Auf dem Weg zur Therapie

Versuche an Mäusen haben gezeigt, dass fehlerhafte Genabschnitte, wie sie auch bei menschlichen Erbkrankheiten auftreten, durch das Editieren von Genen entfernt und die entsprechenden Krankheitsbilder behandelt werden können, zum Beispiel Muskeldystrophie Duchenne, Tyrosinämie oder Leber‘scher Kongenitaler Amaurose. Viele Mediziner sind deshalb davon überzeugt, dass sie durch das Editieren von Genen zum Beispiel Erbkrankheiten behandeln können, bei denen ein oder mehrere Gene nicht richtig funktionieren.

CRISPR-Cas9 ist beim Editieren des Genoms nur für den ersten Schritt zuständig: das Schneiden der DNA. Geht beim anschließenden Zusammenfügen der beiden Stränge eine Base (Buchstabe) verloren, kann das Gen nicht mehr korrekt abgelesen werden und ist somit außer Gefecht gesetzt (linker Ast). Wird dagegen ein Stück Fremd-DNA mit zu den Schnittstellen passenden Enden hinzugegeben, kann dieses eingebaut werden (rechts). Auf diese Weise kann ein neues Gen in ein Erbgut integriert werden.

CRISPR-Cas9, Zinkfingernukleasen und TALENs sind darüber hinaus auch schon an HIV-und Krebspatienten in ersten klinischen Studien getestet worden. Dass das Editieren von Genen auch beim Menschen erfolgreich eingesetzt werden kann, zeigen Studien mit Muskeldystrophie Duchenne-Patienten. Diese wiesen nach einer CRISPR-Cas9-Behandlung leicht erhöhte Werte eines Proteins auf, das bei dieser Krankheit wegen eines Gendefekts nicht gebildet werden kann.

Auch HIV-Patienten könnten von der Methode profitieren. In einer Studie entfernten Wissenschaftler das Gen für einen für die Infektion unverzichtbaren Immunzellrezeptor mithilfe einer Zink-Finger-Nuklease, so dass der Virus die Zellen der Patienten nicht mehr infizieren und zerstören konnte. Die Patienten hatten danach über Wochen mehr dieser Immunzellen im Blut. Darüber hinaus haben Forscher Teile des Virus-Erbguts mit CRISPR-Cas9 aus der DNA menschlicher Zellen bereits erfolgreich herausgeschnitten. Allerdings scheinen die Erreger rasch gegen die Genschere resistent zu werden.

Manche Forscher wollen zudem fehlerhafte Gene in der Keimbahn – also in Ei- und Spermazellen – editieren und dadurch Erbkrankheiten bei Embryonen aus künstlicher Befruchtung verhindern. Solche Eingriffe sind jedoch aus ethischen Gründen umstritten. Viele Wissenschaftler lehnen sie ab, da sie das Erbgut künftiger Generationen dauerhaft verändern.

Vorteile und Schwierigkeiten der Genom-Editierung

Bei der sogenannten "ex vivo" Genom Editierung werden dem Körper zunächst Stammzellen entnommen und deren Erbgut verändert. Dies geschieht entweder über genetisch veränderte Viren, die in ihrem Genom die Gene für CRISPR-Cas9 besitzen und die diese Gene ins Erbgut der Stammzellen einbauen. Die modifizierten Zellen können sich dann im Körper vermehren.
Alternativ werden die fertigen Moleküle des CRISPR-Cas-Systems in kleine Fetttröpfchen (Liposomen) verpackt, die von den Stammzellen aufgenommen werden.

Ohne die Genom-Editierung konnten Wissenschaftler Patienten mit einem defekten Gen bislang nur behandeln, indem sie mit den Viren ein neues funktionstüchtiges Gen in die betroffenen Zellen des Patienten einbauten. Dies sollte den Mangel eines Proteins ausgleichen, das von einem defekten Gen gar nicht oder nicht ausreichend produziert wird. Allerdings können die Forscher bei der klassischen Gentherapie nicht vorhersagen, wo genau im Erbgut die Viren das Gen einfügen werden. Deshalb kann es passieren, dass der Einbau ein ansonsten stillgelegtes Krebs-Gen aktiviert. Bei Immunschwäche-Patienten, die mittels Gentherapie behandelt worden waren, stieg aus diesem Grund das Leukämie-Risiko. 

