Wie die Gentherapie funktioniert

Erinnern Sie sich an Charlie Gordon? Er war der Star von „Flowers for Algernon“, einem gefeierten Roman (und später mit einem Oscar ausgezeichneten Film), der 1966 von Daniel Keyes geschrieben wurde.

Gordon war ein 32-jähriger geistig behinderter Mann, dessen Behinderung auf einen unbehandelten Fall von Phenylketonurie ( PKU ) zurückgeführt werden konnte, einer Krankheit, die durch den Verlust eines Gens verursacht wird. Dieses Gen kodiert für ein Enzym, das die Aminosäure Phenylalanin verstoffwechselt . Wenn Menschen mit PKU Lebensmittel essen, die Phenylalanin enthalten, sammeln sich die Verbindung und ihre Nebenprodukte in ihrem Blut an und werden giftig, was zu Hirnschäden, Pigmentverlust, Krampfanfällen und einer Vielzahl anderer Probleme führt.

In der Welt der Fiktion überwindet Gordon schließlich die Erbkrankheit, indem er sich einer experimentellen Operation unterzieht, um seine Intelligenz zu steigern. In Wirklichkeit haben Menschen, die mit dieser Krankheit geboren wurden, eine ganz andere Erfahrung, aber nur, weil sie eine strenge eiweißarme Diät einhalten, um Phenylalanin enthaltende Lebensmittel wie Fleisch aller Art, Milchprodukte, Nüsse, Bohnen, Tofu und den künstlichen Süßstoff zu vermeiden Aspartam .

Die ideale Lösung könnte irgendwo zwischen gefährlichen Gehirnoperationen und strengen Ernährungseinschränkungen liegen. Tatsächlich könnte die ideale Lösung darin bestehen, das fehlende Gen zu ersetzen, damit Menschen mit PKU proteinreiche Lebensmittel genauso genießen können wie Menschen ohne Protein. Dank der Fortschritte in der Gentherapie – das Hinzufügen neuer Gene zu den Zellen einer Person, um fehlende oder schlecht funktionierende Gene zu ersetzen – könnte dieser scheinbar unmögliche Traum bald Wirklichkeit werden.

Die Gentherapie hat seit den dunklen Tagen der 1990er Jahre, als die viel gepriesene Behandlung zum Tod mehrerer Patienten führte, einen langen Weg zurückgelegt. Die Forscher haben in den letzten zwei Jahrzehnten viel gelernt, das vielleicht wichtigste davon ist Folgendes: Gentherapie ist auf dem Papier einfach zu beschreiben, aber viel schwieriger in menschlichen Zellen umzusetzen. Glücklicherweise haben diese entschlossenen Wissenschaftler weiter an dem Rätsel gearbeitet, bis schließlich die Gentherapie bereit ist, die moderne Medizin zu revolutionieren.

Auf den nächsten Seiten werden wir einen Crashkurs in Gentherapie machen – wie sie funktioniert, was sie behandeln kann, warum sie schwierig ist und wann sie in Ihrer örtlichen Klinik verfügbar sein könnte. Bevor wir uns auf die Überholspur der Gentherapie begeben, lassen Sie uns ein paar vorbereitende Runden drehen, um die Grundlagen der DNA-Funktion und Genexpression zu wiederholen.

1. Ein Gen, ein Protein: Die Grundlagen der Gentherapie
2. Viren als Gentherapie-Vektoren
3. Außerkörperliche Gentherapie
4. Gentherapie im Körper
5. Sicherheit der Gentherapie
6. Mit Gentherapien behandelte Krankheiten

Um diese medizinische Behandlung zu verstehen, ist eine fundierte Kenntnis der Gene erforderlich . Die gute Nachricht ist, dass Sie dies wahrscheinlich in Ihrem Biologieunterricht an der High School behandelt haben, aber nur für den Fall, dass Sie es vergessen haben, hier ist eine kurze Zusammenfassung. Ein Gen bezieht sich auf eine einzelne Einheit von Erbinformationen – ein Faktor, der eine bestimmte Aktivität oder Eigenschaft steuert. Gene existieren auf Chromosomen , die sich wiederum in den Kernen unserer Zellen befinden.

