Die zufällige Entdeckung eines Adenosindeaminase (ADA) -Mangels bei zwei Patienten mit zellulärer Immunschwäche im Jahr 1972 durch Dr. Eloise Giblett und Kollegen (1) leitete eine neue Ära bei der Untersuchung der molekularen Mechanismen ein, die primären Immunschwächestörungen zugrunde liegen. Darüber hinaus führte dieser Befund zur Entwicklung neuartiger Therapien nicht nur für ADA-Mangel, sondern auch für andere Immunschwächestörungen und bestimmte Leukämien. In den frühen 1970er Jahren waren mehrere primäre Immunschwächekrankheiten, einschließlich SCID, X-linked a Gammaglobulinämie und Wiskott-Aldrich-Syndrom, pädiatrischen Immunologen gut bekannt und vermuteten, dass sie durch einzelne Gendefekte verursacht wurden, die auf Vererbungsmustern beruhten. Die für diese verheerenden Störungen verantwortlichen Gendefekte waren jedoch unbekannt. Damals war die einzige „Heilung“ für schwere Immunschwächekrankheiten eine Knochenmarktransplantation (BMT) von einem histokompatiblen Spender. Bei einem der beiden von Giblett et al. Die routinemäßige HLA-Typisierung von Familienmitgliedern konnte keine geeigneten Spender identifizieren. Daher schickten die Ärzte des Patienten Blutproben an Dr. Giblett von der King Country Central Blood Bank. Es wurde gehofft, dass sie Licht auf die Beziehungen zwischen den Familienmitgliedern des Patienten werfen könnte, indem sie Isozymmuster für das Enzym ADA untersuchte. Zu ihrer Überraschung zeigte die Stärkegelelektrophorese, dass die roten Blutkörperchen des Patienten völlig frei von ADA-Enzymaktivität waren! Die Eltern zeigten nachweisbare, aber reduzierte ADA-Aktivität, was auf eine autosomal-rezessive Vererbung hindeutet. Anschließend wurde ein zweiter Patient mit schwerer zellulärer Immunschwäche untersucht, bei dem ebenfalls ein ADA-Mangel festgestellt wurde. Dies waren völlig unerwartete Ergebnisse, da es keinen Vorrang für einen ADA-Mangel beim Menschen gab oder für ADA, das eine wichtige Rolle bei der Entwicklung oder Funktion des Immunsystems spielt.

ADA ist Teil des Purinrettungsweges, der das Enzym Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase (HPRT) einschließt. Es war bekannt, dass Mutationen im HPRT-Gen die neurologische Störung verursachen Lesch-Nyhan-Syndrom und die damit verbundene Gichtarthritis (2), aber dieser Weg wurde nicht als wichtig für das Immunsystem angesehen. Giblett und Kollegen schlugen vor, dass die beiden Patienten seltene mutierte Allele für das ADA-Gen haben könnten. Alternativ wurde spekuliert, dass sie eine kurze chromosomale Deletion aufweisen könnten, die das ADA-Gen und ein nahe gelegenes kritisches Immunantwort-Gen umfasst. In beiden Fällen schlossen sie: „Da ADA-Anenzymie und die Erbkrankheiten der zellulären Immunität äußerst selten sind, scheint ihre Koexistenz bei zwei nicht verwandten Patienten sehr unwahrscheinlich.“

Messungen von Purinmetaboliten in den Körperflüssigkeiten von ADA-defizienten Patienten zeigten erhöhte Adenosinspiegel (3), eines der beiden Substrate für ADA. Die Forscher zeigten schnell, dass Adenosin das Wachstum lymphoider Zelllinien und die mitogeninduzierte Proliferation primärer Lymphozyten verlangsamen kann (3). Im Jahr 1975 berichteten Giblet und Kollegen über einen Patienten mit einer isolierten T-Zell-Immunschwäche, der die Aktivität der Purinnukleosidphosphorylase (PNP) (4) fehlte, einem Enzym, das sich zwischen ADA und HPRT im Purinrettungsweg befindet und überzeugende Beweise für die kritische Bedeutung des normalen Purinstoffwechsels für ein funktionierendes Immunsystem liefert. Obwohl ursprünglich berichtet wurde, dass ATP in den Erythrozyten von ADA-defizienten Patienten erhöht war (5), zeigten empfindlichere HPLC-Trennschemata in den Labors von Dr. Mary Sue Coleman und Amos Cohen, dass auch die dATP-Spiegel erhöht waren (6,7). Dieser Befund bestätigte eine frühere Spekulation von Dr. Dennis Carson et al. (8) dass Deoxyadenosin, das andere Substrat von ADA, anstelle von Adenosin der toxische Metabolit bei dieser Krankheit war. Nachfolgende Experimente zeigten, dass Desoxyadenosin durch die hohen Konzentrationen von Desoxynukleosidkinasen im Thymus zuerst in dAMP und schließlich in dATP umgewandelt wird. Ein wahrscheinlicher pathogener Mechanismus ist die dATP-getriggerte Cytochrom-c-Freisetzung aus Mitochondrien, die eine apoptotische Kaskade auslöst, die zum Versagen der T-Zell-Entwicklung führt (9). Interessanterweise führte ein Verständnis dieses Weges zur Entwicklung neuartiger und erfolgreicher chemotherapeutischer Ansätze zur Behandlung von Haarzellenleukämie (10).

