Pierwotne niedobory odporności (z ang. Primary Immunodeficiencies, PID) są szeroką grupą zaburzeń, głównie zaburzeń genetycznych, prowadzących do mniejszych lub większych problemów w funkcjonowaniu układu immunologicznego. Do tej pory naukowcom udało się zidentyfikować przeszło patogennych 300 wariantów genetycznych mogących być przyczyną PID [1]. Tak duża liczba wariantów świadczy też o dużej heterogenności tej grupy chorób. Cały czas znajdowane są także kolejne zaburzenia [2]. Wraz z postępem biotechnologii i medycyny do dyspozycji pacjentów pojawiają się nowe możliwości terapeutyczne dające nadzieje na trwałe wyleczenie. W tym artykule omówię wybrane niedobory odporności wraz z coraz bardziej imponującymi metodami ich leczenia.

Trochę historii

Cała historia badań nad terapią PID jest niezmiennie powiązana z osobą Davida Vettera. Chłopiec ten, urodzony w roku 1971, został zdiagnozowany we wczesnym dzieciństwie – zmagał się z ciężkim złożonym niedoborem odporności (z ang. Severe Combined Immune Deficiency, SCID). Z uwagi na brak potencjalnego dawcy szpiku David przez wiele lat był trzymany w sterylnej bańce. Z tego powodu jego samego nazwano Bubble Boy (pol. Chłopiec w bańce), a chorobę, na którą chorował, nazwano także Bubble boy syndrome (pol. Choroba chłopca w bańce). Ostatecznie chłopiec otrzymał przeszczep szpiku od swojej siostry. Niestety po 4 miesiącach zmarł na chłoniaka wywołanego zakażeniem wirusem EBV (z ang. Epstein-Barr virus) [3]. Pomimo niepomyślnego wyniku jego terapii historia Davida spowodowała duże zainteresowanie wrodzonymi niedoborami odporności. Na temat jego życia powstały książki, filmy i seriale. Pozwoliło to także na większe pozyskanie środków na potencjalnie skuteczne, nowoczesne terapie.

Nie minęło wiele lat od śmierci Davida do momentu pojawienia się kolejnej ważnej osoby na drodze do wyleczenia chorych na PID pacjentów. W 1990 roku 4 letnia dziewczynka Ashanthi DeSilva chorująca na inną postać niedoboru odporności ADA-SCID (o którym więcej poniżej) otrzymała przełomowe leczenie. Pobrane od dziewczynki limfocyty zostały zmodyfikowane genetycznie, a następnie ponownie podane dziewczynce. Jest to pierwszy przykład udanej terapii genowej, gdyż Ashanthi żyje do dzisiaj w dobrym zdrowiu [4].

Po poznaniu rysu historycznego przejdę teraz do szczegółowego omówienia 3 jednostek chorobowych wchodzących w skład pierwotnych niedoborów odporności.

SCID-X1

Ciężki złożony niedobór odporności połączony z dziedziczeniem przez chromosom X (z ang. X-linked Severe Combined Immune Deficiency, SCID-X1) jest wrodzoną chorobą występującą praktycznie wyłącznie u chłopców. Jest to związane z występowaniem patogennego wariantu allelu na chromosomie X, który mężczyźni posiadają tylko w jednej kopii. Ten rodzaj SCID jest najczęściej występującym, jednak sama choroba, tak jak i inne niedobory odporności, są bardzo rzadkimi schorzeniami. Określa się, że na ten rodzaj PID może zachorować od 1 do 9 dzieci na 100 000 urodzeń [5]. Na poziomie genetycznych przyczyną SCID-X1 jest mutacja w genie IL2RG, która skutkuje brakiem wspólnych łańcuchów gamma będących częścią dużych białkowych kompleksów-receptorów cytokinowych. Zaburzeniu ulega przekazywanie informacji wewnątrzkomórkowych poprzez interleukiny IL-2, 4, 7, 9, 15 oraz 21. To z kolei skutkuje bardzo niską liczbą lub całkowitym brakiem krążących limfocytów T oraz NK, a także normalną lub podniesioną liczbą nieprawidłowo dojrzałych limfocytów B [1,6]. Pacjenci są narażeni na wszelkiego rodzaju infekcje, w tym szczególnie zapalenia płuc czy zakażenia skórne [7].

