Basteln am Erbgut – Gesundheit & Ernhrung

Zehn Jahre nach ihrer Entwicklung ist die Genschere Crispr/Cas zu einem umstrittenen Routinewerkzeug geworden /.

Die Genschere Crispr/Cas9 feiert dieses Jahr ihren zehnten Geburtstag. 2012 hatten die Biochemikerinnen Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna ihre Entdeckung verffentlicht, 2020 wurden sie dafr mit dem Nobelpreis geehrt. Die Genschere, kurz auch Crispr genannt, avancierte in krzester Zeit zu einem Routinewerkzeug der Forschung. Es erlaubt Wissenschaftlern, das Erbgut schnell und gezielt zu schneiden, und das in allen Organismen.

Die Genschere hat damit auch diverse Hoffnungen neu entfacht. Etwa jene auf eine funktionierende Gentherapie. Die Idee dahinter ist bestechend einfach: Vielen Krankheiten liegt ein Genfehler zugrunde, eine so genannte Mutation, die das entsprechende Protein funktionslos macht. Bei der klassischen Gentherapie versucht man, das fehlerhafte Gen durch ein intaktes zu ersetzen, so dass die Zelle wieder in der Lage ist, das Protein korrekt zu produzieren. Die Genschere soll einen noch prziseren Eingriff ermglichen, indem Erbgutdefekte direkt vor Ort repariert werden. Damit sollen sie eine gnzlich neue ra der Medizin einluten. “In den vergangenen Jahren wurden gute Fortschritte erzielt”, sagt Toni Cathomen, Direktor des Instituts fr Transfusionsmedizin und Gentherapie der Universitt Freiburg. Doch je nher man sich dem Ziel whnt, desto deutlicher werden die bestehenden Herausforderungen.

Die WHO listet in ihrer “Human Genome Editing Registry”, einer Gentechnik-Datenbank, aktuell 139 klinische Studien auf – grtenteils wird Crispr verwendet. Grundstzlich unterscheidet man Ex-vivo-Verfahren, bei denen Patienten Zellen entnommen und im Labor korrigiert werden, von In-vivo-Verfahren, bei denen die Genkorrektur direkt im Krper erfolgt. Das Spektrum mglicher Anwendungen ist gro und reicht von geneditierten Immunzellen gegen Krebs bis zur Therapie seltener und oft unheilbarer Erbkrankheiten. Am weitesten fortgeschritten ist die Behandlung gegen angeborene Bluterkrankungen wie Sichelzellanmie und Beta-Thalassmie, bei denen aufgrund eines Genfehlers zu wenig funktionstchtiges Hmoglobin gebildet wird, das fr den Sauerstofftransport zustndig ist.

Die Zwischenergebnisse der ersten Crispr-basierten Ex-vivo-Gentherapie stimmen positiv: Ende 2019 wurde die erste Beta-Thalassmie-Patientin am Universittsklinikum Regensburg behandelt. “Der Patientin geht es gut, die Therapie war erfolgreich”, sagt Selim Corbacioglu, Leiter der Abteilung fr Pdiatrische Hmatologie, Onkologie und Stammzelltransplantation. Auch vier weiteren in Regensburg behandelten Patienten hat die Therapie geholfen. Sie sind nicht lnger abhngig von monatlichen Bluttransfusionen und mssen nicht mehr auf einen geeigneten Blutstammzellspender hoffen, denn ihr Krper wird nun mit ausreichend fetalem Hmoglobin versorgt.

Die Ex-vivo-Crispr-Gentherapie hat allerdings die gleichen schweren Nebenwirkungen wie die konventionelle Stammzelltransplantation auch: Nachdem man den Patienten Blutstammzellen entnommen hat, um sie im Labor zu editieren, bentigen sie eine Chemotherapie, um die defekten, blutbildenden Zellen zu zerstren. “Damit ist fast unweigerlich auch ein Fertilittsverlust verbunden”, sagt Corbacioglu. Hinzu komme, dass man die Sptfolgen einer Gentherapie noch nicht adquat beurteilen knne.

