Gentherapie bei Mukoviszidose: Was ist in Zukunft zu erwarten?

Gelänge es, Mutationen im Gen durch eine fehlerfreie „Reparatur vor Ort“ oder durch den Einbau eines Ersatzgens stabil und sicher im Erbgut vorzunehmen, so könnte man von einer klassischen Gentherapie sprechen, die einer Heilung der Erkrankung gleichkommt. Veränderungen im Erbgut würden dann auch bei Teilung an die Tochterzellen weitergegeben – und auch diese Tochterzellen wären geheilt. Doch im menschlichen Organismus sind die meisten Zellen und auch die des Lungenepithels spezialisierte, ausgereifte Zellen, die selber keine Tochterzellen mehr ausbilden. Eine Korrektur deren Erbguts, d. h. der Gene dieser Zellen, kann nur vorübergehend (transient) sein. Nachwachsenden Zellen des Lungenepithels müssten erneut therapiert werden. Es gibt aber auch im ausgewachsenen Organismus seltene vorkommende Vorläuferzellen, die teilungsfähig bleiben und aus spezialisierten Zellen für Erneuerungsprozesse (Regeneration von Gewebe) nachwachsen. Für eine erfolgreiche Gentherapie bei Mukoviszidose müsste man genau solche Vorläuferzellen finden und behandeln, um eine anhaltende Gentherapie zu erreichen. 

Stabile genetische Veränderungen im Sinne einer Heilung durch Gentherapie könnten daher nur an Stammzellen vorgenommen werden, die als Vorläuferzellen dienen und durch Zellteilung andere Körperzellen hervorbringen. Welche Zellen der Lunge bei Mukoviszidose erreicht werden müssen – und vor allem mit welchem Transportmittel (Vektor) – ist noch nicht klar. Sogenannte Ionozyten wurden vor wenigen Jahren als mögliche Stammzellen der Lunge entdeckt, diese sind extrem selten im Lungengewebe zu finden, stellen den CFTR-Kanal aber auch in extrem hoher Menge her und wurden daher als geeignete Zielzelle für eine Gentherapie diskutiert. Die Rolle der Ionozyten in der Lunge und in Bezug auf das Krankheitsgeschehen bei Mukoviszidose ist aber noch nicht geklärt.

Neueste Methoden machen es möglich, dass Forscher Lungengewebe bis auf die Ebene der einzelnen Zellen hinsichtlich ihrer Genaktivität analysieren können, um zu verstehen, welche Gene in den verschiedenen Zelltypen aktiv sind und auch, wie deren Häufigkeit und Ähnlichkeit der Zelltypen zueinander ist. Diese Forschung ist erst in den vergangenen ein-zwei Jahren möglich geworden und CF-relevante Ergebnisse wurden in diesem Jahr auf dem europäischen und dem amerikanischen CF-Kongress veröffentlicht. Die Forscher sprechen von einem Zellatlas, der ihnen hilft, zu verstehen, welche Zelltypen wo vorkommen – und wo das CFTR-Gen gebraucht wird – eine wichtige Voraussetzung für die Gentherapie.

Für die praktische Anwendung einer Gentherapie werden damit gleich ganz andere Anforderungen gestellt: die sekretorischen Zellen könnten über inhalative Darreichungsformen erreicht werden, die tiefer im Lungengewebe liegenden Basalzellen wären eher über die Blutbahn erreichbar. Eine solche Ansteuerung von Zielzellen ist über verschiedene Transportvehikel, die Vektoren, möglich. Die Entwicklung von Vektoren ist dabei schon wieder ein eigenes Forschungsgebiet, dem sich akademische Forschungsgruppen und verschiedene Firmen widmen (s. u.).

Alle Eingriffe auf Ebene der Gene muss mit sehr großer Sicherheit fehlerfrei ablaufen, denn es muss unbedingt verhindert werden, dass andere Gene verändert oder krebsverursachende Gene in der Zelle aktiviert werden. Dass langfristig wirkende Gentherapien aber machbar sind, zeigen die Zulassungen bei anderen Erkrankungen seit 2012. Alle bislang zugelassenen, auf DNA-Ebene wirkenden Gentherapien sind aber solche, die zunächst lokal begrenzte und gut zugängliche Körperzellen korrigieren, indem eine fehlerfreie Version des Gens als „Ersatzgen“ in den Zellkern eingebracht wird. Eine Zulassung für eine „Reparatur vor Ort“ durch molekulare Scheren wie CRISPR/Cas (s. u.) ist bislang jedoch noch nicht erfolgt. Verschiedene Gentherapeutika sind bei anderen Erkrankungen bereits zugelassen worden (siehe unten).

Die molekularen Werkzeuge für eine Reparatur vor Ort werden immer besser und eine solche Therapie an Körperzellen immer wahrscheinlicher. Die 2015 entdeckten bakteriellen Enzyme CRISPR/Cas sind darauf spezialisiert, Erbgut an vorgesehenen DNA-Bereichen sehr präzise zu schneiden. Molekularbiologen weltweit haben das System inzwischen optimiert, indem die Schnittstelle auf der DNA je nach Belieben (und je nach Mutation und Erkrankung) von den Forschern bestimmt werden kann und auch die Art der Reparatur genau gesteuert werden kann. Man spricht hier von Gene-Editing, da die Gene im Erbgut wie Wörter in einem Text korrigiert werden können. Die Experten unterscheiden sogar noch einmal Base-Editing und Prime-Editing, beides beruht jedoch auf dem CRISPR/Cas-System und unterschiedet sich nur in der Art der Reparatur, der entscheidende Schritt, der ja nach dem Schnitt durch die DNA folgen muss. Für Mukoviszidose bräuchte man allerdings aufgrund der vielen verschiedenen Mutationen auch viele verschiedene Gene-Editing–Medikamente. Dies stellt die Entwickler vor eine echte Herausforderung.

Eine „One fits all“-Lösung erscheint aufgrund der über 2.000 verschiedenen CFTR-Mutationen attraktiver und entsprechend wird so eine generelle Lösung für Mukoviszidose in den USA derzeit bevorzugt vorangetrieben: In einem großen von der CFF (Cystic Fibrosis Foundation) geförderten Konsortium arbeiten Wissenschaft und Industrie an einer Gen-Ersatz-Methode, indem ein sogenanntes „CFTR-Super-Exon“ verwendet werden soll. Das würde dann für alle Patienten passen, egal welche Mutationen vorliegen. Bis dieser große Wurf gelingt, kann es jedoch noch etwas dauern. 

Mit der DNA-Gentherapie ist man deshalb so vorsichtig, weil Fehler unbedingt ausgeschlossen werden müssen. Ex-vivo, also außerhalb des Körpers, ist hier schon mehr möglich und die Methode wird in der Krebstherapie bereits angewandt, um Abwehrzellen außerhalb des Körpers kontrolliert zu manipulieren, damit diese nach der anschließenden Verabreichung Krebszellen erkennen und zerstören. Gerade für solche ex-vivo Ansätze sind die molekularen Scheren und Gene-Editing Werkzeuge Gold wert. Sie ermöglichen zielgenaue Korrekturen an der DNA, seit Neuestem sogar auch an Genkopien, der RNA. 

Ein ex-vivo Ansatz wird auch bei Mukoviszidose erforscht. In einem vom Mukoviszidose e.V. geförderten Projekt der Medizinischen Hochschule Hannover von Dr. Antje Munder wird untersucht, ob Makrophagen, also körpereigene Abwehrzellen, von Mukoviszidose-Patienten außerhalb des Körpers korrigiert werden können. Denn der CFTR-Defekt scheint auch Abwehrzellen zu schwächen, so dass eine ex-vivo Korrektur von Makrophagen auch eine denkbare Mukoviszidose-Therapie sein könnte. Aber auch hier wäre keine klassische Heilung im Sinne einer Gentherapie erreicht, aber durch eine ex-vivo Genmanipulation an Makrophagen mit anschließender Transplantation der korrigierten Zellen könnte den Patienten im Kampf gegen Infektionen geholfen werden. Prä-klinische Untersuchungen stimmen durchaus positiv. 

Bei Mukoviszidose ist trotz langjähriger Forschung eine Gentherapie auf DNA-Ebene bislang nicht geglückt. Eine Studie des „UK-Gene Therapy Consortium“ veröffentlichte 2015 die Ergebnisse einer zwölfmonatigen Studie, wo in Fettkügelchen (Liposomen) verpackte CFTR-DNA einmal monatlich und für insgesamt ein Jahr inhaliert wurde. Grundsätzlich war das Gentherapeutikum gut verträglich und hat auch eine Verschlechterung der Lungenfunktion verzögert. Dieser Effekt war jedoch nicht ausreichend - vor allem nicht in einer Zeit, wo Modulatoren verfügbar wurden, die eine messbare Verbesserungen der Lungenfunktion zeigten. Das UK-Genkonsortium arbeitet zusammen mit der Firma Boehringer weiterhin an einem DNA-basierten Gentherapie-Ansatz, ein anderer Vektor (auf Basis eines Lentivirus) soll die DNA effektiver in die Zellen der Lunge einbringen. 

