Lodewijk Vijftigschild

Introductie

Deze thesis gaat over nieuwe diagnostische en therapeutische mogelijkheden bij de behandeling van cystische fibrose (CF) in de volksmond ook taaislijmziekte genoemd. Deze erfelijke aandoening verstoord de werking van veel organen door de aanwezigheid van taai slijm wat vooral in de longen en alvleesklier goed merkbaar is. Door de ophoping van taai slijm in de longen kunnen bacteriën zich er makkelijk handhaven met veelvoudige longontstekingen als gevolg. Bij het bestrijden van deze infecties ontstaat longschade, die langzaam aan het ademen moeilijk maken en uiteindelijk fataal worden voor de patiënten. In de alvleesklier zorgt het dikke slijm voor een ophoping van voedselverteringsenzymen. Doordat de enzymen in de alvleesklier blijven zitten verteren ze deze klier. Dit heeft als gevolg dat voedsel zeer slecht wordt opgenomen door CF-patiënten. Om de gemiddelde levensverwachting van CF-patiënten, ongeveer 40 jaar, te verhogen is een betere medicatie en diagnostiek nodig.

CF wordt veroorzaakt door een mutatie in het CFTR-gen. Een gen is een deel van het erfelijke materiaal (DNA) waarin staat beschreven hoe een eiwit gemaakt moet worden. Voor CF zijn inmiddels meer dan 2000 mutaties beschreven. Als je van zowel je vader als moeder een CFTR-gen met een mutatie krijgt, heb je CF. Dit resulteert in de productie van alleen maar foutief CFTR-eiwit. De productie van het CFTR-eiwit begint in de celkern. Hier wordt een blauwdruk voor het eiwit gemaakt (mRNA). Na de productie van het eiwit moet het in de juiste vorm worden boetseert of gevouwen. Als het eiwit de juiste vorm heeft mag het naar zijn eindbestemming in dit geval de celwand. Hier functioneert CFTR als een sluis voor zout moleculen. Bij type mutaties zijn er fouten in het mRNA waardoor er geen (volledig) eiwit wordt gemaakt. Mutaties die voor een zeer afwijkende eindvorm (boetseer fouten) behoren tot de type 2 mutaties. Bij type 3 mutaties gaat de sluis van het CFTR eiwit niet goed open en dicht. Terwijl bij type 4 mutaties de sluis niet de juiste breedte heeft. Bij type 5 en 6 is er wel functionerend eiwit aanwezig in de celwand maar in sterk verminderde mate. De ernst van de ziekte wordt bepaald door het type CFTR mutatie, de andere genen en omgevingsfactoren. “Zware mutaties” van type 1 en 2 resulteren in een ernstig ziekte beeld, terwijl “mildere mutaties” van de andere typen leiden tot een minder ernstig ziekte beeld.

Er zijn nu enkele nieuwe medicijnen die helpen om het CFTR eiwit beter te laten functioneren. Helaas zijn die niet voor alle patiënten effectief, dit is afhankelijk van het type mutatie. Het eerste medicijn dat nu op de markt is, ivacaftor, zorgt dat de sluis van het CFTR eiwit makkelijker open gaat. Het medicijn lumacaftor helpt bij het boetseren van het CFTR eiwit. Ivacaftor en lumacaftor samen lijkt voor een grote groep CF patiënten een positief effect te hebben en zal waarschijnlijk ook snel beschikbaar komen voor patiënten. Een nu nog experimenteel medicijn, ataluren, kan mogelijk bepaalde fouten in de blauwdruk ongedaan maken. Nu is het dus belangrijk om de juiste patiënten met de juiste medicatie te behandelen.

In onze onderzoeksgroep is een nieuwe methode ontwikkeld om de activiteit van het CFTR eiwit te bepalen, met behulp van kleine gekweekte minidarmpjes die groeien uit cellen van een darmbiopt. Minidarmpjes vormen 3 dimensionale ballen van cellen die organoids worden genoemd. Als het CFTR eiwit wordt geactiveerd vult het binnenste van de bal zich met vloeistof. De toename in volume van de organoide is de mate voor CFTR activiteit.

