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Europas erstes Gentherapeutikum

Wissenschaftler des Nationalen Centrums für Tumorerkrankungen haben nachgewiesen, dass keine Krebsgefahr von den modifizierten Adeno-assoziierten Viren (AAV) ausgeht, die als Vektoren bei der ersten in der westlichen Welt zugelassenen klinischen Gentherapie eingesetzt werden. Dazu prüften die Forscher in vielen Millionen Zellen der behandelten Patienten den Einbau von Virus-DNA in das Zellgenom. Die AAV-Vektoren könnten als Prototypen auch zur Heilung anderer Gendefekte Verwendung finden.

Wie die gehäuften Leukämiefälle bei der Gentherapie des Wiskott-Aldrich-Syndroms gezeigt haben (s. "Erfolge und Rückschläge in der klinischen Gentherapie", Link rechts), birgt die gentherapeutische Behandlung von Erbkrankheiten das Risiko, dass die als Genfähren oder Vektoren verwendeten Viren in manchen Fällen eine unkontrollierte Zellteilung und womöglich Krebs induzieren können. Jede Gentherapiestudie muss deshalb sorgfältig auf die Möglichkeit solcher schwerer Nebenwirkungen hin überprüft werden.

Dr. Manfred Schmidt, Leiter der Forschungsgruppe "Molekulare und Gentherapie", Abteilung Translationale Onkologie, Nationales Centrum für Tumorerkrankungen, Heidelberg. © NCT

Dr. Manfred Schmidt und seine Mitarbeiter am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) in Heidelberg sind international anerkannte Experten in Fragen der Sicherheit gentherapeutischer Verfahren. Für fast alle erfolgreichen Gentherapiestudien weltweit, die die Heilung von Immundefizienzen zum Ziel haben, hat Schmidts Forschungsgruppe "Molekulare und Gentherapie" (NCT, Abteilung Translationale Onkologie unter Leitung von Prof. Dr. Christof von Kalle) die klonale Zusammensetzung der blutbildenden Zellen überwacht, um die Entwicklung eines Blutkrebses früh zu entdecken bzw. auszuschließen.

Die Wissenschaftler entwickelten auf der Grundlage einer komplexen PCR-Technologie („linear amplification-mediated PCR“) in Verbindung mit „Next-Generation“ Sequenzierung und bioinformatischem Datenmanagement analytische Verfahren, mit denen  die Insertion von Virus-DNA in das Genom der Wirtszelle bis hinab auf Einzelzell-Ebene analysiert werden kann. Für über 40 nationale und internationale Kooperationsprojekte ist diese Technologieplattform zur Beurteilung der Sicherheit gentherapeutischer Studien eingesetzt worden.

Die erste Zulassung in der westlichen Welt

Die Heidelberger Wissenschaftler haben bei der ersten in der westlichen Welt zugelassenen Gentherapie nachgewiesen, dass von den dafür als Vektoren verwendeten Viren keine Krebsgefahr ausgeht. Diese modifizierten Viren (AAV-LPLS447X) wurden von der Biotech-Firma uniQure N.V. zur Behandlung einer sehr seltenen erblichen Stoffwechselkrankheit, der Lipoprotein-Lipase-Defizienz (LPLD), entwickelt. Es handelt sich um Adeno-assoziierte Viren (AAV), die ein intaktes Gen für das fettabbauende Enzym Lipoprotein-Lipase tragen und es in die kranken Zellen der Patienten einschleusen. Bevor die Europäische Arzneimittelbehörde Ende 2012 den von uniQure unter dem Namen Glybera® beantragten AAV-Vektor zur Behandlung von LPLD genehmigte, war nur in China 2003 ein gentherapeutisches Medikament - gegen Kopf- und Halstumoren – zugelassen worden; in anderen Ländern ist diese Zulassung aber niemals erteilt worden.

Adeno-assoziierte Viren (AAV); elektronenmikroskopisches Bild. © DKFZ

Normalerweise können AAV-LPLS447X ihr Erbgut nicht in die Chromosomen menschlicher Zellen integrieren, da ihnen das dafür notwendige Enzym fehlt. Die Vektoren überdauern in den Wirtszellen als kleine eigenständige Ringstrukturen, sogenannte Episomen oder Plasmide, im Zellplasma. Trotzdem kann ein Einbau in das Zellgenom gelegentlich vorkommen. „Wir mussten ausschließen, dass AAV-LPLS447X sich bevorzugt in solche Stellen des Erbguts setzt, wo dieser Einbau krebsfördernde Gene aktivieren könnte“, erklärt Schmidt. „In der Vergangenheit war genau dies bei einem gentherapeutisch genutzten Virus beobachtet worden“ (mit Retroviren bei der Gentherapie des Wiskott-Aldrich-Syndroms).

