Een genetische ‘stopfout’ omzeilen: nieuwe tRNA-aanpak herstelt CFTR in laboratoriummodellen

Een onderzoeksteam onder leiding van de University of Toronto heeft een niet-virale RNA-aanpak ontwikkeld voor taaislijmziekte die wordt veroorzaakt door nonsensemutaties. Dat zijn genetische fouten die te vroeg een stopsignaal invoegen in de instructies voor de aanmaak van een eiwit. In plaats van het CFTR-gen zelf te bewerken, brachten de onderzoekers een ontworpen suppressor-transfer-RNA (sup-tRNA) in. Dat tRNA leest het foutieve stopsignaal voorbij, zodat de cel alsnog een volledig CFTR-eiwit kan produceren. 1

De aanpak werd getest in menselijke bronchiale epitheelcellen, muismodellen en patiënt-afgeleide organoïden. Het gaat om een veelbelovend preklinisch platform, niet om een bewezen behandeling voor mensen.

Het probleem: een stopsignaal kapt CFTR voortijdig af

Bij een nonsensemutatie stopt de eiwitproductie te vroeg. In het geval van CFTR kan daardoor weinig of geen volledig eiwit ontstaan dat als chloridekanaal functioneert.

Dat is belangrijk voor de huidige geneesmiddelen tegen taaislijmziekte. CFTR-modulatoren verbeteren de vouwing, het transport of de activiteit van CFTR dat door de cel is aangemaakt. Ze kunnen echter niet volledig compenseren voor een mutatie die voorkomt dat er genoeg compleet eiwit wordt geproduceerd. De nieuwe studie richt zich daarom op een subgroep van patiënten met CFTR-nonsensemutaties die mogelijk onvoldoende reageren op modulatoren alleen. 12

Nonsensemutaties komen naar schatting voor bij ongeveer 11% van de erfelijke aandoeningen. Omdat hetzelfde type vertaalfout in veel verschillende genen kan ontstaan, zou een veilige methode om zulke stopsignalen te omzeilen mogelijk ook buiten taaislijmziekte toepasbaar zijn. 2

Hoe het ontworpen tRNA de fout omzeilt

Transfer-RNA, of tRNA, koppelt normaal gesproken codons op boodschapper-RNA aan aminozuren tijdens de eiwitproductie. De onderzoekers ontwierpen sup-tRNA’s met een anticodon dat een vroegtijdig stopsignaal in het gemuteerde CFTR-boodschapper-RNA herkent.

Wanneer het sup-tRNA bij dat onjuiste stopsignaal aankomt, voegt het een aminozuur in plaats van de eiwitproductie te laten eindigen. Het ribosoom kan dan verder lezen en een volledig CFTR-eiwit maken. De aanpak repareert de DNA-fout dus niet, maar legt als het ware een omleiding aan rond het verkeerd geplaatste ‘stopbord’. 14

Omdat het RNA het genoom niet permanent verandert, is het effect tijdelijk. Als de aanpak ooit in de kliniek wordt toegepast, zullen waarschijnlijk herhaalde toedieningen nodig zijn. Hoe vaak dat zou moeten gebeuren, hangt af van de duur van de werking en van de veiligheid van herhaald doseren.

Waarom de chemische aanpassing verschil maakte

Ongewijzigde sup-tRNA’s hebben meerdere beperkingen. Ze moeten lang genoeg stabiel blijven, met het juiste aminozuur worden geladen, efficiënt voorbij het stopsignaal lezen en geen overmatige reactie van het aangeboren immuunsysteem veroorzaken.

Het team bracht daarom op een specifieke plaats een chemische aanpassing aan die van nature in tRNA voorkomt. Volgens de onderzoekers verbeterde die aanpassing de aminozuurlading van het tRNA, verhoogde zij de efficiëntie waarmee het vroegtijdige stopsignaal werd omzeild, verlengde zij de functionele activiteit en verminderde zij de activering van het aangeboren immuunsysteem. De beschikbare informatie noemt de aanpassing niet bij naam; het is daarom niet gerechtvaardigd om aan te nemen dat het bijvoorbeeld om pseudouridine gaat. 158

De onderzoekers pakten daarmee meerdere knelpunten tegelijk aan. Een tRNA dat een stopsignaal wel kan omzeilen, maar snel wordt afgebroken, slecht wordt geladen of een sterke afweerreactie veroorzaakt, heeft immers beperkte therapeutische waarde.

