Publiziert am: 29.09.2015 Bitte beachten Sie v.a. beim therapeutischen Vorgehen das Erscheinungsdatum des Beitrags.

Grundlagen der Gentherapie

Verfasst von: Hildegard Büning und Ulrich T. Hacker

In der Inneren Medizin stehen im Bereich der Pharmakotherapie durch die Entwicklung neuer, zielgerichteter Therapieansätze eine Vielzahl innovativer Behandlungsstrategien zur Verfügung. Die Gentherapie stellt sich in diesem Zusammenhang als ein weiterer, eigenständiger Ansatz dar, der ursprünglich für die kausale Therapie genetisch bedingter, häufig sehr seltener Erkrankungen entwickelt wurde. Da sich auf diesem Gebiet in den letzten Jahren eine beträchtliche Dynamik in den technischen Möglichkeiten und den Anwendungen gezeigt hat, die mittlerweile weit über die initial verfolgten Ansätze hinausgehen, werden in diesem Kapitel die Grundlagen und einige Beispiele aktueller Anwendungen dargestellt.

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Einleitung
Konzept der Gentherapie
Vektoren für den Gentransfer
Gentherapiestudien – aktuelle Beispiele
Ausblick

Einleitung

In der Inneren Medizin stehen im Bereich der Pharmakotherapie durch die Entwicklung neuer, zielgerichteter Therapieansätze eine Vielzahl innovativer Behandlungsstrategien zur Verfügung. Die Gentherapie stellt sich in diesem Zusammenhang als ein weiterer, eigenständiger Ansatz dar, der ursprünglich für die kausale Therapie genetisch bedingter, häufig sehr seltener Erkrankungen entwickelt wurde. Da sich auf diesem Gebiet in den letzten Jahren eine beträchtliche Dynamik in den technischen Möglichkeiten und den Anwendungen gezeigt hat, die mittlerweile weit über die initial verfolgten Ansätze hinausgehen, sollen im Folgenden die Grundlagen und einige Beispiele aktueller Anwendungen dargestellt werden.

Konzept der Gentherapie

Das prototypische Beispiel für eine Gentherapie stellt die Korrektur eines exakt definierten, krankheitsverursachenden Gendefekts durch das Einbringen einer korrekt funktionierenden Version eben dieses Gens dar. Die Korrektur des Gendefekts kann entweder ex vivo oder in vivo erfolgen (Abb. 1). Bei der Ex-vivo-Gentherapie werden dem Patienten vor dem Gentransfer Zellen entnommen, die dann ex vivo mit der neuen Genversion ausgestattet werden. Anschließend werden die Zellen dem Patienten zurückgegeben. Im Gegensatz dazu erfolgt der Gentransfer bei der In-vivo-Gentherapie direkt im Patienten. In allen bisherigen gentherapeutischen Ansätzen wird eine zusätzliche (funktionstüchtige) Kopie des betroffenen Gens eingebracht. Diese Strategie wird als „Gene-addition“-Gentherapie bezeichnet. Ideal, aber technisch derzeit noch nicht in der klinischen Anwendung umsetzbar, wäre der Austausch des defekten durch die intakte Version des Gens an der korrekten Stelle in Genom. Vorteile dieser als „gene replacement“ bezeichneten Strategie wären:

Mögliche negative Einflüsse des fehlerhaften Gens bzw. seines Genproduktes für den Patienten könnten vollständig beseitigt werden.
Das neu eingebrachte Gen würde vollständig den für die jeweilige chromosomale Region spezifischen Regulationsmechanismen unterliegen.
Das Risiko, durch den Einbau des neu eingebrachten Gens in das zelluläre Genom das Genom zu mutieren oder die Regulation benachbarter Genomabschnitte zu stören (Insertionsmutagenese), würde ausgeschlossen.

Aktuell wird intensiv an der technischen Umsetzung dieser Strategie gearbeitet: Dafür werden molekulare Scheren, so genannte Designer-Nukleasen, entwickelt (Rahman et al. 2011). Diese Designer-Nukleasen werden mit einer DNA-Bindungsdomäne versehen, die eine bestimmte, für das Zielgen spezifische Nukleotidsequenz erkennt. Im Anschluss an die DNA-Bindung wird das zelluläre Genom an dieser vorherbestimmten Stelle geschnitten und die defekte Genversion präzise aus dem Genom entfernen. Anschließend wird die korrekte Genversion über DNA-Reparaturmechanismen an diese Stelle eingebaut.