Der nchste Crispr-Gentherapie-Versuch – diesmal in vivo – folgte 2020 im Auge. Das Auge ist besonders gut fr Gentherapien geeignet, weil es ein leicht zugngliches und abgeschlossenes Organ ist. Behandelt wurde je ein Auge von fnf Patienten, die an einer Form der Leber’schen Amaurose leiden. Dieser Erkrankung fhrt schon frh zur Erblindung, weil die Fotorezeptoren durch einen Gendefekt fehlgeformt sind. Die Genschere schneidet die Mutation heraus, so dass sich das Fotorezeptorprotein wieder korrekt ausbilden kann. Die Zwischenergebnisse der Studie wurden im Herbst 2021 auf einem Kongress verffentlicht: Zwei von fnf Patienten berichteten ber eine Verbesserung ihrer Sehfhigkeit. Das Urteil der wissenschaftlichen Gemeinschaft fiel gemischt aus. Momentan werden weitere Patienten mit einer hheren Dosis behandelt und auch Jugendliche, bei denen die Krankheit mglicherweise noch nicht so weit fortgeschritten ist. Weitere Ergebnisse werden im Herbst erwartet.

“Was wir momentan ber alle Studien hinweg erkennen, ist, dass das Kaputtschneiden von Genen viel einfacher funktioniert als das Reparieren”, sagt Cathomen. Crispr/Cas9 schneidet die DNA zuverlssig am Wunschort, und zwar beide Strnge des DNA-Fadens. Die Reparatur des Schnitts bernimmt aber die Zelle. Sie hat dafr zwei Mglichkeiten: Meist verknpft sie die beiden losen Enden eines DNA-Fadens recht nachlssig wieder miteinander, das heit, es entstehen Fehler. Fehler in einem Gen fhren in der Regel zu einem funktionsuntchtigen Protein – was bei manchen Gentherapien dennoch zum Ziel fhrt. “Die meisten genetischen Erkrankungen knnen allerdings nur therapiert werden, indem der Gendefekt korrekt repariert wird”, betont Cathomen.

Mit dem zweiten, prziseren Reparaturmechanismus der Zelle kann das gelingen. Er funktioniert aber nur in sich teilenden Zellen und ist insgesamt seltener aktiv als die nachlssige Variante. “Die Frage ist, ob und wie sich die genaue Reparatur aktivieren lsst”, so Cathomen.

Mit dem Schneiden ist auch ein grundstzliches Sicherheitsrisiko verbunden, denn ab und an schneidet die Genschere daneben. Wissenschaftler befrchten, dass diese sogenannte Off-target-Aktivitt krebsauslsende Mutationen erzeugen knnte. “Ganz ohne Off-target-Effekte wird es nicht gehen”, sagt Cathomen, “aber nicht jeder Fehlschnitt ist automatisch problematisch.” Jeder Mensch hufe im Laufe seines Lebens Mutationen an, das sei ein natrlicher Prozess. “Die Studienteilnehmer werden regelmig untersucht, aber wie sicher die Technik ist, werden wir erst in ein paar Jahren wissen.”

