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Gentechnik in der Medizin

Von der Doppelhelix bis zur Gentherapie

Etwa 220 gentechnisch hergestellte Arzneimittel sind heute in Deutschland auf dem Markt, darunter viele unverzichtbare Protein-Arzneistoffe. Seit wenigen Jahren sind auch Gentherapeutika zugelassen, die teils dramatische Erfolge bewirken können. Die Gentechnik hat sich rasant entwickelt, doch es war auch ein mühsamer Weg.
Theo Dingermann und Ilse Zündorf
30.06.2019
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Würde man heute fordern, dass alle Arzneimittel, die im Lauf ihrer Entwicklung mit Gentechnik – egal welcher Form – in Berührung gekommen sind, vom Markt genommen werden müssten, wäre die Versorgung der Patienten massiv gefährdet. Das betrifft nicht nur die Biologicals, sondern auch neuere niedermolekulare Wirkstoffe, die alle präklinisch an Modellsystemen charakterisiert werden, die mittels gentechnischer Methoden entwickelt wurden. Würde man generell alle gentechnischen Arbeiten verbieten, könnte vermutlich ein Großteil der »Lebenswissenschaftler« ihre Arbeit an den Nagel hängen. Mittlerweile sind auch in Deutschland Wirkstoffe zur Gentherapie zugelassen, die zusammen mit anderen sogenannten Advanced Therapy Medicinal Products (ATMP) die Therapieoptionen bei schwerern Erkrankungen bereichern.

Der universelle genetische Code als Basis

Schaut man sich die Geschichte der Gentechnik an, geht man üblicherweise bis in das 19. Jahrhundert zu Gregor Mendel (1822 bis 1884) und seinen Vererbungsregeln zurück. Ganz wesentliche Meilensteine waren aber die Identifizierung der DNA als Träger der Erbinformation durch Oswald T. Avery 1944 und die Aufklärung der DNA-Doppelhelix durch James D. Watson und Francis Crick 1953.

Nachdem durch Experimente von Erwin Chargaff klar war, wie sich die DNA-Basen Thymin und Adenin sowie Cytosin und Guanin zusammenlagern, und Matthew Meselson zusammen mit Franklin W. Stahl die semikonservative Replikation der DNA identifizierte, waren alle wesentlichen Grundlagen zur Programmierung aller Lebewesen aufgestellt. Es fehlte nur noch die Lösung der Frage, wie nun eigentlich die Information aus dem Genom in ein Protein umgesetzt wird. 1961 bewiesen Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei die von Francis Crick aufgestellte These, dass ein Codon aus drei Basen jeweils die Information für eine Aminosäure trägt.

So war es nur noch eine Frage der Zeit, bis als Resultat einer gemeinsamen Anstrengung vieler Forscher der genetische Code entschlüsselt war, der interessanterweise für alle lebenden Organismen gleichermaßen gilt. Die genetische Information beispielsweise für Insulin aus dem Menschen wird in Bakterien ebenso verstanden wie in der Fruchtfliege oder in der Tabakpflanze.

Parallel zu den Experimenten an der DNA wurde eifrig an Bakterien, vor allem dem Darmbakterium Escherichia coli und an Bakteriophagen geforscht; etliche Enzyme wurden aus den prokaryontischen Zellen isoliert und charakterisiert. 1956 identifizierte Arthur Kornberg erstmals eine DNA-abhängige DNA-Polymerase, die im Reagenzglas einen DNA-Strang anhand einer Matrize synthetisieren konnte und die später auch nach ihm benannt wurde (DNA-Polymerase I oder Kornberg-Polymerase).

Der nächste Schritt war die Entdeckung, dass sich Bakterien mittels sogenannter Restriktionsenzyme gegen die durch Phagen eingebrachte DNA verteidigen. Zunächst identifizierten Werner Arber und Matthew Meselson in den 1960er-Jahren die Typ-I-Restriktionsendonukleasen, die eine DNA an einer bestimmten Stelle erkennen, aber dann zufällig in einiger Entfernung davon einen Schnitt in den Doppelstrang setzen. Als wesentlich hilfreicher für die Molekularbiologen erwiesen sich Typ-II-Restriktionsenzyme. Diese Art Endonuklease erkennt und schneidet eine sehr spezifische, vier bis acht Nukleotide lange Basenabfolge innerhalb der DNA, die eine doppelte Symmetrie aufweist. Schneidet man verschiedene DNA-Moleküle mit demselben Enzym, entstehen jeweils die gleichen Enden, die anschließend wie passende Steckverbindungen neu verknüpft werden können (Abbildung 1). Das dazu benötigte Enzym, eine sogenannte DNA-Ligase, hatten Bernard Weiss und Charles C. Richardson bereits 1967 beschrieben.

