Tratando a acondroplasia: o CNP no centro das atenções

Extra, Extra!

Há tantas notícias recentemente publicadas sobre o peptídeo natriurético do tipo C (CNP) para a acondroplasia e outras desordens ósseas que está difícil escolher por onde começar.

Mas, espere um minuto...

Eu sei, eu sei, tudo o que queremos falar é sobre o CNP. Mas seja paciente, pois creio que um pouco de informação básica antes pode facilitar a compreensão sobre o CNP, o receptor do fator de crescimento de fibroblastos 3 (FGFR3) e a acondroplasia e como botar todas as novas informações em contexto. Então, vamos começar com uma breve revisão de como os ossos crescem.

Como os ossos crescem

Como os dezessete leitores deste blog sabem, o crescimento ósseo é um processo longo, estruturado e muito complexo que ocorre durante o desenvolvimento de uma criança até a idade adulta. Influenciado por dezenas de agentes locais e sistêmicos, o processo de crescimento ósseo pode ser visto como uma sinfonia de Mozart, onde muitos instrumentos diferentes atuam juntos em perfeita harmonia para criar uma arte maravilhosa. Se você parasse para pensar sobre isso, o que está em jogo e como ele é alcançado, você concluiria que é um milagre natural. Cada jogador no processo de crescimento trabalha em sintonia fina para alcançar o que está planejado em nosso DNA.

Nossos ossos longos crescem a partir de camadas finas de cartilagem localizadas em suas extremidades chamadas placas de crescimento. Dentro das placas de crescimento, os condrócitos, as células mestras do crescimento ósseo, "despertam" de um estado dormente, iniciam um frenesi proliferativo, tornam-se muito aumentados e, no final de seu ciclo de vida, dão lugar aos osteoblastos, células construtoras dos ossos (Figura 1) (1). Como dito acima, este processo é regulado por muitos agentes locais e sistêmicos. Quando eles não estão em equilíbrio, o processo normal é comprometido, levando a um crescimento atrofiado ou excessivo.

Figura 1. Placa de crescimento.

O que acontece na acondroplasia?

Na acondroplasia, o FGFR3, um dos agentes locais que regulam como os condrócitos despertam, proliferam e crescem, está trabalhando demais devido a uma mutação em sua estrutura (2,3). Uma vez que a ação normal do FGFR3 é a de reduzir o ritmo de proliferação e hipertrofia (crescimento) dos condrócitos, quando está trabalhando excessivamente, os condrócitos simplesmente param suas funções normais e o crescimento ósseo é severamente comprometido.

O FGFR3 é o que é chamado de uma enzima receptora. Ele fica atravessado na membrana celular dos condrócitos, exatamente como uma antena no topo do telhado da casa (Figura 2). Enquanto uma antena de TV captura sinais de TV para entregá-los em nossas TVs dentro de casa, o FGFR3 transmite mensagens químicas fornecidas pelos FGFs de fora da célula para o núcleo da célula.

Basicamente, quando um FGF se liga à parte do FGFR3 que está fora da célula, ele ativa ("liga") o FGFR3 iniciando uma série de reações químicas que consistem em uma enzima ativando a vizinha e esta a seguinte como em uma cadeia de dominós, até a última, que entra no núcleo da célula (Figura 3). Dentro do núcleo da célula, esta última enzima ativará agentes locais que desencadearão (ou interromperão) a produção de proteínas a partir do DNA, cada uma delas com funções distintas. Nos condrócitos, os sinais provenientes do FGFR3 "dizem" ao núcleo da célula para interromper as atividades de multiplicação celular. Se os condrócitos param de se multiplicar, o crescimento ósseo fica comprometido (2,3).

Figura 2. O FGFR3 é como uma antena no telhado da casa, captando sinais de fora da célula e entregando-os ao núcleo da célula.

Figura 3. Vias de sinalização do FGFR3.

De Su N et al. Bone Res 2014; 2: 14003. Reproduzido aqui apenas para fins educativos.

Como você pode ver na Figura 3, a ativação do FGFR3 aciona várias cascatas enzimáticas (as vias sinalizadoras). A cascata MAPK (para Proteína Quinase Ativada por Mitógeno) é a mais importante para nós no contexto do CNP. A cascata MAPK consiste nas enzimas RAS, RAF, MEK e ERK (à direita na Figura 3) (3). A enzima ERK é a que alcança o núcleo da célula.

Vários estudos estabeleceram que, sob a ativação do FGFR3, a MAPK é especialmente responsável por regular o aumento dos condrócitos (hipertrofia, ver Figura 1) (2,3). A zona hipertrófica parece ser a camada mais importante na placa de crescimento em relação ao crescimento ósseo. Sob a superativação do FGFR3 na acondroplasia, há menos condrócitos proliferando e aumentando e é aqui que o CNP tem um importante papel. Vamos ver como isso funciona.

CNP e FGFR3

O CNP é produzido dentro da placa de crescimento e funciona como um promotor de crescimento ósseo, logo tem um efeito oposto ao FGFR3. Quando liberado, esse pequeno peptídeo se liga ao seu receptor na membrana celular dos condrócitos (da mesma forma que o FGF se liga ao FGFR3) e ativa  uma via química dentro dos condrócitos que inibe a MAPK ao nível da enzima RAF (Figura 4) (2). Você consegue ver o ponto? O CNP trabalha naturalmente reduzindo a atividade da via FGFR3.

Figura 4. Interseção das vias do FGFR3 e CNP.

De Klag KA e Horton WA. Hum Mol Gen 2016; 25: R2-R8. Reproduzida aqui apenas para fins educativos.

CNP e crescimento ósseo

Mutações de perda de função no gene do CNP ou no receptor do CNP (chamado NPRB), que prejudicam sua função normal, causam uma displasia óssea genética muito rara chamada displasia acromesomélica do tipo Maroteaux, que tem algumas características que se assemelham à acondroplasia (4,5). Pelo contrário, as mutações que levam ao ganho em função do CNP ou seu receptor levam ao crescimento excessivo dos ossos (6,7). O papel do CNP no crescimento ósseo foi descrito também em modelos de camundongos com acondroplasia e de ausência de CNP (8).