Do tej pory jedynym dostępnym dla chorych leczeniem było przeszczepienie szpiku od pasującego dawcy, który posiadał identyczne lub prawie identyczne antygeny zgodności tkankowej zwane HLA (Allo-HSCT – allogenic hematopoetic steam cells transplatation). Niestety dla większości osób z SCID-X1 taka metoda leczenie była niedostępna z uwagi na brak takiego dawcy. Rozwiązaniem tego problemu wydaje się być zastosowanie autologicznego przeszczepienia szpiku (Auto-HSCT – autologic hematopoetic steam cells transplatation) ze zmienionymi genetycznie limfocytami czyli tzw. terapii ex vivo. W przeszczepach autologicznych używane są komórki pacjenta, w przeciwieństwie do przeszczepu allogenicznego, gdzie używane są komórki dawcy. Pierwsza próba kliniczna tego typu leczenia rozpoczęła się w 1999 roku w Paryżu. Używano w niej gamma-retrowirusowego wektora, w którym ekspresja pożądanego łańcucha gammabyła pod kontrolą wirusowego promotora LTR (z ang. Long terminal repeat) [8]. Promotor ten posiada jedną zasadniczą wadę, a mianowicie czasami integrują się z genomem komórki gospodarza w miejscach bliskich protoonkogenom (patrz przypis 1). W próbie wzięło udział 10 dzieci. W tym samym czasie w Londynie także rozpoczęło się pierwsze badanie kliniczne nastawione na terapię genetyczną SCID-X1. W tym wypadku 10 pacjentów otrzymało terapię przy pomocy pseudotypowego gamma-retrowirusowego wektora [9]. W obu badaniach przed przeszczepem szpiku nie zastosowano kondycjonowania. Jest to metoda, której celem jest albo całkowite zniszczenie szpiku kostnego biorcy (tzw. kondycjonowanie mieloablacyjne) lub doprowadzenie do głębokiej immunosupresji, ale bez całkowitego zniszczenia szpiku (tzw. kondycjonowanie nie mieloablacyjne). Zniszczenie szpiku kostnego jest konieczne z uwagi na to, że obecność komórek gospodarza może wywołać odpowiedź immunologiczą i tym samym odrzucenie przeszczepu.

Początkowo, w wyniku obu badań stwierdzono, że możliwe jest wyleczenie osób ze SCID-X1. Niestety, po pewnym czasie na badaczy spadły złe wiadomości. Okazało się, że niektóre z leczonych terapią genetyczną dzieci rozwinęły ostrą białaczkę limfoblastyczną z limfocytów T [10]. Przyczyną okazało się wbudowanie konstruktów genetycznych w okolicę protoonkogenuLMO2, co spowodowało jego nadmierną ekspresję i tym samym było punktem zwrotnym w rozwoju nowotworu u tych pacjentów. [11]. Stało się jasne, że stworzenie bardziej bezpiecznych wektorów jest kluczowe dla dalszych prób.

W kolejnej próbie wykorzystano samoinaktywujący się gamma-retrowirusowy wektor, pozbawiony wirusowego promotora LTR, w zamian którego zastosowano promotor dla ludzkiego czynnika wzrostu alfa1 [12]. Promotor ten został wybrany ze względu na wcześniejsze doświadcznia, które potwierdzały jego skuteczność w komórkach hematopoetycznych (patrz przypis 2) W założeniu zmiany te powinny znacznie zwiększyć bezpieczeństwo tego wektora z uwagi na mniejsze ryzyko niekontrolowanej trankrypcji protoonkogenów oraz dużą specyficzność tkankową promotora.