Sowohl ADA als auch PNP werden in praktisch jeder Zelle des Körpers exprimiert und galten als „Housekeeping“-Gene. Eine unmittelbare Frage war daher, warum sich die Auswirkungen eines ADA-Mangels auf das Immunsystem konzentrierten. Dies führte zu einer systematischen Bewertung der Expression von Purin-metabolisierenden Enzymen in verschiedenen menschlichen Geweben und zur Entdeckung, dass ADA in sehr hohen Konzentrationen im Thymus gefunden wurde, was darauf hindeutet, dass dieses Organ einen Mechanismus entwickelt hatte, um den Aufbau von ADA-Substraten zu verhindern. Dies ist erforderlich, da die hohe Zelltodrate im Thymus infolge von Selektionsereignissen eine DNA-Quelle liefert, die zu Desoxyadenosin abgebaut wird. Dies, gepaart mit einem hohen Gehalt an Desoxynukleosidkinasen, erklärt, warum der Thymus von ADA-defizienten Patienten so hohe dATP-Spiegel akkumuliert (8).

Zusätzlich zur normalen unterstützenden Therapie bei Patienten mit SCID wurden ADA-defiziente Patienten zunächst mit gepackten Erythrozyten-Transfusionen als eine Art „Enzymersatztherapie“ behandelt (5). Viele Patienten zeigten dadurch eine signifikante Verbesserung der Immunfunktion, insbesondere solche mit verbleibender ADA-Enzymaktivität. Der Durchbruch in der Behandlung dieser Patienten kam mit der Entwicklung von Polyethylenglykol (PEG) -modifizierten Rinderproteinen durch das Biotech-Unternehmen Enzon. PEG-ADA (Adagen) war das erste von der FDA zugelassene PEG-modifizierte Proteinarzneimittel. Seine Verwendung als Therapie für ADA-defiziente Patienten wurde von Dr. Michael Hershfield an der Duke (11) verfochten. Viele Patienten, die keine geeigneten Knochenmarkspender haben, konnten aufgrund der Behandlung mit PEG-ADA ein einigermaßen normales Leben führen. Heute gibt es eine Reihe von Medikamenten auf Proteinbasis auf dem Markt, die durch Pegylierung modifiziert werden, um die Stabilität zu verbessern und die Immunogenität zu verringern. Dazu gehören Neulasta (Amgen) zur Behandlung von Leukämie, Interferon-β zur Behandlung von chronischer Hepatitis C und Uricase zur Behandlung von refraktärer Gicht (12).

