Molekulare Medizin: Pathobiochemie als Schlüssel zur personalisierten Therapie vererbter Krankheiten

Die erste erfolgreiche Therapie einer genetischen Krankheit gelang dem deutschen Pädiater Horst Bickel [3]. Tatsächlich ging man bis zu diesem Zeitpunkt allgemein davon aus, dass genetische Krankheiten nicht kausal behandelt werden können. Die PKU entsteht durch den Defekt der Phenylalaninhydroxylase, codiert durch das PAH-Gen. Phenylalanin ist als essenzielle Aminosäure ein wichtiger Bestandteil der Nahrung. Bei einer ca. 5- bis 10-fach erhöhten Konzentration im Plasma wird Phenylalanin allerdings zur toxischen Substanz, bzw. daraus entstehen andere toxische Metaboliten. Die Standardtherapie der PKU besteht darin, dass die Menge an Phenylalanin auf ein Maß reduziert wird, das für die Ausbildung von körpereigenen Proteinen ausreicht und bei dem es zu keiner Toxizität kommt. Diese Phenylalaninreduktion lässt sich durch eiweißarme Diät erreichen, wobei andere essenzielle Aminosäuren zugegeben werden können. Es wird also eine Substratreduktion und eine Produktsupplementierung durchgeführt.

Relativ aktuelle Beispiele mit einem vergleichbaren Pathomechanismus sind der ECHS1- und der HIBCH-Defekt, 2 enzymatische Schritte im Valinabbau, bei denen sich toxische Methacrylsäure anhäuft und die Funktion der Mitochondrien beeinträchtigt wird. Valin ist wie Phenylalanin eine essenzielle Aminosäure und kann somit auch über die Zusammensetzung der Nahrung reguliert werden. Rezente Arbeiten zeigen eine signifikante Verbesserung der Labor- und klinischen Parametern; allerdings hatten alle Patienten bereits vor Therapiebeginn über Monate und Jahre neurologische Defizite ausgebildet [1, 11]. Im nächsten Schritt müsste also gezeigt werden, welche Entwicklung bei Patienten mit ECHS1- bzw. HIBCH-Defekt möglich ist, wenn die valinreduzierte Therapie vor dem Auftreten neurologischer Symptome begonnen wird.

Die mitochondriale Pyrophosphatase wird durch PPA2 codiert und ist für den Phosphathaushalt im Energiestoffwechsel von Bedeutung. Bei allen bisher identifizierten Patienten mit biallelischen PPA2-Varianten besteht eine gewisse Restfunktion der Pyrophosphatase, wobei es schwere Verlaufsformen mit Versterben in der Neonatalperiode bis frühen Kindheit gibt, jedoch auch Jugendliche mit plötzlichem Herzversagen nach dem Konsum einer geringen Menge alkoholischer Getränke. Ethanol wird nach der Umwandlung in Essigsäure in Mitochondrien zu Acetyl-Koenzym A aktiviert; hierbei entsteht auch Pyrophosphat. Durch dieses zusätzlich gebildete Pyrophosphat kommt es offensichtlich zu einer Überlastung des mitochondrialen Phosphatmetabolismus und einer Herzinsuffizienz. Ebenfalls betroffene Geschwister, die keinen Alkohol konsumiert haben, erreichten die 4. Lebensdekade ohne schwerwiegende Symptome [7, 12], sodass der Meidung des Substrats Ethanol offenbar eine wichtige Bedeutung zukommt.

Der menschliche Stoffwechsel ist in vielen Bereichen auf Sparsamkeit ausgelegt. Beispielsweise können Pyrimidine durch Neusynthese oder Recycling von Pyrimidinresten in DNA, RNA und Mononukleotiden entweder aus der Zelle oder aus der Nahrung gebildet werden. Bei Defekten der Neusynthese von Uridinmonophosphat z. B. im multifunktionalen CAD-Enzym kann die Schwere der Erkrankung variieren, je nachdem, wie der Betroffene aus der Nahrung mit Pyrimidin versorgt wird. Säuglinge, die ausschließlich gestillt werden, können früher Symptome wie Entwicklungsretardierung und Epilepsie sowie eine Anisopoikilozytose entwickeln als jene, die Formula-Nahrung erhalten, da Letztere meist mit Uridin angereichert ist. Frühe Diagnose und Substitution mit Uridin dürften der Schlüssel für ein gutes Outcome bei CAD-Defekt-Patienten sein [15, 21].

Ähnlich sieht die Situation bei einem kürzlich gefundenen Defekt der de novo Fucose-Synthese aus. Auch hier kann der Defekt durch Fucosegabe über die Nahrung umgangen werden. Eine 4‑jährige Patientin mit globaler Entwicklungsretardierung holt unter Fucosesubstitution innerhalb eines Jahres merklich in der Entwicklung auf und beginnt zu sprechen [6].

