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Erfolge und Rückschläge in der klinischen Gentherapie

Die Stammzell-Gentherapie einer erblichen Immunkrankheit mit Retroviren als Genfähren brachte große Erfolge in der Heilung der Krankheitssymptome, doch bei vielen Patienten entwickelten sich Leukämien. Benötigt werden wirksame gentherapeutische Verfahren mit Genvektoren, von denen keine Krebsgefahr ausgeht. Solche Vektoren gibt es bereits.

Die Grundidee der Gentherapie ist bestechend einfach: bei einem lebensbedrohenden genetischen Defekt die Körperzellen durch den Transfer der entsprechenden genetischen Information selbst in die Lage zu versetzen, den fehlenden lebensnotwendigen Stoff (zum Beispiel ein Protein) herzustellen.

Prof. Dr. Christof von Kalle, Direktor am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen und Leiter der Abteilung Translationale Onkologie, Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg. © NCT

Die Natur selbst liefert die Transportvehikel, mit denen die Information in die Zellen übertragen werden kann, denn Viren sind äußerst effektive Genfähren. Man muss sie nur so verändern, dass sie dem Patienten keinen Schaden zufügen können, beispielsweise dadurch, dass man den Viren die Fähigkeit nimmt, sich zu vermehren. Derartige Verfahren sind aus der Impfstoff-Herstellung seit Langem in Gebrauch.

Tatsächlich bedeutet eine Gentherapie aber einen sehr komplexen medizinischen Eingriff, der nicht nur bedeutendes Potenzial hat, bei monogenetischen (das heißt, auf dem Fehler in einem einzigen Gen beruhenden) Krankheiten die erblichen Störungen zu korrigieren, sondern auch ein großes Risiko aufweist. Seit vor über zwanzig Jahren die erste Gentherapie bei einem Kind mit schwerem Immundefekt angewendet worden war, gab es nicht nur überraschende Erfolge, sondern durch Krankheit und Tod der behandelten Patienten auch herbe Rückschläge, die dem Einsatz der Gentherapie Grenzen setzten. Technologische Fortschritte der letzten Jahre, vor allem bei der Konstruktion der Genfähren und bei der Analyse, wie die transferierten Gene in die Zellen des Patienten eingebaut werden und wirken, haben das Vertrauen in die Sicherheit von Gentherapiestudien gestärkt und geben Hoffnung, bisher unheilbare Erbkrankheiten erfolgreich behandeln zu können.

Gentherapie des Wiskott-Aldrich-Syndroms

In den Jahren 2006 bis 2009 wurden in Deutschland zehn Kinder, die an einer seltenen erblichen Immunkrankheit, dem Wiskott-Aldrich-Syndrom (WAS), litten, im Rahmen einer klinischen Gentherapie-Studie behandelt. Dazu wurden den Kindern eigene Blutstammzellen entnommen. Diese wurden mit Hilfe von retroviralen Genfähren so verändert, dass der zu einem fehlerhaften WAS-Protein führende Gendefekt behoben wurde. Den Patienten wurden anschließend die genetisch korrigierten eigenen Stammzellen wieder zurückübertragen. Maßgeblich beteiligt waren an dieser weltweit ersten Gentherapie beim WAS die Heidelberger Forscher um Dr. Anna Paruzynski, Dr. Manfred Schmidt und Prof. Dr. Christof von Kalle vom Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) und Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ). Sie untersuchten, auf welche Weise die bei der Gentherapie übertragenen Gensequenzen in die DNA der Blutstammzellen integriert wurden.

Wiskott-Aldrich-Syndrom. Ekzeme am ganzen Körper sind charakteristisch für diese seltene Erbkrankheit. © rarediseases.info.nih.gov

Das Wiskott-Aldrich-Syndrom ist eine seltene, rezessiv vererbte monogenetische Erkrankung mit einem das Immunsystem betreffenden Defekt auf dem X-Chromosom; sie tritt nur bei männlichen Kleinkindern auf. WAS zeichnet sich durch hohe Anfälligkeit für Infektionen, Blutungen und Hautausschläge aus. Unbehandelt führt die Krankheit früh zum Tode; von der Gentherapie abgesehen, besteht bisher die einzige Heilungschance in einer Transplantation von Blutstammzellen von genetisch passenden Spendern. Bei den Kindern der Studie war eine solche Stammzelltransplantation nicht möglich.