Gericht op de longen met inhalatie

Ook de toediening werd aangepast aan het doelorgaan. De onderzoekers ontwikkelden lipidenanodeeltjes — lipid nanoparticles, of LNP’s — die geschikt waren voor de ongebruikelijke structuur van tRNA. Na het testen van verschillende samenstellingen selecteerden zij de deeltjes die het RNA het best konden afleveren. Vervolgens werden ze via inhalatie toegediend, met als doel de RNA-moleculen vooral in het longweefsel en de luchtwegcellen te krijgen. 18

Het gaat om een niet-virale toedieningsmethode. De LNP’s brengen het therapeutische RNA de cellen in, zonder gebruik van een virusvector en zonder een gecorrigeerd gen permanent in het DNA te plaatsen. Eerder onderzoek had al laten zien dat met LNP’s toegediende sup-tRNA’s in muizen de productie van functionele eiwitten konden herstellen. Dat werk vormde de basis voor de nieuwe, op tRNA afgestemde en op de longen gerichte aanpak. 4

Wat lieten de modellen zien?

De combinatie van sup-tRNA en ingeademde LNP’s herstelde de productie van CFTR en de bijbehorende kanaalfunctie in verschillende experimentele systemen:

• Menselijke bronchiale epitheelcellen: de behandeling bevorderde het omzeilen van het vroegtijdige stopsignaal en herstelde de productie van volledig CFTR.
• Muismodellen van taaislijmziekte: de ingeademde deeltjes bereikten de longen en zorgden voor langdurige activiteit, tot ongeveer 40 dagen bij muizen. Die duur is preklinisch en kan niet zonder meer naar mensen worden vertaald. 16
• Patiënt-afgeleide organoïden: in een organoïde met vier CFTR-varianten, waaronder twee nonsensevarianten, herstelde de aanpak de productie van volledig CFTR. 18

De organoïdeproef liet ook een belangrijke beperking zien. Het nieuw geproduceerde CFTR-eiwit had in dat model nog steeds de combinatie elexacaftor–tezacaftor–ivacaftor nodig — beter bekend als Trikafta — voor optimale vouwing, transport en kanaalactiviteit. De meest waarschijnlijke behandelstrategie is bij ten minste sommige mutaties daarom: eerst de eiwitproductie herstellen en daarna het geredde eiwit beter laten functioneren. De tRNA-aanpak vervangt CFTR-modulatoren dus niet noodzakelijk volledig. 13

Mogelijke toepassing bij andere aandoeningen

In principe kunnen suppressor-tRNA’s worden ontworpen voor elk van de drie stopsignalen. Daarmee ontstaat een platform dat op een mutatieklasse is gericht, in plaats van op één specifiek gen. Dezelfde algemene strategie zou mogelijk kunnen worden aangepast voor andere aandoeningen, als onderzoekers het juiste tRNA kunnen selecteren, een geschikt aminozuur kunnen inbouwen, voldoende RNA naar het doelweefsel kunnen brengen en de normale eiwitproductie intact kunnen houden.

Die mogelijkheid is breed, maar niet vanzelfsprekend. Verschillende eiwitten kunnen anders reageren op de aminozuursubstitutie. Bovendien kan een eiwit waarvan de productie is hersteld nog steeds verkeerd vouwen of een stabiliserend geneesmiddel nodig hebben. Ook de toediening verschilt per orgaan. Een LNP-formulering die geschikt is voor inhalatie in de longen werkt niet automatisch in de lever, spieren, hersenen of nieren. Voor elk orgaan kunnen andere nanodeeltjes en toedieningsroutes nodig zijn. 34

Veiligheidsvragen blijven onopgelost

Voordat deze aanpak een behandeling kan worden, moeten onder meer de volgende vragen worden beantwoord:

• Kan het sup-tRNA ook normale stopsignalen onbedoeld omzeilen?
• Kunnen veranderingen in de eiwitproductie schadelijke bijproducten of verkeerde aminozuurkeuzes veroorzaken?
• Is de formulering veilig en werkzaam bij herhaalde inhalaties?
• Hoe gelijkmatig verspreidt het RNA zich door de longen en hoe lang blijft het actief?
• Kunnen de LNP’s of het RNA ontsteking of andere afweerreacties veroorzaken?

Berichtgeving buiten de oorspronkelijke studie wees op dosisafhankelijke ontsteking bij muizen en op bredere zorgen rond de veiligheid van ingeademde LNP’s voor de luchtwegen. Die kwesties moeten zorgvuldig worden onderzocht voordat de aanpak als klinisch bewezen kan gelden. 613

De belangrijkste vooruitgang zit daarmee in de combinatie van tRNA-chemie en orgaangerichte toediening. Door het omzeilen van het stopsignaal efficiënter en duurzamer te maken, de aminozuurlading te verbeteren, afweerreacties te beperken en het RNA naar de longen te brengen, konden de onderzoekers betekenisvolle CFTR-productie en -functie herstellen in preklinische en patiënt-afgeleide modellen. De volgende stap is vaststellen of dit effect bij mensen veilig, herhaalbaar en voorspelbaar kan worden bereikt — en of voor verschillende CFTR-mutaties aanvullende medicatie nodig blijft om het herstelde eiwit goed te laten werken.