Et århundrede efter insulin blev opdaget, skimtes en fremtid uden indsprøjtninger

På trods af flere løfter om at helbrede type 1-diabetes, især i 1990'erne, har den eneste behandling for type 1 -diabetes i et århundrede været at injicere insulin hver dag i resten af personens liv. Den autoimmune sygdom, der ødelægger de insulinproducerende β-celler i bugspytkirtlen, er forblevet et mysterium. 

"Vi kan ikke gå tilbage til 1990'erne, som JDRF (Juvenile Research Diabetes Foundation, red) kaldte 'kurens årti'. Der er vi ikke endnu, men vi lærte en masse lektioner i 1990'erne. Nu går mange ting op i en højere enhed på grund af både ny viden og nye teknologier. Vi er på vej ind i en ny æra med optimisme inden for både forebyggelse og behandling, så der er en ægte forventning, og optimismen er stigende,” forklarer John Todd, der er professor i præcisionsmedicin ved University of Oxford.

Valg af videnskab

At studere diabetes var ikke på John Todds liste, da han begyndte sin karriere som biologistuderende ved Edinburgh University i slutningen af 1970'erne. Hans idé var at studere penicillinbindende proteiner i bakterier. Dette krævede et kendskab til to discipliner, der har fulgt ham siden disse allerførste videnskabelige undersøgelser.

"Jeg lærte to ting. Hvis du skal studere biologi, og al biologi er kompleks, skal du bruge genetik. Og så gik jeg til forelæsninger om immunologi, og jeg blev fascineret af det. Og det blev en immunologi-interesse, der har varet indtil i dag," siger han.

John Todd troede, at han kunne bruge penicillinbindende proteiner som biomarkører for bakteriel udvikling. Nogle bakterier udvikler sig fra stænger til sporer.

“Jeg besøgte biokemilaboratoriet hos David Ellar i Cambridge. Og jeg sagde: ’David, jeg har en idé, og jeg har et stipendium fra Nordirland.’ Han sagde: ’Det lyder interessant, kom til os,’” husker John Todd.

Ind i dueslaget

Det viste sig, at John Todds idé var rigtig. Hans arbejde resulterede i en artikel i Nature i 1982. Han ville lave mere genetik, ikke kun i forhold til bakterier, men også mennesker. Efter han i et år havde lært sig rekombinant DNA-teknologi på det berømte MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, var han klar til at erobre verden.

”Jeg ville kombinere menneskers genetik og immunologi. Der var kun ét førende laboratorium i verden, der virkelig gjorde det: Hugh McDevitts laboratorium ved Stanford University. Så jeg skrev til ham ud af det blå: ”Jeg er mikrobiolog, men jeg vil virkelig gerne arbejde med menneskers biologi, immunologi og genetik. Og han svarede ikke,” fortæller John Todd.

I stedet fik John Todd et tilbud fra et andet førende laboratorium: Leroy Hoods laboratorium ved California Institute of Technology.

”Den dag, jeg skulle acceptere Lee Hoods tilbud, gik jeg ned til mit dueslag i laboratoriet. Og der var en af ​​de her stribede konvolutter, man fik dengang – fra Hugh McDevitt. Og han skrev: 'Jeg ved ikke, hvorfor jeg giver et sådant tilbud til en skør mikrobiolog, men kom venligst.' Og derfor fik jeg et tilbud om at tage til Stanford og blev tildelt et EMBO-stipendium til at gennemføre en postdoc med Hugh,” erindrer John Todd.

En immunforbindelse

Opholdet på Stanford University ændrede John Todds liv, og der skete flere fantastiske ting. Polymerase Chain Reaction (PCR) blev opdaget og udviklet på dette tidspunkt – lige rundt om hjørnet fra, hvor John Todd arbejdede – en revolution, der kunne bruges til hurtigt at lave millioner eller milliarder af komplette eller delvise kopier af en specifik DNA-prøve.

”Jeg stod i centrum af det, fordi jeg kendte folkene i Cetus Corporation meget godt. Jeg fiskede ørreder i Californien med Randy Seiki, som virkelig perfektionerede PCR-teknologien. Han blev ved med at fortælle mig om den her mystiske metode, PCR. Jeg gik tilbage til laboratoriet, og jeg prøvede det i marts 1986. Mit første forsøg med PCR. Det var et Eureka-moment. Indtil da tog analysen af ​​menneskers genetik måneder,” forklarer John Todd.

