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Gentherapien bei Lungenerkrankungen kurz vor dem Ziel

Bei vielen genetischen Erkrankungen wie beispielsweise Mukoviszidose oder β-Thalassämie besteht die einzige Chance auf Heilung in einer Gentherapie, das heißt dem Ersatz oder der Korrektur des fehlerhaften Gens. Geforscht wird auf diesem Gebiet bereits seit Jahren mit Hochdruck. Bislang gibt es jedoch nur sehr wenige erfolgreiche Therapien fehlerhafter Gene beim Menschen. Dr. Michael Kormann, Juniorprofessor an der Kinderklinik der Universität Tübingen, beschäftigt sich mit seiner Arbeitsgruppe mit „heilenden Genen“: Die Wissenschaftler arbeiten an Techniken zur Gentherapie und -korrektur bei schweren, vererbbaren Lungenerkrankungen. Sie konnten damit Mäuse mit Surfactant-Protein-B-Defizienz mit Hilfe von modifizierten Ribonukleinsäuren bereits lebenserhaltend therapieren.

Gentherapie und Genkorrektur sind hochmoderne neue Therapiemöglichkeiten für Patienten mit schweren, vererbten Erkrankungen. Hierbei wird ein krankes Gen durch die gesunde Variante ersetzt oder ein schwaches Gen in seiner Produktionskette von Proteinen unterstützt. Mit solchen genetischen Techniken beschäftigen sich Dr. Michael Kormann, Biologe und Juniorprofessor für translationale Genomik und Gentherapie an der Kinderklinik der Universität Tübingen, und seine Arbeitsgruppe. Die Wissenschaftler erarbeiten neue Methoden zur Therapie und Korrektur von Genen vor allem bei Mukoviszidose oder bestimmten Formen von Asthma, aber auch bei Erkrankungen des Blutes wie der β-Thalassämie.

Gensupplementation mit modifizierter Messenger-RNA

Juniorprofessor Dr. Michael Kormann erforscht an der Tübinger Kinderklinik Techniken zur Gentherapie und Genkorrektur bei schweren, vererbbaren Lungenerkrankungen. © Kormann

Für ihre Forschungsarbeiten verwenden die Tübinger Genetiker unter anderem Mausmodelle mit einer Surfactant-Protein-B-Defizienz, so genannte SP-B-Mäuse. Diese seltene, angeborene und sehr schwere Erkrankung des Atmungssystems führt beim Menschen dazu, dass Neugeborene bislang nur wenige Monate überleben können. Die SP-B-Mäuse wurden an der Tübinger Kinderklinik einer Gensupplementationstherapie unterzogen, das heißt, ihnen wurde das fehlende Genprodukt verabreicht.

Dazu sprühten die Wissenschaftler den Tieren mRNA mit der Sequenz für SP-B in die Lunge, sodass daraufhin am Proteinsyntheseapparat der erkrankten Lungenzellen korrektes SP-B-Protein gebildet wurde. Die Defizienz konnte damit ausgeglichen werden. Die mRNA wurde zuvor noch mit speziellen Modifikationen versehen: „Das machen wir zum einen, da die entsprechende natürliche Ribonukleinsäure in vivo, also im Körper, sehr instabil ist, und zum anderen sehr starke Immunantworten hervorruft“, erklärt Michael Kormann. „Deshalb haben wir die mRNA in einer Art „Mimikry“ so modifiziert, dass diese neuartige mRNA keine Immunreaktionen und damit verbundenen Nebenwirkungen hervorrufen.“

Die speziellen Nukleinsäuren zur Verwendung bei Gentherapien hat Kormann als Postdoktorand gemeinsam mit PD Dr. Carsten Rudolph an der Universität München entwickelt. Das Patent hierfür hat der Biologe mittlerweile an die Münchner Biotechnologiefirma ethris GmbH abgetreten. Die mRNA für Forschungszwecke wird aber weiterhin selbst im Labor in Tübingen hergestellt und dort auch weiterentwickelt.