Fazendo do CNP uma terapia viável para a acondroplasia

A vida não é fácil para os peptídeos. Os processos da placa de crescimento são rigidamente regulados, como já vimos, mas na verdade isso ocorre em todos os processos orgânicos em funcionamento em nosso corpo. Proteínas e peptídeos ativos circulantes como o CNP podem iniciar, aumentar, diminuir ou interromper muitas reações químicas, de modo que o organismo possui vários sistemas para remover esses agentes da circulação, para evitar que causem efeitos indesejáveis. Um desses sistemas é composto por enzimas no sangue que têm como alvo peptídeos como o CNP (são chamadas de endopeptidases ou endoproteases). Isso é tão verdadeiro que, uma vez liberado na corrente sanguínea, o CNP durará apenas dois minutos (o que é chamado de meia-vida) (9).
Há cerca de dez anos atrás, cientistas provaram que o CNP tem um papel positivo no crescimento ósseo e que poderia contrabalançar o efeito inibitório do FGFR3 na acondroplasia (8), mas com essa curta meia-vida de apenas 2 min, como eles poderiam administrar o CNP para restaurar o crescimento ósseo? Eles foram capazes de mostrar que a infusão contínua de CNP teve um efeito positivo no crescimento ósseo (8), mas ter uma bomba de infusão conectada ao corpo para conseguir o efeito não parecia ser uma opção razoável quando se pensava em terapias de longo prazo naquele momento.

Portanto, era preciso encontrar outras soluções. O CNP faz parte de uma família de três moléculas estreitamente relacionadas, denominadas peptídeos natriuréticos. Um deles, o peptídeo natriurético do cérebro (brain) (BNP) mostrou ser naturalmente mais resistente à endoproteases devido a uma "cauda" prolongada que o CNP não possui (Figura 5). Com esse conhecimento em mãos, os pesquisadores desenvolveram uma forma de CNP que possui uma cauda prolongada similar ao BNP (10).

Figura 5. Peptídeos Natriuréticos.

Desenvolvendo o vosoritide

O CNP modificado (chamado de análogo), que conhecemos com o nome de vosoritide (BMN-111), não apenas retém as funções biológicas do peptídeo original, mas também é mais resistente à destruição pelas enzimas neutralizadoras, com uma meia-vida prolongada de 20 minutos. Ser capaz de circular por mais tempo na corrente sanguínea deu tempo suficiente para que o vosoritide pudesse alcançar as placas de crescimento para exercer sua função esperada (10).

De fato, ambos os estudos pré-clínicos em ratos e macacos resultaram em crescimento adicional e os resultados recentemente publicados do estudo de fase 2 em crianças com acondroplasia (10-12) demonstraram que uma injeção subcutânea (SC) uma vez ao dia de vosoritide resultou em aumento velocidade de crescimento ósseo e crescimento adicional em comparação com o que seria esperado sem o tratamento. O vosoritide está sendo testado em mais de 100 crianças em um estudo de fase 3 (NCT03197766), com resultados que estarão disponíveis no final deste ano e, se bem-sucedido, o medicamento poderá estar no mercado no próximo ano.

Agora, vamos dar uma olhada nos resultados do estudo da fase 2, publicado no New England Journal of Medicine (NEJM) na semana passada (12). Na verdade, os principais resultados relatados neste trabalho já haviam sido divulgados durante o evento "Dia da Pesquisa e Desenvolvimento" (R&D Day) realizado pela Biomarin em junho de 2018 e repetidos durante a conferência do JP Morgan em janeiro passado. Infelizmente, os links para essas apresentações não estão mais disponíveis no site da Biomarin, mas você pode ver um dos slides da apresentação do R&D Day de junho de 2018 na Figura 6.

Figura 6. Efeito do vosoritide na velocidade média de crescimento após 42 meses na 3ª coorte do estudo de fase 2 (15mcg/kg).

 

Imagem da apresentação do R&D Day da Biomarin (Jun 2018).

O conteúdo do estudo de fase 2 é protegido por direitos autorais, então não posso reproduzir figuras publicadas na revista, mas o NEJM divulgou uma imagem em sua conta no Twitter mostrando um dos principais resultados do estudo (Figura 7).

Figura 7. Aumento da velocidade de crescimento ósseo após seis meses do início do tratamento com vosoritide.

De Savararayan R et al. NEJM 2019; imagem (correspondente à Figura 1A no artigo original) obtida da conta Twitter de acesso aberto do NEJM e reproduzida aqui apenas para fins educativos.

Em resumo, o vosoritide (15mcg/kg) foi capaz de restaurar a velocidade de crescimento ósseo em crianças com acondroplasia tratadas a um nível mais próximo da velocidade média de crescimento ósseo observada em crianças não afetadas (Figura 6). O efeito se manteve após 42 meses de exposição. Não posso mostrar aqui, mas em uma das figuras (Figura 1B no texto original) pode-se interpretar que há uma leve tendência a uma redução no efeito sobre o crescimento ósseo ao longo dos 42 meses (12).

De todo modo, o estudo mostrou melhora progressiva no escore z para altura com 15mcg/kg/dia, o que, em linguagem do mundo real, significa que a diferença entre o padrão de crescimento das crianças expostas em relação às curvas de crescimento padrão diminuiu ao longo do tempo (12).

Uma questão que foi levantada no início do desenvolvimento clínico do vosoritide anos atrás foi se a droga causaria o agravamento da desproporção do corpo. Os resultados deste estudo mostram que isso não aconteceu mas, por outro lado, não houve melhora significativa nesse aspecto da displasia (12). É preciso lembrar que a maior parte da desproporção é estabelecida nos dois primeiros anos de vida, e que as crianças neste estudo tinham pelo menos seis anos de idade no momento da inscrição, possivelmente tarde demais para ver efeitos relevantes neste aspecto da acondroplasia.