På Stanford mødte John Todd også en ung canadisk forsker, John Bell. De bondede straks med den samme store energi, entusiasme og beslutsomhed og lavede fantastiske resultater inden for kort tid. Undersøgelsens emne var proteiner på T-lymfocytterne i det humane immunsystem, kodet af de såkaldte HLA klasse II-gener.

”Vi kunne nu sekvensere dem, gener fra patienter, i realtid ved hjælp af PCR, og det var aldrig blevet gjort før. Vi havde en hypotese om, hvordan man arvede de her meget stærke HLA-genforbindelser, og hvordan de kan relateres til forskellige sygdomme – den ene af dem type 1 -diabetes,” fortæller John Todd.

Der må være andre gener

De banebrydende resultater blev offentliggjort i 1987 – igen i Nature.

”Den nat i laboratoriet, da jeg gennemgik sekvenserne, bemærkede jeg sammenhængen mellem position 57 og modtagelighed og resistens over for udvikling af type 1 -diabetes. Jeg kunne næsten ikke tro det, og det første, jeg gjorde, var at gå hjem til min kone og sige: 'Jeg har opdaget noget, der kunne vise  sig at være virkelig, virkelig fantastisk,'" husker John Todd.

Forbindelsen mellem HLA klasse II-gener og type 1-diabetes giver mening, da det er en autoimmun sygdom, hvor T-lymfocytter ødelægger de insulinproducerende betaceller. På trods af denne indlysende forbindelse er mekanismen bag, hvordan position 57 påvirker type 1 -diabetes, forblevet et mysterium i mere end 30 år. Opdagelsen var imidlertid med til at kickstarte og guide John Todds karriere henimod at studere type 1 -diabetes.

Efter resultaterne kontaktede Peter Morris, chef for kirurgi ved Oxford University Hospitals, John Todd for at invitere ham til at komme tilbage til Oxford. Han fik et stipendium fra JDRF, og det gav ham en chance for at starte sit eget laboratorium på Kirurgisk Afdeling på John Radcliffe Hospital.

"Besøget på andre hospitaler fik mig også til at indse, at de fleste mennesker med type 1-diabetes er børn, men også integrationen mellem forskning og praksis på de her diabeteshospitaler motiverede mig virkelig til at gøre en forskel. Jeg tænkte, at hvis vi kunne finde ændringen i position 57 i HLA klasse II-gener, må der også være andre gener involveret," siger John Todd.

Dobbelt op

Ikke længe efter læste John Todd en tankevækkende artikel om genetisk bestemt diabetes hos ikke-overvægtige mus. Hovedforfatteren var Merck-forskeren Linda Wicker.

"Jeg greb telefonen og ringede til hende og sagde: 'Din artikel i Journal of Experimental Medicine er fascinerende. Skal vi ikke arbejde sammen og forstå genetikken i mus med type 1 -diabetes, for hvis vi kan gøre det, så kan vi forstå den hos mennesker,” husker John Todd.

De begyndte straks at planlægge deres første genetiske forsøg i Wicker's diabetiske musemodel. Og det førte til endnu en skelsættende Nature-artikel i 1991.

”Ikke alene kortlagde vi de største genetiske virkninger hos musene for autoimmun type 1-diabetes, men vi udviklede et landkort – en visuel oversigt over dem. Så der var dobbelt gevinst – både i metodeudvikling og i at bruge de nye metoder til at opdage vigtige ting,” siger John Todd.

I eksperimenterne opdagede de, at små fald i proteinet interleukin-2 (IL-2) henad vejen påvirkede type 1-diabetes hos mange mennesker. En meget lille forskel førte til betydelig resistens over for type 1 -diabetes.

”IL-2 havde godt nok været koblet til reguleration af T-cellers funktion og er et vigtigt molekyle for balancen i immunsystemet og for at forhindre autoimmune sygdomme. Så igen gav vores fund god mening i forbindelse med udviklingen af ​​type 1 -diabetes, men at en minimal ændring øgede beskyttelsen mod sygdom med 70–80 % i musemodellen, det var en overraskelse," fortæller Jon Todd.

