Vor einigen Tagen hatte ich in BBC News interessante Nachrichten gelesen, die mir keine Ruhe ließen und ich nachforschen wollte. Ein 19 Monate altes Kind, ein Junge, ist der erste Patient, der in England über NHS, den nationalen Gesundheitsservice, Gentherapie erhalten soll. Das zu verabreichende zelluläre Arzneimittel ist das hochpreisigste, das jemals vom NHS genehmigt wurde, 2.3 Millionen Euro kostet es. Die Erkrankung des Jungen ist 'Metachromatische Leukodystrophie' und gehört zu den 'Rare Diseases' (seltene Krankheiten), wie sie weltweit als ein Behandlungsgebiet zusammengefasst werden. Viele pharmazeutische und biotechnologische Unternehmen forschen mit Hochdruck daran RNA-Arzneimittel und zelluläre Therapien mit veränderten Genen zu entwickeln, die eine seltene Erkrankung behandeln sollen.
Mir kamen sofort eine Menge unbeantworteter Fragen in den Sinn und ich recherchierte zu der Erkrankung und Therapie und schaute mir dann das Forschungsfeld zu den ‘Seltenen Erkrankungen' an.
1. Was ist die Erkankung des Jungen?
2. Was ist das Gen, was ist der Gendefekt in MLD?
3. Was ist die Herangehensweise bei der Behandlung?
4. Wie funktioniert diese Gentherapie?
5. Wie wird das Arzneimittel verabreicht und wie wirkt es im Körper?
6. Was sind 'Seltene Erkrankungen' in der Forschung und wie sollen sie therapiert werden?
7. Wodurch werden seltene Erkrankungen verursacht?
Tauchen wir ein ……
Was ist die Erkrankung des Jungen?
Die seltene Erkrankung des Jungen heißt metachromatische Leukodistrophie und sie wird abgekürzt als MLD. In der weißen Substanz des Gehirns und auch des peripheren Nervensystems, die die Fortsätze der Nervenzellen enthält (Info: die graue Substanz enthält die Zellkörper), geschieht eine schädliche Anhäufung einer Klasse von Fettmolekülen, den Sulfatiden.
Sulfatide werden in Oligodendrozyten des Gehirns und in Schwannzellen des peripheren Nervensystems hergestellt, um die Myelinscheiden zu bilden, die sich um die Nervenfortsätze herum legen. Die Herstellung der Sulfatide muss in einem Gleichgewicht mit ihrem Abbau sein, damit es nicht zu einer Anhäufung dieser Moleküle kommt, die für die Oligodendrozyten und Schwannzellen schädlich ist.
Das abbauende Enzym heißt Arylsulfatase A. Patienten mit MLD haben einen Mangel an Arylsulfatase A, der durch einen Defekt des entsprechenden Gens verursacht ist. In Folge häufen sich die Sulfatide an und die Oligodendrozyten und Schwannzellen sterben ab. Nervenzellen ohne Myelinscheiden leiten die Erregung nur sehr langsam weiter und stellen in Folge ihre Funktion ein. Es kommt zum Absterben von Nervenfasern, wodurch Muskelschwäche und Lähmungen, der Verlust von Sinneswahrnehmungen und Demenz bedingt sind.
Diagnostiziert wird MLD durch Blutanalyse. Bei Definition liegt MLD in Patienten mit Symptomen vor, wenn die Aktivität der Arylsulfatase A in Leukozyten weniger als 10% ist. Zusätzlich kann eine Genotypisierung vorgenommen werden, d. h. die DNA wird auf Mutationen hin untersucht.
Der Junge hat die häufigste Form von MLD, die bei Kindern zwischen 15 und 24 Monaten beginnt. Weniger häufige Formen beginnen im Jugend- oder Erwachsenenalter, führen aber auch zum Tod.
Was ist das Gen, was ist der Gendefekt in MLD?
Der Gendefekt ist eine Mutation im ARSA Gen auf Chromosome 22. ARSA codiert für das lysosomale Enzym Arylsulfatase A. In den letzten drei Jahrzehnten wurden viele Patienten in Forschungsstudien genetisch diagnostiziert und es wurden unterschiedliche Fehler in der DNA gefunden. Dies weist darauf hin, dass in der Bevölkerung mehrere Mutationen existieren und vererbt werden. Die meisten Mutationen führen dazu, dass kein funktionsfähiges Protein gebildet werden kann.
