CRISPR-Gen-Editierung: Fortschritte bei Herzinsuffizienz, Mukoviszidose und Cholesterintherapie
Drei neue, CRISPR-basierte Therapieansätze zeigen Fortschritte bei der Behandlung von Herzinsuffizienz, Mukoviszidose und erhöhten Cholesterinwerten. Die Strategien reichen von der gezielten Steigerung der Mitochondrienleistung über nicht-virale Geninsertion mittels Lipidnanopartikeln bis hin zu einer einmaligen intravenösen Geneditierung gegen ANGPTL3 zur Senkung von LDL-C und Triglyzeriden.
Forscher haben drei unterschiedliche, CRISPR-basierte Ansätze zur Geneditierung entwickelt, die auf Herzinsuffizienz, Mukoviszidose und erhöhte Cholesterinwerte abzielen – ein bedeutender Fortschritt bei der Anwendung von Geneditierungstechnologien auf häufige wie auch seltene Erkrankungen. Die Verfahren reichen von einer Verbesserung der Mitochondrienfunktion über eine nicht-virale Geninsertion bis hin zu einer Einmaltherapie zur Lipidsenkung.
Forscher der Rice University und des Baylor College of Medicine entwickelten ein nicht editierendes CRISPR-System, das die Genexpression reguliert, um die Mitochondrienproduktion in Herzzellen zu steigern und so die Energiekrise anzugehen, die der Herzinsuffizienz zugrunde liegt. Herzinsuffizienz betrifft 6,8 Millionen Menschen in den USA; bei 1 von 4 Erwachsenen wird im Laufe des Lebens erwartet, dass sie diese Erkrankung entwickeln. Ein Drittel der Patienten entwickelt nach einem Herzinfarkt eine Herzinsuffizienz, da das Herz Schwierigkeiten hat, Energie wiederzugewinnen und aufrechtzuerhalten.
Das System fungiert als „Ein“-Schalter und veranlasst Zellen, mehr Mitochondrien zusammenzubauen, indem es interne regulatorische Signalwege steuert. „Anstatt die Zelle zu zwingen, ein Gen zu überproduzieren, haben wir CRISPR genutzt, um ihre natürlichen Regulierungssysteme auf kontrollierte Weise anzustoßen und feinzujustieren“, sagte Isaac Hilton, außerordentlicher Professor für Bioengineering an der Rice University und korrespondierender Autor der in Molecular Therapy veröffentlichten Studie. „Das ermöglicht uns, die Mitochondrienleistung zu steigern und zugleich das Gleichgewicht in der Zelle zu erhalten – eine zentrale Voraussetzung für eine sichere klinische Translation.“
Bei Tests an verschiedenen menschlichen Zelltypen erhöhte das System erfolgreich die Produktion des regulatorischen Proteins, verstärkte dadurch die Mitochondrienfunktion und steigerte die zellulären Energieniveaus. In humanen Kardiomyozyten – den Herzzellen, die für die Pumpkontraktionen verantwortlich sind – verbesserte das System die Sauerstoffverbrauchsrate, ein Indikator für eine verbesserte Mitochondrienfunktion. Ähnliche Verbesserungen der Mitochondrienfunktion fanden die Forscher auch in einem Tiermodell sowie in adultem menschlichem Spenderherzgewebe aus sowohl gesunden als auch erkrankten Herzen.
Aktuelle Behandlungen der Herzinsuffizienz konzentrieren sich darauf, den kardialen Energiebedarf zu senken, um ihn an die eingeschränkte Energieversorgung anzupassen. „Konventionelle Ansätze können im Verlauf zusätzliche Komplikationen verursachen, da sie die Ursache des Problems nicht adressieren“, sagte Ravi Ghanta, Professor für Chirurgie am Baylor College of Medicine und Co‑korrespondierender Autor der Studie. „Da Herzinsuffizienz voraussichtlich häufiger werden wird, ist es besonders wichtig, dass wir unsere Anstrengungen auf die Entwicklung wirksamer Behandlungen konzentrieren.“
In einer separaten Entwicklung entwickelten Forscher der UCLA einen auf Lipidnanopartikeln basierenden Ansatz zur Geneditierung, der in der Lage ist, ein vollständiges gesundes Gen in menschliche Atemwegsepithelzellen einzufügen und damit eine zentrale biologische Funktion in einem Labormodell der Mukoviszidose wiederherzustellen. Die Studie zeigt, dass Lipidnanopartikel – winzige, fettbasierte Partikel, die weithin zur Verabreichung von mRNA‑Impfstoffen genutzt werden – so konstruiert werden können, dass sie die komplexe molekulare Fracht tragen, die für die präzise Insertion eines großen, vollständigen Gens in das Genom erforderlich ist, ohne virale Vektoren einzusetzen.
