De toevallige ontdekking van adenosine remt (ADA) – deficiëntie bij twee patiënten met een cellulaire immuun-deficiëntie in 1972 door Dr. Eloise Giblett en collega ‘ s (1) luidden het begin in van een nieuw tijdperk in het onderzoek naar de moleculaire mechanismen onderliggende primaire immunodeficiëntie aandoeningen. Bovendien leidde deze bevinding tot de uiteindelijke ontwikkeling van nieuwe therapieën, niet alleen voor ADA-deficiëntie, maar ook voor andere immunodeficiëntiestoornissen en bepaalde leukemieën. In de vroege jaren 1970, waren verscheidene primaire immune deficiëntie ziekten, met inbegrip van SCID, x-verbonden een gamma globulinemia, en Wiskott-Aldrich syndroom, goed gekend aan pediatrische immunologen en verondersteld om door enige gendefecten worden veroorzaakt die op patronen van overerving worden gebaseerd. Nochtans, waren de gendefecten verantwoordelijk voor deze verwoestende wanorde onbekend. In die tijd was de enige “remedie” voor ernstige immunodeficiëntieziekten een beenmergtransplantatie (BMT) van een histocompatibele donor. In het geval van een van de twee patiënten beschreven door Giblett et al. de routinematige HLA-typering van familieleden kon geen geschikte donoren identificeren. Zo stuurden de artsen van de patiënt bloedmonsters naar Dr. Giblett bij de King Country Central Blood Bank. Men hoopte dat zij licht op de verhoudingen tussen de familieleden van de patiënt kon werpen door isozymepatronen voor enzym ADA te onderzoeken. Tot haar verbazing gaf zetmeelgelelektroforese aan dat de rode bloedcellen van de patiënt volledig verstoken waren van Ada-enzymactiviteit! De ouders vertoonden aantoonbare, maar verminderde ADA-activiteit, wat wijst op een autosomaal recessieve wijze van overerving. Vervolgens werd een tweede patiënt met ernstige cellulaire immuundeficiëntie onderzocht en bleek ook ADA-deficiëntie te hebben. Dit waren volledig onverwachte bevindingen, aangezien er geen voorrang was voor ADA-deficiëntie bij mensen of voor ADA die een belangrijke rol speelt in de ontwikkeling of functie van het immuunsysteem.

ADA maakt deel uit van de purine-bergingsroute die het enzym hypoxanthine-guaninefosforibosyltransferase (HPRT) omvat. Van mutaties in het HPRT-gen was bekend dat ze het neurologische syndroom van Lesch-Nyhan en de daarmee samenhangende jichtartritis (2) veroorzaakten, maar deze route werd niet belangrijk geacht voor het immuunsysteem. Giblett en collega ‘ s stelden voor dat de twee patiënten zeldzame mutante allelen voor het ada-gen zouden kunnen hebben. Als alternatief werd gespeculeerd dat zij een korte chromosomale deletie zouden kunnen hebben die het ada-gen en een nabijgelegen kritieke immune reactiegen omvat. In beide gevallen, concludeerden zij: “Aangezien ADA anenzymia en de erfelijke ziekten van cellulaire immuniteit uiterst zeldzaam zijn, lijkt hun coëxistentie in twee niet-verwante patiënten zeer onwaarschijnlijk om toevallig te zijn.”

metingen van purinemetabolieten in de lichaamsvloeistoffen van patiënten met ADA-deficiëntie toonden verhoogde niveaus van adenosine (3), een van de twee substraten voor ADA. De onderzoekers toonden snel aan dat adenosine de groei van lymfoïde cellijnen en de mitogen-veroorzaakte proliferatie van primaire lymfocyten (3) kon vertragen. In 1975 rapporteerden Giblet en collega ‘ s een patiënt met een geïsoleerde t-celimmunodeficiëntie die activiteit van purinenucleosidefosforylase (PNP) (4) ontbrak, een enzym dat tussen ADA en HPRT in de purine salvage pathway wordt gesitueerd, die overtuigend bewijs van het kritieke belang van normaal purinemetabolisme voor een functionerend immuunsysteem verstrekken. Hoewel oorspronkelijk werd gemeld dat ATP was verhoogd in de RBC ’s van ADA-deficiënte patiënten (5), meer gevoelige HPLC scheiding schema’ s in de laboratoria van Drs.Mary Sue Coleman en Amos Cohen onthulde dat datP niveaus waren ook verhoogd (6,7). Deze bevinding bevestigde een eerdere speculatie door Dr. Dennis Carson et al. (8) dat deoxyadenosine, het andere substraat van ADA, in plaats van adenosine, de toxische metaboliet bij deze ziekte was. Latere experimenten toonden aan dat deoxyadenosine eerst in vochtige en uiteindelijk in dATP door de hoge niveaus van deoxynucleoside kinases in de thymus wordt omgezet. Een waarschijnlijk pathogeen mechanisme is datP-getriggerde cytochroom c-versie van mitochondria die een apoptotische cascade teweegbrengt, die tot mislukking van de celontwikkeling van t leidt (9). Interessant, leidde een begrip van deze weg tot de ontwikkeling van nieuwe en succesvolle chemotherapeutische benaderingen voor het behandelen van harige celleukemie (10).

