Binnen het medisch wetenschappelijk onderzoek worden drie types onderzoek onderscheiden. In klinisch onderzoek worden bijvoorbeeld nieuwe geneesmiddelen of operatietechnieken getest bij patiënten. Fundamenteel (biomedisch) onderzoek gebeurt in laboratoria en richt zich op het begrijpen van de fundamentele processen, zonder daarbij noodzakelijk een klinische toepassing voor ogen te hebben. Daartussen ligt het zogenoemde translationeel onderzoek. Dit brengt het fundamentele onderzoek van het lab naar de kliniek, of in het jargon van het medisch wetenschappelijk werk: van bench to bedside.
Het doel van translationeel onderzoek is om met behulp van laboratoriumonderzoek bij te dragen aan het welzijn of het perspectief van de patiënt. Dit kan door gebruik te maken van bloed of cellen van patiënten, maar ook door gebruik te maken van proefdieronderzoek met zogenoemde modelorganismen. Het bekendste voorbeeld hiervan is de labmuis.
Tegelijk heeft zich door de voortgang in de techniek een heel nieuwe discipline aangediend in het medisch wetenschappelijk onderzoek. Door genen te lezen, aan of uit te zetten of door ze zelfs te verplaatsen, komt veel kennis beschikbaar over de genetica achter metabole ziekten.
Bij het onderzoek naar de oorzaak en het gevolg van erfelijke metabole ziekten wordt steeds vaker functionele genetica ingezet. In de toekomst zou deze relatief jonge wetenschappelijke discipline mogelijk ook aanwijzingen kunnen bieden voor nieuwe medicijnen of andere behandelmethoden.
De discipline Functionele Genetica richt zich op het vertalen van genetische informatie naar functionele consequenties. Vragen die hierbij gesteld worden zijn: wat is het gevolg van een genetische verandering voor de functie van het gecodeerde eiwit, voor het metabolisme of het celproces waar dit eiwit een rol in speelt? Wat betekent dit op korte en langere termijn voor de patiënt en zijn er mogelijkheden om hier gericht op in te grijpen?
Resumé van de genetica
Een volwassen mensenlichaam telt zo’n honderd duizend miljard cellen die allemaal door groei en deling zijn ontstaan uit één bevruchte eicel. Deze bevruchte eicel ontstaat door samensmelting van de vrouwelijke eicel en de mannelijke zaadcel. Door deze samensmelting wordt erfelijke informatie van de moeder en de vader gemixt, waarmee de unieke blauwdruk ontstaat voor de ontwikkeling en eigenschappen van een individu. In principe bevat dus elk van de honderd duizend miljard cellen dezelfde erfelijke informatie als de oorspronkelijke bevruchte eicel.
Deze erfelijke informatie is gecodeerd opgeslagen in DNA, lange spiraalvormige dubbelstrengen samengesteld uit een variërende volgorde van vier verschillende chemische bouwstenen, die we basen noemen en welke aangeduid worden met de letters T, G, C en A. Het DNA met de volledige erfelijke informatie wordt ook wel het genoom genoemd. Sinds 2003 weten we hoe de basevolgorde of sequentie van het menselijk genoom eruitziet.
Het totale DNA in een menselijke cel bestaat uit twee sets van drie miljard basen, elk verpakt in 46 verschillende pakketjes: de chromosomen. Dat zijn 23 chromosomen van de moeder en 23 chromosomen van de vader.
In het DNA bevinden zich ongeveer 22 duizend verschillende eenheden met een specifieke basevolgorde: de genen. Die bezitten de informatie voor de aanmaak en samenstelling van eiwitten. Bij elkaar bestaat slechts 1,5 % van het totale DNA uit deze coderende genen; de resterende 98,5% speelt een deels nog onbegrepen rol in de regulatie van de activiteit van de genen.
Bij het kopiëren en verdelen van de erfelijke informatie tijdens de deling van een cel worden regelmatig foutjes gemaakt. Zo kunnen er verkeerde basen in het DNA worden ingebouwd, of er kunnen veranderingen in het DNA ontstaan door inwerking van chemische stoffen of straling. Gelukkig beschikt de cel over verschillende controles en reparatiemechanismen die ervoor zorgen dat dergelijke foutjes zo min mogelijk worden gemaakt of, als het toch fout is gegaan, worden hersteld. Dankzij deze mechanismen blijft de erfelijke informatie nagenoeg intact en is de DNA-samenstelling van elke cel vrijwel identiek aan die van de allereerste bevruchte eicel. ‘Vrijwel’, want sommige foutjes ontsnappen aan de controle of kunnen niet gecorrigeerd worden, waardoor er blijvende DNA-veranderingen optreden.