Quanto a segurança, parece que o vosoritide tem um perfil de segurança razoável, com a maioria dos eventos adversos ligados à reações no local da injeção, que foram em sua maioria de intensidade leve. A exposição à substâncias biológicas pode desencadear uma resposta imunológica do organismo, que pode produzir anticorpos contra a droga administrada. Isso é comum no tratamento com anticorpos monoclonais contra o câncer e outras condições inflamatórias, por isso não é surpreendente que anticorpos anti-droga (ADA) tenham sido encontrados neste estudo (12). No entanto, parece que a presença de ADAs não teria impacto na eficácia do medicamento (13).

Qual será a resposta para seguinte pergunta? Uma vez que os resultados dos 42 meses de exposição já estavam disponíveis há um ano, por que resultados além daquele ponto de corte não foram incluídos neste estudo, que acaba de ser publicado?

Existe algo a melhorar?

Bem, o vosoritide tem mostrado consistentemente resultados que, se confirmados no estudo de fase 3 em andamento (NCT03197766), podem abrir caminho para ser aprovado para o tratamento da acondroplasia no próximo ano. Esta é uma notícia maravilhosa, pois esta terapia pode ajudar a melhorar a qualidade de vida de muitas crianças no futuro. No entanto, parece que há espaço para efeitos de crescimento ósseo ainda melhores com o CNP.

A Ascendis Pharma está desenvolvendo outro análogo do CNP (eles chamam de CNP-38, uma molécula de CNP com 38 aminoácidos), mas usando tecnologia proprietária para melhorar quanto tempo o seu CNP circula para exercer seus efeitos nos ossos. Eles criaram um sistema de transporte (podemos chamar de "táxi") para moléculas delicadas como o CNP (Figura 8). Protegido pelo táxi da Ascendis, o TransCon, seu CNP mostrou ter uma meia-vida muito mais longa em comparação com o vosoritide. De fato, eles acabaram de publicar os resultados completos de seus estudos pré-clínicos feitos com o TransCon CNP, que incluíram testes comparando seu CNP com o vosoritide (14). Em seu estudo eles reproduziram a molécula correspondente ao vosoritide, que é um CNP com 39 aminoácidos (ou, CNP-39) para comparar com seu CNP-38. Vamos dar uma olhada nesse estudo.

Figura 8. Sistema de transporte TransCon.

Da Ascendis Pharma. Você pode ver mais aqui.

Em resumo, devido às características de seu táxi e sua estrutura de CNP, eles verificaram que seu sistema TransCon oferecia uma exposição estável do seu CNP por uma semana, sem o pico de dosagem no plasma observado com o vosoritide, portanto, com mínimo efeito sobre a pressão sanguínea. O efeito no crescimento ósseo foi pelo menos tão bom quanto com o CNP-39 (Figura 9) (14).

Figura 9. Efeito do TransCon CNP (40 e 100 mcg/kg) vs. placebo e CNP-39 no comprimento do corpo e nos ossos.

De Breinholt VA et al. J Pharmacol Exp Ther 24 de junho de 2019, jpet.119.258251 (Artigo de acesso livre). Reproduzido aqui apenas para fins educativos. Pos. Ctrl. = CNP-39.

A Ascendis já realizou um estudo de fase 1 com o TransCon CNP em voluntários saudáveis ​​e confirmou a longa meia-vida de seu análogo, o que permitirá uma dose semanal, em contraste com a dose diária de vosoritide. Não houve questões com segurança cardíaca. A Ascendis deve iniciar seu estudo de fase 2 em crianças em breve.

Este é o fim da história?

Não, de forma alguma. A Daiichi Sankio, uma indústria farmacêutica japonesa, está desenvolvendo o ASB20123, um novo análogo do CNP. Neste caso, o composto é uma molécula de fusão onde a parte ativa do CNP é combinada com um fragmento do hormônio grelina, um outro peptídeo (Figura 10). Essa engenharia torna o CNP resistente à endopeptidases, dando mais tempo para que ele exerça suas funções (15,16). Basicamente, é o mesmo princípio usado para os análogos da Biomarin e da Ascendis.

Figura 10. Estrutura do ASB20123, um novo análogo do CNP.

De Morozumi N et al. PlosOne 2019 (acesso livre), reproduzido aqui apenas para fins educativos.

O ASB20123 demonstrou efeitos positivos claros no crescimento ósseo, como visto em seus experimentos em seu modelo de rato (Figura 11). Observe na figura 11D que é possível que, sob a maior dose testada, possa ter ocorrido crescimento excessivo (o terceiro animal). Infelizmente, não há radiografias neste estudo que permitam verificar densidades ou formas ósseas, mas, de fato, os pesquisadores mencionam que o supercrescimento provavelmente ocorreu quando os animais receberam doses mais altas (16).

Figura 11. Efeitos do ASB20123 no crescimento em um modelo de camundongo.

Curvas de crescimento de camundongos ICR juvenis fêmeas tratados com ASB20123 sc durante as 8 semanas do período de dosagem e as 4 semanas do período de washout. Os dados do peso corporal (A), comprimento do corpo (B) e comprimento da cauda (C) são mostrados nos painéis superiores, e as fotografias no painel inferior representam a aparência grosseira dos ratos no Dia 56 (D). Cada valor representa a média ± DP de 10 (para o período de dosagem) ou 5 ratos (para o período de washout). NS: não significativo (p> 0,05), *: diferença significativa (p <0,05) em relação ao grupo controle pelo teste de Dunnett. De Morozumi N et al. PlosOne 2019 (acesso livre), reproduzido aqui apenas para fins educativos.