Es gibt eine Reihe von Defekten, bei denen die Bereitstellung von Energie aus Kohlenhydraten über die Glykolyse nicht adäquat funktioniert. Ein klassisches Beispiel ist der Pyruvatdehydrogenase Komplex(PDHC)-Defekt, der am häufigsten durch das X‑chromosomal codierte PDHA1-Gen der E_1α-Untereinheit des Enzyms verursacht wird. Pyruvat, das Endprodukt aus der Glykolyse, kann nicht zu Acetyl-Koenzym A umgewandelt werden und fehlt für die Oxidation über den Zitratzyklus und die oxidative Phosphorylierung. Alternativ kann Acetyl-Koenzym A aber auch aus der Fettsäureoxidation gebildet werden, wodurch die ketogene Diät das Energieproblem beim PDHC-Defekt auf einem alternativen Weg umgeht und Betroffene sich darunter auf einem stabilen Niveau entwickeln können [24].

Beim GLUT1-Defekt, bei dem der Glucosetransporter SLC2A1 betroffen ist, der v. a. das Gehirn mit Energie in Form von Glucose versorgt, kann alternativ auf Ketonkörper als Energiequelle zurückgegriffen werden, deren Transport normal funktioniert. Die Epilepsie und Bewegungsstörung dieser Patienten sprechen meist gut auf die Behandlung mit ketogener Diät an [28]. Bei der Citrindefizienz ist die leberspezifische Isoform des Malat-Aspartat-Shuttle, codiert durch SLC25A13, betroffen. Bei diesem Defekt ist der Redoxtransport von NADH aus der Glykolyse eingeschränkt. Patienten mit einer Citrindefizienz können sich früh mit einer Hepatomegalie und Leberfunktionsstörung präsentieren. Unter der Therapie mit fettreicher, kohlenhydratarmer Ernährung entwickeln sie sich meist ausgezeichnet. Wichtig ist, dass ein Notfallplan vorliegt und keinesfalls eine Glucoseinfusion verabreicht wird, da die Betroffenen darunter versterben können [22].

Das Anhäufen von toxischen Metaboliten ist ein häufiges Problem bei Stoffwechseldefekten. Bei Harnstoffzyklusdefekten („urea cycle disorders“, UCD) kommt es oft schon in den ersten Lebenstagen zu einer lebensbedrohlich erhöhten Ammoniakkonzentration. In der Langzeitbehandlung dieser Patienten werden die als Substrat wirkenden Aminosäuren diätetisch eingeschränkt, zudem Glycin an Phenylbutyrat oder Natriumbenzoat gebunden, um zusätzlich Stickstoff aus Aminosäuren entfernen zu können [2]. Alternativ kann die Bildung von toxischen Substraten an einer vorgelagerten Reaktion eines Stoffwechselweges blockiert werden. Dies funktioniert z. B. bei der Tyrosinämie Typ I, bei der durch Gabe des ursprünglich als Pflanzenschutzmittel entwickelten Nitisinons (NTBC) aus einer Tyrosinämie Typ I eine Tyrosinämie Typ III entsteht, die unter Einhaltung von tyrosinarmer Ernährung in den meisten Fällen einen sehr guten Verlauf nimmt [23].

Bei der Glykogenspeicherkrankheit (GSD) Typ Ib ist nach dem Glykogenabbau die Freisetzung von Glucose aus der Leber blockiert, weil der Transporter SLC37A4 nicht funktioniert. Dieses Problem lässt sich durch häufige stärkehaltige Mahlzeiten lösen, die eine kontinuierliche Verfügbarkeit von Kohlenhydraten sichert und somit Hypoglykämien sowie dadurch verursachte neurologische Schäden abwendet. Bei einem Großteil der Patienten mit GSD Typ Ib treten aber trotz gut eingestellter Diät immunologische Probleme aufgrund einer Neutropenie mit schlecht heilenden Wunden, v. a. im Mund- und im Genitalbereich, sowie chronisch entzündlicher Darmerkrankung auf. Bis vor Kurzem war dieser Aspekt des SLC37A4-Mangels unklar, v. a., weil bei der ähnlichen GSD Typ Ia keine Neutropenie auftritt. In einer rezenten Arbeit konnte aber gezeigt werten, dass SLC37A4 eine Doppelfunktion hat und neben dem Glucose-6-phosphat-Transport auch den Transport von 1,5-Anhydroglucitol-6-phosphat (AG6P) katalysiert [27]. Das AG6P stört die Funktion von Neutrophilen und verursacht die Neutropenie bei GSD Typ Ib. Es entsteht aus 1,5-Anhydroglucitol (AG), einem metabolischen Irrläufer, der große Ähnlichkeit zu Glucose hat und mit einem geringen Anteil in Kohlenhydraten vorkommt. Das Medikament Empagliflozin, ein Inhibitor des „sodium glucose transporter 2“ (SGLT2), wird bei Diabetes mellitus eingesetzt, um eine überhöhte Glucosekonzentration durch die Ausscheidung über die Nieren in den Harn zu reduzieren. Empagliflozin kann auch zur Reduzierung der AG-Konzentration verabreicht werden, wobei (beachte) im Fall eines SLC37A4-Defekts aber Patienten mit dem Risiko für eine Hypoglykämie mit einer Substanz behandelt, die zur Reduktion von Glucose führen kann (Abb. 2). In individuellen Heilversuchen mit Empagliflozin bei 4 Patienten mit GSD Typ Ib konnte allerdings festgestellt werden, dass v. a. die Konzentration von AG und insbesondere AG6P reduziert wird und es zu keiner nennenswerten Hypoglykämie kommt. Durch Reduktion der toxischen Substanz AG6P wurde die Neutrophilenfunktion merklich verbessert, und die chronisch entzündlichen Prozesse konnten innerhalb weniger Wochen gestoppt werden [29].

