Die Bearbeitung von Genen im Mikrobiom mit CRISPR

Pflanzen und Tiere leben in einer Biosphäre, die von Bakterien und Viren beherrscht wird. Der menschliche Körper ist ein komplexes Ökosystem, das nicht nur menschliche eukaryotische Zellen, sondern auch Viren, Bakterien, Archaeen, Pilze, Protozoen und andere Mikroorganismen enthält. Das menschliche Mikrobiom ist die Gesamtheit der Mikroorganismen im menschlichen Körper. Das Darmmikrobiom ist besonders wichtig für die Gesundheit und ist Teil des enterischen Nervensystems^1-2. Viele menschliche Krankheiten (einschließlich Asthma) können durch Dysbiosen im Darmmikrobiom verursacht werden^3-5. Das Darmmikrobiom von Rindern produziert Methan, ein gefährliches Treibhausgas. Ebenso produziert das Mikrobiom in den Rhizomen, die mit den Wurzeln von Reis verbunden sind, Methan.

Daher erforschen talentierte Forscher Möglichkeiten, mit CRISPR Gene in verschiedenen Mikrobiomen zu verändern, um eine nachhaltige Landwirtschaft zu unterstützen, die Methanproduktion zu verringern und Krankheiten vorzubeugen oder zu heilen^6-7. Die CRISPR-Editierungstechnologie wurde bereits in dieser Zeitschrift beschrieben ^8-9.Asthma ist eine Krankheit, die ein Leben lang schwierige Symptome verursacht und oft tödlich verläuft. Forscher haben einen biochemischen Stoff namens 12,13-diHOME (12,13-Dihydroxy-9Z-octadecensäure) identifiziert. Er wird von den Darmbakterien von Säuglingen produziert, er sagt das Risiko von Allergien und Asthma in der Kindheit voraus. Da die Bakterien, die dieses Molekül produzieren, wahrscheinlich noch weitere nützliche Funktionen haben, ist es vielleicht nicht der beste Ansatz, sie komplett zu eliminieren. Besser ist es, die Gene von Mikroben im Darm und in den Atemwegen zu verändern, die eine Rolle bei der Krankheit spielen.

Dadurch sollen sie daran gehindert werden, 12,13-diHOME zu produzieren. Dies ist der erste Schritt zu einem neuen Zweig der Medizin, der sich auf das Mikrobiom konzentrieren soll¹. CRISPR kann auch zur Behandlung und Heilung von Krankheiten eingesetzt werden, die nicht mit dem Mikrobiom zusammenhängen. Es könnte in der Lage sein, viele Arten von Krebs sowie Hämophilie, Sichelzellenanämie, Beta-Thalassämie, Leukämie, Kinderblindheit, AIDS, Mukoviszidose, Duchenne-Muskeldystrophie, Chorea Huntington und Covid-19 zu heilen¹⁰. So haben chinesische Wissenschaftler die erste klinische Studie gestartet, bei der CRISPR zur Behandlung und möglicherweise sogar Heilung von Lungenkrebs eingesetzt wird. Sie entnehmen T-Zellen von Patienten und entfernen das Gen, das für ein Protein namens PD-1 kodiert, das einige Tumorzellen binden kann, um eine wirksame Immunantwort gegen Krebs zu blockieren.

Dieses Protein befindet sich auf der Oberfläche von Immunzellen. Es ist das Ziel einiger Krebsmedikamente, der sogenannten Checkpoint-Inhibitoren. Andere Wissenschaftler haben CRISPR eingesetzt, um die Wirksamkeit und das Sicherheitsprofil von Krebsimmuntherapien zu verbessern, z. B. bei CAR-T-Zellen und natürlichen Killerzellen. CRISPR Therapeutics entwickelt mit Hilfe von CRISPR gentechnisch veränderte T-Zell-Therapien, von denen sich zwei Kandidaten in der klinischen Prüfung befinden. Anfang dieses Jahres hat die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) Intellia Therapeutics' CRISPR-basierte Therapie für akute myeloische Leukämie den Orphan-Drug-Status verliehen. CRISPR Therapeutics und sein Partner Vertex Pharmaceuticals entwickeln eine CRISPR-basierte Behandlung zur Behandlung und möglichen Heilung von Beta-Thalassämie und Sichelzellenanämie.