Vektoren für den Gentransfer

Nicht virale und virale Vektoren

Will man Gene (oder im weitesten Sinne Nukleinsäuren) in eine Zelle einbringen, muss die Zellmembran überwunden werden. Hierzu wurden physikalische sowie chemische Methoden entwickelt, die vor allem im Labor Anwendung finden. So wird die Zellmembran z. B. durch einen kurzen Stromstoß (Elektroporation) oder ballistisch („gene gun“) vorübergehend geöffnet, sodass die Nukleinsäure in die Zelle gelangen kann, oder die Nukleinsäure wird in Kristalle eingeschlossen (Kalziumphosphatpräzipitation), die über bisher noch nicht im Detail aufgeklärte Mechanismen in die Zelle aufgenommen werden. Deutlich schonender und effektiver ist jedoch die Verwendung von Vektoren. Vektoren sind „Genfähren“. Diese lassen sich in nicht virale und virale Vektoren einteilen.

Bei den nicht viralen Vektoren wird die Nukleinsäure mit einer künstlichen Hülle umgeben, die aus Polymeren oder Lipiden besteht. Diese Hülle dient zum einem dem Schutz der Nukleinsäure vor dem Abbau durch Nukleasen und zum anderen vermittelt sie die Bindung an die Zellmembran und die Aufnahme in die Zelle.

Die viralen Vektoren leiten sich von Viren ab. Viren können außerhalb von Zellen nicht überleben und haben daher sehr effiziente Strategien entwickelt, in Zellen einzudringen und ihr Genom in den Zellkern einzuschleusen. Virale Vektoren verwenden dieselben Strategien zur Zellinfektion. Sie transportieren aber keine viralen Gene (virales Genom), sondern ein Vektorgenom (Abb. 2). Dieses besteht aus dem Gen, das in die Zelle transportiert werden soll, sowie Sequenzen, die für die Steuerung der Genexpression benötigt werden. Diese funktionelle Einheit aus kodierender Sequenz und Steuerelementen wird als Expressionskassette bezeichnet.

Bei den viralen Vektoren der ersten Generation wurde nur das virale Genom gegen das Vektorgenom ausgetauscht, während die äußere Begrenzung der Vektoren (Virushülle (s. unten) oder Viruskapsid) unverändert blieb. Da jedoch virale Proteine in der Virushülle oder Domänen im Viruskapsid die ersten Schritte der Zellinfektion bestimmen, werden in aktuellen Forschungsansätzen zusätzlich gezielte Veränderungen an den Proteinen der Virushülle oder am Viruskapsids vorgenommen, um die Effizienz der Zellinfektion zu verbessern. Dieselbe Technik findet zudem Anwendung, um Vektoren zu entwickeln, die ausschließlich die im gewählten Ansatz präferierten Zielzellen infizieren (Abb. 3). Grundsätzlich ist allen viralen Vektoren – unabhängig davon, ob es sich um solche der ersten oder weiterer Generationen handelt – gemeinsam, dass sie sich in der Zielzelle – im Gegensatz zu Viren – nicht mehr vermehren können; sie dienen nur als „Genfähre“.

Virale und nicht virale Vektoren unterscheiden sich immer noch deutlich in der Effizienz, mit der Gene in Zellen eingeschleust werden können. Daher werden in der Gentherapie präferenziell virale Vektoren eingesetzt (http://www.abedia.com/wiley/). Die bisher am häufigsten verwendeten viralen Vektoren leiten sich von Retroviren (Retro-/Lentiviren), Adenoviren oder Adeno Assoziierten Viren ab. Diese Viren gehören unterschiedlichen Virusfamilien an und unterscheiden sich sowohl in ihrem Aufbau als auch ihren Eigenschaften; die viralen Vektoren unterscheiden sich dementsprechend. Die jeweilige Anwendung entscheidet daher, welcher Vektor für den Gentransfer verwendet wird.

Integrierende Vektoren

Soll eine Genkorrektur in Stammzellen durchgeführt werden, muss das neue Gen in das zelluläre Genom eingebaut werden (Integration), um eine langfristige Expression zu ermöglichen. Daher muss zum Gentransfer ein Vektor verwendet werden, der „sein“ Genom integriert. Retrovirale Vektoren sind der Prototyp des integrierenden Vektors.