Es gibt über 30 verschiedene Kofaktoren; dies sind meist relativ kleine organische Moleküle oder Metallionen, die für die Reaktivität zahlreicher Enzyme von entscheidender Bedeutung sind. Bei Enzymdefekten, bei denen eine gewisse Restfunktion besteht, kann im Fall von kofaktorabhängigen Enzymen, eine höhere Kofaktorkonzentration zu einer höheren Restfunktion des betroffenen Enzyms führen. Ein bekanntes Beispiel ist die Erhöhung der Restfunktion der Phenylalaninhydroxylase durch hohe Konzentrationen des Kofaktors Tetrahydrobiopterin (BH₄), v. a. bei Patienten mit einer milden Form einer PKU. Ein ähnlicher Zusammenhang konnte kürzlich für ACAD9, einen „Assembly“-Faktor des Komplex I der Atmungskette, gezeigt werden; hier erzielt die Gabe von Riboflavin ein signifikant besseres Outcome [20]. Auch bei Defekten im Metabolismus von Kofaktoren kann eine Substitution der Vorläufersubstanz die klinischen Symptome verbessern, z. B. die Thiaminsupplementierung beim TPK1-Mangel (Thiaminpyrophosphokinase, [17]) oder die Riboflavinsupplementierung beim FLAD1-Defekt (FAD-Synthase, [19]).

Ein sehr allgemeiner Ansatz bei einem Enzymdefekt ist die Enzymersatztherapie. Dabei wird fehlendes Protein z. B. in den Kreislauf freigesetzt, und die fehlende Funktion kann damit wiederhergestellt werden. Sehr häufige Anwendungen sind etwa Insulin bei Diabetes oder Wachstumshormon bei Minderwuchs. Bei Defekten in Zellorganellen sind v. a. lysosomale Defekte gut über eine Enzymersatztherapie ansteuerbar, da ein rekombinantes Enzym über die Endozytose in die Lysosomen transportiert wird und dort die fehlende Funktion ersetzen kann, wie z. B. einen Glukozerebrosidase-Defekt bei M. Gaucher oder einen Saure-Maltase-Mangel bei M. Pompe.

Ein Problem stellt grundsätzlich die Blut-Hirn-Schranke dar, wodurch neurologische Formen von lysosomalen Defekten weniger gut ansprechen. Auch der komplette Funktionsverlust eines betroffenen Enzyms kann problematisch sein, da ein rekombinantes Ersatzenzym häufig vom Immunsystem als Fremdstoff eingestuft wird und Antikörper gegen dieses Enzym gebildet werden, wodurch die Wirkung der Therapie weitgehend verloren geht. Einen interessanten Ansatz stellt die Verwendung einer alternativen enzymatischen Reaktion dar, in der z. B. erhöhtes Phenylalanin durch die Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (Pegvaliase), ein Enzym aus Cyanobakterien, zersetzt wird. Für Erwachsene mit PKU wurde dieser Enzymersatz, der gespritzt werden muss, kürzlich auch in Europa zugelassen. Trotz der Polyethylenglykolmodifikation dieses Enzyms kommt es bei den meisten Patienten allerdings zu einer Immunreaktion und nur begrenzter Verwendbarkeit des Enzymersatzes.

