Genspezifische Therapieansätze bei der Alzheimer-Krankheit und anderen Tauopathien

Bereits 1987 wurde herausgefunden, dass das Amyloid-Precursor-Protein (APP)-Gen auf dem Chromosom 21 lokalisiert ist. [15, 28]. Dies erklärte, warum Trisomie-21-Patienten früh an einer Demenz erkranken, da durch das doppelte Vorkommen von APP mehr Amyloid-β produziert wird und es zur Akkumulation von neurotoxischem Amyloid-β kommt. Später wurden Mutationen im APP-Gen beschrieben, die zu einer familiären Alzheimer-Krankheit führen [4]. Derzeit sind 39 Mutationen bekannt, die sich auf die vermehrte durch β‑ and γ‑Sekretasen-vermittelte Bildung von APP und Amyloid-β auswirken und damit ähnlich der Trisomie 21 zu erhöhten Mengen an Amyloid-β führen.

Wie wichtig das APP-Gen für die Alzheimer-Krankheit ist, konnte anhand der isländischen Bevölkerung gezeigt werden, wo eine protektive Variante im APP-Gen gefunden wurde, die die abnorme Proteolyse von APP verhindert, wodurch weniger Aβ1–40- und Aβ1–42-Fragmente gebildet werden [14]. Zudem ist bekannt, dass das Ausmaß an Amyloid‑β, Aβ1–40 und Aβ1–42 negativ mit der Gedächtnisleistung korreliert und dass dies unabhängig von den neurofibrillären Tangles ist [18]. Folglich wurden ASOs entwickelt, die gegen die Amyloid-β-Region der APP-RNA gerichtet sind und RNAse-H-vermittelt zu deren Abbau führen, wodurch weniger Amyloid-β entsteht (Abb. 1A).

Mehrere solcher ASOs wurden präklinisch im SAMP8 („senescence-accelerated prone mouse“) -Mausmodell getestet. Bei diesen Mäusen kommt es infolge einer vermehrten Produktion von APP und Amyloid-β zu einer frühzeitigen Alterung mit Gedächtnisdefiziten. Dabei führte nur ein ASO, das spezifisch gegen die Amyloid-β-Region von APP (Aminosäuren 17–30) gerichtet war, nach mehrfacher intrathekaler Verabreichung zu einer Verbesserung der Gedächtnisleistung [16]. Nachweislich reduzierte das ASO das C‑terminale amyloidogene APP, während das N‑terminale Ende von APP, gemessen mit einem APP-Antikörper gegen die Aminosäuren 8–17 gerichtet, unverändert vorlag. Da die Aβ1–40- und Aβ1–42-Fragmente aus dem C‑terminalen Ende von APP hervorgehen, könnte dieser Ansatz vielversprechend sein, um eine Amyloid-β-spezifische Reduktion von APP zu erreichen. Da das N‑terminale Ende unverändert blieb, sind Off-target-Effekte innerhalb von APP eher nicht zu erwarten.

In einer Folgestudie wurde der Befund mit einer intravenösen Applikation bestätigt, sodass eine Überschreitung der Blut-Hirn-Schranke und aktive intrazelluläre Aufnahme angenommen werden kann. In dieser Studie wurde gezeigt, dass Amyloid-β-spezifisches APP um 30 % reduziert wurde, allerdings ergaben sich unveränderte Werte für Aβ1–40, während Aβ1–42 nicht gemessen wurde. Zusätzlich konnte in dieser Studie ein Effekt des ASO auf den Amyloid-β-Transporter LRP‑1 gezeigt werden, der für die Endozytose und intrazelluläre Prozessierung zu Amyloid-β verantwortlich ist und dessen Konzentration unter ASO-Applikation abnahm [10].

Dasselbe ASO wurde in transgenen APP-Mäusen (Tg2576) getestet, die durch eine Mutation im APP-Gen an Alzheimer erkranken. Hier wurde gezeigt, dass es zur vermehrten Bildung von löslichem Aβ1–40 und zu einer Verbesserung der Gedächtnisleistung auch nach intravenöser Applikation kam [11]. Weiterhin wurde eine Reduktion neuroinflammatorischer Marker gemessen, was neben einem positiven Behandlungseffekt auch für die Sicherheit des ASO relevant ist, deren chemische Struktur proinflammatorische Auswirkungen haben kann.

