Molekulares Monitoring genmodifizierter Zellen von zwei Patienten mit chronischer Granulomatose nach Behandlung mit Gentherapie

Die X-chromosomal gebundene chronische Granulomatose (X-CGD) ist eine seltene Erbkrankheit, bei der die NADPH-Oxidase der Phagozyten nicht funktionell ist. Der Grund hierfür liegt meist in Mutationen in der GP91phox Untereinheit der Phagozyten-Oxidase. Hierdurch treten lebensbedrohliche Bakterien- und Pilzinfektionen bei Patienten auf, was neben einer geringen Lebensqualität zu einer erheblich verkürzten Lebenserwartung führt. Eine Stammzelltransplantation eines gesunden Spenders ist bislang der einzige heilende Therapieansatz. Für X-CGD-Patienten, die keinen passen-den Spender zur Verfügung haben, stellt die genetische Modifikation autologer hämato-poetischer Stammzellen eine alternative Form der Therapie dar. Im Jahr 2004 wurden daher in einer präklinischen Phase I/II Studie in Frankfurt zwei X-CGD-Patienten gentherapeutisch behandelt. Hierbei wurden CD34+ Stammzellen ex vivo mit einem γ-retroviralen Vektor transduziert, der eine LTR-getriebene Expressionskassette für GP91phox trägt. Nach einer nicht-myeloablativen Konditionierung wurden die genetisch modifizierten Zellen der Patienten retransplantiert. Beide behandelten Patienten zeigten schon kurz nach Therapiebeginn eine deutliche Verminderung der Infektionsanfälligkeit und somit eine stark verbesserte Lebensqualität. Auf zellulärer Ebene konnte ein gutes Engraftment der modifizierten hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark beobachtet werden. In funktionellen Tests konnte die Bildung superoxidproduzierender Phagozyten für die Immunabwehr gezeigt werden. Das molekulare Monitoring beider Patienten hat jedoch über die Zeit eine Verringerung der Enzymaktivität in den Phagozyten (Superoxidproduktion) gezeigt, obwohl der Anteil genetisch modifizierter Zellen nicht geringer wurde. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte durch quantitative RT-PCR-Analysen proviraler mRNA-Transkripte, eine Korrelation zwischen dem Verlust der Enzymaktivität und reduzierter Transgen-expression gezeigt werden. Durch DNA-Analysen peripherer Blutproben beider Patienten konnte eine verstärkte Methylierung an der Promotor-CpG-Insel, welche die Transgen-expression reguliert, als Ursache identifiziert werden. Weiterführende klonale Untersuchungen genmodifizierter Kolonien aus dem Knochenmark der Patienten offenbarten einen direkten Zusammenhang zwischen der Abwesenheit von Transkription bzw. Superoxidbildung und der Methylierung dieser CpG-Insel im proviralen Promotor-bereich. Somit konnte zum ersten Mal ein epigenetisches Silencing bei Patienten nach einer Behandlung mit Gentherapie nachgewiesen werden. In weiteren Versuchen konnte die vollständig ausgebildete, spezifische Methylierung des SFFV-Promotors in transduzierten Knochenmarkzellen eines Patienten durch in vitro Behandlung mit einem Methyltransferase-Inhibitor (Aza-D) in Kombination mit einem Histondeacetylase-Inhibitor (TSA) bis zu 30% reduziert werden. Dieser Teilerfolg zeigt, dass eine klinisch relevante Reaktivierung der Transgenexpression, durch Umkehrung des Silencings am SFFV-Promotor, prinzipiell möglich ist. Das Phänomen der Abschaltung der Genexpression des γ-retroviralen Vektors in der Frankfurter Gentherapiestudie, hat ein Testsytem zur Evaluierung zukünftiger Gentherapie-Vektoren erfordert. Durch Monitoring proviraler Parameter (Kopien, Transgenexpression, Proteinexpression und Promotor-CpG-Methylierung), in der murinen embryonalen Stammzelllinie P19 konnte in dieser Arbeit ein prädiktiver Silencing-Assay erfolgreich etabliert werden. Mit Hilfe dieses Systems wurden vielversprechende Silencing-resistente Vektoren mit dem UCOE (Ubiquitous Chromatin Opening Element) identifiziert. Hierdurch wurden wichtige Grundlagen geschaffen, um zukünftige virale Vektorsysteme in Bezug auf ihre Langzeitexpression testen zu können. Zusätzlich zu der Inaktivierung der transduzierten Expressionskassette konnte in beiden Patienten ein klonales Auswachsen von Subklonen beobachtet werden, das letztendlich zu einem myelodisplastischen Syndrom bei beiden Patienten führte. Der virale Enhancer war im Gegensatz zum viralen Promotor niemals methyliert, wodurch seine transaktivierenden Eigenschaften unbeeinflusst blieben. Diese enhancervermittelte Aktivierung proliferationsfördernder Gene (Mds1-Evi1-Genlokus) konnte durch RT-PCR-Analysen zunächst in Mischpopulationen aus peripherem Blut der Patienten nach-gewiesen werden. Weiterführende klonale Analysen in Knochenmarkzellen zeigten den direkten Zusammenhang zwischen der transkriptionellen Aktivierung des Mds1-Evi1-Genlokus und den proviralen Insertionen. Somit konnte die Ursache für die therapie-assoziierte, klonale Dominanz in beiden X-CGD-Patienten aufgeklärt werden. In der Frankfurter Gentherapiestudie wurde erstmals ein klinischer Erfolg für X-CGD-Patienten erzielt. Durch intensives molekulares Monitoring konnte im Rahmen dieser Arbeit aufgedeckt werden, dass der eingesetzte γ-retrovirale Vektor über das Phänomen der Insertionsmutagenese hinaus, auch in Bezug auf die epigenetische Abschaltung der Transkription (Silencing), für zukünftige Studien modifiziert werden muss. Sicherheits-verbesserte Vektoren mit einer Resistenz gegenüber Silencing in murinen embryonalen Stammzellen konnten in dieser Arbeit charakterisiert werden. Mit diesen Genfähren könnte der angestrebte Langzeittherapieerfolg in Zukunft möglich werden