Jetzt waren alle Voraussetzungen geschaffen, DNA neu zu kombinieren und damit gentechnisch veränderte Organismen (GVO) herzustellen (Abbildung 2) – ein Experiment, das Herbert Boyer und Stanley Cohen zusammen mit Annie Chang und Robert Helling im Jahr 1973 publizierten, nur 20 Jahre nach Aufklärung der DNA-Struktur. Das war damals mit den mageren technischen Möglichkeiten dramatisch schnell.

Schlüsselexperiment mit Riesenpotenzial

Bereits zu der Zeit erkannten einige das Potenzial, aber auch die Gefahren, die in diesem Schlüsselexperiment steckten. Der Nobelpreisträger Joshua Lederberg prophezeite, dass »sich das Konzept der Pharmaindustrie mit der Herstellung biologischer Wirkstoffe wie Insulin und Antibiotika völlig verändern könnte« – was tatsächlich innerhalb kurzer Zeit der Fall war.

Mit Blick auf die Gewinne, die durch diese Entwicklung winken könnten, initiierte die Stanford University, an der Stanley Cohen arbeitete, sehr schnell die Patentierung des Verfahrens. Insgesamt brachten die Lizenzgebühren für die Verwertung der Methode in den folgenden 17 Jahren 255 Millionen US-$ ein, die an die Stanford University und die University of California flossen, wo Herbert Boyer tätig war. Boyer hatte aber zusätzlich die kreative Idee, im April 1976 mit Genentech die erste Biotechnologie-Firma zu gründen.

Bereits am 6. September 1978, also nur zwei Jahre später, erschien die Pressemitteilung, dass menschliches Insulin erfolgreich in Bakterien hergestellt worden war. Danach dauerte es immerhin noch vier Jahre, bis 1982 das erste gentechnisch hergestellte Insulin der Firma Lilly zugelassen wurde.

Mittlerweile sind in Deutschland 220 (Stand: 27. Februar 2019) gentechnisch hergestellte Wirkstoffe in 270 Arzneimitteln zugelassen. Diese 220 Wirkstoffe werden nicht alle in gentechnisch veränderten Bakterien exprimiert. Bereits 1981 wurde die Expression von humanem Interferon in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae beschrieben, und mit Saizen® kam 1989 ein in einer murinen C127-Zelllinie hergestelltes Somatropin auf den Markt.

Damit steht ein ganzes Set unterschiedlicher Expressionssysteme von Bakterien bis höheren eukaryontischen Zellen zur Verfügung. Neben verschiedenen Kulturzellen wurden und werden auch transgene Tiere (Kaninchen für Conestat alfa und Ziege für Antithrombin III) für die Expression rekombinanter Proteine eingesetzt. Dass das alles möglich ist, liegt am universellen genetischen Code, der in der gesamten belebten Natur verstanden wird.

Diskussionen über die Gentechnik

Das erste genmanipulierte Tier, für das ein Patent erteilt wurde, war 1988 die sogenannte Krebsmaus. In das Genom dieser Maus war eine funktionsfähige Kopie des humanen aktivierten Onkogens vHRas eingeschleust worden. Dieser Fall gab Anlass zu Diskussionen, inwieweit Tiere – selbst wenn sie mit neuen Genen ausgestattet wurden – überhaupt patentierbar sind.