Chromosomen enthalten natürlich lange DNA -Ketten, die aus sich wiederholenden Untereinheiten aufgebaut sind, die als Nukleotide bekannt sind . Das bedeutet, dass ein einzelnes Gen ein endlicher DNA-Abschnitt mit einer bestimmten Nukleotidsequenz ist. Diese Nukleotide dienen als Bauplan für ein bestimmtes Protein, das in einer Zelle in einem mehrstufigen Prozess zusammengesetzt wird.

Proteine ​​sind die Arbeitspferde der Zellen. Sie helfen beim Aufbau der physikalischen Infrastruktur, steuern und regulieren aber auch wichtige Stoffwechselwege. Wenn ein Gen eine Fehlfunktion hat – wenn beispielsweise seine Nukleotidsequenz durcheinander gebracht wird – dann wird das entsprechende Protein nicht oder nicht richtig hergestellt. Biologen nennen dies eine Mutation , und Mutationen können zu allen möglichen Problemen führen, wie Krebs und Phenylketonurie.

Die Gentherapie versucht, ein defektes Gen wiederherzustellen oder zu ersetzen, wodurch die Fähigkeit einer Zelle wiederhergestellt wird, ein fehlendes Protein herzustellen. Auf dem Papier ist es einfach: Sie fügen einfach die richtige Version eines Gens in einen DNA-Strang ein. In Wirklichkeit ist es etwas komplizierter, weil die Zellen Hilfe von außen in Form eines Virus benötigen. Sie denken wahrscheinlich an Viren als Erreger, die Infektionen verursachen – Pocken, Grippe, Tollwut oder AIDS. In der Gentherapie verwenden Wissenschaftler diese winzigen lebenden, aber nicht lebenden Partikel, um einer Zelle eine genetische Verjüngungskur zu geben. Im nächsten Abschnitt untersuchen wir, welche Viren verwendet werden und warum.

Viren verwirrten Biologen jahrelang. Sie konnten die Auswirkungen von Viren – Krankheiten – sehen, aber sie konnten den Infektionserreger nicht isolieren. Zuerst dachten sie, sie hätten es mit extrem kleinen Bakterienzellen zu tun. Dann, inmitten einer Welle des Interesses an Viren, kristallisierte der amerikanische Wissenschaftler Wendell Stanley die Partikel, die für die Tabakmosaikkrankheit verantwortlich sind, und beschrieb 1935 Viren für die ganze Welt.

Diese seltsamen Wesen haben keine Kerne oder andere Zellstrukturen, aber sie haben Nukleinsäure, entweder DNA oder RNA. Dieses kleine Paket genetischer Informationen ist in eine Proteinhülle verpackt, die in einigen Fällen in eine membranartige Hülle eingewickelt ist.

Im Gegensatz zu anderen Lebewesen können sich Viren nicht selbst vermehren, da sie nicht über die notwendige Zellmaschinerie verfügen. Sie können sich jedoch vermehren, wenn sie in eine Zelle eindringen und sich die Ausrüstung und Enzyme der Zelle ausleihen. Der grundlegende Prozess funktioniert wie folgt:

Diese Fähigkeit, genetische Informationen in Zellen zu transportieren, macht Viren für die Gentherapie nützlich. Was wäre, wenn Sie einen Ausschnitt viraler DNA durch die DNA eines menschlichen Gens ersetzen und dieses Virus dann eine Zelle infizieren könnten? Würde die Wirtszelle nicht Kopien des eingeführten Gens anfertigen und dann dem Bauplan des Gens folgen, um das zugehörige Protein herzustellen? Wie sich herausstellt, ist dies durchaus möglich – solange Wissenschaftler das Virus modifizieren, um zu verhindern, dass es Krankheiten verursacht oder eine Immunreaktion des Wirts auslöst. Wenn es so modifiziert wird, kann ein solches Virus zu einem Vehikel oder Vektor werden, um eine spezifische Gentherapie zu verabreichen.

