Viren als Transportmittel
- Basis der Genfähren: Virenbestandteile bzw. -hüllen, die mit Geninformation „beladen“ werden
- umgebaute Viren können teils spezifische Zelltypen infizieren und Fracht einschleusen, manche haben Fähigkeit ins Genom zu integrieren
Adeno-assoziiertes Virus (AAV)-Vektor [1] [2]
Virus, das in natürlich vorkommender Variante von anderen Viren abhängig ist und zum Beispiel das Adenovirus zur Vermehrung braucht – daher der Name; gilt als nicht krankheitsauslösendim Normalfall transportiert AAV seine Fracht in den Zellkern, integriert es aber nicht ins Genomviele Serotypen – also Unterarten – bekannt, beispielsweise AAV2, jeder gekennzeichnet durch gewisse Gewebevorliebe (Tropismus)Vorzüge:- gilt selbst als nicht krankheitsauslösend
- fehlende Fähigkeit zur eigenständigen Vermehrung
- Gewebevorlieben der Serotypen lassen verschiedene Anwendungen zu, ohne Virus zu verändern
- Verschiedene Applikationswege denkbar
Probleme, Risiken und Nebenwirkungen:- großer Teil der Menschen hat bereits Immunantwort (neutralisierende Antikörper) gegen AAV-Serotypen entwickelt; Wirksamkeit bei ihnen deutlich eingeschränkt; Größenordnung: in klinischer Studie zu Hämophilie wurden daher 40 Prozent der Probanden ausgeschlossen
- AAV hat selbst kleines Genom, kann also nur wenig Genmaterial tragen (4,7 Kilobasen), manchmal Aufteilung auf zwei oder drei Vektoren nötig, was wiederum Probleme mit Immunantworten wahrscheinlicher macht
- Vorliegen außerhalb des Zellgenoms lässt Wirkung mit der Zeit abnehmen – Geninformation wird bei Zellteilung nicht weitergegeben, erneute Gabe wegen Immunität nicht sinnvoll
- hohe Dosen des Vektors bei systemischer Gabe (intravenös) können schwere Nebenwirkungen wie immunsystemvermittelte Gefäßverschlüsse und dadurch Nierenversagen sowie Leberschäden hervorrufen
- mehrere, dokumentierte Todesfälle in Studien zur Therapie von verschiedenen Muskelerkrankungen
- in Tiermodellen kann Wildtyp-AAV in Genom der Zielzelle integrieren, dadurch Leberkrebs-auslösend, allerdings nicht bei Hunden und Affen; Wildtyp-Integration vereinzelt bei Menschen beobachtet, aber Krebs-Assoziation nicht entdeckt; Lage für umgebautes AAV unklar
Stand klinischer Erprobung:- bisher am häufigsten benutzte Genfähre bei zugelassenen Gentherapien
- hohe Anzahl laufender klinischer Studien (circa 300), vor allem im Bereich Augenerkrankungen
Retrovirale Vektoren [5] [6]
auf Basis von verschiedenen Retroviren entwickelt, beispielsweise HIV als Lentivirus (dann lentiviraler Vektor)können sich ins Genom von Zielzellen einbauen, lentivirale auch bei ruhenden Zellenneuere Technik hat benötigtes Viruskonstrukt reduziert, um Sicherheit zu erhöhen: selbstinaktivierende Lentiviren (SIN-LV) sollen keine zusätzlichen Gene in der Zielzelle mehr aktivierenVorzüge:- hohes Verpackungsvolumen durch großes eigenes Genom (10 Kilobasen)
- durch Einbau ins Genom langfristige Wirkung erzielt
- Hüllprotein ist austauschbar – Eingang in verschiedene Zielzellen programmierbar
Probleme, Risiken und Nebenwirkungen:- zufällige Integration ins Erbgut der Zielzelle birgt Risiko: Wenn das in der Nähe von Onkogenen oder Tumor-unterdrückenden Genen passiert, kann Krebs ausgelöst werden
- bekannte Nebenwirkungen aus zellbasierten Gentherapie sind erhöhtes Risiko für und Auftreten von Blutkrebs, trotz selbstinaktivierendem Vektor
- Hüllproteine binden an sehr vielen verschiedenen Geweben; gezielter Einsatz ist erschwert und führt vor allem in-vivo zu off-target-Effekten
- erworbene Immunantworten: bei allen Menschen besteht Risiko der Immunität gegen Hüllproteine (zum Beispiel des Masernvirus aufgrund einer Impfung); Menschen mit HIV haben Immunität gegen HIV entwickelt, Gentherapie selbst löst auch Immunantwort aus: Wirksamkeit mehrfacher Dosierung unklar
