Hintergrund

Die Behandlung der Alzheimer-Erkrankung (Alzheimer’s disease, AD) ist derzeit rein symptomatisch und beruht darauf, die Übertragung von Nervenbotenstoffen zu steigern, die für die Gedächtnisleistung wichtig sind, so wie Acetylcholin oder Glutamat für die exzitatorische Erregung der Nervenzellen. Gängige Medikamente sind sog. Cholinesterasehemmer wie Donepezil, Galantamin und Rivastigmin oder der N‑Methyl-D-Aspartat(NMDA)-Rezeptor-Blocker Memantin, wobei alle Behandlungen laut Leitlinien erst dann eingesetzt werden sollen, wenn die Diagnose einer Alzheimer-Krankheit gestellt wurde, d. h., wenn die Erkrankung bereits in einem leichten bis moderat schweren Stadium vorliegt [8, 17]. Der Anspruch neuer Therapieentwicklungen muss dagegen sein, an den Ursachen der Erkrankung anzusetzen. Allerdings ist die Entstehung der Alzheimer-Krankheit komplex und bisher nur teilweise geklärt. Ein Ansatzpunkt bei sporadischer AD sind die Alzheimer-typischen Proteinablagerungen. Bei genetischen Formen der AD liegt eine spezifische Korrektur bzw. Kompensation des Gendefektes als kausaler Therapieansatz nahe.

Pathologie der Alzheimer-Krankheit

Die Alzheimer-Krankheit führt zu einem progredienten Gedächtnisverlust, der vor allem mit dem Verlust der Exekutivfunktion einhergeht. Dies führt zu einer starken Einschränkung der Alltagsfunktionen und zur Pflegebedürftigkeit. Pathologisch kommt es bei der Alzheimer-Krankheit zur Hyperphosphorylierung von Protein Tau und intrazellulärer Fibrillenbildung, den sog. neurofibrillären Tangles, die zu einer fortschreitenden Degeneration von Nervenzellen führen. Neuropathologisch lässt sich die Alzheimer-Krankheit je nach Ausbreitung der neurofibrillären Tangles in verschiedene Stadien einteilen, die topgraphisch und zeitlich mit dem Auftreten der entsprechenden kognitiven Defizite korrelieren [2].

Hinzu kommen extrazelluläre Amyloid-β-Ablagerungen. Diese entstehen durch alternative proteolytische Abbauprozesse des Amyloidvorläuferproteins durch β‑ und γ‑Sekretasen, wodurch es zu einem Missverhältnis zwischen löslichem α‑geschnittenen Amyloidvorläuferprotein und Amyloid-β kommt. Letzteres wird nun vermehrt gebildet, was zur Entstehung extrazellulärer Amyloidfibrillen führt. Vor allem Aβ1–42-Fragmente neigen im Gegensatz zu weniger toxischen Aβ1–40-Fragmenten zur Aggregatbildung. Es gibt eine ausreichende Evidenz, dass Amyloid-β neurotoxisch ist und negativen Einfluss auf die Tauopathie hat [27]. Dafür spricht auch, dass bisher alle Mutationen, die zur Entwicklung einer familiären Alzheimer-Krankheit führen, den Amyloid-β-Metabolismus beeinflussen. Jedoch ist die monogen, autosomal-dominante vererbte Alzheimer-Krankheit selten. Sie tritt nur in <1 % der Fälle auf und manifestiert sich meist vor dem 65. Lebensjahr („early-onset“), während die meisten Fälle der Alzheimer-Krankheit multifaktoriell bedingt sind und nach dem 65. Lebensjahr auftreten („late-onset“).

