Aperfeiçoamento de uma terapêutica bacteriana viva sintética para fenilcetonúria com biossensor

Nature Communications volume 12, Número do artigo: 6215 (2021) Citar este artigo

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Em pacientes com fenilcetonúria (PKU), um defeito genético na enzima fenilalanina hidroxilase (PAH) leva ao aumento da fenilalanina sistêmica (Phe), que pode resultar em comprometimento neurológico grave. Como tratamento para PKU, a cepa SYNB1618 de Escherichia coli Nissle (EcN) foi desenvolvida na plataforma Synthetic Biotic™ da Synlogic para degradar Phe de dentro do trato gastrointestinal (GI). Esta cepa manipulada em estágio clínico expressa a enzima metabolizadora de Phe fenilalanina amônia liase (PAL), catalisando a desaminação de Phe para o produto não tóxico trans-cinamato (TCA). No presente trabalho, geramos uma cepa de PKU baseada em EcN mais potente por meio da otimização da atividade de PAL de células inteiras, usando triagem de alto rendimento baseada em biossensor de bibliotecas de PAL mutantes. Um candidato a enzima principal desta tela é usado na construção de SYNB1934, uma cepa integrada cromossomicamente contendo os recursos adicionais de biossegurança e metabolização de Phe encontrados em SYNB1618. Frente a frente, SYNB1934 demonstra um aumento aproximado de duas vezes na atividade PAL in vivo em comparação com SYNB1618.

A doença metabólica fenilcetonúria (PKU) é caracterizada pela ausência ou interrupção da função da enzima fenilalanina hidroxilase (PAH). Pacientes com PKU são incapazes de metabolizar o aminoácido fenilalanina (Phe), resultando em seu acúmulo sistêmico. Níveis elevados de Phe podem levar a complicações neurológicas graves e incapacidade se não forem tratados. Felizmente, a PKU é diagnosticada por meio da triagem neonatal há mais de 50 anos e, se a doença for detectada e tratada nas primeiras semanas de vida, as incapacidades graves podem ser mitigadas1.

Como a Phe é um aminoácido essencial, sua ingestão pelos pacientes pode ser controlada por meio da restrição dietética de proteínas; no entanto, muitos pacientes não conseguem alcançar adesão duradoura devido à natureza rigorosa da dieta. De fato, a interrupção da dieta PKU na idade adulta tem sido associada a uma redução acentuada na função executiva e transtorno depressivo maior2,3. Além de controlar a ingestão de Phe por meio do manejo dietético, existem duas opções de tratamento farmacológico aprovadas. Uma dessas opções, o dicloridrato de sapropterina (KUVAN, BioMarin Pharmaceutical), é um ativador de PAH para pacientes com PKU responsiva à tetrahidrobiopterina (BH4). A sapropterina é um análogo de BH4 que fornece cofator adicional e/ou promove o enovelamento produtivo da enzima PAH mutante. No entanto, devido ao seu mecanismo, a sapropterina só é eficaz no subconjunto de pacientes com PKU que apresentam atividade residual de HAP, que é estimado em aproximadamente um terço da população de PKU4,5. Mesmo em pacientes responsivos a BH4, a sapropterina raramente é empregada como terapia única e deve ser combinada com o manejo dietético paralelo6. A outra opção de tratamento, Pegvaliase (Palynziq, BioMarin Pharmaceutical), consiste em uma enzima degradadora de Phe peguilada injetada sistemicamente, fenilalanina amônia liase (PAL). No entanto, esta terapia tem sido associada a relatos de reações adversas imunomediadas graves e anafilaxia7,8. Permanece a necessidade de opções seguras de tratamento terapêutico administrado por via oral para pacientes com PKU que atendam às necessidades de toda a população de pacientes, independentemente da idade ou antecedentes genéticos.

Tem havido um interesse recente significativo na aplicação da biologia sintética para o projeto e engenharia de organismos probióticos que podem exercer funções terapêuticas de dentro do trato gastrointestinal (GI)9. Relatamos anteriormente a construção e caracterização do produto bioterapêutico vivo (LBP) SYNB1618 para o tratamento de PKU10. Esta cepa geneticamente modificada de Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) expressa enzimas, incluindo PAL (StlA) de Photorhabdus luminescens e l-aminoácido desaminase (LAAD) de Proteus mirabilis11, destinadas a degradar Phe dietético e enterrorecirculante em metabólitos não tóxicos dentro do trato GI (ácido cinâmico12,13 e fenilpiruvato14, respectivamente). Foi relatado que o SYNB1618 reduz significativamente o Phe plasmático em camundongos Pahenu2/enu2 (um modelo de camundongo de PKU), bem como evita significativamente um pico no Phe plasmático em primatas não humanos (NHPs) saudáveis ​​aos quais foi administrado um bolus de proteína10. O SYNB1618 foi avaliado em um primeiro estudo randomizado, controlado por placebo em voluntários saudáveis ​​e pacientes com PKU, onde a cepa foi considerada segura e bem tolerada, com aumentos responsivos à dose nos metabólitos Phe específicos do SYNB1618 no plasma e urina15.