Mukoviszidose wird durch Mutationen in einem einzelnen Gen verursacht, dem Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR), das einen Kanal kodiert, der den Transport von Chlorid und Wasser über die Oberfläche von Atemwegsepithelzellen unterstützt. Wenn der Kanal nicht richtig funktioniert, wird der Schleim in der Lunge dick und zäh, fängt Bakterien ein und führt zu chronischen Infektionen sowie zu fortschreitenden Lungenschäden. Obwohl hochwirksame Medikamente, sogenannte CFTR‑Modulatoren, die Versorgung vieler Menschen mit Mukoviszidose grundlegend verändert haben, produzieren etwa 10% der Patienten wenig oder gar kein CFTR‑Protein – sodass für diese Medikamente kein Angriffspunkt vorhanden ist.
Da es über 1.700 unterschiedliche Mutationen im CFTR‑Gen gibt, die Mukoviszidose verursachen können, versuchte das Team, einen universellen Ansatz zu entwickeln, der jeden dieser Fehler in einem einzigen Edit korrigieren kann, anstatt sie einzeln zu adressieren. Die Partikel wurden so konstruiert, dass sie drei Komponenten der Geneditierung gleichzeitig transportieren: die CRISPR‑Maschinerie, um die DNA an einer präzisen Stelle zu schneiden, Leitmoleküle, um die korrekte genomische Zielstelle anzusteuern, und eine DNA‑Vorlage, die eine vollständige, funktionsfähige Kopie des CFTR‑Gens kodiert.
Die Forscher testeten das System in im Labor gezüchteten menschlichen Atemwegsepithelzellen, die eine schwere Mukoviszidose‑Mutation tragen, die nicht auf vorhandene Medikamente anspricht. Die Nanopartikel lieferten erfolgreich ein gesundes CFTR‑Gen in etwa 3–4% der Zellen. Trotz dieses relativ kleinen Anteils korrigierter Zellen stellte die Behandlung zwischen 88% und 100% der normalen CFTR‑Kanalfunktion in der gesamten Zellpopulation wieder her.
Das Ersatz‑CFTR‑Gen wurde so entworfen, dass es die Proteinproduktion maximiert, sobald es in die Zelle gelangt, sodass selbst eine geringe Zahl korrigierter Zellen einen überproportionalen Effekt haben kann. Dieses Gendesign, bekannt als Codon‑Optimierung, wurde von Kooperationspartnern im Labor von Donald Kohn an der UCLA entwickelt und steigert die CFTR‑Proteinproduktion, ohne das Protein selbst zu verändern.
Im Gegensatz zu Ansätzen, die messenger RNA verabreichen und wiederholt nachdosiert werden müssen, fügt die neue Strategie das korrigierte Gen direkt in das Genom ein, sodass Zellen und ihre Nachkommen potenziell über die Zeit weiterhin funktionsfähiges CFTR produzieren können.
Eine Phase‑1‑First‑in‑Human‑Studie zu einer CRISPR‑Cas9‑Geneditierungstherapie mit Zielstruktur Cholesterin wurde auf den American Heart Association Scientific Sessions vorgestellt und in The New England Journal of Medicine veröffentlicht. Die Therapie zielt auf ANGPTL3, ein Gen, das nachweislich den LDL‑ und Triglyzeridstoffwechsel reguliert, und wurde Patienten mit erhöhten Lipiden trotz Standardtherapien als einzelne intravenöse Infusion verabreicht.
Bei den Patienten zeigte sich eine dosisabhängige Reduktion von bis zu nahezu 50% für LDL‑C und nahezu 55% für Triglyzeride. In den ersten Daten gab es keine schwerwiegenden, mit der Therapie in Zusammenhang stehenden unerwünschten Ereignisse, wenngleich die Langzeitnachbeobachtung noch läuft. Der CRISPR‑Ansatz wird durch Humangenetik gestützt: Bei Menschen mit natürlich vorkommenden Loss‑of‑Function‑Mutationen, die ANGPTL3 betreffen, wurden niedrigere Raten kardiovaskulärer Erkrankungen beobachtet.
Die Phase‑1‑Studie war darauf ausgelegt, ausschließlich die frühe Sicherheit zu beurteilen. Obwohl die Therapie LDL‑C und Triglyzeride senkt, zeigt sie noch nicht, ob dies zu einer verringerten kardiovaskulären Mortalität führt. Die Forschung wurde vom Baylor College of Medicine, der American Heart Association und den National Institutes of Health unterstützt.