Spinale Muskelatrophie (SMA)

Die spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine vererbbare Krankheit, die zu einem fortschreitenden Abbau der Skelettmuskulatur führt. Die Ursache dieses Muskelabbaus liegt im Absterben der motorischen Nervenzellen, deren Zellkörper sich im Rückenmark („spinal“) befinden. Je nach SMA-Typ kann die Krankheit mild verlaufen oder aber auch tödlich enden. Bis vor Kurzem erfolgte eine Behandlung überwiegend über Physiotherapie, jetzt gibt es neue Ansätze auf Basis der Gentherapie.

Genetische Ursachen und Behandlung der Spinalen Muskelatrophie

Neurophysiologische Ursachen der Spinalen Muskelatrophie

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Genetische Ursachen der Spinalen Muskelatrophie (SMA)

Patientinnen und Patienten, die an SMA leiden, erleben nach und nach den Verlust der Funktion ihrer Skelettmuskulatur. Der Zeitpunkt, ab dem die Krankheit SMA ausbricht, ist unterschiedlich, zumeist beginnt die Krankheit aber schon im Baby- oder Kleinkindalter. Je nach vorher erlernten Bewegungsmustern verlieren die Betroffenen die Fähigkeit zu gehen oder zu sprechen und bei schwerem Verlauf auch zu atmen. Alle Betroffenen können keine ausreichende Menge eines bestimmten Proteins, des SMN-Proteins, bilden. SMN steht für „survival motor neuron“ und gibt damit sehr gut die Bedeutung des Proteins wieder: Ohne dieses Protein sterben motorische Nervenzellen im Rückenmark, die -Motoneurone, ab. Die häufigste Ursache einer SMA ist die Deletion von Exon 7 im SMN1-Gen. Das SMN1-Gen, welches das aus 294 Aminosäuren bestehende SMN-Protein codiert, liegt auf Chromosom 5. Es enthält insgesamt neun Exons (1, 2a, 2b, 3, 4, 5, 6, 7, 8). Exon 7 umfasst 54 Nukleotide.

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Das SMN2-Gen als fast identische Genkopie

Neben dem SMN1-Gen besitzen alle Menschen eine zweite Variante des SMN-Gens auf Chromosom 5, nämlich das SMN2-Gen. Durch Duplikation kann das SMN2-Gen in unterschiedlicher Anzahl (eins bis sechs) vorkommen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1-Gen besitzen, ist die Existenz des SMN2-Gens von besonderer Bedeutung. Beide Varianten, das SMN1-Gen und das SMN2-Gen, stimmen zu über 99 % überein. Das vom SMN2-Gen codierte Protein ist jedoch überwiegend instabil und wird rasch abgebaut. Die Ursache dafür liegt in einer Mutation in Exon 7 des SMN2-Gens. Exon 7 umfasst die Nukleotidpositionen 868 bis 921.
Die Nukleotid-Sequenzen von Exons enthalten neben den Protein-codierenden Informationen gerade zu Beginn der Exonbereiche auch entscheidende Informationen für die Regulation des Spleißvorgangs im Zellkern.

Abb. 2.1: Ausschnitt aus Exon 7 des codogenen Strangs des SMN1- und des SMN2-Gens

Abb. 2.2: Expression des SMN2-Gens

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Typen der SMA

In Europa werden jedes Jahr ungefähr 550-600 Säuglinge mit SMA geboren. Der Verlauf der Erkrankung ist dabei sehr variabel. Abhängig vom Beginn der Erkrankung, von den erreichten motorischen Entwicklungsschritten und von der Schwere des Verlaufes werden drei SMA-Typen unterschieden, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind. Unbehandelt führt die schwerste Form bei 90 % der Fälle bis zum Alter von zwei Jahren zum Tod oder zur Notwendigkeit einer ständigen Beatmung. Bei der molekulargenetischen Untersuchung von zahlreichen an SMA erkrankten Personen wurde ein Zusammenhang zwischen der Anzahl der SMN2-Genkopien und dem Schweregrad der Erkrankung festgestellt.