Die Forscher untersuchten die Genome vieler Millionen einzelner Zellen bei fünf LPLD-Patienten, die mit AAV-LPLS447X behandelt worden waren. Die Behandlung erfolgt durch eine einmalige Reihe kleiner Injektionen in die Beinmuskulatur. In den seltenen Fällen, in denen man tatsächlich eine Integration von Virus-DNA in das Genom der Muskelzellen fand, erfolgte der Einbau zufällig und ohne irgendwelche Präferenzen. Wie Schmidt darlegt, spielen diese Insertionen vor dem Hintergrund der im Erbgut ohnehin stattfindenden ständigen Umbauten keine Rolle. Mit ihren umfassenden Analysen, die auch noch durch Versuche an Mäusen untermauert wurden (denen das therapeutische Virus in die Muskulatur oder die Blutbahn injiziert worden war), haben die Forscher die Sicherheit von AAV-LPLS447X als Vektor für die gentherapeutische klinische Anwendung beim Menschen nachgewiesen.

Integration in Mitochondrien-DNA

Genkarte des ringförmigen menschlichen Mitochondrien-Genoms. © INSERM U889
Eine überraschende Entdeckung gelang den Heidelberger Forschern ganz nebenbei. Sie fanden, wenn auch sehr selten, dass AAV-LPLS447X in das Mitochondriengenom integriert wird. In menschlichen und tierischen Zellen enthalten Mitochondrien als einzige Strukturen neben dem Zellkern eine eigene DNA. Obwohl sie mit nur 16.600 Basenpaaren im Vergleich zur Kern-DNA winzig klein ist, kennt man doch eine ganze Reihe von Krankheiten, die mit mitochondrialen Gendefekten im Zusammenhang stehen. „Dass ein Adeno-assoziiertes Virus von sich aus ins Mitochondrien-Genom integriert, ist vorher noch nie beobachtet worden", berichtet die Molekularbiologin Christine Kaeppel, Erstautorin der Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature Medicine publiziert worden ist. Dieser Befund könnte sich auch für die Korrektur von Gendefekten im menschlichen Mitochondrien-Erbgut als nützlich erweisen, und AAV-LPLS447X (Glybera®) könnte auch für künftige Gentherapien anderer Erbkrankheiten als sicherer Prototyp-Vektor dienen.

Ein Durchbruch für die Gentherapie?

Als die Zulassung für Glybera® durch die EMA erteilt wurde, verkündete die Frankfurter Allgemeine Zeitung (FAZ), dass damit „die nächste Phase der Biotechbranche“ eingeläutet worden sei (FAZ, 09.01.2013). Indem nicht nur das Symptom einer Krankheit behandelt, sondern die Krankheitsursache behoben würde, wäre man dem Ideal der Medizin einen großen Schritt näher gekommen. Aber bedeutet das tatsächlich den großen Durchbruch für die Gentherapie?

Zwar ist dank der Arbeiten von Manfred Schmidt und seinem Team die Sicherheit der verwendeten Genfähre nach den besten heutigen Kriterien erwiesen, aber ob die Behandlung wirklich alle an LPLD-Mangel leidenden Patienten dauerhaft heilt, muss sich noch erweisen. Die Arzneimittelbehörde hatte den Zulassungsantrag zunächst mit der Begründung abgelehnt, dass die Wirksamkeit der neuen Gentherapie bei nur 27 behandelten Personen in den zugrunde liegenden klinischen Studien nicht ausreichend belegt sei.

Jörn Aldag, der CEO von uniQure, erklärte dazu in dem Interview mit der FAZ: „Um den formalen Anforderungen zu genügen, hätten wir eine Studie mit 350 Personen durchführen müssen. Weil es aber vielleicht nur 500 in ganz Europa gibt, hätten wir dafür mehr als die Hälfte aller infrage kommenden Patienten gratis behandeln müssen.“ Ein Argument, das ähnlich auch für andere seltene Krankheiten gilt, und das auch die EMA am Ende mit der Auflage akzeptierte, dass die Behandlung auf besonders schwere Fälle von familiärer LPLD bei erwachsenen Patienten beschränkt wird und weitere Daten zum Therapieerfolg gesammelt werden.