Os pesquisadores também testaram o ASB20123 através de uma bomba SC, novamente fornecendo uma liberação sustentada de seu análogo, com melhores resultados de crescimento. O argumento é que o uso de uma bomba SC pode permitir concentrações estáveis, porém menores, de seu análogo para promover o crescimento ósseo sem eventos adversos cardíacos (especialmente hipotensão) (16). Bombas SC mais novas parecem ser mais confortáveis ​​do que os modelos mais antigos e poupariam as crianças de injeções diárias ou semanais. Não me sinto exatamente confortável com essa abordagem ainda, mas acho que é muito cedo para tirar conclusões sobre isso.

Horizonte brilhante

O campo da terapia para a acondroplasia está ficando lotado. Agora, existem dois análogos de CNP em desenvolvimento clínico, um deles, vosoritide, mais próximo da aprovação para o mercado, aguardando resultados de seu estudo de fase 3 no final deste ano. O outro, TransCon CNP, segue para o estudo de fase 2. A Therachon está desenvolvendo o TA-46, uma molécula baseada no FGFR3 e projetada para competir pelos FGFs com o receptor mutante (17). Um grupo japonês vem trabalhando com a meclizina, um antigo medicamento antiemético que mostrou efeitos positivos no crescimento ósseo (18). A QED Therapeutics, uma pequena empresa de biotecnologia, começou a trabalhar com o infigratinib, uma molécula projetada para bloquear a ativação dos FGFRs (19). O grupo japonês da Daiichi Sankio acaba de apresentar seu análogo do CNP (16). A osteocrina, um peptídeo natural, mostrou melhorar o crescimento ósseo bloqueando o NPRC (um receptor regulador para peptídeos natriuréticos), dando mais tempo para o CNP exercer seus efeitos no crescimento ósseo (20). Investigadores descobriram que uma família de drogas usadas para baixar o colesterol, as estatinas, também pode ser usada para melhorar o crescimento ósseo na acondroplasia (21). Além disso, já existem pesquisas iniciais explorando edição genética para tratar a acondroplasia (a ser revisada em um artigo futuro).

No entanto, isso ainda não é o fim

Com o conhecimento crescente sobre as vias químicas alteradas na acondroplasia e as pesquisas para colocá-las em equilíbrio novamente, os pesquisadores também começaram a explorar o uso de terapias inicialmente projetadas para a acondroplasia em outras displasias esqueléticas onde as vias do FGFR podem ter um papel relevante. O exemplo mais natural é a hipocondroplasia, que também é causada por mutações no FGFR3. Mas existem outras iniciativas.

Por exemplo, um estudo mostrou que o BMN111 (vosoritide) teve efeitos positivos em um modelo da Síndrome de Crouzon, uma craniossinostose associada a uma mutação do FGFR2 (22). A via da MAPK, chave na acondroplasia, também é fundamental na família de desordens genéticas denominadas RASopatias, nas quais enzimas da via MAPK ou seus reguladores têm mutações que prejudicam suas funções normais, o que causa uma infinidade de complicações clínicas. As RASopatias incluem a Neurofibromatose e a Síndrome de Noonan, entre vários outros distúrbios. Um trabalho recente com estatinas na Síndrome de Noonan mostrou que elas foram capazes de resgatar o crescimento nessa RASopatia (23). O mesmo grupo que trabalha com o ASB20123 testou o CNP em um modelo de rato com síndrome cardio-facio-cutânea, outra RASopatia, com resultados positivos (24).

Há novidades ainda melhores. Alguns meses atrás, pesquisadores chineses publicaram um estudo no qual descobriram que o FGFR3 tem um papel importante no mecanismo de distúrbios genéticos ligados à mutações no gene SLC26A2, que incluem a displasia diastrófica. Eles mostraram que inibir o FGFR3 com o infigratinib (o bloqueador do FGFR em desenvolvimento pela QED) melhorou a formação óssea e os fenótipos de duas formas letais de distúrbios do SLC26A2: acondrogênese tipo IB e atelosteogênese tipo II (25). Se eles conseguiram melhorar os fenótipos naquelas formas devastadoras de desordens genéticas ligadas ao transporte de sulfato, quais seriam os resultados em formas menos severas, como a displasia diastrófica?

A grande questão não é mais se há, ou haverá, qualquer tratamento disponível. A questão agora é: em que outras displasias esqueléticas terapias para a acondroplasia também poderão oferecer benefícios?

Divisão

A comunidade interessada tem se dividido ultimamente com opiniões divergentes sobre quais são realmente os propósitos dessas novas potenciais terapias. Alguns afirmam que seriam apenas para efeitos cosméticos, e uma ameaça à diversidade humana. Uma torrente de acusações e julgamento severo sobre os pais tomarem decisões sobre seus filhos sem seu "consentimento" tem sido publicada nas mídias sociais, como se decisões não são o que os pais sempre tomam, todos os dias, das mais banais às mais complexas questões possíveis em relação aos seus filhos.
 

Abraçando a mudança

Não muito tempo atrás, não havia nada a ser feito após o diagnóstico de uma desordem genética, porém resignar-se, pois não havia perspectivas à frente.

Agora, o tempo para a resignação acabou. Terapias para desordens genéticas do crescimento ósseo estão a caminho e elas não têm nada a ver com a redução da diversidade humana, como alguns têm declarado ultimamente. Elas têm a ver com proporcionar uma vida melhor para as crianças afetadas, futuros adultos.

Ao restaurar o crescimento ósseo, muitas complicações clínicas observadas em displasias ósseas poderão finalmente ser prevenidas ou minimizadas. Isso resultará em melhor funcionamento e melhor qualidade de vida para nossos amados filhos, à medida que crescem e se tornam adultos. Você pode imaginar seu filho não ter que passar por grandes cirurgias ainda bebê, ou ter que lidar com complicações ortopédicas e neurológicas ao longo da vida? (26, 27) Isso não seria bom o suficiente?

E finalmente, se restaurar o crescimento ósseo na acondroplasia e em outras desordens ósseas tornará os indivíduos tratados mais altos, melhor ainda, pois eles serão capazes de enfrentar melhor os muitos desafios existentes no mundo lá fora. Se você ainda não está lá, deve começar a pensar em abraçar a mudança logo. Ela está chegando.

