hade gjorts tidigare, för någon sjukdom.

Van Goor berättar historien som en av metodiskt arbete som resulterar i stadiga, inkrementella framsteg — om än inte längs en helt enkel väg., Teamet visste att det ville ha en behandling som kunde rädda funktionen av F508del CFTR, för det skulle hjälpa den största gruppen personer med cystisk fibros. Men F508del är ett komplicerat mål.

olika CFTR-mutationer har olika effekter. Vissa förhindrar syntesen av något protein alls eller resulterar i för lite protein; andra ger ett protein som aldrig gör det till sin rätta plats i cellmembranet, fungerar inte effektivt när det kommer dit eller inte förblir där så länge det borde. Olika kategorier av CFTR-modulatorläkemedel riktar sig till dessa olika problem., Dessutom inser forskare alltmer att många mutationer resulterar i flera kategorier av dysfunktion.

När det gäller F508del leder förlusten av en enda aminosyra ungefär en tredjedel av vägen längs CFTR-proteinet till två defekter: det resulterande proteinet har problem med att ta sig till cellmembranet, och de få kopiorna av proteinet som kommer dit fungerar inte mycket bra, eftersom den del av proteinet som bildar en kanal över cellmembranet inte öppnas och stängs ordentligt.,

så Vertex laget visste att det skulle behöva en kombination av minst två läkemedel: en korrektor för att stabilisera mutant f508del protein och shepherd den till cellytan, och en potentiator för att hjälpa den att fungera när den kommer dit.,

forskarna slutade lösa det andra problemet först: de identifierade en potentiator, kallad ivacaftor, som hjälper kanalen i CFTR-proteinet att hålla sig öppet. På egen hand skulle molekylen inte räcka för att återställa funktionen hos F508del CFTR. Men det kan göra skillnad för personer med en mutation som kallas G551D, vilket bara påverkar öppningen och stängningen av membrankanalen.,

Under 2012, den AMERIKANSKA Food and Drug Administration (FDA) och Europeiska Läkemedelsmyndigheten godkända ivacaftor, som säljs under varumärket Kalydeco, för personer med cystisk fibros som har minst en kopia av G551D. G551D står för drygt 2 procent av alla cystisk fibros alleler, eller former av CFTR-genen. Ändå var här ett bevis på att ”fantasiprojektet” kan ge resultat i verkligheten.

blanda och matcha

Därefter vände laget sin uppmärksamhet till korrektorer., Forskarna identifierat en lovande kandidat, lumacaftor, som kan agera tillsammans med ivacaftor för att förbättra funktionen av F508del CFTR. Denna kombinationsterapi, kallad Orkambi, godkändes 2015 för personer som har två kopior av F508delmutationen — cirka 42% av personer med cystisk fibros över hela världen. En förbättrad korrektor, tezacaftor, kombinerades sedan med potentiatorn ivacaftor och godkändes i 2018 under varumärket Symdeko för samma befolkning, liksom för dem med en kopia av F508del plus någon av 17 andra mutationer på den andra CFTR-allelen., Slutligen, för att producera Trikafta, lade Vertex-laget till en andra korrektor, elexacaftor, till de två drogerna som utgjorde Symdeko.

de två korrektorerna i Trikafta arbetar på olika delar av CFTR-proteinet, och tillsammans har de en synergistisk effekt. Kombinationen är så effektiv för att förbättra funktionen av F508del CFTR att det kan gynna alla som bara bär en kopia av f508del — mutationen, oavsett vilken mutation de bär på den andra allelen-låta en annan stor grupp människor i livbåten.