Sie verwenden eine sogenannte Exa-Cel-Therapie, die derzeit in fünf klinischen Studien getestet wird. Dabei werden Stammzellen aus dem Knochenmark von Patienten entnommen und mit Hilfe der CRISPR-Technologie dazu gebracht, fötales Hämoglobin zu produzieren. Dabei handelt es sich um eine natürliche Form des sauerstofftransportierenden Proteins, die den Sauerstoff viel besser als die herkömmliche Form für Erwachsene bindet. Die veränderten Zellen werden dann dem Patienten reinfundiert. Im September 2023 wurde exa-cel von der FDA als potenzielle einmalige Behandlung für die Sichelzellkrankheit und die transfusionsabhängige Beta-Thalassämie zur rollenden Prüfung zugelassen. Im Falle einer Zulassung wäre exa-cel die erste CRISPR-Therapie, die für eine genetische Krankheit zugelassen wird. Vertex hat außerdem einen Antrag auf Zulassung von Biologika für exa-cel sowie einen Antrag auf Vermarktung bei der Europäischen Arzneimittelagentur eingereicht.

CRISPR wird auch zur Entwicklung von Behandlungen für viele Formen von Blindheit eingesetzt, die durch eine bestimmte genetische Mutation verursacht werden. Eine der Möglichkeiten, die sich bei diesen Formen der Blindheit bietet, besteht darin, dass das Immunsystem in den Augen nicht sehr aktiv ist. Dies kann verhindern, dass der Körper die Behandlung abstößt. Das Unternehmen Editas Medicine arbeitet an einer CRISPR-basierten Therapie zur Heilung der Leberschen kongenitalen Amaurose, der häufigsten Ursache für vererbte Blindheit bei Kindern, für die es derzeit keine Behandlung gibt. Die Behandlung zielt darauf ab, mithilfe von CRISPR die Funktion lichtempfindlicher Zellen wiederherzustellen, bevor der Patient sein Augenlicht vollständig verliert, indem die häufigste Genmutation, die der Krankheit zugrunde liegt, behoben wird. Im Jahr 2020 startete das Unternehmen eine klinische Studie der Phase 1/2, die erste Studie, in der eine CRISPR-Behandlung in vivo getestet wurde.

Das bedeutet, dass die Genbearbeitung direkt im Körper des Patienten durchgeführt wird und nicht an Zellen, die dem Körper entnommen wurden. Die Behandlung zeigte positive Sicherheitsdaten bei Erwachsenen, so dass Editas Medicine sie bei dem ersten pädiatrischen Patienten einsetzte. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie CRISPR zur Behandlung und sogar Heilung von AIDS eingesetzt werden könnte. So kann CRISPR beispielsweise eingesetzt werden, um die DNA-Insertionen des Humanen Immundefizienz-Virus (HIV) in der DNA von Immunzellen von Patienten zu entfernen. Mit diesem Ansatz könnte das Virus in seiner versteckten, inaktiven Form angegriffen werden, was den meisten Therapien unmöglich macht, das Virus vollständig zu beseitigen. Im September erhielt der erste HIV-Infizierte in einer Phase-1/2-Studie unter der Leitung von Excision Biotherapeutics und Forschern der Lewis Katz School of Medicine an der Temple University in Philadelphia eine CRISPR-basierte Gen-Editierungstherapie.

Mukoviszidose ist eine Erbkrankheit, die schwere Atemprobleme verursacht. Obwohl es einige Behandlungsmöglichkeiten gibt, um die Symptome zu lindern, beträgt die Lebenserwartung nur etwa 40 Jahre. Mukoviszidose kann durch verschiedene Mutationen im Zielgen verursacht werden, das für das Protein CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) codiert. Bisher wurden über 700 Mutationen identifiziert. Das macht es schwierig, für jede Mutation ein eigenes Medikament zu entwickeln. Mit der CRISPR-Technologie können Mutationen, die Mukoviszidose verursachen, individuell bearbeitet werden. Im Jahr 2020 setzten Forscher in den Niederlanden CRISPR ein, um CFTR-Mutationen in vitro in den Zellen von Menschen mit Mukoviszidose zu reparieren, ohne an anderer Stelle im genetischen Code Schäden zu verursachen. Darüber hinaus haben Unternehmen wie Vertex Pharmaceuticals und CRISPR Therapeutics Pläne zur Entwicklung von Behandlungen für Mukoviszidose mit CRISPR-Systemen. Diese Therapien befinden sich jedoch noch in der Entwicklung.

Die Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) wird durch Mutationen im DMD-Gen verursacht, das für ein Protein kodiert, das für die Muskelkontraktion notwendig ist. Kinder, die mit dieser Krankheit geboren werden, leiden an fortschreitendem Muskelschwund. Leider sind die bestehenden Behandlungsmöglichkeiten auf einen Bruchteil der Patienten mit dieser Krankheit beschränkt. Forschungen an Mäusen haben gezeigt, dass CRISPR eingesetzt werden könnte, um die verschiedenen genetischen Mutationen zu beheben, die DMD verursachen. Im Jahr 2018 setzte eine Forschergruppe CRISPR ein, um 12 strategische Mutations-Hotspots zu bearbeiten, die die Mehrheit der geschätzten 3000 verschiedenen Mutationen betreffen, die diese Muskelkrankheit verursachen. Das Unternehmen Exonics Therapeutics begann mit der Weiterzuentwicklung dieser Methode. Ein Jahr später wurde es von Vertex Pharmaceuticals für rund 1 Mrd. USD übernommen, um die Entwicklung von Medikamenten für DMD zu beschleunigen.