ADA-Mangel spielte auch eine herausragende Rolle bei der Entwicklung der Gentherapie. Es war die perfekte Krankheit für dieses junge Feld. Es war bereits bekannt, dass Patienten mit SCID durch eine BMT von einem histokompatiblen Spender geheilt werden konnten. Es war auch bekannt, dass Patienten mit nur 10-12% der normalen ADA-Enzymaktivität ein normales Immunsystem hatten (13). Daher war es logisch vorherzusagen, dass eine autologe BMT mit gentechnisch veränderten Knochenmarkszellen von therapeutischem Wert sein würde, selbst wenn normale Genexpressionsniveaus nicht erreicht werden könnten. Erste Versuche blieben jedoch erfolglos, da die geringe Anzahl gentechnisch veränderter Zellen nach der Transplantation nicht erhalten blieb (14). Dennoch war dieser Ansatz bei Patienten mit X-chromosomaler SCID erfolgreich, da die gentechnisch veränderten Zellen einen selektiven Vorteil hatten und schließlich die verbleibenden unmodifizierten Zellen überwucherten (15). Diese Erkenntnis führte zu der Hypothese, dass die Gentherapie für ADA-Mangel erfolglos war, weil die Patienten auf PEG-ADA als eine Art Standard der Pflege gehalten wurden. Diese Behandlung entfernte den selektiven Vorteil, den ADA-Gen-korrigierte Zellen in einem ansonsten ADA-defizienten Wirt genießen würden. In der Tat, wenn die Behandlungsprotokolle modifiziert wurden, um die PEG-ADA zu entfernen, war die Gentherapie für diese Störung erfolgreich, obwohl es normalerweise ein Jahr oder länger dauerte, bis die Anzahl der genkorrigierten T-Zellen maximale Werte erreichte (16).Wie bei vielen menschlichen Krankheiten entwickelten Immunologen Mausmodelle, um ein experimentelles System zu haben, in dem die Folgen eines ADA-Mangels untersucht und neue Behandlungsstrategien evaluiert werden konnten. Sehr zur Überraschung der Forscher, die ADA-defiziente Mäuse herstellten, starben diese Mäuse in der unmittelbaren perinatalen Periode – nicht an Immunschwäche, sondern an Leberversagen (17,18). Zum Zeitpunkt des Todes war die Wirkung eines ADA-Mangels auf die Thymusentwicklung relativ gering. Um dieses Problem zu umgehen, wurde ein Stamm von Mäusen entwickelt, der global ADA-defizient war, mit Ausnahme des mit einem Plazenta-spezifischen Promotor kontrollierten (19). So hatten sie ADA während der fetalen Entwicklung und wurden erst nach der Geburt ADA-mangelhaft. Überraschenderweise hatten sie eine normale Leberfunktion, was zeigte, dass ADA während der fetalen Entwicklung in der Leber benötigt wurde, aber nicht danach. Ebenso überraschend starben diese Mäuse im Alter von etwa 3 Wochen an Atemversagen (20). Sie könnten jedoch auf PEG-ADA unbegrenzt beibehalten werden. Als es suboptimal war, entwickelten sie wie ursprünglich erwartet eine Immunschwäche (21). Diese Mäuse haben sich als nützlich erwiesen, um die Mechanismen von ADA-defizientem SCID zu untersuchen (9). Darüber hinaus dienten diese Tiere aufgrund der Akkumulation von Adenosin als biologischer Bildschirm für Störungen, die mit der aberranten Adenosinrezeptorsignalisierung verbunden sind (22). In den letzten zwanzig Jahren wurde immer deutlicher, dass Adenosin viele wichtige Aspekte der Physiologie reguliert, indem es an vier verschiedene, sieben Transmembranen überspannende G-Protein-gekoppelte Adenosinrezeptoren bindet (23). Obwohl Adenosin normalerweise immunsuppressiv und entzündungshemmend ist, half die Arbeit an ADA-defizienten Mäusen, neue Rollen für Adenosin bei der Förderung des Fortschreitens chronischer Krankheiten wie Asthma, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung und Lungenfibrose aufzudecken (22). Darüber hinaus halfen diese Mäuse, eine neuartige Rolle für die Adenosinsignalisierung bei bestimmten Manifestationen der Sichelzellenanämie zu definieren (24).

Zusammenfassend war die Entdeckung des ADA-Mangels als Ursache von SCID aus mehreren Gründen bahnbrechend. Erstens war es die erste Immunschwächekrankheit, bei der der molekulare Defekt identifiziert wurde, was eine molekulare Diagnose sowohl prä- als auch postnatal ermöglichte. Zweitens unterstrich es die Bedeutung eines normalen Purinstoffwechsels für die Entwicklung des Immunsystems. Das Verständnis der Mechanismen von ADA-defizientem SCID führte zur Entwicklung von ADA-Inhibitoren und Desoxyadenosinanaloga zur Behandlung von Haarzellenleukämie (10). PEG-ADA war das erste PEG-modifizierte Protein, das als Therapeutikum eingesetzt wurde, und öffnete die Tür für die Entwicklung zusätzlicher PEG-modifizierter Proteine, die heute in großem klinischen Einsatz sind. ADA-Mangel war die erste Erbkrankheit, die durch Gentherapie behandelt wurde. Schließlich wurden ADA-defiziente Mäuse zu einem unschätzbaren Werkzeug für die Untersuchung der Adenosinrezeptorsignalisierung bei chronischen Lungenerkrankungen und Sichelzellenerkrankungen. So zeigt die Geschichte der Untersuchungen des ADA-Mangels, die durch das überraschende Fehlen von ADA-Banden auf Eloise Gibletts Stärkegel eingeleitet wurden, die möglichen Auswirkungen zufälliger Entdeckungen in Wissenschaft und Medizin und die unerwarteten Belohnungen, die sich aus der Untersuchung von Patienten mit seltenen Krankheiten ergeben können.