Gentherapie der septischen Granulomatose : Chancen und Risiken ; der Weg zur erfolgreichen Therapie einer angeborenen Immundefizienz

Im Jahre 2004 sind am Universitätsklinikum Frankfurt zwei Patienten mit X-CGD gentherapeutisch behandelt worden. Nach einer initialen Phase mit Nachweis ausreichender Mengen Oxidase-positiver Zellen im Blut der Patienten und einer deutlichen klinischen Besserung vorbestehender Infektionsherde kam es zu einem Verlust der Transgenexpression durch epigenetische Veränderungen des viralen Promotors. Ferner entwickelte sich durch Insertionsmutagenese eine klonale Expansion in der Hämatopoese und schließlich ein myelodysplastisches Syndrom mit Monosomie 7 bei beiden Patienten. In der Zusammenschau mit anderen Gentherapiestudien zur X-CGD zeigt sich, dass bislang ein langanhaltendes Engraftment funktionierender genkorrigierter Zellen nur im Zusammenhang mit einer Insertionsmutagenese beobachtet wurde. Zukünftige gentherapeutische Strategien zur Behandlung der X-CGD müssen das Risiko einer Insertionsmutagenese minimieren und gleichzeitig die Effektivität des Engraftments genkorrigierter Zellen steigern. Dies soll durch den Einsatz von SIN-Vektoren sowie einer Intensivierung der Konditionierung der Patienten erreicht werden

Genomic instability and myelodysplasia with monosomy 7 consequent to EVI1 activation after gene therapy for chronic granulomatous disease

Gene-modified autologous hematopoietic stem cells (HSC) can provide ample clinical benefits to subjects suffering from X-linked chronic granulomatous disease (X-CGD), a rare inherited immunodeficiency characterized by recurrent, often life-threatening bacterial and fungal infections. Here we report on the molecular and cellular events observed in two young adults with X-CGD treated by gene therapy in 2004. After the initial resolution of bacterial and fungal infections, both subjects showed silencing of transgene expression due to methylation of the viral promoter, and myelodysplasia with monosomy 7 as a result of insertional activation of ecotropic viral integration site 1 (EVI1). One subject died from overwhelming sepsis 27 months after gene therapy, whereas a second subject underwent an allogeneic HSC transplantation. Our data show that forced overexpression of EVI1 in human cells disrupts normal centrosome duplication, linking EVI1 activation to the development of genomic instability, monosomy 7 and clonal progression toward myelodysplasia

From bench to bedside : preclinical evaluation of a self-inactivating gammaretroviral vector for the gene therapy of X-linked chronic granulomatous disease

Chronic granulomatous disease (CGD) is a primary immunodeficiency characterized by impaired antimicrobial activity in phagocytic cells. As a monogenic disease affecting the hematopoietic system, CGD is amenable to gene therapy. Indeed in a phase I/II clinical trial, we demonstrated a transient resolution of bacterial and fungal infections. However, the therapeutic benefit was compromised by the occurrence of clonal dominance and malignant transformation demanding alternative vectors with equal efficacy but safety-improved features. In this work we have developed and tested a self-inactivating (SIN) gammaretroviral vector (SINfes.gp91s) containing a codon-optimized transgene (gp91(phox)) under the transcriptional control of a myeloid promoter for the gene therapy of the X-linked form of CGD (X-CGD). Gene-corrected cells protected X-CGD mice from Aspergillus fumigatus challenge at low vector copy numbers. Moreover, the SINfes.gp91s vector generates substantial amounts of superoxide in human cells transplanted into immunodeficient mice. In vitro genotoxicity assays and longitudinal high-throughput integration site analysis in transplanted mice comprising primary and secondary animals for 11 months revealed a safe integration site profile with no signs of clonal dominance