Im Jahr 2018 enthüllten Forscher des Children's Hospital of Philadelphia eine Version von CRISPR, die einen Selbstzerstörungsmechanismus enthält. Eine Gruppe polnischer Forscher verwendete CRISPR dann mit einem Enzym namens Nickase, um das Gen genauer zu bearbeiten. Vor kurzem haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign CRISPR eingesetzt, um die Boten-RNA (messenger RNA, mRNA), die für die für die Huntington-Krankheit verantwortlichen mutierten Proteine kodiert, gezielt zu verändern. Mit dieser Technik werden die mutierten Gene zum Schweigen gebracht, während Veränderungen an der DNA der Zelle vermieden werden. Dadurch werden dauerhafte Off-Target-Mutationen minimiert, da RNA-Moleküle flüchtig sind und nach einigen Stunden abgebaut werden.

Auch Covid-19 könnte durch CRISPR heilbar werden. Wissenschaftler der Universität Stanford haben damit einen Teil des genetischen Materials (RNA) des SARS-CoV-2-Virus entfernt, um zu verhindern, dass es Lungenzellen infiziert. Dieser Ansatz, PAC-MAN genannt, reduzierte die Virusmenge um mehr als 90 Prozent. Die Genom-Editierung mit CRISPR könnte also bei der Heilung verschiedener Krankheiten wirksam sein. Darüber hinaus kann CRISPR zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktivität eingesetzt werden und dazu beitragen, den globalen Klimawandel aufzuhalten, der durch die Produktion von Methan verursacht wird, einem Treibhausgas, das stärker wirkt als Kohlendioxid ¹¹. Durch die Bearbeitung von Genen, die für Enzyme in der Photosynthese kodieren, kann beispielsweise die Effizienz der Photosynthese erhöht werden, wodurch die Ernteerträge steigen.

CRISPR kann auch eingesetzt werden, um die Effizienz der Photosynthese in den Blättern von Bäumen zu erhöhen und so den Abbau von Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu steigern. Darüber hinaus kann das Gen-Editing zur Verbesserung der Erträge von Weizen, Maniok, Kakao, Bananen, Reis und Sorghum eingesetzt werden. Reis ist besonders wichtig. Er ist ein Grundnahrungsmittel für mehr als 3,5 Milliarden Menschen, aber die Bakterien in seinen Wurzeln produzieren 12 % des gesamten vom Menschen produzierten Methans. Die Forscher untersuchen, wie die Gene der Mikroben, die das Methan im Reis produzieren, verändert werden können. Sie versuchen auch, die Gene im Darmmikrobiom von Kühen so zu verändern, dass sie kein Methan produzieren. Man hofft auch, dass Mikroben, die so verändert wurden, dass sie kein Methan produzieren, in Mülldeponien eingesetzt werden können, um dort die vorhandenen methanproduzierenden Mikroben zu dominieren und zu verdrängen.

Ein Ziel ist es, Pflanzenbiologen und Geologen zusammenzubringen, um Pflanzen so zu verändern, dass sie Bodenaggregate und mineralisch-mikrobielle Komplexe bilden, die eine langfristige Kohlenstoffspeicherung im Boden gewährleisten. Im Jahr 2020 wurde in Japan die Vermarktung einer mit CRISPR veränderten Tomate genehmigt, die den Blutdruck senken soll, und im vergangenen Monat berichteten Forscher, dass eine mit CRISPR veränderte Tomate die Vitamin-D-Produktion erhöht.

Anfang dieses Jahres hat die FDA eine Kuh zugelassen, deren Gene so verändert wurden, dass sie höheren Temperaturen standhalten kann. CRISPR könnte auch eingesetzt werden, um landwirtschaftliche Emissionen zu minimieren, Pflanzen widerstandsfähiger gegen Klimaschwankungen und -extreme zu machen und Pflanzen und Bodenmikroben zu nutzen, um mehr Kohlenstoff zu speichern. Gleichzeitig erforschen andere die Sorghum-Pflanze, weil sie eine der trockenheitstolerantesten Nutzpflanzen überhaupt ist. Wenn man herausfindet, wie Sorghum-Pflanzen dies erreichen, könnten Züchter Gene in Reis, Weizen und Mais finden, die sich so verändern lassen, dass sie weniger Wasser benötigen. CRISPR wird also zur Verbesserung der Ernteerträge und zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beitragen.