Die Forscher interessiert:
- der Herstellungsweg des CFTR-Proteins und Identifikation daran beteiligter zelluläre Faktoren
- die 3D-Struktur des CFTR-Kanals, die Schritte der Proteinfaltung, der Mechanismus des Öffnens und Schließens des Kanals
- die Frage, welche Rolle das CFTR-Protein spielt außer der reinen Ionen-Kanalfunktion, denn immerhin steht das „R“ in CFTR für Regulator (CFTR: Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator)
- die Rolle von anderen Ionen-Kanälen im Zusammenspiel mit CFTR
- der zelluläre Aufbau des Lungengewebes
- die Regulation des CFTR-Gens und die klinische Auswirkung von Gen-Varianten
- die Entwicklung genetischer Therapien und Optimierung von Vektorsystemen
- die Lungenkeime, Muzine und Abwehrzellen im Zusammenspiel
- und vieles mehr
Dynamische Simulationen und Durchmesser des CFTR-Kanals: „Was sieht ein Ion, wenn es den CFTR-Kanal passiert?“
Die Faltung des CFTR-Proteins – noch immer ein nicht vollständig gelöstes Rätsel: Die Sequenz ist bekannt, die verschiedenen Maschinen der Zelle zur Proteinherstellung sind auch bekannt, aber wie genau das CFTR-Protein in der zellulären Maschine den finalen Schliff (seine dreidimensionale Faltung) erhält, ist noch immer nicht vollständig geklärt. Für Ärzte und Betroffene scheint das auch unerheblich, solange Modulatoren verfügbar sind und sicher wirken. Möchte man aber neue oder bessere Modulatoren entwickeln, so wären genaue Kenntnisse aller Abläufe rund um die CFTR-Herstellung und Faltung und die Form des Ionenkanals möglicherweise hilfreich. Denn dann wäre vielleicht eine gezielte Entwicklung von Molekülen möglich, die helfen, den Herstellungsprozess oder die Kanalfunktion zu unterstützen. Die Forscher denken hier an gezieltes Drug-Design am Computer - im Gegensatz zu den bisherigen in großem Maßstab durchgeführten Molekül-Screenings, wo Millionen von Moleküle hinsichtlich einer Funktion getestet werden. Auf diese Weise sind die zugelassenen Modulatoren gefunden worden, die Wirkungsweise wurde erst später erforscht.
CFTR-Genetik und genetische Therapien – ein sehr präsentes Thema auf dem Kongress
Neben dem CFTR-Protein wird auch das CFTR-Gen genau unter die Lupe genommen, denn noch immer weiß man nicht genug über die Genregulation. Das CFTR-Gen ist zwar in allen Zellkernen vorhanden, wird aber nicht von allen Zellen genutzt. Eine genetische Therapie müsste aber die natürliche Situation möglichst gut widerspiegeln und nicht dazu führen, dass das Gen auf einmal in Zellen und Geweben aktiv ist, wo der CFTR-Kanal natürlicherweise gar nicht gebraucht wird und sogar stören könnte. Demnach ist es wichtig zu erforschen, welche Zellen eigentlich wo in der Lunge vorkommen und welche Zellen durch Gen-Therapeutika erreicht werden müssen und eben welche nicht erreicht werden dürfen.
Welche Zellen gibt es? Wo finden sie sich und wie häufig sind sie? Antworten gibt es im „Human Cell Atlas“
Es gibt inzwischen einen „Human Cell Atlas“, der nach Untersuchungen von 24 Mio. Zellen von 486 Menschen erstellt worden ist und den Forschern zeigt, welche Zellen in der Lunge zu finden sind, wo sie sitzen und was sie machen (z. B. CFTR-Kanal herstellen oder nicht).