I dokładnie tak się zadziało, gdyż po 3 latach brak było jakiegokolwiek przypadku indukowanej kancerogenezy wśród leczonych osób. Dodatkowo analizy miejsc integracji wektora wykazały znacznie mniejsze grupowanie się ich w okolicy protonkogenów [13]. Zaobserwowano jednak, iż odpowiedź humoralna (powiązana z limfocytami B) dalej była upośledzona.

Jak więc „uruchomić” odpowiedź humoralną? Odpowiedź na to pytanie przyniosła inna próba kliniczna. Użyto samoinaktywującego się wektora lentiwirusowego. Ponownie udało się wykazać brak indukowanej kancerogenezy oraz skuteczność terapii genowej ex vivo. Tym razem jednak, w odróżnieniu od poprzednich prób, pacjentów poddano protokołowi kondycjonowania nie-mieloablacyjnego. Takie warunki pozwoliły na restytucję odpowiedzi limfocytów B [14].

SCID-ADA

Ciężki złożony niedobór odporności, spowodowany niedoborem deaminazy adenozynowej (z ang. Adenosine deaminase deficiency – Severe combined immunodeficiency, ADA-SCID), jest bardzo rzadką chorobą genetyczną, która występuje z częstotliwością raz na milion urodzeń [15]. Z powodu braku funkcjonalnego enzymu deaminazy adenozynowej w limfocytach T, B oraz NK dochodzi do nagromadzenia toksycznych metabolitów komórkowych zaburzających pracę tych komórek [1]. Choroba charakteryzuję się występowaniem częstych zakażeń oraz zaburzeń szkieletowych, pracy płuc, jelit i wątroby. Tak samo jak w przypadku SCID-X1 metodą leczenia jest Allo-HSCT (obecnie jest to metoda z wyboru – bez przeprowadzania wcześniejszego kondycjonowania) lub Auto-HSCT połączone z terapią genową ex vivo.

Dla pacjentów z SCID-ADA istnieje jeszcze dodatkowa droga terapeutyczna poprzez zastosowanie enzymatycznej terapii zastępczej (z ang. enzyme replacement therapy, ERT) [16]. Terapia ERT ma charakter paliatywny, co oznacza, że nie spowoduje ona wyleczenia pacjenta, ale pozwala na podniesienie jakości życia chorych. Obecnie najczęściej stosowany jest preparat z oczyszczonego cielęcego enzymu deaminazy adenozynowej, skoniugowany z poliglikolem etylenowym (z ang. ADA conjugated to polyethylene glycol, PEG-ADA). Roczny koszt używania preparatu zamyka się w przedziale między 200 a 400 tys. $ rocznie. Z uwagi na ogromny koszt jest to terapia z wyboru wyłącznie da tych chorych, u których niemożliwe jest znalezienie pasującego dawcy szpiku kostnego [16].

Największe nadzieje, tak samo jak w przypadku terapii SCID-X1, wiąże się z terapią genetyczną ex vivo. Pierwsze rozpoczęte próby kliniczne w latach 90-tych stosowały bardzo podobny wektor wirusowy do tego, który był stosowany w początkowych próbach terapii SCID-X1. Wektor gamma-retrowirusowy zawierał LTR, a także gen prawidłowego enzymu ADA. Jednakże badanie nie było idealne. Badacze kontynuowali podawanie ERT pomimo rozpoczętej terapii genetycznej. Nie przeprowadzono także kondycjonowania biorców. Otrzymane wyniki nie były zachęcające. Nie udało się uzyskać długo trwającej rekonstrukcji układu immunologicznego [17].

