Dr Eloise Giblettin ja kollegoidensa (1) vuonna 1972 kahden solullista immuunipuutosta sairastavan potilaan adenosiinideaminaasin (ADA) puutoksen serendipinen toteaminen johti uuteen aikakauteen primaaristen immuunipuutoshäiriöiden taustalla olevien molekyylimekanismien tutkimuksessa. Lisäksi tämä havainto johti lopulta uusien hoitomuotojen kehittämiseen paitsi ADA: n puutokseen, myös muihin immuunipuutossairauksiin ja tiettyihin leukemioihin. 1970-luvun alussa useat primaariset immuunipuutossairaudet, kuten SCID, X-linkitetty gammaglobulinemia ja Wiskott-Aldrichin oireyhtymä, olivat hyvin tunnettuja pediatrisille immunologeille, ja niiden oletetaan johtuvan yksittäisistä geenivirheistä periytymisen perusteella. Näitä tuhoisia häiriöitä aiheuttavia geenivirheitä ei kuitenkaan tunnettu. Tuohon aikaan ainoa” parannuskeino ” vaikeisiin immuunipuutossairauksiin oli luuydinsiirto (BMT) histokompatibiililta luovuttajalta. Jos kyseessä on toinen kahdesta potilaasta, joita Giblett et al. perheenjäsenten rutiininomainen HLA-tyypitys ei onnistunut löytämään sopivia luovuttajia. Niinpä potilaan lääkärit lähettivät verinäytteitä tohtori Giblettille King Countryn veripankkiin. Hänen toivottiin pystyvän valottamaan potilaan perheenjäsenten välisiä suhteita tutkimalla ada-entsyymin isoentsyymimalleja. Hänen yllätyksekseen tärkkelysgeelielektroforeesi osoitti, että potilaan punasoluissa ei ollut lainkaan ada-entsyymin toimintaa! Vanhemmat osoittivat havaittavaa, mutta vähentynyttä ADA-aktiivisuutta, mikä viittaa autosomaalisesti resessiiviseen periytymistapaan. Tämän jälkeen tutkittiin toista potilasta, jolla oli vaikea soluimmuniteetin puutos ja joka myös todettiin ADA-puutteelliseksi. Nämä olivat täysin odottamattomia löydöksiä, sillä ADA: n puutos ei ollut etusijalla ihmisillä eikä ADA: lla ollut merkittävää roolia immuunijärjestelmän kehityksessä tai toiminnassa.
ADA on osa puriinin talteenottoreittiä, johon kuuluu hypoksantiini-guaniinifosforibosyylitransferaasientsyymi (HPRT). HPRT-geenin mutaatioiden tiedettiin aiheuttavan neurologista häiriötä Lesch-nyhanin oireyhtymää ja siihen liittyvää kihtiartriittia (2), mutta tällä reitillä ei ajateltu olevan merkitystä immuunijärjestelmälle. Giblett ja kollegat ehdottivat, että näillä kahdella potilaalla voisi olla ada-geeniin harvinaisia mutanttialleeleita. Vaihtoehtoisesti spekuloitiin, että niillä voisi olla lyhyt kromosomipoikkeama, joka käsittää ADA-geenin ja läheisen kriittisen immuunivasteen geenin. Kummassakin tapauksessa ne päättelivät: ”Koska ada anenzymia ja soluimmuniteetin perinnölliset sairaudet ovat erittäin harvinaisia, niiden rinnakkaiselo kahdella toisiinsa liittymättömällä potilaalla näyttää hyvin epätodennäköiseltä.”
PURIINIMETABOLIITTIEN mittaukset ADA-puutoksesta kärsivien potilaiden ruumiinnesteissä osoittivat, että adenosiinipitoisuus (3) oli kohonnut, toinen ADA: n substraateista. Tutkijat osoittivat nopeasti, että adenosiini voi hidastaa lymfosyyttien solulinjojen kasvua ja primaaristen lymfosyyttien mitogeenin aiheuttamaa proliferaatiota (3). Vuonna 1975 Giblet ja kollegat raportoivat potilaan, jolla oli eristetty T-solujen immuunipuutos, jolta puuttui puriininukleosidifosforylaasin (PNP) (4) aktiivisuus, entsyymi, joka sijaitsee ADA: n ja HPRT: n välissä puriinin pelastusreitillä, mikä antoi vakuuttavaa näyttöä normaalin puriinimetabolian kriittisestä merkityksestä toimivalle immuunijärjestelmälle. Vaikka alun perin kerrottiin, että ATP oli koholla ADA: n puutteellisilla potilailla (5), herkemmät HPLC-erotusjärjestelmät tohtori Mary Sue Colemanin ja Amos Cohenin laboratorioissa paljastivat, että myös dATP-tasot olivat koholla (6,7). Tämä havainto vahvisti aiemmin spekulointia tohtori Dennis Carson et al. (8) että deoksiadenosiini, toinen substraatti ADA, eikä adenosiini, oli myrkyllinen metaboliitti tässä sairaudessa. Myöhemmät kokeet osoittivat, että kateenkorvan suuret deoksinukleosidikinaasien pitoisuudet muuttavat deoksiadenosiinin ensin kosteaksi ja lopulta dATP: ksi. Todennäköinen patogeeninen mekanismi on dATP: n laukaisema sytokromi c: n vapautuminen mitokondrioista, joka laukaisee apoptoottisen kaskadin, mikä johtaa T-solujen kehityksen epäonnistumiseen (9). Mielenkiintoista, tämän polun ymmärtäminen johti uusien ja onnistuneiden kemoterapeuttisten lähestymistapojen kehittämiseen karvasoluleukemian hoitoon (10).
