La nuova speranza di Gene Therapy: un virus a bersaglio neuronale sta salvando vite da neonato

Niente di insolito salta all'incontro con Evelyn, una frizzante bambina di quasi 3 anni con riccioli rossi - eccetto il fatto che non dovrebbe essere qui, a chiacchierare con un visitatore nel salotto della sua famiglia, girando tra le sue collant alla canzone di Pharrell Williams "Happy “.

La sorella maggiore di Evelyn, Josephine, aveva atrofia muscolare spinale di tipo 1 (SMA1), una malattia genetica che paralizza gradualmente i bambini. È morta a 15 mesi. Evelyn fu una gravidanza inaspettata, ma i suoi genitori decisero di avere il bambino nonostante le probabilità su quattro di una seconda tragedia.

Subito dopo la nascita di Evelyn nel dicembre 2014, furono devastati dall'apprendere dai test genetici che anche lei aveva SMA1. "Sapevamo cosa avevamo a che fare: la ameremo per tutto il tempo che possiamo", dice suo padre, Milan Villarreal. Ma quella stessa notte, cercando freneticamente su Internet, hanno saputo di una sperimentazione clinica in Ohio e hanno inviato una mail. A 8 settimane di età, Evelyn ha ricevuto un trattamento di terapia genica che ha dato al suo corpo una proteina mancante cruciale.

E ora eccola qui, non così diversa da qualsiasi bambino sano. Sebbene abbia le cosce deboli e non possa correre normalmente o saltare, può camminare velocemente, ballare, rintracciare lettere, lanciare blocchi di schiuma, trasportare una piccola sedia e arrampicarsi sulle ginocchia di sua madre Elena. Dopo il crepacuore di aver perso il loro primo figlio, i Villarreals hanno osservato con stupore mentre Evelyn ha strisciato, camminato e parlato. "Era solo un miracolo. Ogni pietra miliare era come una celebrazione. Abbiamo aperto una bottiglia di vino per ogni piccola cosa che ha fatto ", dice Milano.

MIKE SHANAHAN

I risultati del processo a cui Evelyn ha partecipato hanno spazzato via anche i ricercatori di terapia genica, segnando ancora uno dei successi più drammatici del campo un tempo tormentato. Tutti i 15 bambini trattati per SMA1, che dovrebbero morire entro i 2 anni, sono vivi a 20 mesi o più, e la maggior parte può sedersi, secondo un rapporto di questa settimana sul New England Journal of Medicine (NEJM). Come Evelyn, un ragazzo sta camminando. Sebbene un farmaco recentemente approvato per SMA1 abbia ottenuto effetti simili, deve essere iniettato nella colonna vertebrale ogni 4 mesi. La terapia genica è intesa come un trattamento una tantum, ed è semplicemente infusa in una vena. "Non ho mai visto un effetto [della terapia genica] così efficace in una malattia letale", afferma il neurologo Jerry Mendell del Nationwide Children's Hospital di Columbus, che ha guidato il recente processo.

La notizia si aggiunge alle crescenti fortune della terapia genica. Un trattamento per una forma genetica di cecità, approvato lo scorso mese da un comitato consultivo della Food and Drug Administration (FDA) statunitense, è sulla buona strada per essere la prima terapia genica negli Stati Uniti approvata per una malattia ereditaria. Il mese scorso, un team ha riferito nel NEJM che dare ai ragazzi un trapianto delle proprie cellule staminali geneticamente modificate potrebbe fermare una devastante malattia del cervello. Una terapia genica sul mercato in Europa ha curato i bambini con una malattia immunitaria pericolosa per la vita, mentre altri in fase di sviluppo hanno aiutato gli emofilici a liberarsi di farmaci per la coagulazione del sangue.

Ma lo studio SMA1 si rompe perché dimostra il potere di un nuovo vettore, un virus che trasporta un gene terapeutico che, infuso in una vena, può trasportare il suo carico al sistema nervoso centrale, attraverso la cosiddetta barriera emato-encefalica. In passato, gli sforzi per trattare le malattie neurologiche con la terapia genica spesso avevano risultati poco brillanti e il vettore richiedeva talvolta fori di perforazione nel cranio di un paziente. Ora, gli scienziati hanno un successo indiscusso offrendo terapia genica nel sistema nervoso centrale. I risultati inoltre placano le paure che l'inondazione del flusso sanguigno con il virus potrebbe portare a un'altra tragedia come la morte di un adolescente in un processo di terapia genica 18 anni fa, che ha gettato il campo in disordine.