En L-formet kurve

I begyndelsen af ​​1990'erne, da Human Genome Project var i gang, søgte John Todds tro følgesvend på Stanford, John Bell, med succes om støtte fra Wellcome Trust til at etablere Wellcome Center for Human Genetics. John Todd var – som det første af flere større succesrige genetiske projekter – med til at stifte centret. Senere fulgte skabelsen af den britiske biobank i 1999 og Wellcome Trust Case Control Consortium i 2003. 

Og i 2000 dannede JDRF og Wellcome et unikt partnerskab for at finansiere Todd-Wicker-laboratoriet i Cambridge, JDRF/Wellcome Diabetes and Inflammation Laboratory (DIL) for at kortlægge og forstå virkningerne af type 1-diabetesgener og videreføre de potentielle terapeutiske muligheder.

”Vi kortlagde mange, mange gener koblet til type 1-diabetes, og det er som en L-formet kurve. Der er meget få gener, der har en stor effekt, såsom HLA type II-generne; dem, der påvirker insulin og så IL-2, men så klinger det af ganske hurtigt, så de fleste gener har meget lille effekt. Selvom nogle af disse effekter er mindre, har generne givet stor indsigt i biologi af type 1 -diabetes, for eksempel i rollen som virusinfektioner og tarmbakterier i den tidlige udvikling af sygdommen,” forklarer John Todd.

Mange forskere sad stadig fast i tanken om den Mendelianske geneffekt, at et enkelt gen eller en enkelt mutation defineret en enkelt fænotype – en enkelt sygdom – men type 1-diabetes viste sig at være anderledes og mere kompleks.

"I begyndelsen forsøgte vi hele tiden at tro, at disse genetiske ændringer var fuldstændigt afgørende. Og vi blev ved med at kortlægge det, indtil vi indså, at type 1-diabetes er en polygen sygdom, så et enkelt af ​​sygdomsgenerne ikke er afgørende. Så du kan have en mutation, men det betyder ikke, at du er sikker på at få sygdommen, og du kan måske mangle nogle af mutationerne, men stadig få den," forklarer John Todd.

Type 1 -diabetes' polygeniske karakter forvirrede og forsinkede mange lovende forsøg på at helbrede lidelsen.

“Vi stoppede med at lave de her gen-associationsstudier ganske tidligt i vores laboratorium. Vi blev mere interesserede i biologien og i at få den oversat til det kliniske og besluttede at begynde at arbejde på de øverste gener med den største effekt ud fra devicen om, at generne med en større effekt i gennemsnit ville have en større indflydelse på biologien og derfor være 'lettere' at studere, selvom type 1 -diabetes aldrig var en let lidelse at studere,” fortæller John Todd.

Forsinker behovet for insulin

Da forskerne først havde accepteret, at de aldrig ville finde et enkelt gen og en enkelt mutation, der førte til type 1-diabetes, begyndte de at lede efter oplagte kandidater til at behandle sygdommen. Baseret på de identificerede mangler i IL-2-vejen, der disponerer for type 1-diabetes blandt mange mennesker, besluttede de at forsøge at efterligne effekten af ​​IL-2.

”Hvis vi meget forsigtigt fysiologisk kunne erstatte IL-2 ved injektion, kunne modtagelige mennesker måske stræbe efter at have en lignende sygdomsbeskyttende effekt. Vi foreslog at bruge aldesleukin– et rekombinant humant IL-2-lægemiddel – til at kompensere for IL-2-vejmangel som behandling for type 1-diabetes,” siger John Todd.

Diagnosen af ​​type 1 -diabetes blev traditionelt betragtet som udseendet af symptomer som vægttab, tørst og overdreven vandladning. Det er imidlertid blevet klart, at dette repræsenterer et meget sent stadium af sygdommen.

”På dette tidspunkt er masser af betacellefunktion og insulinproduktion allerede gået tabt. Med genetiske risikomarkører og tidlige markører for autoimmunitet, autoantistoffer mod insulin selv og mod andre ø-proteiner kan type 1-diabetes nu identificeres i en præklinisk presymptomatisk fase, hvor pancreas-betacellefunktion stadig er tilstrækkelig til at kontrollere blodglukosekoncentrationer uden behov for insulinbehandling. At bremse tabet af betacellefunktion forsinker behovet for tilsat insulin,” forklarer John Todd.

De to første kliniske forsøg med aldesleukin blev udført i Cambridge for at bestemme dosis og doseringsregime for mennesker med type 1 -diabetes.

