Was ist Gentherapie?

 
Was sind Gene?
Alle Vorgänge in unserem Körper beruhen auf dem Wechselspiel von Umwelteinflüssen und genetischer Information. Ein Gen ist die kleinste funktionelle Einheit der Übertragung von Erbinformationen. Nahezu jede Körperzelle enthält einen Zellkern, in dem zigtausend Gene auf den Chromosomen aneinandergereiht sind. Die genetische Information liegt in Form der Erbsubstanz, der Desoxyribonucleinsäure (Kurzform: DNS; englisch: DNA), verschlüsselt vor. In jeder Körperzelle findet sich im Wesentlichen die gleiche DNS, die bei der Befruchtung festgelegt wurde und für jedes Individuum einzigartig ist. Verschiedene Abschnitte auf der DNS sind als einzelne Gene organisiert, von denen es mindestens 25.000 in jeder Körperzelle gibt. Ein erwachsener Mensch wiederum besteht aus etwa 10.000 Milliarden (10¹³) Zellen.
 
Welcher Zusammenhang besteht zwischen Genen und Erkrankungen?
Krankheiten können entstehen, wenn Zellen zugrunde gehen, ungesteuert wachsen oder bestimmte Funktionen nicht mehr erfüllen. Dies kann oftmals auf angeborene oder erworbene Fehlfunktionen von Genen zurückgeführt werden. Täglich wächst unser Wissen über die genetischen Ursachen von Erkrankungen und über die Rolle von Umweltschadstoffen bei der Schädigung von Genen. Die Gentherapie versucht, dieses Wissen direkt nutzbar zu machen.


Prozentuale Verteilung der der Anwendung der Gentherapie bei verschiedenen Erkrankungen

Wie kann man mit Genen Krankheiten heilen?
Bei herkömmlichen, pharmazeutischen Arzneimitteln wird dem Patienten ein körperfremdes, synthetisches oder aus Naturstoffen hergestelltes, direkt gegen die Symptome wirkendes Medikament verabreicht. Das Medikament ist in diesem Fall zumeist ein chemischer Stoff oder ein Protein (Eiweiß). Bei der somatischen Gentherapie wird die Körperzelle in die Lage versetzt, den lebensnotwendigen Stoff in der Form eines Proteins oder einer RNA selbst herzustellen aufgrund der genetischen Information, die gezielt und punktgenau in die Zelle eingeführt wird. Die zugeführten Gene oder Genabschnitte werden in der Gentherapie als Medikament eingesetzt und wirken indirekt, über die in ihnen vorhandene Information. Je nach der Art der gewählten Methode verbleiben die „neuen“ Gene nur über Tage bis Wochen, möglicherweise aber auch über Monate und Jahre in den Körperzellen. Im besten Fall wird die Gentherapie einmalig angewendet und erspart dem Patienten die unter Umständen lebenslange Einnahme von Medikamenten. Trotz der so einfachen wie überzeugenden Grundidee ist die Gentherapie eine komplexe medizinische Behandlung in mehreren Schritten, die sich im Entwicklungsstadium befindet und noch Nebenwirkungen aufweist. Es gibt zwar derzeit mehrere hundert klinische Studien weltweit, aber noch kaum etablierte, standardisierte Therapien. Nach den Richtlinien der Bundesärztekammer findet die Anwendung der somatischen Gentherapie überwiegend bei schweren Krankheiten statt, wenn diese mit konventionellen Therapien nicht ausreichend beherrschbar sind. Das heißt, dass die Gentherapie bevorzugt dann eingesetzt wird, wenn sämtliche alternativen Therapien ausgeschöpft sind. Ziel ist es, die Gentherapie Schritt für Schritt als eine neue Behandlungsform in den Reigen der anderen medizinischen Optionen zu integrieren und damit auch in früheren Krankheitsstadien oder sogar zur Prävention einzusetzen, beispielsweise für Impfungen.

Nach Art der Therapiestrategie unterscheidet man:

  • Substitutionstherapie: Ersatz oder Korrektur fehlerhafter oder fehlender Genfunktionen bei Erberkrankungen, die auf einem einzelnen Gendefekt beruhen (monogenetische Erberkrankungen).
  • Additionstherapie: eine Verstärkung der physiologischen Genfunktionen, beispielsweise in der Immunabwehr bei Infektionskrankheiten und Krebs.
  • Suppressionstherapie: Ausschaltung pathogener Genaktivitäten. Abzugrenzen sind diese therapeutischen Ansätze von rein diagnostischen.