Nach der Gentherapie verschwanden bei diesen Kindern die Krankheitssymptome schnell und vollständig. „Die klinischen Erfolge haben Kinder, Eltern und uns Ärzte sehr überrascht“, erklärte Dr. Christian Braun, der Erstautor der aktuellen Publikation dieser Studie. „Im Labor konnten wir nachweisen, dass die Blutzellen nun genetisch korrigiert warten und einwandfrei funktionierten.“

Ein bis drei Jahre nach der Behandlung allerdings hatten sieben der zehn kleinen Patienten Blutkrebs (akute lymphatische oder akute myeloische Leukämie) entwickelt. Zwar kommt es bei WAS auch ohne diese Behandlung relativ häufig zu Krebserkrankungen, doch „die Rate an sekundären Malignitäten war inakzeptabel hoch“, wie die Autoren der Studie schreiben. Durch die Leukämie-Erkrankungen mussten bei den Kindern Fremdspender-Transplantationen durchgeführt werden. Zwei von ihnen starben im Rahmen von Komplikationen, die dabei auftraten; den anderen acht Studienpatienten geht es gut. Aber es ist klar, dass Gentherapie beim WAS in dieser Form nicht fortgeführt werden kann und – nach den Worten von Prof. Dr. Christoph Klein, dem Principal Investigator der klinischen Studie – „die Wissenschaftler nun versuchen müssen, das Verfahren weiterzuentwickeln, um eine gute Wirkung zu erreichen, die mit einem deutlich geringeren Risiko für die Patienten verbunden ist“.

Leukämie-Entstehung durch retroviralen Gentransfer

Den molekularen Ursachen für die Entstehung der Leukämien bei den zunächst erfolgreich gentherapierten Patienten gingen Paruzynski, Schmidt und von Kalle nach. Sie analysierten die Vorgänge auf DNA-Ebene mit bislang unerreichter Gründlichkeit, wie die als internationale Experten auf dem Gebiet der Sicherheit von Gentherapiestudien bekannten Heidelberger Forscher in der Publikation hervorheben. Es zeigte sich, dass in den erfolgreich transformierten Zellen die Integrationsorte für die retroviralen Gene nicht zufällig über das Genom verteilt waren, sondern unter den 25 am häufigsten betroffenen Genen allein 17 bereits als Proto-Onkogene bekannt waren.

Vermutlich waren derartige Proto-Onkogene in zahlreiche Zellen durch Gensequenzen aus den Retroviren aktiviert worden, was letzen Endes zu der unkontrollierten Zellvermehrung führte. Die Heidelberger Wissenschaftler gehen davon aus, „dass die in der Studie verwendeten klassischen retroviralen Genfähren zum Entstehen der Leukämien beigetragen haben“, und betonen: „Weiterführende Studien müssen zeigen, welche Rolle die durch den Gentransfer bedingten genetischen Veränderungen und die zugrunde liegende Erbkrankheit (also WAS) bei der Leukämieentstehung spielen. Ganz sicher ist es so, dass wir an diesen Krankheitsfällen viel darüber lernen, wie Leukämie entsteht.“

Die Suche nach sicheren Genfähren

Modell eines Retrovirus © DKFZ

Ganz sicher ist auch, dass für die Gentherapie Transportvehikel gebraucht werden, von denen keine Krebsgefahr ausgeht. Als Alternative zu den Retroviren haben italienische Forscher „entschärfte Lentiviren“ als Genfähren eingesetzt, die aus den nicht infektiösen Komponenten des AIDS-Virus HIV hergestellt waren. Damit wurden zwei Pilotstudien durchgeführt: eine mit drei Jungen mit einer schwer ausgeprägten Form von WAS und eine Studie ebenfalls mit drei Patienten, denen das Enzym Arylsulfatase A fehlt. Die Therapien konnten das Fortschreiten der Krankheit aufhalten bzw. die Symptome lindern und bis jetzt sind keine Leukämien aufgetreten. Der Zeitraum ist aber noch zu kurz und die Patientenzahl zu klein für ein endgültiges Urteil.

Bei fast allen Gentherapiestudien, die weltweit zur Heilung erblicher Immunkrankheiten durchgeführt werden, hat die Forschungsgruppe Molekulare und Gentherapie am NCT unter der Leitung von Dr. Manfred Schmidt die Zusammensetzung und das Wachstum der blutbildenden Zellen auf die mögliche Bildung von Blutkrebs hin überwacht. Die Forschungsgruppe hat auch überzeugend nachgewiesen, dass von einem genetisch modifizierten Adeno-assoziierten Virus (AAV), das zur Behandlung einer sehr seltenen erblichen Stoffwechselkrankheit (Lipoprotein-Lipase-Defizienz, LPLD) entwickelt worden ist, keine Krebsgefahr ausgeht. Die Sicherheitsprüfungen durch die Heidelberger Forscher waren eine Voraussetzung dafür, dass die Europäische Arzneimittelbehörde dieses AAV als erstes Gentherapeutikum der westlichen Welt überhaupt zugelassen hat (siehe BioPro-Artikel: Europas erstes Gentherapeutikum, Link oben rechts). Wenn sich dieser Vektor für die Gentherapie von LPLD bewährt, könnte er - so hofft Manfred Schmidt - als Prototyp für zukünftige Gentherapien bei anderen Erbkrankheiten dienen.