Referências

1. Kronenberg HM. Developmental regulation of the growth plate. Nature 2003;423 (6937):332–6.

2. Klag KA and Horton WA. Advances in treatment of achondroplasia and osteoarthritis. Hum Mol Gen 2016; 25:R2-R8. Free access.

3. Ornitz DM, Legeai-Mallet L. Achondroplasia: Development, pathogenesis, and therapy. Dev Dyn 2017; 246(4):291–309. Free access.

4. Hisado-Oliva A et al. Mutations in C-natriuretic peptide (NPPC): a novel cause of autosomal dominant short stature.Genet Med 2018;20(1):91-7. Free access.

5. Amano N et al. Identification and functional characterization of two novel NPR2 mutations in Japanese patients with short stature. J Clin Endocrinol Metab 2014 Apr;99(4):E713-8. Free access. 

6. Miura K et al. Overgrowth syndrome associated with a gain-of-function mutation of the natriuretic peptide receptor 2 (NPR2) gene. Am J Med Genet A 2014;164A(1):156-63.

7. Ko JM et al. Skeletal overgrowth syndrome caused by overexpression of C-type natriuretic peptide in a girl with balanced chromosomal translocation, t(1;2)(q41;q37.1). Am J Med Genet A 2015; 167A(5):1033-8.

8. Yasoda A, Nakao K.. Translational research of C-type natriuretic peptide (CNP) into skeletal dysplasias. Endocr J 2010;57(8):659-66. Free access.

9. Hunt PJ et al. Bioactivity and metabolism of C-type natriuretic peptide in normal man. J Clin Endocrinol Metab 1994; 78: 1428-35.

10. Lorget F et al. Evaluation of the therapeutic potential of a CNP analog in a Fgfr3 mouse model recapitulating achondroplasia. Am J Hum Genet 2012; 91(6):1108–14. Free access.

11. Wendt DJ et al. Neutral endopeptidase-resistant C-type natriuretic peptide variant represents a new therapeutic approach for treatment of fibroblast growth factor receptor 3-related dwarfism. J Pharmacol Exp Ther 2015;353:132–49. Free access.

12. Savarirayan R et al. C-type natriuretic peptide analogue therapy in children with achondroplasia. NEJM June 18, 2019. DOI: 10.1056/NEJMoa1813446. Published ahead of print.

13. Chan D et al. Pharmacokinetic and exposure-response analysis of vosoritide in children with achondroplasia. Abstract. To be presented at the ISDS 2019 Meeting, Oslo, Norway, Sep 12, 2019. Acesso livre.

14. Breinholt VA et al. TransCon CNP, a sustained-release C-Type Natriuretic Peptide prodrug, a potentially safe and efficacious new therapeutic modality for the treatment of comorbidities associated with FGFR3-related skeletal dysplasias. J Pharmacol Exp Ther June 24, 2019, jpet.119.258251. Published ahead of print. Acesso livre.
 
15. Morozumi N et al. Design and evaluation of novel natriuretic peptide derivatives with improved pharmacokinetic and pharmacodynamic properties. Peptides 2017;97:16-21. Acesso livre.
 
16. Morozumi N et al. ASB20123: A novel C-type natriuretic peptide derivative for treatment of growth failure and dwarfism. PLoS One 2019 Feb 22;14(2):e0212680.
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17. Garcia S et al. Postnatal soluble FGFR3 therapy rescues achondroplasia symptoms and restores bone growth in mice. Sci Transl Med 2013 Sep 18;5(203):203ra124. Acesso livre.
 
18. Matsushita M. Clinical dosage of meclozine promotes longitudinal bone growth, bone volume, and trabecular bone quality in transgenic mice with achondroplasia. Sci Rep 2017;7(1):7371. Acesso livre.
 
19. Komla-Ebri D et al. Tyrosine kinase inhibitor NVP-BGJ398 functionally improves FGFR3-related dwarfism in mouse model. J Clin Invest 2016;126(5):1871-84. Acesso livre.
 
20. Kanai Y et al. Circulating osteocrin stimulates bone growth by limiting C-type natriuretic peptide clearance. J Clin Invest 2017;127(11):4136-47. Acesso livre.
 
21. Yamashita A et al. Statin treatment rescues FGFR3 skeletal dysplasia phenotypes. Nature 2014; 513(7519):507-11. 

22. Holmes G et al. C-type natriuretic peptide analog treatment of craniosynostosis in a Crouzon syndrome mouse model. PLoS One. 2018;13(7):e0201492. Acesso livre.
 
23.Tajan M et al. Noonan syndrome-causing SHP2 mutants impair ERK-dependent chondrocyte differentiation during endochondral bone growth. Hum Mol Genet 2018;27(13):2276-89. Acesso livre.
 
24. Inoue SI et al. C-type natriuretic peptide improves growth retardation in a mouse model of cardio-facio-cutaneous syndrome. Hum Mol Genet 2019; 28(1):74-83.
 

25. Zheng C et al. Suppressing UPR-dependent overactivation of FGFR3 signaling ameliorates SLC26A2-deficient chondrodysplasias. EBioMedicine 2019;40:695-709. Acesso livre.

26. Pauli RM, Legare JM. Achondroplasia. 2018. In: Adam MP, Ardinger HH, Pagon RA, Wallace SE, Bean LJH, Stephens K, Amemiya A, editors. SourceGeneReviews® [Internet]. Seattle (WA): University of Washington, Seattle; 1993-2019. Acesso livre.

27. Fredwall SO et al. Current knowledge of medical complications in adults with achondroplasia: A scoping review. Clin Genet. 2019 Mar 27. Acesso livre.
 

Treating achondroplasia: CNP under the spotlight

Extra, Extra!   

I can tell you. There are so many news recently published about C-type natriuretic peptide (CNP) for achondroplasia and other skeletal conditions that it is hard for me to choose where to start from. 

But, wait a minute...

