Genschere CRISPR/Cas9

Heilen mittels Genschere CRISPR/Cas9 ?

Medizin kann nicht alles. Viele Krankheiten lassen sich bislang nicht heilen oder nur unbefriedigend therapieren. Hoffnung machen neue Verfahren aus der Gentechnik, wie die Genschere CRISPR/Cas9.

Gene sind veränderbar. Bei ­jeder Zellteilung wird die DNA kopiert. Dabei treten immer wieder kleine Fehler auf. Gene verwandeln sich von selbst oder werden durch äußere Einflüsse wie Radioaktivität oder chemische Substanzen dazu bewegt. Das ist ein normaler Prozess. Und diese Möglichkeit nutzt die Genforschung.

„Genome Editing“ heißt so viel wie „Bearbeitung von Erbinformation“ und ist ein Sammelbegriff für neue molekularbiologische Verfahren, mit denen sich zielgerichtet Eingriffe im Erbmaterial einer Zelle durchführen lassen. Gene können so an- oder ausgeschaltet, eingefügt oder entfernt werden. Insbesondere die Methode CRISPR/Cas9 verspricht viele Möglichkeiten der Anwendung – auch in der Humanmedizin. Mit ihr verbinden Genetiker wie Dr. Dr. Boris Skryabin, Leiter der Einrichtung für transgene Tier- und Gentechnikmodelle (TRAM) an der Medizinischen Fakultät der Universität Münster, große Hoffnung (siehe unten "Kennen Sie die drei Genscheren?“).

Weltweit wird an CRISPR/Cas geforscht

Zukünftig sollen sich mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 bislang schwere und seltene Krankheiten behandeln oder gar verhindern lassen. Auf der Wunschliste stehen neben bösartigen Tumorerkrankungen und Malaria vor allem genetisch bedingte Krankheiten wie etwa das Angelman-Syndrom, das sich durch geistige und körperliche Einschränkungen äußert oder die Augenkrankheit Retinitis pigmentosa, die zur Erblindung führt.

Aber auch die Bluterkrankheit oder Muskelschwächekrankheiten, wie Formen der erblich bedingte Spinalen Muskel­atrophie, die zu Lähmungen und frühzeitigem Tod führen, zählen dazu. Die Ursache dieser Erkrankungen liegt im defekten Erbgut. „Und Gentechnik verspricht uns in Zukunft diese mutierten Gene zu reparieren“, sagt Dr. Dr. Boris Skryabin.

Erste Patienten mit CRISPR/Cas9 behandelt

Weltweit wird dazu in Laboren und an Mausmodellen erforscht. Im Rahmen von klinischen Studien konnten bereits erste Patienten mit der CRISPR/Cas9 Methode therapiert werden.

So zum Beispiel wurden in Deutschland am Universitätsklinikum Regensburg zwei Patienten mit Beta-Thalassämie und eine Patientin mit Sichelzellanämie behandelt. Bei beiden Erkrankungen kommt es aufgrund angeborener Veränderungen der Erbsubstanz zu einer gestörten Bildung des roten Blutfarbstoffes Hämoglobin. Wichtigste Aufgabe des Proteins ist der Transport von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid im Blut.

Erkrankte leiden daher unter Sauerstoffmangel und Blut­armut mit folgenschweren Auswirkungen auf Organe. Sichelzellpatienten müssen schwere Schmerzkrisen erdulden und mit Komplikationen der Erkrankung wie Hirn- oder Lungeninfarkte rechnen. Unbehandelt sterben rund 85 % der Kinder in den ersten fünf Lebensjahren. Bislang war die Hoffnung auf Heilung der Erkrankungen mit einer Blutstammzelltransplantation verbunden. Ist ein solcher Eingriff nicht möglich, sind Patienten auf regelmäßige Bluttransfusionen angewiesen.

Patienten bleiben in Langzeitbeobachtung

Bei beiden Krankheitsbildern konnte in klinischen Studien eine Therapie mit CRISPR/Cas9 helfen, die erkrankten Blutzellen durch genetisch veränderte Blutzellen zu ersetzen.

Den Patienten werden dazu zunächst blutbildende Stammzellen aus dem Knochenmark entnommen. Im Labor aktivierten Wissenschaftler mithilfe des CRISPR/Cas9-Verfahrens dann ein anderes intaktes Gen, das in der Lage ist, gesundes Hämoglobin zu bilden.

Bevor der Patient seine veränderten Stammzellen über eine Infusion zurückerhält, muss er sich einer Chemotherapie unterziehen, um das Knochenmark zu zerstören. Die neuen Blutstammzellen können sich dann in den Markhöhlen der Knochen ansiedeln und dort funktionstüchtige Blutzellen bilden.

Bei den am Universitätsklinikum Regensburg mit CRISPR/Cas9 therapierten ­Patienten hatten sich die Blutwerte normalisiert, sodass die ­Patienten nach 15 Monaten keine Transfusionen benötigten und ­nahezu ­beschwerdefrei waren, heißt es laut „Ärztezeitung“. Die Patienten bleiben 15 Jahre lang in Beobachtung der Klinik, um auch etwaige Spätfolgen frühzeitig zu erkennen.

