Superladen van gentherapie met elektrische pulsen

Verbeteren van gentherapie

In december 2023, de FDA maakte geschiedenis door de eerste gentherapie voor sikkelcelziekte bij mensen goed te keuren. Dit was een ware revolutie en opende de weg voor veel meer gentherapie voor andere ongeneeslijke ziekten.

Een moeilijkheid bij alle gentherapie‑procedures is het krijgen van voldoende van het beoogde genetisch materiaal in de doelcellen. Dit kan verschillende problemen veroorzaken, van te lage genmodificatie die niet effectief is als medicijn tot het modificeren van niet‑doelcellen of immuunreacties en bijwerkingen door een te geconcentreerde dosis. En uiteraard is het gebruik van meer dan nodig gentherapie‑geneesmiddel duur.

Gelukkig lijken onderzoekers een manier te hebben gevonden om dit probleem op te lossen, door elektrische pulsen te gebruiken om de efficiëntie van genoverdracht 40‑maal te verhogen.

Elektriciteit voor genbewerking

Het gebruik van elektriciteit voor genmodificatie is op zich geen nieuw concept, waarbij elektroporatie een zeer oude methode is die wordt gebruikt om GMO’s te creëren. Echter, bij deze methode veroorzaakt de zeer hoge spanning schade aan de cellen, waardoor het alleen geschikt is voor het modificeren van celculturen, bacteriën of planten, en niet voor het gen in een levend dier of mens.

Bron: Thermo Fisher

Wat de onderzoekers van de University of Wisconsin–Madison hebben ontdekt, is dat gentherapieën kunnen worden verbeterd met een korte elektrische puls in plaats daarvan. Dit werd gedaan in samenwerking tussen onderzoekers van de University of Wisconsin–Madison ( Susan Hagness en John Booske en PhD‑student Yizhou Yao) en Hans Sollinger, een wereldberoemde transplantatiechirurg.

Bron: University of Wisconsin-Madison

In tegenstelling tot de meer brute elektroporatiemethode zijn de elektrische pulsen zeer kort, slechts 80 milliseconden lang. Ze maken gerichte targeting van alleen specifieke cellen mogelijk. Dankzij micro‑elektroden die chirurgisch worden ingebracht voor de duur van de behandeling, kan gentherapie zich voornamelijk beperken tot het orgaan en de cellen die met elektriciteit worden behandeld.

“Wat we begonnen te bespreken was lokale, gerichte levering en of er een manier was om het DNA van de behandeling direct in de lever te krijgen zonder het door het hele lichaam te laten gaan en het immuunsysteem te activeren.

En of we elektrische pulsen konden gebruiken om dit leveringsproces efficiënter te maken en de benodigde dosis dramatisch te verlagen.” – Pr. Susan Hagness

Diabetes genezen met elektrische gentherapie?

Veel nieuwe gentherapieën maken gebruik van CRISPR, een nieuw genbewerkingsinstrument dat het mogelijk maakt om bestaande genen zeer gecontroleerd te wijzigen, vaak door slechts één genetische basis te veranderen. Maar voor het inbrengen van een heel gen is het vaak net zo goed, zo niet beter, om virale vectoren te gebruiken.

Dit is wat de onderzoekers willen doen: een gen dat verantwoordelijk is voor de productie van insuline in menselijke levercellen invoegen. Door dit te doen, zouden ze de insuline‑producerende functie bij patiënten met type‑1‑diabetes kunnen herstellen. Het zou ertoe leiden dat de lever van de patiënt, in plaats van de alvleesklier, de benodigde insuline produceert.

Om te testen of elektriciteit de genetische transformatie kan stimuleren, gebruikten ze een gen dat codeert voor een fluorescerend eiwit. Als de cel getransformeerd is en het nieuwe gen draagt, zal deze onder een speciaal microscoop fluoresceren.

Bron: PLOS

Wanneer alleen de virale vector wordt gebruikt (“b”), werd slechts een klein percentage van de levercellen getransformeerd, een bekend probleem dat dit soort therapie medisch niet bruikbaar maakt.

Echter, wanneer de cellen werden blootgesteld aan de elektrische puls (“c”), hadden 40‑maal meer cellen het nieuwe genetische materiaal geïntegreerd.

In theorie zou de methode dan kunnen worden aangepast om niet een gen voor een fluorescerend eiwit, maar een gen voor insulineproductie over te dragen.

De volgende stappen

De volgende stappen moeten bevestigen of de verbeterde transformatie kan worden omgezet in een daadwerkelijk medisch protocol.

Dit proof‑of‑concept werd uitgevoerd op gecultiveerde cellen in een petrischaal. Dus moet worden aangetoond dat het ook werkt in een volledige lever en in een levend diermodel. Op dezelfde manier zal later moeten worden aangetoond dat dit veilig genoeg is om op een levende menselijke lever toe te passen.

Bron: PLOS

Een ander aspect is te testen of de transformatie van de levercel leidt tot een duurzame, stabiele en zelfregulerende productie van insuline. Alleen dan kan het een goede kandidaat worden voor het genezen van type‑1‑diabetes.

Het gebruik van verschillende lengtes en intensiteiten van elektrische pulsen en het testen op andere organen en celtypen zal ook nuttig zijn om te begrijpen of dit kan worden toegepast op cellen en organen buiten de lever.