I know, I know, all we want to talk is about CNP. But be patient as I believe that a bit of background information can make it easier to understand CNP, fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) and achondroplasia and how to put all the new information in context. So, let's start with a brief review of how bones grow.

How bones grow

As the seventeen readers of this blog know, bone growth is a long, structured and very complex process that occurs during the development of a child through adulthood. Influenced by dozens of local and systemic agents, the bone growth process could be seen as a Mozart's symphony, where many different instruments play together in perfect harmony to create wonderful art. If you stop to think about it, what is on stake and how it is achieved, you would conclude that it is a piece of natural miracle. Every single player in the growth process works in fine tuning to achieve what is planned in our DNA.

Our long bones grow from thin cartilage layers located in their extremities called growth plates. Within the growth plates, chondrocytes, the master cells of bone growth, will "wake up" from a dormant state, start a proliferating frenzy, become very enlarged and, in the end of their life cycle, will give place to osteoblasts, the bone builder cells (Figure 1) (1). As said above, this process is regulated by many local and systemic agents. When they are not in balance, the normal process is compromised either leading to stunted or to excessive bone growth.

Figure 1. Growth plate.

What happens in achondroplasia

In achondroplasia, FGFR3, one of the local agents that regulate how chondrocytes wake up, proliferate and enlarge, is working too much due to a mutation in its structure (2,3). Since the normal action of FGFR3 is to reduce chondrocyte proliferation and hypertrophy (enlargement) pace, when it is working excessively chondrocytes just stop their normal functions and bone growth is severely compromised.

FGFR3 is what is called a receptor enzyme. It is placed across the chondrocyte cell membrane, just like an antenna on top of the house roof (Figure 2). While a TV antenna will capture TV signals to deliver them to our TVs inside home, FGFR3 transmits chemical messages delivered by FGFs from outside the cell to the cell nucleus. 

Basically, when a FGF binds to the part of FGFR3 that is outside the cell, it activates (turns on) FGFR3 starting a series of chemical reactions consisting of an enzyme activating the next one and further like in a domino chain, until the last one enters the cell nucleus (Figure 3). Inside the cell nucleus, this last enzyme will turn on local agents that will trigger (or stop) the production of proteins from the DNA, each of them with distinct functions. In chondrocytes, the signals coming from FGFR3 "tell" the cell nucleus to stop cell multiplying activities. If chondrocytes stop multiplying, bone growth is compromised (2,3).

Figure 2. FGFR3 is like a roof antenna, picking up signals from outside the cell and delivering them to the cell nucleus.

Figure 3. FGFR3 signaling pathways.

From Su N et al. Bone Res 2014; 2: 14003. Reproduced here for educational purposes only.

As you see in Figure 3, FGFR3 activation turns on several enzymatic cascades. The MAPK (for Mitogen-Activated Protein Kinase) cascade is the important one for us in the context of CNP. The MAPK cascade consists of the enzymes RAS, RAF, MEK and ERK (at the right in Figure 3) (3). ERK is the one which goes to the nucleus.

Several studies established that under FGFR3 activation MAPK is specially responsible for regulating the enlargement of chondrocytes (hypertrophy, see Figure 1) (2,3). The hypertrophic zone seems to be the most important layer in the growth plate in regards to bone growth. Under FGFR3 overactivation in achondroplasia, there are fewer chondrocytes proliferating and enlarging and it is here where CNP has a role. Let's see how it works. 

CNP and FGFR3

CNP is produced within the cartilage growth plate and works as a bone growth promoter, so it has the opposite effect of FGFR3. When released, this small peptide binds its receptor on the chondrocyte cell membrane (just like FGFR3) and activates (turns on) a chemical pathway inside the chondrocyte that inhibit MAPK at the level of RAF (Figure 4) (2). Do you get the point? CNP works naturally reducing the activity of the FGFR3 pathway.

Figure 4. FGFR3 and CNP crosstalk.

From Klag KA and Horton WA. Hum Mol Gen 2016; 25:R2-R8. Reproduced here for educational purposes only.

CNP and bone growth 

Loss-of-function mutations in the CNP gene or in the CNP receptor (called NPRB) that impair their normal function cause a very rare genetic bone dysplasia called acromesomelic dysplasia Maroteaux type, which has some features resembling achondroplasia (4,5). On the contrary, mutations leading to gain-in-function lead to bone overgrowth (6,7). The role of CNP in bone growth was further described in achondroplasia and CNP-null mouse models (8).

Turning CNP into a viable therapy for achondroplasia

Life is not easy for peptides. The growth plate processes are tightly regulated, as we have already learned, but in fact this is true for all organic processes running in our body. Circulating active proteins and peptides like CNP can initiate, increase, decrease or stop many chemical reactions so the body has several systems to clear these agents off the circulation to avoid them to cause undesirable effects. One of these systems is comprised by blood enzymes that target peptides like CNP (they are called endopeptidases or endoproteases). This is so true that once released in the blood stream, CNP will last for about only two minutes (what is called half-life) (9).

Around ten years ago, scientists had proved that CNP has a positive role in bone growth and that it could counteract the inhibitory effect of FGFR3 in achondroplasia (8), but with that short half-life of just 2 min, how would they manage giving CNP to restore bone growth? They were able to show that continuous infusion of CNP had a positive effect on bone growth (8), but having an infusion pump connected to the body did not seem to be a reasonable option when thinking about long term therapies at that time.

Therefore, there might be other solutions out there. CNP is part of a family of three closely related molecules called natriuretic peptides. One of them, the brain natriuretic peptide (BNP) was shown to be naturally more resistant to endoproteases due to a prolonged "tail" that CNP does not have (Figure 5). With this knowledge in hand, researchers developed a form of CNP which bears a prolonged tail similar to BNP (10).

Figure 5. Natriuretic peptides.

Developing vosoritide

The modified CNP (called analogue), which we know by the name of vosoritide (BMN-111), not only retains the biological functions of the original peptide but also is more resistant to neutralization by the clearance enzymes, with a prolonged half-life of 20 minutes. Being able to circulate longer in the blood stream gave enough time to vosoritide to reach the growth plates to exert its expected function (10).

