Prof. Rivka Dikstein en haar team. Foto Weizmann Instituut
Wetenschappers van het Weizmann Instituut hebben twee kleine moleculen ontdekt die de bloed-hersenbarrière bij muizen kunnen passeren, waardoor de effecten van de ziekte van Huntington, die ongeneeslijk is, worden vertraagd of zelfs ongedaan worden gemaakt.
Het menselijk brein is een goed bewaakt controlecentrum. Het bloedvatenstelsel is omgeven door een dicht opeengepakte cellulaire barrière die verhindert dat de meeste stoffen in of uit gaan. Deze versterkte architectuur beschermt de hersenen, maar kan er ook voor zorgen dat ze geen hulp krijgen wanneer ze die nodig hebben – bijvoorbeeld in het geval van een neurodegeneratieve ziekte.
In een nieuwe studie, gepubliceerd in EMBO Molecular Medicine , identificeerden prof. Rivka Dikstein van het Weizmann Institute of Science en haar team twee kleine moleculen die erin slagen de bloed-hersenbarrière te doordringen en de niveaus van een defect eiwit dat de ziekte van Huntington veroorzaakt, te verlagen. een ongeneeslijke neurodegeneratieve aandoening. De nieuwe medicijnen vertraagden niet alleen de voortgang van de ziekte in muismodellen, maar keerden zelfs enkele van de symptomen om.
De tekenen en symptomen van de ziekte van Huntington (lichte onwillekeurige bewegingen, algemene onhandigheid en verhoogde angst) manifesteren zich meestal rond de leeftijd van 40 jaar. De ziekte ontwikkelt zich in de loop van de tijd en leidt onvermijdelijk tot de dood. Het wordt veroorzaakt door een overmatige herhaling, 36 keer of meer, van een DNA-segment in het Huntingtine-gen. Mensen met de ziekte van Huntington hebben meestal één werkkopie van het Huntingtine-gen en één defecte kopie, wat leidt tot de aanmaak van defecte eiwitten die aan elkaar plakken en een giftig residu in de hersenen vormen. Dit residu hoopt zich op en beschadigt de hersenen op een aantal manieren, veroorzaakt ontstekingen, verhindert de expressie van genen die essentieel zijn voor het voortbestaan van zenuwcellen en beschadigt de cellulaire krachtcentrales die de mitochondriën worden genoemd. Eerdere pogingen om elk mechanisme afzonderlijk te behandelen waren niet voldoende effectief, terwijl medicijnen die gericht waren op het aanpakken van de oorzaak van het probleem – het defecte Huntington-eiwit zelf – het moeilijk vonden om het defecte eiwit van het normale te onderscheiden.
Een mogelijk sprankje hoop werd in 2019 ontdekt door Dr. Anat Bahat, een onderzoeker in het laboratorium van Dikstein op de afdeling Biomoleculaire Wetenschappen van Weizmann. Het laboratorium doet al jaren fundamenteel onderzoek naar het regulerende eiwit Spt5, een groot eiwit met veel functionele segmenten dat helpt bij de productie van boodschapper-RNA-moleculen en vooral belangrijk is bij de productie van eiwitten die betrokken zijn bij ontstekingen. Bahat en collega's ontdekten dat verschillende kleine moleculen bepaalde functies van Spt5 kunnen remmen zonder significante schade aan de andere functies van het eiwit te veroorzaken. De onderzoekers vonden vervolgens drie kleine moleculen die specifiek de expressie van het mutante jachttine remden zonder de expressie van normaal jachttine en andere eiwitten die verband houden met ontstekingen te schaden.
In de nieuwe studie leidde Bahat een team van onderzoekers die 17 moleculen onderzochten met chemische structuren die vergelijkbaar waren met die welke in de vorige studie effectief waren gebleken, in de hoop de meest effectieve remmers van de expressie van mutant-huntingtine te identificeren. Met behulp van celculturen uit een muismodel van de ziekte van Huntington identificeerden de onderzoekers de twee meest effectieve moleculen. Vervolgens testten ze de nieuwe moleculen in celculturen van menselijke patiënten met verschillende gradaties van genetische defecten, en identificeerden in elk geval een significante daling in de hoeveelheid van het mutante eiwit. Tegelijkertijd was er geen afname in de expressie van het niet-mutante eiwit – een bewijs dat de nieuwe moleculen hun werk met grote precisie deden.
De volgende fase van het onderzoek was het testen van de twee geselecteerde moleculen in genetisch gemodificeerde muizen die een volledig menselijke versie van het mutante jachttinegen tot expressie brachten. Om te beginnen werden de muizen op gevorderde leeftijd, toen ze al duidelijke tekenen van de ziekte vertoonden, behandeld door middel van een infuus dat gedurende vier weken rechtstreeks in het beschadigde deel van de hersenen werd toegediend. De behandeling verminderde de expressie van de mutante kopie van het gen en verhoogde het aandeel van de relevante gezonde eiwitten in het beschadigde hersengebied.
