December 7, 2011
Eine neue Technik zur Genbearbeitung würde Patienten mit ihren eigenen Zellen heilen
Eine neue Technik zur Genbearbeitung würde Patienten mit ihren eigenen Zellen heilen
LA JOLLA, Kalifornien – Forscher am Salk Institute for Biological Studies haben eine Möglichkeit entwickelt, die eigenen Zellen von Patienten zu nutzen, um möglicherweise Sichelzellenanämie und viele andere Erkrankungen zu heilen, die durch Mutationen in einem Gen verursacht werden, das bei der Produktion von Bluthämoglobin hilft.
Bei dieser Technik werden Zellen aus der Haut eines Patienten verwendet, um induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) zu erzeugen, die sich zu verschiedenen Arten von reifem Gewebe – einschließlich Blut – entwickeln können. Die Wissenschaftler sagen, dass ihre Methode, die das Beta-Globin-Gen (HBB) repariert, Gentherapietechniken vermeidet, die potenziell schädliche Gene in Zellen einschleusen können.
Die neue Technik, die bald als Therapie an Tieren getestet werden soll, scheine auch viel effizienter zu sein als andere bisher getestete Methoden, sagen die Forscher.
„Unsere Ergebnisse bereiten den Weg für die Entwicklung iPSC-basierter Therapien für verheerende genetische Störungen wie die Sichelzellenanämie“, sagt der Hauptforscher der Studie, Juan Carlos Izpisúa Belmonte, ein Salk-Professor im Gene Expression Laboratory.
Salk-Forscher programmierten Hautzellen, die einem Patienten mit Sichelzellenanämie entnommen wurden, in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) um, unreife Zellen, die sich zu jeder Art von Körpergewebe entwickeln können.
Um sicherzustellen, dass die Hautzellen tatsächlich in Stammzellen umprogrammiert wurden, brachten die Forscher sie dazu, Muskelzellen zu werden, was durch das Vorhandensein muskelspezifischer Protiene (rot) in diesem Bild angezeigt wird. Die Zellkerne – die zentralen Kompartimente, die die DNA enthalten – sind blau dargestellt.
Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies
Bei der Sichelzellenanämie handelt es sich um eine Gruppe erblicher Bluterkrankungen, die durch genetische Mutationen im HBB-Gen verursacht werden und zu abnormalem Hämoglobin führen, dem eisenhaltigen Protein, das den Blutzellen normalerweise den Sauerstofftransport ermöglicht. Dadurch werden die roten Blutkörperchen hart und klebrig und ähneln einem gebogenen landwirtschaftlichen Werkzeug, das als „Sichel“ bezeichnet wird. Bei den beiden häufigsten durch HBB-Mutationen verursachten Erkrankungen, Sichelzellenanämie und Beta-Thalassämie, können rote Blutkörperchen Sauerstoff nicht effektiv transportieren.
Zu den Symptomen einer Sichelzellenanämie zählen Schwellungen der Hände und Füße, Schmerzen aufgrund verstopfter Blutgefäße, Anämie und Schlaganfall.
Die Störungen treten am häufigsten bei Menschen afrikanischer, mediterraner und nahöstlicher Abstammung auf. Laut den Centers for Disease Control and Prevention wird einer von 500 Afroamerikanern und einer von 30,000 Hispanoamerikanern mit Sichelzellenanämie geboren.
Die Krankheit kann durch Stammzell- oder Knochenmarktransplantationen geheilt werden, es besteht jedoch ein hohes Risiko, dass Transplantatempfänger das gespendete Knochenmark oder die gespendeten Zellen abstoßen, was zu schwerwiegenden Nebenwirkungen und sogar zum Tod führen kann.
Die Salk-Forscher, zu denen auch die Co-Erstautoren Mo Li und Keiichiro Suzuki gehören, beide wissenschaftliche Mitarbeiter im Labor von Belmonte, wollten eine sichere Methode entwickeln, um iPSCs zur Korrektur des HBB-Gens bei Patienten zu verwenden, die fehlerhafte Kopien des Gens haben.
Da die iPSCs aus dem eigenen Körper des Patienten stammen, dürfte das Risiko einer Transplantatabstoßung bei ihnen geringer sein. Darüber hinaus wurden etwa 500 weitere krankheitsverursachende Mutationen im HBB-Gen identifiziert, so dass eine Korrektur des Gens möglicherweise eine Vielzahl von HBB-bedingten Krankheiten weltweit heilen könnte.
Den Forschern zufolge haben sich herkömmliche iPSC-Erzeugungs- und Gentherapietechniken jedoch als potenziell unsicher erwiesen.
