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Genschere CRISPR Cas: neue Horizonte und ethische Grenzen

von Michael Emmerich, PRO RETINA Deutschland e. V., Dezember 2017

Warum die Genschere CRISPR Cas zurzeit die Forschung revolutioniert und welche ethischen Herausforderungen damit verbunden sind, war am 11. November ein zentrales Thema der ACHSE. Moderiert wurde die Fachtagung von Dr.
Christine Mundlos, die zu diesem Thema die Experten Herrn Prof. Dr. Stieger und Frau PD. Dr. Schmitz eingeladen hatte. Angeregt durch die fesselnden Vorträge und die anschließenden Gespräche, entschloss ich mich zur Erstellung eines Beitrags, der einige Entwicklungen auf diesem Gebiet skizziert.

Seit einigen Jahren wird der neuen Genschere CRISPR Cas zunehmend ein enormes Entwicklungspotenzial zugesprochen, das von der Heilung genetisch bedingter Erkrankungen bis zu Designerbabys reicht. Dass es bis zu einer breiten Anwendung noch viele Probleme zu lösen gilt, ist jedoch in euphorischen Pressemeldungen nur selten zu finden.

Was ist CRISPR Cas?
CRISPR Cas ist ein neues Werkzeug, mit dem sich das Genom von Viren, Pflanzen, Tieren und Menschen gezielt verändern lässt. Mit ihr können in einem Schritt an mehreren Stellen, Gene ein- und ausgeschaltet, hinzugefügt oder verändert werden. Möglich macht dies ein Verfahren, mit dem sich seit tausenden von Jahren Bakterien gegen feindliche Viren schützen. Inzwischen haben Wissenschaftler diesen Mechanismus weiterentwickelt, um gezielt an jeder beliebigen Stelle mit einer hohen Präzision das Genom zu zerschneiden.

Hierzu wird der CRISPR Abschnitt, der die Guide RNA enthält, ähnlich wie bei einem Schlüssel-Schlossprinzip, passend zur gewünschten Zielregion programmiert. Genauer gesagt, handelt es sich dabei um die Herstellung einer

20 Basen umfassenden Komplementärsequenz, einem Gegenstück der zu schneidenden DNA. Diese Sequenz, die die Schere an die exakte Position bringen soll, ist für ca. 20 € problemlos im Internet innerhalb weniger Tage zu erhalten.

Wird im Genom das passende Gegenstück gefunden, durchtrennt das an den CRISPR Abschnitt gekoppelte Cas-Protein den DNA-Strang, ähnlich wie der Schnitt einer Schere. Für die Zelle bedeutet das höchste Alarmbereitschaft, da sie sich nicht mehr teilen kann und daran stirbt.

Derartige Schäden sind in unserem Körper keine Seltenheit. Sie werden zum Beispiel durch Strahlung, die Zellteilung oder freie Radikale verursacht und müssen durch verschiedene Mechanismen ständig repariert werden. Diesen Reparaturmechanismus macht sich die Gentechnik zunutze. Wird der Genschere CRISPR Cas zum Beispiel ein Gen oder eine Gensequenz mit auf den Weg gegeben, wird sie für die Reparatur verwendet und in das Genom eingefügt. Diese Reparaturmechanismen verursachen jedoch oft Fehler und sind hoch komplex.

Daher kann zum jetzigen Zeitpunkt nicht mit 100-prozentiger Sicherheit vorausgesagt werden, ob der Einsatz einer Genschere das gewünschte Ergebnis zur Folge hat.