W kolejnych próbach zastosowano podobny konstrukt genetyczny. Wprowadzono za to inne, istotne zmiany. Kontynuowano procedurę kondycjonowania przed Auto-HSCT, a także zaprzestano ERT po samej procedurze, gdyż wydawało się, że powoduje ona zaburzenia pracy prawidłowych komórek układu immunologicznego [18]. Wykazano, że tego typu terapia doprowadza do znormalizowania liczby limfocytów T oraz poziomu enzymu ADA. Wyniki zostały potwierdzone także w innych badaniach [19]. Dzięki temu Europejska Agencja Medyczna dopuściła na rynek preparat o nazwie Strimvelis [20]. Jest to pierwsza na świecie rejestracja terapii genowej stosowanej ex vivo [21].

CGD

Przewlekła choroba ziarniniakowa (z ang. chronic granulomatous disease, CGD) to kolejna rzadka choroba pojawiająca się z częstością raz na 217 000 osób, należąca do grupy pierwotnych niedoborów odporności. Może być dziedziczona zarówno autosomalnie recesywnie, jak i przez chromosom X. Choroba objawia się głównie zaburzeniem pracy neutrofilów, co jest spowodowane patogennym wariantem w genie kodującym jedną z podjednostek kompleksu enzymatycznego NADPH. Kompleks ten bierze udział w produkcji reaktywnych form tlenu (z ang. reactive oxygen species, ROS), które uczestniczą z kolei w obronie przed patogenami. Brak możliwości wyprodukowania ROS powoduje zwiększone ryzyko zachorowania na infekcje bakteryjne oraz grzybicze. Obecne są także ziarniniaki (patrz przypis 3). U niektórych pacjentów pojawiają się także towarzyszące choroby autoimmunologiczne takie jak toczeń rumieniowaty krążkowy czy zespół antyfosfolipidowy [22].

Obecnie dla chorych dostępnych jest kilka opcji terapeutycznych. Mogą stosować długotrwałą profilaktykę antybiotykową, otrzymywać interferon gamma lub mieć przeprowadzone Allo-HSCT z radykalnym kondycjonowaniem. Metodą z wyboru i w tym wypadku będzie przeszczep szpiku, jednak – jak i we wcześniej opisanych przypadkach – nie zawsze możliwe jest znalezienie pasującego dawcy [1].

Naukowcy przystąpili więc do tworzenia terapii ex vivo, które sprawdzały się w poprzednio omawianych chorobach. CGD jednak jest dosyć odmienne. Patologia dotyczy neutrofili, co oznacza, że inne limfocyty działają w sposób niezaburzony. Powoduje to możliwość występowania chronicznego zapalenia, które z kolei może predysponować do częstszego odrzucania przeszczepu (zwanego także czasami graftem). Inną przeszkodą jest krótki czas życia neutrofili. Żyją one do 6 h we krwi a w tkankach między 1 a 4 dni. Powoduje to konieczność posiadania dużej liczby prawidłowych komórek szpiku [23].

Pierwsze próby ponownie były oparte na wektorach retrowirusowych. Wykonano kilka prób klinicznych, jednak w żadnej nie udało się uzyskać długotrwałego efektu [24]. W jednej z prób wektor retrowirusowy z konstruktem u 2 chorych wbudował się protoonkogenu MDS/EVI1, co ostatecznie doprowadziło do rozwinięcia się u nich zespołu mielodysplastycznego (z ang. myelodysplastic syndrome, MDS) [25].

Obecnie w próbach klinicznych testowany jest nowy wektor – samoinaktywujący się wektor lentiwirusowy, zawierający specjalny chimeryczny promotor powstały z połączenia protoonkongenu c-fes oraz sekwencji regulatorowych 5’ genu katepsy-g. Taki wektor wykazuje znacznie większą ekspresję w komórkach linii krwiotwórczych niż w pozostałych. Wydaje się, że takie podejście spowoduje mniejsze ryzyko rozwoju nowotworów oraz zwiększy stabilność konstruktów [26]. W kolejnych badaniach także stosowano protokoły kondycjonowania.