Heutzutage verwenden Forscher mehrere Arten von Viren als Vektoren. Einer der Favoriten ist das Adenovirus , das für die Erkältung beim Menschen verantwortlich ist. Adenoviren führen ihre DNA in den Zellkern ein, aber die DNA wird nicht in ein Chromosom integriert. Das macht sie zu guten Vektoren, aber sie stimulieren oft eine Immunantwort, selbst wenn sie geschwächt sind. Als Alternative können sich Forscher auf Adeno-assoziierte Viren verlassen , die keine bekannten Krankheiten beim Menschen verursachen. Darüber hinaus integrieren sie ihre Gene in Wirtschromosomen, was es den Zellen ermöglicht, das eingefügte Gen zu replizieren und es an zukünftige Generationen der veränderten Zellen weiterzugeben. Retroviren, wie diejenigen, die AIDS und einige Arten von Hepatitis verursachen, spleißen auch ihr genetisches Material in die Chromosomen der Zellen, in die sie eindringen. Infolgedessen haben Forscher Retroviren ausgiebig als Vektoren für die Gentherapie untersucht.

Die Idee der Gentherapie schwirrt seit Jahrzehnten in den Köpfen der Wissenschaftler herum. Tatsächlich war es Edward Tatum, ein amerikanischer Genetiker, der 1966 als erster vorschlug, dass genetische Krankheiten durch „Gentechnik“ geheilt werden könnten Artikel veröffentlicht in The American Naturalist. Zahlreiche Forscher arbeiteten daraufhin fleißig daran, die Gentherapie vom Konzept in die Realität umzusetzen. 1972 fand der Biochemiker Paul Berg heraus, wie man einen Abschnitt menschlicher DNA herausschneidet und ihn in das Genom eines Virus einfügt, mit dem er dann Bakterienzellen infiziert. Schließlich gelang es ihm, Bakterien dazu zu bringen, menschliches Insulin zu produzieren. Zehn Jahre später fügte Ronald M. Evans das Gen für das Wachstumshormon der Ratte in ein Retrovirus ein und übertrug dieses Gen dann in Mauszellen.

All diese Bemühungen bereiten die Voraussetzungen für eine Gentherapie-Revolution. Die erste von der US-amerikanischen Food and Drug Administration genehmigte Gentherapiestudie fand 1990 statt. Die Studie konzentrierte sich auf Patienten mit schwerer kombinierter Immunschwäche (SCID), nach David Vetter auch als „ Bubble-Boy “-Krankheit bekannt, die in steriler Umgebung lebten eine Plastikblase, bis er 1984 im Alter von 12 Jahren starb.

Die Forscher in dieser Studie verwendeten eine sogenannte AußerkörperlicheGentherapie. Zuerst entnahmen sie einem Patienten Knochenmark, indem sie eine spezielle Nadel durch die Haut und in den Hüftknochen einführten. Dann setzten sie im Labor die Stammzellen aus dem Knochenmark Retroviren aus, deren RNA modifiziert worden war, um das mit SCID assoziierte Gen zu enthalten. Die Retroviren infizierten die Stammzellen und fügten das funktionelle Gen in das Wirtschromosom ein. Als nächstes nahmen die Wissenschaftler die veränderten Stammzellen und injizierten sie zurück in den Blutkreislauf des Patienten. Die Zellen machten sich auf den Weg ins Knochenmark und reiften wie alle guten Stammzellen zu verschiedenen Zelltypen heran, darunter auch gesunde T-Zellen mit funktionierenden Kopien des notwendigen Gens. Mit dieser Technik wurden Dutzende von Kindern mit SCID vollständig geheilt. Aber es ist nicht die einzige Krankheit – oder Vorgehensweise – auf der Playlist der Genetiker [Quelle:Nienhuis ].