Info: Was sind Gendefekte?
Gene können ‘defekt’ sein. Dies bedeutet, dass der Code, den die DNA über die Nukleotidbasen festlegt, verändert ist. Sehen Sie hierzu bitte die Abbildung 'Protein wird an der messenger RNA entlang hergestellt' in ‘Was ist ein Gen?’. Es kommt beispielsweise vor, dass eine einzelne Base fehlt oder ausgetauscht wurde - anstatt A-C-G-T-C-C ist der Code A-C-T-T-C-C. Solch eine Veränderung wird als Mutation bezeichnet. Nun stellen Sie sich vor, dass die Mutation in der DNA-Sequenz eines Gens ist, die für ein Protein kodiert. Dann ist diese Mutation auch in der Abschrift des Gens enthalten, die Vorlage für die Bildung eines Protein ist - die RNA ist also auch verändert. In Folge wird in die Polypeptidkette eine andere Aminosäure eingebaut. Dies resultiert in einem veränderten Protein. Das Protein könnte zu klein oder fehlerhaft geformt sein und auch ist es möglich, dass gar kein Protein mehr gebildet wird.
Was ist die Herangehensweise bei der Behandlung?
MLD wird gentherapeutisch behandelt. Ende 2020 hat die Europäische Aufsichtsbehörde EMA (European Medicines Agency) die Marktzulassung des Arzneitmittels Libmeldy genehmigt. Libmeldy wurde von einem englischen Biotechnologie-Unternehmen mit Namen Orchard Therapeutics entwickelt.
Diese Therapie basiert darauf ein funktionelles ARSA Gen in körpereigene hämatopoetische Stammzellen einzubringen. Diese differenzieren nachfolgend in verschiedene Blutzellen, welche ein funktionsfähiges Enzym produzieren. Über das Blut erreicht das Enzym die Zellen der Organe. Die Therapie darf nur einmal angewendet werden und auch nur von Ärzten, die Erfahrung in der Transplantation von hämatopoetischen Stammzellen haben.
Die Therapie ist nur wirksam, wenn sie vor dem Auftreten der ersten Symptome begonnen wird. Ärzte empfehlen daher eine Vorsorgeuntersuchung von Neugeborenen.
Wie funktioniert die Gentherapie in MLD?
Libmeldy wird für jeden Patienten individuell hergestellt, denn es werden patienteneigene hämatopoetische Stammzellen verwendet. Diese werden aus dem Blut des Patienten entnommen, nachdem zuvor deren Vervielfältigung im Knochenmark und dann deren Auswanderung ins Blut angeregt wurde - ein Prozess, der als Mobilisierung von Blutstammzellen bezeichnet wird. Alternativ können die Stammzellen auch direkt aus dem Knochenmark entnommen werden.
Ein Lentivirus-Vektor wird verwendet, in den ein funktionelles ARSA Gen eingebracht wird. Dieser ist nur ein Teil des lentiviralen Genoms, was bedeutet, dass der Vektor keine Gene enthält, die für die Herstellung von Viren erforderlich sind. Er hat die Eigenschaft in die Chromosomen der Wirtszelle zu integrieren. Die Information, dass das ARSA Gen in der Zelle aktiviert und abgelesen werden kann, wurde dem Vektor ebenfalls hinzugefügt. Die gentechnisch veränderte DNA wird mit weiteren Proteinen in spezielle 'Verpackungszellen' eingebracht, damit die Viren hergestellt werden können. Diese Zellen werden in Nährlösung gehalten und Viren in großer Anzahl produziert. Durch die Auflösung der Zellen gelangen die Viren in die Nährlösung und können abgeerntet werden.
Info: Ein Vektor ist eine ringförmige DNA, auch Plasmid genannt, welches natürlicherweise in Bakterien und Viren vorkommt und eine Ergänzung oder Teil deren Genoms ist. Solche Plasmide verleihen über die Gene, die darin enthalten sind, bestimmte Eigenschaften. Forscher haben Plasmide modifiziert, um dort DNA einbauen zu können mit der sie 'arbeiten' möchten. Vektoren sind also Vehikel für bestimmte Aufgaben.