La sicurezza e il successo apparenti del nuovo trattamento stanno incoraggiando altri ricercatori a utilizzare la terapia genica somministrata in una vena o nella colonna vertebrale per trattare le malattie neurologiche e muscolari dell'infanzia rara, e persino i disordini adulti comuni come il morbo di Parkinson. "Si apre un concetto completamente nuovo a un settore che è stato molto cauto", afferma Federico Mingozzi, che ha recentemente lasciato l'organizzazione no profit francese Généthon per diventare responsabile scientifico della società di terapia genica Spark Therapeutics di Philadelphia, in Pennsylvania.

"La gente guarderà indietro e vedrà questo come una pietra miliare in un nuovo tipo di medicina che avrà ampie implicazioni per molte e molte malattie", aggiunge il ricercatore di terapia genica Steven Gray dell'Università della Carolina del Nord (UNC) in Cappella Collina.

All'inizio, quando gli animali erano i pazienti, il trattamento delle malattie neurologiche con la terapia genica sembrava facile. Negli anni '90, i ricercatori hanno iniettato il cervello di topi appena nati progettati per avere certi disturbi metabolici con vettori virali portatori di un gene mancante. Il risultato è stato "scioccante, è stato così bello", ricorda Mark Sands della Washington University School of Medicine di St. Louis, nel Missouri. Ma un cervello di topo è piccolo, aggiunge. "La sfida consisteva nel farti scalare da un cervello di topo che pesa mezzo grammo al cervello di un bambino che pesa 1000 grammi. Questa è una differenza di scala di 2000 volte. Come fai a fare quel lavoro? "

Risultò che i ricercatori non potevano. Nel 1996, un team ha iniettato particelle grasse contenenti un gene curativo nei crani di due bambini affetti da una malattia del cervello chiamata malattia di Canavan. La ricerca è stata controversa e non ha aiutato i pazienti. Alcuni degli stessi ricercatori hanno successivamente curato altri 13 pazienti di Canavan praticando sei buchi nei loro crani e iniettando un vettore formato da un virus apparentemente innocuo noto come virus adeno-associato (AAV); un simile studio AAV ha avuto luogo per un altro grave disturbo genetico cerebrale infantile, la malattia di Batten.

Tuttavia, nessuna delle due terapie ha fatto molto per rallentare la malattia. Ricercatori in uno studio con bambini di Taiwan che erano gravemente disabili da una carenza di due sostanze chimiche cerebrali hanno riportato benefici significativi. Ma i risultati per altre malattie sono stati equivoci. Gli studi sulle scimmie hanno suggerito che il vettore AAV non si diffondeva lontano dai siti di iniezione, quindi non abbastanza cellule cerebrali hanno probabilmente ricevuto il nuovo gene. "Erano sforzi eroici in molti modi, ma la tecnologia non era ideale", dice Gray.

Un approccio completamente diverso ha prodotto gli unici solidi successi nella malattia neurologica. I ricercatori hanno prelevato cellule staminali del sangue da pazienti, hanno utilizzato l'HIV modificato per ricucire in un nuovo gene e hanno reinserito le cellule nei pazienti. Alcune cellule migrarono poi al cervello e formarono cellule di supporto dei neuroni chiamate glia che producevano una proteina necessaria. In 15 ragazzi, secondo uno studio pubblicato il mese scorso nel NEJM, questa terapia genica "ex vivo" ha fermato una malattia mortale chiamata adrenoleucodistrofia (ALD), che distrugge la guaina mielinica attorno ai neuroni. Ricercatori italiani di terapia genica hanno riportato risultati comparabili per un trattamento simile somministrato a pazienti giovani con leucodistrofia metacromatica della malattia del cervello.

Ma la terapia genica ex vivo funziona meglio per le malattie del cervello causate dalla mancanza di proteine ​​secrete: le cellule trapiantate possono sostituirle rimescolando la molecola per altre cellule neurali. Per molti disturbi, la proteina mancante opera all'interno delle cellule e quindi tutte le cellule che ne hanno bisogno devono ricevere il vettore.

