Fortschritte bei RNA-basierter Gentherapie: Spleißkontrolle, Nanopartikel-Verabreichung und MicroRNA-Plattform

Forscher haben neue Fortschritte bei der RNA-basierten Gentherapie gemeldet, darunter ein klinisch zugelassenes kleines Molekül, das die Genexpression präzise über die Modulation des RNA-Spleißens steuert, proteinbeschichtete Nanopartikel für eine sicherere Genübertragung und eine von MicroRNA abgeleitete Plattform für eine multizielgerichtete Krebstherapie. Die Ansätze adressieren zentrale Einschränkungen bestehender Gentherapien – vom Risiko permanenter genomischer Veränderungen über Immunreaktionen bis hin zur Notwendigkeit einer kombinierten Krebsbehandlung.

In einer in Nature Communications veröffentlichten Studie beschrieben Forscher eine Strategie zur präzisen Genregulation über die Modulation des RNA-Spleißens unter Verwendung eines klinisch zugelassenen kleinen Moleküls. Das kleine Molekül, das bereits in der klinischen Anwendung für andere Indikationen ist, kann umfunktioniert werden, um Spleißergebnisse zu manipulieren, indem es an spezifische Komponenten des Spleißosom-Komplexes bindet. Diese Bindung verschiebt das Spleißgleichgewicht und fördert den Ein- oder Ausschluss gezielter Exons. Anders als Geneditierungstechniken, die den DNA-Code verändern, ermöglicht dieser RNA-zentrierte Ansatz eine reversible, anpassbare und nuanciertere Genkontrolle ohne permanente genomische Veränderungen. Durch Variation der Konzentration und Expositionsdauer des kleinen Moleküls ließen sich abgestufte Reaktionen in den Spleißmustern erzielen, die zu dosisabhängigen Veränderungen der Proteinproduktion führten, bestätigt über mehrere Gentargets und Zelltypen hinweg. Genetische Erkrankungen, die durch Spleißdefekte verursacht werden, wie spinale Muskelatrophie oder bestimmte Formen von Mukoviszidose, könnten von einer Modalität profitieren, die normale Spleißmuster wiederherstellt, und Krebserkrankungen, die durch aberrante Spleißisoformen angetrieben werden, könnten durch selektives Umschalten von Spleißvarianten für die Behandlung sensibilisiert werden. Experimente mit patientenabgeleiteten Zellen zeigten eine funktionelle Rettung des Krankheitsphänotyps nach der Behandlung mit Wiederherstellung der normalen Proteinfunktion. Transkriptomanalysen ergaben ein hohes Maß an Spezifität mit minimalen unbeabsichtigten Spleißänderungen über die beabsichtigten Gentargets hinaus, und Studien mit chronischer Exposition zeigten, dass die Zellen ihre Vitalität und normale Funktion aufrechterhalten.

Parallel dazu haben Wissenschaftler der University of Michigan eine Methode entwickelt, um Gentherapien mithilfe proteinbeschichteter Nanopartikel zu verabreichen. Die Nanopartikel verwenden Serumalbumin als Beschichtungsmaterial und ersetzen damit fettbasierte Lipidnanopartikel, die üblicherweise in mRNA-Impfstoffen und Gentherapien eingesetzt werden und mit Entzündungen und Hepatotoxizität in Verbindung gebracht wurden. Das Team modifizierte erfolgreich mehrere menschliche Zelltypen – darunter Leberkrebs-, Nieren- und Immunzellen –, die in vitro kultiviert wurden, indem es DNA oder Boten-RNA, die für das grün fluoreszierende Protein (GFP) kodiert, in die Nanopartikel einschloss. Die Proteinverkapselung schützt die genetische Fracht und verbessert die Biokompatibilität, indem sie möglicherweise Entzündungsreaktionen und Leberschäden reduziert. Die Nanopartikel werden mithilfe der elektrohydrodynamischen (EHD) Strahltechnologie hergestellt, bei der eine Lösung aus Protein und genetischem Material einem elektrischen Hochspannungsfeld ausgesetzt und anschließend mit Polyethylenimin beschichtet wird, einem positiv geladenen Polymer, das die Freisetzung aus Endosomen erleichtert. Anders als virale Vektoren übertragen diese Proteinnanopartikel genetische Anweisungen, ohne die Nukleinsäuren in das Wirtsgenom zu integrieren, wodurch das Risiko einer Insertionsmutagenese verringert wird. Da die genetischen Effekte vorübergehend sind – mRNA bleibt tagelang bestehen, während die Expression von Plasmid-DNA mehrere Monate anhalten kann – könnten Protokolle wiederholte Dosen oder Auffrischungsgaben umfassen. Das Team stellt sich den künftigen Einsatz von CRISPR-Cas9-Geneditierungselementen in diesen Nanopartikeln vor, um gezielte und dauerhafte Genommodifikationen zu erreichen und möglicherweise Heilungen durch eine einzige Verabreichung zu etablieren. Diese Plattform entsteht vor dem Hintergrund der Sorge, dass FDA-zugelassene virale Therapien bei systemischer Verabreichung Infektionen und gefährliche Immunreaktionen auslösen können und dass virale Vektoren unbeabsichtigt sekundäre Malignome induzieren können.

In der Glioblastom-Forschung demonstrierten Wissenschaftler eine Gentherapie-Plattform, die auf akzessorischen Nebenprodukten aus der MicroRNA-Prozessierung basiert. Die Plattform ist in der Lage, mehrere funktionell unterschiedliche Elemente zu tragen, die nach Abspaltung von der Primärsequenz, in der sie kodiert sind, biologisch aktiv werden. Die einzige Voraussetzung für ihre Konstruktion ist der Erhalt der Drosha-Schnittstellen, was die korrekte Freisetzung jeder aktiven Komponente ermöglicht und ein flexibles Plug-and-play-Gerüst für krankheitsspezifisches Multi-Targeting bietet. Als Proof-of-Principle wurde der Ansatz in verschiedenen Modellen des Glioblastoms, der tödlichsten Hirnkrebsart bei Erwachsenen, validiert, was sich in einer hochsynergistischen Antitumorwirkung niederschlug. Die Arbeit ist der erste Nachweis, dass akzessorische Sequenzen, die die Gerüstkomponente eines MicroRNA-Gens bilden, nach dessen Prozessierung persistieren, was es erlaubt, die genetische Struktur der MicroRNA neu als Vehikel zur Einbringung einer Kombination verschiedener polyfunktionaler kleiner ncRNAs in Zellen zu nutzen. Das Design ermöglicht zudem die Abspaltung einer richtig dimensionierten Aptamerstruktur aus einer längeren, durch RNA-Polymerase II angetriebenen Sequenz und überwindet damit die bisherige Einschränkung, dass Aptamere für die intrazelluläre Expression auf RNA-Polymerase III angewiesen sind. Die Forscher verwendeten ein Aptamer gegen p50, um diese Strategie zu demonstrieren.