Gentherapie

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 bis 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. Auch diese Methode kann schwere Zellschäden hervorrufen.
• Transfektion durch Erythrozyten-Ghosts: Rote Blutkörperchen werden in einer Lösung, die die therapeutischen Gene enthält zur Lyse gebracht. Die Zellmembranen schliessen sich kurze Zeit darauf wieder, wodurch die therapeutischen Gene in den Erythrozyten gekapselt werden. Anschliessend werden die Blutzellen mit den Zielzellen verschmolzen.
• Transduktion: Hierbei bringt ein Virus das therapeutische Gen in die Zelle. Diese Methode eignet sich für die klinische Behandlung am besten.

Bei der Transduktion gibt es mehrere mögliche Transportviren:

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:

Im Zytoplasma 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 beste Vektoren 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 Y (psi)-Region erhalten, die dafür sorgt, dass die DNA in virale RNA ungewandelt werden kann.
• Das therapeutische Provirus (Y +) wird in eine "Verpackungszelle" eingebracht. In der Erbinformation dieser Zelle befindet sich ein Helfer-Provirus, dem der Y-Abschnitt fehlt.
• Das therapeutische Provirus stellt eine Y +-RNA her.
• Das Helfer-Provirus stellt virale Proteine und eine unverpackbare Y --RNA her.
• Die therapeutische Y +-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-Lymphozyten sind für die zelluläre Immunantwort zuständig. Das Fehlen des Gens für Adenosindesaminase (ADA), das zu einem "schweren kombinierten Immundefekt" (SCID) 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 kann man z.B. die Beta-Thalassämie (ein Mangel an Beta-Globin führt zu Anämie) durch Einbau eines Genabschnitts in hämatopoetische Stammzellen behandeln.

Die erste beim Menschen zugelassene Gentherapie war Alipogen-Tiparvovec im Jahr 2012. Sie wurde jedoch bereits nach wenigen Jahren vom Markt genommen. Aktuell (2022) zugelassene Gentherapien sind:

• Voretigen-Neparvovec (Luxturna^®) zur Behandlung der Leberschen kongenitalen Amaurose
• Onasemnogen-Abeparvovec (Zolgensma^®) bei spinaler Muskelatrophie
• Eladocagen-Exuparvovec (Upstaza^®) bei AADC-Mangel
• Valoctocogen-Roxaparvovec (Roctavian^®) bei Hämophilie A
• Etranacogene-Dezaparvovec (Hemgenix^®) bei Hämophilie B
• Strimvelis bei ADA-SCID
• βA-T87Q-Globin-HSC (Zynteglo^®) bei Beta-Thalassämie

• 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