Bereits in den 1970er-Jahren hatte es warnende Stimmen gegeben, die in der neuen Technologie auch Gefahren sahen. Einem weltweiten Aufruf folgend versammelten sich 1975 internationale Wissenschaftler unter der Regie von Paul Berg, einem Pionier der Gentechnologie, im Konferenzzentrum am Strand von Asilomar in Pacific Grove (Kalifornien), um Sicherheitskonzepte und Richtlinien zur Produktion und Handhabung gentechnisch veränderter Organismen zu erarbeiten. Nachdem die US-Gesundheitsbehörde 1976 die »Richtlinien für die Forschung an rekombinanter DNA« veröffentlicht hatte, erarbeitete auch in Deutschland 1978 die neu eingerichtete Zentrale Kommission für die Biologische Sicherheit (ZKBS) entsprechende »Richtlinien zum Schutz vor Gefahren durch in-vitro neukombinierte Nukleinsäuren«. Diese waren für alle staatlichen Forschungseinrichtungen und öffentlich geförderten Projekte verbindlich.

Erst nachdem 1990 der Rat der Europäischen Wirtschaftsgemeinschaft zwei Richtlinien über die Anwendung genetisch veränderter Mikroorganismen in geschlossenen Systemen und über die absichtliche Freisetzung von genetisch veränderten Organismen in die Umwelt erlassen hatte, verabschiedete auch der Deutsche Bundestag das erste »Gentechnikgesetz«. Leitgedanke war, Mensch und Umwelt vor schädlichen Auswirkungen der Gentechnik zu schützen. Außerdem sollte ein rechtlicher Rahmen für die Erforschung, Entwicklung, Nutzung und Förderung der Gentechnik geschaffen werden.

Die darin enthaltene Definition eines gentechnisch veränderten Organismus besagt, dass es sich um einen »Organismus mit Ausnahme des Menschen [handelt], dessen genetisches Material in einer Weise verändert worden ist, wie sie unter natürlichen Bedingungen durch Kreuzen oder natürliche Rekombination nicht vorkommt« (GenTG § 3 Abs. 3). Das hieß aber nicht, dass man sich nicht auch mit gentechnischen Methoden an den Menschen heranwagte – zu verlockend waren die Möglichkeiten, beispielsweise einen Gendefekt durch eine intakte Kopie des Gens zu reparieren.

Im Übrigen war das Klonschaf Dolly, das 1997 der Öffentlichkeit präsentiert wurde und ebenfalls für viel Aufregung sorgte, kein genetisch veränderter Organismus. Dieses Tier entstand aus der Übertragung eines Zellkerns einer adulten Zelle auf eine Eizelle, der vorher der Kern entfernt wurde – gänzlich ohne DNA neu zu kombinieren.

Gentherapie: erste Versuche und Probleme

Nachdem es 1989 gelungen war, mittels retroviraler Vektoren das Gen für die Adenosin-Desaminase in humane hämatopoetische Zelllinien einzuschleusen und dort zur Expression zu bringen (Abbildung 3), wagte man 1990 die erste Gentherapie. Ashanti de Silva, die wegen eines ererbten Adenosindeaminase-Mangels unter einem schweren kombinierten Immundefekt litt, wurde im Alter von vier Jahren mit dieser revolutionär neuen Therapieform behandelt. Sie erhielt insgesamt elf Infusionen retroviral veränderter eigener T-Zellen innerhalb von zwei Jahren. Sie zeigte keine gravierenden Nebenwirkungen, konnte daraufhin ein halbwegs normales Leben führen und lebt immer noch.

Einen herben Rückschlag erfuhr die Gentherapie, als 1999 der 18-jährige Jesse Gelsinger vier Tage nach einer gentherapeutischen Behandlung starb. Der junge Mann litt unter einer leichten Form einer erblich bedingten Stoffwechselstörung der Leber und hatte sich freiwillig für den Gentherapieversuch gemeldet. Katastrophal war auch eine Meldung aus Frankreich: Kinder, die wegen einer X-chromosomalen schweren, kombinierten Immundefizienz (SCID-X1) eine Gentherapie erhalten hatten, zeigten gehäuft eine abnorme Vermehrung der genetisch modifizierten T-Zellen.

Spätestens zu diesem Zeitpunkt begann man sich ernsthaft zu fragen, warum der eigentlich so gute und einfache Therapieansatz zur Lösung genetischer Probleme doch nicht so funktionierte, wie sich das alle erhofft hatten. Es war an der Zeit, das Patientenbett für eine Zeit zu verlassen und zurück im Labor noch einige Hausaufgaben zu erledigen, die man vor lauter Begeisterung sträflich übersprungen hatte.

Wie kommt fremde DNA in die Zelle?

