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GeneWerk: Präzisionsanalysen für die Gentherapie

Gentherapeutische Ansätze werden zunehmend für die Behandlung lebensbedrohender Krankheiten des Menschen eingesetzt. Die GeneWerk GmbH, ein Spin-off des DKFZ und des NCT in Heidelberg, bietet ihren Kunden individuell zugeschnittene, hochauflösende molekulargenetische Analysen und bioinformatische Auswertungen an. Damit will GeneWerk Wirksamkeit und Sicherheit gen- und immuntherapeutischer Studien gewährleisten.

Die Gentherapie gilt als einer der großen Hoffnungsträger für die Behandlung unheilbarer Krankheiten. Mittlerweile hat man bei lebensbedrohenden genetischen Defekten virale Vektoren zum Gentransfer in menschliche Zellen schon häufig eingesetzt. Die Anzahl gentherapeutischer klinischer Studien weltweit wächst rasant. Die therapeutischen Ergebnisse sind äußerst erfolgversprechend. Um aber schwere Nebenwirkungen auszuschließen, die mit der Gentherapie verbunden sein können, müssen die als Genfähren adaptierten Viren sorgfältig auf ihre Sicherheit geprüft und die durch den Gentransfer bedingten Veränderungen in den Zellen analysiert werden. Die GeneWerk GmbH, ein im Technologiepark Heidelberg ansässiges Spin-off des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) und des Nationalen Centrums für Tumorerkrankungen (NCT), besitzt eine einzigartige Expertise, um mit hocheffizienten molekularen Analysesystemen die Sicherheit viraler Vektoren in der gentherapeutischen Anwendung zu bestimmen.

Glossar

  • Antigene sind Fremdstoffe, die das Immunsystem zur Produktion von Antikörpern anregen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • 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.
  • Mit Insertion ist im biologischen Zusammenhang meist das Einfügen von DNA-Abschnitten in ein anderes DNA-Molekül gemeint.
  • Ein Klon ist eine genetisch identische Kopie eines Lebewesens, die auf natürlichem Weg durch Teilung aus einer einzigen Zelle entsteht. Beispiele für natürliche Klone sind Bakterienkolonien auf der Ebene der Einzeller und Zwillinge auf der Ebene der mehrzelligen Organismen. Bei der gentechnischen Variante der Klonerzeugung, der sogenannten Klonierung, wird entweder DNA in vitro neu kombiniert und anschließend in Zellkulturen vermehrt oder es werden genetisch identische Zellen oder auch Lebewesen durch Transplatation eines Zellkerns einer Körperzelle in eine undifferenzierte Zelle (Eizelle, Stammzelle) erzeugt.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Eine Nuklease ist ein Enzym, das DNA oder RNA spaltet, indem Phosphordiesterbrücken hydrolysiert werden.
  • 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.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • 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).
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • 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.
  • Eine Immuntherapie ist eine Behandlungsform von Krankheiten, bei der das Immunsystem einbezogen und ausgenutzt wird. Immuntherapeutische Verfahren werden unter anderem für die Behandlung von Allergien, Krebs, Infektions- und Autoimmunkrankheiten eingesetzt.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Validierung oder Validation ist der Prozess der Prüfung einer These oder eines Lösungsansatzes in Bezug auf das zu lösende Problem.
  • 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.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.

Präzisionsbiologie – für den Menschen

Prof. Dr. Christof von Kalle © NCT
Dr. Annette Deichmann © GeneWerk GmbH
Dr. Manfred Schmidt © GeneWerk GmbH

Die GeneWerk GmbH wurde im Juli 2014 von Prof. Dr. Christof von Kalle, Dr. Manfred Schmidt und Dr. Annette Deichmann gegründet. Schmidt und Deichmann sind gemeinsam Gesellschafter und Geschäftsführer des Unternehmens, an dem auch das DKFZ direkt beteiligt ist. Der Onkologe und Hämatologe Christof von Kalle, Leiter der Abteilung für Translationale Onkologie am NCT und DKFZ und Geschäftsführender Direktor des NCT, ist ein international führender Wissenschaftler auf den Gebieten der Stammzellforschung, Mutationsanalyse und Gentransfer. Er bleibt dem Unternehmen beratend eng verbunden. Der Molekularbiologe Manfred Schmidt hatte sich vor allem durch die Weiterentwicklung komplexer PCR-Technologien zu analytischen Werkzeugen einen Namen gemacht. Mit diesen kann die Insertion von Virus-DNA in das Wirtsgenom mit höchster Genauigkeit bis hinab auf Einzelzell-Ebene überprüft werden. Als Leiter der Forschungsgruppe „Molekulare und Gentherapie in der Abteilung Translationale Onkologie am NCT und DKFZ war er an den meisten erfolgreichen Gentherapiestudien weltweit beteiligt, die die Heilung von Immundefizienzen zum Ziel hatten, um die klonale Zusammensetzung der blutbildenden Zellen zu überwachen und die Entwicklung eines Blutkrebses auszuschließen. Die Biologin Annette Deichmann hatte auf Gebieten der Mikrobiologie, Biochemie und Humangenetik an Universitäten im In- und Ausland geforscht wie auch Einblicke in die Forschung in der Industrie erhalten, bevor sie im wissenschaftlichen Projektmanagement und als Koordinatorin in von Kalles Forschungsabteilung tätig wurde. Sie ist auch weiterhin wissenschaftlich an den Forschungsprojekten beteiligt.