Eine weitere ASO-Strategie ist die Modulierung von Spleißvorgängen. Das Spleißen ermöglicht, dass aus demselben genetischen Code verschiedene Proteinisoformen entstehen. Durch die Aktivierung von Verstärker- oder Unterdrückerregionen wird das Spleißen von Exonabschnitten der Prä-mRNA moduliert und entsprechend reife mRNA gebildet, die dann die jeweiligen Proteinisoformen kodiert. Kommt es durch ein ASO zur kompetitiven Bindung an einer Verstärkerregionen, kann das Spleißen eines Exons unterdrückt werden (Exon-Skipping) und somit die Translation einer spezifischen Proteinregion gehemmt werden.

Dieser Mechanismus wurde genutzt, um das Exon 17 aus der mRNA von APP auszuschließen und eine verkürzte APP-Variante herzustellen [3]. Durch die fehlende Exon-17-Region kann APP nicht durch die γ‑Sekretase geschnitten werden, wodurch auch die Bildung von Amyloid-β (Aβ1–42) verhindert wird. Diese ASOs werden „splice-switching antisense oligonucleotide“ (SSO) genannt und es konnte in einem ersten Tiermodell gezeigt werden, dass die Entstehung von Aβ1–42 so wirksam reduziert werden kann (Abb. 1B).

Der Hauptbestandteil der neurofibrillären Tangles bei der AD ist hyperphosphoryliertes und aggregiertes Protein Tau. Die Ausprägung der Demenz hängt stark von der Last der neurofibrillären Tangles ab [19]. Zudem weisen AD-Patienten pathologisch erhöhte Tau-Werte im Liquor auf. Protein Tau wird von dem Mikrotubuliassoziierten-Protein-Tau-Gen (MAPT) auf Chromosom 17 kodiert. Mehr als 30 Mutationen im MAPT-Gen führen zu einer der AD ähnlichen Tauopathie. MAPT-Mutationen rufen in aller Regel eine frontotemporale Demenz hervor, lediglich die p.R406W-Mutation wurde auch in Familien mit Alzheimer-Krankheit beschrieben [23]. Ein weiteres Indiz für die Relevanz der Tauopathie bei der AD ist die Beobachtung, dass ein MAPT-KO („knock-out“) im APP-Mausmodell eine Abschwächung der klinischen Symptomatik bewirkt [22].

Vor diesem Hintergrund wurden ASO-basierte Therapieansätze entwickelt, die auf eine Expressionsreduktion des Tau-Proteins abzielen. Präklinisch wurden ASOs entwickelt, die in Mäusen mit Expression eines humanen, mutierten MAPT-Gens (P301S-Tau) selektiv an die humane Tau-mRNA binden, welche RNAse-H-vermittelt abgebaut wird, wodurch weniger humanes Tau-Protein entsteht (Abb. 1A). Nach intrathekaler Gabe des ASO kam es in P301S-Tau-mutanten Mäuse zu einer verminderten Bildung neuer Tau-Einschlüsse sowie deren Propagation, einem Rückgang der bereits vorhandenen Tau-Pathologie sowie zur Abnahme der Neurodegeneration im Hippokampus und zu einer Verlängerung des Überlebens. Auch in nichthumanen Primaten bewirkte das ASO nach intrathekaler Verabreichung eine Reduktion der Tau-Expression im Gehirn, Rückenmark und Liquor [7].

Aufgrund dieser vielversprechenden Daten testet Ionis Pharamceuticals Inc. aktuell ein entsprechendes ASO (BIIB080, ISIS 814907; IONIS-MAPTRx) in einer klinischen Phase-I/II-Studie (NCT03186989) bei frühsymptomatischen Alzheimer-Patienten. Es gibt bisher keine Zwischenergebnisse der Studie, das Studienende wird auf Anfang 2020 veranschlagt.

