Genomeditierung mit Nanopartikeln stellt CFTR-Funktion in Labormodell der Mukoviszidose wieder her
Forschende der UCLA haben einen auf Lipidnanopartikeln basierenden Geneditierungsansatz entwickelt, der ein vollständiges CFTR-Gen in Atemwegszellen einschleust und in einem Labormodell der Mukoviszidose 88% bis 100% der normalen Kanalfunktion wiederherstellte. Der nicht-virale Ansatz könnte den Weg für eine mutationsunabhängige Gentherapie ebnen, auch wenn die gezielte Erreichung von Atemwegsstammzellen weiter eine zentrale Hürde bleibt.
UCLA-Forschende haben einen auf Lipidnanopartikeln basierenden Geneditierungsansatz entwickelt, der in der Lage ist, ein vollständiges gesundes Gen in menschliche Atemwegszellen einzufügen. In einem Labormodell der Mukoviszidose stellte dies eine zentrale biologische Funktion wieder her und eröffnet einen möglichen neuen Weg zu einer mutationsunabhängigen Gentherapie für erbliche Lungenerkrankungen. Die in Advanced Functional Materials veröffentlichte Studie zeigt, dass Lipidnanopartikel so konstruiert werden können, dass sie die molekulare Fracht transportieren, die für den präzisen Einbau eines großen, voll-längen Gens in das Genom erforderlich ist – ohne den Einsatz viraler Vektoren.
Mukoviszidose wird durch Mutationen in einem einzelnen Gen verursacht, dem cystic fibrosis transmembrane conductance regulator oder CFTR, das für einen Kanal kodiert, der den Transport von Chlorid und Wasser über die Oberfläche von Atemwegszellen unterstützt. Zwar haben hochwirksame Medikamente, die als CFTR-Modulatoren bekannt sind, die Behandlung vieler Menschen mit Mukoviszidose grundlegend verändert, doch etwa 10% der Patienten produzieren nur sehr wenig oder überhaupt kein CFTR-Protein, sodass diese Arzneimittel keinen Angriffspunkt haben.
Da es mehr als 1.700 verschiedene Mutationen im CFTR-Gen gibt, die Mukoviszidose verursachen können, wollte das Team einen universellen Ansatz entwickeln, der all diese Fehler mit einer einzigen Editierung statt einzeln korrigieren könnte. In dieser Studie nutzte das Team Lipidnanopartikel als nicht-virales Verabreichungssystem, das so entwickelt wurde, dass es drei Komponenten der Geneditierung gleichzeitig transportiert: die CRISPR-Maschinerie zum Schneiden der DNA an einer präzisen Stelle, Leitmoleküle zur Ansteuerung der richtigen genomischen Zielstelle und eine DNA-Vorlage, die eine vollständige, funktionelle Kopie des CFTR-Gens kodiert.
Die Forschenden testeten das System in im Labor gezüchteten menschlichen Atemwegszellen, die eine schwere Mukoviszidose-Mutation trugen, die auf bestehende Medikamente nicht anspricht. Die Nanopartikel lieferten erfolgreich ein gesundes CFTR-Gen in etwa 3% bis 4% der Zellen. Trotz dieses relativ kleinen Anteils korrigierter Zellen stellte die Behandlung in der gesamten Zellpopulation zwischen 88% und 100% der normalen CFTR-Kanalfunktion wieder her.
Nach Angaben der Forschenden spiegelt die Stärke dieser Wiederherstellung nicht nur wider, wo das Gen eingefügt wurde, sondern auch, wie es konstruiert wurde. Das ersetzende CFTR-Gen wurde so entworfen, dass die Proteinproduktion nach dem Eintritt in die Zelle maximiert wird, sodass selbst eine kleine Zahl korrigierter Zellen einen überproportional großen Effekt haben kann. Dieses Gendesign, bekannt als Codon-Optimierung, steigert die Produktion des CFTR-Proteins, ohne das Protein selbst zu verändern.
Im Unterschied zu Ansätzen, die messenger RNA liefern und wiederholt neu dosiert werden müssen, fügt die neue Strategie das korrigierte Gen direkt in das Genom ein, was den Zellen und ihren Nachkommen potenziell ermöglicht, über die Zeit hinweg weiterhin funktionelles CFTR zu produzieren. Für einen langfristigen Nutzen muss die Geneditierung jedoch letztlich Atemwegsstammzellen erreichen, die tief in der schützenden Auskleidung der Lunge sitzen und die Atemwege während des gesamten Lebens eines Menschen regenerieren. Diese Zellen zu erreichen, bleibt eine der größten bevorstehenden Herausforderungen, weil die Atemwege darauf ausgelegt sind, fremde Partikel abzuwehren, und bei Patienten mit Mukoviszidose zäher Schleim eine zusätzliche Barriere bildet.
Die Forschenden bezeichneten die Arbeit als Machbarkeitsnachweis und erklärten, dass künftige Arbeiten die Verabreichung an Atemwegsstammzellen verbessern müssen, um eine dauerhafte Einmaltherapie zu ermöglichen.