Forscher der UCLA haben einen auf Lipid-Nanopartikeln basierenden Ansatz zur Genbearbeitung entwickelt, der in der Lage ist, ein ganzes gesundes Gen in menschliche Atemwegszellen einzufügen, wichtige biologische Funktionen in einem Labormodell der Mukoviszidose wiederherzustellen und einen potenziell neuen Weg hin zu einer mutationsunabhängigen Gentherapie für erbliche Lungenerkrankungen zu eröffnen.
Die in Advanced Functional Materials veröffentlichte Studie zeigt, dass Lipid-Nanopartikel – winzige, fettbasierte Partikel, die häufig zur Verabreichung von mRNA-Impfstoffen verwendet werden – so konstruiert werden können, dass sie die komplexe molekulare Fracht transportieren, die für die präzise Einfügung eines großen, vollständigen Gens in das Genom erforderlich ist, ohne dass virale Vektoren verwendet werden müssen.
„Diese Arbeit zeigt, dass wir alles, was für die präzise Geninsertion benötigt wird, in einem einzigen, nicht-viralen Übertragungssystem vereinen können“, sagte Dr. Steven Jonas, Hauptautor der Studie und Mitglied des UCLA Broad Stem Cell Research Center . „Das ist ein entscheidender Schritt hin zur Entwicklung von Gentherapien, die bei vielen verschiedenen krankheitsverursachenden Mutationen wirksam sein können.“
Mukoviszidose wird durch Mutationen in einem einzigen Gen, dem CFTR-Gen (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator), verursacht. Dieses Gen kodiert einen Kanal, der den Transport von Chlorid und Wasser über die Oberfläche der Atemwegszellen ermöglicht. Funktioniert dieser Kanal nicht richtig, wird der Schleim in der Lunge zähflüssig und klebrig. Dadurch können sich Bakterien einschließen, was zu chronischen Infektionen und fortschreitenden Lungenschäden führt.
Obwohl hochwirksame Medikamente, sogenannte CFTR-Modulatoren, die Behandlung vieler Menschen mit Mukoviszidose revolutioniert haben, produzieren etwa 10 % der Patienten nur wenig oder gar kein CFTR-Protein, sodass für diese Medikamente nichts vorhanden ist, worauf sie wirken könnten.
„Für diese Patienten ist die Gentherapie nicht nur eine Verbesserung – sie ist die einzige Option“, sagte Dr. Brigitte Gomperts, Mitautorin der Studie und stellvertretende Leiterin der translationalen Forschung am Stammzellzentrum. „Man muss der Zelle zunächst die Fähigkeit geben, das Protein selbst herzustellen.“
Eine neue Methode zur Verabreichung eines vollständigen Gens
Da es über 1.700 verschiedene Mutationen im CFTR-Gen gibt, die Mukoviszidose verursachen können, suchte das Team nach einem universellen Ansatz, der alle diese Fehler mit einer einzigen Bearbeitung anstatt einzeln korrigieren könnte.
Die meisten experimentellen Gentherapien nutzen virale Vektoren, um genetisches Material in Zellen einzuschleusen. Obwohl virale Ansätze wirksam sind, können sie kostspielig in der Herstellung sein, die Menge an genetischem Material, die sie transportieren können, ist begrenzt, und eine wiederholte Anwendung ist schwierig, da das Immunsystem sie erkennen und darauf reagieren kann.
In dieser Studie nutzte das Team der UCLA stattdessen Lipidnanopartikel als nicht-virales Transportsystem. Die Partikel wurden so konstruiert, dass sie drei Komponenten für die Genbearbeitung gleichzeitig transportieren: die CRISPR-Maschinerie zum Schneiden der DNA an einer präzisen Stelle, Leitmoleküle, die die korrekte genomische Stelle ansteuern, und eine DNA-Vorlage, die eine vollständige, funktionelle Kopie des CFTR-Gens kodiert.
„All das in ein einzelnes Partikel zu bekommen – insbesondere ein so großes Gen wie CFTR – ist etwas, das bisher noch nicht gelungen war“, sagte Ruth Foley, Erstautorin der Studie und kürzlich promovierte Absolventin des Jonas-Labors an der UCLA. „Wenn man das Problem der ‚großen Gene‘ lösen kann, eröffnet das auch neue Möglichkeiten für die Behandlung vieler anderer Krankheiten.“
Die Forscher testeten das System an im Labor gezüchteten menschlichen Atemwegszellen mit einer schweren Mukoviszidose-Mutation, die auf bestehende Medikamente nicht anspricht. Die Nanopartikel transportierten erfolgreich ein gesundes CFTR-Gen in etwa 3–4 % der Zellen.
Trotz des relativ geringen Anteils korrigierter Zellen stellte die Behandlung zwischen 88 % und 100 % der normalen CFTR-Kanalfunktion in der gesamten Zellpopulation wieder her.
Die Forscher sagen, die Stärke dieser Genesung spiegele nicht nur wider, wo das Gen eingefügt wurde, sondern auch, wie es manipuliert wurde.
Das Ersatzgen CFTR wurde so konzipiert, dass es die Proteinproduktion nach dem Eindringen in die Zelle maximiert, sodass selbst eine geringe Anzahl korrigierter Zellen eine überproportionale 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.
Im Gegensatz zu Ansätzen, die Boten-RNA liefern – die wiederholt verabreicht werden muss – fügt die neue Strategie das korrigierte Gen direkt in das Genom ein, wodurch Zellen und ihre Nachkommen potenziell in der Lage sind, über die Zeit hinweg weiterhin funktionsfähiges CFTR zu produzieren.
Für einen langfristigen Nutzen muss die Genbearbeitung jedoch letztendlich die Stammzellen der Atemwege erreichen, die tief in der schützenden Auskleidung der Lunge liegen und die Atemwege während des gesamten Lebens eines Menschen regenerieren.
„Diese Stammzellen sind langlebig und regenerieren die Atemwege ständig“, sagte Gomperts, der auch Professor für Pädiatrie und Pneumologie an der David Geffen School of Medicine der UCLA ist. „Wenn man sie reparieren kann, hätte man theoretisch eine dauerhafte Quelle gesunder Zellen.“
Das Erreichen dieser Zellen bleibt eine der größten Herausforderungen. Die Atemwege sind darauf ausgelegt, Fremdkörper abzuwehren, und bei Patienten mit Mukoviszidose bildet zäher Schleim eine zusätzliche Barriere.
„Diese Studie ist ein Machbarkeitsnachweis“, sagte Jonas, der auch Assistenzprofessor für Pädiatrie an der medizinischen Fakultät und Mitglied des California NanoSystems Institute ist. „Sie zeigt, dass wir die richtige genetische Fracht verpacken und transportieren können. Die nächste Herausforderung besteht darin, sie zu den richtigen Zellen im Körper zu bringen.“