Ein alternativer Ansatz, die Tau-Pathologie mithilfe der ASO-Technologie abzumildern, besteht darin, das Spleißen der Tau-Prä-mRNA in verschiedene Proteinisoformen zu beeinflussen. Je nachdem, ob das Exon 10 des Proteins Tau abgeschrieben wird, kommt es zur Produktion von Drei- oder Vier-Repeat-Tau (3R- und 4R-Tau). Normalerweise werden 3R-Tau und 4R-Tau zu gleichen Anteilen exprimiert, während es bei sporadischen Tauopathien wie der frontotemporalen Demenz mit Parkinsonismus oder progressiver supranukleärer Blickparese (PSP) zu einer erhöhten Expression von 4R-Tau kommt, das als besonders toxisch gilt. Die N279K-Spleißmutation in Exon 10 des MAPT-Gens führt zu einer 4R-Tau-Überexpression (FTDP-17). Schoch et al. entwickelten ein ASO, das durch Exon-Skipping einen Ausschluss von Exon 10 aus der fertigen mRNA bewirkt und nach intrathekaler Applikation die Expression von 4R-Tau im Zentralnervensystem (ZNS) von N279K-Tau-mutanten Mäusen stabil verringert, ohne dabei die Gesamtlevel von Tau zu beeinflussen, was in der Langzeittherapie den aus einer Tau-Insuffizienz resultierenden Nebenwirkungen vorbeugen würde ([26]; Abb. 1B). Es ist daher zu erwarten, dass diese ASO-Strategie („4R to 3R splicing“) zeitnah bei Patienten mit diversen Tauopathien in klinischen Studien getestet wird.

Insgesamt stellt die Abmilderung der Tau-Pathologie somit nicht nur für die AD, sondern auch für andere Tauopathien wie der kortikobasalen Degeneration, der progressiven supranukleären Blickparese, der Silberkornkrankheit und der frontotemporalen Demenz einen vielversprechenden Therapieansatz dar.

Ein weiterer vielversprechender therapeutischer Ansatzpunkt ist das APOE-ε4-Gen, der häufigste Risikofaktor der Late-onset-Alzheimer-Krankheit. ApolipoproteinE kodiert ein Glykoprotein, das für den Transport von Cholesterin und anderen Lipiden wichtig ist und maßgeblich an Nervenwachstum und -regeneration beteiligt ist. Es bestehen drei APOE-Allelvarianten, nämlich APOE ɛ2, ɛ3 und ɛ4, die für ApoE2, ApoE3 und ApoE4 kodieren. Heterozygote APOE-ɛ4-Träger haben ein bis zu 3‑fach erhöhtes Risiko an Early-onset- oder Late-onset-Alzheimer-Krankheit zu erkranken, während homozygote APOE-ɛ4-Träger ein bis zu 15-fach erhöhtes Risiko haben [5].

ApoE wirkt sich negativ auf den Abbau von Amyloid-β aus und führt zur vermehrten Bildung von Amyloid-β aus APP [6]. Unter anderem ist der ApolipoproteinE-Rezeptor 2 (ApoER2) für diesen Mechanismus verantwortlich, der bei der Alzheimer-Krankheit hauptsächlich in einer verkürzten Isoform vorliegt, die durch alternatives Spleißen am Exon19 entsteht. ApoER2 ist für die synaptische Übertragung und Langzeitpotenzierung wichtig, während die verkürzte Isoform einen negativen Effekt auf die zelluläre Aktivierung und Amyloidpathologie hat. Daher wurden ASO-Therapien untersucht, die an ApoER2-Sequenzen binden, die indirekt über SRSF1 („serine/arginine-rich splicing factor 1“) das Spleißen von Exon 19 hemmen und zur vermehrten Bildung von ApoER2 in seiner vollen Länge führen und damit dessen normale Rezeptorfunktion und Signalübertragung erhalten ([13]; Abb. 1B). In einer präklinischen Studie konnte gezeigt werden, dass dies zur Verbesserung der synaptischen Funktion und kognitiven Leistung von APP-transgenen Mäusen führte. Dies hätte weitreichende Folgen da ApoE ε4 die höchste Prävalenz als Risikofaktor für die Alzheimer-Krankheit hat und bis zu 40–65 % der Patienten Apo-ɛ4-Träger sind.