Antikörpertherapie

Ausgehend von der Hypothese, dass Amyloid-β-Aggregate das primäre neurotoxische Agens sind, zielten sog. Immunisierungsstudien darauf ab, das Amyloid-β mittels gegen physiologisch und pathologisch veränderte Amyloid-β-Formen gerichteter monoklonaler Antikörper zu neutralisieren, wodurch dieses abgebaut wird. [9, 24, 25]. Phase-III-Antikörperstudien gegen Amyloid-β im Stadium der mainfesten Demenz haben bisher nicht zum erwünschten Erfolg, nämlich einer Verbesserung der kognitiven Leistung geführt, weshalb deren Wirksamkeit hinterfragt wurde. Auch die jüngste Studie wurde aufgrund einer negativen Interimsanalyse und mangelnder Erfolgsaussicht nicht fortgeführt, jedoch konnten die eingeschlossenen Patienten die Einnahme des Studienpräparates auf freiwilliger Basis im Rahmen einer Open-label-Studie fortführen. Eine kürzlich vorgestellte Auswertung auf Basis der hinzugekommenen Datenpunkte bescheinigt der höchsten Dosis des Präparats nun doch einen geringen Einfluss auf den kognitiven Status [1].

Angesichts der insgesamt dennoch ernüchternden Ergebnisse der Immunisierungsstudien wird nun insbesondere diskutiert, ob sich die ursprünglich von der Amyloid-β-Proteinopathie ausgehende pathophysiologische Kaskade (u. a. die Tauopathie) im moderat schweren Stadium der Alzheimer-Krankheit bereits zu weit von der Amyloid-β-Pathologie entkoppelt hat, als dass eine Neutralisierung von Amyloid-β noch einen relevanten Einfluss auf die weitere Krankheitsprogression hätte [12]. Daher werden die Folgestudien nun einerseits bei Patienten in früheren Krankheitsphasen und andererseits mit höheren Dosierungen und längerer Studiendauer durchgeführt.

Aktuelle Studien untersuchen die Wirkung von Tau-Antikörpern bei MCI und leichter AD

Da die Ausbreitung der Tauopathie bei AD besser mit der Neurodegeneration zu korrelieren scheint als die Amyloid-β-Proteinopathie [2], ruhen die Hoffnungen nun auf den Tau-Antikörpern. Diese werden aktuell – entweder im Rahmen einer aktiven oder passiven Immunisierung – in klinischen Phase-II-Studien bei Patienten mit „mild cognitive impairment“ (MCI) und leichter Alzheimer-Demenz untersucht (AbbVie C2N-8E12, BIIB092, RO7105705, Axon: NCT02579252; [20, 21]).

Genspezifische Therapieansätze

Auch bei der AD-Forschung werden Therapieansätze entwickelt, die genspezifisch auf die Korrektur oder die Kompensation zugrunde liegender Genveränderungen oder Pathomechanismen abzielen.

APP

Bereits 1987 wurde herausgefunden, dass das Amyloid-Precursor-Protein (APP)-Gen auf dem Chromosom 21 lokalisiert ist. [15, 28]. Dies erklärte, warum Trisomie-21-Patienten früh an einer Demenz erkranken, da durch das doppelte Vorkommen von APP mehr Amyloid-β produziert wird und es zur Akkumulation von neurotoxischem Amyloid-β kommt. Später wurden Mutationen im APP-Gen beschrieben, die zu einer familiären Alzheimer-Krankheit führen [4]. Derzeit sind 39 Mutationen bekannt, die sich auf die vermehrte durch β‑ and γ‑Sekretasen-vermittelte Bildung von APP und Amyloid-β auswirken und damit ähnlich der Trisomie 21 zu erhöhten Mengen an Amyloid-β führen.

Wie wichtig das APP-Gen für die Alzheimer-Krankheit ist, konnte anhand der isländischen Bevölkerung gezeigt werden, wo eine protektive Variante im APP-Gen gefunden wurde, die die abnorme Proteolyse von APP verhindert, wodurch weniger Aβ1–40- und Aβ1–42-Fragmente gebildet werden [14]. Zudem ist bekannt, dass das Ausmaß an Amyloid‑β, Aβ1–40 und Aβ1–42 negativ mit der Gedächtnisleistung korreliert und dass dies unabhängig von den neurofibrillären Tangles ist [18]. Folglich wurden ASOs entwickelt, die gegen die Amyloid-β-Region der APP-RNA gerichtet sind und RNAse-H-vermittelt zu deren Abbau führen, wodurch weniger Amyloid-β entsteht (Abb. 1A).