Viele haben Viren verwendet, um adulte Zellen in Stammzellen umzuwandeln und ein normales HBB-Gen zu übertragen, um hämatopoetische Stammzellen zu infizieren und zu reparieren – Stammzellen, aus denen alle Blutzellen entstehen.
Wenn diese reparierten Stammzellen jedoch an Patienten zurückgegeben werden, können sie Transgene enthalten – unerwünschte Gene, die in das Wirtsgenom eingefügt wurden und die normale Funktion der DNA stören. Die Technik ist zudem ineffizient, da sie nur einen kleinen Prozentsatz der Genmutationen korrigiert, und in klinischen Studien zur Erprobung einer Gentherapie zur Behandlung von Beta-Thalassämie hat sich der Erfolg einer Transplantation als selten erwiesen.
„Wir wollten die Mutation so beheben, dass sie keine unerwünschten Spuren im Genom eines Patienten hinterlässt“, sagt Suzuki.
Dazu verwendeten die Forscher einen zweistufigen Ansatz. Zunächst entnahmen sie erwachsenen Hautzellen einem Patienten mit einer HBB-Mutation, die Sichelzellenanämie verursacht. Sie nutzten sechs Gene, um diese Zellen dazu zu bringen, sich in iPSCs umzuwandeln, die sich dann zu Blutzellen entwickeln konnten. Die Gene wurden mithilfe einer Technik in die Zellen eingeführt, die den Einsatz von Viren und die Einfügung von Transgenen in das Genom der Zellen vermeidet.
Ihr nächster Schritt bestand darin, die HBB-Genmutation in den Stammzellen zu reparieren. Um das defekte Gen durch eine normale Kopie in den iPSCs auszutauschen, verwendeten die Forscher ein modifiziertes Adenovirus (Erkältungsvirus), das sich im Gegensatz zu Viren, die bei anderen Methoden verwendet werden, im Körper nicht selbst repliziert und die DNA der Wirtszellen nicht verändert. Die viralen Gene wurden gelöscht und durch eine DNA-Sequenz ersetzt, die ein normales HBB-Gen enthielt.
Das veränderte Virus lieferte dann das neue genetische Material in die iPSCs, wo die DNA-Region, die das defekte Gen enthielt, durch die Sequenz ersetzt wurde, die das normale Gen enthielt. „Es geschieht auf natürliche Weise und funktioniert wie ein Reißverschluss“, sagt Li. „Das gute Gen greift einfach perfekt ein und verdrängt das schlechte Gen.“
Durch den Ersatz eines relativ großen DNA-Bereichs ermöglicht die Technik den Wissenschaftlern, viele Genmutationen auf einmal zu beheben, was darauf hindeutet, dass die Methode eine Möglichkeit zur Behandlung Hunderter Arten von HBB-bedingten Krankheiten bieten könnte. Auch die Korrektur des mutierten HBB-Gens war äußerst effizient und das Forschungsteam führte mehrere Tests durch, um sicherzustellen, dass keine fehlerhaften Gene in das Genom integriert wurden.
Die Salk-Wissenschaftler planen nun, aus den reparierten Stammzellen Blutzellen herzustellen und ihre Wirksamkeit an Tieren zu testen. Bei Erfolg könnte dies zu Therapien für Menschen führen, bei denen die Stammzellen eines Patienten in iPSCs umgewandelt, dann genetisch repariert und zurück in das Knochenmark desselben Patienten transplantiert werden. Bei Erfolg produziert das Knochenmark anschließend alle neuen Blutzellen, einschließlich normalem Hämoglobin.
Wenn sich die Technik als wirksam erweist, könnte sie laut den Forschern zur Behandlung anderer Arten von Krankheiten eingesetzt werden, die durch einzelne Genmutationen verursacht werden.
Die Studie wurde durch Zuschüsse der G. Harold und Leila Y. Mathers Charitable Foundations, Sanofi-Aventis, finanziert. Ellison Medical Foundation, Der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, MICINN und Fundacion Cellex (JCIB). Die Studie erscheint in der Dezemberausgabe 2011 von Zellforschung.
Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.
Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.
Für weitere Informationen:
Zellforschung
Autoren: Mo Li, Keiichiro Suzuki, Jing Qu, Preeti Saini, Ilir Dubova, Fei Yi, Jungmin Lee, Ignacio Sancho-Martinez, Guang-Hui Liu und Juan Carlos Izpisua Belmonte
Effiziente Korrektur von Hämoglobinopathie-verursachenden Mutationen durch homologe Rekombination in integrationsfreien Patienten-iPSCs
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