De vijf barrières voor succesvolle gentherapie

Gentherapie is een nieuwe vorm van geneeskunde waarbij ziektes wordt aangepakt door DNA, het erfelijk materiaal, van de cellen in het lichaam te veranderen. Hiervoor moet een pakketje met DNA de celkern bereiken van de cel die de hulp nodig heeft. Dit pakketje DNA komt op zijn weg vijf grote barrières tegen die het lastig maken zijn lading af te leveren.

22 juli 2016

Je lichaam is als een goed beschermd kasteel. Dat is handig, want zo wordt voorkomen dat kwaadaardige organismen en virussen binnendringen. Nadeel is dat een medicijn, dat een arts wil binnenbrengen in je lichaam, dezelfde obstakels tegenkomt.

Bij gentherapie worden goede genen ingepakt en afgeleverd aan zieke cellen die hierdoor weer beter kunnen worden. Renko de Vries, fysisch chemicus aan de Wageningen Universiteit, vat het in één zin samen: “Gentherapie is het therapeutisch gebruik van genetisch materiaal, dat kan zowel DNA als RNA zijn.” Een voorbeeld is het medicijn Glybera, dat in 2012 is goedgekeurd voor gebruik in Europa. Dit is een aangepast virus dat een recept (genetische code: stukje DNA of RNA) vervoerd voor een eiwit dat patiënten zelf niet meer kunnen maken.

De eerste barrière: De bloedbaan als slotgracht. Het kunstmatig virus moet zichzelf in de bloedbaan beschermen tegen afweercellen.
Larissa van Westerveld voor NEMO Kennislink

Moeizame weg

Een ‘goede soldaat’ moet, net als een slecht virus, dezelfde weg afleggen door het lichaam en komt dezelfde barrières tegen. Om de troonzaal te bereiken, moeten ze eerst ongezien de slotgracht oversteken, dan een sleutel hebben om de deuren mee te openen en ongemerkt de binnenplaats oversteken. Als laatste moeten ze de troonzaal zelf binnengaan en de hele tijd moeten ze ook oppassen voor bewakers.

In ons lichaam staat die slotgracht voor de bloedbaan waarin elke stof die niet herkend wordt als veilig, door het immuunsysteem wordt opgeruimd. De sleutel voor de manier waarop de goede cel herkend en binnengedrongen kan worden, is een eiwit. De binnenplaats is het binnenste van de cel (het cytosol) dat overgestoken moet worden zonder door het opruimsysteem van de cel (de bewakers) gepakt te worden. De troonzaal is de celkern waar het DNA huist en waar nieuw DNA van het pakketje aanpassingen kan geven om de patiënt te genezen. Onderzoekers werken aan kunstmatige eiwitten en virussen om het geneesmiddelpakketje zo uit te rusten dat het al deze barrières kan overwinnen.

Bewakers

Na een injectie in de bloedbaan, komt het virus daar ook meteen de eerste barrière tegen. Als het zich in de bloedbaan bevindt, moet het namelijk oppassen voor je immuunsysteem, zoals de witte bloedcellen en speciale eiwitten die als bewakers door het bloed patrouilleren. De speciale eiwitten kunnen aan delen van het virus binden als ze het niet herkennen als een eiwit van het eigen lichaam. De witte bloedcellen ruimen deze aangevallen deeltjes op.

Je immuunsysteem heeft drie verdedigingslinies: een fysieke afweer, een algemene afweer en een specifieke afweer. De fysieke afweer, van onder andere de huid, wordt al overgeslagen door het virus in je bloedbaan te spuiten. De algemene afweer bestaat uit witte bloedcellen die alles wat ze niet herkennen, kapot maken.

Specifieke afweer gaat over bekende gevaren. Als je bijvoorbeeld als kind de mazelen hebt gehad, wordt je er daarna nooit meer ziek van en ben je immuun hiervoor. Er zijn afweercellen die zelf het virus opruimen en er zijn cellen die eiwitten maken die dan het virus onschadelijk maken.

Dit ‘achtervolgen’ van het virus gebeurt allemaal op basis van toeval, want de specifieke afweer kan niet gericht zoeken, alleen specifiek binden. Hoewel dit een nadeel lijkt voor je immuunsysteem, zijn de bewakers met zo veel dat de kans groot is dat ze binnendringers tegenkomen.

De Vries: “Het is belangrijk om onopgemerkt te blijven in de bloedbaan, anders is de missie al meteen mislukt.” De slimste manier om niet als ‘vreemd’ bestempeld te worden, is door er hetzelfde uit te zien als een eiwit dat je lichaam ook zelf maakt, dus eigenlijk om je te vermommen. Dit kan een virus doen door aan de buitenkant eiwitten te hebben die ook van nature in je lichaam voorkomen.

Om deze achtervolgers (de witte bloedcellen en antilichamen) voor een deel af te schudden, moet het deeltje proberen om uit de bloedbaan te komen. Dit kan het doen door bijvoorbeeld door een opening tussen twee cellen te gaan.