”Vi kører det tredje forsøg med børn, der nyligt er diagnosticeret med type 1-diabetes. Jeg er meget begejstret og utålmodig for resultatet af dette forsøg, fordi resultaterne vil hjælpe med at implementere IL-2-terapi til børn og unge voksne, der har tegn på autoimmunitet, men endnu ikke er diagnosticeret med type 1-diabetes og dermed forhindre progression og diagnose af denne almindelige og alvorlige lidelse, der rammer over 1 ud af 400 børn om året,” siger John Todd.

Global platform til forebyggelse

I det sidste årti har ny forskning om kimen til og udviklingen af ​​type 1-diabetes ført til identifikation af stærke familiære og genetiske kombinationer og betacelle-specifikke autoantistoffer. Disse undersøgelser har afsløret, at disse autoantistoffer kan forekomme mange år før klinisk diagnose.

”Det første autoantistof, der vises, er mod insulin, med en maksimal forekomst omkring 1-årsalderen. 90 % af børn med en specifikt autoantistof udvikler sig ikke til type 1-diabetes, men ved tilstedeværelsen af ​​to eller flere autoantistoffer stiger risikoen til over 80 % af klinisk diagnosticeret type 1-diabetes efter 18-årsalderen,” siger John Todd.

Det var på den måde, ideen om oral tolerance opstod, så type 1 -diabetes kan stoppes, før det første autoantistof udvikler sig, som normalt er overfor insulin. I igangværende forsøg testes børn for 47 genændringer, der bestemmer risikoen for type 1-diabetes. Hvis det nyfødte barn er i højrisikokategorien, bliver deres familier spurgt, om deres børn vil deltage i forsøget.

”Vi giver derefter børnene daglig oral insulin over 3 år til at opbygge deres immuntolerance over for insulin. Mere end 1.000 børn fra fem lande har deltaget i forsøget, hvor familier deltager og spiser mad blandet med insulinpulveret, og resultaterne ser lovende ud, selvom forsøgene ikke er færdiggjort endnu,” forklarer John Todd.

Lidt som en vaccine

I et andet forsøg, der er i gang, undersøger forskerne brug af probiotika til forebyggelse af type 1-diabetes. Inspireret af et stigende antal undersøgelser, der forbinder tarmdysbiose med type 1 -diabetes, forsøger forskerne at give et probiotikum – bakterier med sundhedsfremmende effekter – til nyfødte babyer, der har stor risiko for type 1 -diabetes.

"Vi udviklede en interesse i 2017 for probiotika, og hvordan de påvirker immunsystemet, ledet af en ledende postdoc i laboratoriet, Marcin Pekalski. En studerende i laboratoriet, Arcadio Rubio García, opdagede, at gemt i det humane mikrobiom er en såkaldt mimotop af den centrale insulinsekvens, som kan tænkes at være en faktor i autoimmunitet og type 1-diabetes," fortæller John Todd.

En mimotop er et molekyle, der efterligner strukturen af det antigen, der normalt genkendes af immunsystemet.

”Vores nuværende teori er, at bakterierne, der indeholder disse mimotoper, er med til at udvikle vores tolerance mod type 1-diabetes. Bakterierne tænkes derfor at hjælpe med at etablere tolerance over for insulin og forhindre de tidligste trin i udviklingen af ​​sygdommen i de første dage og uger af livet,” forklarer John Todd.

Bakterier og babyer

John Todds gruppe har nu arbejdet på projektet i over 3 år sammen med Marcin Pekalski, der er ekspert i koblingen mellem geners og miljøets betydning for autoimmunitet. Sammen har de fundet flere  tegn på krydsreaktiviteten mellem flere af ​​disse mimotoper med insulins aminosyre-sekvens.

"De bakterier, der er så vigtige for en sund tarm i de første uger af livet, kræver sukker i modermælken til at metabolisere, vokse og etablere sig i børnenes tarmsystem. Da det i Storbritanien kun er 80 % af kvinderne, der begynder at amme, og det efter 24 uger kun er 1 % af dem, der stadig ammer, kan dette link vise sig at være en meget vigtig årsag til det stigende antal børn med type 1-diabetes,” vurderer John Todd.