Retroviren sind behüllte Viren, d. h., um das virale Kapsid herum befindet sich eine Lipidmembran (Abb. 4a). Diese Membran stammt von der Zelle, in der das Virus produziert wurde und wurde vom Virus bei der Freisetzung aus der Zelle gewissermaßen „mitgenommen“. Virale Proteine, die in diese Lipidmembran eingebettet sind, spielen eine wichtige Rolle bei der Infektion der Zielzellen. Retroviren zeichnen sich zudem dadurch aus, dass sie ein RNA-Genom besitzen, das in der Zelle durch die Reverse Transkriptase in DNA umgewandelt wird. Diese DNA wird in das zelluläre Genom integriert und dadurch vor jeder Zellteilung vermehrt und bei der Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben. Diese Eigenschaft macht man sich bei der Verwendung der retroviralen Vektoren zunutze, um proliferierende Zellen stabil zu verändern.

Da der Integrationsort nicht vorherbestimmt werden kann, besteht bei der Verwendung von retroviralen Vektoren allerdings die Gefahr einer Insertionsmutagenese. Der zufallsmäßige Einbau des Vektorgenoms in das Genom der Zielzelle kann dabei zur Fehlregulation eines zellulären Gens oder zur Entstehung eines veränderten Proteins führen (Baum 2011). Das Risiko, dass es durch die Integration zu Nebenwirkungen kommt, ist bei der Verwendung von retroviralen Vektoren, die auf γ-Retroviren beruhen, deutlich höher als bei retroviralen Vektoren, die sich von HIV ableiten (lentivirale Vektoren): γ-retrovirale Vektoren bevorzugen zelluläre Promotoren und andere regulatorische Genomabschnitte als Integrationsort, während lentivirale Vektoren präferenziell in aktiv transkribierte Regionen integrieren (Baum 2011). Aufgrund dieses günstigeren Integrationsprofils gelten lentivirale Vektoren derzeit als die Vektoren der Wahl zur stabilen Veränderung von proliferierenden Zellen in der Gentherapie.

Nicht integrierende Vektoren

Für einige gentherapeutische Ansätze – wie z. B. die Verbesserung des Engraftments von Hauttransplantaten oder der Induktion einer therapeutischen Angiogenese nach Herzinfarkt – ist eine vorübergehende, d. h. transiente, Expression des „therapeutischen“ Gens ausreichend. Aus Sicherheitsüberlegungen heraus werden für diese Ansätze nicht integrierende Vektorsysteme verwendet. Das gleiche gilt für den Gentransfer in Gewebe, die sich nicht mehr oder nur sehr langsam teilen, wie z. B. Skelettmuskeln, das Gehirn oder die Leber. Als Vektorsystem der Wahl für derartige Applikationsformen gelten AAV-Vektoren. Sie leiten sich von einem apathogenen Parvovirus, dem Adeno Assoziierten Virus (AAV), ab. Im Gegensatz zu den Retroviren handelt es sich bei AAV um ein unbehülltes Virus, d. h., das virale Kapsid bildet die äußere Begrenzung des Virus (Abb. 4b). AAV-Vektoren transportieren ein DNA-Genom. Sie zeichnen sich durch eine geringe Immunogenität aus, die eine langanhaltende Genexpression ermöglicht, sowie durch eine hohe Stabilität, die sowohl die Vektorproduktion als auch die Lagerung erleichtert. Vor der Etablierung des AAV-Vektorsystems wurden vor allem adenovirale Vektoren für die In-vivo-Gentherapie eingesetzt. Diese leiten sich von Adenoviren ab, bei denen es sich ebenfalls um unbehüllte Viren mit einem DNA-Genom handelt. Adenovirale Vektoren sind jedoch deutlich immunogener als AAV-Vektoren, weshalb sie derzeit vor allem im Bereich der Onkologie sowie der Vakzineentwicklung Anwendung finden, aber in klinischen Studien zur Behandlung von monogenetischen Erkrankungen von den AAV-Vektoren verdrängt wurden.

Gentherapiestudien – aktuelle Beispiele

Die Gentherapie wurde vor mehr als 20 Jahren als innovative Therapieoption für die Behandlung von seltenen monogenetischen Erkrankungen postuliert. In der Zwischenzeit wurde das Anwendungsspektrum deutlich erweitert (http://www.abedia.com/wiley/). So werden in klinischen Studien auch bereits gentherapeutische Ansätze zur Behandlung von chronischen und progressiven Erkrankungen, wie z. B. Parkinson oder Alzheimer, getestet. Ferner werden gentherapiebasierte Ansätze in der Onkologie, im Bereich der kardiovaskulären Erkrankungen und der Infektionserkrankungen entwickelt.