Virus heeft een sleutel bij zich waarmee hij speciaal die cel binnen kan gaan waar hij moet zijn. — De tweede barrière: De juiste cel (het kasteel) vinden. Virus heeft een sleutel bij zich waarmee hij speciaal die cel kan herkennen waar hij moet zijn.
Larissa van Westerveld voor NEMO Kennislink

Sleutel en slot

Nu het deeltje uit de bloedbaan is, komt het tegenover de volgende uitdaging te staan: aan welke cel moet het binden? Zieke cellen zijn gelukkig te herkennen doordat ze een andere samenstelling van eiwitten aan de buitenkant hebben dan een gezonde cel. Bovendien is er bij genetische ziektes vaak één soort cellen of één soort weefsel dat er het meeste last van heeft, ook die hebben speciale herkenningseiwitten (of receptoren) aan de buitenkant. “Een virus heeft ook eiwitten aan de buitenkant,” vertelt De Vries, “en die kunnen binden aan een specifieke receptor op cellen.” Zoals een sleutel op een slot past. Ook dit gebeurt niet gericht, dus het virus moet vaak veel cellen langs voor het de juiste receptor vindt.

Het virus staat nu bij de buitenkant van het kasteel (de cel) en wil naar binnen, maar het is te groot. De cel gebruikt insluiting om deeltjes op te kunnen nemen die niet door de muur (het celmembraan) kunnen. Een virus maakt hiervan gebruik. Door met zijn ‘sleutel’ aan het ‘slot’ te binden, geeft het virus als het ware het juiste wachtwoord om door de cel binnengehaald te worden. Dit binnenhalen in de cel gebeurt doordat het membraan van de cel zich om het deeltje heen vouwt. Nu zit het virus in een blaasje, ook wel endosoom genoemd. In dit endosoom kan het beginnen aan het onopvallend oversteken van de binnenplaats van de cel.

De sleutel zorgt dat de cel het virus omsluit en de cel binnenlaat. — De derde barrière: De cel binnengaan. De sleutel werkt als een wachtwoord, waarna de cel het virus omsluit en naar binnen trekt.
Larissa van Westerveld voor NEMO Kennislink

Een voordeel van deze methode om een cel binnen te komen, is dat het endosoom gemakkelijker navigeert tussen alle andere aanwezige componenten van de cel. Bovendien is het zo ook beschermd tegen een ander soort bewakers, eiwitten die alles wat niet in de cel thuishoort in stukjes knippen.

Maar er is ook een risico verbonden aan het gebruik van een endosoom: als het virus niet op tijd uit het endosoom kan ontsnappen, wordt het afgevoerd naar een lysosoom. Een lysosoom is een soort afvalverwerkingsfabriek van de cel en breekt alles af, van kapotte eiwitten tot lichaamsvreemde stoffen.

Ontsnappen

Volgens De Vries ‘weet’ een virus wanneer hij uit het endosoom moet ontsnappen: “Een virus heeft hier verschillende trucs voor, dat kan bijvoorbeeld een verandering in de zuurgraad, oftewel pH zijn. Maar het kan ook dat een eiwit in het endosoom een stukje van het viruseiwit afknipt en dat het virus hierdoor actie gaat ondernemen.” Eiwitten kunnen dan bijvoorbeeld het membraan kapot prikken of poriën in het membraan maken waardoor het virus naar buiten kan.

De laatste barrière om in de celkern (onze troonzaal) te komen is het kernmembraan. Deze bestaat uit poriën waarvan de doorgang beheerd wordt door eiwitcomplexen die alleen kleine deeltjes doorlaten. Een virus is niet klein genoeg en kan er dus niet zomaar doorheen, maar hij wil ook vooral dat zijn lading, de genetische code, die hij bij zich heeft de celkern ingaat. De meest handige methode is als het virus een vrijbrief heeft om zijn genetische code (DNA) het kernmembraan te laten passeren. Er zijn al een aantal van deze vrijbrieven bekend. Hun unieke samenstelling zorgt ervoor dat het genetisch materiaal van het virus wel de celkern in mag.

Via een vrijbrief kan virus de celkern inkomen waar het DNA wacht. — De vijfde barrière: De celkern binnenkomen – de troonzaal waar het DNA van de cel zetelt. Via een vrijbrief kan het virus zijn eigen DNA de celkern inbrengen.
Larissa van Westerveld voor NEMO Kennislink

Na deze hindernissen is het DNA van het virus eindelijk in de celkern en dus veilig. De Vries: “Het DNA kan nu integreren in een chromosoom of rond blijven zweven in de kern. Het wordt nu volgens de normale processen vertaald naar mRNA en daar wordt een eiwit van gemaakt.” Het eiwit dat gecodeerd is in het nieuwe DNA, kan bijvoorbeeld de functie van een slecht werkend eiwit overnemen. Hierdoor zal de patiënt minder last van zijn ziekte hebben.

Deze vijf barrières overwinnen is al een hele klus en dan moet je bedenken dat er in werkelijkheid aan elke stap nog meer valkuilen verbonden zijn. “Tot nu toe zijn aangepaste natuurlijke virussen, zoals bij Glybera, het meest succesvol”, legt De Vries uit. “Maar wij proberen synthetische virussen te maken. Die zijn nu nog niet goed genoeg. Echte virussen zijn zo complex en divers, dat we nog maar matig in staat zijn om ze na te doen.”