Verwendung von mRNA-Lieferung zur Verbesserung der Muskelkraft

Mutationen, die zu Muskelschwund führen, können mit dem Geneditor CRISPR-Cas9 repariert werden. Ein Team um ECRC-Forscherin Helena Escobar hat das Werkzeug nun erstmals mittels mRNA in menschliche Muskelstammzellen eingebracht und damit eine für therapeutische Anwendungen geeignete Methode entdeckt.

Es ist zwar nur eine winzige Veränderung im Erbgut, aber dieser kleine Unterschied kann fatale Folgen haben: Muskeldystrophien werden fast immer durch ein einziges fehlerhaftes Gen verursacht. So unterschiedlich die Mutationen in dieser Gruppe von rund 50 Erkrankungen auch sind, am Ende führen sie doch alle zu einem sehr ähnlichen Ergebnis.

„Durch den Gendefekt kommt es zu Veränderungen in der Muskelstruktur und -funktion, sodass bei den Betroffenen eine fortschreitende Muskelatrophie auftritt“, erklärt Professor Simone Spuler, Leiterin des Myology Lab am Experimental and Clinical Research Center (ECRC), einer gemeinsamen Einrichtung der Berliner -basierten Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) und der Charité – Universitätsmedizin Berlin. Dieser Zustand kann tödlich sein, insbesondere wenn die Atem- oder Herzmuskeln betroffen sind.

Bei Mäusen hat sich die Methode bereits bewährt

Muskeldystrophien sind derzeit nicht heilbar, und genau das wollen Spuler und ihr Team ändern. Ihr neuestes Papier, das in der Zeitschrift erscheint Molekulare Therapie – Nukleinsäurenebnet den Weg für eine klinische Studie, in der eine am ECRC entwickelte Therapie erstmals an Patienten mit erblicher Muskelatrophie getestet wird.

„Wir verfolgen seit einigen Jahren die Idee, erkrankten Patienten Muskelstammzellen zu entnehmen, mit CRISPR-Cas9 die fehlerhaften Gene zu korrigieren und die behandelten Zellen dann wieder in die Muskeln zu injizieren, damit sie sich vermehren und neues Muskelgewebe bilden können. “, erklärt Dr. Helena Escobar, Postdoktorandin in Spulers Arbeitsgruppe und Co-Autorin der aktuellen Arbeit.

Vor einiger Zeit konnten die Forscher zeigen, dass die Methode bei Mäusen funktioniert, die an Muskelschwund leiden. „Doch unsere Methode hatte einen Haken“, sagt Escobar, „wir haben die genetischen Anweisungen für den Geneditor mithilfe von Plasmiden in die Stammzellen eingebracht – das sind kreisförmige, doppelsträngige DNA-Moleküle, die von Bakterien stammen.“

Plasmide könnten sich aber ungewollt in das ebenfalls doppelsträngige Genom menschlicher Zellen integrieren und dann zu schwer abschätzbaren unerwünschten Wirkungen führen. „Das machte diese Methode für die Behandlung von Patienten ungeeignet“, sagt Escobar.

Gezielte Korrektur genetischer Defekte

Also machte sich das Team auf die Suche nach einer besseren Alternative. Sie fanden es in Form von Boten-RNA (mRNA), einem einzelsträngigen RNA-Molekül, das kürzlich als Schlüsselkomponente von zwei COVID-19-Impfstoffen Anerkennung fand.

„In den Impfstoffen enthalten die mRNA-Moleküle die genetische Bauanleitung für das Spike-Protein des Virus, mit dem der Erreger in menschliche Zellen eindringt“, erklärt Christian Stadelmann, Doktorand in Spulers Arbeitsgruppe. Zusammen mit Silvia Di Francescantonio aus demselben Team ist er einer der Co-Erstautoren der Studie. „In unserer Arbeit verwenden wir mRNA-Moleküle, die die Bauanleitung für das Gen-Editing-Tool enthalten.“

Um die mRNA in die Stammzellen zu bringen, verwendeten die Forscher ein Verfahren namens Elektroporation, das die Zellmembranen vorübergehend durchlässiger für größere Moleküle macht. „Mit Hilfe von mRNA, die die genetische Information für einen grünen Fluoreszenzfarbstoff enthält, konnten wir zunächst zeigen, dass die mRNA-Moleküle in fast alle Stammzellen eindringen“, erklärt Stadelmann. Im nächsten Schritt zeigte das Team anhand eines gezielt veränderten Moleküls auf der Oberfläche menschlicher Muskelstammzellen, dass mit der Methode Gendefekte gezielt korrigiert werden können.

Eine klinische Studie ist in Arbeit

Schließlich probierte das Team ein dem Gen-Editor CRISPR-Cas9 ähnliches Tool aus, das die DNA nicht zerschneidet, sondern nur an einer Stelle punktgenau verändert. „Dadurch können wir noch präziser arbeiten, allerdings ist dieses Werkzeug nicht für jede Mutation geeignet, die Muskelschwund verursacht“, erklärt Stadelmann. In Petrischalen-Experimenten konnten er und sein Team nun zeigen, dass die korrigierten Muskelstammzellen ebenso in der Lage sind wie gesunde Zellen, miteinander zu verschmelzen und junge Muskelfasern zu bilden.

„Wir planen nun, gegen Ende des Jahres eine erste klinische Studie mit fünf bis sieben an Muskeldystrophie erkrankten Patienten zu starten“, sagt Spuler. Das Paul-Ehrlich-Institut (PEI), Bundesinstitut für Impfstoffe und biomedizinische Arzneimittel, das für die Genehmigung der klinischen Prüfung zuständig ist, habe die Idee in einem Beratungsgespräch unterstützt, fügt sie hinzu.

Natürlich seien keine Wunder zu erwarten, sagt die Forscherin und fügt hinzu: „Betroffene im Rollstuhl stehen nach der Therapie nicht einfach auf und gehen los wichtig, damit das Greifen oder Schlucken wieder besser funktioniert. Überlegt wird auch schon, größere Muskeln, wie sie zum Beispiel beim Stehen und Gehen benötigt werden, zu reparieren.“

Damit daraus aber eine praxistaugliche Therapie wird, müssten die molekularen Werkzeuge so sicher werden, dass sie bedenkenlos nicht nur in isolierte Muskelstammzellen, sondern auch direkt in den entarteten Muskel eingebracht werden könnten.