Neuer Gen-Editing-Ansatz gibt Mukoviszidose-Patienten Hoffnung

UCLA-Forscher haben einen auf Lipid-Nanopartikeln basierenden Gen-Editing-Ansatz entwickelt, der in der Lage ist, ein ganzes gesundes Gen in menschliche Atemwegszellen einzufügen, wichtige biologische Funktionen in einem Labormodell von Mukoviszidose wiederherzustellen und einen potenziellen neuen Weg zur mutationsunabhängigen Gentherapie für vererbte Lungenerkrankungen zu etablieren.

Die Studie, veröffentlicht in Fortschrittliche Funktionsmaterialienzeigt, dass Lipid-Nanopartikel – winzige Partikel auf Fettbasis, die häufig zur Verabreichung von mRNA-Impfstoffen verwendet werden – so konstruiert werden können, dass sie die komplexe molekulare Ladung transportieren, die für die präzise Insertion eines großen Gens voller Länge in das Genom erforderlich ist, ohne dass virale Vektoren verwendet werden müssen.

Diese Arbeit zeigt, dass wir alles, was für die präzise Geninsertion erforderlich ist, in ein einziges, nicht-virales Abgabesystem packen können. Das ist ein entscheidender Schritt hin zur Entwicklung von Gentherapien, die bei vielen verschiedenen krankheitsverursachenden Mutationen wirken können.“

Dr. Steven Jonas, leitender Autor der Studie und Mitglied des UCLA Broad Stem Cell Research Center

Mukoviszidose wird durch Mutationen in einem einzelnen Gen verursacht, dem Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR), der einen Kanal kodiert, der dabei hilft, Chlorid und Wasser über die Oberfläche von Atemwegszellen zu transportieren. Wenn der Kanal nicht richtig funktioniert, wird der Schleim in der Lunge dick und klebrig, wodurch Bakterien eingeschlossen werden und es zu chronischen Infektionen und fortschreitenden Lungenschäden kommt.

Obwohl hochwirksame Medikamente, sogenannte CFTR-Modulatoren, die Behandlung vieler Menschen mit Mukoviszidose verändert haben, produzieren etwa 10 % der Patienten nur wenig oder gar kein CFTR-Protein, so dass für diese Medikamente nichts übrig bleibt, auf das sie einwirken können.

„Für diese Patienten ist die Gentherapie nicht nur eine Verbesserung – sie ist wirklich die einzige Option“, sagte Dr. Brigitte Gomperts, Mitautorin der Studie und stellvertretende Leiterin der translationalen Forschung am Stammzellzentrum. „Man muss der Zelle überhaupt erst die Fähigkeit geben, das Protein herzustellen.“

Ein neuer Weg, ein vollständiges Gen zu liefern

Da es über 1.700 verschiedene Mutationen im CFTR-Gen gibt, die Mukoviszidose verursachen können, wollte das Team einen universellen Ansatz entwickeln, der jeden dieser Fehler in einer einzigen Bearbeitung und nicht einzeln korrigieren könnte.

Die meisten experimentellen Gentherapien basieren auf viralen Vektoren, um genetisches Material in Zellen zu transportieren. Obwohl leistungsstarke, virale Ansätze kostspielig in der Herstellung sein können, können sie nur eine begrenzte Menge an genetischem Material enthalten und es ist schwierig, sie mehr als einmal zu verabreichen, da das Immunsystem sie erkennen und darauf reagieren kann.

In dieser Studie verwendete das UCLA-Team stattdessen Lipid-Nanopartikel als nicht-virales Abgabesystem. Die Partikel wurden so konstruiert, dass sie drei Gen-Editing-Komponenten gleichzeitig transportieren: CRISPR-Maschinen, um DNA an einer präzisen Stelle zu schneiden, Leitmoleküle, die auf die richtige genomische Stelle zielen, und eine DNA-Matrize, die eine vollständige, funktionsfähige Kopie des CFTR-Gens kodiert.

„All das in ein einziges Teilchen zu packen – insbesondere in ein so großes Gen wie CFTR – ist etwas, das bisher noch nicht gezeigt wurde“, sagte Ruth Foley, die Erstautorin der Studie und kürzlich promovierte Wissenschaftlerin. Absolvent des Jonas-Labors an der UCLA. „Wenn man das Problem der ‚großen Gene‘ lösen kann, öffnet es auch die Tür für viele andere Krankheiten.“

Die Forscher testeten das System an im Labor gezüchteten menschlichen Atemwegszellen, die eine schwere Mukoviszidose-Mutation trugen, die nicht auf bestehende Medikamente ansprach. Die Nanopartikel schleusten erfolgreich ein gesundes CFTR-Gen in etwa 3–4 % der Zellen ein.