(SOURCE) CLINICALTRIALS.GOV

La storia del vettore virale che sembra rispondere a questa necessità inizia con una morte. Nei primi anni 2000 un leader del settore, il genetista James Wilson dell'Università della Pennsylvania (UPenn), fu costretto a reindirizzare la sua ricerca. Wilson aveva condotto il processo nel 1999 in cui il diciottenne Jesse Gelsinger morì a causa di una massiccia reazione immunitaria a un potente vettore di adenovirus che aveva ricevuto per curare la sua malattia epatica. Wilson, che aveva un interesse finanziario nel processo, ha dovuto affrontare una causa intentata dalla famiglia e un'indagine della FDA, e alla fine ha accettato un divieto di 5 anni di condurre studi clinici. Quindi si rivolse alla ricerca di nuovi tipi di AAV, che fossero più sicuri degli adenovirus e diventassero un vettore popolare.

Nel 2004, Guangping Gao e altri nel laboratorio di Wilson hanno riferito di averli pettinati attraverso tessuti umani e primati e trovato più di 100 nuovi AAV con un "trofismo" o preferenza per infettare specifici tipi di cellule. Un tipo, AAV9, era "diverso da qualsiasi altro AAV. Quando l'hai iniettato nel sangue ad alte dosi, è andato ovunque "- cuore, muscoli, tessuto cerebrale - ricorda Wilson. La cosa più allettante di tutte è stata la sua capacità di entrare a far parte dei neuroni, che sono la chiave per trattare molte malattie del cervello e della colonna vertebrale.

Altri ricercatori hanno strapazzato per confermare l'amore del sistema nervoso dell'AAV9. Nel 2009, un team francese e il laboratorio di Brian Kaspar in Nationwide pubblicarono documenti separati che galvanizzarono il campo: somministrato per via endovenosa ai topi neonati, AAV9 attraversò la barriera emato-encefalica: la stretta rete di cellule che protegge il sistema nervoso centrale da agenti patogeni e tossine e neuroni infetti in tutto il midollo spinale e il cervello.

Quando il team di Nationwide era pronto a provare AAV9 nelle persone, ha scelto di colpire SMA1, la causa genetica più comune di morte nei bambini. I bambini con esso non hanno un gene SMN1 funzionante, che codifica per una proteina chiamata neurone motorio di sopravvivenza (SMN) che sostiene i neuroni spinali per tutta la vita. La maggior parte delle persone ha copie multiple di un gene di riserva, SMN2, che può produrre piccole quantità di SMN, limitando la gravità della malattia. Ma quelli con SMA1 hanno solo due di questi geni di backup, e troppo poco della proteina cruciale.

I bambini nati con SMA1 sono flosci e non possono succhiare bene o sollevare la testa; perché mancano i motoneuroni spinali, i loro muscoli si indeboliscono e ad un certo punto non riescono più a respirare da soli e muoiono. Un team guidato da Kaspar si è proposto di sviluppare un trattamento ingegnerizzando AAV9 per il trasporto del gene SMN. Progettarono di iniettarlo per via endovenosa, dopo aver dimostrato che i topi neonati con SMA1 trattati in questo modo avevano una normale funzione motoria e durata della vita.

Ma probabilmente richiederebbe grandi quantità di vettori virali. Poiché le cellule del fegato sono anche il bersaglio preferito degli AAV, il fegato rimuove la maggior parte degli AAV9 iniettati nel sangue; molto di ciò che rimane va ad altri tessuti. Di conseguenza, meno dell'1% della dose originale attraversa la barriera emato-encefalica, Gray ha stimato mentre era un postdoc con Jude Samulski dell'UNC. Sulla base della quantità necessaria per il trattamento dei topi SMA1, il team nazionale ha proposto una dose terapeutica di vettore 100 volte più alta di quanto sia mai stata iniettata nel sangue di un paziente in uno studio di terapia genica.

Eppure i test con le scimmie hanno suggerito che la dose sarebbe stata sicura. La FDA e il comitato consultivo sul DNA ricombinante, l'organismo del National Institutes of Health (NIH) che esamina la maggior parte delle sperimentazioni di terapia genica negli Stati Uniti, hanno approvato lo studio, che Nationwide e una fondazione hanno deciso di finanziare. (Una nuova società co-fondata da Kaspar, AveXis, ha finanziato le fasi successive della sperimentazione dopo aver concesso l'autorizzazione alla terapia da Nationwide).

Tuttavia, molti ricercatori di terapia genica trattennero il respiro, temendo un altro disastro simile a Gelsinger. "C'era un numero di persone nervoso. È stato dato un tremendo carico virale a pazienti molto giovani ", dice Samulski.

