Gentherapie (genetische Therapie) 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, ist demnach nur vorübergehend (transient). Nachwachsende Zellen des Lungenepithels müssten erneut therapiert werden. Es gibt aber auch im ausgewachsenen Organismus selten vorkommende Vorläuferzellen, die teilungsfähig bleiben und aus spezialisierten Zellen für Erneuerungsprozesse (Regeneration von Gewebe) nachwachsen. Für eine dauerhafte Gentherapie bei Mukoviszidose müsste man genau solche Vorläuferzellen finden und erfolgreich behandeln.

Dauerhafte genetische Veränderungen im Sinne einer Heilung 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 Jahren möglich geworden und CF-relevante Ergebnisse wurden erstmals 2021 auf dem europäischen und dem amerikanischen CF-Kongress veröffentlicht. Die Forscher sprechen von einem Zellatlas, der ihnen hilft, zu verstehen, welche Zelltypen wo und wie häufig vorkommen – und wo das CFTR-Gen gebraucht wird – eine wichtige Voraussetzung für genetische Therapien. 

Die Forscher gehen aktuell davon aus, dass für eine langfristigere Heilung in der Lunge die Basalzellen (teilungsfähige Vorläuferzellen), vielleicht auch die Ionozyten erreicht werden müssen. Sinnvolle Zielzellen für eine vorübergehende Wirkung könnten ebenfalls die Ionozyten, vor allem aber die vielen sekretorischen Zellen (fertige, ausgereifte Zellen im Lungenepithel) sein, denn diese stellen absolut gesehen das meiste CFTR-Protein in der Lunge her – diese Zellen sterben aber irgendwann ab und damit geht die Wirkung wieder verloren. 

Für die praktische Anwendung einer genetischen Therapie 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 aktuell viele akademische Forschungsgruppen und verschiedene Firmen widmen (s. u.). 

Alle Eingriffe auf Ebene der Gene müssen 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 genetische Therapien aber machbar sind, zeigen Zulassungen bei anderen Erkrankungen (siehe unten). Alle bislang zugelassenen, auf DNA-Ebene wirkenden genetischen Therapien 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. 

Die molekularen Werkzeuge für eine Reparatur vor Ort werden immer besser und eine solche Therapie an Körperzellen daher immer wahrscheinlicher. Eine Zulassung für eine „Reparatur vor Ort“ durch molekulare Scheren wie CRISPR/Cas (s. u.) ist bislang jedoch noch nicht erfolgt. 

Die 2015 entdeckten bakteriellen Enzyme CRISPR/Cas sind darauf spezialisiert, Erbgut an vorgesehenen DNA-Bereichen sehr präzise zu schneiden. Molekularbiologen 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. Experten entwickelten die Methoden sogar noch weiter und können durch Base-Editing oder Prime-Editing die Genreparatur durch das CRISPR/Cas System noch spezifischer vornehmen lassen. 

Weitere Informationen zum Gene-Editing in Newsmeldung vom August 2021

Für Mukoviszidose bräuchte man allerdings aufgrund der vielen verschiedenen Mutationen vermutlich verschiedene Gene-Editing-Medikamente. Verschiedene Ansätze werden derzeit in Europäischen Arbeitsgruppen erforscht, zum Beispiel bei den Mutationen L227R, N1303K, G542X, W1282X, R1158X, R1162X, 17-1G>A, 1585-1G>A.

Eine Lösung, die für alle Mutationen funktioniert (one-fits-all), 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 Cystic Fibrosis Foundation (CFF) 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. 

Mit DNA-Veränderungen 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, eigenen Zellen könnte den Patienten im Kampf gegen Infektionen geholfen werden. Prä-klinische Untersuchungen stimmen durchaus positiv. 

Bei Mukoviszidose ist, trotz langjähriger Forschung, eine solche Genersatz-Therapie 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, in der Modulatoren verfügbar wurden, die messbare Verbesserungen der Lungenfunktion zeigten. Das UK-Genkonsortium arbeitet zusammen mit der Firma Boehringer weiterhin an einem DNA-basierten Ansatz unter dem Wirkstoffnamen BI 3720931: Ein anderer Vektor (auf Basis eines Lentivirus) soll die DNA effektiver in die Zellen der Lunge einbringen. Die inhalative Verabreichung wird aber auch hier wiederholt durchzuführen sein. Da Lentiviren keine oder nur eine sehr schwache körpereigene Immunantwort auslösen, sollte das aber machbar sein. Eine klinische Studie mit dem Wirkstoff wurde bislang noch nicht begonnen. 

Auf dem amerikanischen CF-Kongress wurde bereits 2021 von drei weiteren Entwicklungen amerikanischer Firmen (4D Molecular Therapeutics, Spirovant, Krystal Biotech) berichtet. Auch hier ist der Ansatz, das defekte CFTR-Gen durch eine fehlerfreie Version zu ersetzen. Und auch hier werden virale Vektoren als Transportmittel genutzt und inhalative Anwendungen sind im Fokus. 