Het onderzoek

In de zoektocht naar nieuwe medicijnen voor CF wordt er gebruik gemaakt van verschillende technieken. De meest voorkomende methode is om met behulp van fluorescentie de activiteit van het CFTR kanaal te meten. In hoofdstuk 2 is een uitbreiding op deze methode beschreven waardoor meer informatie per experiment verzameld kan worden zoals een indicatie van toxiciteit van een geteste stof. Ook is het mogelijk om in bewegende cellen de CFTR activiteit te bepalen. Door deze nieuwe toepassingen kan nieuw medicijn onderzoek worden versneld.

Met de komst van nieuwe medicatie is het belangrijk om te bepalen of deze ook werken voor patiënten met specifieke CFTR mutaties. Een relatief veel voorkomende fout in het mRNA is dat de productie voortijdig wordt afgebroken door een te vroeg stop teken. Stoffen die te vroege stop fouten in de blauwdruk ongedaan kunnen maken, zoals sommige antibiotica en ataluren, zijn getest op organoiden van patiënten met verschillende te vroege stopfouten. De CFTR activiteit nam maar een klein beetje toe bij zeer hoge antibiotica dosering, welke zeer waarschijnlijk te hoog zijn voor therapeutische doeleinden. Als naast de antibiotica ook nog ivacaftor en lumacaftor wordt gegeven zien we een verdere toename in CFTR activiteit. De behandeling met ataluren resulteerde niet in een toename van CFTR activiteit. De algehele CFTR activiteit was zeer beperkt na behandeling met deze stoffen en actievere stoffen moeten dus ontwikkeld worden. Als er in de toekomst effectievere stoffen worden ontwikkeld die te vroege stop fouten ongedaan maken, kan de toevoeging van ivacaftor en lumacaftor een toegevoegd effect hebben.

Met de ontwikkeling van nieuwe stoffen die de CFTR activiteit beïnvloeden is het ook belangrijk om te bestuderen of iedereen wel de juiste dosering krijgt. Met behulp van een bloed monster kunnen we nu in het laboratorium vast stellen of er CFTR reparerende medicijnen in het bloed aanwezig zijn. Door het bloedvocht (plasma) van de bloedcellen te scheiden en het verkregen plasma bij organoiden te doen kan er gekeken worden of er stoffen aanwezig zijn die de CFTR activiteit beïnvloeden. Deze methode is geschikt voor snelwerkende stoffen zoals ivacaftor en voor stoffen die langere tijd aanwezig moeten zijn zoals lumacaftor. Deze test kan in de toekomst gebruikt worden om onder andere interacties tussen medicijnen te bestuderen.

In hoofdstuk 5 hebben we zelf gekeken of we stoffen kunnen vinden die de CFTR activiteit kan verhogen. Hiervoor hebben we verschillende klinisch beschikbare stoffen getest en de groep van de bèta agonisten (astma medicatie) bleek zeer in staat om het CFTR kanaal te activeren. De CFTR activiteit was wel afhankelijk van de aanwezigheid van CFTR eiwit op het plasma membraan. Na bevestiging in andere model systemen zoals, (primair) gekweekte luchtweg cellen en de methode beschreven in hoofdstuk 2 was er voldoende aanwijzing om deze stof op kleine schaal te testen in patiënten. Hieruit bleek dat bij orale inname voldoende bèta agonist in het bloed aanwezig is om CFTR te activeren dit was onderzocht met de methode beschreven in hoofdstuk 4. Ook bij neuspotentiaal metingen zijn er aanwijzingen dat de CFTR activiteit wordt verhoogd door bèta agonisten. Bij neus potentiaal metingen worden er elektrodes in de neus geplaats en diverse stoffen door de neus geleid die verschillende ion kanalen openen of sluiten, waardoor de stroom die door de cellen heengaat veranderd. Uit die veranderingen kan worden afgeleid of er CFTR activiteit is. Hierdoor is de weg geopend om deze stof op grotere schaal te testen bij CF patiënten die CFTR expressie hebben op de buitenkant van de cel.

