Gentherapie

Mit Gentherapie bezeichnet man das Einfügen von Genen in Zellen oder Gewebe eines Individuums zur Behandlung von bestimmten Erbkrankheiten bzw. Gendefekten. Dabei liegt ein genetischer Defekt vor, wenn bei einem Lebewesen ein Gen nicht vorliegt oder die beabsichtigte Funktion nicht erfüllt. Die Gentherapie ist eine relativ neue Methode und wird bisher nur mit begrenztem Erfolg eingesetzt.

Voraussetzungen

Bei einer Gentherapie werden dem Körper einige Zellen entnommen. Diese Zellen erhalten das neue (therapeutische) Gen und werden danach wieder in den Körper eingebracht. Für die Anwendung der Gentherapie ergeben sich verschiedene Beschränkungen:

• Gentherapie kann nur auf ein einzelnes gestörtes Gen ("monogene Fehlfunktion") angewandt werden, das außerhalb des Körpers bereits als intakte, klonierte Version vorliegt.
• Gentherapie darf nur an somatischen (nicht die Keimbahn betreffenden) Zellen durchgeführt werden, damit die neue genetische Information nicht an die Kinder des behandelten Individuum weitergegeben werden kann. Dieses ist eine ethische (Selbst)beschränkung, keine medizinisch notwendige.

Die Chancen für den erfolgreichen Austausch eines defekten Gens gegen ein therapeutisches (funktionsfähiges) Gen stehen etwa 1:1000 (ungezielter Transfer). Der Einbau eines zusätzlichen gesunden Gens an anderer Stelle ("Genaddition"), das die Funktion des defekten Gens verstärkt, kann nur bei Gering- oder Nichtproduktion des fraglichen Proteins angewendet werden, nicht jedoch bei Überproduktion oder schädlicher Fehlproduktion durch das defekte Gen.

Methoden

Für den ungezielten Transfer gibt es verschiedene Methoden (Vektoren), um ein therapeutisches Gen in eine Zelle zu transportieren:

• Transfektion (chemisch): Die therapeutischen Gene und eine elektrisch geladene Verbindung (z.B. Calciumphosphat) werden zu den Zellen gegeben. Die elektrisch geladene Verbindung stört die Struktur der Zellmembran, wodurch die neue DNA ins Zellinnere gelangen kann. Die Chancen für einen erfolgreichen Einbau der DNA stehen mit dieser Methode bei 1:1000 - 1:100000.
• Transfektion (physikalisch): Die Mikroinjektion bietet hohe Chancen für einen erfolgreichen Einbau des Gens (ca. 1:5), jedoch muss jede Zelle einzeln behandelt werden.
• Transfektion (physikalisch): Bei der Elektroporation macht ein Stromstoß die Zellmembran vorübergehend durchlässig, so dass die neue DNA in die Zelle eindringen kann. Bei dieser Methode können jedoch die Zellen stark geschädigt werden.
• Transfektion (physikalisch): Mit der Particle gun werden kleine Goldkügelchen in die Zelle geschossen, auf deren Oberfläche die therapeutischen Gene haften. Vorteil: Das importierte Gen wirkt exakt an der richtigen Stelle ohne toxisch zu sein. Nachteil: Auch diese Methode kann schwere Zellschäden hervorrufen.
• Transduktion: Hierbei bringt ein Virus das therapeutische Gen in die Zelle. Diese Methode eignet sich für die klinische Behandlung am besten. Nachteil: Die Virusbestandteile können toxisch sein.

Bei der Transduktion gibt es mehrere mögliche Transportviren:

	Vorteile	Nachteile
DNA-Viren	therapeutisches Gen liegt bereits als DNA vor	begrenztes Fassungsvermögen dringen nur in (wenige) bestimmte Zellen ein
RNA-Viren	großes Fassungsvermögen infizieren viele verschiedene Zelltypen	RNA baut sich in der Zelle schnell ab, da sie nicht in DNA umgeschrieben wird
Retroviren	großes Fassungsvermögen infizieren viele verschiedene Zelltypen RNA wird in DNA umgeschrieben und ins Erbgut der Wirtszelle eingebaut	brauchen teilungsaktive Zellen (z.B. keine Nervenzellen) können bei ihrer Vermehrung im Körper Krebs auslösen

Vermehrungszyklus von Retroviren: Heftet sich ein Hüllprotein eines Retrovirus an einen Rezeptor auf einer Zellmembran, entlässt das Virus bestimmte Proteine (Reverse Transkriptase) und seine RNA in die Zelle. Die typische Retroviren-RNA hat folgenden Aufbau:

Name	R-U5	ψ (psi)	gag	pol	env	U3-R
Länge (bp)	90-180	???	ca. 2000	ca. 2900	ca. 1800	170-1260
codiert	5'-Ende	"Startsequenz" zur Herstellung viraler RNA aus dem Provirus	Proteine des Kernbereichs	Reverse Transkriptase Endonuclease Protease	Virushülle	3'-Ende

Im Cytoplasma der Zelle schreibt die Reverse Transkriptase die virale RNA in eine DNA mit verlängerten Endabschnitten um. Diese langen terminalen Repetitionen (LTRs) beeinflussen die Aktivität der Virusgene und erleichtern den Einbau der viralen DNA in die Erbsubstanz der Zelle. Diese (seit dem Einbau Provirus genannte) DNA kann jetzt die viralen Proteine und die virale RNA (aus sich selbst) bilden, welche dann zu einem neuen Virus zusammengebaut werden und die Wirtszelle durch Knospung verlassen.