Ein Problem bildet die sehr ineffiziente Übertragung einer therapeutischen DNA in die Zielzellen. Selbst  bei Bakterien, die zum Teil bereits ein »natürliches Interesse« daran haben, neue DNA aufzunehmen und darüber ihre genetische Variabilität zu vergrößern, nehmen im besten Fall nur 0,1 bis 1 Prozent der eingesetzten Zellen tatsächlich Nukleinsäure von außen auf. Bei eukaryontischen Zellen ist der Anteil noch viel geringer.

Für Zellen, die im großen Maßstab kultiviert werden können, ist das kein Problem. Bakterien, Hefe- und CHO-Zellen lassen sich beliebig vermehren, und über geeignete Selektionssysteme können die genetisch veränderten von den Wildtypzellen unterschieden werden. Für eine wirksame Gentherapie sieht das ganz anders aus: Hier sollten möglichst viele Zellen der Patienten die neue genetische Information aufnehmen und auch in Protein umsetzen.

Viele unterschiedliche DNA-Transfermethoden, chemisch-physikalische ebenso wie biologische, wurden in den vergangenen Jahren entwickelt, um möglichst effizient Gene in Zellen einzubringen. Bei den biologischen Systemen macht man sich zunutze, dass Viren natürlicherweise in der Lage sind, ihr Genom in ihre Wirtszellen einzuschleusen. Es versteht sich von selbst, dass Viren, die für eine Gentherapie genutzt werden, so verändert sein müssen, dass sie nicht (mehr) pathogen sind.

Dennoch sind diese Partikel Fremdkörper für unser Immunsystem. Bei einem In-vivo-Gentherapieansatz, bei dem die genetisch manipulierten Viren direkt in den Körper eingebracht werden, lösen sie entsprechende Abwehrreaktionen aus. Das war letztlich die Ursache für Jesse Gelsingers Tod. Ihm wurde in der Gentherapiestudie mit 3,8 x 1013 Partikeln die Höchstmenge an genetisch veränderten Adenoviren verabreicht. Obwohl die Viren direkt über die Leberarterie appliziert wurden, verteilten sie sich im System und führten zu einer massiven Immunantwort mit Multiorganversagen. Hier war nicht das einzuschleusende Gen, sondern vielmehr waren die fremden Strukturen der Virusoberfläche das eigentliche Problem.

Was sind geeignete Gentransfervektoren?

Nach wie vor gehören Adenoviren zu den meistverwendeten Transfervektoren in Gentherapiestudien. Daneben werden aber auch apathogene Varianten von Retro-/Lentiviren, Adeno-assoziierten Viren sowie von Vaccinia-, Herpes- und einigen anderen Viren eingesetzt. Die Entscheidung für den einen oder anderen Vektor hängt davon ab, wie groß die in die Zielzelle einzubringende genetische Information ist und ob die neue Nukleinsäure in das Genom der Wirtszelle integrieren oder extrachromosomal vorliegen soll (Tabelle 1).

Ein großer Nachteil nicht integrierender Vektoren besteht darin, dass die genetische Information mit der Zeit verloren geht und die Expression des eingeschleusten Gens nur transient, also vorübergehend erfolgt. Demgegenüber bleiben ins Genom integrierte Vektoren bei sich teilenden Zellen auch in den Tochterzellen erhalten: Die Genexpression kann lange andauern. Allerdings kann es durch die zufällige Integration der eingeführten DNA an einer beliebigen Stelle im Genom der Wirtszelle zur Aktivierung eines Proto-Onkogens oder zur Inaktivierung eines Tumorsuppressor-Gens und infolgedessen zur Tumorentstehung kommen. Genau das ist bei den Kindern nach der Therapie der angeborenen SCID in Frankreich passiert.

Dieses Problem könnte mithilfe des neuen Werkzeugs CRISPR/Cas9 gelöst werden. 1987 entdeckte eine Arbeitsgruppe um Atsuo Nakata in Japan im Bakterium Escherichia coli eine Ansammlung von sich wiederholenden kurzen Sequenzen, die durch variable Bereiche unterbrochen waren. Es dauerte aber bis 2013, bis durch die Arbeiten von Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier daraus ein sehr probates Werkzeug für einen Vorgang wurde, den man heute als Genom-Editierung bezeichnet und der 2015 von der renommierten Zeitschrift »Science« als »breakthrough of the year« tituliert wurde. Bringt man das intakte Gen zusammen mit einer passenden guide-RNA und dem Cas9-Enzym in die Wirtszelle ein, kann sehr gezielt das defekte Gen geschnitten und durch die neue Kopie ersetzt werden.