Disse bakterier, kendt som commensals, producerer mange stoffer, når de vokser. Stoffer, der har ekstraordinære fordele for barnets immunsystem samt det endokrine og neurologiske system.

Forskerne håber med undersøgelserne at lære forstå mimotopernes rolle og forstå, hvordan tidlig tolerance påvirker babyens immunsystem, tolerancen over for den bakterielle mimotop og til sidst over for babyens eget insulin.

"Uden modermælk klarer disse bakterier sig ikke godt. Så hvis du ikke ammer, bør du måske tage et probiotikum i de første uger for at reducere risikoen for type 1 -diabetes. Især hvis du er genetisk udsat for type 1 -diabetes,” forklarer John Todd.

Position 57 revisited

Hvilke der er de bedste probiotiske bakterier; hvornår det er bedst at begynde tilskud til nyfødte babyer; hvordan man kompenserer på de bedste måder, når amning stoppes og påvirker HLA-generne, er endnu for tidligt at sige. Alligevel er John Todd er kommet langt siden sit første diabetesstudie i 1986 og opdagelsen af ​​position 57 i HLA-molekylet. Det studie, der hjalp ham med at starte sin karriere – og tallet, der stadig var et mysterium.

”Det mysterium har jeg funderet over hver dag i min karriere. Det er blevet en besættelse. Når jeg ser et husnummer, er det 57. Når ser på et ur, er klokken altid et eller med 57. Det er en psykologisk tilstand. Hvis du begynder at lede efter noget, finder du det,” siger John Todd.

Med de store fremskridt inden for sekventeringsteknologier i løbet af de sidste 4 år og omhyggelige kliniske prøver over mange år er forskerne faktisk nu begyndt at opklare mekanismerne bag mysteriet.

”Spørgsmålet var, hvordan aminosyren i position 57 beskytter mod type 1-diabetes. Og nu ser det ud til, at vi har svaret. En negativt ladet aminosyre i position 57 frastøder negativt ladede aminosyrer i den peptidbindende del af T-celle-receptoren og i insulin, så det ser ud til at være en simpel ladningsfrastødning, der medfører en reduktion i produktionen af ​​T-celler, der kan skabe autoimmuniteten over for insulin,” forklarer John Todd.

Så en enkelt ændring i den mystiske position 57 ændrer interaktionerne i T-celle receptorbindingen og insulin og bidrager dermed kritisk til denne ødelæggende autoimmune reaktion.

Fremtiden for forebyggelse af diabetes

Efter 35 års forskning er John Todd stadig lige fast besluttet på at lykkes med at behandle og forebygge type 1-diabetes og de livslange konsekvenser som blindhed, nyresvigt, neuropati og hjerte-kar-sygdomme. På trods af mange skuffelser føler han stadig, at forskningsmiljøet kommer tættere og tættere på at forstå genernes komplekse interaktion og miljøfaktorer, især i det første leveår.

”Vores gruppe har en unik tilgang til behandling og forebyggelse af type 1 -diabetes, fordi vi har til formål at forstå sygdommens genetik og de relevante patologiske mekanismer. Vi er derefter i stand til at behandle type 1-diabetes ved hjælp af lægemidler med en virkningsmekanisme, der er specifik for sygdomsmekanismen. Dette er vores personlige eller præcisionsmedicinske tilgang til type 1 -diabetes. Og vi er overbeviste om, at vi eller andre i sidste ende vil stoppe kroppens eget immunsystem fra at ødelægge cellerne i bugspytkirtlen, der producerer insulin," forklarer John Todd.

Om det er en af ​​John Todds egne igangværende forsøg eller et ledet af hans kolleger er mindre vigtig. Lige nu er det første ordinerede lægemiddel, siden insulin blev opdaget for 100 år siden, tæt på at bestå det sidste kliniske forsøg: et anti-CD3-antistof, der binder til overfladen af ​​T-celler og dermed undertrykker immunsystemet og forhåbentlig ødelæggelsen af ​​T-cellerne.

“Dette lægemiddel ser ud til at være i stand til at forhindre børn med autoantistoffer i at udvikle type 1-diabetes. Selvom vi ikke helt forstår mekanismen endnu, ser det ud til at have en meget betydelig effekt og kan sikre, at disse børn udvikler type 1-diabetes senere eller potentielt lever resten af ​​deres liv uden at skulle injicere insulin,” lyder vurderingen fra John Todd.