Lipidnanopartikel schleusen vollständiges CFTR-Gen ein – Fortschritt in der Gentherapie bei Mukoviszidose

UCLA-Forschende haben einen auf Lipidnanopartikeln basierenden Gen-Editing-Ansatz entwickelt, der in der Lage ist, ein vollständig gesundes Gen in menschliche Atemwegszellen einzubauen. In einem Labormodell der Mukoviszidose stellte er eine zentrale biologische Funktion wieder her und eröffnet damit einen möglichen neuen Weg zu einer mutationsunabhängigen Gentherapie für erbliche Lungenerkrankungen. Die in Advanced Functional Materials veröffentlichte Studie zeigt, dass sich Lipidnanopartikel so konstruieren lassen, dass sie die komplexe molekulare Fracht transportieren können, die für den präzisen Einbau eines großen, vollständigen Gens in das Genom erforderlich ist – ganz ohne virale Vektoren.

„Diese Arbeit zeigt, dass wir alles, was für einen präzisen Geneinbau nötig ist, in einem einzigen, nicht-viralen Verabreichungssystem verpacken können. Das ist ein entscheidender Schritt hin zur Entwicklung von Gentherapien, die bei vielen unterschiedlichen krankheitsverursachenden Mutationen funktionieren können“, sagte der leitende Autor der Studie, ein Mitglied des UCLA Broad Stem Cell Research Center.

Mukoviszidose wird durch Mutationen in einem einzigen Gen verursacht, dem Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator, kurz CFTR, das für einen Kanal kodiert, der den Transport von Chlorid und Wasser über die Oberfläche von Atemwegszellen unterstützt. Funktioniert dieser Kanal nicht richtig, wird der Schleim in der Lunge dick und zäh, wodurch Bakterien eingeschlossen werden und es zu chronischen Infektionen sowie fortschreitenden Lungenschäden kommt. Obwohl hochwirksame Medikamente, sogenannte CFTR-Modulatoren, die Versorgung vieler Menschen mit Mukoviszidose grundlegend verändert haben, produzieren etwa 10% der Patient:innen nur wenig oder gar kein CFTR-Protein – und damit bleibt für diese Medikamente kein Angriffspunkt.

„Für diese Patient:innen ist Gentherapie nicht nur eine Verbesserung – sie ist wirklich die einzige Option“, sagte ein Koautor der Studie und stellvertretender Direktor für translationale Forschung am Stammzellzentrum. „Man muss der Zelle überhaupt erst die Fähigkeit geben, das Protein herzustellen.“

Da es mehr als 1.700 verschiedene Mutationen im CFTR-Gen gibt, die Mukoviszidose verursachen können, wollte das Team einen universellen Ansatz entwickeln, der jeden dieser Fehler mit einem einzigen Edit korrigieren kann, statt jede Mutation einzeln zu adressieren. Die meisten experimentellen Gentherapien setzen auf virale Vektoren, um genetisches Material in Zellen einzuschleusen. So leistungsfähig diese Verfahren auch sind, sie können in der Herstellung teuer sein, sind in der Menge an genetischem Material, die sie transportieren können, begrenzt und lassen sich häufig nicht mehr als einmal verabreichen, weil das Immunsystem sie erkennen und darauf reagieren kann.

Das UCLA-Team nutzte stattdessen Lipidnanopartikel als nicht-virales Verabreichungssystem. Die Partikel wurden so entwickelt, dass sie drei Gen-Editing-Komponenten gleichzeitig transportieren: CRISPR machinery zum Schneiden der DNA an einer präzisen Stelle, Leitmoleküle, um die korrekte genomische Zielregion anzusteuern, sowie eine DNA-Vorlage, die eine vollständige, funktionsfähige Kopie des CFTR-Gens kodiert.

„All das in ein einziges Partikel zu bekommen – insbesondere ein so großes Gen wie CFTR – ist etwas, das zuvor nicht gezeigt worden war“, sagte der Erstautor der Studie und ein kürzlich promovierter Absolvent aus dem Jonas-Labor an der UCLA. „Wenn man das Problem der ‚großen Gene‘ lösen kann, öffnet das auch für viele andere Erkrankungen die Tür.“

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 schleusten erfolgreich ein gesundes CFTR-Gen in etwa 3–4% der Zellen ein. Trotz dieses relativ kleinen Anteils korrigierter Zellen stellte die Behandlung in der Zellpopulation insgesamt zwischen 88% und 100% der normalen CFTR-Kanalfunktion wieder her.

Die Forschenden erklären, dass die Stärke dieser Erholung nicht nur widerspiegelt, wo das Gen eingebaut wurde, sondern auch, wie es konstruiert war. Das ersetzende CFTR-Gen wurde so gestaltet, dass es nach dem Eintritt in die Zelle die Proteinproduktion maximiert, sodass selbst eine kleine Zahl korrigierter Zellen einen überproportionalen Effekt haben kann. Dieses Gendesign – bekannt als codon optimization – wurde von Kooperationspartnern in einem UCLA-Labor entwickelt und steigert die CFTR-Proteinproduktion, ohne das Protein selbst zu verändern.

Im Gegensatz zu Ansätzen, die Boten-RNA (messenger RNA) verabreichen – die wiederholt nachdosiert werden muss –, fügt die neue Strategie das korrigierte Gen direkt in das Genom ein. Dadurch könnten Zellen und ihre Nachkommen im Laufe der Zeit weiterhin funktionelles CFTR produzieren. Für einen langfristigen Nutzen muss das Gen-Editing jedoch letztlich Atemwegsstammzellen erreichen, die tief in der schützenden Auskleidung der Lunge liegen und die Atemwege ein Leben lang regenerieren.

„Diese Stammzellen sind langlebig und regenerieren die Atemwege kontinuierlich“, sagte ein Koautor, der zugleich Professor für Pädiatrie sowie Lungenheilkunde an der David Geffen School of Medicine at UCLA ist. „Wenn man sie korrigieren kann, hätte man theoretisch eine dauerhafte Quelle gesunder Zellen.“

Diese Zellen zu erreichen, bleibt eine der größten Herausforderungen. Die Atemwege sind darauf ausgelegt, Fremdpartikel abzuwehren, und bei Patient:innen mit Mukoviszidose bildet der zähe Schleim eine zusätzliche Barriere.