Inzwischen gibt es auch Modelle zu COPD und Mukoviszidose und bereits Untersuchungen im Vergleich vor und nach Therapie mit Modulatoren. Allerdings ist die CFTR-Regulation noch nicht ganz verstanden und warum die CFTR-Expression in einzelnen Zellen (Ionozyten) so hoch ist, muss noch geklärt werden. Antworten auf diese Fragen sind wichtig, wenn durch Genetische Therapien das natürliche Vorkommen des CFTR-Kanals erreicht werden soll. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass vor allem die sekretorischen Zellen, die Ionozyten und Basalzellen der Lunge mit genetischen Therapien erreicht werden müssten. Entsprechend sind es inhalative genetische Therapien, die derzeit entwickelt werden. Damit können die sekretorischen Zellen und Ionozyten in der Lunge erreicht werden, allerdings wäre dies keine Heilung einer Mukoviszidose, da der CFTR-Kanal auch in anderen Organen benötigt wird und auch in der Lunge der Effekt spätestens dann verloren geht, wenn die spezialisierten Zellen absterben. Für einen langanhaltenden Effekt müssten schon die Basalzellen der Lunge erreicht werden – und das über eine stabile Veränderung in der DNA im Zellkern (Genersatztherapie oder Geneditierung im Genom). Eine mRNA ist grundsätzlich nur vorübergehend wirksam, da mRNA in den Zellen wieder abgebaut wird.
Für viele seltene Genvarianten weiß man nicht, was sie bewirken und ob Modulatoren helfen könnten
Die Erforschung des CFTR-Gens und -Proteins ist daher notwendig, um die Auswirkungen von Genvarianten zu verstehen.
Theratyping bedeutet die in-vitro Bestimmung des Ansprechens von CFTR-Varianten auf Modulatoren
Modulatoren wirken als Korrektoren oder Potentiatoren, indem sie am CFTR-Protein binden und Reifung bzw. Öffnung beeinflussen. Für viele CFTR-Varianten weiß man, dass Modulatoren wirken können. Viele, gerade die seltenen Varianten, sind wenig untersucht und bei ihnen ist daher nicht bekannt, ob Modulatoren einen Effekt haben könnten. In den USA wurden an drei verschiedenen Standorten 655 CFTR-Varianten in systematischer Testung untersucht, darunter 478, für die Modulatoren nicht zugelassen sind. Die Untersuchung ergab, dass viele der Varianten auf Modulatoren ansprachen. Ob die Menschen mit den entsprechenden Varianten auch klinisch von einer Modulatortherapie profitieren würden, sagt diese in-vitro Untersuchung an den FRT-Zellen (tierische Laborzelllinie) nicht unbedingt aus, gibt aber einen Hinweis, dass eine testweise Anwendung ggf. zu überlegen wäre. Es gibt jedoch auch Theratyping-Ansätze, die patientenindividuellere Antworten erlauben, indem Modulatoren an Zellen von Patienten (Zellen aus Atemwegen oder Darmschleimhaut) untersucht werden. Systematische klinische Studien - in Europa die Voraussetzung für eine Zulassung - sind bei den seltenen Varianten aufgrund der geringen Patientenzahlen nicht möglich.
Genetische Therapien – ein Ansatz für mehrere Genvarianten als Ziel
Grundsätzlich wird versucht, verschiedene CFTR-Varianten mit der gleichen genetischen Therapie zu korrigieren, denn so ist es eher zu erreichen, dass klinische Studien machbar werden und Pharmafirmen sich für den Ansatz interessieren. Verschiedene Entwicklungen auf RNA-Basis sind für Stopp-Mutationen in Arbeit, u. a. wurde auch über den durch den Mukoviszidose e.V. finanziell unterstützten tRNA Ansatz berichtet. Die tRNAs scheinen grundsätzlich zu funktionieren, das wurde inzwischen auch an Patientenzellen gezeigt. Nun geht es darum, die besten tRNA Kandidaten zu entwickeln, die möglichst viele Stopp-Mutationen abdecken können, aber dennoch keine unspezifischen Nebenwirkungen haben.
Mutationsspezifische Ansätze gibt es aber auch: Das Antisense Oligonukleotid SPL84 hat erfolgreich die Phase-1-Studie durchlaufen, die Durchführung von Phase 2 ist in den USA und Europa in Planung. ASOs bestehen aus wenigen Nukleotidbausteinen, sind daher klein und passieren auch den CF-typischen Schleim. Sie wirken ca. vier Tage, bevor der Körper sie abbaut. Eine einmal wöchentliche Inhalation würde daher reichen.