Trotz dieses relativ geringen Anteils an korrigierten Zellen stellte die Behandlung zwischen 88 % und 100 % der normalen CFTR-Kanalfunktion in der gesamten Zellpopulation wieder her.

Die Forscher sagen, dass die Stärke dieser Erholung nicht nur darauf zurückzuführen ist, wo das Gen eingefügt wurde, sondern auch darauf, wie es manipuliert wurde.

Das CFTR-Ersatzgen wurde entwickelt, um die Proteinproduktion zu maximieren, sobald es in die Zelle gelangt ist, sodass selbst eine kleine Anzahl korrigierter Zellen eine übergroße Wirkung erzielen kann.

Dieses Gendesign – bekannt als Codon-Optimierung – wurde von Mitarbeitern im Labor von Dr. Donald Kohn an der UCLA entwickelt und steigert die CFTR-Proteinproduktion, ohne das Protein selbst zu verändern.

Auf dem Weg zu dauerhaften, einmaligen Therapien

Im Gegensatz zu Ansätzen, die Boten-RNA liefern – die immer wieder neu dosiert werden muss – fügt die neue Strategie das korrigierte Gen direkt in das Genom ein und ermöglicht es Zellen und ihren Nachkommen möglicherweise, im Laufe der Zeit weiterhin funktionsfähige CFTR zu produzieren.

Um einen langfristigen Nutzen zu erzielen, muss die Genbearbeitung jedoch letztendlich die Stammzellen der Atemwege erreichen, die tief in der Schutzschicht der Lunge sitzen und die Atemwege ein Leben lang regenerieren.

„Diese Stammzellen sind langlebig und regenerieren die Atemwege ständig“, sagte Gomperts, der auch Professor für Pädiatrie und Lungenmedizin an der David Geffen School of Medicine der UCLA ist. „Wenn Sie sie korrigieren können, könnten Sie theoretisch eine dauerhafte Quelle gesunder Zellen haben.“

Das Erreichen dieser Zellen bleibt eine der größten Herausforderungen der Zukunft. Die Atemwege sind so konzipiert, dass sie Fremdpartikel blockieren, und bei Patienten mit Mukoviszidose bildet dicker Schleim eine zusätzliche Barriere.

„Dieses Papier ist ein Proof of Concept“, sagte Jonas, der auch Assistenzprofessor für Pädiatrie an der medizinischen Fakultät und Mitglied des California NanoSystems Institute ist. „Es zeigt, dass wir die richtige genetische Ladung verpacken und transportieren können. Die nächste Herausforderung besteht darin, sie zu den richtigen Zellen im Körper zu bringen.“

Eine Plattform mit umfassenderen Auswirkungen

Da Lipid-Nanopartikel modular aufgebaut sind und nicht auf viralen Komponenten basieren, könnte der Ansatz flexibler, skalierbarer und möglicherweise erschwinglicher sein als herkömmliche Gentherapien.

„Diese Art von Plattform bietet Raum für Iterationen“, sagte Foley. „Wenn Sie die Ladung für eine andere Krankheit neu dosieren oder anpassen müssen, fangen Sie nicht bei Null an.“

Über die Mukoviszidose hinaus könnten die Forscher die Strategie auch auf andere genetisch bedingte Lungenerkrankungen anwenden – und möglicherweise auf Erkrankungen in anderen Geweben –, die durch große Gene mit vielen möglichen Mutationen verursacht werden.

„Für Patienten, die derzeit keine wirksamen Behandlungsmöglichkeiten haben“, sagte Gomperts, „stellt diese Art von Arbeit Hoffnung dar – nicht weil sie morgen fertig sein wird, sondern weil sie einen Weg nach vorne zeigt.“

Weitere Autoren sind Paul G. Ayoub, Vrishti Sinha, Colin Juett, Alicia Sanoyca, Emily C. Duggan, Lindsay E. Lathrop, Priyanka Bhatt, Kevin Coote und Beate Illek.

Die Forschung wurde von den National Institutes of Health, der Cystic Fibrosis Foundation, dem California Institute for Regenerative Medicine und dem Cystic Fibrosis Research Institute unterstützt.

Quellen: