Neue Verabreichungsmethoden steigern die Effizienz der CRISPR-Geneditierung auf bis zu 90 Prozent

Wissenschaftler haben zwei unterschiedliche bahnbrechende Strategien vorgestellt, um die Wirksamkeit von Geneditierung und mRNA-Therapien deutlich zu erhöhen und damit eine hartnäckige Herausforderung anzugehen, die die Übertragung von Erfolgen aus dem Labor in klinische Anwendungen bislang begrenzt hat.

Forscher am Biohub fanden heraus, dass die gleichzeitige Gabe von drei Aminosäuren – Methionin, Arginin und Serin – die Verabreichung therapeutischer Nutzlasten um bis zu das 20-Fache verstärken und die Effizienz der CRISPR-Geneditierung in vivo von bescheidenen 25 Prozent auf nahezu 90 Prozent erhöhen kann. Die Entdeckung markiert einen Wendepunkt für die molekulare Medizin, da Lipidnanopartikel seit Langem damit zu kämpfen haben, ihre spektakuläre Leistung im Labor in lebenden Organismen in vergleichbaren Erfolg zu übersetzen.

Das Biohub-Team unter der Leitung von Dr. Daniel Zongjie Wang und Dr. Shana O. Kelley formulierte das Problem neu, indem es über die Nanopartikel selbst hinausblickte und stattdessen das zelluläre Umfeld und den Stoffwechselzustand in den Fokus rückte, die Membraninteraktionen regulieren. Als die Forscher eine authentischere physiologische Umgebung mithilfe eines humanplasmaähnlichen Mediums modellierten, nahm die Aufnahme von LNPs durch Zellen drastisch ab. Weitere metabolische und genetische Analysen identifizierten abgeschwächte, aminosäurebezogene Signal- und Stoffwechselwege als kritischen Engpass.

Der optimierte Cocktail, der ausschließlich aus pharmazeutischem Methionin, Arginin und Serin bestand – drei Aminosäuren, die ubiquitär verfügbar sind und als sicher für den klinischen Einsatz gelten –, erwies sich als transformativ. Das Aminosäuresupplement steigerte die Aufnahme und funktionelle Expression der mRNA-Nutzlast über verschiedene Zelltypen hinweg deutlich. Dieser Effekt war unabhängig vom Verabreichungsweg, ob intramuskulär, intratracheal oder intravenös, und war weder von der Lipidzusammensetzung der Nanopartikel noch von der Art der genetischen Nutzlast abhängig.

Mechanistisch scheint die gemeinsame Verabreichung des Aminosäuresupplements einen spezifischen zellulären Aufnahmeweg zu modulieren und damit den zellulären „Eingang“ zu erweitern, über den Lipidnanopartikel in die Zelle gelangen. Durch die Aktivierung aminosäuremetabolischer Schaltkreise werden die Zellen metabolisch so vorbereitet, dass sie Nanoträger effizienter internalisieren und ihre therapeutischen Nutzlasten freisetzen können.

In einem präklinischen Mausmodell eines durch Acetaminophen ausgelösten akuten Leberversagens wandelte die Zugabe des Aminosäuresupplements eine gefährlich niedrige Überlebensrate von 33 Prozent in ein vollständiges Überleben nach Behandlung mit in LNPs verkapselter Wachstumshormon-mRNA um. Diese bemerkenswerte Verbesserung ging mit einem nahezu neunfachen Anstieg der therapeutischen Proteinspiegel im Serum sowie einer Normalisierung von Leber- und Entzündungsmarkern auf nahezu gesunde Ausgangswerte einher. Bei Geneditierungsanwendungen, die auf Lungengewebe abzielten, katapultierte das Supplement die CRISPR-Cas9-Editierungseffizienz mit nur einer einzigen Dosis von dem typischen Bereich von 20 bis 30 Prozent auf beispiellose 85 bis 90 Prozent.

Separat entwickelte ein Team an der University of California, Berkeley unter der Leitung der Geneditierungs-Pionierin und Nobelpreisträgerin Jennifer Doudna ein selbstreplizierendes CRISPR-System, das sich zwischen Zellen wie ein Virus ausbreitet. Die Wissenschaftler ergänzten genetische Anweisungen, damit Zellen einen virusähnlichen Transporter herstellen, der die CRISPR-Maschinerie verkapseln kann. Nach der Herstellung in behandelten Zellen wird die CRISPR-Nutzlast an benachbarte Zellen weitergeleitet.

Das System, NANoparticle-Induced Transfer of Enzyme oder NANITE genannt, kombiniert genetische Anweisungen für die Trägermoleküle und die CRISPR-Maschinerie in einem einzigen zirkulären DNA-Molekül. Dadurch ist das Cas9-Enzym physisch mit den Lieferproteinen verknüpft, während beide in einer Zelle gebildet werden. Das bedeutet auch, dass das finale Liefervehikel zudem guide RNA verkapselt – der „Spürhund“, der Cas9 an sein DNA-Ziel bindet.

Wie ein wohlwollendes Virus „infiziert“ NANITE zunächst eine kleine Anzahl von Zellen. Ist es einmal eingedrungen, weist es jede Zelle an, das vollständige CRISPR-Werkzeug herzustellen, es zu verpacken und an andere Zellen weiterzugeben. Der verbesserte Editor war bei der Geneditierung von im Labor gezüchteten Zellen im Vergleich zu Standard-CRISPR etwa dreimal so effektiv. Zudem senkte er bei Mäusen mit einer genetischen Stoffwechselerkrankung die Menge eines schädlichen Proteins, während die ursprüngliche Version bei derselben Dosis kaum Wirkung zeigte.

Geneditoren versprechen, die Medizin zu revolutionieren, indem sie die genetische Grundlage von Krankheiten außer Kraft setzen oder korrigieren. Doch all diese Werkzeuge werden durch eine grundlegende Voraussetzung ausgebremst: Es müssen genügend Zellen editiert werden, damit sie ihre erkrankten Gegenstücke überstimmen. Behandlungen müssen etwa 20 Prozent der Blutstammzellen korrigieren, um die Sichelzellkrankheit in Schach zu halten. Bei Duchenne-Muskeldystrophie, einer erblichen Erkrankung, die Muskeln schwächt, müssen über 15 Prozent der Zielzellen editiert werden.

Nach der Lieferung in die Zellen bleibt die Editiermaschinerie auf die Zellen beschränkt, in die sie ursprünglich gelangt. Um dies auszugleichen, erhöhen Wissenschaftler häufig die Dosis, was jedoch das Risiko von Immunangriffen und Off-Target-Geneditierungen erhöht. Beide neuen Ansätze bieten potenzielle Lösungen für diese grundlegende Einschränkung bei der Verabreichung gentherapeutischer Verfahren.