Auf dem amerikanischen CF-Kongress wurde 2021 von drei weiteren Entwicklungen verschiedener Firmen (4DMT, Spirovant, Krystal) berichtet mit dem Ziel, das defekte CFTR-Gen durch eine fehlerfreie Version zu ersetzen. Virale Vektoren werden bei diesen drei Ansätzen als Transportmittel genutzt und inhalative Anwendungen sind im Fokus. Kürzlich wurden auf dem amerikanischen Kongress 2022 die ersten Zwischenergebnisse aus der in den USA begonnenen Studie mit der Substanz 4D-710 (enthält das ganze CFTR-Gen in einem Adenovektor) berichtet. Drei Patienten erhielten eine einzelne Dosis des inhalierbaren Gentherapeutikums und das Medikament wurde gut vertragen und es traten keine Sicherheitsbedenken auf. Untersuchungen zeigten, dass das inhalativ verabreichte CFTR-Gen in Lungengewebezellen nachgewiesen werden konnte – ein Ergebnis, was in dieser frühen Studienphase positiv überraschte, da das Gentherapeutikum, wie bei Phase-1-Studien zur Sicherheit üblich, nur sehr gering dosiert war. Neben 4D-710 befinden sich fünf weitere Gentherapeutika-Studien in Planung oder sind sogar schon bei den Behörden zur Durchführung beantragt. Die Zeichen stehen also gut, dass eine Gentherapie bei Mukoviszidose Realität werden könnte. 

Informationen zu der 4D-710-Studie in der Studiendatenbank

Gentherapien auf Ebene der mRNA sind aber auch anders möglich: Es muss nicht unbedingt eine neue vollständige mRNA in die Zelle eingebracht werden, sondern die fehlerhafte mRNA kann auch vor Ort manipuliert werden, so dass der Fehler sich in der nachfolgenden Herstellung des CFTR-Proteins nicht mehr auswirkt. Das ist zum Beispiel bei Mukoviszidose durch den Wirkstoff QR-010 (Eluforsen) u. a. auch in Deutschland untersucht worden. Das Medikament bindet als Anti-Sense-Oligonukleotid (ein kurzes Stück DNA) an die mRNA von Patienten mit der F508del-Mutation und soll dadurch eine Korrektur bei der CFTR-Protein-Herstellung bewirken. Die Verträglichkeit und Sicherheit des inhalativen Eluforsen war gut, und die Mukoviszidose-Patienten in der Studie spürten auch eine leichte Verbesserung. Große klinische Studien zur Wirksamkeit wurden aber nicht durchgeführt und die amerikanische CF-Organisation, die die klinische Forschung bislang unterstützt hatte, scheint den Ansatz vorerst nicht weiter zu verfolgen.

Es gibt aber einen weiteren Ansatz. Die Substanz SPL84 der Firma SpliSense ist auch ein Antisense-Oligonukleotid (ASO), welches zur Behandlung der Spleißmutation (3849+10 kb C->T) entwickelt wird. Eine klinische Studie wurde im Dezember 2022 initiiert. 

Ein weiterer Ansatz auf mRNA-Ebene ist bei Stopp-Mutationen (Nonsense-Mutation) möglich, indem Medikamente bewirken, dass fehlerhafte Stopp-Signale, die durch seltene CFTR-Mutationen verursacht werden, einfach bei der Herstellung des Proteins ignoriert werden. Die Medikamente sorgen dafür, dass fehlerhafte Stopp-Signale einfach überlesen werden (Read-Through-Medikament). Ataluren (in CF Studien auch PTC-124 bekannt) wurde als solch ein Read-Through-Medikament für Mukoviszidose untersucht, aber führte leider nicht zum Erfolg. Dass der Ansatz aber funktionieren kann, ist bewiesen: Die gleiche Substanz wurde inzwischen bei Patienten mit Duchenne Muskeldystrophie, bei denen eine Stopp-Mutation vorliegt, zugelassen. Die Patienten müssen das Medikament mehrmals täglich oral einnehmen, um eine Verbesserung der Symptome zu spüren – von einer richtigen „Heilung“ kann man also auch hier, wie für einen mRNA-Ansatz nachvollziehbar, nicht sprechen.

Ein ähnlicher Ansatz wurde kürzlich für Mukoviszidose mit dem Wirkstoff ELX-02 zur Behandlung der sehr seltenen Stopp-Mutationen (G542X) in einer klinischen Studie untersucht. Im September 2022 bestätigten die Firma Eloxx in einer Pressemeldung eine gute Verträglichkeit, aber leider keine signifikanten klinischen Verbesserungen. Dabei wurde die Substanz auch in Kombination mit Ivacaftor untersucht, um die Aktivität zu erhöhen.