Durch ein spezielles ASO kann das C‑terminale amyloidogene APP reduziert werden

Mehrere solcher ASOs wurden präklinisch im SAMP8 („senescence-accelerated prone mouse“) -Mausmodell getestet. Bei diesen Mäusen kommt es infolge einer vermehrten Produktion von APP und Amyloid-β zu einer frühzeitigen Alterung mit Gedächtnisdefiziten. Dabei führte nur ein ASO, das spezifisch gegen die Amyloid-β-Region von APP (Aminosäuren 17–30) gerichtet war, nach mehrfacher intrathekaler Verabreichung zu einer Verbesserung der Gedächtnisleistung [16]. Nachweislich reduzierte das ASO das C‑terminale amyloidogene APP, während das N‑terminale Ende von APP, gemessen mit einem APP-Antikörper gegen die Aminosäuren 8–17 gerichtet, unverändert vorlag. Da die Aβ1–40- und Aβ1–42-Fragmente aus dem C‑terminalen Ende von APP hervorgehen, könnte dieser Ansatz vielversprechend sein, um eine Amyloid-β-spezifische Reduktion von APP zu erreichen. Da das N‑terminale Ende unverändert blieb, sind Off-target-Effekte innerhalb von APP eher nicht zu erwarten.

In einer Folgestudie wurde der Befund mit einer intravenösen Applikation bestätigt, sodass eine Überschreitung der Blut-Hirn-Schranke und aktive intrazelluläre Aufnahme angenommen werden kann. In dieser Studie wurde gezeigt, dass Amyloid-β-spezifisches APP um 30 % reduziert wurde, allerdings ergaben sich unveränderte Werte für Aβ1–40, während Aβ1–42 nicht gemessen wurde. Zusätzlich konnte in dieser Studie ein Effekt des ASO auf den Amyloid-β-Transporter LRP‑1 gezeigt werden, der für die Endozytose und intrazelluläre Prozessierung zu Amyloid-β verantwortlich ist und dessen Konzentration unter ASO-Applikation abnahm [10].

Dasselbe ASO wurde in transgenen APP-Mäusen (Tg2576) getestet, die durch eine Mutation im APP-Gen an Alzheimer erkranken. Hier wurde gezeigt, dass es zur vermehrten Bildung von löslichem Aβ1–40 und zu einer Verbesserung der Gedächtnisleistung auch nach intravenöser Applikation kam [11]. Weiterhin wurde eine Reduktion neuroinflammatorischer Marker gemessen, was neben einem positiven Behandlungseffekt auch für die Sicherheit des ASO relevant ist, deren chemische Struktur proinflammatorische Auswirkungen haben kann.

Abb. 1
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Antisense-Oligonukleotide(ASO)-basierte Therapiestrategien bei Alzheimer-Krankheit und Tauopathien. (A) Bindung des ASO an die Ziel-mRNA führt zum RNAse-H-vermittelten Abbau der Ziel-mRNA. (B) Bindung des ASO an die Ziel-RNA führt zur Exklusion (Skipping) eines Exons und zur vermehrten Translation einer (verkürzten) Isoform des Proteins

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Eine weitere ASO-Strategie ist die Modulierung von Spleißvorgängen. Das Spleißen ermöglicht, dass aus demselben genetischen Code verschiedene Proteinisoformen entstehen. Durch die Aktivierung von Verstärker- oder Unterdrückerregionen wird das Spleißen von Exonabschnitten der Prä-mRNA moduliert und entsprechend reife mRNA gebildet, die dann die jeweiligen Proteinisoformen kodiert. Kommt es durch ein ASO zur kompetitiven Bindung an einer Verstärkerregionen, kann das Spleißen eines Exons unterdrückt werden (Exon-Skipping) und somit die Translation einer spezifischen Proteinregion gehemmt werden.

