Erstellungsdatum: 02/2000 letzte Änderung: 03/2000



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Gentherapie bei Mukoviszidose

Dieser Bericht wurde eigens von Dr.med Sebastian Beck für´s Mukoland geschrieben und zur Verfügung gestellt. Ich bedanke mich herzlich bei Sebastian und freue mich auf weitere Zusammenarbeit.


Dr. med. Sebastian Beck
geb. 1965
Arbeitsgruppe Cystische Fibrose
Centro de Genética Humana
Instituto Nacional de Saúde Dr. Ricardo Jorge
Lissabon, Portugal
sebastian_beck@hotmail.com

Was ist ein Gen

Ein Gen ist eine Erbanlage, die für ein bestimmtes Protein (Eiweiss) codiert. Das heisst im Beispiel Mukoviszidose: das CFTR-Gen (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) dient als DNS-"Vorlage" für die Biosythese von CFTR-Boten-RNS und diese RNS dient dann wieder als Vorlage für die Biosynthese von CFTR (dem Protein) in den Zellen. Es gibt Gene, die in allen Zellen des Körpers abgelesen werden, die meisten Gene werden jedoch nur in den Zellen bestimmter Organe abgelesen und sind in den restlichen Körperzellen "stumm". Geregelt wird die Synthese also auf zwei verschiedenen Ebenen: der Synthese von Boten-RNS und der Synthese des Proteins. CFTR wird z.B. in Lunge, Darm, Bauchspeicheldrüse, Schweissdrüsen, Leber und (weniger bekannt, da nicht krankheitsrelevant) in der Niere synthetisiert. Bei Menschen mit Mukoviszidose liegt ein Defekt im CFTR-Gen vor, der dazu führt, dass das Protein CFTR entweder fehlerhaft oder nicht in ausreichender Menge hergestellt wird. "Nicht in ausreichender Menge" weist schon darauf hin, dass - um die Krankheit Mukoviszidose zu verhindern - eine 100%ige Biosynthese gar nicht notwendig ist. Jemand, der kein Merkmalsträger für Mukoviszidose ist, produziert in seinen Zellen etwa 5 mal mehr CFTR als er braucht, um die Mukoviszidose-Symptome zu vermeiden. Ein Träger des Gendefektes auf einem Chromosom (also Vater oder Mutter eines Kindes mit Mukoviszidose) produziert immerhin noch mehr als doppelt soviel wie er benötigt. Daher sind Merkmalsträger auch nicht krank.

Gentransfer im Reagenzglas oder in Pflanzen ...

... ist schon weit vorangekommen. Man kann in eine Zelle (in einen Zellkern) zellfremde DNS einschleusen und die RNS-Synthese aktivieren. Diese Vorlage wird dann von der Zelle genauso abgelesen, wie die zelleigene Boten-RNS und das entsprechende Protein hergestellt. Ein bekanntes Beispiel, das für Polemik gesorgt hat, war das Einschleusen von einem Nuss-Eiweiss in Soja. Die so veränderten Sojapflanzen haben das Nuss-Eiweiss in großer Menge produziert und haben auf diese Weise einen höheren Eiweissgehalt gehabt. Dieses Beispiel ist vor allem dadurch bekannt geworden, dass Menschen mit Nuss-Allergie, die auf Proteine anderer Herkunft angewiesen sind, nun auch starke allergische Reaktionen auf solcherart veränderte Sojaprodukte bekommen haben.

Man kann Zellen, die normalerweise kein CFTR produzieren, mit einer intakten CFTR-DNS transfizieren (so heisst das). Anschliessend kann man zeigen, dass diese Zellen sowohl die Boten-RNS als auch das Protein produzieren. Ja, sie transportieren das CFTR-Protein sogar an die Zelloberfläche und dort funktioniert es auch, genauso wie in Zellen, die dieses Gen in der intakten Form besitzen.
Dies wurde unter anderem sowohl mit Pancreaszellen von CF-Patienten, als auch mit Zellen aus Organen, in denen natürlicherweise kein CFTR synthetisiert wird, schon mehrfach durchgeführt. Ja, man kann sagen, dass diese Experimente im Labor schon nichts Besonderes mehr sind.