sekä ADA että PNP ilmenevät käytännössä jokaisessa elimistön solussa, ja niitä oli pidetty ”taloudenhoidon” geeneinä. Välitön kysymys kuuluikin, miksi ADA-puutoksen vaikutukset kohdistuivat immuunijärjestelmään. Tämä johti puriinia metaboloivien entsyymien ilmentymisen systemaattiseen arviointiin eri ihmiskudoksissa ja siihen, että ADA: ta löydettiin hyvin suurina pitoisuuksina kateenkorvassa, mikä viittaa siihen, että tämä elin oli kehittänyt mekanismin, joka estää ADA: n substraattien muodostumisen. Tämä on tarpeen, koska kateenkorvan suuri solukuolema on seurausta valintatapahtumista, jolloin DNA hajoaa deoksiadenosiiniksi. Tämä yhdessä deoksinukleosidikinaasien korkeiden pitoisuuksien kanssa selittää, miksi ADA-puutoksesta kärsivien potilaiden kateenkorvassa kertyy niin paljon dATP: tä (8).
epilepsiapotilaille annetun normaalin tukihoidon lisäksi ADA-puutoksesta kärsiviä potilaita hoidettiin aluksi pakatuilla PUNASOLUSIIRROILLA eräänlaisena ”entsyymikorvaushoitona” (5). Monilla potilailla immuunitoiminta parani merkittävästi tämän seurauksena, erityisesti niillä, joilla oli jäljellä ada-entsyymiaktiivisuutta. Läpimurto näiden potilaiden hoidossa tapahtui biotekniikkayritys enzonin kehittäessä polyetyleeniglykolia (PEG) muokatun naudan ADA: n. PEG-ADA (Adagen) oli ensimmäinen FDA: n hyväksymä PEG-modifioitu proteiinilääke. Sen käyttöä ADA-vajavaisten potilaiden hoitona puolusti tohtori Michael Hershfield dukessa (11). Monet potilaat, joilla ei ole sopivia luuytimen luovuttajia, ovat voineet elää kohtuullisen normaalia elämää PEG-ADA-hoidon ansiosta. Nykyään markkinoilla on useita proteiinipohjaisia lääkkeitä, joita muutetaan pegylaatiolla stabiilisuuden parantamiseksi ja immunogeenisuuden vähentämiseksi. Näitä ovat Neulasta (Amgen) leukemian hoitoon, interferoni-β kroonisen C-hepatiitin hoitoon ja urikaasi hoitoon tulenkestävän kihdin (12).
ADA-puutoksella oli myös merkittävä rooli geeniterapian kehittämisessä. Se oli täydellinen sairaus tälle aloittelevalle pellolle. Jo aiemmin tiedettiin, että potilaat, joilla on SCID, voidaan parantaa BMT: llä histokomponenttiselta luovuttajalta. Lisäksi tiedettiin, että potilailla, joilla oli vain 10-12% normaalista ada-entsyymin aktiivisuudesta, oli normaali immuunijärjestelmä (13). Näin ollen oli loogista ennustaa, että geenimuunnelluilla luuydinsoluilla autologisella BMT: llä olisi terapeuttista arvoa, vaikka geeniekspression normaalitasoja ei voitaisikaan saavuttaa. Ensimmäiset yritykset kuitenkin epäonnistuivat, koska geenimuunneltujen solujen pieni määrä ei säilynyt elinsiirron jälkeen (14). Tämä lähestymistapa oli kuitenkin onnistunut potilailla, joilla oli X-linkitetty SCID, koska muuntogeenisillä soluilla oli valikoiva etu ja lopulta ne kasvattivat liikaa jäljellä olevia muokkaamattomia soluja (15). Tämä oivallus johti hypoteesiin, jonka mukaan ADA: n puutoksen geeniterapia ei onnistunut, koska potilaita ylläpidettiin PEG-Adalla eräänlaisena hoidon standardina. Tämä hoito poisti sen valikoivan edun, jonka ADA-geenikorjatut solut saisivat muutoin ADA-vajavaisessa isännässä. Kun hoitoprotokollia muutettiin PEG-ADA: n poistamiseksi, tämän häiriön geenihoito onnistui, vaikka yleensä kesti vuoden tai enemmän ennen kuin geenikorjattujen T-solujen määrä saavutti maksimitason (16).