Publikation:
Braun CJ, Boztug A, Paruzynski A, …(24 weitere Autoren) … Schmidt M, von Kalle C, Klein C: Gene Therapy for Wiskott-Aldrich Syndrome – Long-Term Efficacy and Genotoxicity. Sci. Transl. Med. 6, 227ra33 (2014).

Glossar

  • AIDS ist die Abkürzung für Aquired immune deficiency syndrome (erworbenes Immunschwächesyndrom). Es ist der Name für die Endphase einer Erkrankung des Immunsystems, die durch eine HIV-Infektion ausgelöst wird.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Expressionsvektor ist eine Genfähre, mit der man ein Gen für ein bestimmtes Protein in eine Wirtszelle (z.B. E. coli, Hefezellen) einschleusen kann. Außerdem ermöglicht der Expressionsvektor die Umsetzung des Gens in das Protein in der Wirtszelle, da er alle nötigen Regulationselemente hierfür enthält.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Ein Gentransfer besteht in der Übertragung eines Gens in Empfängerzellen.
  • Eine monogenetische Erkrankung ist ein von einem einzigen defekten Gen ausgelöstes Erbleiden.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Retroviren sind Viren, deren Erbmaterial aus RNA besteht. Nach Umschreibung von RNA in DNA bauen sich die Retroviren in das Erbgut der Wirtszelle ein, um sich zu vermehren. Häufigste Gen-Taxis für Gentransfer, da Retroviren auch in sie eingebaute Gene in Zellen einschleusen. Retroviren schleusen sich jedoch nur in sich vermehrende Zellen ein, nicht aber in ruhende Zellen.
  • Die somatischen Gentherapie dient der Kompensation von Gendefekten. Dabei wird die korrekte Form des defekten Gen in Körperzellen eingeschleust.
  • Transformation ist die natürliche Fähigkeit mancher Bakterienarten, freie DNA aus der Umgebung durch ihre Zellwand hindurch aufzunehmen. In der Gentechnik wird die Transformation häufig dazu benutzt, um rekombinante Plasmide, z. B. in E. coli, einzuschleusen. Hierbei handelt es sich um eine modifizierte Form der natürlichen Transformation.
  • Ein Vektor ist ein DNA-Vehikel, das sich in einer Zelle autonom replizieren (vervielfältigen) kann und mit dessen Hilfe Fremd-DNA in eine Zelle eingeschleust wird. Vektoren (Plasmid, Phage oder Virus) sind wichtige Werkzeuge der Gentechnik zum Klonieren rekombinanter DNA.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • HIV ist die Abkürzung für Humaner Immundefizienz Virus, dem Auslöser von AIDS. Dabei handelt es sich um einen Retrovirus, dessen genetisches Material aus RNA besteht.
  • Stammzellen sind Zellen, die die Fähigkeit zur unbegrenzten Zellteilung besitzen und die sich zu verschiedenen Zelltypen ausdifferenzieren können. Stammzellen können aus Embryonen, fötalem Gewebe und aus dem Gewebe Erwachsener gewonnen werden. In Deutschland ist die Gewinnung embryonaler Stammzellen verboten.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Leukämie ist eine bösartige Erkrankung (Krebs) des blutbildenden Systems. Durch die vermehrte Bildung entarteter weißer Blutkörperchen und ihrer Vorstufen wird die Blutbildung im Knochenmark gestört. Andere Blutbestandteile werden verdrängt und es kommt dadurch zu Anämie (Blutarmut), Infektionen und Blutungen, die letztlich zum Tod führen, wenn die Leukämie nicht behandelt wird.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Dabei werden Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht und anschließend rechnerbasiert ausgewertet, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Als Transplantation bezeichnet man die Verpflanzung eines Transplantates (Zellen, Gewebe Organe). Es gibt verschiedene Transplantationsarten, die sich nach Herkunft, Funktion und Ort einteilen lassen. So wird bei einer xenogenen Transplantation ein Organ einer anderen Art transplantiert, während dagegen bei einer allogenen der Spender von einer Art stammt. Daneben gibt es noch die autologe Transplantation, bei der Spender und Empfänger dasselbe Individuum sind. Ist der Spender der eineiige Zwilling so spricht man von einer syngenen Transplantation. Eine alloplastische Transplantation wird das Transplantieren von künstlichem Material genannt. Bei Transplantationen werden Immunsuppressiva verabreicht, um die natürliche Abwehrreaktion des Körpers gegenüber Fremdstoffen zu unterbinden und damit das Transplantat im Körper zu erhalten. Die Zulässigkeit der Organspenden wird durch das Transplantationsgesetz (TPG) seit 1997 in Deutschland geregelt. Tritt Hirntod ein, muss ein Familienangehöriger der Entnahme zustimmen oder ein entsprechender Organspendeausweis des Spenders vorliegen. Am Häufigsten werden heutzutage Niere, Augenhornhaut, Herz und Leber transplantiert.
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