Dieser Mechanismus wurde genutzt, um das Exon 17 aus der mRNA von APP auszuschließen und eine verkürzte APP-Variante herzustellen [3]. Durch die fehlende Exon-17-Region kann APP nicht durch die γ‑Sekretase geschnitten werden, wodurch auch die Bildung von Amyloid-β (Aβ1–42) verhindert wird. Diese ASOs werden „splice-switching antisense oligonucleotide“ (SSO) genannt und es konnte in einem ersten Tiermodell gezeigt werden, dass die Entstehung von Aβ1–42 so wirksam reduziert werden kann (Abb. 1B).

MAPT

Der Hauptbestandteil der neurofibrillären Tangles bei der AD ist hyperphosphoryliertes und aggregiertes Protein Tau. Die Ausprägung der Demenz hängt stark von der Last der neurofibrillären Tangles ab [19]. Zudem weisen AD-Patienten pathologisch erhöhte Tau-Werte im Liquor auf. Protein Tau wird von dem Mikrotubuliassoziierten-Protein-Tau-Gen (MAPT) auf Chromosom 17 kodiert. Mehr als 30 Mutationen im MAPT-Gen führen zu einer der AD ähnlichen Tauopathie. MAPT-Mutationen rufen in aller Regel eine frontotemporale Demenz hervor, lediglich die p.R406W-Mutation wurde auch in Familien mit Alzheimer-Krankheit beschrieben [23]. Ein weiteres Indiz für die Relevanz der Tauopathie bei der AD ist die Beobachtung, dass ein MAPT-KO („knock-out“) im APP-Mausmodell eine Abschwächung der klinischen Symptomatik bewirkt [22].

Vor diesem Hintergrund wurden ASO-basierte Therapieansätze entwickelt, die auf eine Expressionsreduktion des Tau-Proteins abzielen. Präklinisch wurden ASOs entwickelt, die in Mäusen mit Expression eines humanen, mutierten MAPT-Gens (P301S-Tau) selektiv an die humane Tau-mRNA binden, welche RNAse-H-vermittelt abgebaut wird, wodurch weniger humanes Tau-Protein entsteht (Abb. 1A). Nach intrathekaler Gabe des ASO kam es in P301S-Tau-mutanten Mäuse zu einer verminderten Bildung neuer Tau-Einschlüsse sowie deren Propagation, einem Rückgang der bereits vorhandenen Tau-Pathologie sowie zur Abnahme der Neurodegeneration im Hippokampus und zu einer Verlängerung des Überlebens. Auch in nichthumanen Primaten bewirkte das ASO nach intrathekaler Verabreichung eine Reduktion der Tau-Expression im Gehirn, Rückenmark und Liquor [7].

Aufgrund dieser vielversprechenden Daten testet Ionis Pharamceuticals Inc. aktuell ein entsprechendes ASO (BIIB080, ISIS 814907; IONIS-MAPTRx) in einer klinischen Phase-I/II-Studie (NCT03186989) bei frühsymptomatischen Alzheimer-Patienten. Es gibt bisher keine Zwischenergebnisse der Studie, das Studienende wird auf Anfang 2020 veranschlagt.

Mithilfe von Exon-Skipping kann die Expression von 4R-Tau verringert werden

Ein alternativer Ansatz, die Tau-Pathologie mithilfe der ASO-Technologie abzumildern, besteht darin, das Spleißen der Tau-Prä-mRNA in verschiedene Proteinisoformen zu beeinflussen. Je nachdem, ob das Exon 10 des Proteins Tau abgeschrieben wird, kommt es zur Produktion von Drei- oder Vier-Repeat-Tau (3R- und 4R-Tau). Normalerweise werden 3R-Tau und 4R-Tau zu gleichen Anteilen exprimiert, während es bei sporadischen Tauopathien wie der frontotemporalen Demenz mit Parkinsonismus oder progressiver supranukleärer Blickparese (PSP) zu einer erhöhten Expression von 4R-Tau kommt, das als besonders toxisch gilt. Die N279K-Spleißmutation in Exon 10 des MAPT-Gens führt zu einer 4R-Tau-Überexpression (FTDP-17). Schoch et al. entwickelten ein ASO, das durch Exon-Skipping einen Ausschluss von Exon 10 aus der fertigen mRNA bewirkt und nach intrathekaler Applikation die Expression von 4R-Tau im Zentralnervensystem (ZNS) von N279K-Tau-mutanten Mäusen stabil verringert, ohne dabei die Gesamtlevel von Tau zu beeinflussen, was in der Langzeittherapie den aus einer Tau-Insuffizienz resultierenden Nebenwirkungen vorbeugen würde ([26]; Abb. 1B). Es ist daher zu erwarten, dass diese ASO-Strategie („4R to 3R splicing“) zeitnah bei Patienten mit diversen Tauopathien in klinischen Studien getestet wird.

