Een donkere periode heeft wetenschappers niet doen ontsporen die vastbesloten waren om patiënten te helpen
Tijdens een donkere periode in gentherapie konden Maria Grazia Roncarolo (getoond in 2007) en haar team slechts één patiënt tegelijk inschrijven voor hun proef voor een erfelijke auto-immuunziekte die bekend staat als SCID.
Gentherapie-pionier Richard Jude Samulski herinnert zich dat hij de woorden ‘gentherapie’ vermeed. Halverwege de jaren 2000 vertelde hij mensen dat hij aan ‘biologische nanodeeltjes’ werkte en zelfs probeerde de term een handelsmerk te geven. “We voelden dat dit de vermomming was die we moesten dragen om vooruit te komen”, herinnert Samulski zich, een professor in de farmacologie aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill.
De dood van een tiener in een klinische proef met gentherapie in 1999 en gevallen van leukemie in een proef kort daarna hebben bijna het veld uitgedoofd, dat ziekten bij de wortel probeert te behandelen door een defect gen te vervangen of tegen te gaan. Er waren federale onderzoeken, bezuinigingen en veel negatieve media-aandacht. Toch is een handvol onderzoekers nooit gestopt met werken, soms uit koppigheid en soms omdat ze geen nee konden zeggen tegen wanhopige ouders. “Iedereen paste zich aan om te doen wat nodig was om door te gaan”, zegt Samulski.
Om ons 100-jarig jubileum te vieren, belichten we enkele van de grootste vorderingen in de wetenschap van de afgelopen eeuw. Ga naar Century of Science om meer uit de serie te zien.
Het verhaal over gentherapie heeft een happy end. Vandaag de Alliantie voor regeneratieve geneeskunde somt negen wereldwijd beschikbare gentherapieën op die zijn goedgekeurd door internationaal erkende regelgevende instanties, evenals meer dan 200 in geavanceerde klinische onderzoeken. Het veld trekt elk jaar miljarden dollars aan financiering aan. Maar het tumultueuze verleden herinnert ons eraan dat de loop van medische innovatie zelden soepel verloopt.
Het begon allemaal meer dan een halve eeuw geleden, met de ontdekking van moleculaire messen en een virus dat op de loer lag in apencellen.
Vectoren en tegenslagen
In de jaren zestig identificeerden onderzoekers eiwitten in bacteriën die werken als chemische messen om DNA in fragmenten te snijden. Deze “restrictie-enzymen” deden de verbazingwekkende mogelijkheid ontstaan dat wetenschappers DNA uit elkaar konden halen en weer in elkaar zetten. Toen, in de jaren zeventig, bleek een virus genaamd SV40, geïsoleerd uit niercellen van apen, genetisch materiaal in doelcellen te kunnen afleveren.
Samen suggereerden de ontdekkingen dat het mogelijk was om een virale vector zoals een moleculaire FedEx-vrachtwagen te gebruiken om nieuw DNA in cellen te brengen om slecht functionerend DNA tegen te gaan of te vervangen. Helaas bleek SV40 te onbetrouwbaar en riskant voor medische toepassingen. Het had de neiging om stukjes DNA in te voegen op plaatsen die ervoor zouden kunnen zorgen dat cellen kanker worden. Zo begon de tientallen jaren durende jacht op nieuwe, betere vectoren.
Twee eerste gentherapie-proeven die in 1989 en 1990 in de Verenigde Staten werden uitgevoerd, maakten gebruik van gemodificeerde retrovirussen, een type virus dat in staat is om zijn RNA-gecodeerde genen in DNA te veranderen zodra het zich in een cel bevindt. Beide behandelingen – een voor melanoom, een andere voor een erfelijke auto-immuunziekte die ernstige gecombineerde immunodeficiëntie of SCID wordt genoemd – hadden geen nadelige effecten, maar slechts beperkt succes. Desondanks werden in de jaren negentig nog tientallen klinische onderzoeken uitgevoerd met retrovirussen en andere vectoren, waaronder adenovirus, een oorzaak van verkoudheid. Na het selecteren van een virus op basis van hoe goed het genen in cellen zou kunnen overbrengen, zouden wetenschappers alle virale genen verwijderen die ziekte zouden kunnen veroorzaken en vervolgens de “gezonde” genen die gepland waren voor levering aan te pakken.