Auf dem amerikanischen Kongress wurden die zukünftigen Möglichkeiten von Kombinationstherapien hervorgehoben. Denkbar sind Therapien, die auf Gen-Ebene bewirken, dass das CFTR-Gen überhaupt abgelesen wird und bei denendie Modulatoren dafür sorgen, dass das CFTR-Protein richtig reift und/oder aktiviert wird. 

Lesen Sie hierzu auch unsere Zusammenfassung vom Nordamerikanischen CF-Kongress 2022:

Zur Zusammenfassung der Ergebnisse des Nordamerikanischen CF-Kongresses 2022

Die mRNA anderer Gene, die das Krankheitsgeschehen bei Mukoviszidose beeinflussen, könnte ebenfalls Ziel gentherapeutischer Ansatz sein: z. B. der Gegenspieler des CFTR, der ENaC-Kanal. Eine Hemmung des ENaC-Kanals wurde auf mRNA-Ebene über sogenannte Antisense-Oligonukleotide untersucht. Eine Studie mit dem ENaC-Antisense-Molekül ION-827358 wurde durchgeführt, führte bislang aber nicht zu einem klinischen Erfolg und die Entwicklung wurde eingestellt.

Die oben beschriebenen Ansätze setzen entweder direkt am Erbmaterial im Zellkern, der DNA, oder aber in der Zelle auf Ebene der Boten-RNA, der mRNA, an. Aber wie kommen die Gentherapeutika dorthin, wenn die Therapie in vivo, d. h. direkt am Menschen angewandt werden soll? Es müssen die Zellen angesteuert werden, in denen das Genprodukt eine Rolle spielt, andere Zellen hingegen sollen verschont bleiben. Das Medikament muss durch die Zellmembran – und vielleicht sogar bis in den Zellkern gelangen. 

Die für Gentherapien entwickelten Viren gleichen immer weniger ihrem natürlichen Vorbild. Molekularbiologische Veränderungen ermöglichen es den Forschern, sich am Baukasten der Natur zu bedienen und Vektoren zu bauen, die die Gentherapeutika (und andere Medikamente oder Impfstoffe) verpacken und an den Zielort bringen. Auch kleinste Fettkügelchen eignen sich als Transportmittel. Ein solch universell verwendbares Transportmittel hat beispielsweise Professor Joseph Rosenecker in Kooperation mit anderen Forschern entwickelt und wurde dafür 2021 durch den Mukoviszidose e.V. mit dem Adolf-Windorfer-Preis geehrt (vgl. Forschungs-News zu den liposomalen Nanopartikeln als Genfähren). Als ganz neue Transportmittel wurde auf dem amerikanischen CF-Kongress nun auch von Lipid-Vesikeln gesprochen. Diese sind den natürlichen Zellen abgeschaut und können eigentlich alles transportieren, mRNA, DNA, Proteine oder andere therapeutische Substanzen/Medikamente. Diese Vesikel können z.B. von Stammzellen produziert und mit einem Wirkstoff beladen werden. Über die Entwicklung eines solchen Ansatzes wurde Anfang 2023 berichtet (OS001 von OmniSpirant). 

Es gibt verschiedene Firmen, die sich allein auf die Transportmittel, die Vektoren spezialisiert haben, denn das gezielte Ansteuern der Zellen, in denen der gentherapeutische Ansatz wirken soll, ist vielleicht die noch größte Hürde derzeit. Die Wirksamkeit einer Gentherapie wird nicht erreicht, wenn die Zielzellen nicht erreicht werden. Die Sicherheit ist nicht gegeben, wenn falsche Zellen angesteuert werden, z. B. Zellen, die keinen CFTR-Kanal benötigen und dieser kann dort daher sogar schädlich sein. 

• Juni 2022: ECFC 2022: Gentherapie bei Mukoviszidose
• August 2021: Gene-Editing
• Juni 2021: Mukoviszidose e.V. Update Gentherapie
• März 2021: Mukoviszidose e.V. Grundlagenforschung für eine Gentherapie
• März 21: Informationen des Mukoviszidose e.V. zu mRNA Studie MRT5005
• Muko.info Ausgabe 3/2015: Gentherapie bei Mukoviszidose
• August 2018: Antisense-Oligonukleotiden gegen ENaC mRNA

Die Begriffe sind unklar? Eine Erklärung gibt der muko.checker in unserem Mitgliederjournal muko.info im Heft 4/21.