Die zweite übliche Art der Gentherapie besteht darin, das gentragende Virus direkt in die Region mit defekten Zellen zu injizieren. James Wilson, Professor für Pathologie und Labormedizin an der University of Pennsylvania, leistete in den 1990er Jahren Pionierarbeit für diese sogenannte „in-the-body“-Gentherapie. Er benutzte das Adenovirus als Vektor, aber er schwächte es ab, um die Immunantwort im Empfänger einzuschränken. In frühen Tests schien sein modifiziertes Virus bei Testpersonen überhaupt keinen Schaden zu verursachen – nicht einmal Schnupfen. Das bedeutete, dass es Gene zuverlässig und mit wenigen Nebenwirkungen liefern konnte.

1999 leitete er eine klinische Studie der Phase I, um eine auf Adenoviren basierende Therapie zur Behandlung einer seltenen genetischen Störung namens Ornithin-Transcarbamylase (OTC)-Mangel zu testen. OTC ist ein Enzym, das dem Körper hilft, überschüssigen Stickstoff abzubauen. Ohne es steigt der Ammoniakspiegel, bis das Gehirn vergiftet wird. Ein einzelnes Gen auf dem X-Chromosom kodiert für das Enzym, was es zu einem idealen Kandidaten für die experimentelle Therapie macht. Wilson fügte das OTC-Gen in geschwächte Adenovirus-Partikel ein und injizierte diese dann in die Leber von 18 Patienten [Quelle: Neimark ].

Die Idee war einfach: Das Virus würde die Leberzellen infizieren, die dann damit fortfahren würden, das OTC-Gen zu replizieren und mit der Herstellung des Enzyms zu beginnen. Leider starb einer der Patienten, der 18-jährige Jesse Gelsinger, nur drei Tage, nachdem er ihm das manipulierte Virus injiziert hatte. Wissenschaftler glauben nun, dass Gelsingers Körper eine massive Immunantwort ausgelöst hat, die zu weit verbreitetem Organversagen führte. Das ist nur eines der Risiken der Gentherapie, wie wir auf der nächsten Seite sehen werden.

Keimbahn-Gentherapie

Bisher haben Wissenschaftler ihre Gentherapie-Experimente auf somatische Zellen konzentriert – alle anderen Körperzellen als Fortpflanzungszellen. Mit anderen Worten, diese Behandlungen können nicht an die Kinder einer Person weitergegeben werden . Theoretisch ist es möglich, die DNA von Ei- und Samenzellen zu manipulieren, wodurch gentechnisch veränderte Gene an zukünftige Generationen weitergegeben werden könnten. Diese sogenannte Keimbahn-Gentherapie wirft eine Reihe ethischer Bedenken auf und bleibt für Forscher, die auf Bundesmittel hoffen, tabu.

Der Tod von Jesse Gelsinger hat die Öffentlichkeit fassungslos gemacht und auch die wissenschaftliche Gemeinschaft erschüttert. Genetiker kamen zu der schmerzhaften Erkenntnis, dass die Gentherapie, obwohl sie auf Papier leicht grafisch darzustellen ist, voller Herausforderungen und Fallstricke ist. Und es spielte keine Rolle, wie sie das Problem angingen – sowohl inner- als auch außerkörperliche Ansätze waren mit inhärenten Risiken verbunden.

Bei der Gentherapie im Körper ist das größte Problem das Immunsystem des Patienten. Der Körper betrachtet Adenovirus-Partikel, selbst solche, die ein menschliches Gen tragen, als Fremdkörper. Wenn sie in Wirtszellen eindringen, reagiert der Wirt mit einem Gegenangriff, um die Eindringlinge loszuwerden. So geschehen bei Jesse Gelsinger. Sein Immunsystem erkannte nicht, dass die Viren versuchten, ihm zu helfen, und startete einen heftigen Angriff, bei dem seine Organe stillgelegt wurden. Heute könnten Forscher Gelsinger niedrigere Therapiedosen geben oder ihn mit immunsuppressiven Medikamenten vorbehandeln. Eine weitere untersuchte Option betrifft "nackte" DNA, die sich auf ein Nukleinsäuremolekül bezieht, das von seinem viralen Träger befreit wurde.