In fact, both pre-clinical studies in mice and monkeys resulted in additional growth and the recently published results of the phase 2 study in children with achondroplasia (10-12) demonstrated that once-daily subcutaneous (SC) injection of vosoritide resulted in increased bone growth velocity and additional growth compared to what would be expected without the treatment. Vosoritide is now being tested in more than 100 children in a phase 3 study (NCT03197766), with results to be available by the end of this year and, if successful, the drug could be on the market next year.

Now, let's take a look on the results of the phase 2 study, just published in the New England Journal of Medicine (NEJM) last week (12). Actually, the main results reported in this paper had already been released during the R&D Day event held by Biomarin in June 2018 and repeated during the JP Morgan conference on last January. Unfortunately, the links to those presentations are no longer available at the Biomarin's site but you can see a snapshot of the R&D Day presentation from June 2018 in Figure 6.

Figure 6. Effect of vosoritide in average growth velocity after 42 months in the 3rd cohort of the phase 2 trial (15mcg/kg).

Snapshot from Biomarin's R&D Day presentation (Jun 2018).

The phase 2 study paper contents are protected by copyright but the NEJM released a picture in their Twitter account showing one of the main results of the trial (Figure 7).

Figure 7. Increase of bone growth velocity after six months of starting treatment with vosoritide.

From Savararayan R et al. NEJM 2019; image (corresponding to Figure 1A in the original article) obtained from NEJM's Twitter open access account and reproduced here for educational purposes only.

In summary, vosoritide (15mcg/kg) was able to restore bone growth velocity in exposed children with achondroplasia closer to the average bone growth velocity seen in non-affected children (Figure 6). The effect was sustained after 42 months of exposure. I cannot display it here but in one of the pictures (Figure 1B in the original text) one could interpret that there is what it seems to be a slight trend to a reduction on the effect on bone growth over the 42 months (12). 

Nevertheless, the study showed progressive improvement on the z-score for height with 15mcg/kg/day which, in real world language, means that the difference of the exposed children growth pattern compared to the standard growth curves decreased overtime (12). 

One question that was raised in the beginning of the clinical development of vosoritide years ago was whether the drug would cause worsening of the body disproportion. Results from this study show that this was not the case, but by the other side, there was no significant improvement on this aspect of the dysplasia (12). Bear in mind that most of the disproportion is set in the first two years of life, and that the children in this study were at least six years-old on enrollment, possibly too late to see relevant effects in this aspect of achondroplasia.

On the safety side, it seems that vosoritide has a fair safety profile, with the majority of adverse events linked to injection site reactions, which were mostly mild in intensity. Exposure to biologicals may trigger an immune response by the body, which may produce antibodies against that drug. This is common in the treatment with monoclonal antibodies against cancer and other inflammatory conditions, so it is not surprising that anti-drug antibodies (ADA) were found in this study (12). However, it seems that the presence of ADAs would not have had an impact in the drug efficacy (13).

A question waiting answer: given that results from the 42 months of exposure were already available one year ago, why were results from beyond that cutoff not included in this study, which has just been published?

Is there space for improvement?

Well, vosoritide has been consistently showing results that, if confirmed in the ongoing phase 3 study (NCT03197766), may pave the way to be approved for the treatment of achondroplasia in the next year or so. These are wonderful news, as this therapy may help improving the quality of life of many children in the future. However, it seems that there is space for even better bone growth effects with CNP.

Ascendis Pharma is developing another CNP analogue (they call CNP-38 meaning a CNP molecule with 38 aminoacids) but using proprietary technology to improve how long their CNP circulates to exert its effects in the bones. They have created a carrier system (we can call it a transport or "taxi") for delicate molecules like CNP (Figure 8). Protected by Ascendis taxi, TransCon, their CNP was shown to have a much longer half-life compared to vosoritide. In fact, they have just published the complete results of their pre-clinical studies made with TransCon CNP, which included tests comparing their CNP with vosoritide (14). As a matter of information, in their study they have reproduced the molecule corresponding to vosoritide, which is a CNP with 39 aminoacids (thus CNP-39) to compare with their CNP-38. Let's take a look on their study.

Figure 8. TransCon carrier system.

From Ascendis Pharma. You can learn more here.

In brief, due to the characteristics of their taxi and their CNP structure, they found that their TransCon system provided stable exposure of their CNP for a week, without the plasma peak observed with vosoritide, so with minimal if any effect on blood pressure. The effect in bone growth was at least as good as with CNP-39 (Figure 9) (14).

Figure 9. Effect of TransCon CNP (40 and 100 mcg/kg) vs. placebo and CNP-39 on body length and bones.

From Breinholt VA et al. J Pharmacol Exp Ther June 24, 2019, jpet.119.258251. (Open access article). Reproduced here for educational purposes only. 

Ascendis has already conducted a phase 1 study with TransCon CNP in healthy volunteers, and they confirmed the long half-life of their analogue, which will allow a weekly dose, in contrast with the daily dose of vosoritide. There were no cardiac safety concerns. Ascendis should be starting their phase 2 study in children soon.

Is this the end of the story?

No, not at all as Daiichi Sankio, a Japanese pharma industry, is developing ASB20123, a new analogue of CNP. In this case, the compound is a fusion molecule where the active part of CNP is combined with a fragment of the peptide hormone ghrelin (Figure 10). This engineering makes CNP resistant to endopeptidases giving more time for it to exert its functions (15,16). Basically, it is the same principle used for Biomarin's and Ascendis' analogues.

Figure 10. Structure of ASB20123, a new CNP analogue.

From Morozumi N et al. PlosOne 2019, reproduced here for educational purposes only.