In einem nächsten Schritt werden die Stammzellen mit den Viren zusammengebracht. Der Lentivirus-Vektor mit dem ARSA Gen integriert nun in die chromosomale DNA der Stammzellen. Die Viren können sich nicht vervielfältigen.
Stammzellen, die das ARSA Gen an geeigneter Stelle im Genom enthalten, werden in Kulturmedium vervielfältigt, so dass eine ausreichende Anzahl von Zellen für die Therapie zur Verfügung steht. Dies ist das Arzneimittel Libmeldy.
Wie gelangt das gentherapeutische Arzneimittel in den Patienten hinein?
Eine angemessene Anzahl der patienteneigenen gentechnisch modifizierten hämatopoetischen Stammzellen wird in eine Infusionslösung eingebracht. Dies sind ca. 10 bis 20 ml Libmeldy pro Infusionsbeutel.
Nachdem der Patient auf die Stammzelltransplantation medizinisch geeignet vorbereitet wurde, kann die Infusion verabreicht werden.
Die Stammzellen finden über die Blutbahn ihren Weg ins Knochenmark, wo sie sich ansiedeln können, um Blutzellen hervorzubringen, die das ARSA Gen exprimieren und den Körper mit Arylsulfatase A versorgen.
Was sind ‚Seltene Erkrankungen‘ in der Forschung und wie sollen sie therapiert werden?
Bei Definition betreffen diese Erkrankungen weniger als 1 unter 2.000 Menschen. Nach Angaben der Europäischen Kommission gibt es zwischen sechs- und achttausend seltene Erkrankungen, die insgesamt 30 Millionen Menschen in der EU betreffen. Meistens drücken sich diese in unklaren Symptomen aus, sind schwer zu diagnostizieren und weil sie so selten vorkommen, haben Ärzte keine Erfahrung damit. Häufig verlaufen die Erkrankungen sehr schwerwiegend und führen zu einem frühen Tod der Betroffenen.
Durch molekularbiologische und technologische Errungenschaften und die Veröffentlichung des menschlichen Genoms in den letzten zwei Jahrzehnten (Info: Genom = Gesamtheit der genetischen Information, die in der DNA codiert ist) ist es der Forschung und Industrie nun möglich, geeignete Arzneimittel basierend auf Zell-, Gen- und RNA-Therapien sowie Biomarker für die Diagnostik zu entwickeln.
Die EU-Forschungsförderung unterstützt die Entwicklungsprojekte in Milliardenhöhe. Auch das Bundesministerium für Forschung und Bildung unterstützt mit weit über 100 Millionen Euro die Grundlagenforschung und klinische Forschung - immerhin gibt es auch in Deutschland vier Millionen Patienten mit einer seltenen Erkrankung.
Wodurch werden die ‚Seltenen Erkrankungen‘ verursacht?
Diese Krankheiten basieren meistens auf einem genetischen Defekt, also einer Mutation in der DNA, die unentdeckt bleibt, wenn das zweite Gen normal funktioniert. In meinem Blog ‚Wie macht ein Gen ein Eiweiß‘ hatte ich erklärt, dass Gene für Proteine kodieren und auch, dass jedes Gen zweifach vorliegt, nämlich einmal vom Vater und einmal von der Mutter vererbt. Ich füge unten eine Lernbox dazu ein.
Wenn eines der beiden Gene eine normale, d. h. funktionelle DNA-Sequenz aufweist, kann meistens funktionstüchtiges Protein in ausreichender Menge hergestellt werden. Wird nicht nur von einem, sondern von beiden Elternteilen ein defektes Gen vererbt, entwickelt sich die Erkrankung, die sich aus dem Fehlen des Proteins oder aus der Herstellung eines fehlerhaften Proteins ergibt.
Solche Erkrankungen, die nur auftreten, wenn beide Gene, die für ein bestimmtes Protein codieren, mutiert sind, werden als ‚rezessiv‘ bezeichnet. Die Gendefekte können sich in der Bevölkerung verstecken und werden nur durch eine DNA-Analyse entdeckt.