Außerkörperliche Therapien, die auf Retroviren beruhen, haben ihre eigenen Probleme. Denken Sie daran, dass Retroviren ihre DNA in das Wirtschromosom einfügen, was ein bisschen so ist, als würde man einen kurzen Satz aus einem Satz herausgreifen und ihn in einen längeren Satz einfügen. Wenn die Einfügung nicht genau an der richtigen Stelle erfolgt, ergibt die resultierende "Sprache" möglicherweise keinen Sinn. In einigen Gentherapiestudien mit Retroviren haben Patienten Leukämie und andere Krebsarten entwickelt, weil das Einfügen eines Gens die Funktion anderer umgebender Gene stört. Diese Komplikation betraf mehrere Kinder in den SCID-Studien, obwohl viele von ihnen den Krebs mit anderen Therapien besiegt haben.

Aufgrund dieser Probleme reguliert die US Food and Drug Administration (FDA) alle Gentherapieprodukte in den Vereinigten Staaten durch ihr Center for Biologics Evaluation and Research ( CBER) . Das Zentrum bietet auch proaktive wissenschaftliche und regulatorische Beratung für medizinische Forscher und Hersteller, die an der Entwicklung von Gentherapieprodukten für den Menschen interessiert sind. Prüfer können sich auch an die National Institutes of Health wenden, um Anleitungen und Richtlinien zu erhalten, wenn sie klinische Studien mit Gentherapie durchführen.

Bis heute hat das Zentrum noch kein Gentherapieprodukt für den Verkauf zugelassen, obwohl mehrere laufende Studien vielversprechende Ergebnisse liefern. Als nächstes werden wir uns ein paar aktuelle Erfolge ansehen, was viele für die zweite Revolution der Gentherapie halten.

Die Ethik der Gentherapie

Die Sicherheit der Gentherapie ist nur ein Teil des Problems. Viele Menschen fragen sich, ob es moralisch gut oder richtig ist, die Gene einer Person zu verändern. Sie fragen sich, wer bestimmt, welche Gene „gut“ und welche „schlecht“ sind. Sie wundern sich auch über die mit der Gentherapie verbundenen Kosten. Wenn Behandlungen teuer sind, übersteigen sie dann nicht viele Patienten mit geringem Einkommen oder unzureichender Krankenversicherung? Und was passiert, wenn jemand beschließt, Gentherapie einzusetzen, um nicht tödliche menschliche Eigenschaften wie Größe, Intelligenz und sportliche Fähigkeiten zu korrigieren? Diese ethischen Fragen sind genauso wichtig wie alle Fragen zur Biologie von Viren oder zur Mechanik der Geninsertion und -expression.

Nach dem Tod von Jesse Gelsinger verbot die FDA James Wilson die Durchführung von Gentherapie-Experimenten an menschlichen Probanden. Andere Forscher arbeiteten jedoch nicht unter denselben Einschränkungen.

Im Jahr 2007 begannen Jean Bennett, eine Molekulargenetikerin und Ärztin an der University of Pennsylvania School of Medicine, und ihr Ehemann, Albert Maguire, ein Netzhautchirurg am Children's Hospital of Philadelphia, eine klinische Studie, um eine Gentherapiebehandlung für eine seltene Person zu untersuchen Form der Erblindung , die als kongenitale Leberamaurose ( LCA ) bekannt ist. Eine Mutation in einem als RPE65 bekannten Gen führt zu einem Mangel an einem Protein, das für die normale Funktion der Netzhaut lebenswichtig ist. Menschen, denen dieses Protein fehlt, erleiden einen fortschreitenden Sehverlust, bis sie ihr gesamtes Sehvermögen verlieren, normalerweise im Alter von 40 Jahren.