Anwendung am Patienten

Gentherapie - "Die letzte Hoffnung?"
In Deutschland werden derzeit bevorzugt schwerstkranke Patienten, für die es keine anderen Heilmethoden gibt, mit Gentherapie behandelt. Für diese Menschen ist die Gentherapie die letzte Chance auf eine Heilung und die Rückkehr in ein „normales Leben“. Das bekannteste Beispiel sind die monogenetischen Immunerkrankungen, für die eine Knochenmarkspende derzeit die einzige Aussicht auf Heilung ist. Oft wird ein passender Spender nicht gefunden oder aber viel zu spät, so dass die Wiederherstellung des Immunsystems nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.

    
           David Vetter                            Rhys Evans

SCID
Severe combined immunodeficiency (dt. schwerer kombinierter Immundefekt) ist ein Überbegriff für Krankheiten des Immunsystems. Es handelt sich um eine sehr seltene Krankheit. An SCID erkranken 1:50.000 bis 1:100.000 Säuglinge. Die sogenannten T-Zellen und B-Zellen des erworbenen Immunsystems müssen nach der Geburt ausreifen, um eine vollständige Immunabwehr zu leisten. Diese Zellen sind bei SCID-Patienten funktionell stark beeinträchtigt oder sie fehlen völlig. Thymusdrüse und Lymphknoten der Patienten sind oft unterentwickelt. Säuglinge mit SCID erkranken in den ersten Lebensmonaten an lebensbedrohlichen Infektionen durch Erreger, die bei Menschen mit normal ausgebildetem Immunsystem keine Probleme bereiten. Dazu gehören Lungenentzündungen, schwerste Durchfälle und Infektionen der Haut. Diese Infektionen verbreiten sich ungebremst im ganzen Körper und können zu einer Blutvergiftung führen. Darum müssen diese Patienten in einer völlig sterilen Umgebung leben, meist einem hermetisch abgeschlossenen Kunststoffzelt. Das hat den Begriff „Bubble Kids“ geprägt. Von SCID betroffene Kinder sind durch die ständigen Infektionen stark in ihrer Entwicklung gestört. Die Infektionen können zwar mit Antibiotika und Immunglobulinen behandelt werden, aber die Chance auf eine endgültige Heilung von SCID bietet bisher nur die Stammzell- oder Knochenmarkstransplantation mit einem passenden Spender sowie in einigen Fällen die Gentherapie.

Septische Granulomatose
Kurz CGD (chronic granulomatous disease). Patienten mit septischer Granulomatose leiden unter schweren, häufig nicht heilbaren Pilz- und Bakterieninfektionen, die zu schweren Organschäden und schließlich zum Tode führen können. Ursache des Defekts ist die mangelhafte Abtötung der eingedrungenen Erreger durch Fresszellen (Phagozyten, einer Untergruppe der weißen Blutkörperchen (Leukozyten). Wenn gesunde Fresszellen auf Bakterien oder Pilze treffen, werden in den Fresszellen durch ein Enzym (NADPH-Oxidase) toxische Sauerstoffverbindungen produziert, mit deren Hilfe die Fresszellen Bakterien und Pilze abtöten. Bei Patienten mit septischer Granulomatose liegt durch einen angeborenen genetischen Defekt eine Funktionsstörung der NADPH-Oxidase vor, so dass Fresszellen in den Körper eindringende Erreger nicht mehr beseitigen können. Die bisherige Standardbehandlung der septischen Granulomatose ist die Übertragung eines gesunden Immunsystems durch Stammzelltransplantation. Die Transplantation gut passender fremder Spenderzellen steht aber für die Mehrzahl betroffener Patienten nicht zur Verfügung und ist wegen der bestehenden schweren Infektionen für diese Patienten mit besonders großen Risiken behaftet. Gentherapie an körpereigenen Blutstammzellen stellt auch hier eine mögliche Alternative dar.

Beispiel: David Vetter (1971-1984)

  

David Phillip Vetter ist der zweite Sohn der Familie Vetter, bei dem die Erkrankung X-SCID festgestellt wird. Bei X-SCID liegt das defekte Gen auf dem X-Chromosom, daher sind nur Jungen betroffen (Mädchen tragen im Gegensatz zu Jungen ein zweites X-Chromosom, das gewöhnlich eine intakte Kopie des Gens enthält). Der erste Sohn stirbt sieben Monate nach der Geburt – Diagnose: „ein fehlendes Immunsystem“. Die behandelnden Ärzte sagen den Eltern eine 50%ige Chance voraus, dass der nächste Junge gesund zur Welt kommt. Außerdem sei es im Falle einer Erkrankung möglich, das Kind solange in einem sterilen Isolator zu behandeln, bis ein geeigneter Knochenmarkspender gefunden wird.