Zugelassene Gentherapeutika

Fast 30 Jahre nach der ersten erfolgreichen Gentherapie an Ashanti de Silva sind mittlerweile einige Gentherapeutika zugelassen. Sie gehören neben somatischen Zelltherapeutika und biotechnologisch bearbeiteten Gewebeprodukten zu den Arzneimitteln für neuartige Therapien, die das zentralisierte Zulassungsverfahren bei der europäischen Arzneimittelbehörde EMA durchlaufen müssen und als ATMP (Advanced Therapy Medicinal Products) bezeichnet werden.

Sechs derartige Wirkstoffe sind zugelassen, wobei eines nicht mehr auf dem Markt ist (Tabelle 2). Alle diese Wirkstoffe werden zur somatischen Gentherapie eingesetzt, sodass nur bestimmte Körperzellen eines Patienten verändert werden und eine Weitergabe an die Nachfolgegeneration ausgeschlossen ist. Das Embryonenschutzgesetz regelt in § 5, dass der Gentransfer in die Keimbahnzellen des Menschen strikt verboten ist. An Tieren werden diese Methoden allerdings durchaus erprobt.

Glybera® und Luxturna® bestehen aus Adeno-assoziierten Viren, also relativ kleinen Partikeln ohne Membranhülle, die ein intaktes Gen als Ersatz für einen Enzymdefekt in die Patienten einbringen sollen: die Lipoprotein-Lipase bei Glybera® und das retinale Pigmentepithel-spezifische 65-kDa-Protein (hRPE65) bei Luxturna®. Für die Gentherapie werden die Viren intramuskulär (Glybera®) beziehungsweise in den subretinalen Raum (Luxturna®) appliziert, wobei eine Virus-Höchstmenge strikt eingehalten werden und eine immunsuppressive Begleittherapie erfolgen müssen. Damit soll eine überschießende Immunantwort als Reaktion auf die eingebrachten Viruspartikel – wie bei Jesse Gelsinger – vermieden werden. Mittlerweile hat der Hersteller das Präparat Glybera® aufgrund ökonomischer Erwägungen wieder vom Markt genommen.

Ein ganz anderer Ansatz wird mit Imlygic® verfolgt. Hier wird auch ein gentechnisch verändertes Virus appliziert, jedoch handelt es sich nicht um ein klassisches Gentherapeutikum. Stattdessen sind es modifizierte Herpes-simplex-Typ1-Viren, die gezielt Melanomzellen attackieren, sich in ihnen vermehren und anschließend die Wirtszellen abtöten. Nicht entartete Körperzellen können zwar im Prinzip ebenfalls infiziert werden, allerdings kommt es hier nicht zu einer Virusvermehrung. Derartige Viruspartikel mit einer selektiv zerstörerischen Wirkung auf Tumorzellen werden daher auch als onkolytische Viren bezeichnet. Durch die Lyse der Tumorzellen werden zudem neue Antigene freigesetzt, die eventuell das Immunsystem gegen die Melanomzellen »scharf stellen«. Appliziert wird Imlygic® direkt in die Melanomläsionen.

Die anderen drei Gentherapeutika (Tabelle 2) bestehen aus körpereigenen Zellen, die entnommen und ex vivo mit einem Retro- oder Lentivirus transfiziert werden. Bei diesem Vorgang erhalten die Zellen jeweils ein neues Gen. Strimvelis® schließt an die erste Gentherapie aus dem Jahr 1990 an: Auch mit diesen Zellen wird das Gen für die intakte Adenin-Desaminase in den Körper eingeschleust.