Ausweitung auf andere Erkrankungen und den Menschen

Genkorrektur durch Nukleasen, die über nukleotid-modifizierte mRNA kodiert werden. Ein lungengängiger AAV-Vektor (1.) transportiert das Reparaturtemplate in die Zelle und den Kern (2.). Danach wird modifizierte mRNA, die die spezifischen Nukleasen wie Zinkfinger- oder TAL-Effektor-Nukleasen kodiert (3.), in das Zytoplasma eingeschleust (4.), wo es sofort in das Nukleasen-Protein-Paar umgeschrieben wird (5.). Das Nukleasen-Paar wird in den Kern transportiert, wo es an die Zielregion (nahe des Gendefektes) bindet und einen Doppelstrangbruch (DSB) erzeugt (6.). Der DSB wiederum stimuliert Reparaturmechanismen der Zelle, inklusive homologer Rekombination, im Zuge welcher der genetische Defekt mit dem korrekten DNA-Code, enthalten im Reparaturtemplate, ausgetauscht wird (7.). © Kormann

Die Gensupplementationstherapie war bei den SP-B-Mäusen sehr erfolgreich: Mit Hilfe der modifizierten mRNA gelang es Kormann und seinen Mitarbeitern bereits im Jahr 2010, die Mäuse lebenserhaltend zu therapieren. „Hierfür braucht man nur geringe Mengen an Nukleinsäure“, so Kormann. „Das liegt bei Mäusen im Mikrogrammbereich, beim Menschen rechnet man mit Mengen im Grammbereich.“ Allerdings wurde die Therapie bislang noch nicht auf den Menschen übertragen.

Seit dem Biologen vor drei Jahren die Juniorprofessur übertragen wurde, arbeitet Kormann daran, solche Techniken zunächst auch auf andere Erkrankungen wie beispielsweise Asthma zu übertragen, um auf diesem Gebiet individualisierte Therapien zu fördern. Für die Behandlung dieser heutzutage häufigsten Lungenerkrankung beim Menschen verwenden die Wissenschaftler Asthma-Mausmodelle, und auch diese konnten bereits erfolgreich mit modifizierter mRNA sowohl therapeutisch als auch präventiv behandelt werden.

Nächstes großes Ziel der Tübinger Biologen ist nun die Übertragung der Supplementationstherapie auf den Menschen: Sobald die entsprechenden Techniken etabliert sind, wird eine maßgeschneiderte Therapie idealerweise so aussehen, dass man für jede Erkrankung zunächst einmal eine umfassende genetische Analytik durchführt und feststellt, welche Gene überhaupt betroffen sind. Beim Asthma sind - neben der Umwelt - sehr viele Gene am Ausbruch und dem Verlauf der Krankheit beteiligt. Deren Varianten werden zunächst identifiziert, damit die fehlregulierten Gene dann entsprechend gezielt therapiert werden können.

Genkorrektur außerhalb des Körpers

Weiterhin forscht Kormanns Arbeitsgruppe aber auch daran, fehlerhafte Gene nicht nur per Supplementationstherapie zu unterstützen, sondern solche Sequenzen auch gezielt zu korrigieren. Eine solche Ex-vivo-Therapie erhalten Patienten mit β-Thalassämie – eine gerade im arabischen Raum häufige Erkrankung der roten Blutkörperchen. Den Betroffenen werden Knochenmarksstammzellen entnommen. Anschließend versuchen die Tübinger Wissenschaftler, diese außerhalb des Körpers zu korrigieren. Wenn dieser Schritt klappt, werden die Zellen zunächst in immunkompromittierte Mäuse injiziert, um das Anwachsen der gesunden Zellen im Körper zu beobachten.