Bennett und Maguire fügten das RPE65-Gen in ein Adeno-assoziiertes Virus ein, die freundlichere, sanftere Version des Adenovirus. Anschließend injizierten sie das manipulierte Virus in niedrigen Dosen in die Netzhäute von drei Patienten. Die Viren infizierten die Netzhautzellen, die mit der Produktion des RPE65-Proteins begannen. Und siehe da, das Sehvermögen aller drei Probanden verbesserte sich und es wurden keine unangenehmen Nebenwirkungen – einschließlich gefährlicher Immunreaktionen – gemeldet. Das Team beschloss, eine größere Testpopulation mit einer stärkeren Dosis des Virus zu testen. Sechs weitere LCA-Patienten erhielten die Gentherapie und erfreuten sich sogar noch besserer Ergebnisse [Quelle: Kaiser ].

Das bringt SCID und LCA in eine seltenere Kategorie – Krankheiten, die erfolgreich durch Gentherapie behandelt werden. Und doch sind Genetiker und Molekularbiologen zuversichtlich, dass es noch mehr geben wird. James Wilson, der weiterhin Beiträge auf diesem Gebiet leistet, hat 120 Arten von Adeno-assoziierten Viren isoliert, von denen viele in einigen Geweben effektiver wirken als in anderen. Beispielsweise haben einige dieser Vektoren eine Affinität zu Herzgewebe, während andere eine Affinität zu Zellen im Rückenmark und Gehirn haben. Zukünftige Forschungen könnten zu praktikablen Behandlungen für Wirbelsäulenverletzungen und Krankheiten wie Parkinson führen [Quelle: Neimark ].

Große Fortschritte machen Forscher auch bei außerkörperlichen Therapien. Im Juli 2013 veröffentlichte die Zeitschrift Science die Ergebnisse zweier Studien, die die Verwendung von Lentiviren als Gentherapievektoren untersuchten. Lentivirensind Retroviren, aber sie sind einzigartig in ihrer Fähigkeit, Gene effizient und dauerhaft sowohl in sich teilende als auch in sich nicht teilende Zellen zu übertragen. Andere Retroviren müssen ihren genetischen Voodoo an sich teilenden Zellen vollziehen. Vielleicht noch wichtiger ist, dass Lentiviren weniger anfällig dafür zu sein scheinen, andere krebsbezogene Gene zu aktivieren, wenn sie ihre Nutzlast in die DNA des Wirts einfügen. Als Forscher eine lentivirale Therapie an Patienten mit Adrenoleukodystrophie, einer X-chromosomalen neurodegenerativen Krankheit, die junge Männer betrifft, und metachromatischer Leukodystrophie, einer seltenen neurodegenerativen Krankheit, die durch Mutationen in einem einzigen Gen verursacht wird, testeten, konnten sie das Fortschreiten beider Krankheiten aufhalten keine schädlichen Nebenwirkungen [Quelle: Cossins ].

In Zukunft werden sicherlich weitere vielversprechende Gentherapien auftauchen, hauptsächlich für Erbkrankheiten wie Mukoviszidose, Muskeldystrophie, Sichelzellenanämie und Hämophilie. Sogar Phenylketonurie könnte der Vergangenheit angehören, was Charlie Gordon wahrscheinlich ziemlich glücklich machen würde.

Anmerkung des Autors: Wie die Gentherapie funktioniert

Es ist schwer, nicht von der Mechanik der Gentherapie beeindruckt zu sein – dem Schneiden, Spleißen und Austauschen von DNA. Aber das Trennen des "Können Sie?" aus dem "Sollten Sie?" scheint eine viel entmutigendere Aufgabe zu sein. Ich vermute, dass die Auseinandersetzung mit der Ethik der Gentherapie stark davon abhängt, ob Sie oder ein Familienmitglied an einer seltenen genetischen Störung leiden.

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