Die Retroviren haben sich als bisher bester Vektor erwiesen. Um aus einem Retrovirus einen sicheren Vektor herzustellen, sind mehrere Schritte nötig: In einem Provirus werden die viralen Gene (die den Aufbau des Virus codieren) durch das therapeutische Gen ersetzt. Dabei bleibt die virale ψ (psi)-Region, die dafür sorgt, dass die DNA in virale RNA ungewandelt werden kann, erhalten.

• Das therapeutische Provirus (ψ⁺) wird in eine "Verpackungszelle" eingebracht. In der Erbinformation dieser Zelle befindet sich ein Helfer-Provirus, dem der ψ-Abschnitt fehlt.
• Das therapeutische Provirus stellt eine ψ⁺-RNA her.
• Das Helfer-Provirus stellt virale Proteine und eine unverpackbare ψ^--RNA her.
• Die therapeutische ψ⁺-RNA wird nun mit den nötigen viralen Proteinen in die durch das Helfer-Provirus erzeugte Virushülle eingelagert und aus der Verpackungszelle ausgeschleust. Dieser neue Virus ist ein sicherer Vektor, da er sich nicht mehr vermehren kann.
• "Infiziert" dieser neue Virus eine Zelle, so wird lediglich das therapeutische Gen in die Zell-DNA eingebaut. Es kann weder virale RNA noch virale Proteine erzeugen, sondern nur das gewünschte (bisher fehlende) Protein.

Körperzellen, die für eine Gentherapie mit Retroviren als Vektor in Frage kommen, müssen bestimmte Anforderungen erfüllen:

• Sie müssen widerstandsfähig genug sein, um die "Infektion", besonders aber die Entnahme aus und die Wiedereinpflanzung in den Körper zu überstehen
• Sie müssen leicht entnehmbar und wieder einsetzbar sein
• Sie sollten langlebig sein, damit sie das neue Protein über lange Zeit hinweg produzieren können

Folgende Zelltypen haben sich als geeignet erwiesen:

• Hautzellen: Fibroblasten aus der Lederhaut (nicht mehr aktuell)
• Leberzellen
• T-Zellen: T-Lymphocyten (zirkulierende weiße Blutkörperchen) sind für die zelluläre Immunantwort zuständig. Das Fehlen des Gens für Adenosindesaminase (ADA), das zu einem "schweren kombinierten Immundefekt" (SCID, Severe Combined Immunodeficiency) führt, wird durch entsprechende Behandlung dieser Zellen therapiert.
• Knochenmarkszellen: Sie produzieren die roten und weißen Blutkörperchen. Durch Gentherapie der seltenen Stammzellen lassen sich genetisch bedingte Krankheiten des Blutes und des Immunsystems behandeln. So ließe sich z.B. die Beta-Thallassämie (ein Mangel an b -Globin führt zu Anämie (Blutarmut)) durch Einbau einer "Verstärkersequenz" in Stammzellen behandeln.

In Deutschland wurden seit September 2002 alle klinischen Studien mit retroviralen Genvektoren wegen der aufgetretenen Nebenwirkungen zeitweilig ausgesetzt und hinsichtlich ihrer Sicherheit neu bewertet.

Anwendungen am Patienten

Therapie von SCID

Am 14. September 1990 wird von Ärzten des US-amerikanischen Bundesgesundheitsinstituts an einem vierjährigen Mädchen die weltweit erste gentherapeutische Behandlung durchgeführt. Die Patientin Ashanti DeSilva leidet an einem schweren kombinierten Immundefekt (SCID), eine sehr seltene Krankheit (Inzidenz 1:100.000), verursacht durch einen schweren Defekt sowohl des T- als auch des B-Lymphozytensystems. Bei den betroffenen Patienten ist das Immunsystem in seiner Funktion erheblich bis vollständig beeinträchtigt, d.h. es gibt wenig oder gar keine Immunantwort - schon eine Erkältungskrankheit kann für die Kinder den Tod bedeuten. Die Gentherapie, die aufgrund der begrenzten Lebensdauer der Leukozyten mehrmals im Jahr wiederholt werden muss, ermöglicht den Patienten ein Leben ohne strikte Quarantäne. Der Gentherapie an Ashanti DeSilva ging ein dreijähriges Genehmigungsverfahren voraus.

Literatur

• Scientific American, November 1990, Inder M. Verma, "Gene Therapy"
• D.T. Suzuki, A.J.F. Griffith, J.H. Miller, R.C. Lewontin, "Genetik", VCH Verlag, 1991
• Benjamin Lewin, "Genes V", Oxford University Press, 1994
• Deutsches Ärzteblatt 2003; 100: A 314–318 [Heft 6]
• Human Gene Therapy, September 2005, 16:1014, "Gendicine: The First Commercial Gene Therapy Product" ([1] und [2])
• A.M. Raem, R.W. Braun, H. Fenger, W. Michaelis, S. Nikol, S.F. Winter, "Genmedizin, Eine Bestandsaufnahme", Springer-Verlag 2001