Wie schleust man ein Gen in eine Zelle?

Die naheliegendste Methode schaut man bei der Natur ab: Viren enthalten DNS, haben jedoch keinen Enzymapparat um diese DNS abzulesen und das Protein zu synthetisieren. Sie machen ebenfalls Gentransfer: Sie schleusen ihre DNS in den Zellkern der infizierten Zelle, aktivieren das Gen, und veranlassen so die infizierte Zelle dazu, lauter Viren-Proteine zu synthetisieren. Man kann Viren-DNS im Reagenzglas mit der gewünschten DNS koppeln, und anschliessend den Menschen mit diesen veränderten Viren infizieren. Dabei macht man sich sowohl die Aktivierungsmechanismen als auch die Organspezifität bestimmter Viren zunutze: Um einen Defekt in der Leber zu korrigieren, nimmt man Viren, die normalerweise eine Leberentzündung (Hepatitis) verursachen und für die Lunge nimmt man Viren, die Lungenentzündung verursachen. Bereits hier soll darauf hingewiesen werden, dass die körpereigenen Abwehrmechanismen normalerweise auch dafür da sind, virale Infekte zu bekämpfen. Der natürliche Vorgang ist normalerweise, dass die befallenen Zellen gezielt absterben. Ähnlich wie bei einer Trasplantation muss man also auch bei einem solchen Eingriff die körpereigene Immunabwehr überlisten.
Ein zweiter vielversprechender Ansatz ist eher künstlich: Das Problem beim Einschleusen in die Zelle ist das Überwinden der Zellmembran. Diese Membran ist fettlöslich und somit normalerweise undurchlässig für wasserlösliche Substanzen (wie in diesem Fall DNS). Man kann die DNS in kleine Fetttröpfchen (Liposomen) verpacken. Wenn die Liposomen auf eine Zellmembran treffen, verschmelzen sie mit der Membran und lassen die DNS in das Zellinnere gelangen. Wie die DNS dann noch die zweite Barriere - die Membran des Zellkerns - überwindet, weiss man nicht genau. Aber offenbar kommt etwas im Zellkern an, denn auch bei diesen Experimenten, kann man anschliessend das Produkt (CFTR-Protein) und die Funktion in der Zelle nachweisen. Solche Liposomen können per Inhalator verabreicht werden.

Gentherapie

Wenn diese Methoden am Menschen angewandt werden (sollen), nennt man es Gentherapie.
Unter den Begriff Gentherapie fallen auch noch andere Manipulationen, bei denen noch mehr "um die Ecke" gedacht wird. Dies nur der Vollständigkeit halber, ohne genauer darauf einzugehen, da es für das Beispiel Mukoviszidose (bislang?) keine Rolle spielt.

Konkretes zur Mukoviszidose

Bei den derzeit laufenden Forschungsprojekten zur Gentherapie versucht man den Defekt in der Lunge anzugehen. Das heisst, selbst wenn es klappt, werden die Patienten die anderen Symptome beibehalten (positiver Schweisstest, Pankrasinsuffizienz, Diabetes, Leberbeteiligung).

Kontrollverfahren:

Die Lunge ist ein schwer zugängliches Organ. Im Nasen-Rachenraum gibt es eine Region, wo sich ebenfalls lungentypische Flimmerzellen befinden. An diesem Gewebe wird z.B. auch die nasale Potentialdifferenzmessung zur Diagnosestellung durchgeführt. Da es sich um einen spezifischen Funktionstest handelt, kann man hier auch den Erfolg der Gentherapie kontrollieren. Daneben können diese Zellen auch einfach und schmerzfrei mit einer kleinen Bürste entnommen werden und im Labor (z.B. Mikroskop oder RNS-Gehalt) untersucht werden. (Ein wenig unangenehm ist diese Entnahme natürlich schon, aber wirklich nur wenig...)
Viele Studien beschränken sich aus diesem Grund schon im Ansatz darauf, den Gendefekt vorläufig nur in der Nase zu beheben. Das scheint nur ein kleiner Schritt in Richtung der Therapie zu sein, und eine Besserung der Lungensymptome wird dabei vorläufig nicht angestrebt. Aber man kann so auch schon wichtige Erkenntnisse gewinnen und dort sind weniger schwere Nebenwirkungen zu erwarten. Ein viraler Infekt wäre nicht so schlimm.

