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Dr. Michele LufinoMit freundlicher Genehmigung von Dr. Michele Lufino für BabelFAmily

Oxford, den 16. Juni 2010

Viele Krankheiten werden durch einen Defekt oder eine Mutation der DNA-Sequenz eines Gens verursacht, wodurch dieses seine Funktion verliert. Oftmals produzieren defekte Gene nicht mehr die Proteinprodukte, die für das richtige Funktionieren einer Zelle notwendig sind. Die Friedreich- Ataxie ist eine Erkrankung, die durch die Veränderung des Frataxin-Gens verursacht wird und die ein sehr geringes Niveau des Frataxins, eines für die Zelle lebenswichtigen Proteins, zur Folge hat.  

Gentherapie ist ein relativ einfaches Konzept, das auf der Idee basiert, daß eine Krankheit, die durch ein verändertes Gen hervorgerufen wird und die zu dem Verlust eines wichtigen Proteins führt, dadurch geheilt werden kann, indem man eine gesunde Version desselben Gens einsetzt. Sobald dieses Gen in eine Zelle eingeführt wird, erzeugt das gesunde Gen - Transgen - funktionierende Proteine and verwandelt somit eine kranke Zelle in eine normale gesunde Zelle.

Es gibt zwei wesentliche Ansätze bei der Gentherapie: “ex vivo” und “in vivo”. Bei der “ex vivo” Gentherapie werden einige Zellen einem Patienten entnommen und im Labor bearbeitet, um die neuen Transgene einzuschleusen (transduzierte Zellen). Diese Zellen werden dann wieder dem Patienten zugeführt. Sobald sie in dem Patienten sind, sollten die behandelten Zellen Teil des gleichen Gewebes werden, aus dem die ursprünglichen Zellen entnommen wurden. Obwohl diese Technik kürzlich sehr erfolgreich angewandt wurde, unterliegt sie doch einiger Einschränkungen. Oftmals besteht das betroffene Gewebe aus Zellen, die außerhalb des Körpers nicht überleben können oder das Anwachsen der behandelten Zellen ist nicht ausreichend, um die Wirkung der restlichen defekten Zellen in dem Gewebe zu kompensieren. Unter diesen Umständen kommt die “in vivo” Gentherapie zum Einsatz. Diese Technik beruht auf einer Zuführung von gesunden Genen direkt in das betroffene Gewebe des Patienten (z.B. mittels direkter Injektionen in die Muskel, in das Nervensystem, etc.). Da eine DNA-Sequenz, die in vivo injeziert wird, nicht effizient in die Zellen eindringt, werden modifizierte Viren verwendet (sogenannte virale Vektoren), um die Transgene direkt in die Zellen des Patienten zu transportieren. Viren werden als hochspezialisierte Maschinen angesehen, um in Zellen einzudringen und DNA-Sequenzen in die Wirtszelle einzuführen. Virale Vektoren, die in der Gentherapie zum Einsatz kommen, behalten die Fähigkeit bei, DNA-Sequenz in Zellen einzuschleusen, dennoch vermehren sie sich nicht und sind nicht schädlich, da die virale DNA-Sequenz entfernt wird und durch die Transgene ersetzt wird. In Abhängigkeit des verwendeten viralen Vektors können Probleme auftreten, wie z.B. eine starke Immunreaktion des Organismus auf die die viralen Vektoren. Um diese Nachteile zu vermeiden, wurden nicht-virale Transportmechanismen für Transgene entwickelt, die sich jedoch durch eine nur begrenzte Effektivität bei dem Transport der Transgene in die Zellen auszeichnen. Daher wird bei den meisten in der Entwicklung stehenden Verfahren der Gentherapie  auf virale Vektoren zurückgegriffen. 