In de komende 10 jaar werden bijna 4.000 patiënten behandeld in 500 onderzoeken, maar met vrijwel geen succes.
Ondertussen was Samulski op zoek naar andere vectoropties. In een virologieboek zag hij adeno-geassocieerd virus, of AAV, vermeld als een virus dat bij mensen geen ziekte veroorzaakt. “Het was een eureka-moment”, herinnert hij zich. “Wauw, waarom gebruiken we zoiets niet als een bezorgsysteem?”
In 1994 toonden Samulski en zijn eerste afgestudeerde student, Xiao Xiao, aan dat AAV-vectoren niet alleen minder kans hebben om ziekten te veroorzaken, maar ook een belangrijk, wenselijk kenmerk hebben voor gentherapie: wanneer AAV’s een gen in een cel afleverden, werd dat gen tot expressie gebracht voor de levensduur van het dier.
Maar aanvankelijk geloofde niemand hen. Hoe kon hun virale vector aanhouden, terwijl andere slechts weken duurden voordat ze door het immuunsysteem werden vernietigd? “We kregen zoveel pushback”, zegt Samulski. Toen het werk eindelijk klaar was gepubliceerd in 1996begonnen veel laboratoria te bellen en om de vectoren te vragen.
De eerste resultaten met behulp van de vectoren maakten iedereen enthousiast. Aan de Universiteit van Pennsylvania ontwikkelden Katherine High en collega’s een op AAV gebaseerde gentherapie voor hemofilie, een erfelijke bloedingsstoornis die lange tijd een aantrekkelijk doelwit was voor gentherapie omdat het wordt veroorzaakt door een enkel defect gen. De therapie werkte in een muismodel, daarna in een hondenmodel. Het werd tijd om het bij mensen te testen.
Toen, in 1999, stierf Jesse Gelsinger.
Gelsinger was een tiener die deelnam aan een fase 1-veiligheidsonderzoek aan de Universiteit van Pennsylvania voor een gentherapie voor de behandeling van een erfelijke stofwisselingsziekte. Zijn aandoening was onder controle met een dieet en medicatie, maar hij koos ervoor om deel te nemen om anderen te helpen met de aandoening. Gelsinger stierf aan een ontstekingsreactie op de adenovirusvector. Het nieuws dat een experimentele behandeling een overigens gezonde vrijwilliger had gedood, haalde de nationale krantenkoppen en startte een onderzoek van de Food and Drug Administration naar die proef en andere.
Toen, van 2002 tot 2004, ontwikkelden vijf van de 20 kinderen in een SCID-gentherapiestudie in Europa leukemie. De virale vector was geïntegreerd in hun genomen naast een kankerverwekkend gen. Een stierf.
“Het hele veld betrad een donkere leeftijd van vijf tot tien jaar”, zegt Guangping Gao, directeur gentherapie aan de UMass Chan Medical School in Worcester, Massachusetts. Gao bestudeerde destijds AAV-vectoren bij UPenn, maar was er niet bij betrokken in de klinische proef. “Het ging van een hype naar helemaal geen hoop.”
Met zoveel spraakmakende storingen, sloten sommige laboratoria, andere draaiden weg. Samulski, High en Gao behoorden tot de weinigen die doorgingen. “We zijn nooit gestopt met ons onderzoek”, zegt Gao. “Ik ben een erg koppig persoon, zo koppig. Dus als ik iets beslis, is het moeilijk om op te geven.”
In Europa mocht een team dat een andere SCID-gentherapie testte slechts één patiënt tegelijk inschrijven. “Daardoor hebben we acht jaar nodig gehad om de eerste 14 patiënten te behandelen”, zegt Maria Grazia Roncarolo, die het onderzoek leidde bij het San Raffaele Telethon Instituut voor gentherapie in Milaan. Ze is nu hoogleraar kindergeneeskunde en geneeskunde aan de Stanford University School of Medicine.