Die Eltern entscheiden sich für eine erneute Schwangerschaft. Leider ist auch David von der Erkrankung betroffen. Sekunden nach Verlassen des Mutterleibes kommt David in ein steriles Plastikzelt, die „Bubble“ – für den Rest seines Lebens, 13 Jahre, sein Zuhause, da kein geeigneter Spender für eine Knochenmarktransplantation gefunden wird.

Alles, was David zum Leben benötigt, Luft, Wasser, Essen und Kleidung muss desinfiziert werden, bevor es ins Sterilzelt gelangt. Ein passender Knochenmarksspender wird nicht gefunden und so ist die „Bubble“, die als vorübergehende Lösung gedacht war, jetzt sein Zuhause. Ein eigener Raum wird David zunächst im Krankenhaus zur Verfügung gestellt und im Laufe der Jahre muss David mehrmals umziehen, da er und die „Bubble“ einen immer größer werdenden Raum beanspruchen. Die Eltern und Wissenschaftler versuchen, David ein halbwegs normales Leben zu ermöglichen, mit Unterricht und Fernsehen. Aber David realisiert mehr und mehr seine Situation und wird sich der Welt „draußen“ bewusst. Dieses Bewusstsein und das Fehlen von direktem, menschlichem Kontakt führen mit der Zeit zu psychischen Problemen. David wird zunehmend aggressiv und depressiv. Ein eigens von der NASA hergestellter, 50.000 Dollar teurer „Raumanzug“, der ihm mehr Freiheit verschaffen soll, bringt nicht den gewünschten Erfolg. Am Tag der Übergabe weigert sich David den Anzug vor der Presse und vor den Wissenschaftlern zu demonstrieren. Auch danach trägt er den Anzug nur wenige Male bevor er heraus wächst – das Nachfolgemodell trägt er gar nicht.

Nach einigen Jahren wird die Situation immer schwieriger. David ist ein fast ausgewachsener Junge und die Aussicht auf Heilung ist genauso gering wie bei seiner Geburt. Die Ärzte haben Angst, dass David mit zunehmendem Alter immer unberechenbarer und damit unkontrollierbar wird. Die Eltern und Ärzte entscheiden sich jetzt doch für eine Knochenmarksspende von seiner Schwester Katherine. Wenige Monate nach der Transplantation bekommt David Fieber, Durchfall und Erbrechen, gefürchtete Nebenwirkungen einer nicht optimal verlaufenden Knochenmarktransplantation. Um ihn behandeln zu können, müssen ihn die Ärzte aus dem Sterilzelt nehmen. David Vetter verlässt 1984 zum ersten Mal die „Bubble“. Katherines Knochenmark enthält ein ruhendes Epstein-Barr-Virus, das sich in Davids Körper ungehindert ausgebreitet hat und jetzt Krebs auslöst. Zwei Wochen später stirbt David.

Eine Gentherapie stand für ihn damals noch nicht zur Verfügung. Das Konzept war zwar schon entwickelt, nicht aber die dafür notwendige Technologie.

Beispiel: Rhys Evans

   

“Bubble Baby” Rhys Evans ist 2002 der erste Patient in Großbritannien, der erfolgreich gentherapeutisch behandelt wird. Rhys kommt mit X-SCID, einer Form von SCID, die auf dem X-Chromosom liegt und meist an Jungen vererbt wird, auf die Welt. Mit vier Monaten, nach dem Abstillen, zeigen sich die ersten Symptome der Krankheit. Eine Reihe von Atemwegsinfektionen führt zu einer schweren Lungenentzündung. Zuvor war die Immunabwehr durch die Antikörperversorgung über die Muttermilch gewährleistet. Eine Knochenmarktransplantation, die Standardtherapie bei X-SCID, kommt nicht in Frage, da ein geeigneter Knochenmarkspender für Rhys nicht gefunden wird. Seine Eltern entscheiden sich für die Behandlung mit einer Gentherapie. Rhys werden Zellen aus dem Knochenmark entnommen. Eine intakte Kopie des Gens, das bei X-SCID defekt ist, wird mit einer Genfähre, einem abgeschwächten Mausretrovirus, in die Stammzellen des Knochenmarks geschleust. Die „reparierten“ Zellen werden Rhys wieder über eine einfache Transfusion zurückgegeben. Nach ein paar Monaten erhöht sich die Anzahl seiner Lymphozyten rapide. Die Immunabwehr funktioniert. Seitdem kann Rhys ein normales Leben führen: er kann mit anderen Kindern spielen und mit seinen Eltern in den Urlaub fahren.