GeneWerks Team verfügt über jahrelange Erfahrung im Bereich Integrationsstellenanalyse, Hochdurchsatzsequenzierung, Ganzgenomanalysen und Bioinformatik und kann mit einem breiten Repertoire an hochsensitiven molekulargenetischen Verfahren individuell auf die Bedürfnisse seiner Kunden eingehen. Unter dem Firmenmotto „Präzisionsbiologie für den Menschen“ werden innovative Forschungskonzepte und Analyseplattformen entwickelt, um die Wirksamkeit und Sicherheit bei neuen gen- und immuntherapeutischen Studien zu gewährleisten. Die Kreativität der eigenen technologischen Entwicklungen zeigt sich beispielsweise in der „nicht-restriktiven linearen amplifikationsmediierten PCR“ (nrLAM-PCR). Diese erlaubt es, die Insertionsstellen von Viren, die als Vektoren in menschliche Zellen integriert werden, genau zu analysieren und so der Gefahr einer durch die Vektorsysteme induzierten Tumorigenese entgegenzuwirken.

GeneWerks Produkte

Schema der nrLAM-PCR (nicht-restriktive lineare amplifikationsmediierte Polymerase-Kettenreaktion) im Vergleich zur LAM-PCR (Abkürzungen: LTR, long terminal repeat; dsDNA, Doppelstrang-DNA; ssDNA, Einzelstrang-DNA). © GeneWerk GmbH

Für die Bestimmung der Integrationsstellen viraler Vektoren in das Genom bietet GeneWerk neben der (nr)LAM-PCR auch die Methode des Target Enrichment Sequencing (TES) zur Anreicherung der gesuchten Sequenzen an.

Zu den angebotenen Standarduntersuchungen gehören außerdem:

  • Immun-Repertoire-Analysen durch Sequenzierung der hypervariablen Region der T-Zell-Rezeptoren; dadurch können die Klonalität und der funktionelle Status einer T-Zellpopulation bestimmt werden. In Kürze werden auch vergleichbare Analysen für B-Zell-Rezeptoren zur Bestimmung des Immunstatus und der Antigenerkennung angeboten.
  • Quantitative PCR (qPCR) für die gleichzeitige Amplifikation und Quantifizierung von DNA- oder RNA-Fragmenten.
  • (Off)-target Analysen zur Genom-Editierung, d.h. die Analyse unspezifischer Genomsequenz-Modifikationen außerhalb der Zielstelle bei der Verwendung von Designer-Nukleasen wie zum Beispiel Zinkfinger-Nuklease, TALEN und CRISPR/Cas9.
  • Spezifische Bioinformatik- und Datenmanagement-Programme für Next-Generation-Sequencing-Projekte, Ganzgenomanalysen, Modellierungen und Computersimulationen.

Die erhobenen Daten werden von GeneWerks hochqualifizierten Mitarbeitern den individuellen Bedürfnissen entsprechend bioinformatisch weiter analysiert. Hohe Qualitätsstandards und die stetige Optimierung der analytischen Verfahren ermöglichen es, in kurzer Zeit reproduzierbare Daten zu liefern. Um den Anforderungen zu genügen und die anfallenden gewaltigen Datenmengen effizient auswerten zu können, wird die IT-Infrastruktur neu aufgestellt. Auch wird die Zertifizierung des Unternehmens weiter vorangetrieben. Damit zielt GeneWerk mit seiner vielseitigen, validierten Analysepipeline auch auf Kunden unter den großen internationalen biopharmazeutischen Unternehmen. Diese engagieren sich zunehmend in der Gentherapie als einer erfolgversprechenden Option zur Behandlung von Krebs und anderen bisher unheilbaren Erkrankungen.

Literatur:

Christof von Kalle, Annette Deichmann, Manfred Schmidt: Vector integration and tumorigenesis. Human Gene Therapy, June 2014, DOI: 10.1089/hum.2014.2525

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/genewerk-praezisionsanalysen-fuer-die-gentherapie/