Kriterien für die Einteilung der SMA

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Molekulargenetischer Nachweis der SMA

Mittlerweile ist es möglich, die Krankheit durch einen Gentest eindeutig zu diagnostizieren. Dazu reichen schon wenige Blutstropfen des Neugeborenen. Die daraus gewonnene DNA wird mittels PCR-Methode vervielfältigt und anschließend durch Gelelektrophorese analysiert. Die PCR führt zu Genabschnitten, die das Exon 7 einschließen und dann eine Größe von 200 Basenpaaren aufweisen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 SMN1-Gen aufweisen, wird dieser Genabschnitt nicht vervielfältigt. Eine Schwierigkeit im Fall der SMA-Diagnose liegt darin, dass das SMN2-Gen exakt die gleiche Länge wie das intakte SMN1-Gen besitzt. Durch die Mutation im SMN2-Gen ergibt sich jedoch eine weitere Schnittstelle für ein Restriktionsenzym. Bei der molekulargenetischen Untersuchung auf SMA bei vier verschiedenen Personen, die nicht aus einer Familie stammen, konnte durch ein spezielles Verfahren, bei dem auch das oben genannte Restriktionsenzym verwendet wurde, die jeweilige Menge der untersuchten DNA-Fragmente ermittelt werden. Nur Person 3 zeigt phänotypisch die Symptome der SMA.

Ergebnis der Gelelektrophorese bei der Untersuchung von vier Personen auf SMA

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Gentherapie bei SMA

Um ein Fortschreiten der potenziell tödlichen Krankheit aufzuhalten bzw. eine Verbesserung bereits bestehender Symptome zu erzielen, sind in den letzten Jahren Medikamente entwickelt worden, die auf gentherapeutischer Basis wirken. Zwei sowohl in den USA als auch in Europa zugelassene Gentherapeutika basieren auf unterschiedlichen Konzepten. Derzeit gibt es intensive Forschungen dazu, das Grundkonzept beider Methoden auch auf andere genetisch bedingte Erkrankungen zu übertragen.

A Gen-Therapie mit Antisense-Oligonukleotiden (ASO)

ASO sind künstlich hergestellte, kurze, einzelsträngige DNA- oder RNA-Abschnitte. Der Wirkstoff Nusinersen ist ein ASO mit einer Länge von 18 RNA-Nukleotiden, der an einen Proteinanteil gekoppelt ist. Mehrere Studien beweisen die Wirksamkeit des ASO Nusinersen sowohl bei Kleinkindern als auch bei Erwachsenen. 40 % der Patienten zeigten nach 14-monatiger Behandlung klinisch bedeutsame Verbesserungen ihrer Motorik. Schwerwiegende Nebenwirkungen wurden nicht beobachtet. Die Verabreichung des Wirkstoffs erfolgt durch Injektion direkt in den Rückenmarkskanal zu den Zellkörpern der -Motoneurone. Die Behandlung muss lebenslang alle vier Monate wiederholt werden und verursacht Kosten von ca. 300 000 € jährlich.

Abb. 5.1: Wirkmechanismus des ASO Nusinersen

B Gen-Therapie mit Zolgensma

Seit 1. Juli 2020 ist der Wirkstoff Onasemnogen-Abeparvovec (Zolgensma ) in Deutschland für die Behandlung von Babys und Kleinkindern erhältlich. Es konnte gezeigt werden, dass Zolgensma die Notwendigkeit einer künstlichen Beatmung bei Babys mit SMA verringert. 20 der 22 Babys, denen Zolgensma in einer Studie verabreicht wurde, waren nach 14 Monaten ohne permanentes Beatmungsgerät noch am Leben. Ohne Behandlung überlebt normalerweise nur ein Viertel der Patientinnen und Patienten ohne Beatmungsgerät. Das Gentherapeutikum zeigte weiterhin eine schnelle Verbesserung der motorischen Funktionen sowie die Möglichkeit, ohne Unterstützung sitzen (bei 50% der Patienten), krabbeln oder gehen zu können. Derartige motorische Fähigkeiten wurden bislang bei unbehandelten SMA-Typ-I-Patienten (schwerster Krankheitsverlauf) nie erreicht. Der Wirkstoff besteht im Wesentlichen aus einem intakten SMN1-Gen und verwendet ein nicht vermehrungsfähiges Adeno-assoziiertes Virus (AAV) als Vektor. Der Wirkstoff kann intravenös verabreicht werden. Eine einmalige Behandlung reicht für eine lebenslange Wirkung. Zolgensma gilt als teuerstes Medikament der Welt, mit etwa zwei Millionen Euro für eine einmalige Dosis. Der Hersteller des Medikaments begründet den Preis des Medikaments mit den enormen Entwicklungskosten.