”det är mycket lovande., Det är ingen tvekan om det, säger molekylärbiolog Gergely Lukacs. Men Lukacs, som studerar CFTR-funktionen vid McGill University i Montreal, Kanada, varnar för att Trikaftas långsiktiga fördelar ännu inte är tydliga och säger att tidigare erfarenheter tyder på att förväntningarna bör hållas blygsamma tills mer verkliga data har ackumulerats. Kalydeco visade till exempel dramatiska initiala effekter hos personer med G551D — mutationer, men har visat sig oförmögna att stoppa nedgången i lungfunktionen på lång sikt-kanske på grund av befintlig lungskada. Något liknande kan inträffa med Trikafta., ”Vi måste vänta och se,” säger Lukacs.

Vertex genomför för närvarande kliniska prövningar av Trikafta hos yngre deltagare (det ursprungliga godkännandet är för personer i åldern 12 och äldre), som det har gjort med sina tidigare cystiska fibros-läkemedel. Företagets slutliga mål är att ha en uppsättning terapier som kan initieras hos spädbarn strax efter diagnos — och därmed hoppas det förhindra lungskador från att ta tag och förbättra långsiktiga resultat.,

företaget planerar att behålla sina andra cystiska fibros-läkemedel på marknaden, även om det förväntar sig att de flesta patienter så småningom kommer att byta till Trikafta på grund av dess potentiellt större effektivitet. Vertex-teamet fortsätter också att testa ytterligare molekyler som kan bli komponenter i förbättrade kombinationsläkemedel i framtiden. En ny version av ivacaftor är i fas II kliniska prövningar, liksom en potentiell korrektormolekyl.

inte heller är Vertex det enda företaget på jakt efter dessa droger., Läkemedelsföretaget AbbVie i Chicago, Illinois, testar flera potentiatorer och korrektorer i fas I och II kliniska prövningar. Flatley Discovery Lab och Proteostasis Therapeutics, både i Boston, har alla en potentiator och en korrektor i mänskliga försök.

som correctors prolifererar, förstå vilken del av CFTR-proteinet varje corrector verkar på kommer att bli allt viktigare, säger Lukacs. Forskare kan utforma effektivare kombinationsterapier, förklarar han, genom att inkludera föreningar som har olika verkningsmekanismer eller olika bindningsställen.,

andra typer av CFTR-modulator är också under utveckling: förstärkare för att förbättra flödet av kloridjoner genom CFTR-kanalen och stabilisatorer för att förlänga proteinets livslängd i cellmembranet. Ytterligare utveckling av dessa tillvägagångssätt kan ge behandlingar för personer med några av de sällsynta cystiska fibros — mutationerna som inte svarar på befintliga droger-men få kandidater i dessa klasser har gått in i kliniska prövningar.

ett läkemedel för varje patient?,

ansträngningen att utveckla CFTR-modulatorer, och särskilt lusten att hitta behandlingar för sällsynta mutationer, har skiftat hur forskare förstår de mutationer som orsakar sjukdomen. Konventionellt sorteras dessa mutationer i sex klasser på grundval av deras effekter på proteinstruktur och funktion. Men det visade sig att inte alla mutationer i samma klass svarar på samma CFTR-modulator. Ytterligare komplicerar saker, ibland kan mutationer i olika klasser ändå vara riktade mot samma läkemedel.,

”eftersom vi har blivit mer och mer medvetna om CFTR: s olika egenskaper är ingenting enkelt”, säger Garry Cutting, en klinisk genetiker vid Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland. Skärning var en av flera forskare som föreslog att klassificera CFTR-proteiner som ”theratypes”, ett system som också innehåller hur mutationer svarar på olika CFTR-modulatorer.

tanken på theratyping var att ”göra det lättare att göra dessa läkemedel tillgängliga för så många patienter som möjligt, särskilt om de bär en sällsynt variant”, Skär säger. Skär leder CFTR2.org en referens databas som drivs gemensamt av Johns Hopkins och Cystic Fibrosis Foundation som dokument CFTR-varianter. Databasen upprättades först för att hjälpa till med diagnos, men har blivit ett förråd för theratyping information också.,

samtidigt har forskare kommit fram till sätt att testa effektiviteten av droger på sällsynta mutationer. Storskaliga kliniska prövningar är opraktiska i dessa fall, säger Van Goor: ”Hur får du godkännande för läkemedel när det bara finns en eller två personer i världen med den speciella mutationen?”För att komma runt detta problem har kommersiella och akademiska forskare använt cellkultursystem för att samla in data om känsligheten hos sällsynta mutationer för olika droger., På grundval av in vitro-data har Vertex säkrat FDA-godkännande för användning av sina droger hos personer med flera sällsynta mutationer — en första för tillsynsmyndigheten.