Monogenetische Erkrankungen

ADA-SCID

Die erste Gentherapie erhielten zwei Kinder mit ADA-SCID („Adenosine Deaminase – Severe Combined Immunodeficiency“), einer sehr seltenen monogenetischen Erkrankung, die zu den schweren kombinierten Immundefekten gehört. Sie wird durch Mutationen im Gen für die Adenosindeaminase (ADA) verursacht. Dadurch kommt es zur Akkumulation der ADA-Substrate Adenosin und Desoxyadenosin im Blutplasma und von toxischen Metaboliten des Purinstoffwechsels im Lymphgewebe und in Erythrozyten. Fehlt die Enzymaktivität vollständig, kommt es zur Lymphopenie und dadurch zum Fehlen sowohl der zellulären als auch der humoralen Immunantwort. Die Patienten leiden an lebensbedrohlichen Infektionen mit opportunistischen Erregern. ADA-Mangel ist eine systemische Erkrankung, die zusätzlich zu nicht immunologischen Defekten wie z. B. Skelettveränderungen, Organschäden (Niere, Lunge), Innenohrschwerhörigkeit und neurologischen Auffälligkeiten führt (Peter et al. 2012). Wenn ein geeigneter, d. h. HLA-identischer, Spender vorhanden ist, erhalten Patienten mit ADA-SCID eine allogene Stammzelltransplantation. Diese Behandlung führt in 88 % der Fälle zu einer Normalisierung der immunologischen und metabolischen Parameter (Brigida und Aiuti 2012). Da nur für eine Minderheit ein HLA-identischer Spender gefunden werden und die allogene Transplantation mit Stammzellen eines haploidentischen Spenders zu schweren Nebenwirkungen führen kann, wurde eine gentherapeutische Behandlungsstrategie entwickelt und kontinuierlich optimiert. Aktuell werden hämatopoetische Stammzellen des Patienten entnommen und expandiert. Zur Wiederherstellung der ADA-Funktion wird eine funktionstüchtige Version des ADA-Gens mithilfe eines retroviralen Vektors eingebracht. Um das Engraftment zu verbessern und den genkorrigierten Stammzellen einen Vorteil gegenüber den ADA-defizienten Stammzellen zu verschaffen, werden die Patienten mit einer milden Chemotherapie behandelt. Im Anschluss an diese Konditionierung werden die vektorbehandelten Zellen dem Patienten reinfundiert. Seit 2000 wurden mehr als 30 ADA-SCID-Patienten weltweit nach diesem Protokoll behandelt (Brigida und Aiuti 2012). Die Ansprechrate dieser Behandlung ist vergleichbar mit derjenigen für die allogene Stammzelltransplantation mit einem HLA-identischen Spender (Brigida und Aiuti 2012; Mukherjee und Thrasher 2013). Zudem wurden bisher keine Nebenwirkungen der Gentherapie beobachtet (Brigida und Aiuti 2012; Mukherjee und Thrasher 2013).