Abb. 5.2: Wirkmechanismus von Zolgensma

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Zugang aller Menschen zu unverzichtbaren Medikamenten

„Gesundes Leben für alle“ ist eines der Ziele für nachhaltige Entwicklung, die die Vereinten Nationen 2016 formuliert haben. Dieses schließt ein, den Zugang aller Menschen zu unentbehrlichen Arzneimitteln sicherzustellen.
Unentbehrliche Arzneimittel sind nach der Definition der Weltgesundheitsorganisation (WHO) solche Arzneimittel, die benötigt werden, um die dringlichsten Bedürfnisse der Bevölkerung zur medizinischen Versorgung zu befriedigen. Sie sollen in einem Gesundheitssystem in adäquater Menge, richtiger Dosierungsform, guter Qualität und zu einem für den Patienten erschwinglichen Preis verfügbar sein. Dazu gehören neben Schmerzmitteln auch Wirkstoffe gegen die häufigsten Infektionskrankheiten, z. B. Antibiotika. Weiterhin sterben jährlich schätzungsweise 1,5 Millionen Kinder unter fünf Jahren weltweit an Krankheiten wie Masern, Diphtherie, Keuchhusten, Kinderlähmung und an weiteren der häufigsten Infektionskrankheiten, vor denen sie durch verfügbare Impfungen geschützt gewesen wären. Eine Dosis eines Kombinations-Impfstoffes, der vor fünf Infektionskrankheiten schützt, kostet beispielsweise weniger als 70 Cent. Dennoch hat gemäß einer Veröffentlichung der Weltbank ein Drittel der Weltbevölkerung keinen effektiven Zugang zu unentbehrlichen Arzneimitteln.

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Entwicklung von Axonen unter dem Einfluss des SMN-Proteins

Am Institut für Klinische Neurobiologie der Universität Würzburg untersuchte eine Forscherin die Rolle des SMN-Proteins für das Axonwachstum. Um den bei SMA-Patienten vom Typ I vorherrschenden Bedingungen möglichst nahe zu kommen, wurden alle Versuche an -Motoneuronen des Rückenmarks von Mäusen durchgeführt, bei denen homozygot das SMN1-Gen ausgeschaltet war und die im diploiden Chromosomensatz nur zwei Kopien des SMN2-Gens enthielten. Diese wurden Versuchen an Neuronen von homozygoten Mäusen mit unverändertem SMN1-Gen gegenübergestellt.

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Mikrofilamente, Nervenfunktion und SMN-Protein

Im Inneren jeder Zelle befindet sich das Zytoskelett. Es ist ein aus Proteinen aufgebautes Netzwerk im Zytoplasma jeder Zelle, das aus dünnen, fadenförmigen Zellstrukturen (Filamenten) besteht. Eine Klasse dieser Filamente, die Aktinfilamente, sind in Nervenzellen überwiegend aus dem Protein -Aktin aufgebaut. Diese Filamente sind beteiligt am Auswachsen und Verzweigen der Axone und an der Bildung und Aufrechterhaltung der Synapsen. Weiterhin sind sie wichtig bei der Transmitterfreisetzung.
Forschungen haben gezeigt, dass -Motoneurone, die synaptischen Kontakt zu einer Muskelzelle haben, vom Muskel mit sogenannten neurotrophen („den Nerv ernährenden“) Substanzen versorgt werden. Diese Substanzen können den Abbau von Nervenzellen verhindern.
Das Vorkommen von -Aktin wurde an Mäusen mit den Genotypen und (siehe Material 7) untersucht.

Abb. 8.1: Verteilung von -Aktin-Protein in -Motoneuronen

Ein weiterer Forschungsgegenstand ist die Beantwortung der Frage, wie die im Zellkern einer Nervenzelle gebildete mRNA bis zum Zielort der benötigten Proteine, beispielsweise an der motorischen Endplatte, transportiert wird. Forscher identifizierten in diesem Zusammenhang ein spezielles Transportprotein (RNP), das -Aktin-mRNA binden und transportieren kann. Die Verteilung des RNP-Transportproteins in Motoneuronen wurde in Abhängigkeit vom Genotyp untersucht. Ein weiterer Forschungsgegenstand ist die Beantwortung der Frage, wie die im Zellkern einer Nervenzelle gebildete mRNA bis zum Zielort der benötigten Proteine, beispielsweise an der motorischen Endplatte, transportiert wird. Forscher identifizierten in diesem Zusammenhang ein spezielles Transportprotein (RNP), das -Aktin-mRNA binden und transportieren kann. Die Verteilung des RNPTransportproteins in Motoneuronen wurde in Abhängigkeit vom Genotyp untersucht.

Abb. 8.2: Verteilung des RNP-Transportproteins in -Motoneuronen

Abb. 8.3: Funktionsmodell des SMN-RNP-mRNA-Komplexes

Das folgende Funktionsmodell zeigt die mögliche Interaktion der beteiligten Moleküle beim Transport der -Aktin-mRNA, dargestellt an einem Abschnitt eines Axons.

Code-Sonne der mRNA