den serendipitösa upptäckten av adenosindeaminasbrist (ADA) hos två patienter med cellulär immunbrist 1972 av Dr.Eloise Giblett och kollegor (1) inledde en ny era i undersökningen av de molekylära mekanismerna bakom primära immunbriststörningar. Dessutom ledde detta resultat till en eventuell utveckling av nya terapier, inte bara för ADA-brist, utan också för andra immunbriststörningar och vissa leukemier. I början av 1970-talet var flera primära immunbristsjukdomar, inklusive SCID, X-länkad gammaglobulinemi och Wiskott-Aldrich syndrom, välkända för pediatriska immunologer och antas orsakas av enstaka genfel baserat på arvsmönster. Gendefekterna som var ansvariga för dessa förödande störningar var emellertid okända. På den tiden var det enda” botemedlet ” för allvarliga immunbristsjukdomar en benmärgstransplantation (BMT) från en histokompatibel givare. När det gäller en av de två patienterna som beskrivs av Giblett et al., rutinmässig HLA-typning av familjemedlemmar misslyckades med att identifiera lämpliga givare. Således skickade patientens läkare blodprover till Dr.Giblett vid King Country Central Blood Bank. Man hoppades att hon kunde belysa relationerna mellan patientens familjemedlemmar genom att undersöka isozymmönster för enzymet ADA. Mycket till hennes förvåning indikerade stärkelsegelelektrofores att patientens röda blodkroppar helt saknade ada-enzymaktivitet! Föräldrarna visade detekterbar men minskad ada-aktivitet, vilket tyder på ett autosomalt recessivt arvssätt. Därefter studerades en andra patient med svår cellulär immunbrist och visade sig också vara ada-bristfällig. Dessa var helt oväntade fynd, eftersom det inte fanns någon prioritet för ADA-brist hos människor eller för ADA som spelade en viktig roll i antingen immunsystemets utveckling eller funktion.

ADA är en del av purinbergningsvägen som inkluderar enzymet hypoxantin-guaninfosforbosyltransferas (HPRT). Mutationer i HPRT-genen var kända för att orsaka den neurologiska störningen Lesch-Nyhan syndrom och dess associerade giktartrit (2), men denna väg ansågs inte vara viktig för immunsystemet. Giblett och kollegor föreslog att de två patienterna kan ha sällsynta mutanta alleler för ADA-genen. Alternativt spekulerades det att de kan ha en kort kromosomal deletion som omfattar ADA-genen och en närliggande kritisk immunsvargen. I båda fallen avslutade de: ”Eftersom ADA-anenzymi och de ärftliga sjukdomarna i cellulär immunitet är extremt sällsynta, verkar deras samexistens hos två orelaterade patienter mycket osannolikt att vara lyckosam.”

mätningar av purinmetaboliter i kroppsvätskorna hos ADA-bristfälliga patienter visade förhöjda nivåer av adenosin (3), ett av de två substraten för ADA. Utredare visade snabbt att adenosin kunde bromsa tillväxten av lymfoida cellinjer och mitogeninducerad proliferation av primära lymfocyter (3). 1975 rapporterade Giblet och kollegor en patient med en isolerad T-cell immunbrist som saknade aktivitet av purinnukleosidfosforylas (PNP) (4), ett enzym beläget mellan ADA och HPRT i purinbergningsvägen, vilket gav övertygande bevis på den kritiska betydelsen av normal purinmetabolism för ett fungerande immunsystem. Även om det ursprungligen rapporterades att ATP var förhöjd i RBC hos ADA-bristfälliga patienter (5), mer känsliga HPLC-separationsscheman i laboratorierna av Drs.Mary Sue Coleman och Amos Cohen avslöjade att dATP-nivåerna också var förhöjda (6,7). Detta resultat bekräftade en tidigare spekulation av Dr. Dennis Carson et al. (8) att deoxyadenosin, det andra substratet av ADA, snarare än adenosin, var den toxiska metaboliten i denna sjukdom. Efterföljande experiment visade att deoxyadenosin omvandlas först till fuktig och slutligen till dATP av de höga nivåerna av deoxynukleosidkinaser i tymus. En trolig patogen mekanism är dATP-utlöst cytokrom C-frisättning från mitokondrier som utlöser en apoptotisk kaskad, vilket leder till misslyckande av T-cellutveckling (9). Intressant ledde en förståelse av denna väg till utvecklingen av nya och framgångsrika kemoterapeutiska metoder för behandling av hårig cell leukemi (10).

både ADA och PNP uttrycks i praktiskt taget varje cell i kroppen och hade betraktats som ”hushållningsgener”. Således var en omedelbar fråga varför effekterna av ADA-brist fokuserades på immunsystemet. Detta ledde till en systematisk utvärdering av uttrycket av purinmetaboliserande enzymer i olika mänskliga vävnader och till upptäckten att ADA hittades vid mycket höga nivåer i tymus, vilket tyder på att detta organ hade utvecklat en mekanism för att förhindra uppbyggnad av ADA-substrat. Detta behövs eftersom den höga graden av celldöd i tymus sekundär till urvalshändelser ger en källa till DNA som bryts ned till deoxyadenosin. Detta, i kombination med höga nivåer av deoxynukleosidkinaser, förklarar varför tymus hos ADA-bristfälliga patienter ackumulerar sådana höga nivåer av dATP (8).