In-vivo-Genkorrektur mit Nukleasen

Intratracheale Injektion. Eine Hochdruckspritze (high pressure syringe) mit Borosilikat-Glaseinsatz, Teflonkolben und 50-µl-Separationsringen (removable spacer) wird unter Nutzung eins Kaltlicht-Laryngoskopes (cold light laryngoscope) in die Maustrachea eingeführt. Während der Prozedur ist die Maus narkotisiert und an den Frontzähnen auf einer Intubationsplattform im 45°-Winkel fixiert (plate system at 45° angle). © Kormann

Eine andere Strategie ist die In-vivo-Genkorrektur, bei der das fehlerhafte Gen direkt im Körper des Patienten korrigiert wird. Hierzu erzeugen die Biologen Brüche des DNA-Doppelstrangs in der Nähe des Gendefekts. Diese werden von speziellen Enzymen ausgeführt - Nukleasen, die Sequenzen ganz spezifisch erkennen und dort die DNA schneiden können. Am Schnitt kann dann die speziell hergestellte, korrekte Nukleinsäure über Konstrukte aus Adeno-assoziierten viralen Vektoren - sogenannte AAV - defekte DNA austauschen: Das Gen ist somit korrigiert. Der Vorteil hierbei ist es, dass das Gen unter der gleichen, ursprünglichen Kontrollinstanz - dem Promotor - verbleibt.

Zunächst wurden für diese Verfahren virale Vektoren verwendet. „Diese Bestandteile aus Viren haben jedoch den Nachteil, dass sie oft noch Jahre nach der Therapie aktiv sind“, so Kormann.

Aktuell setzen die Tübinger Forscher deshalb spezielle mRNA (nec-mRNA, nuclease encoded chemically modified-mRNA) ein, die von den Lungenzellen gut aufgenommen wird und weniger Nebenwirkungen hat, weil sie im Gegensatz zum viralen System nicht ins Genom integriert wird. Der Abbau der mRNA ist über Modifikationen sehr gut steuerbar, sie produziert schnell und effizient die nötigen Nukleasen und dringt sowohl in sich teilende als auch sich nicht-teilende Zellen wirkungsvoll ein“, erklärt Kormann.

Genkorrektur per Lungenspray

Eine solche Genkorrektur nahmen die Tübinger Wissenschaftler bei SP-B-Mäusen vor. Hier konnten die SP-B-Zellen bereits so erfolgreich korrigiert werden, dass die Tiere vier- bis fünffach länger überlebten: Den Tieren wurde die Medikamentenmischung aus nec-mRNA und AAV als Spray intratracheal in die Lunge verabreicht. Nun sind die Wissenschaftler dabei, die Technik weiter zu verfeinern: Beispielsweise soll versucht werden, einzelsträngige DNA anstatt AAVs zu verwenden. Das Patent auf dieses System ist bereits beantragt.

Im nächsten Schritt soll die Genkorrektur beim Menschen getestet werden. Geplant ist es, dazu in den nächsten zwei Jahren humanisierte Mausmodelle zu erzeugen und die Schneidewerkzeuge für die Nukleinsäure - das Nukleasesystem - entsprechend zu gestalten. Die Tests bei Patienten werden dann als Heilversuche durchgeführt. Sind diese erfolgreich, können klinische Studien mit Mukoviszidose-Patienten folgen.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • 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.
  • Eine Nuklease ist ein Enzym, das DNA oder RNA spaltet, indem Phosphordiesterbrücken hydrolysiert werden.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Ein Promotor ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Expression der dahinter liegenden Gene reguliert. Dies geschieht, indem DNA-bindende Proteine, so genannte Transkriptionsfaktoren, an den Promotor binden und so ein Startsignal für die RNA-Polymerase geben, welche eine mRNA-Kopie der Gene anfertigt.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • 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.
  • 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).
  • Die somatischen Gentherapie dient der Kompensation von Gendefekten. Dabei wird die korrekte Form des defekten Gen in Körperzellen eingeschleust.
  • 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).
  • Messenger-RNA (Abk.: mRNA) ist eine Ribonukleinsäure, die eine Kopie eines kurzen DNA-Stücks darstellt und als Vorlage für die Synthese eines spezifischen Proteins dient.
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