Podsumowując

Niedobory odporności są bardzo niejednorodną grupą schorzeń. Powoduje to konieczność dostosowywania podejść terapeutycznych do konkretnych jednostek chorobowych, a nawet do konkretnych pacjentów. Bardzo duża liczba prób klinicznych, a także pierwszy zaaprobowany na rynek preparat pokazuje, że naukowcy nie zwalniają w swoich pracach nad skutecznymi terapiami dla pacjentów. Najbliższe lata przyniosą na pewno wiele nowych preparatów i metod leczenia PID, co mam nadzieję będzie musiało skutkować aktualizacją niniejszego artykułu.

Przypisy:

1. Nadmierne uaktywnienie się tego genu może prowadzić do niekontrolowanego zwiększenia się ilości podziałów komórkowych i tym samym być z jedną z przyczyn nowotworzenia.
2. Komórka macierzystka , z której powstają składniki morfotyczne krwi
3. Jest to duża ilość zgrupowanych makrofagów oraz innych komórek układu odpornościowego.

Bibliografia

[1] Zhang ZY, Thrasher AJ, Zhang F. Gene therapy and genome editing for primary immunodeficiency diseases. Genes Dis 2020;7:38–51. doi:10.1016/j.gendis.2019.07.007.

[2] Li F, Chaigne-delalande B, Su H, Uzel G, Matthews H, Lenardo MJ. Blood Spotlight XMEN disease : a new primary immunodeficiency affecting Mg 2 1 regulation of immunity against Epstein-Barr virus 2014;123:2148–53. doi:10.1182/blood-2013-11-538686.2148.

[3] Immune Deficiency Foundation. The Story of David n.d. https://primaryimmune.org/story-david (accessed June 16, 2020).

[4] NIH. Gene therapy-ADA n.d. https://history.nih.gov/exhibits/genetics/sect4.htm (accessed November 3, 2019).

[5] Orphanet. SCIDX1 n.d. https://www.orpha.net/consor/cgi-bin/Disease_Search.php?lng=EN&data_id=170&Disease_Disease_Search_diseaseGroup=SCID-X&Disease_Disease_Search_diseaseType=Pat&Disease(s)/group of diseases=T-B–severe-combined-immunodeficiency-due-to-gamma-chain-deficiency&title=T-B+ severe combined immunodeficiency due to gamma chain deficiency&search=Disease_Search_Simple (accessed June 16, 2020).

[6] Six E, Cavazzana M, Lagresle-peyrou C, Hacein-bey-abina S, Andre I. Gene Therapy for X-Linked Severe Combined Immunodeficiency : Where Do We Stand ? 2016;27:2–4. doi:10.1089/hum.2015.137.

[7] Diaz-parra S, Lozano-sanchez G, Escobosa-sanchez O, Moreno-perez D. X-Linked Severe Combined Immunodeficiency and Hepatoblastoma : A Case Report and Review of Literature 2018;00:1–2. doi:10.1007/s11882-016-0615-8.9.

[8] Hacein-Bey-Abina S et. al. SUSTAINED CORRECTION OF X-LINKED SEVERE COMBINED IMMUNODEFICIENCY BY EX VIVO GENE THERAPY S 2002;346:1185–93.

[9] Gaspar HB, Parsley KL, Howe S, King D, Gilmour KC, Sinclair J, et al. Gene therapy of X-linked severe combined immunodeficiency by use of a pseudotyped gammaretroviral vector 2004.

[10] Howe SJ, Gaspar HB, Thrasher AJ, Howe SJ, Mansour MR, Schwarzwaelder K, et al. Insertional mutagenesis combined with acquired somatic mutations causes leukemogenesis following gene therapy of SCID-X1 patients 2008;118:3143–50. doi:10.1172/JCI35798.vector-mediated.

[11] Kohn DB, Sadelain M, Glorioso JC. OCCURRENCE OF LEUKAEMIA OF X-LINKED SCID 2003;3. doi:10.1038/nrc1122.

