Eine verbesserte Gen-Editing-Methode könnte die nächste Generation von Zell- und Gentherapien antreiben

Ein neuer Ansatz zur Gentechnik von Zellen verspricht deutliche Verbesserungen in Geschwindigkeit, Effizienz und Verringerung der Zelltoxizität im Vergleich zu aktuellen Methoden. Laut einer Studie von Forschern der Perelman School of Medicine an der University of Pennsylvania könnte der Ansatz auch die Entwicklung fortschrittlicher Zelltherapien für Krebs und andere Krankheiten vorantreiben.

In der Studie, die diese Woche in erschien Naturbiotechnologiefanden Forscher heraus, dass Proteinfragmente, die von einigen Viren verwendet werden, um ihnen zu helfen, in Zellen einzudringen, auch verwendet werden könnten, um CRISPR-Cas-Geneditierungsmoleküle mit außerordentlich hoher Effizienz und geringer Zelltoxizität in Zellen und ihre DNA-haltigen Kerne zu bringen.

Die Wissenschaftler erwarten, dass die neue Technik besonders nützlich sein wird, um T-Zellen und andere Zellen aus dem eigenen Körper eines Patienten zu modifizieren, um Zelltherapien herzustellen. Eine solche Anwendung könnte die CAR-T-Therapie (Chimeric Antigen Receptor T Cell) sein, bei der speziell modifizierte Immunzellen eines Patienten zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden. Die T-Zellen – eine Art weißer Blutkörperchen – werden dem Patienten entnommen und neu programmiert, um Krebszellen zu finden und anzugreifen, wenn sie wieder in den Blutkreislauf gelangen.

Die erste von der FDA zugelassene CAR-T-Therapie wurde bei Penn Medicine entwickelt und erhielt 2017 die Zulassung der Food & Drug Administration. Mittlerweile gibt es in den USA sechs von der FDA zugelassene CAR-T-Zelltherapien. Die Therapien haben die Behandlung bestimmter B-Zell-Leukämien, Lymphome und anderer Blutkrebsarten revolutioniert und vielen Patienten, die ansonsten wenig Hoffnung auf eine langfristige Remission hatten, geholfen.

„Dieser neue Ansatz – der auf der Geschichte der Zell- und Gentherapie-Innovation von Penn Medicine aufbaut – hat das Potenzial, eine wichtige Basistechnologie für gentechnisch veränderte Zelltherapien zu werden“, sagten Co-Senior-Autor E. John Wherry, Ph.D., Richard und Barbara Schiffrin President’s Distinguished Professor und Lehrstuhl für Systempharmakologie und translationale Therapeutik an der Penn Medicine.

CRISPR-Cas-Moleküle stammen von uralten bakteriellen antiviralen Abwehrmechanismen und wurden entwickelt, um DNA an gewünschten Stellen im Genom einer Zelle präzise zu entfernen. Einige CRISPR-Cas-basierte Systeme kombinieren die Deletion alter DNA mit der Insertion neuer DNA für eine vielseitige Genombearbeitung. Dieser Ansatz kann verwendet werden, um fehlerhafte Gene durch korrigierte zu ersetzen oder Gene zu löschen oder zu modifizieren, um die Zellfunktion zu verbessern. Einige Systeme können auch Gene hinzufügen, die CAR-T-Zellen neue Eigenschaften verleihen, wie z. B. die Fähigkeit, Tumore zu erkennen oder der rauen Tumormikroumgebung zu widerstehen, die T-Zellen normalerweise erschöpft.

Obwohl CRISPR-Cas-Systeme bereits weit verbreitet als Standard-Laborwerkzeuge für die Molekularbiologie verwendet werden, war ihr Einsatz bei der Modifizierung von Patientenzellen zur Herstellung zellbasierter Therapien begrenzt – teilweise, weil CRISPR-Cas-Moleküle schwer in Zellen gelangen können und dann in die DNA-haltigen Kerne der Zellen.

„Aktuelle Methoden, um CRISPR-Cas-Systeme in Zellen einzubringen, die die Verwendung von Trägerviren und elektrischen Impulsen umfassen, sind für Zellen, die direkt von Patienten entnommen werden (sogenannte Primärzellen), ineffizient. Diese Methoden töten typischerweise auch viele der Zellen, auf denen sie verwendet werden und kann sogar weitreichende unerwünschte Veränderungen in der Genaktivität verursachen“, sagte Co-Seniorautorin Shelley L. Berger, Ph.D., Professorin für Zell- und Entwicklungsbiologie und Genetik an der Daniel S. Och University und Direktorin des Penn Epigenetics Institute.

In der Studie untersuchten die Forscher die Verwendung kleiner, von Viren stammender Proteinfragmente, sogenannter Peptide, um CRISPR-Cas-Moleküle effizienter durch die äußeren Membranen primärer menschlicher Zellen und in ihre Zellkerne zu leiten. Insbesondere fanden die Forscher heraus, dass eine fusionierte Kombination aus zwei modifizierten Peptiden – eines in HIV und eines in Influenzaviren – mit CRISPR-Cas-Molekülen gemischt werden konnte, um sie mit einer Effizienz von bis zu fast 100 in primäre menschliche oder Mauszellen und deren Kerne zu bringen Prozent, je nach Zelltyp – fast ohne Toxizität oder Veränderungen der Genexpression.

Das Team demonstrierte den Ansatz, den sie PAGE (Peptid-Assisted Genome Editing) nennen, für mehrere Arten von geplanten Zelltherapien, einschließlich CAR-T-Zelltherapien.

Zusätzlich zu seiner potenziellen Verwendung in Zell- und Gentherapien weisen die Autoren darauf hin, dass der PAGE-Ansatz eine breite Anwendung in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung finden könnte. Die Ineffizienz der standardmäßigen CRISPR-Cas-Zellpenetrationsmethoden hat dazu geführt, dass die Genbearbeitung zur Erstellung von Mausmodellen von Krankheiten typischerweise einen mehrstufigen, zeitaufwändigen Prozess zur Erzeugung transgener Mäuse erfordert, um die Genbearbeitungsmaschinerie in ihre DNA einzuführen. Im Gegensatz dazu könnte PAGE mit seiner hohen Effizienz und geringen Toxizität eine schnelle, effiziente und unkomplizierte Genbearbeitung in gewöhnlichen Labormäusen ermöglichen.

„Die Einfachheit und Leistungsfähigkeit des Peptid-Assist-Konzepts legt nahe, dass es in Zukunft möglicherweise für die Abgabe anderer genomeditierender Proteine ​​​​oder sogar proteinbasierter Medikamente in Primärzellen angepasst werden könnte“, sagte Co-Senior-Autor Junwei Shi. Ph.D., Assistenzprofessor für Krebsbiologie und Mitglied des Penn Epigenetics Institute und des Abramson Family Cancer Research Institute.

Die Studie war eine Zusammenarbeit, die die Labors von Penn-Co-Autor Rahul Kohli, MD, Ph.D., einem außerordentlichen Professor für Infektionskrankheiten und Biochemie und Biophysik, und Co-Autor Gerd Blobel, MD, Ph.D., umfasste Frank E. Weise III. Professor für Pädiatrie und Co-Direktor des Instituts für Epigenetik.