sådana strategier har utökat räckvidden för några av Vertex läkemedel. Kalydeco har godkänts för 37 ytterligare sällsynta mutationer som, liksom G551D, huvudsakligen påverkar kanalöppningen och stängningen. Befolkningen som är berättigad till Trikafta kan expandera på ett liknande sätt, Lukacs förutspår.,

kanalisera nya behandlingar

ändå kommer även en komplett uppsättning CFTR-modulatorer sannolikt att lämna ut en grupp personer med cystisk fibros: 7% eller så som producerar inget CFTR-protein alls.

vissa potentiella behandlingar för denna grupp kan vara användbara för alla med cystisk fibros. Genterapi lovar ett sätt att bota sjukdomen genom att ta itu med grundorsaken. Det finns också läkemedel som antingen förbättrar eller hämmar funktionen hos andra proteiner, förutom CFTR, som transporterar klorid eller natriumjoner ut ur cellen., Att förbättra prestandan hos dessa jonkanalproteiner kan bidra till att kompensera för bristen på funktionell CFTR.

andra metoder för att hjälpa människor som inte gör något CFTR-protein alls skulle vara mer mutationsspecifika. Många sådana mutationer resulterar i vad som kallas en för tidig stoppkodon, som i huvudsak skriver ”slutet” i mitten av genens proteintillverkningsinstruktioner. Detta orsakar ribosomen, cellens proteinfabrik, för att producera ett stympat, icke-funktionellt protein.

read-through droger är en möjlig lösning på detta problem., Dessa molekyler inducerar ribosomen för att hoppa över den vandrande stoppsignalen och producera ett något förändrat men fullängdsfunktionellt protein.

det antibiotiska läkemedlet gentamicin är känt för att måttligt öka read-through, men det är för giftigt för långvarig användning. Forskare letar efter säkrare kandidater, men det finns inget systematiskt sätt att hitta dem. ”Det borde finnas några, men det finns inte många sätt att lura ribosomen”, säger Alexandre Hinzpeter, som studerar proteinmodulationsterapier vid biomedicinsk-forskningsbyrån INSERM i Paris.,

att hitta en behandling för personer med för tidiga stoppkodon kommer också sannolikt att kräva kringgående nonsensmedierad sönderfall, en slags cellulär korrekturläsning process som blir av med avvikande proteinkodningsinstruktioner eller transkript, innan de ens når ribosomen. Men detta kräver noggrann kalibrering: att störa den processen för mycket kan ha ödesdigra effekter för cellens övergripande funktion. ”Du måste hitta något sätt att skydda ditt transkript som du riktar in men hålla resten av cellen med en normal mängd nonsensmedierad sönderfall, säger Hinzpeter.,

många genetiska sjukdomar involverar mutationer som introducerar för tidiga stoppkodon. Så i teorin kan en terapi som utvecklats för cystisk fibros också hjälpa människor med andra tillstånd, säger Hinzpeter. Detta panorerar dock inte alltid i praktiken. Ett genomläst läkemedel som kallas ataluren har godkänts för behandling av Duchennes muskeldystrofi, men misslyckades i cystisk fibros prövningar.

dessa problem innebär att det kan ta så mycket tid, ansträngning och investering att hitta behandlingar för de sista 10% av personer med cystisk fibros som För de första 90%, säger Van Goor., Men, tillägger han, ekande beslutsamhet både akademiska och läkemedelsföretag forskare, ” vi kan inte lämna någon bakom.”