monien ihmisten sairauksien tapaan immunologit kehittivät hiirimalleja saadakseen kokeellisen järjestelmän, jossa ADA-puutoksen seurauksia voitaisiin tutkia ja uusia hoitostrategioita arvioida. ADA – vajavaisia hiiriä tehneiden tutkijoiden suureksi yllätykseksi nämä hiiret kuolivat heti perinataalivaiheessa – eivät immuunipuutokseen vaan maksan vajaatoimintaan (17,18). Kuollessaan ADA-puutoksen vaikutus kateenkorvan kehitykseen oli suhteellisen vähäinen. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin hiirikanta, joka oli maailmanlaajuisesti ADA-puutteellinen lukuun ottamatta sitä, jota valvottiin istukkakohtaisella promoottorilla (19). Näin heillä oli ADA sikiönkehityksen aikana ja se tuli ADA-vajavaiseksi vasta syntymän jälkeen. Yllättäen heidän maksansa oli normaali, mikä osoitti, että ADAA tarvittiin maksassa sikiönkehityksen aikana, mutta ei sen jälkeen. Yhtä yllättävää oli, että nämä hiiret kuolivat noin 3 viikon ikäisinä hengitysvajaukseen (20). Ne voitiin kuitenkin säilyttää PEG-Adassa loputtomiin. Kun se oli suboptimaalista, heille kehittyi immuunipuutos, kuten alun perin odotettiin (21). Nämä hiiret ovat osoittautuneet hyödyllisiksi tutkittaessa ADA: n puutteellisen SCID: n mekanismeja (9). Lisäksi adenosiinin kertymisen vuoksi nämä eläimet ovat toimineet biologisena seulana häiriöille, jotka liittyvät poikkeavaan adenosiinireseptorin signalointiin (22). Viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana on tullut yhä ilmeisemmäksi, että adenosiini säätelee monia fysiologian tärkeitä näkökohtia sitoutumalla neljään erilliseen, seitsemän transmembraania sisältävään g-proteiinikytkettyyn adenosiinireseptoriin (23). Vaikka adenosiini on yleensä immunosuppressiivinen ja anti-inflammatorinen, työ ADA-puutteellisilla hiirillä auttoi löytämään uusia rooleja adenosiinille kroonisten sairauksien, kuten astman, kroonisen obstruktiivisen keuhkosairauden ja keuhkofibroosin, edistämisessä (22). Lisäksi nämä hiiret auttoivat määrittelemään uuden roolin adenosiini-signaloinnille tietyissä sirppisolusairauden ilmenemismuodoissa (24).
johtopäätöksenä ADA-puutoksen löytyminen skidin aiheuttajaksi oli uraauurtavaa monestakin syystä. Ensinnäkin se oli ensimmäinen immuunipuutostauti, johon molekyylivirhe tunnistettiin, mikä mahdollisti molekyylidiagnoosin tekemisen sekä ennen synnytystä että sen jälkeen. Toiseksi se korosti normaalin puriiniaineenvaihdunnan merkitystä immuunijärjestelmän kehitykselle. Ada-puutteellisen SCID: n mekanismien ymmärtäminen johti ada-estäjien ja deoksiadenosiinianalogien kehittymiseen karvasoluleukemian hoitoon (10). PEG-Adasta tuli ensimmäinen PEG-modifioitu proteiini, jota käytettiin terapeuttisena aineena, ja se avasi oven uusien PEG-modifioitujen proteiinien kehittämiselle, jotka ovat nykyään laajassa kliinisessä käytössä. ADA-puutos oli ensimmäinen perinnöllinen sairaus, jota hoidettiin geeniterapialla. Lopulta ADA-puutteellisista hiiristä tuli korvaamaton apuväline adenosiinireseptorien signaloinnin tutkimisessa kroonisissa keuhkosairauksissa ja sirppisolusairauksissa. Näin ollen ada-puutostutkimusten historia, joka alkoi ada-bändien hätkähdyttävästä puuttumisesta Eloise Giblettin tärkkelysgeelissä, osoittaa tieteen ja lääketieteen serendipisten löytöjen potentiaalisen vaikutuksen ja odottamattomat palkkiot, jotka voivat syntyä harvinaisia sairauksia sairastavien potilaiden tutkimuksesta.