zowel ADA als PNP worden uitgedrukt in vrijwel elke cel in het lichaam en werden beschouwd als “huishoud” genen. Zo was een directe vraag waarom de effecten van Ada-deficiëntie waren gericht op het immuunsysteem. Dit leidde tot een systematische evaluatie van de expressie van purine metaboliserende enzymen in verschillende menselijke weefsels en tot de ontdekking dat ADA werd gevonden op zeer hoge niveaus in de thymus, wat suggereert dat dit orgaan een mechanisme had ontwikkeld om de opbouw van Ada-substraten te voorkomen. Dit is nodig omdat het hoge tarief van celdood in de thymus secundair aan selectiegebeurtenissen een bron van DNA verstrekt die aan deoxyadenosine wordt gedegradeerd. Dit, in combinatie met hoge niveaus van deoxynucleoside kinasen, verklaart waarom de thymus van patiënten met ADA-deficiëntie zulke hoge niveaus van datP accumuleert (8).

naast de normale ondersteunende therapie die aan patiënten met SCID werd gegeven, werden patiënten met ADA-deficiëntie aanvankelijk behandeld met packed RBC transfusies als een soort “enzymvervangende” therapie (5). Veel patiënten vertoonden als gevolg daarvan een significante verbetering van de immuunfunctie, met name patiënten met residuele Ada-enzymactiviteit. De doorbraak in de behandeling van deze patiënten kwam met de ontwikkeling van polyethyleenglycol (PEG)-gemodificeerd bovine ADA door het biotechbedrijf Enzon. PEG-ADA (Adagen) was de eerste FDA-goedgekeurde Peg-gemodificeerde eiwitdrug. Het gebruik ervan als therapie voor ADA-deficiënte patiënten werd verdedigd door Dr.Michael Hershfield bij Duke (11). Veel patiënten die geen geschikte beenmergdonoren hebben, hebben als gevolg van de behandeling met PEG-ADA een redelijk normaal leven kunnen leiden. Vandaag, zijn er een aantal op eiwitten gebaseerde drugs op de markt die door pegylation worden gewijzigd om stabiliteit te verbeteren en immunogeniciteit te verminderen. Deze omvatten Neulasta (Amgen) voor de behandeling van leukemie, interferon-β voor de behandeling van chronische hepatitis C, en uricase voor de behandeling van vuurvaste jicht (12).

ADA-deficiëntie speelde ook een prominente rol in de ontwikkeling van gentherapie. Het was de perfecte ziekte voor dit jonge veld. Het was al bekend dat patiënten met SCID konden worden genezen door een BMT van een histocompatibele donor. Het was ook bekend dat patiënten met slechts 10-12% van de normale Ada-enzymactiviteit een normaal immuunsysteem hadden (13). Het was dus logisch om te voorspellen dat autologe BMT met genetisch gemodificeerde beenmergcellen van therapeutische waarde zou zijn, zelfs als normale niveaus van genexpressie niet konden worden bereikt. De eerste pogingen waren echter niet succesvol omdat de kleine aantallen genetisch gemodificeerde cellen na de transplantatie niet werden gehandhaafd (14). Niettemin, was deze benadering succesvol bij patiënten met X-verbonden SCID omdat de genetisch gemodificeerde cellen een selectief voordeel hadden en uiteindelijk de resterende ongemodificeerde cellen overgroeiden (15). Dit besef leidde tot de hypothese dat gentherapie voor ADA-deficiëntie niet succesvol was omdat patiënten op PEG-ADA als een soort standaard van zorg werden gehandhaafd. Deze behandeling verwijderde het selectieve voordeel dat ADA-gen gecorrigeerde cellen zouden genieten in een anders ADA-deficiënte gastheer. Inderdaad, toen de behandelingsprotocollen werden aangepast om PEG-ADA te verwijderen, was gentherapie voor deze aandoening succesvol, hoewel het gewoonlijk een jaar of meer duurde voordat het aantal gen-gecorrigeerde T-cellen maximale niveaus bereikte (16).