En er was één spilgroep die het veld niet verliet: de ouders van zieke kinderen. Zonder andere behandelingsopties verschenen ouders in de kantoren van onderzoekers, vaak met hun kinderen op sleeptouw, met de vraag: “Kun je mijn kind redden?”
Van een straaltje naar een brul
Ouders financierden stichtingen en die stichtingen financierden wetenschappers. “Ze hielden laboratoria in leven die ofwel zouden sluiten of zouden gaan waar geld werd verdiend”, zegt Samulski.
Tegen 2010 hadden Gao, gentherapie-onderzoeker James Wilson en collega’s geïdentificeerd: nieuwe AAV-vectorenwisten wetenschappers meer over hoe en waar virale vectoren werken in cellen en laboratoria registreerden succes in diermodellen. “Op een gegeven moment kon je niet blijven zeggen: ‘Het gaat niet werken'”, zegt Samulski, die in 2001 medeoprichter was van AskBio, een gentherapiebedrijf in North Carolina.
Op basis van dat veelbelovende preklinische werk werden de proeven bij mensen hervat. Veel gebruikten AAV-vectoren, hoewel ook andere vectoren werden gebruikt. In 2009 publiceerde het team van Roncarolo hun succesvolle inspanningen voor: SCID behandelen met behulp van een retrovirale vector zonder leukemie te veroorzaken. “Deze proef bewees dat het veilig zou kunnen zijn, maar belangrijker nog, bewees dat het de patiënten kon genezen”, zegt ze.
Tientallen biotechbedrijven traden toe tot het veld en grote farmaceutische bedrijven financierden klinische proeven. In 2013 richtten High en collega’s Spark Therapeutics op in Philadelphia en leidden ze een team met Jean Bennett en Albert Maguire bij Penn Medicine dat in december 2017 de eerste FDA-goedkeuring verkreeg van een AAV-gentherapie, Luxturna. Ook in 2017 keurde de FDA twee gentherapieën die gebruik maken van de genetisch gewijzigde immuuncellen van een patiënt, CAR-T-cellen genaamd, om zeldzame soorten kanker te bestrijden. Een jaar eerder werd Roncarolo’s SCID-therapie, Strimvelis, goedgekeurd door de Europese Commissie.
Eind 2021 waren er 46 gentherapieën in de laatste fase 3-fase van klinische onderzoeken, waaronder de therapie van High voor hemofilie, waarvan een vroege versie 20 jaar geleden voor het eerst bij mensen werd getest. In hetzelfde jaar waren meer dan 1.220 klinische proeven met gentherapie gericht op het inschrijven van 90.000 patiënten wereldwijd. De FDA en het Europees Geneesmiddelenbureau voorspellen dat ze tegen 2025 elk 10 tot 20 gen- en celtherapieën zullen goedkeuren – therapieën die cellen, al dan niet genetisch gemodificeerd, als behandeling in het lichaam van een patiënt transplanteren.
Elke prestatie in het veld was als het beklimmen van de top van een berg om te beseffen dat het een ander basiskamp is, zegt Samulski. De huidige bergen omvatten het proberen te voorkomen van een toxische immuunrespons die kan optreden als reactie op grote doses van een gentherapie, het opvoeren van de productie van vectoren en het voortzetten van de nooit eindigende jacht op effectievere genafgiftesystemen.
High, nu President of Therapeutics bij AskBio, is enthousiast over nieuwe benaderingen van gentherapie, waaronder CAR-T-celtherapieën en genbewerking met CRISPR/Cas9. Maar ze hoopt dat onderzoekers kunnen leren van het verleden: het kost tijd en doorzettingsvermogen om een nieuwe klasse van therapieën te ontwikkelen. “Mijn opwinding wordt altijd getemperd door mijn zwaarbevochten kennis”, zegt ze.
