Von der Doppelhelix bis zur Gentherapie

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.