Bei Kymriah® und Yescarta® entstehen durch die genetische Veränderung T-Zellen mit völlig neuen Eigenschaften. Über einen chimären Rezeptor, der aus Teilen des normalen T-Zellrezeptors und aus einem Antikörperfragment gegen CD19 besteht, werden diese T-Zellen immer dann aktiviert, proliferieren und attackieren die Zielzelle, wenn die T-Zelle mit dem chimären Rezeptor an CD19 auf der Zielzelle bindet. Der Erfolg mit diesen Chimeric Antigen Receptor (CAR)-T-Zellen bei der Therapie maligner B-Zellen ist überwältigend. Mit Sicherheit kommen in naher Zukunft weitere, ähnlich modifizierte Zellen auf den Markt.

Fazit und Ausblick

Es dauerte nur ein paar Jahrzehnte von der Aufklärung der Struktur der genetischen Information, die das Leben ausmacht, bis hin zu unglaublichen Therapieerfolgen mit onkolytischen Viren oder CAR-T-Zellen. Wer hätte Anfang der 1990er-Jahre, als in Deutschland und vor allem in Hessen intensiv über gentechnische Arbeiten im Allgemeinen und über die gentechnische Herstellung eines Proteins, nämlich Insulin, im Speziellen diskutiert wurde, gedacht, dass keine 30 Jahre später mehr als 200 gentechnisch hergestellte Wirkstoffe auf dem Markt sind?

Insulin wurde bereits 1982 von Eli Lilly in Frankreich gentechnisch hergestellt. Rechtliche Auseinandersetzungen verzögerten die Insulinproduktion bei der Firma Hoechst in Deutschland bis zum 16. März 1998. Heute kann man sich kaum mehr vorstellen, dass es einmal eine Zeit gab, als nur chemisch modifiziertes Insulin aus Schwein oder Rind und noch keine schnell oder lang wirksamen Insulin-Analoga zur Verfügung standen.

Während die Gentechnik im pharmazeutischen und medizinischen Bereich mittlerweile völlig selbstverständlich akzeptiert ist, ist die grüne Gentechnik hierzulande nach wie vor ein No-Go. Die einzige gentechnisch veränderte Tomate, die als Lebensmittel 1994 zugelassen wurde, ging sang- und klanglos unter und wurde nach nur drei Jahren wieder vom Markt genommen. Innerhalb Europas werden noch in Portugal und Spanien gentechnisch veränderte Pflanzen angebaut, die jedoch nicht direkt als Lebensmittel eingesetzt werden. Weshalb die Einstellung zur roten und grünen Gentechnik so diametral gegensätzlich ist, ist objektiv betrachtet kaum nachvollziehbar, sind doch die Methoden dahinter im Prinzip identisch und einfach.

Gene in Organismen einzubringen oder bestimmte Gene in Organismen gezielt auszuschalten, ist mittlerweile kein Kunststück mehr und kann dabei helfen, Krankheiten zu therapieren oder wenigstens besser zu verstehen. Selbst gezielte genetische Manipulationen im Menschen sind mittlerweile Realität – allerdings nicht in Keimbahnzellen.

Zurecht sorgte das Experiment, das Jiankui He Ende 2018 in China präsentierte, für große Aufregung in der Wissenschaftswelt: Er hatte im Rahmen einer intrazytoplasmatischen Spermieninjektion auch die Genschere CRISPR/Cas9 in die zu befruchtende Eizelle injiziert, um gezielt das CCR5-Gen zu zerstören. Obwohl diese Art Mutation auch natürlich auftreten kann und obwohl keine rekombinierte Nukleinsäure zur Expression in die Eizelle eingebracht wurde, zählt dieser Vorgang der Genomveränderung nach dem Urteil des Europäischen Gerichtshofs im Juli 2018 zu den gentechnischen Arbeiten. Ein Urteil, das auf einiges Unverständnis gestoßen ist.

Dringend erforderlich sind nach wie vor Regeln, ob, wie und unter welchen Umständen eine Bearbeitung des Genoms in menschlichen Keimbahnzellen erlaubt werden könnte. Am 14. März wurde in der Zeitschrift Nature ein Aufruf veröffentlicht, dass weltweit gültige Richtlinien und Rahmenbedingungen geschaffen werden müssen, die genetische Manipulationen an Keimbahnzellen regeln. Unterschrieben haben diesen Aufruf unter anderen namhafte Forscher wie Eric Lander, Feng Zhang, Emanuelle Charpentier und Paul Berg, der Wissenschaftler, der schon die Konferenz in Asilomar organisierte. 

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