CRISPR/Cas Medikamente in Studien

Vielversprechend beurteilen Forscher wie Dr. Dr. Boris Skryabin aber auch Studien, in denen Patienten CRISPR-Medikamente direkt ins Blut erkrankter Menschen injiziert werden. Das haben Forscher erstmals bei Menschen durchgeführt, die mit der Krankheit „Transthyretin-Amyloidose“ geboren wurden.

Bei dieser Erkrankung veranlasst ein mutiertes Gen Leberzellen dazu, fehlerhafte Formen eines Proteins zu bilden, die sich auf Nerven und im Herzen ablagern. Die Erkrankung führt zu Schmerzen, Taubheitsgefühlen, Kontrollverlust über Darm und Blase sowie tödlichen Nerven- und Herzleiden.

In der Studie wurden vier erkrankte Männer und zwei Frauen im Alter zwischen 46 und 64 Jahren behandelt. Mit der Genschere CRISPR/Cas9 konnten DNA-Stränge punktgenau an einer definierten Stelle durchtrennt werden. Da die Zelle diesen Bruch anschließend nur unvollkommen ausheilt, kann das defekte Gen ausgeschaltet werden. Bei drei der Patienten konnte die Produktion des giftigen Proteins in der Leber fast zum Erliegen gebracht werden. Ob das Verfahren die Symptome der Krankheit tatsächlich lindert, wird die Forschung noch zeigen müssen.

Was es bei CRISPR/Cas9 zu bedenken gilt

Die Forschung mit zielgerichteten Eingriffen im Erbgut einer Zelle mittels CRISPR/Cas9-Verfahren in der Humanmedizin weckt Hoffnung auf neue Therapieformen und Heilung bislang unheilbarer Krankheiten. Die Forschung steht noch in den Anfängen. Sie wird weltweit weiterentwickelt und deckt auch Schwachstellen auf.

So hat Dr. Dr. Boris Skryabin und sein Team beispielsweise in Versuchen an Mäusen herausgefunden, dass mit CRISPR/Cas9 modifizierte Gensequenzen sich in Zellen multiplizieren können und dies mit Standard-Testverfahren nicht zu entdecken ist. Derartige Multiplikationen könnten zu schwerwiegenden Fehlern bei der menschlichen Gentherapie führen, warnt der Genetiker.

Probleme könnten aber auch auftreten, wenn CRISPR/Cas9 an einer falschen Stelle des Erbguts oder in falschen Zellen schneidet, wodurch Krebs und andere Leiden womöglich erst ausgelöst werden. Und welche Auswirkungen sind zu erwarten, wenn Gene ausgeschaltet werden, die noch weitere wichtige Funktionen übernehmen, die man aber nicht löschen möchte?

Schließlich sind Eingriffe am menschlichen Erbgut auch ethisch und rechtlich zu beurteilen. Ermöglicht die Technik doch auch, gentechnisch veränderte Babys zur Welt bringen zu lassen, so angeblich geschehen in China mit der Absicht, die Kinder resistent gegen HIV zu machen. Viele Fragen sind noch offen. Doch lässt sich zumindest eine beantworten: In Deutschland sind Eingriffe in die menschliche Keimbahn nicht erlaubt.

Kennen Sie die drei Genscheren?

Wissenschaftler haben Werkzeuge, sogenannte Genscheren, entwickelt, um Gene zu verändern. Mit diesen programmierbaren Nukleasen lassen sich DNA-Stränge vollständig und zielgenau an definierten Stellen durchtrennen. Dabei wird ein Reparaturmechanismus in Gang gesetzt, der versucht, den Schnitt wieder zu verschließen.
Forscher machen sich das zunutze, indem sie Einfluss auf den Reparaturprozess nehmen und einzelne Gene oder kleinste DNA-Bausteine mithilfe zelleigner Enzyme einfügen, verändern oder ausschalten. Dr. Dr. Boris Skryabin erklärt:
- Die erste entwickelte Genschere war die Zinkfingernuklease (ZFN). Gemeint sind damit zwei synthetisch und programmierbare Proteine, die ihr Ziel im Erbgut erkennen und es direkt schneidet. Der Einsatz ist kompliziert und teuer und bleibt meist wenigen Speziallaboren vorbehalten.
- Hinter der zweiten Genschere namens TALEN verbergen sich auch zwei programmierbare Proteine. Da ihre Bindungsstelle für DNA deutlich länger ist, arbeitet diese Genschere meist präziser und macht nur wenig Fehler. Auch ist sie weniger kompliziert in der Herstellung.
- CRISPR/Cas9 ist die neueste Genschere bestehend aus zwei ­Teilen. Der erste Teil ist das Cas9-Protein, das ursprünglich aus einem Bakterium stammt. Es bleibt immer gleich und ist ein Enzym, das den DNA-Strang des Erbguts vollständig durchschneidet. Der andere Teil der Genschere ist ein synthetisches RNA-Molekül, das an einer genau definierten Stelle des Erbguts bindet und dem Cas9 zeigt, an welcher Stelle der Schnitt im DNA-Strang erfolgen soll. Das RNA-Molekül ist austauschbar und wird für jede Anwendung neu erstellt. Sein Vorteil ist, dass sich RNA-Moleküle preiswert erzeugen lassen und CRISPR/Cas 9 am leichtesten anzuwenden ist. Für die Entwicklung der CRISPR/Cas9 Genom Editierungstechnik wurden Emmanuelle Charpentier und Jennifer A. Doudna im Jahr 2020 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.

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