Daar zit een goede en een slechte kant aan. Zulke kleine veranderingen hebben er onder andere voor gezorgd dat wij als mens hebben kunnen evolueren tot wie wij zijn. DNA-veranderingen met een positief effect kunnen namelijk een voordeel opleveren voor een individu en hebben grotere kans op handhaving, terwijl veranderingen met een negatief effect een grotere kans hebben om te verdwijnen in de survival of the fittest. Deze kleine DNA-veranderingen zorgen er ook voor dat ieder individu uniek is.
Onderling verschilt ons DNA ongeveer 0,1% van elkaar. Op ons totale DNA van zes miljard basen zijn dat maar liefst zes miljoen veranderingen. Zulke DNA-veranderingen noemen we varianten of mutaties. Van de meeste varianten merken we gelukkig weinig, want ze hebben vaak geen of nauwelijks effect op de aanmaak of functie van de gecodeerde eiwitten. En zelfs als ze dat wel hebben, omdat ze bijvoorbeeld in een coderend gen liggen, ondervinden we daar in veel gevallen geen hinder van. Dat komt omdat we van de meeste genen twee kopieën hebben gekregen, één van de moeder en één van de vader, waarbij het defect in het ene gen wordt opgeheven door het andere gen. Dat betreft dan een recessieve eigenschap.
Soms is het gevolg van de verandering in het ene gen zo ernstig dat deze niet opgeheven kan worden door het andere gen. We spreken dan van een dominante eigenschap. Bij recessieve erfelijke ziekten wordt het defect gen opgeheven door het gezonde gen. De ziekte komt dan alleen tot uiting als beide genen een ernstige mutatie bevatten. In het algemeen wordt bij recessieve erfelijke ziekten het ene gen met mutatie overgeërfd van de moeder en het andere van de vader. Zij zijn dan beiden drager van de ziekte, dat wil zeggen: zij dragen het defect bij zich in de helft van hun genen. De meeste ziekten waarop getest wordt in de hielprikscreening zijn dergelijke recessieve erfelijke ziekten.
Metabolisme en metabole ziekten
Hoewel veel erfelijke metabole ziekten veroorzaakt worden door mutaties in slechts één specifiek gen, kan het ziektebeeld van patiënten met mutaties in hetzelfde gen sterk variëren qua type en ernst van ziekteverschijnselen of het tijdstip van ontstaan. Dit komt omdat het ziektebeeld niet uitsluitend bepaald wordt door het primaire gendefect, maar beïnvloed wordt door bijvoorbeeld DNA-veranderingen in andere genen en door omgevingsfactoren, zoals voeding, stress, leefpatroon en ziekte.
Het is het samenspel tussen het primaire gendefect en deze factoren dat de gevolgen daarvan voor een patiënt bepaalt. Zo is bekend dat bij een groot aantal metabole ziekten ernstige complicaties vooral optreden bij veranderingen in het eetpatroon van een patiënt, zoals tijdens ziekte, koorts en langdurig vasten. Deze veranderingen in het eetpatroon moeten bij deze patiënten dus worden voorkomen. Verder zijn er voor diverse metabole ziekten speciale diëten ontwikkeld die ernstige complicaties moeten voorkomen welke door het enzymdefect veroorzaakt zouden kunnen worden.
Met andere woorden, voor een aantal metabole ziekten zijn behandelingen ontwikkeld die ernstige ziekteverschijnselen kunnen beperken of voorkomen. Het zo vroeg mogelijk stellen van een diagnose is daarom van groot belang voor tijdig therapeutisch handelen zodat onherstelbare schade kan worden voorkomen.
Metabole ziekten in de hielprikscreening
De ‘behandelbaarheid’ van een aantal metabole ziekten gecombineerd met de ontwikkeling van zeer gevoelige analysemethodes, waarmee deze ziekten aan de hand van afwijkende stoffen in gedroogde bloedspots te diagnosticeren zijn, heeft wereldwijd geleid tot het opnemen van deze ziekten in hielprikscreening programma’s.
Vanwege de grote diversiteit en zeldzaamheid van afzonderlijke erfelijke metabole ziekten, valt de diagnose en behandeling daarvan binnen de expertise van één van de zeven metabole centra in de acht universitaire medische centra in Nederland. Het stellen van een diagnose gebeurt in nauwe samenwerking tussen de metabole specialist en de laboratoriumspecialist. Bij verdenking van een metabole ziekte op basis van ziekteverschijnselen, wordt in het algemeen screening of gerichte metaboliet-diagnostiek ingezet, waarbij in bloed, plasma of urine van de patiënt naar afwijkende metabolietpatronen wordt gezocht die een aanwijzing of een bevestiging vormen voor een enzymdefect.
Afhankelijk van de resultaten wordt vervolgens enzymdiagnostiek verricht in bloed- of huidcellen van de patiënt, waarbij de functie en activiteit van het verdachte enzym wordt bepaald. Tenslotte wordt door middel van DNA-diagnostiek het gen dat codeert voor het defecte enzym geanalyseerd op ziekte-veroorzakende mutaties en kan dragerschap hiervan in het DNA van de ouders worden bepaald. De gecombineerde resultaten van deze analyses geven inzicht in de oorzaak en het gevolg van het defect, wat implicaties heeft voor eventuele behandeling en prognose.