[12] Thornhill SI, Schambach A, Howe SJ, Ulaganathan M, Grassman E, Williams D, et al. Self-inactivating Gammaretroviral Vectors for Gene Therapy of X-linked Severe Combined Immunodeficiency. Mol Ther 2008;16:590–8. doi:10.1038/sj.mt.6300393.

[13] Blanche S, Bleesing J, Blondeau J, Boer H De, Buckland KF, Caccavelli L, et al. A Modified γ-Retrovirus Vector for X-Linked Severe Combined Immunodeficiency 2014:1407–17. doi:10.1056/NEJMoa1404588.

[14] Ravin SS De, Wu X, Moir S, Kardava L, Brien SA, Kwatemaa N, et al. Lentiviral hematopoietic stem cell gene therapy for X-linked severe combined immunodeficiency 2016;8:1–12.

[15] Orphanet. Severe combined immunodeficiency due to adenosine deaminase deficiency n.d. https://www.orpha.net/consor/cgi-bin/OC_Exp.php?lng=EN&Expert=277 (accessed June 16, 2020).

[16] Kohn DB, Gaspar HB. How We Manage Adenosine Deaminase-Deficient Severe Combined Immune Deficiency ( ADA SCID ) 2017. doi:10.1007/s10875-017-0373-y.

[17] Bordignon C, Notarangelo LD, Nobili N, Ferrari G, Casorati G, Panina P, et al. Gene Therapy in Peripheral Blood Lymphocytes and Bone Marrow for ADA- Immunodeficient Patients 1995;270.

[18] Cicalese MP, Ferrua F, Castagnaro L, Pajno R, Barzaghi F, Giannelli S, et al. Update on the safety and ef fi cacy of retroviral gene therapy for immunode fi ciency due to adenosine deaminase de fi ciency 2016;128:45–55. doi:10.1182/blood-2016-01-688226.

[19] Candotti F, Shaw KL, Muul L, Carbonaro D, Sokolic R, Choi C, et al. Plenary paper Gene therapy for adenosine deaminase – deficient severe combined immune deficiency : clinical comparison of retroviral vectors and treatment plans 2015;120:3635–47. doi:10.1182/blood-2012-02-400937.There.

[20] EMA. CHARAKTERYSTYKA PRODUKTU LECZNICZEGO n.d. https://pl.gsk.com/media/665242/strimvelis-druki-pl-26_05_2016.pdf (accessed June 16, 2020).

[21] Aiuti A, Roncarolo MG, Naldini L. Gene therapy in Europe : paving the road for the next generation of advanced therapy medicinal products 2017;9:737–40. doi:10.15252/emmm.201707573.

[22] Orphanet. Przewlekła choroba ziarniniakowa n.d. https://www.orpha.net/data/patho/Pro/pl/Przewlekla_choroba_ziarniniakowa_PL_pl_PRO_ORPHA379.pdf (accessed June 16, 2020).

[23] Grez M, Reichenbach J, Schwäble J, Seger R, Dinauer MC, Thrasher AJ. Gene Therapy of Chronic Granulomatous Disease : The Engraftment Dilemma. Mol Ther 2009;19:28–35. doi:10.1038/mt.2010.232.

[24] Kang HJ, Bartholomae CC, Paruzynski A, Arens A, Kim S, Yu SS, et al. Retroviral Gene Therapy for X-linked Chronic Granulomatous Disease : Results From Phase I / II Trial. Mol Ther 2009;19:2092–101. doi:10.1038/mt.2011.166.

[25] Evi MDS, Setbp P, Ott MG, Schmidt M, Schwarzwaelder K, Stein S, et al. Correction of X-linked chronic granulomatous disease by gene therapy , augmented by insertional activation of 2006;12:401–9. doi:10.1038/nm1393.

[26] Santilli G, Almarza E, Brendel C, Choi U, Beilin C, Blundell MP, et al. Biochemical Correction of X-CGD by a Novel Chimeric Promoter Regulating High Levels of Transgene Expression in Myeloid Cells. Mol Ther 2009;19:122–32. doi:10.1038/mt.2010.226.