Stand klinischer Erprobung:- Bisher vor allem in ex-vivo-Gentherapien eingesetzt (CAR-T-Zellen); historisch die ersten jemals zugelassenen in EU/USA
- derzeit Übertrag der Vorteile auf in-vivo-Gentherapien
- zusätzlicher Einsatzbereich: können gut mRNA transportieren und damit Geneditierungs-Werkzeuge in Zielzellen einschleusen
Herpes-Simplex-Virus (HSV)-Vektoren [3] [7] [8]
natürlich krankheitsauslösendes Virus, weit verbreitetVorzüge: - sehr hohes Verpackungsvolumen durch großes eigenes Genom (theoretisch bis zu 150 Kilobasen)
- neurotrop: Vorliebe für Nervenzellen und dortige latente Infektion ohne Schädigung nutzbar
Probleme, Risiken und Nebenwirkungen:- Ruf als unsicher, weil früher entzündungsauslösend und zelltoxisch; wahrscheinlich aufgrund von Verunreinigungen, gilt heute als gelöst
- keine schweren unerwünschten Nebenwirkungen als Gentherapie dokumentiert
- bisher nur in Zielzellen des natürlichen Virus getestet (Neurone und Hautzellen); Übertragbarkeit auf andere fraglich
Stand klinischer Erprobung:- kommen vor allem in der Krebsbehandlung zum Einsatz, dort beabsichtigte Zellzerstörung (keine Gentherapie)
- in einer bereits zugelassenen Gentherapie gegen Hauterkrankung dystrophe Epidermolysis bullosa im Einsatz (siehe Tabelle unten); erste örtlich aufgetragene Gentherapie
- weitere klinische Erprobung im Bereich Hauterkrankung (Ichtyiose) und Schmerztherapie (eingestellt)
Nicht-virale Transportmittel – Nanocarrier [3] [4] [9]
- weitere Ansatz, die Proteinsynthese in Zellen zu ändern, ist Einschleusen von reinen Nukleinsäuren – also nackter Erbinformation – zum Beispiel in Form von RNA oder kleineren Abfolgen von Nukleotiden direkt in Zielzellen (Transfektion)
- Problem dabei: Erbinformation muss gut verpackt werden, da sie instabil ist und nicht in Zielzellen aufgenommen werden kann
- kann mit unterschiedlichen Materialien geschehen: Fett (Lipide), Polymere, anorganische Substanzen
- Konzentration in diesem Rahmen auf LNP – Lipidnanopartikel
- bisher klinisch am weitesten erprobte Nanocarrier
- bekannt durch mRNA-Impfstoffe in der COVID-19-Pandemie, dabei bisher größter klinischer Einsatz von LNPs, aber nicht für gentherapeutische Zwecke
- können aber auch Genscheren in Zielzellen transportieren (Geneditierung)
- Vorzüge:
- Kostengünstigere Herstellung als virale Vektoren, dadurch skalierbare Produktion
- in geringerem Maße Immunantwort-auslösend
- können große Mengen Geninformation transportieren, damit auch komplexe Geneditierungs-Werkzeuge, schneller Abbau führt dabei zu nur kurz andauernder Editierung, Vorteil wegen weniger off-target-Effekte
- integrieren nicht in das Genom, geringeres Krebsrisiko
- Probleme, Risiken und Nebenwirkungen:
- Konkretes Verhalten im Organismus in Zellkultur schwer vorauszusehen
- Nanopartikel können sich in bestimmten Geweben anreichern, vor allem in Leber und Milz: Problem für Dosierung, um andere Organe erreichen zu können
- beim Transport von reinen Nukleinsäuren führt schneller Abbau der Partikel zu schnell abfallender Wirkung (häufige Gabe notwendig)
- Nebenwirkungen: positiv geladenen Partikel oder Stabilisierungsmoleküle können unerwünscht Immunreaktionen auslösen (Gabe von Medikamenten notwendig)
- Stand klinischer Erprobung:
- kam zur Gentherapie eines einzelnen Neugeborenen mit Stoffwechselerkrankung in den USA zum Einsatz, dabei transportierten LNPs das Geneditierungswerkzeug in Leberzellen, um dort einzelne Basen der Erbinformation auszutauschen [10]
- bessere Verteilung in anderen Geweben als Leber wird erforscht
- Fokus vor allem auf Transport von Geneditierungswerkzeugen