Meer diagnostiek niet altijd duidelijker
De instelling en uitbreiding van de hielprikscreening programma’s heeft geresulteerd in een sterke toename van het aantal mogelijke patiënten. ‘Mogelijke’, want behalve bekende ziekte-veroorzakende DNA-varianten, vinden we regelmatig nieuwe DNA-varianten bij pasgeborenen met een afwijkend metabolietenpatroon. Omdat deze DNA-varianten voorheen nooit aangetroffen zijn in patiënten die zich klinisch presenteren, is het niet duidelijk of ze op korte of lange termijn daadwerkelijk tot ziekteverschijnselen zullen leiden. Dat is een dilemma. Moeten we deze pasgeborenen nu als patiënten beschouwen of niet?
Daarnaast zorgt ook de stormachtige ontwikkeling van de steeds bredere en snellere genetische analyses (Next Generation Sequencing) ervoor dat patiënten met onduidelijke symptomen steeds vaker onderworpen worden aan ‘whole exome’ of ‘whole genome sequencing’ als eerste stap in de screening. Hiermee wordt de basevolgorde van het totale coderende DNA of zelfs het hele genoom bepaald. Daarbij worden regelmatig nieuwe, onbekende DNA-varianten aangetroffen in genen die al aan ziektebeelden waren gekoppeld, of in nieuwe genen waarvan onduidelijk is of ze überhaupt, en zo ja, in welke mate en wanneer leiden tot ziekteverschijnselen.
Van een beperkt aantal aangetroffen DNA-varianten is de consequentie duidelijk, maar voor de meeste aangetroffen varianten is het onduidelijk. Om toch een voorspelling te doen, wordt veelal gebruik gemaakt van voorspellingssoftware-pakketten, die weliswaar steeds beter voorspellen, maar nog lang niet altijd correct. Een voorbeeld hiervan is de meest voorkomende mutatie in MCAD-deficiëntie (een metabole ziekte die is opgenomen in de hielprik). Wanneer we de software laten voorspellen wat de gevolgen zijn van deze mutatie geeft deze aan dat de mutatie zeer waarschijnlijk niet ziekte-veroorzakend is. Echter, in 1990 is al aangetoond dat deze mutatie resulteert in een volledig inactief enzym en de belangrijkste oorzaak is van MCAD-deficiëntie.
Functionele genetica van metabole ziekten
Om het effect van onbekende DNA-varianten op het gecodeerde enzym en het daarmee geassocieerde cel-proces te onderzoeken, is functionele genetica de aangewezen weg. Waar voorspellingssoftware ‘slechts’ kansberekening biedt, geeft functionele genetica daadwerkelijk inzicht in de mogelijke klinische consequenties van genetische varianten. Dit onderzoek leidt dus tot een betere prognose voor patiënten en inzicht in het verloop van een ziektebeeld.
Dergelijke functionele studies leren ons begrijpen wat er fout gaat, aan de hand waarvan we therapeutische mogelijkheden kunnen ontwikkelen. Voor deze studies wordt onder meer gebruik gemaakt van een brede combinatie van genetische, moleculair-biologische, celbiologische en biochemische methodes en verschillende celsystemen en modelorganismen.
Een functionele studie kan inhouden dat we DNA-varianten tot expressie brengen in bacteriën, gist of humane cellijnen. Soms is in die humane cellijnen, die we in het laboratorium kunnen laten groeien, eerst een eigen ‘gezond’ gen uitgeschakeld. Voor het uitschakelen van genen gebruiken we de recent ontwikkelde CRISPR-technologie. Met deze Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats technologie kunnen met ongekende precisie stukjes DNA gemodificeerd worden: ongewenste stukjes eruit of gewenste stukjes erin. Daarmee kunnen we dus bijvoorbeeld ook DNA-varianten, die we aantreffen bij patiënten, introduceren in het genoom van cellijnen om daarmee de consequenties te kunnen bestuderen. Zo zijn we minder afhankelijk van cellen van de patiënt zelf om functionele studies te kunnen verrichten.
Tenslotte gebruiken we de CRISPR-technologie om gericht genen uit te schakelen die coderen voor eiwitten met nog onopgeloste functies, om vervolgens het effect daarvan te bestuderen. Dit betreft bijvoorbeeld genen geïdentificeerd bij patiënten met nieuwe of onopgeloste defecten.
Op deze manier kan functionele genetica veel betekenen voor het onderzoek aan erfelijke metabole ziekten. Het is de hoop en de verwachting dat in de toekomst ook nieuwe behandelingen worden gevonden of uitgetest met behulp van deze functionele genetica.