Insgesamt stellt die Abmilderung der Tau-Pathologie somit nicht nur für die AD, sondern auch für andere Tauopathien wie der kortikobasalen Degeneration, der progressiven supranukleären Blickparese, der Silberkornkrankheit und der frontotemporalen Demenz einen vielversprechenden Therapieansatz dar.

APOE ε4

Ein weiterer vielversprechender therapeutischer Ansatzpunkt ist das APOE-ε4-Gen, der häufigste Risikofaktor der Late-onset-Alzheimer-Krankheit. ApolipoproteinE kodiert ein Glykoprotein, das für den Transport von Cholesterin und anderen Lipiden wichtig ist und maßgeblich an Nervenwachstum und -regeneration beteiligt ist. Es bestehen drei APOE-Allelvarianten, nämlich APOE ɛ2, ɛ3 und ɛ4, die für ApoE2, ApoE3 und ApoE4 kodieren. Heterozygote APOE-ɛ4-Träger haben ein bis zu 3‑fach erhöhtes Risiko an Early-onset- oder Late-onset-Alzheimer-Krankheit zu erkranken, während homozygote APOE-ɛ4-Träger ein bis zu 15-fach erhöhtes Risiko haben [5].

Durch Hemmung des Spleißens von Exon 19 behält ApoER2 seine volle Länge

ApoE wirkt sich negativ auf den Abbau von Amyloid-β aus und führt zur vermehrten Bildung von Amyloid-β aus APP [6]. Unter anderem ist der ApolipoproteinE-Rezeptor 2 (ApoER2) für diesen Mechanismus verantwortlich, der bei der Alzheimer-Krankheit hauptsächlich in einer verkürzten Isoform vorliegt, die durch alternatives Spleißen am Exon19 entsteht. ApoER2 ist für die synaptische Übertragung und Langzeitpotenzierung wichtig, während die verkürzte Isoform einen negativen Effekt auf die zelluläre Aktivierung und Amyloidpathologie hat. Daher wurden ASO-Therapien untersucht, die an ApoER2-Sequenzen binden, die indirekt über SRSF1 („serine/arginine-rich splicing factor 1“) das Spleißen von Exon 19 hemmen und zur vermehrten Bildung von ApoER2 in seiner vollen Länge führen und damit dessen normale Rezeptorfunktion und Signalübertragung erhalten ([13]; Abb. 1B). In einer präklinischen Studie konnte gezeigt werden, dass dies zur Verbesserung der synaptischen Funktion und kognitiven Leistung von APP-transgenen Mäusen führte. Dies hätte weitreichende Folgen da ApoE ε4 die höchste Prävalenz als Risikofaktor für die Alzheimer-Krankheit hat und bis zu 40–65 % der Patienten Apo-ɛ4-Träger sind.

Fazit für die Praxis

  • Auf die Reduktion der Amyloid-β- und der Tau-Pathologie abzielende Antisense-Oligonukleotide(ASO)-Strategien stellen vielversprechende Ansätze für die Behandlung genetisch bedingter, aber auch sporadischer Alzheimer-Krankheit(AD)-Formen und Tauopathien dar.

  • Angesichts der ernüchternden Ergebnisse der gegen Amyloid-β gerichteten Immunisierungstherapien stellt sich grundsätzlich die Frage, ob die Amyloid-β-Pathologie im Stadium der manifesten Demenz das beste therapeutische Target ist.

  • Die erste genspezifische ASO-Therapie bei AD hat die Reduktion der Tau-Pathologie zum Ziel und befindet sich aktuell in Phase I/II der klinischen Testung.