 ASB20123 demonstrated clear positive effects in bone growth as seen in their experiments in their mouse model (Figure 11). Note that it is possible that under the highest dose tested it might have occurred overgrowth. Unfortunately, there are no radiographs in this study allowing to check bone densities or shapes but, in fact, the researchers mention that overgrowth likely occurred when the animals were given higher doses (16).

Figure 11. ASB20123 effects in growth in a mouse model.

Growth curves of female juvenile ICR mice treated with ASB20123 sc during the 8 weeks of the dosing period and the 4 weeks of the washout period. Body weight (A), body length (B) and tail length (C) data are shown in the upper panels, and the photographs in the lower panel represent the gross appearance of mice at Day 56 (D). Each value represents the mean ± SD of 10 (for the dosing period) or 5 mice (for the washout period). NS: not significant (p > 0.05), *: significant difference (p < 0.05) compared to the control group using Dunnett’s test. From Morozumi N et al. PlosOne 2019 (open access), reproduced here for educational purposes only.

The researchers also tested ASB20123 given through a SC pump, again providing sustained release of their analogue, with improved growth results. The argument is that the use of a SC pump may allow stable but lower concentrations of their analogue to promote bone growth without cardiac adverse events (especially hypotension) (16). Newer SC pumps seem to be more comfortable than older models and would spare children to have daily or weekly shots. I don't feel exactly comfortable about this approach yet but I think it is too early to draw conclusions about it.

Bright horizon

The achondroplasia therapy landscape is becoming crowded. Now, there are two CNP analogues in clinical development, one of them, vosoritide, closer to marketing approval, pending results from their phase 3 study in the end of this year. The other, TransCon CNP, heading to phase 2. Therachon is developing TA-46, a molecule based on FGFR3 and designed to compete against the mutated receptor for the FGFs (17). A Japanese group has been working with meclizine, an old antiemetic drug that showed positive effects on bone growth (18). QED Therapeutics, a small biotech, started working with infigratinib, a molecule designed to block FGFR activation (19). The Japanese group from Daiichi Sankio has just introduced their CNP analogue (16). Osteocrin, a natural peptide, has shown to improve bone growth by blocking NPRC (a trap receptor for natriuretic peptides) rendering more time to CNP to exert its effects in bone growth (20). Investigators have also found that a family of drugs used to lower cholesterol, the statins, may also be used to improve bone growth in achondroplasia (21). Furthermore, there is already initial research exploring gene editing to treat achondroplasia (to be reviewed in a future article).

However, this is still not the end

With the mounting knowledge about the chemical pathways altered in achondroplasia and the research to put them in balance again, researchers have also started to explore the use of therapies initially designed for achondroplasia in other skeletal dysplasias where the FGFR pathways may have a relevant role. The most natural example is hypochondroplasia, which is also caused by mutations in FGFR3. But there are other initiatives.

For instance, a study showed that BMN111 (vosoritide) had positive effects in a model of Crouzon Syndrome, a craniosynostosis linked to a FGFR2 mutation (22). The MAPK pathway, key in achondroplasia, is also fundamental in the family of genetic disorders called RASopathies, in which enzymes of the MAPK pathway or their regulators have mutations impairing their normal functions, which causes a plethora of clinical complications. The RASopathies include Neurofibromatosis and Noonan Syndrome among several other disorders. A recent work with statins in Noonan Syndrome showed that they were able to rescue growth in that RASopathy (23). The same group working with ASB20123 tested CNP in a mouse model of cardio-facio-cutaneous syndrome, another RASopathy, with positive results (24).

Things are getting better. A few months ago, Chinese investigators published a study where they found that FGFR3 has an important role in the mechanism of genetic disorders linked to mutations in the gene SLC26A2, which include diastrophic dysplasia. They showed that inhibiting FGFR3 with infigratinib (the FGFR blocker in development by QED) improved bone formation and the phenotypes of two lethal forms of SLC26A2 disorders: achondrogenesis type IB and atelosteogenesis type II (25). If they were able to ammeliorate the phenotypes in those devastating forms of genetic disorders linked to sulphate transport, what would be the results in milder forms such as diastrophic dysplasia? 

The big question is not anymore if there is, or will be, any treatment available. The question now is: in which other skeletal dysplasias therapies for achondroplasia could also provide benefit?

Division

The interested community has been divided lately with diverging opinions about what  these new potential therapies' purposes "really" are. Some claim that they would be just cosmetic, a threat to human diversity. A flow of accusations and harsh judgement over parents taking decisions about their children without their "consent" is being published in the social media, as decisions are not what parents always take, every single day, from the most banal to the most fundamental issue (whatever they are). 

Embracing the change 

Not long ago, there was nothing to be done after a diagnosis of a genetic disorder, but to resign, as there were no perspectives ahead. 

Now, the time for resignation is over. Therapies for genetic bone growth disorders are on their way and they have nothing to do with reducing human diversity as some have been declaring lately. They have to do with providing a better life for affected children, future adults.

By restoring bone growth, many clinical complications seen in skeletal dysplasias may finally be prevented or minimized. This will result in better functioning and better quality of life for our beloved children as they grow up to become adults. Can you imagine your kid not having to undergo major surgeries at young age, or having to deal with life-long orthopedic and neurological complications? (26, 27) Wouldn't that be good enough?

And finally, if restoring bone growth in achondroplasia and other bone disorders will make treated individuals taller, even better, for they will be able to better face the many existent challenges in the world outside. If you are still not there yet, you should start thinking in embracing the change. It is coming.

 
References

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2. Klag KA and Horton WA. Advances in treatment of achondroplasia and osteoarthritis. Hum Mol Gen 2016; 25:R2-R8. Free access.

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10. Lorget F et al. Evaluation of the therapeutic potential of a CNP analog in a Fgfr3 mouse model recapitulating achondroplasia. Am J Hum Genet 2012; 91(6):1108–14. Free access.

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13. Chan D et al. Pharmacokinetic and exposure-response analysis of vosoritide in children with achondroplasia. Abstract. To be presented at the ISDS 2019 Meeting, Oslo, Norway, Sep 12, 2019. Free access.

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