Vor allem bei organspezifischen, schweren Defekten kann eine Organtransplantation eine Therapieoption darstellen. Lebertransplantationen erfolgten in etlichen Fällen bei Patienten mit Harnstoffzyklusdefekten. Neuere Beispiele für eine Lebertransplantation sind etwa Patienten mit einem Thymidinphosphorylase(TYMP)-Mangel und mitochondrialer neurogastrointestinaler Enzephalopathie (MNGIE). Beim TYMP-Mangel kommt es zur toxischen Anhäufung von Nukleosiden (Thymidin and Desoxyuridin) im Plasma, zu einer Imbalance im Nukleotid-Pool und infolgedessen zur Schädigung der mitochondrialen DNA, die meist gastrointestinale und neurologische Symptomen im Kindes‑, Jugendlichen- oder jungen Erwachsenenalter auslöst und häufig sehr spät erkannt wird. Im Jahr 2005 wurden erstmals MNGIE-Patienten mithilfe der allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation (HSCT) therapiert, wodurch die metabolische Auffälligkeit korrigiert und ein Fortschreiten der Krankheit verhindert werden konnte [8]. Nachteil der HSCT ist die relativ hohe Mortalität über 50 %. Als Alternative zur HSCT wurde 2014 erstmals eine Lebertransplantation beschrieben. Die Wirksamkeit der Lebertransplantation scheint auch gut zu sein, und in einer rezenten Arbeit wurde von 4 weiteren lebertransplantierten MNGIE-Patienten berichtet, von denen keiner verstorben ist [16].

Ein Beispiel für ein relativ häufiges Auftreten von temperaturlabilen Mutationen in einem Protein stellt der NBAS-Defekt dar. NBAS ist am retrograden Transport vom Golgi-Apparat zum endoplasmatischen Retikulum beteiligt, und ein biallelischer Funktionsverlust bedingt ein wiederkehrendes akutes Leberversagen („recurrent acute liver failure“, RALF), mit häufig erstmaligem Auftreten im Säuglingsalter. Bei diesen Patienten konnte beobachtet werden, dass ein Leberversagen immer mit fieberhaften Infektionen einhergeht, und im Zellkulturexperiment kam es nach Inkubation von Patienten-Fibroblasten bei 40 °C zu einem spezifischen Verlust des NBAS-Proteins [25]. Seit der Erstbeschreibung 2015 konnten mittlerweile mehr als 100 Patienten identifiziert werden, von denen ein Großteil von einer frühzeitigen antipyretischen Therapie profitiert, unter der ein Leberversagen verhindert werden kann und eine gute Entwicklung dieser Patienten trotz ihres NBAS-Defekts möglich ist [26].

Neben den bislang zugelassenen Gentherapien existieren individuelle Gentherapieansätze, wie etwa die Regeneration der gesamten Epidermis mit transgenen Stammzellen bei einem Patienten mit Epidermolysis bullosa [9]. Weitere Erfolge und Durchbrüche sind auf dem Gebiet der Gentherapie zu erwarten. Eine schnelle Lösung mithilfe der Gentherapie für alle genetischen Krankheiten ist aber unrealistisch, und sowohl die Kosten als auch die Nebenwirkungen müssen sorgfältig mit der Wirkung abgewogen werden.

Eine interessante Alternative zur somatischen Gentherapie stellt die Transkripttherapie dar. Dabei kann auf der RNA-Ebene z. B. durch Verwendung von relativ kleiner „Anti-sense“-RNA die Expression von Genen bzw. deren Spleißen beeinflusst werden. Nusinersen (Spinraza®) ist das Beispiel eines 2016 zur Behandlung der SMA zugelassenen Medikaments, bei dem das Vorliegen des intakten SMN2-Gens genutzt wird, das allerdings aufgrund einer Punktmutation im Exon 7 größtenteils falsch gespleißt wird und daher nur mit sehr geringer Ausbeute in einem funktionellen SMN-Protein resultiert. Durch Einsatz des passenden Antisense-Oligonukleotids wird das Spleißen der SMN2-RNA verbessert und das daraus resultierende Protein kann das Fehlen von SMN1 ausgleichen [13]. Der Vorteil, dass die Therapie auf Transkriptebene nicht permanent wie bei der Gentherapie ist, ist gleichzeitig aber auch ein Nachteil, v. a. auch deshalb, weil das Antisense-Oligonukleotid im Fall der SMA intrathekal appliziert werden muss.

Vor Kurzem wurde erstmals eine maßgeschneiderte Antisense-Oligonukleotid-Therapie („Milasen“) für eine einzige Patientin mit CLN7-assoziierter neurodegenerativer Erkrankung („Batten disease“) erfolgreich entwickelt und innerhalb eines Jahres verabreicht. Hierunter kam es zu einer Verminderung der epileptischen Anfälle [14]. Es ist davon auszugehen, dass die derzeit milliardenfache Anwendung der RNA-Impfstoffe gegen das „severe acute respiratory syndrome coronavirus 2“ (SARS-CoV-2) der Therapie auf Transkriptebene einen Entwicklungsschub geben wird, der auch der Entwicklung von Therapien für vererbte Krankheiten helfen sollte.