CF patiënten hebben veel last van infecties. Bij de bestrijding van infecties door het lichaam komen veel lichaamseigen stoffen vrij die het immuunsysteem beïnvloeden en activeren. In organoiden is onderzocht of deze stoffen de CFTR activiteit beïnvloeden. Voor een belangrijke groep stoffen, de interferonen deze worden uitgescheiden na infectie met bacteriën, virussen en schimmels (pathogenen), blijkt dat ze de activiteit van CFTR verminderen. Interferonen zijn cruciaal voor een goede verdediging tegen pathogenen. Daarom is extra voorzichtigheid geboden bij het blokkeren van deze stoffen, omdat er anders geen goede immuunrespons tegen pathogenen komt. Vooral Interferon alfa en bèta lijken goede kandidaten, omdat interferon bèta bij plotseling verergeren van de ziekte voorkomt. Interferon alfa en bèta zijn vooral betrokken bij de bestrijding van virale infecties, terwijl de CF patiënten meer last hebben van bacteriële infecties. Nu moet onderzocht worden of deze stoffen mogelijk een doelwit kunnen zijn voor nieuwe behandelmethode van CF.

Conclusie

Er zijn nog vele nieuwe medicijnen nodig om alle CF patiënten beter te maken. Veel van de nieuwe CF medicatie is mutatie specifiek. Ivacaftor en lumacaftor kunnen samen mogelijk van nut zijn in 60% van de CF patiënten. Voor de andere patiënten zullen dus andere medicijnen gevonden moeten worden. Een deel van deze patiënten kan alsnog gebaat zijn van de ontwikkeling van medicijnen voor de meer voorkomende CF mutaties, uitbreiding van toepassing van bestaande CF medicatie of door de medicijnen die eigenlijk voor andere aandoening gemaakt zijn of niet mutatie specifieke methodes zoals gen therapie of door behandeling via alternatieve ion kanalen.

Door het proces van nieuw medicijn onderzoek efficiënter te maken zal het medicijn ook sneller beschikbaar komen voor patiënten. De methode beschreven in hoofdstuk 2 kan hier een bijdrage aan leveren door bv toxische stoffen te elimineren, wat op termijn scheelt in de hoeveelheid stoffen die nogmaals getest moeten worden. Organoids kunnen ook bijdragen aan een snellere ontwikkeling in medicijnonderzoek. De organoid kweek methode is relatief duur en daarmee minder geschikt voor het onderzoeken van grote collecties van chemische stoffen. Na een eerste screening blijven er kleinere collecties over, hiervoor zijn de organoids wel geschikt, zoals beschreven in hoofdstuk 5/6. Ook om te onderzoeken of individuele patiënten reageren op nieuwe medicijnen of combinaties van medicijnen zijn organoiden erg geschikt, zoals bv beschreven in hoofdstuk 3.

Met de komst van nieuwe medicatie is het belangrijk dat er ook goede diagnostische testen zijn die de biologische activiteit ervan vast te stellen in patiënten. De methode in hoofdstuk 4 is hiervoor ontwikkeld en kan gebruikt worden om veranderingen in medicatie te monitoren. Ook interacties tussen medicijnen, die elkaars effectiviteit beïnvloeden kunnen hiermee worden onderzocht.

Een manier om snel medicijnen beschikbaar te krijgen voor patiënten is door bestaande medicijnen voor de behandeling van andere ziektes te onderzoeken. Astma medicatie kan de activiteit van CFTR verhogen (hoofdstuk 5). Deze methode om meer CFTR activiteit te krijgen is geschikt voor patiënten met CFTR expressie op het plasma membraan dat ook nog functioneel is. Met de komst van ivacaftor en lumacaftor kunnen mogelijk ook de patiënten met de meest voorkomende mutatie hier baat bij hebben.

Een ander behandelmethode die op termijn gebruikt kan worden is gericht op behoud van CFTR functie, door lichaamseigen stoffen te remmen die de activiteit van CFTR verminderen. Deze strategie werkt alleen bij patiënten die CFTR functie hebben, zoals bij de “milde” mutaties, maar ook door gebruik van nieuwe CFTR reparerende stoffen. Door de functie van CFTR te behouden kan mogelijk de achteruitgang van longfunctie worden beperkt. Omdat deze stoffen ook betrokken zijn bij het bestrijden van infecties moeten de voor en nadelen nog wel goed tegen elkaar worden afgewogen.

De hier beschreven diagnostische en therapeutische mogelijkheden kunnen eraan bijdragen dat de levensverwachting van CF patiënten op termijn hoger komt te liggen dan 40 jaar.