Allerdings muss die Familie mit einer großen Ungewissheit leben. Bei einer ähnlichen Studie in Paris ist es bei einigen der behandelten Kinder zur Auslösung einer Leukämie (Blutzellkrebs) als Nebenwirkung der Gentherapie gekommen, die nicht in allen Fällen erfolgreich behandelt werden konnte. Künftige Studien sollen nun den langfristigen Erfolg der Behandlung sicherstellen und zugleich das Risiko der Nebenwirkungen reduzieren.

Was zeigen die Beispiele dieser beiden Patientengeschichten?
Die Beispiele von David Vetter und Rhys Evans verdeutlichen die Entwicklung in der Gentherapie. Es gibt viele schwere Erkrankungen, die mit herkömmlichen Methoden nicht beherrschbar sind und für die Gentherapie eine ernstzunehmende Option darstellt. Allerdings befinden wir uns am Anfang der Entwicklung dieser neuen Therapieform. Trotz erster Erfolge sind leider auch Rückschläge und Nebenwirkungen zu verzeichnen. Das Ziel ist, auf der Grundlage klarer wissenschaftlicher Erkenntnisse Schritt für Schritt das „therapeutische Fenster“ zu öffnen und zugleich Nebenwirkungen zu reduzieren.

Technologie des Gentransfers

Wie gelangt das Gen in die Zelle?
Zum Einschleusen therapeutischer Gene in die Körperzellen eines Patienten verwenden die Forscher verschiedene Methoden. Diese müssen der jeweiligen Erkrankung individuell angepasst werden. Wichtige Kriterien sind die Effektivität des Gentransfers und die Stabilität der transferierten Zellen – möglichst viele der betroffenen Körperzellen müssen das therapeutische Gen erhalten, um eine physiologische Wirkung hervorzurufen. Wenige „reparierte“ Zellen können nur selten ein Krankheitsbild beeinflussen.

Die Transportvehikel, die das therapeutische Gen möglichst zielgerichtet in die Empfängerzelle „fahren“, nennt man Vektoren. Die Natur selbst stand für ein äußerst wirkungsvolles Transportsystem Pate. Verschiedene Viren haben sich als sehr effizient in der Gentherapie erwiesen.

Viren können sich nicht selbständig vermehren. Sie sind auf den Stoffwechsel eines Wirtes angewiesen. Der Syntheseapparat einer Wirtszelle wird in den Dienst des Virus gestellt und stellt alle notwendigen Proteinbestandteile für das Virus her. Im Laufe der Evolution haben Viren das Einschleusen ihres Erbmaterials in den Wirt perfektioniert und genau diese Anpassung macht die Viren so interessant für die Gentherapie.

Um ein Virus als Genfähre benutzen zu können, muss es zunächst entschärft werden, denn es darf den Patienten nicht krank machen. Alle für den Menschen schädlichen Gene werden entfernt. Nur die Gene, die dafür sorgen, dass das Virus das gewünschte Genmaterial in die Zelle bringen kann, bleiben erhalten. Zudem ist darauf zu achten, dass das „Gentransfer-Virus“ nicht vom Immunsystem des Patienten erkannt und eliminiert wird.

Mit neuen Verfahren kann es gelingen, auch ohne die Verwendung von Viren effiziente Vektoren zu entwickeln. Die „physikochemischen“ Methoden des Gentransfers entwickeln sich auf der Grundlage unterschiedlicher Disziplinen der Nanowissenschaften, Materialwissenschaften, Physik, Chemie und Molekularbiologie. Sie stellen eine wichtige Ergänzung der viralen Vektortechnologie dar.

Sicherheit

Um die Sicherheit in der Anwendung am Patienten zu erhöhen, wird an zahlreichen Eigenschaften der Vektoren angesetzt:

  • Die idealen Bedingungen für die Produktion der Vektoren sind zu finden und Versuchssysteme zu entwickeln, die einen sensitiven Nachweis der übertragenen Gene oder möglicher kontaminierender Produkte ermöglichen.
  • Bei der Produktion viraler Vektoren werden die notwendigen viralen Gene auf verschiedene künstliche „Genkassetten“ verteilt, um einen Zusammenbau von vermehrungsfähigen, infektiösen Viren zu vermeiden.
  • Architektur und Inhalt der übertragenen Gene werden so verändert, dass die Steuerungselemente benachbarte Gene im Patientengenom nicht beeinflussen.
  • Ein gerichteter „ortspezifischer“ Einbau des Gens in einem bekannten Ort auf einem Chromosom der Zielzelle wird angestrebt; alternativ soll das übertragene Gen auch ohne Einbau in das Genom der Zielzelle bei Zellteilungen erhalten bleiben.
  • Immunreaktionen sollen verhindert werden, indem im Vektorpartikel vorhandene Proteine in der Dosis reduziert oder schneller abgebaut werden oder von einem für den Menschen unbekannten Virus hergeleitet werden.
  • Veränderungen der Oberflächenstrukturen der Vektoren sollen dafür sorgen, dass nur die für die Behandlung der Erkrankung notwendigen Zellen getroffen werden.
     