2023 wurden auf dem amerikanischen Kongress weitere Zwischenergebnisse von der in den USA stattfindenden AEROW-Studie zur Prüfung der Sicherheit und Verträglichkeit der Substanz 4D-710 berichtet. Der Wirkstoff enthält ein auf die wesentlichen Sequenzen verkürztes CFTR-Gen in einem Adeno-assoziierten Vektor, AAV. Laut Pressemitteilung des Herstellers 4D Molecular Therapeutics (Nov 2023) erhielten seit Beginn der Studie sieben Patienten eine einzelne Dosis des inhalierbaren Gentherapeutikums und die Sicherheit und Verträglichkeit wurde direkt nach Verabreichung und auch langfristig über einen Zeitraum von inzwischen bis zu 17 Monaten, beobachtet. Die einmalige Verabreichung wurde überwiegend gut vertragen und Gewebebiopsien (4-8 Wochen nach der Inhalation entnommen) zeigten, dass das inhalativ verabreichte Gentherapeutikum bewirkte, dass der CFTR-Kanal in verschiedenen Lungengewebezellen in einer hohen Konzentration und relativ anhaltend nachgewiesen werden konnte. Die AEROW-Studie läuft voraussichtlich noch bis 2024 an den amerikanischen Studienzentren, erste Daten zur Wirksamkeit sollen nach Ende dieser Studie ebenfalls ausgewertet werden. Weitere Studien zur Wirksamkeit sind derzeit schon in Planung. Möglicherweise, so deutet der Hersteller an, sind hierfür auch Kombinationsstudien mit Modulatoren geplant, da CFTR-Modulatoren den Effekt einer solchen CFTR-Gentherapie verstärken könnten. 

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

Aber auch Krystal Biotech hat mit seinem Produkt KB407 (enthält auch das ganze CFTR-Gen auf dem Virus, HSV-1) die klinische Studienphase erreicht. Auch hier geht es zunächst um die Sicherheit der Therapie und erste Patienten wurden Mitte 2023 in den USA in die Studie eingeschlossen. Die Studie soll bis 2024 laufen. 

Informationen zur KB407-Studie

Mindestens zwei weitere Ansätze (CFTR-Gen auf viralem Vektor) sind in den USA in Planung oder sind sogar schon bei den Behörden zur Durchführung beantragt (CGT-001 von Carbon Biosciences; SP 101 von Spirovant). Und in Europa ist ein Ansatz in der präklinischen Entwicklung, bei dem das CFTR-Gen in einem nicht-viralen Vektor, basierend auf Stammzell-basierten Vesikeln, zu den Zielzellen gebracht werden soll (OS001 von OmniSpirant). Die Zeichen stehen also gut, dass eine genetische Therapie bei Mukoviszidose Realität werden könnte. Die meisten der Entwicklungen werden von der amerikanischen CF-Organisation (CFF) gefördert. 

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. Dabei handelt es sich um ein Anti-Sense-Oligonukleotid, ASO, (eine kurze Sequenz von Nukleinsäuren), die an die mRNA von Patienten mit der F508del-Mutation bindet und dadurch eine Korrektur bei der CFTR-Protein-Herstellung bewirken soll. 

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. Auf dem ECFS-Kongress 2023 wurden präklinische Daten gezeigt, eine inhalative Verabreichung scheint möglich und auch für mehrere Wochen wirksam zu sein. Eine klinische Phase-1-Studie läuft. 

Aber noch weitere ASOs werden erforscht. Auf dem ECFS Basic Science Kongress 2023 wurden von einer italienischen Arbeitsgruppe präklinische Ergebnisse ihrer ASO-Entwicklungen für die Behandlung der Stopp-Mutationen W1282X und G542X vorgestellt. 

Bei Stopp-Mutationen (Nonsense-Mutation) ist noch ein weiterer Ansatz auf mRNA-Ebene möglich. Dabei bewirken die Substanzen, dass fehlerhafte Stopp-Signale, die durch seltene CFTR-Mutationen verursacht werden, einfach bei der Herstellung des Proteins überlesen werden.

Ataluren (in CF Studien auch als PTC-124 bekannt) wurde als solch ein Read-Through-Medikament für Mukoviszidose untersucht, führte aber leider nicht zum Erfolg. Dass der Ansatz funktionieren kann, ist bewiesen: Ataluren wurde 2014 bei Patienten mit Duchenne Muskeldystrophie, bei denen eine Stopp-Mutation vorliegt, zugelassen (Translarna®). 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 bestätigte 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.

Beide Wirkstoffe, ELX-02 und PTC-124, werden eher als Modulator verstanden, sie wirken zwar auf Ebene der mRNA (Genkopie), bestehen jedoch nicht aus Nukleinsäuren (Bausteine der DNA und RNA) und zählen daher auch per Definition des Paul-Ehrlich-Instituts (PEI) nicht zu den Gentherapeutika. 

Die Zukunft werden wohl eher verschiedene, vielleicht sogar patientenindividuelle Kombinationstherapien sein, die auf genetischer Ebene bewirken, dass das CFTR-Gen abgelesen und ein CFTR-Protein produziert wird und 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 oben beschriebenen Ansätze setzen entweder direkt am Erbmaterial im Zellkern, der DNA, oder aber in der Zelle auf Ebene der Gen-Kopie, 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 Organe und Zellen angesteuert werden, in denen das Genprodukt eine Rolle spielt, andere Organe und Zellen hingegen sollen verschont bleiben. Das Medikament muss durch die Zellmembran – und vielleicht sogar bis in den Zellkern gelangen. Und auch die inhalative Verabreichung ist nicht einfach, schließlich ist die Lunge ein Organ, welches auf die Abwehr von Fremdstoffen – und damit auch Viren, beladen mit einem CFTR-Gen – spezialisiert ist. Und bei Mukoviszidose stellt die Schleimschicht ein zusätzliches Problem dar.

Molekularbiologische Methoden 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 werden nun Lipid-Vesikel und extrazelluläre Vesikel untersucht. Diese sind den natürlichen Zellen abgeschaut und können eigentlich alles transportieren, mRNA, DNA, Proteine oder andere therapeutische Substanzen/Medikamente. Es gibt verschiedene Firmen (z. B. OmniSpirant, Gensaic, RecodeTherapeutics, Carmine, Nosis Bio), die an genetischen Therapien zur Behandlung der Mukoviszidose arbeiten, 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 genetischen Therapie 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. 

• Februar 2023: Gentherapie bei Mukoviszidose geht weiter
• 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.