Das Editieren bereits vorhandener Gene könnte dieses Risiko minimieren. Viren könnten wie bei einer klassischen Gentherapie die DNA für die RNA und Cas9 transportieren. Auf diese Weise ließen sich auch Erkrankungen behandeln, bei denen ein Gendefekt zu einem fehlerhaften und dadurch krankmachenden Protein führt. In solchen Fällen hilft es nicht, neue DNA einzufügen – das Gen für das eigentlich krankmachende Protein muss entfernt werden. Beispiele dafür sind manche Immunerkrankungen oder die Sichelzellenanämie.

Allerdings klappt die Reparatur von Genen nur in vergleichsweise wenigen Zellen. Es reicht schließlich nicht, nur einen fehlerhaften Genabschnitt auszuschneiden. Die Zelle muss anschließend die beiden Enden des DNA-Strangs wieder korrekt ergänzen und zusammenfügen. Dieser Reparaturmechanismus läuft nur in sich teilenden Zellen ab. Die meisten Körperzellen wie Nerven-, Muskel-, Leber- oder Blutstammzellen teilen sich jedoch nicht mehr.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass CRISPR-Cas9 zwar sein Ziel mit hoher Präzision findet, trotzdem in seltenen Fällen auch daneben greift. Die Folge könnten DNA-Brüche an unerwünschter Stelle im Erbgut des Patienten mit unvorhersehbaren Folgen sein. Hinzu kommt, dass CRISPR-Cas9 nach einer Gentherapie jahre- oder jahrzehntelang in den Zellen aktiv bliebe. Dies erhöht die Gefahr, dass die Genschere außerplanmäßig aktiv wird. Auch wenn Untersuchungen an Mäusen zeigten, dass dies selbst nach 20 Generationen keine offensichtlichen Auswirkungen hatte, wäre es sicherer, wenn CRISPR-Cas9 nur temporär aktiv wäre.

Transportvehikel für Genscheren

Beim "in vivo" Ansatz übertragen die Viren und die Liposomen die CRISPR-Cas-Gene bzw. die fertigen Moleküle direkt auf Zellen im Körper. Die Schwierigkeit hierbei besteht vor allem darin, dass CRISPR-Cas seine Zielzellen erreicht.

Bevor CRISPR-Cas9 bei menschlichen Patienten in größerem Umfang eingesetzt werden kann, gibt es aber noch eine weitere Hürde zu überwinden: Wie gelangt die Genschere an ihren Wirkort, kann sie gespritzt oder einfach als Tablette verabreicht werden?

Beide Darreichungsformen scheiden aus, da weder RNA-Moleküle noch Enzyme wie Cas9 durch die Membran einer Körperzelle gelangen würden. Beide würden zudem im Verdauungstrakt zerstört sowie in der Blutbahn von Immunzellen attackiert.

Mediziner brauchen also ein Vehikel, das CRISPR-Cas9 direkt ins Zellinnere schleust. Eine Möglichkeit wäre, dazu Nanopartikel wie zum Beispiel sogenannte Liposomen zu verwenden. Diese Millionstel Millimeter kleinen Fetttröpfchen könnten die „guide“-RNA und das Cas9-Enzym in ihrem Innern einschließen und durch die Fettmembran geschützt durch die Blutbahn zu den Zellen mit dem Gendefekt transportieren. Rezeptormoleküle in der Membran würden sicherstellen, dass die Liposomen an die Zellen andocken und ihren Inhalt ins Zellinnere abgeben können. Noch ist solch ein Verfahren allerdings Zukunftsmusik, denn die Nanopartikel sind für einen medizinischen Einsatz nicht ausgereift.

Im Gegensatz zu den noch in der Entwicklung befindlichen Nanopartikel werden Viren als Transportvehikel in der Gentherapie bereits eingesetzt. Schließlich sind sie von Natur aus dafür ausgelegt, an Zellen ihrer Wirte anzudocken, ihr Genmaterial einzuschleusen und es manchmal sogar in das Zellgenom einzubauen. Für die Gentherapie setzen Mediziner von Natur aus ungefährliche oder künstlich inaktivierte Viren ein. In den meisten Fällen entnehmen sie dabei dem Patienten Zellen und behandeln diese in einer Zellkultur mit den Viren. Bislang sind Gentherapien für Erkrankungen wie dem Schweren kombinierten Immundefekt (SCID), der Leber‘schen Kongenitalen Amaurose oder der Adrenoleukodystrophie an Patienten getestet worden.

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