Poco dopo che il primo bambino ha ricevuto una dose di prova della terapia AAV9, i suoi enzimi epatici sono saliti a 31 volte normali, segnalando possibili danni cellulari. "Non ho dormito bene quella notte", dice Mendell. Ma gli steroidi hanno rapidamente abbassato i livelli e la FDA gli ha consigliato di andare avanti, dice. Altri tre bambini hanno sviluppato elevati enzimi epatici, ma non vi sono stati segni clinici di danni al fegato e il processo è continuato.

Sebbene lo studio fosse principalmente progettato per testare la sicurezza della terapia, divenne subito chiaro che il gene introdotto rallentava l'atrofia dei bambini. Invece di diventare più flaccidi e lottare per respirare, diventarono più forti. Stesa sullo stomaco, Evelyn un giorno ha iniziato a sollevare la testa, ricorda Elena Villarreal. "Era come, è così, che è impossibile con SMA1." Ormai, solo otto dei 15 bambini trattati hanno bisogno di aiuto da una maschera per respirare. E 11 dei 12 che hanno ricevuto il più grande di due dosi di AAV9 - uno dei quali è stato curato in ritardo, a 6 mesi - possono sedersi almeno brevemente senza aiuto, mangiare e parlare. Matteo, un ragazzo a Miami, in Florida, che ha ottenuto la terapia solo 27 giorni dopo la nascita, può correre e sta colpendo normali traguardi dello sviluppo, dice suo padre, Derwin Almeida.

I risultati del processo sono "notevoli", afferma Charlotte Sumner, ricercatrice SMA alla Johns Hopkins University di Baltimora, nel Maryland. Un farmaco chiamato nusinersen, costituito da un filamento di RNA che aiuta il gene SMN2 a produrre più proteine, ha avuto effetti ugualmente impressionanti nei neonati SMA1 in uno studio in corso, ed è stato approvato dalla FDA lo scorso dicembre. Ma la terapia genica è attraente a causa del "beneficio unico", osserva Sumner.

Per quanto tempo il trattamento funzionerà è sconosciuto. A differenza dell'HIV e di altri virus usati per la terapia genica ex vivo, gli AAV non integrano il gene terapeutico nel genoma di una cellula; lo depositano come un loop di DNA fluttuante, il che significa che gli effetti possono essere persi quando le cellule si copiano da sole. Ma i neuroni non si dividono, quindi il tessuto trattato dovrebbe continuare a produrre proteine ​​SMN per anni, dice Kevin Flanigan, direttore del centro di terapia genica di Nationwide.

Se i benefici della terapia genica alla fine svaniscono, i pazienti SMA1 avrebbero bisogno di ritrattamento e ora hanno anticorpi contro AAV9 che potrebbero ostacolarlo. Ma i ricercatori di Nationwide stanno lavorando su contromisure, come il filtraggio degli anticorpi dal sangue o la somministrazione di alcuni farmaci immunosoppressori, dice Mendell.

Un'altra preoccupazione lontana è il cancro. Studi di Sands e altri hanno scoperto che quando somministrati per via endovenosa in grandi dosi a topi neonati, alcuni AAV possono integrare il loro DNA nel genoma e causare il cancro al fegato. Sands nota che gli scienziati non sanno ancora se questi risultati sono rilevanti per l'uomo. Alcuni terapeuti genetici sono rassicurati sul fatto che il cancro del fegato non è apparso nelle centinaia di pazienti esposti ad AAV in precedenti studi di terapia genica.

AveXis ha lanciato un secondo studio SMA1 e prevede anche di trattare forme più lievi della condizione. Se le prove confermano la promessa della terapia, produrre una dose sufficiente per soddisfare i bisogni dei pazienti sarà una sfida. Ma un portavoce di AveXis afferma che un nuovo stabilimento vicino a Chicago, nell'Illinois, dovrebbe avere la capacità di produrre dosi per le 500 nascite SMA1 ogni anno negli Stati Uniti e in Europa. L'azienda non ha ancora messo un prezzo sul trattamento, ma probabilmente le terapie geniche costose sul mercato aumenteranno di $ 700.000 per trattamento.

WEILL CORNELL MEDICINA CERVELLO E CENTRO SPINE

Ora che la terapia genica AAV a somministrazione sistemica e ad alte dosi sembra sicura, i team di Nationwide e altrove stanno lanciando trial per altre malattie neuromuscolari, che mireranno a fornire un nuovo gene per IV alle cellule muscolari piuttosto che ai neuroni.