förutom den normala stödjande behandlingen som ges till patienter med SCID, behandlades ada-bristfälliga patienter initialt med packade RBC-transfusioner som en slags ”enzymersättningsterapi” (5). Många patienter visade signifikant förbättring av immunfunktionen som ett resultat, särskilt de med kvarvarande ada-enzymaktivitet. Genombrottet i behandlingen av dessa patienter kom med utvecklingen av polyetylenglykol (PEG)-modifierad bovin ada av bioteknikföretaget Enzon. PEG-ADA (Adagen) var det första FDA-godkända PEG-modifierade proteinläkemedlet. Dess användning som en terapi för ADA-bristfälliga patienter förespråkades av Dr.Michael Hershfield vid Duke (11). Många patienter som inte har lämpliga benmärgsgivare har kunnat leva rimligt normala liv som ett resultat av behandling med PEG-ada. Idag finns det ett antal proteinbaserade läkemedel på marknaden som modifieras genom pegylering för att förbättra stabiliteten och minska immunogeniciteten. Dessa inkluderar Neulasta (Amgen) för behandling av leukemi, interferon-aug för behandling av kronisk hepatit C och urikas för behandling av refraktär gikt (12).

ADA-brist spelade också en framträdande roll i utvecklingen av genterapi. Det var den perfekta sjukdomen för detta spirande fält. Det var redan känt att patienter med SCID kunde botas av en BMT från en histokompatibel givare. Det var också känt att patienter med endast 10-12% av normal ada-enzymaktivitet hade normala immunsystem (13). Således var det logiskt att förutsäga att autolog BMT med genetiskt modifierade benmärgsceller skulle vara av terapeutiskt värde, även om normala nivåer av genuttryck inte kunde uppnås. Initiala försök misslyckades dock eftersom det lilla antalet genetiskt modifierade celler inte upprätthölls efter transplantationen (14). Ändå var detta tillvägagångssätt framgångsrikt hos patienter med X-länkad SCID eftersom de genetiskt modifierade cellerna hade en selektiv fördel och så småningom övervuxna de återstående omodifierade cellerna (15). Denna insikt ledde till hypotesen att genterapi för ADA-brist misslyckades eftersom patienter bibehölls på PEG-ada som ett slags vårdstandard. Denna behandling avlägsnade den selektiva fördelen som ADA-genkorrigerade celler skulle njuta av i en annars ada-bristfällig värd. Faktum är att när behandlingsprotokollen modifierades för att avlägsna PEG-ADA var genterapi för denna sjukdom framgångsrik, även om det vanligtvis tog ett år eller mer för antalet genkorrigerade T-celler att nå maximala nivåer (16).

som med många mänskliga sjukdomar utvecklade immunologer musmodeller för att få ett experimentellt system där konsekvenserna av ADA-brist kunde studeras och nya behandlingsstrategier utvärderades. Mycket till överraskning för utredarna som gjorde ada-bristfälliga möss dog dessa möss under den omedelbara perinatala perioden-inte av immunbrist utan av leversvikt (17,18). Vid tidpunkten för döden var effekten av ADA-brist på tymus utveckling relativt blygsam. För att komma runt detta problem utvecklades en stam av möss som var globalt ada-bristfällig förutom den som kontrollerades med en placenta-specifik promotor (19). Således hade de ADA under fosterutveckling och blev ada-bristfälliga först efter födseln. Överraskande hade de normal leverfunktion, vilket visade att ADA behövdes i levern under fosterutveckling, men inte därefter. Lika överraskande dog dessa möss vid ungefär 3 veckors ålder av andningsfel (20). De kunde dock bibehållas på PEG – ada på obestämd tid. När det var suboptimal, utvecklade de immunbrist som ursprungligen förväntades (21). Dessa möss har visat sig vara användbara för att undersöka mekanismerna för ADA-bristfällig SCID (9). Dessutom, på grund av ackumulering av adenosin, har dessa djur fungerat som en biologisk skärm för störningar associerade med avvikande adenosinreceptorsignalering (22). Under de senaste tjugo åren har det blivit allt tydligare att adenosin reglerar många viktiga aspekter av fysiologi genom bindning till fyra distinkta, sju-transmembran-spännvidareg-proteinkopplade adenosinreceptorer (23). Även om adenosin vanligtvis är immunsuppressivt och antiinflammatoriskt, hjälpte arbetet i Ada-bristande möss att avslöja nya roller för adenosin för att främja utvecklingen av kroniska sjukdomar inklusive astma, kronisk obstruktiv lungsjukdom och lungfibros (22). Dessutom hjälpte dessa möss att definiera en ny roll för adenosinsignalering i vissa manifestationer av sicklecellsjukdom (24).

Sammanfattningsvis var upptäckten av ADA-brist som orsak till SCID banbrytande av flera skäl. Först var det den första immunbristsjukdomen för vilken den molekylära defekten identifierades, vilket gjorde det möjligt att göra en molekylär diagnos både före och postnatalt. För det andra betonade det vikten av normal purinmetabolism för utvecklingen av immunsystemet. Förstå mekanismerna för ADA-bristande SCID ledde till utvecklingen av ADA-hämmare och deoxyadenosinanaloger för behandling av hårig cell leukemi (10). PEG-ada blev det första PEG-modifierade proteinet som användes som terapeutiskt och öppnade dörren för utveckling av ytterligare PEG-modifierade proteiner som är i stor klinisk användning idag. ADA-brist var den första ärftliga sjukdomen som behandlades genom genterapi. Slutligen blev ada-bristfälliga möss ett ovärderligt verktyg för studier av adenosinreceptorsignalering vid kroniska lungsjukdomar och sicklecellsjukdom. Således illustrerar historien om undersökningar av ADA-brist initierad av den häpnadsväckande frånvaron av ADA-Band på Eloise Gibletts stärkelsegel den potentiella effekten av serendipitösa upptäckter inom vetenskap och medicin och de oförutsedda belöningarna som kan uppstå från studien av patienter med sällsynta sjukdomar.