SCID-X1

Ähnlich erfolgreich bezüglich der Wiederherstellung des Immunsystems ist die Gentherapie der SCID-X1 (Mukherjee und Thrasher 2013). Zwischen 1999 und 2006 wurden 20 Patienten mit SCID-X1, für die kein HLA-identischer Spender gefunden werden konnte, behandelt (Mukherjee und Thrasher 2013; Touzot et al. 2014). Bei dieser Form der schweren primären Immundefekte besteht ein Defekt im IL-2RG-Gen (Peter et al. 2012; Mukherjee und Thrasher 2013). Dieses Gen kodiert für ein Protein (γ-Kette), das ein Bestandteil mehrerer Interleukin(IL)-Rezeptoren ist (IL-2R, IL-4R, IL-7R, IL-9R, IL-15R, IL-21R). Fehlt die γ-Kette, kommt es zu einer Entwicklungsstörung der T-, B- und NK-Zellen, die dazu führt, dass den betroffenen Patienten T- und NK-Zellen fehlen und die B-Lymphozyten den Phänotyp nativer B-Zellen aufweisen. Die Gentherapie der SCID-X1 erfolgte analog zur Gentherapie der ADA-SCID (Brigida und Aiuti 2012; Mukherjee und Thrasher 2013). Auf eine Konditionierung wurde im Falle der SCID-X1-Gentherapie jedoch verzichtet, da die genkorrigierten Zellen einen Wachstumsvorteil besitzen und sich daher gegenüber den nicht korrigierten Zellen durchsetzen. Wie bereits erwähnt, konnte in den behandelten Patienten durch die Gentherapie das Immunsystem mit einer vergleichbar hohen Effizienz wie bei ADA-SCID rekonstituiert werden. Im Gegensatz zur ADA-SCID trat jedoch 2,5–5 Jahre nach Gentherapie in fünf der behandelten Patienten eine T-Zell-Leukämie auf (Hacein-Bey-Abina et al. 2008; Howe et al. 2008). Als Ursache für diese schwere Nebenwirkung werden sowohl vektorspezifische als auch krankheitsintrinsische Faktoren vermutet. Letzteres begründet sich damit, dass bei der ADA-SCID bisher keine Nebenwirkungen beobachtet wurden, obwohl dasselbe Vektorsystem, nämlich γ-retrovirale Vektoren, verwendet wurden. Als wichtige vektorspezifische Faktoren wurde zum einen das Integrationsprofil (Abschn. 3.2) und zum anderen der starke γ-retrovirale Promotor, der für die Genexpression verwendet wurde, identifiziert. Der starke Promoter vermittelt nicht nur eine effiziente Expression der γ-Kette, sondern kann aufgrund seiner Stärke auch benachbarte Gene aktivieren. In den beschriebenen Fällen erfolgte die Integration benachbart zum Protoonkogen LMO2 („LIM domain only 2“), das infolge der Vektorintegration aktiviert wurde. Diese Aktivierung sowie weitere Genomveränderungen führten letztendlich zur Entwicklung der T-Zell-Leukämie (Mukherjee und Thrasher 2013; Touzot et al. 2014). Vier der fünf Patienten konnten erfolgreich mit einem Standardchemotherapieprotokoll behandelt werden. Sie sind bisher tumorfrei, und ihr Immunsystem blieb trotz Chemotherapie erhalten (Mukherjee und Thrasher 2013; Touzot et al. 2014).

Um die Sicherheit gentherapeutischer Ansätze, die auf ein stabiles Einbringen der korrekten Genversion in proliferierende Zellen angewiesen sind, zu erhöhen, wurden nach dem Auftreten der T-Zell-Leukämien umfangreiche – meist interdisziplinäre – Forschungsaktivitäten initiiert. Diese führten 1. zur Identifizierung der bereits beschriebenen vektorspezifischen Faktoren der Tumorentstehung, 2. zur Entwicklung von Protokollen, die einen effizienteren Gentransfer in Stammzellen und somit den Einsatz geringer Vektordosen ermöglichen, und 3. zur Optimierung der Vektoren. Im Bereich der Vektoren wurde zum einen die Entwicklung der lentiviralen Vektoren, die günstigere Integrationseigenschaften aufweisen (Abschn. 3.2), forciert und zum anderen wurden die γ-retroviralen Vektoren weiterentwickelt. So werden z. B. die starken viruseigenen Promotoren durch deutlich schwächere Promotoren ersetzt, die die Aktivierung benachbarter Gene durch das Einfügen von Isolatorsequenzen in das Vektorgenom aktiv verhindert, oder es wird zusätzlich zum therapeutischen Gen ein Selbstmordgen eingefügt, sodass vektorbehandelte Zellen ggf. abgetötet werden können. In den aktuellen Gentherapiestudien im Bereich der schweren primären Immundefekte, die neben ADA-SCID und SCID-X1 auch das Wiskott-Aldrich-Syndrom und die chronische Granulomatose umfassen, finden diese Optimierungen bereits Anwendung (Mukherjee und Thrasher 2013).

Lebersche kongenitale Amaurose

Im Gegensatz zur Therapie der schweren kombinierten Immundefekte, in denen proliferierende Zellen stabil verändert werden müssen, gibt es eine Reihe von monogenetischen Erkrankungen, in denen nicht integrierende Vektoren für den In-vivo-Gentransfer verwendet werden können. Ein Beispiel ist die Lebersche kongenitale Amaurose, eine Gruppen von Netzhaut-Aderhaut-Dystrophien, die durch eine Funktionsstörung des Pigmentepithels hervorgerufen werden und zur Erblindung führen (Sundaram et al. 2012). Die häufigste Form dieser Erkrankung wird durch einen Defekt im RPE65-Gen verursacht, einem Enzym des visuellen Zyklus, das für die Umwandlung von all-trans-Retinal zu 11-cis-Retinal benötigt wird und somit maßgeblich an der Wiederherstellung des aktiven Sehpigments Rhodopsin beteiligt ist (Sundaram et al. 2012). Fehlt dies, geht die Netzhaut zugrunde. Durch die subretinale Injektion von AAV-Vektoren, die das RPE65-Gen transferieren, konnte die Sensitivität der Retina sowie das Sehvermögen verbessert werden. Eine weitere Anwendung aus der Ophthalmologie stellt der Gentransfer antiangiogener Faktoren bei der Behandlung der Makuladegeneration da, die aktuell in klinischen Studien getestet werden (http://www.abedia.com/wiley/). Hierdurch soll das Einwachsen von Gefäßen in das retinale Pigmentepithel gestoppt werden.