Eine andere Frage ist der Preis. Das Gentherapeutikum wird den Patienten nur einmal oder höchstens wenige Male hintereinander verabreicht. Um die immensen Entwicklungskosten wieder einzuspielen, wird der Preis für das Medikament laut Aldag „in einer anderen Dimension liegen als gewöhnlich.“ Von Kosten um 1,2 Millionen Euro pro Patient war die Rede; damit wäre Glybera® das mit Abstand teuerste Medikament der Welt (3sat nano, Sendung vom 06.11.2012). Wie vonseiten des Unternehmens argumentiert wird, ist aber auch der Nutzen der Behandlung außerordentlich hoch, da die Wirkung von Glybera® so lange anhält, und die enormen Kosten, die den Krankenkassen bei der Behandlung der Folgen von LPLD entstehen, größtenteils entfallen. So könnte der von den Kassen erstattete Preis an den dauerhaften klinischen Nutzen für den Patienten gekoppelt werden.

Publikationen:
Kaeppel C, Beattie SG, Fronza R, van Logtenstein R, Salmon F, Schmidt S, Wolf, S, Nowrouzi A, Glimm H, von Kalle C, Petry H, Gaudet D, Schmidt M: A largely random AAV integration profile after LPLD gene therapy. Nature Medicine 2013, DOI: 10.1038/nm.3230

Schmidt M, Schwarzwaelder K, Bartholomae C, Zaoui K, Ball C, Pilz I, Braun S, Glimm H, von Kalle C: High-resolution insertion-site analysis by linear amplification-mediated PCR (LAM-PCR). Nature Methods 2007 Dec; 4(12):1051-1057.

Glossar

  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Die vier Basen liegen in der DNA-Doppelhelix immer als Paare vor. Aufgrund der chemischen Struktur ist eine Paarbildung nur zwischen A und T (DNA) bzw. A und U (RNA) sowie C und G möglich. A und T (U) sowie C und G werden deshalb auch als komplementär bezeichnet.
  • 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.
  • Mit Insertion ist im biologischen Zusammenhang meist das Einfügen von DNA-Abschnitten in ein anderes DNA-Molekül gemeint.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Die PCR oder Polymerase-Kettenreaktion ist eine molekularbiologische Methode, mit der kurze DNA-Abschnitte auf einfache Weise vervielfältigt werden. Man benötigt dazu lediglich die DNA-Vorlage, ein Enzym namens DNA-Polymerase, das die Vervielfältigung katalysiert, Ansatzstücke für die Polymerase, die sog. Primer, und die DNA-Bausteine, die sog. Desoxynukleosidtriphosphate. Gesteuert wird die Vervielfältigung über mehrere Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen.
  • Ein Plasmid ist ein extrachromosomales, ringförmiges DNA-Molekül, das bei Bakterien und Hefen vorkommt und sich unabhängig vom Hauptchromosom vermehren kann. Häufig tragen Plasmide Gene für Resistenzfaktoren (z. B. gegen Antibiotika), die den Trägern einen Selektionsvorteil vermitteln. Wenn die Gegenwart eines Plasmids für ein Bakterium keinen Überlebensvorteil bietet, dann verliert es dieses mit der Zeit. Plasmide mit Transfergenen können von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden.
  • 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.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Die somatischen Gentherapie dient der Kompensation von Gendefekten. Dabei wird die korrekte Form des defekten Gen in Körperzellen eingeschleust.
  • Translation im biologischen Sinn ist der Prozess, bei dem die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins übersetzt (translatiert) wird. Dieser Vorgang findet an den Ribosomen statt. Nach der Vorlage eines einzigen mRNA-Moleküls können zahlreiche Proteinmoleküle synthetisiert werde
  • 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).
  • Onkologie ist die Wissenschaft, die sich mit Krebs befasst. Im engeren Sinne ist Onkologie der Zweig der Medizin, der sich der Prävention, Diagnostik, Therapie und Nachsorge von malignen Erkrankungen widmet.
  • 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.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das im Zellinneren der Eukaryonten vorkommt. Als "Kraftwerk der Zelle" dient es der Energiegewinnung, weshalb Zellen mit hohem Energiebedarf (z. B. Muskel- oder Nervenzellen) viele Mitochondrien enthalten.
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