Gene-Editing: Werkzeuge korrigieren einzelne genetische Bausteine wie Buchstaben in einem falsch geschriebenen Wort
CRISPR/Cas9 ist ein geniales Tool der Natur, aber als mögliches Medikament muss das Werkzeug optimiert werden: Präziser, effizienter, fehlerfrei muss es sein, wenn es therapeutisch am Menschen eingesetzt werden soll. Das natürliche Vorbild arbeitet nur in Zellen, die sich noch teilen, für einen therapeutischen Einsatz wäre auch der Einsatz in ausgereiften Zellen interessant und wünschenswert. Die Forscher sind derzeit dabei, sich bessere Werkzeug-Boxen zusammenzustellen, u. a. indem bei Bakterien systematisch geschaut wird, was die Natur selbst schon diesbezüglich optimiert hat.
Was hat Studienteilnahme für langfristige Konsequenz hinsichtlich weiterer Studien oder Therapien? Was ist sonst noch in der Pipeline?
Genetische Studien benötigen eine sehr gute Aufklärungsarbeit und transparent verfügbare Informationen. Denn diese Therapien sind die ersten Therapien bei Mukoviszidose, die sich langfristig oder sogar bleibend auswirken können. Sowohl das Gentherapeutikum (DNA oder RNA) als auch das Transportmittel (z. B. bei Viren) können langfristige Effekte haben und es ist wichtig, zu erfahren, was das für spätere Therapien oder auch Studien bedeuten könnte.
Wer übernimmt die Aufgabe der Aufklärung? In einem durch Patientenorganisationen initiierten Symposium wurde sehr deutlich, dass viele der verfügbaren Informationen bislang über Patientenorganisationen bereitgestellt werden. Die Verfügbarkeit von verständlichen Informationen und die Transparenz in Bezug auf weitere Therapien ist sehr wichtig und auch eine Aufgabe der Entwickler dieser Therapien. Eine frühzeitige Zusammenarbeit mit Patientenorganisationen ist wichtig, um die klinischen Studien zu genetischen Therapien gut realisieren zu können. In einem Punkt waren sich alle einig: Die Kommunikation zwischen Grundlagenforschern und Menschen mit Mukoviszidose sollte verbessert werden. Die Patientenorganisationen sind gut vernetzt und bieten eine bestehende Struktur, um als Vermittler von Informationen in beide Richtungen zu fungieren.
Bakterielle Besiedelung der Lunge vor und nach Beginn einer Modulatortherapie
Auch die Mikrobiologie ist weiterhin Thema bei CF und die Forscher interessieren sich dafür, ob die Modulatoren auch bewirken können, dass krankmachende Keime aus der Lunge zurückgedrängt werden. Bislang ist ein Rückgang beobachtet worden, allerdings auch Fälle, in denen die gleichen oder andere Keime, zurückkamen. Untersuchungen sind schwierig, da weniger Sputum produziert wird und auch nicht auf bestimmte Lungenareale zurückzuführen ist. Auf dem Kongress wurde berichtet, dass sich Pseudomonas aeruginosa mit Beginn einer Modulator-Therapie möglicherweise aus relativ „gesunden“ Lungenarealen beseitigen lässt, in stark beschädigten Bereichen aber verbleibt und sich von dort später sogar wieder in die „frei gewordenen Lungenareale“ verbreitet. Untersucht wurde das an wiederholten Bronchoskopien verschiedener Lungenbereiche vor und nach Beginn einer Therapie mit Modulatoren. Ob die Beobachtung generell zutrifft oder auf die doch eher kleine Untersuchungsgruppe zurückzuführen ist, kann noch nicht gesagt werden. Die Arbeitsgruppe sieht in der Beobachtung jedoch einen wichtigen Hinweis dafür, dass antibiotische Therapien gerade im Zeitfenster des Beginns einer Modulatortherapie („Window of opportunity“) besonders wichtig sein können.