De behandeling slaagde er ook in een deel van de door de ziekte veroorzaakte schade te verlichten. Het verhoogde de expressie van twee genen die gewoonlijk beschadigd raken naarmate de ziekte langer voortschrijdt: de ene is een groeifactor die essentieel is voor de overleving van zenuwcellen, en de andere behoort tot de mitochondriën. “Hoewel het verouderde muismodel de ziekte in een vergevorderd stadium simuleerde,” legt Bahat uit, “slaagde de behandeling erin de tijd tot op zekere hoogte terug te draaien. In gedragsstudies hebben we verminderde angstniveaus en een verbeterd evenwicht en coördinatie waargenomen bij de behandelde muizen.”
Het toedienen van een infuus rechtstreeks in het beschadigde deel van de hersenen vereist echter een complexe chirurgische procedure die zowel riskant als pijnlijk is voor patiënten. De onderzoekers probeerden daarom vast te stellen of het medicijn effectief zou zijn als het in de vorm van een pil of via een onderhuidse injectie zou worden gegeven. Ze waren opgetogen toen ze ontdekten dat deze alternatieve methoden ook succesvol waren in het verlagen van de niveaus van het mutante jachttine in de hersenen van de muizen en dat de moleculen erin slaagden de lange reis van de mond of de huid naar de hersenen te voltooien zonder enige significante verandering te ondergaan. Door hun eigenschappen kunnen ze de bloed-hersenbarrière passeren en het zieke gebied direct betreden zodra ze op hun bestemming aankomen.
Eén van deze kleine moleculen vertoonde een genezend effect bij bijzonder lage doses – een belangrijke eigenschap voor een medicijn dat is ontworpen voor menselijk gebruik. Het nadeel was echter dat het effect had op meer dan duizend andere genen. Het tweede molecuul vereiste hogere doses, maar bleek een relatief doelgericht wapen te zijn: het verminderde de expressie van het mutante gen zonder bijwerkingen of wijdverbreide veranderingen aan andere genen te veroorzaken.
In het laatste deel van het onderzoek onderzochten de onderzoekers de effecten van de behandeling bij orale toediening gedurende twee maanden, in een vroeg stadium toen de eerste tekenen van de ziekte nog maar net begonnen te verschijnen. Alle zieke muizen vertoonden vóór de start van het experiment verhoogde niveaus van angst, maar bij degenen die de behandeling kregen, keerde de angst terug naar een normaal niveau. Na verloop van tijd verslechterden het evenwichtsverlies en de hyperactiviteit van zieke muizen in de controlegroep, terwijl de behandelde muizen minder substantiële schade aan hun evenwicht hadden en geen hyperactiviteit ondervonden. Deze bevindingen, gekoppeld aan andere tests, gaven aan dat de nieuwe medicijnen de voortgang van de ziekte vertragen, ook als ze in een vroeg stadium worden toegediend.
“We waren heel blij toen we ontdekten dat kleine moleculen erin slaagden de hersenen te bereiken zonder veranderingen te ondergaan en zonder onderweg uiteen te vallen”, zegt Dikstein. “Terwijl andere experimentele behandelingen herhaalde hersen- of wervelkolomoperaties vereisen, zouden deze moleculen, oraal of door middel van een injectie toegediend, de weg kunnen vrijmaken voor een effectieve en veilige behandeling van de ziekte van Huntington. De afgelopen jaren is duidelijk geworden dat een bepaalde functie van grote regulerende eiwitten nauwkeurig kan worden aangepakt met behulp van kleine moleculen, zonder de algehele werking van deze eiwitten te schaden. Dit inzicht zou de basis kunnen leggen voor nieuwe behandelingen voor een verscheidenheid aan ziekten.”
Ook Elad Itzhaki en Dr. Benjamin Weiss van de afdeling Biomoleculaire Wetenschappen van Weizmann namen deel aan de studie; Dr. Michael Tolmasov van de Bar-Ilan Universiteit; Drs. Michael Tsoory en Yael Kuperman van de afdeling Veterinaire Hulpbronnen van Weizmann; Dr. Alexander Brandis van de afdeling Life Sciences Core Facilities van Weizmann; en Dr. Khriesto Shurrush van de Medicinal Chemistry Unit in het Nancy en Stephen Grand Israel National Center for Personalised Medicine van het Weizmann Instituut.
Prof. Rivka Dikstein bekleedt de Ruth en Leonard Simon hoogleraarsleerstoel Kankeronderzoek. Zij is hoofd van het Y. Leon Benoziyo Institute for Molecular Medicine en van het Dr. Erhard, Emmi en Fred Loewinsohn Center for Pediatric Health. Haar onderzoek wordt ondersteund door het Dr. Barry Sherman Institute for Medicinal Chemistry en het Joel and Mady Dukler Fund for Cancer Research.