Hämophilie B

AAV-Vektoren werden aktuell auch zur Behandlung der Hämophilie B eingesetzt. Patienten mit Hämophilie leiden an einer Blutgerinnungsstörungen. Im Fall der Hämophilie B liegt ein Mangel an Faktor IX vor. Durch intravenöse Gabe von AAV-Vektoren, die für Faktor IX kodieren, gelangen die AAV-Vektoren in die Leber (Nathwani et al. 2011). Dort vermitteln sie den Gentransfer in Hepatozyten, d. h. in die parenchymalen Zellen der Leber. In den Hepatozyten erfolgt dann die Produktion von Faktor IX, das anschließend ins Blut abgegeben wird. Patienten, die mit dieser Gentherapie behandelt wurden, benötigen deutlich seltener bzw. können vollständig auf die Gabe einer Faktor-IX-Prophylaxe verzichten.

Dies sind nur einige Beispiele für das breite Spektrum an monogenetischen Erkrankungen für die derzeit gentherapeutische Strategien in klinischen Studien getestet werden. Eine gute Übersicht über weitere aktuelle und bereits abgeschlossene Gentherapiestudien ist unter (http://www.abedia.com/wiley/) zu finden. Im Bereich der monogenetischen Erkrankungen erfolgte im November 2012 auch die erste Marktzulassung für eine Gentherapie in Europa (Europäische Union) (Kaufmann et al. 2013; Büning et al. 2013): Patienten mit Lipoproteinlipasedefizienz (LPLD), einer sehr seltenen Erkrankung des Fettstoffwechsels, die infolge dieser Erkrankung an einer schweren chronischen Pankreatitis leiden, können mit einer intramuskulären Injektionen von AAV-Vektoren, die für eine „Gain-of-function“-Variante des Enzyms Lipoproteinlipase kodieren, behandelt werden.

Tumorerkrankungen

Der Hauptanteil der klinischen Gentherapiestudien entfällt aktuell jedoch nicht auf den Bereich der monogenetischen, sondern der Tumorerkrankungen (64 %, (http://www.abedia.com/wiley/)). Hier wird ein sehr diverses Spektrum an innovativen, gentherapiebasierten Strategien getestet. Beispiele hierfür sind:

Erhöhung der Immunogenität der Tumorzellen und damit die Aktivierung einer Immunsystem-mediierten Eliminierung des Tumors durch Gentransfer von kostimulierenden Molekülen oder immunologischen Botenstoffen in die Tumorzellen
Hemmung von Signalwegen, um das Wachstum oder die Metastasierung von Tumoren direkt (Tumorzelle als Ziel) oder indirekt (Tumorstroma als Ziel) zu unterbinden
Neuausrichtung von T-Lymphozyten auf tumorspezifische Antigene
Transfer von Selbstmordgenen
Induktion einer Tumorlyse mithilfe von onkolytischen Viren (Virotherapie).

Im Bereich Onkologie erfolgte auch die erste Marktzulassung für eine Gentherapie überhaupt (Langer und Cichutek 2011): Im Jahr 2003 wurde ein adenoviraler Vektor, der das Tumorsuppressorgen p53 transferiert, in China für die Behandlung von Hals-Kopf-Tumoren in Kombination mit einer Radiotherapie zugelassen. Zwei Jahre später erfolgte – ebenfalls für China – die Marktzulassung für ein onkolytisches Adenovirus zur Behandlung solider Tumoren. Beide Medikamente erhielten bisher keine Marktzulassung außerhalb von China (Langer und Cichutek 2011), da die therapeutische Wirksamkeit bisher nicht zweifelsfrei bewiesen wurde (Kaufmann et al. 2013).