Tot slot zullen zowel onderzoekers als regelgevende instanties zoals de FDA willen begrijpen hoe de elektrische pulsen werken. Het is bekend dat elektrische pulsen micro‑gaten in een celmembraan kunnen openen. Maar de gebruikte virusdeeltjes zijn veel groter dan deze gaten. Het is dus niet echt duidelijk wat er gebeurt en waarom het virus veel efficiënter is in het injecteren van het fluorescerende eiwitgen dankzij de elektrische pulsen.

Interessant genoeg zou dit ook kunnen betekenen dat er een geheel ander mechanisme aan het werk is, waarvan onderzoekers tot nu toe niet op de hoogte waren.

Gentherapiebedrijven

De ontdekking van de efficiëntie van elektrische pulsen bij het verbeteren van gentherapie met virale vectoren zou dit veld een impuls kunnen geven. Recentelijk is het een beetje overschaduwd door het succes van CRISPR‑gebaseerde therapie.

Dit kwam grotendeels door de lage transformatie‑efficiëntie van virale‑gebaseerde therapieën.

Met dit probleem mogelijk opgelost, zouden virale gentherapieën een onverwachte comeback kunnen maken aan de voorhoede van de potentiële wondergeneesmiddelen van gentherapie.

1. Voyager Therapeutics

Deze biotech‑startup is gespecialiseerd in het ontwerpen van Adeno‑Associated Virus (AAV) vectoren. Het ontwikkelt next‑generation AAV‑capsiden voor gentherapieën.

Een sleuteltechnologie van het bedrijf is TRACER (Tropism Redirection of AAV by Cell-type-specific Expression of RNA), een platform dat het mogelijk maakt snel nieuwe AAV’s te ontdekken “met robuuste penetratie van de bloed‑hersenvlieg”.

Dit geeft Voyager een sterk voordeel in gentherapieën gericht op de hersenen en het zenuwstelsel, die meestal moeilijk te bereiken zijn met traditionele medicijnen en gentherapieën.

Gentherapie: directe injectie (intra‑parenchymaal, intra‑cerebro‑ventriculair, intra‑thecair, intra‑cisterna magna) kan resulteren in patchy levering, onvoldoende hersenverdeling, lage transductie‑efficiënties en veiligheidszorgen.

Deze focus heeft het bedrijfsprofiel versterkt, met partnerschappen die zijn aangegaan met verschillende grote farmaceutische bedrijven, waaronder Sangamo en Novartis. De Novartis‑samenwerking en capsid‑licentie‑overeenkomst was de moeite waard $1,3 mlrd met Voyager om gentherapieën te ontwikkelen voor de ziekte van Huntington en SMA. En de twee Neurocrine Biosciences (NBIX ) ‑partnerschappen zouden tot $5,5 mrd kunnen opleveren als ze al hun mijlpalen bereiken.

Bron: Voyager

De R&D‑pipeline van het bedrijf is het meest geavanceerd op het gebied van de ziekte van Alzheimer, met andere onderzoeksprogramma’s op ALS, de ziekte van Huntington, Parkinson, Friedreich’s ataxie, SMA en prionziekte.

Bron: Voyager

Gezien het feit dat het elektrische‑puls‑gentherapie‑experiment adeno‑geassocieerde virusvectoren (AAV8) gebruikte, is het redelijk om te verwachten dat de verbeterde efficiëntie ook zou kunnen werken op Voyagers eigen AAV‑stammen.

Echter, verder onderzoek naar de veiligheid van de gebruikte micro‑elektrische pulsen zou nodig zijn, aangezien de meeste potentiële therapieën van Voyager gericht zijn op het zenuwstelsel.

2. Bluebird Bio

Samen met CRISPR Therapeutics (CRSP ) was Bluebird een bedrijf dat goedkeuring kreeg in december 2023 voor een gentherapie tegen sikkelcelziekte, onder de commerciële naam Lyfgenia. Dezelfde therapie is ook goedgekeurd voor bèta‑thalassemie, onder de commerciële naam Zynteglo.

Lyfgenia maakte geen gebruik van CRISPR. In plaats daarvan volgde het de traditionele route van gentherapie door een lentivirale vector (LVV) te gebruiken, een familie van virussen, om genen te modificeren.

Hier worden de bloedstamcellen van SDC‑patiënten genetisch gemodificeerd om een speciaal hemoglobine HbAT87Q te produceren dat functioneert als elk normaal volwassen hemoglobine, maar afkomstig is van gentherapie en aan de patiënt wordt toegediend.

Het succes van het bedrijf bij de goedkeuring van Lyfgenia heeft zich niet echt vertaald naar een stijging van de aandelenkoers. Echter, het succes van het bedrijf in het verkrijgen van drie goedgekeurde gentherapieën met LVV wijst op de expertise in het gebruik van virussen voor gentherapie.

Het zou kunnen dat elektrische pulsen die de efficiëntie 40‑maal verhogen en de targeting van gentherapie verbeteren, de sleutel zijn om LVV voor veel meer toepassingen te ontsluiten. Het bedrijf zal nu inkomsten gaan genereren uit zijn Lyfgenia‑therapie van $3,1 M per stuk en heeft al voldoende cash‑runway tot 2026. Dus investeerders die bereid zijn een kans te nemen, zouden de fortuin van het bedrijf en de aandelenkoers kunnen zien keren.