Ein wichtiger Aspekt, der bei der Entwicklung von Vektoren für die Gentherapie berücksichtigt werden muß, ist das Verhalten des Transgens sobald es dem Patienten zugeführt wurde. Da das Transgen sich nicht selbst reproduzieren kann, könnte es bei der Zellreproduktion verloren gehen. Um eine stabile Erhaltung der Transgene in den transduzierten Zellen zu gewährleisten, gibt es zwei Ansätze: Vektorintegration in die Zellchromosomen und extrachromosomale Erhaltung. Bei dem ersten Ansatz schleusen integrierende virale Vektoren (Retroviren und Lentiviren)  ihre DNA-Sequenz und damit auch das Transgen in das DNA-Material (Genom) der Zelle ein. Dies führt dazu, daß das Transgen Teil des Zellgenoms des Patienten wird und somit bei jeder Zellteilung reproduziert wird und dauerhaft in der transduzierten Zelle bleibt. Obwohl dies eine effektive Möglichkeit ist, Transgene zu erhalten, kann es passieren, daß der integrierende virale Vektor das Transgen in die falsche Seite des Genoms einsetzt, wodurch andere Gene gestört werden und eine Zelltransformation (Tumor) hervorgerufen wird. 
Extrachromosomale Vektorerhaltung beschreibt dagegen die Existenz von Transgenen als DNA-Sequenz unabhängig von dem Zellgenom des Patienten aber dennoch mit der Fähigkeit, sich zu reproduzieren. Wenn die transduzierte Zelle sich reproduziert, reproduziert sich auch das extrachromosomale Transgen, verbleibt in der Zelle und liefert das fehlende Protein dem betroffenen Gewebe des Patienten. Dieser Ansatz vermeidet die Risken der integrierenden Vektoren und erlaubt gleichzeitig einen anhaltenden Verbleib der Transgene in der transduzierten Zelle.      

Derzeit werden verschiedene Ansätze zur Gentherapie für die Friedreich-Ataxie an Zellen und FA-Tiermodellen (Tiere, die die üblichen Symptome der Friedreich-Ataxie aufweisen) getestet. Eine Studie verwendet Integrationsvektoren, um das gesunde Frataxin-Gen zu transportieren, und zeigt, daß Frataxin-Gene effizient zu den Zellen mit Hilfe von viralen Vektoren  transportiert werden können. Jedoch zeigten diese Vektoren ein schadhaftes Verhalten vermutlich auf Grund einer unreguliert hohen Frataxinproduktion. Vektoren, die auf dem nicht-integrierenden Herpes Simplex 1 Virus basieren, konnten gesunde Phänotype in Tiermodelle einführen, die der Friedreich-Ataxie ähneln. Es werden neue virale Vektoren entwickelt, die auf dem Herpes Simplex 1 Virus basieren und die eine regulierte Produktion des Frataxinproteins aufweisen, was für eine langzeitige Produktion von Frataxin wichtig zu sein scheint.   

Die Gentherapie erweckt große Hoffnungen, zukünftig neurodegenerative Erkrankungen wie die Friedreich-Ataxie behandeln zu können. Die Möglichkeit, Patienten dauerhaft zu heilen, indem man die gesunde Version von Frataxin-Genen in die betroffenen Gewebe einschleust, stellt einen sauberen und wirkungsvollen Ansatz dar, um Behandlungen für die Friedreichs Ataxia zu entwickeln.  Die derzeitige Grenzen bei der Entwicklung der Vektoren und der Zuführung zu den betroffenen Geweben müssen gelöst werden aber die Vorzüge der Gentherapie übertreffen bei weitem deren Einschränkungen.

Dr. Michele Lufino ist ein junger Forschungswissenschaftler, der in Oxford an dem von Richard Wade-Martins geleitetem Labor für Molekulare Neurodegeneration und Gentherapie arbeitet. Dr. Lufino entwickelt derzeit Vektoren sowohl um die Friedreich-Ataxie zu untersuchen als auch für die Entwicklung von Gentherapieanwendungen.