De queeste naar antivirale middelen tegen HTLV-1

Wereldwijd zijn vijf tot tien miljoen (!) mensen geïnfecteerd met het humaan 
T-lymphotroop virus type 1 (HTLV-1). Een aantal van deze mensen ontwikkelt op latere leeftijd een zeer agressieve T-cel leukemie of lijdt aan progressieve afbraak van het ruggenmerg met spasmes tot gevolg. Momenteel worden deze ziektes op verschillende manieren onder controle gehouden door de symptomen te verminderen. Echter, dit is geen duurzame oplossing door 1) de hoge kost van medicijnen voor patiënt en maatschappij en 2) het progressief verminderen van de levenskwaliteit van de patiënt. Eén mogelijkheid is nog niet uitgebreid onderzocht in de context van HTLV-1, namelijk het gebruik van antivirale middelen (AMs) die de voorplanting van het virus tegenwerken. Hierbij wordt de kans op het ontstaan van de ziektes na infectie teniet gedaan, doordat het virus in een heel erg vroeg stadium afgestopt wordt. Spoiler alert… Ja, er is een plaats voor AMs in HTLV-1 therapie maar de vraag blijft: “wanneer zijn ze het meest effectief?” Wij onderzochten of het mogelijk is om HTLV-1 specifieke antivirale middelen te ontwikkelen door de driedimensionale (3D) structuur van het doelwit te bepalen via cryo-elektron microscopie, een speciale variant van microscopie die elektronen gebruikt in plaats van licht.

Antivirale middelen to the rescue?

AMs kenden grote successen in de strijd tegen het humaan immunodeficiëntie virus type 1 (HIV-1), de oorzaak van de acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) epidemie tussen begin jaren 80 en midden jaren 90 van de vorige eeuw. Naar schatting heeft het gebruik van deze medicijnen tot 1.2 miljoen patiënten gered. Sterker nog, het gros van deze personen wordt ouder dan 60, iets wat voordien als onwaarschijnlijk werd aanschouwd. Verklaren dat deze medicijnen een grote impact hebben gehad op vele levens… is een understatement. 

"HIV-1 heeft een slecht, lang verloren neefje... en het is terug."

(Sun Xueling, 2018)

Ons onderzoek toont aan dat er grote overeenkomsten bestaan tussen het doelwit van de AMs in HIV-1 en HTLV-1. Dit doelwit is het reverse transcriptase (RT) proteïne dat cruciaal is voor de “voorplanting” van het virus. Het vormt het genetisch materiaal van het HTLV-1 virus (genomisch RNA) om naar een andere vorm (genomisch DNA) zodat dit kan ingebouwd worden in het genoom van de patiënt. Eens ingebouwd, is het voor altijd in het lichaam aanwezig, net zoals bij HIV-1. 

De overeenkomsten tussen HIV-1 RT en HTLV-1 RT beperken zich niet enkel tot het structurele, de 3D-vorm van het proteïne. Ze zijn ook terug te vinden in de functie die het uitoefent, welke en hoe dit gebeurt. Hierdoor bestaat de kans dat AMs die initieel ontworpen zijn tegen HIV-1 RT ook werkzaam zijn tegen HTLV-1 RT. Deze observatie is niet nieuw, want gelijkaardige bevindingen zijn reeds bekend voor, bijvoorbeeld, tenofovir. Dit middel werd in 1993 getest door Professor Eric De Clercq en zijn team in het Rega instituut in Leuven (inderdaad, in België!), en werd al snel het belangrijkste anti-HIV-1 AM in de wereld. Hedendaags wordt het ook gebruikt in therapie tegen chronische hepatitis B, wat wordt veroorzaakt door het hepatitis B virus (HBV). Het is dus niet vreemd om er van uit te gaan dat dit voor HTLV-1 ook waar kan zijn, omdat evolutionair HTLV-1 en HIV-1 dichter verwant zijn dan HIV-1 en HBV.

AMs hoeven niet alleen als therapeutisch (“behandelen”) middel gebruikt te worden. In regio’s waar het virus veel voorkomt, zogenaamde endemische regio’s, kan het preventief (“voorkomen”) voorgeschreven worden. Hierdoor ben je beschermd tegen infectie van het virus, nog voor je er werkelijk mee in contact komt. Daarbovenop kan aanzienlijk veel bespaard worden in medische uitgaven door mogelijke patiënten preventief te behandelen. Zo’n onderzoek bij HIV-1 toont aan dat het voorkomen van één HIV-1 infectie leidt tot een besparing van $314 822,22 (in 2024 US dollar), omgerekend €285 224,67 in medische kosten. Dit is ongeveer 114 keer de hoofdprijs van de Vlaamse Scriptieprijs! 

De fasen tijdens medicijnontwikkeling via cryo-elektron microscopie (gemaakt in BioRender).
 

Van microscopie naar medicinale chemie!

Om de 3D structuur van het HTLV-1 RT te kunnen bepalen, moeten voorafgaand enkele stappen doorlopen worden. Eerst wordt een deeltje genetisch materiaal dat de instructies bevat om het proteïne aan te maken bij bacteriën ingebracht. Deze bacterie heet Escherichia coli (E. coli), en is u wel bekend daar deze het grootste deel van uw dikke darm inneemt. Het helpt uw voedsel te verteren, verdedigt tegen bacteriële infectie en produceert vitamines. Deze bacterie wordt genetisch gemanipuleerd zodat het zonder grote problemen het genetisch materiaal met de instructies opneemt. Daarna kan het geactiveerd worden zodat de productie van het proteïne op gang komt. Hierna wordt het aangemaakte proteïne geïsoleerd en meermaals opgezuiverd zodat het eigenlijke staal niet meer vervuild is en enkel het proteïne bevat. Pas dan wordt het klaargemaakt om “foto’s” te nemen met een cryo-elektron microscoop. Hiervoor omhullen we het proteïne met een dun laagje ijs, vandaar het voorzetsel “cryo”, met de dikte van slecht één proteïne (minder dan 150 nanometer!). Daaropvolgend worden honderden “foto’s” genomen die dan kunnen herwerkt worden tot een finaal 3D model van het proteïne, hier HTLV-1 RT. 

"Cryo-EM brengt ongeëvenaarde inzichtsniveaus naar biomoleculair onderzoek!" 

(Dr. Paolo Swuec, 2019)

Met dit 3D model gaan we dan aan de slag om via gespecialiseerde software de compatibiliteit van bestaande AMs met het proteïne te testen. Verder kunnen we met het verkregen 3D model ook nieuwe AMs ontwikkelen die heel specifiek op het HTLV-1 RT kunnen inwerken. Eens deze computervoorspellingen aantonen dat enkele mogelijks kandidaat zijn om goed te werken tegen het virus, kunnen ze in het labo gemaakt en getest worden. Later volgen dan de klinische studies op mensen. 

Dus, wat onthouden we hieruit? 

Het gebruik van AMs kan in een preventieve en een therapeutische context een belangrijke rol opnemen. Hiervoor kunnen reeds bestaande AMs, zoals Tenofovir, maar ook nieuw ontwikkelde AMs gebruikt worden. Via cryo-elektron microscopie kan een 3D model verkregen worden waarmee al een eerste stap gezet wordt in de zoektocht naar effectieve en HTLV-1 specifieke medicatie. Deze geneesmiddelen zetten we dan in om de initiële infectie te voorkomen, maar ook HTLV-1 geassocieerde ziektes tegen gaan en de levenskwaliteit van de patiënt verbeteren.