zoals bij veel ziekten bij de mens, ontwikkelden immunologen muismodellen om een experimenteel systeem te hebben waarin de gevolgen van ADA-deficiëntie konden worden bestudeerd en nieuwe behandelingsstrategieën konden worden geëvalueerd. Tot grote verbazing van de onderzoekers die ADA-deficiënte muizen maakten, stierven deze muizen in de onmiddellijke perinatale periode-niet van immunodeficiëntie, maar van leverfalen (17,18). Op het moment van overlijden was het effect van Ada-deficiëntie op de ontwikkeling van de thymus relatief bescheiden. Om dit probleem te omzeilen, werd een stam van muizen ontwikkeld die globaal ADA-deficiënt was behalve die die met een placenta-specifieke promotor wordt gecontroleerd (19). Ze hadden dus ADA tijdens de foetale ontwikkeling en werden ADA-deficiëntie pas na de geboorte. Verrassend genoeg hadden ze een normale leverfunctie, wat aantoont dat ADA nodig was in de lever tijdens de foetale ontwikkeling, maar niet daarna. Even verrassend, deze muizen stierven op ongeveer 3 weken leeftijd van respiratoire insufficiëntie (20). Ze konden echter voor onbepaalde tijd op PEG-ADA worden gehandhaafd. Toen het suboptimaal was, ontwikkelden ze immunodeficiëntie zoals oorspronkelijk verwacht (21). Deze muizen zijn nuttig gebleken voor het onderzoeken van de mechanismen van ADA-deficiënte SCID (9). Bovendien, wegens de accumulatie van adenosine, hebben deze dieren als biologisch scherm voor wanorde gediend verbonden aan afwijkende adenosinereceptor het signaleren (22). In de laatste twintig jaar, is het steeds duidelijker geworden dat adenosine vele belangrijke aspecten van fysiologie door band aan vier verschillende, zeven-transmembrane-overspannende g-proteã ne gekoppelde adenosinereceptoren regelt (23). Hoewel adenosine gewoonlijk immunosuppressief en anti-inflammatoir is, hielp het werk in Ada-deficiënte muizen nieuwe rollen voor adenosine ontdekken in het bevorderen van de vooruitgang van chronische ziekten met inbegrip van astma, chronische obstructieve longziekte, en longfibrose (22). Bovendien hielpen deze muizen om een nieuwe rol voor adenosine te definiëren die in bepaalde manifestaties van sikkelcelziekte signaleren (24).

concluderend was de ontdekking van ADA-deficiëntie als oorzaak van SCID baanbrekend om verschillende redenen. Ten eerste was het de eerste immunodeficiëntieziekte waarvoor het moleculaire defect werd geïdentificeerd, waardoor het mogelijk was om een moleculaire diagnose te stellen zowel pre – als postnataal. Ten tweede onderstreepte het het belang van normaal purinemetabolisme voor de ontwikkeling van het immuunsysteem. Inzicht in de mechanismen van ADA-deficiënte SCID leidde tot de ontwikkeling van Ada-remmers en deoxyadenosine-analogen voor de behandeling van haarcelleukemie (10). PEG-ADA werd het eerste PEG-gemodificeerde eiwit dat als therapeutisch werd gebruikt en opende de deur voor de ontwikkeling van extra Peg-gemodificeerde eiwitten die vandaag de dag in brede klinische toepassingen zijn. ADA-deficiëntie was de eerste erfelijke ziekte die met gentherapie werd behandeld. Tot slot werden Ada-deficiënte muizen een onschatbaar hulpmiddel voor de studie van adenosinereceptor die in chronische longziekten en sikkelcelziekte signaleren. Zo illustreert de geschiedenis van onderzoeken naar ADA-deficiëntie, geïnitieerd door de verrassende afwezigheid van Ada-banden op de zetmeelgel van Eloise Giblett, de potentiële impact van toevallige ontdekkingen in de wetenschap en de geneeskunde en de onverwachte beloningen die kunnen voortvloeien uit de studie van patiënten met zeldzame ziekten.