In einer Reihe von klinischen Studien wurde in der jüngeren Vergangenheit eine bemerkenswerte Effektivität in der Behandlung von Tumoren durch modifizierte T-Lymphozyten erreicht. Hierbei wird in T-Lymphozyten – durch Ex-vivo-Gentransfer – ein neuer oder ein artifizieller T-Zellrezeptor eingebracht, der ein Antigen auf Tumorzellen erkennt. Werden diese veränderten T-Lymphozyten in den Patienten zurückgegeben und erkennen diese Zellen über den neuen T-Zellrezeptor Tumorzellen, werden sie aktiviert. Als Folge wird nicht nur die erkannte Tumorzelle abgetötet, sondern auch eine systemische Immunreaktion gegen Zellen mit diesem Antigen induziert. Diese Antitumorstrategie konnte erfolgreich zur Behandlung von B-Zell-Leukämien und -Lymphomen eingesetzt werden (Porter et al. 2011; Grupp et al. 2013).

Kardiovaskuläre Erkrankungen

Die stetig steigende Anzahl von Patienten mit kardiovaskulären Erkrankungen, die mit herkömmlichen therapeutischen Ansätzen nur unzureichend behandelbar sind, forcierte die Entwicklung von gentherapeutischen Ansätzen. Aktuelle Ansätze zielen z. B. auf eine Verbesserung der Pumpfunktion des Herzens ab, z. B. durch Einbringung von Genen, die an der Regulierung des intrazellulären Kalziums beteiligt sind (Pleger et al. 2013). Ferner finden sich gentherapeutische Strategien zur therapeutischen Angiogenese nach Infarkt in der klinischen Testung (http://www.abedia.com/wiley/). Hierbei werden u. a. Gene in Endothelzellen eingebracht, die für proangiogene Botenstoffe kodieren.

Infektionserkrankungen

Das Anwendungsgebiet der Gentherapie im Bereich der Infektionserkrankungen umfasst sowohl die Prävention als auch die Therapie. So werden z. B. neuartige vektorbasierte Impfstoffe sowohl gegen virale als auch gegen bakterielle Erreger entwickelt. Der Hauptfokus liegt hierbei auf Erkrankungen, für die es derzeit keine effiziente Impfung gibt, wie z. B. gegen HIV. Daneben werden gentherapeutische Ansätze entwickelt, um die Zellinfektionen gezielt zu unterbinden. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass Virusrezeptoren durch Zerstörung des entsprechenden zellulären Gens eliminiert werden (Rahman et al. 2011; Didigu und Doms 2014) oder dass Peptide in der Zelle produziert werden, die den oft sehr komplizierten Vorgang des Zelleintritts von Viren gezielt stören (Didigu und Doms 2014).

Ausblick

Die therapeutischen Möglichkeiten der Gentherapie konnten vor allem in der jüngeren Vergangenheit klar gezeigt werden. Aktuell gibt es zwar nur eine Marktzulassung für ein gentherapeutisches Medikament in der EU, aber die zunehmende Anzahl an klinischen Gentherapiestudien, in denen deutliche Verbesserungen der klinischen Endpunkte oder sogar eine Heilung der Grunderkrankung erreicht werden konnten, und die kontinuierliche Erweiterung des Anwendungsspektrums machen deutlich, dass sich die Gentherapie in einigen medizinisch bedeutsamen Anwendungsbereichen am Übergang von einer experimentellen zu einer real anwendbaren Therapieoption befindet.

Trotzdem stellen die hohe pathophysiologische Komplexität vieler Erkrankungen und die oft noch zu geringe Effizienz der Vektoren derzeit noch limitierende Faktoren für die Umsetzung einiger gentherapeutischer Strategien in der Klinik dar. Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Grundlagenforschern, Klinikern und regulatorischen Behörden stellt eine Grundvoraussetzung dar, um durch die Aufklärung molekularbiologischer Zusammenhänge der Krankheitsentstehung und der zellulären Regulationsmechanismen neue Ansatzpunkte für gentherapeutische Interventionen zu finden und die Vektoren und ggf. die Protokolle zur Isolierung und Kultivierung von humanen Zellen für die jeweilige Anwendungen weiter zu optimieren.