Mglicherweise mssen Off-target-Effekte auch hingenommen werden: “Es kommt auf die Erkrankung und die zur Verfgung stehenden Therapien an”, erklrt Gerald Schwank von der Universitt Zrich, “die meisten Krebsmedikamente sind immer noch Chemotherapeutika und sie werden auch bei Kindern eingesetzt – obwohl sie viele Mutationen verursachen. Man nimmt das in Kauf, weil die Krankheit lebensbedrohlich ist.” Schwank arbeitet an der zweiten Generation Genscheren, den sogenannten Base- und Prime-Editoren. Mit Base-Editoren knnen einzelne DNA-Bausteine ausgetauscht werden. Das jngste Werkzeug, die Prime-Editoren, sind vielseitiger, weil sich damit grere DNA-Abschnitte bearbeiten lassen. Der Eingriff ins Erbgut ist geringer als mit Crispr/Cas9, da nur ein Strang des DNA-Fadens geschnitten wird, er ist sehr genau und funktioniert auch in ruhenden Zellen. “Es gibt Schtzungen, wonach sich 60 Prozent der humanen pathogenen Mutationen mit Base-Editoren korrigieren lassen”, sagt Schwank. Noch gibt es allerdings nur prklinische Versuche in Tieren.

Die grte Hrde fr In-vivo-Gentherapien bleibt der Transport in die Zellen. Um einen Gendefekt zu reparieren, mssen die Werkzeuge ber die Blutbahn gezielt in die entsprechende Zelle gelangen, und das millionenfach. Die Ex-vivo-Therapien sind von der Problematik weniger betroffen: Durch einen kurzen Stromsto nehmen die entnommenen Patientenzellen die Genschere auf und werden vor Anwendung am Patienten grndlich untersucht. “Da gibt es mittlerweile erprobte Protokolle”, sagt Cathomen, der an einer solchen Therapie fr HIV-Patienten arbeitet. Fr In-vivo-Gentherapien sei neben dem Auge auch das innere Ohr gut geeignet. “Die Leber funktioniert auch sehr gut, weil alles, was in die Blutbahn gelangt, automatisch die Leber passiert, aber wenn man andere Organe erreichen mchte, wird die Luft sehr schnell dnn”, sagt Cathomen.

Derweil werfen die Fortschritte auch ethische Fragen auf. Solche Therapien knnen bis zu zwei Millionen Dollar kosten. Wie sollen das solidarisch finanzierte Gesundheitssysteme stemmen? Wie erst rmere Lnder, fr die manche entwickelte Therapien besonders ntzlich wren? Sichelzellanmie etwa ist in Afrika sdlich der Sahara besonders verbreitet.

Und sptestens seit Ende 2018 die Nachricht um die Welt ging, dass ein Wissenschaftler in China Embryonen mit Crispr/Cas9 verndert hat und dies zur Geburt von zwei Mdchen fhrte, ist auch der ffentlichkeit klar, dass solche Eingriffe nicht lnger ins Reich der Science-Fiction fallen.

In Embryonen lieen sich Gendefekte wohl leichter korrigieren. Da auch Samen- und Eizellen von der Korrektur betroffen wren, wre sie aber vererbbar. In vielen Lndern, auch in der Schweiz und der EU, sind solche Eingriffe verboten. Neben grundstzlichen ethischen Bedenken existieren handfeste medizinische, da die Verfahren unausgereift und die Langzeitfolgen nicht absehbar sind.

Und doch verschieben sich die Grenzen: Die Internationale Kommission zum klinischen Einsatz von Genomeditierung in der Keimbahntherapie und auch der Deutsche Ethikrat schlieen einen Keimbahneingriff – Sicherheit und Wirksamkeit vorausgesetzt – bei schweren Gendefekten in Zukunft nicht mehr kategorisch aus.

CRISPR/CAS9

Dank des biotechnischen Verfahrens Crispr/Cas9 knnen Wissenschaftler das Erbgut verndern. Einzelne Gene oder kleinste DNA-Bausteine werden mit Hilfe zelleigener Enzyme eingefgt, verndert oder ausgeschaltet. Die Methode stammt ursprnglich von Bakterien, die auf diese Weise Angriffe von Viren abwehren. Die Mikrobiologin Emmanuelle Charpentier vom Berliner Max-Planck-Institut fr Infektionsbiologie und die US-Biochemikerin Jennifer Doudna entwickelten daraus ein molekularbiologisches Werkzeug, mit dem menschliche Gendefekte repariert werden knnen.