Gli scienziati stanno anche esplorando la prossima domanda per AAV9: può andare oltre aiutare i neuroni spinali e raggiungere in profondità nel cervello a livelli abbastanza alti da fermare le malattie lì? I primi risultati potrebbero provenire da una sperimentazione in corso, sponsorizzata dalla società Abeona Therapeutics e gestita da Nationwide, che sta utilizzando la somministrazione endovenosa di una terapia genica AAV9 per la sindrome di Sanfilippo di tipo A. I bambini con la malattia mancano di un enzima necessario per decomporre l'eparan solfato, una molecola che si accumula nel cervello e provoca danni evidenti tra i 2 ei 6 anni. Un anno dopo tre bambini sono stati trattati, livelli di eparan solfato nel loro liquido spinale sono diminuiti drasticamente, i loro fegati ingrossati si sono ridotti e i loro punteggi sui test cognitivi non verbali sembrano essersi stabilizzati, ha riferito Flanigan alle riunioni.

Altre prove si basano sulle proprietà di ricerca del neurone di AAV9, ma la somministrano direttamente al sistema nervoso centrale del paziente attraverso un'iniezione nel liquido spinale ( vedi tabella ). Ciò richiede meno virus rispetto alla consegna endovenosa, quindi la produzione non sarà tanto un ostacolo; può anche funzionare meglio per i pazienti più anziani, la cui barriera emato-encefalica è più sviluppata rispetto ai bambini. E la consegna spinale dovrebbe ridurre qualsiasi risposta immunitaria.

Nel primo test di questa strategia, uno studio clinico del NIH ha dato a otto pazienti con una malattia chiamata neuropatia assonale gigante un vettore AAV9 contenente un gene sostitutivo per quello colpevole, che distrugge i viticci trasmessi dagli impulsi delle cellule nervose degli assoni - e colpisce il cervello. Gray, i cui studi sugli animali nel laboratorio di Samulski hanno gettato le basi per il processo, dice che è troppo presto per riportare i risultati. Ma Lori Sames di Rexford, New York, la cui organizzazione di beneficenza Hannah's Hope Fund ha supportato la ricerca di Gray, afferma che la figlia di 13 anni in sedia a rotelle, Hannah, trattata a luglio 2016, ha visto alcuni miglioramenti: la sua perdita della vista si è stabilizzata e lei può nutrirsi e stare con il supporto. "Siamo davvero contenti di ciò che stiamo vedendo", afferma Sames.

Per i pazienti con SMA1 e altri disturbi progressivi, il trattamento precoce è fondamentale. "Una volta che i neuroni se ne sono andati, se ne sono andati", dice il neurologo pediatrico Jonathan Mink dell'Università di Rochester Medical Center di New York. Per ora, i fratelli di bambini già afflitti da queste malattie genetiche sono i più suscettibili di essere identificati abbastanza presto per un trattamento preventivo. Ma i gruppi di pazienti stanno sollecitando l'aggiunta di malattie come ALD e SMA ai test di screening neonatale, che potrebbero ampliare la portata della terapia.

Alcuni ricercatori rimangono scettici sul fatto che i nuovi modi meno invasivi di fornire AAV9 raggiungano abbastanza cellule cerebrali. "Ho i miei dubbi sul fatto che sarà ampiamente applicabile ad altri disordini", specialmente nei bambini più grandi, dice Ronald Crystal della Weill Cornell Medicine di New York, che ha utilizzato la consegna del cranio per curare la malattia di Batten.

Altri terapeuti genetici stanno sperando di trovare nuovi vettori AAV che siano ancora meglio nell'attraversare la barriera emato-encefalica. Un gruppo del California Institute of Technology di Pasadena ne ha identificato diversi, inclusa una variante AAV che attraversa la barriera 40 volte più efficace dell'AAV9 nei topi. La Voyager Therapeutics di Cambridge, nel Massachusetts, afferma che questi vettori sembrano funzionare anche nelle scimmie, anche se questi dati rimangono inediti.

Entusiasti come i terapeuti genetici sono nello studio SMA1 che ha dato ai genitori di Evelyn la loro bambina che balla, guarderanno con ansia vedere se la stessa strategia può salvare più bambini con gravi malattie genetiche. Se lo fa, sarà assicurato il ruolo della terapia genica nell'arsenale della medicina. Dice Wilson: "Questo non è stato un miglioramento modesto. Questo è un cambiamento di trasformazione. Questo è quello che avevamo sempre sperato che la terapia genica sarebbe stata ".

Notizie dalla scienza, di Jocelyn Kaiser , 1 novembre 2017, 17:00

http://www.sciencemag.org/news/2017/11/gene-therapy-s-new-hope-neuron-targeting-virus-saving-infant-lives