Literatur

Baum C (2011) Prävention der Insertionsmutagenese. Pharm Unserer Zeit 40:248–252PubMedCrossRef

Brigida I, Aiuti A (2012) Immune resconstitution after gene therapy for adenosine deaminase severe combined immunodeficiency (ADA-SCID). In: Cohen-Haguenauer O (Hrsg) Clinical gene transfer state of the art. The CliniBook. EDK/Groupe EDP Sciences, Paris

Büning H (2013) Gene therapy enters the pharma market: the short story of a long journey. EMBO Mol Med 5:1–3PubMedPubMedCentralCrossRef

Didigu C, Doms R (2014) Gene therapy targeting HIV entry. Viruses 6:1395–1409PubMedPubMedCentralCrossRef

Grupp SA, Kalos M, Barrett D, Aplenc R, Porter DL, Rheingold SR, Teachey DT, Chew A, Hauck B, Wright JF, Milone MC, Levine BL, June CH (2013) Chimeric antigen receptor-modified T cells for acute lymphoid leukemia. N Engl J Med 368:1509–1518PubMedPubMedCentralCrossRef

Hacein-Bey-Abina S, Garrigue A, Wang GP, Soulier J, Lim A, Morillon E, Clappier E, Caccavelli L, Delabesse E, Beldjord K, Asnafi V, MacIntyre E, Dal Cortivo L, Radford I, Brousse N, Sigaux F, Moshous D, Hauer J, Borkhardt A, Belohradsky BH, Wintergerst U, Velez MC, Leiva L, Sorensen R, Wulffraat N, Blanche S, Bushman FD, Fischer A, Cavazza-Calvo M (2008) Insertional oncogenesis in 4 patients after retrovirus-mediated gene therapy of SCID-X1. J Clin Invest 118:3132–3142PubMedPubMedCentralCrossRef

Howe SJ, Mansour MR, Schwarzwaelder K, Bartholomae C, Hubank M, Kempski H, Brugman MH, Pike-Overzet K, Chatters SJ, de Ridder D, Gilmour KC, Adams S, Thornhill SI, Parsley KL, Staal FJ, Gale RE, Linch DC, Vayford J, Brown L, Quaye M, Kinnon C, Ancliff P, Webb DK, Schmidt M, von Kalle C, Gaspar HB, Thrasher AL (2008) J Clin Invest 118:3143–3150PubMedPubMedCentralCrossRef

Kaufmann KB, Büning H, Galy A, Schambach A, Grez M (2013) Gene therapy on the move. EMBO Mol Med 5:1642–1661PubMedPubMedCentralCrossRef

Langer B, Cichutek K (2011) Bisherige Erfahrungen und Zukunft. Klinische Anwendung der Gentherapie. Pharm Unserer Zeit 40:254–262PubMedCrossRef

Mukherjee S, Thrasher AJ (2013) Gene therapy for PIDs: Progress, pitfalls and prospects. Gene 525:174–181PubMedPubMedCentralCrossRef

Nathwani AC, Tuddenham EGD, Rangarajan S, Rosales C, McIntosh J, Linch DC, Chowdary P, Riddell A, Pie AJ, Harrington C, O’Beirne J, Smith K, Pasi J, Glader B, Rustagi P, Ng CYC, Kay MA, Zhou J, Spence Y, Morton CL, Allay J, Coleman J, Sleep S, Cunningham JM, Srivastava D, Basner-Tschakarjan E, Mingozzi F, High KA, Gray JT, Reiss UM, Nienhuis AW, Davidoff AM (2011) Adenovirus-associated virus vector–mediated gene transfer in hemophilia B. N Engl J Med 365:2357–2365PubMedPubMedCentralCrossRef

Peter HH, Pichler WJ, Müller-Ladner U (Hrsg) (2012) Klinische Immunologie. Elsevier, München

Pleger ST, Brinks H, Ritterhoff J, Raake P, Koch WJ, Katur HA, Most P (2013) Heart failure gene therapy – the path to clinical practice. Circ Res 113:792–809PubMedCrossRef

Porter DL, Levine BL, Kalos M, Bagg A, June CH (2011) Chimeric antigen receptor-modified T cells in chronic lymphoid leukemia. N Engl J Med 365:725–733PubMedPubMedCentralCrossRef

Rahman SH, Maeder ML, Joung JK, Cathomen T (2011) Zinc-finger nucleases for somatic gene therapy: the next frontier. Hum Gene Ther 22:925–933PubMedPubMedCentralCrossRef

Sundaram V, Moore AT, Ali RR, Bainbridge JW (2012) Retinal dystrophies and gene therapy. Eur J Pediatr 171:757–765PubMedCrossRef

Touzot F, Hacein-Bey-Abina S, Fischer A, Cavazzana M (2014) Gene therapy for inherited immunodeficiency. Expert Opin Biol Ther 14:789–798PubMedCrossRef