Lunge - wo genau?

Hier stösst man gleich auf mehrere Probleme:
1.) Es handelt sich um Epithelzellen, die einem regelmässigen Abbau- und Erneuerungsprozess unterliegen. Wenn man also erfolgreich die oberflächliche Schicht erreicht, und den Defekt dort korrigieren kann, wird auf ganz natürliche Art diese Schicht nach ein paar Wochen abgestossen und durch nachwachsende Zellen ersetzt, die wieder die körpereigene ("defekte") Erbanlage tragen. (Das gilt genauso für die nasalen Epithelzellen.) Man muss also die Basalzellschicht erreichen. Das ist eine Zellschicht, die unter der Oberfläche sitzt, sich ständig teilt, und so für den Nachschub der Zellen sorgt, die die absterbenden Zellen der obersten Schicht ersetzen. Wenn man es schaffen könnte, die DNS in diesen Basalzellen zu verändern, würde jede durch Teilung entstehende Tochterzelle ebenfalls die korrigierte DNS enthalten.

2.) Derzeit ist man sich nicht einmal sicher, ob der Gendefekt in den Epithelzellen oder in den Drüsenzellen der Lunge behoben werden muss. Sicher, CFTR ist in den Epithelzellen nachweisbar, aber bedeutet das auch das der Defekt in diesen Zellen für die Krankheit ausschlaggebend ist? Zum Beispiel wird CFTR auch in der Niere in hoher Konzentration hergestellt, aber Mukoviszidosepatienten sind nicht Nierenkrank. Dort macht es offenbar nichts aus, wenn es fehlt. Es wäre natürlich umsonst, die falschen Zielzellen zu behandeln.

Was wurde schon erreicht?

Bei den ersten Versuchen wurde die Lunge (und die Nase) mit einem gentechnisch veränderten Virus infiziert, und man hat sich nicht so sehr um diese Details gekümmert. Die Ergebnisse waren dann auch zwiespältig: Einerseits vielversprechend (die nasale Potentialdifferenz zeigte eine Normalisierung), andererseits frustrierend. (Der Effekt hielt maximal 4 Wochen an, und es gab auch Patienten, die eine schwere virale Lungenentzündung erlitten.)

Richard C. Boucher, einer der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet, hat in einem Übersichtsartikel im Februar 1999 (1) geschrieben, dass die Entwicklung der Gentherapie für die Mukoviszidosebehandlung ein "Muss" sein sollte. [Gene therapy for the treatment of cystic fibrosis should become a "natural".] Dies begründet sich aus der Häufigkeit und Schwere der Erkrankung und auch aus der Detailkenntnis, die bereits erworben wurde. Als grösste Hürde bezeichnet er die Schwierigkeiten beim Transport der künstlichen DNS in die Zellen. Die körpereigene Abwehr sei extrem effektiv, sich gegen ein solches "Endringen" zu wehren. Hier sieht er noch Forschungsbedarf sowohl hinsichtlich der Transportvehikel (Viren oder Liposomen), als auch hinsichtlich der Möglichkeiten, die natürliche Abwehr zu überlisten.

Hoffnung macht, dass nur etwa 10% der normalerweise synthetisierten RNS schon ausreichend zu sein scheinen, schwere Symptome zu vermeiden.

(1) Richard C. Boucher (1999) Status of gene therapy for cystic fibrosis lung disease. Journal of Clinical Investigation, Volume 103, Number 4, 441-445.

Online unter: http://www.jci.org/cgi/content/full/103/4/441 Dort wird auch auf weitere Literatur verwiesen.