Mögliche Nebenwirkungen in der Gentherapie

Insertionsmutagenese
Sogenannte integrierende Vektoren haben den Vorteil, dass sie sich dauerhaft in das Genom einfügen – die Information der korrigierten Zellen bei der Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben wird, also nicht verloren geht. Der Nachteil ist, dass durch die Insertion benachbarte Gene, wie zum Beispiel Protoonkogene, angeschaltet (aktiviert) werden können und sich dadurch das Zellwachstum ändern kann. Im schlimmsten Fall kommt es zur Auslösung von Krebs. Das Ausmaß dieser Gefahr ist nach dem aktuellen Stand der Kenntnis sehr vom Kontext der Grunderkrankung, Gentransfermethode und klinischen Situation abhängig.

Immunogenität
Die Immunabwehr des Körpers ist ein großes Problem für die Gentherapie. Das Immunsystem kann freie Vektorpartikel, genetisch modifizierte Zellen und teilweise das eingeführte Genprodukt als fremd erkennen und abstoßen. Verbesserte Vektoren, eine kombinierte Stammzell-Gentherapie oder die zusätzliche Gabe von Medikamenten können Toleranz induzieren.

Silencing (Stilllegung)
Die Zelle verfügt über einen Mechanismus, negativ wirkende DNA über einen Selektionsmechanismus stillzulegen– die Methylierung. Ein Methylrest wird an einen Baustein der DNA gehängt. Das führt zur Blockierung des Promotors – das Steuerungselement für das Ablesen eines Gens. Die Information für das Gen kann nicht abgelesen werden, das Genprodukt wird nicht gebildet. Das Silencing kann bei einer Gentherapie auftreten und zum Funktionsverlust der genetisch modifizierten Zellen führen.

Mobilisierung
Wird ein Patient vom Wildtyp desselben Virus infiziert, das für eine Gentherapie verwendet wurde, so kann das Wildtypvirus den gentechnisch veränderten Vektor aus dem Genom heraus mobilisieren. Der Vektor könnte dann andere als die gewünschten Zellen erreichen. Das kann bedeuten, dass das therapeutische Gen in die falschen Zellen gelangt oder sogar an Dritte weitergegeben wird. Moderne virale Vektoren werden so konstruiert, dass das Risiko der Mobilisierung sehr unwahrscheinlich ist.

Rückschläge in gentherapeutischen Studien

1999
Der US-Amerikaner Jesse Gelsinger, der an einer erblich bedingten Fehlfunktion der Leber leidet, stirbt an einer heftigen Abwehrreaktion seines Immunsystems auf eine scheinbar zu große Dosis eines adenoviralen Vektors.
 
2002-2007
Vier Patienten mit X-SCID, die in Frankreich mit retroviralen Vektoren behandelt werden, erkranken Jahre nach erfolgreicher Therapie an Leukämie als nachgewiesener Folge der Gentherapie
 
2006
Mehr als 2 Jahre nach zunächst erfolgreicher Gentherapie ist der erste der CGD Patienten in der deutsch-schweizerischen Gentherapie-Studie nach bisherigen Analysen wahrscheinlich an einer schweren infektiösen Komplikation seiner Grunderkrankung verstorben. Die meisten der gentechnisch veränderten weißen Blutzellen haben ihre Funktion teils oder vollständig verloren. Die Ursache ist noch unbekannt. Bedauerlicherweise hat die Anzahl der restlichen genkorrigierten und somit funktionsfähigen weißen Blutzellen nicht mehr ausgereicht, die schwere Infektion erfolgreich zu bekämpfen.

Die gentherapeutische Forschung arbeitet intensiv daran, die Ursachen für diese Rückschläge zu erforschen und wirksame Präventionsmaßnahmen einzuführen.

Richtlinien und Gesetze

Richtlinien der Bundesärztekammer zum Gentransfer in menschliche Körperzellen
http://www.bundesaerztekammer.de

Bioethik-Links des Deutschen Referenzzentrums für Ethik in den Biowissenschaften
http://www.drze.de/links/Gesetzestexte

Übersicht zu nationalen Regelungen und internationalen Übereinkünften des Bundesministerium der Justiz
http://www.bmj.bund.de