Worin unterscheidet sich der Einsatz von Genscheren zur klassischen Gen-Additionstherapie?Bei der klassischen Gentherapie wird ein funktionsfähiges Gen mithilfe von Viren in den Zellkern transportiert. Je nach Art des Virus verbleibt es dort außerhalb des Genoms, oder wird in die DNA eingebaut. Da nicht genau vorhersehbar ist, wo der Virus das Gen einbaut, könnten auf diese Weise Gene beschädigt werden und weitere Erkrankungen die Folge sein. Der Therapieeffekt ist aber nicht von Dauer, wenn die Genkopie nicht als fester Bestandteil im Genom integriert ist. Das liegt daran, dass bei der Zellteilung das extern liegende Gen nicht kopiert wird und die Information verloren geht. Vor allem in Geweben mit einer hohen Teilungsrate wäre dieser Effekt besonders nachteilig.
In der Netzhaut ist diese Auswirkung relativ unproblematisch, da sich die meisten Zellen dort nicht mehr teilen. Ein Beispiel dafür ist die auf Adeno-assoziierte Viren basierte Gentherapie bei Patienten mit Mutationen im RPE65 Gen, die kürzlich in den USA ihre Zulassung erhielt. Kosten pro Auge:425.000 US Dollar.
Die additive Gentherapie kann darüber hinaus auch nur bei der rezessiven Vererbung angewendet werden. Liegt ein dominanter Erbgang vor, besteht mit diesem Verfahren keine Möglichkeit das störende Gen auszuschalten.
Eine präzise Genschere könnte in vielerlei Hinsicht die Lösung sein. Mit ihr lassen sich Eingriffe in das Genom bedeutend gezielter und vielseitiger durchführen. So könnten zum Beispiel auch dominant vererbte Gene an wichtigen Stellen zerschnitten werden, um das krankheitsverursachende Gen auszuschalten. Möglich wäre auch die Reparatur von sehr großen Genen, für die bis heute keine Gentransporter etabliert werden konnten.

Warum revolutioniert CRISPR Cas die Forschung?
Genscheren gibt es seit einigen Jahrzehnten. Während dieser Zeit haben sich vor allem die vor ca. 20 Jahren entdeckten Zinkfinger-Nukleasen als praktikable Genscheren etabliert. Sie werden inzwischen in klinischen Studien bei HIV-Patienten angewendet, um Stammzellen so zu verändern, dass die von ihnen produzierten T-Zellen nicht vom HIV-Virus bekämpft werden können.
2009 wurde bereits die Entdeckung der Genschere TALEN gefeiert, die aktiver, spezifischer und präziser als ihre Vorgänger war. Voraussichtlich wird diese Genschere ebenfalls bei HIV-Patienten in drei Jahren in ersten klinischen Studien zum Einsatz kommen.
Diese Beispiele zeigen, welche enorme Vorbereitungszeit benötigt wird, um aus dem Labor über langwierige Genehmigungsverfahren bis zum Beginn klinischer Studien zu gelangen. Oft kommen dann Techniken zum Einsatz, die nicht mehr dem aktuellen Stand entsprechen. Nur drei Jahre nachdem die Entdeckung der Genschere TALEN als ein großer Fortschritt in der Genomeditierung gefeiert wurde, wird der Genschere CRISPR Cas eine weitaus größere Bedeutung zugemessen. Seitdem hat sie die Arbeit in den Forschungslaboren revolutioniert und es rücken immer kühnere Pläne in greifbare Nähe.

CRISPR
Cas ist preisgünstig, einfach zu handhaben und präzise.
Mit ihr lassen sich zum Beispiel

* in Lebewesen nützliche Eigenschaften erzeugen,
* genetisch veränderte Zellkulturen erstellen, um Krankheitsmechanismen
besser verstehen zu können und Medikamente zu testen,
* Tiermodelle, die zuvor mehrere Jahre erforderten in wenigen Wochen
realisieren und
* vielleicht sogar Mutationen in Embryonen beheben.

CRISPR Cas in Anwendung am Menschen
Gegenüber den vorherigen Genscheren, wurde CRISPR Cas durch die vielen Vorteile innerhalb weniger Jahre zu dem beliebtesten Werkzeug in der Genchirurgie. Darüber hinaus begünstigte das enorme Entwicklungspotenzial den Zuspruch von Investoren, um Firmen zu gründen, deren Kapital mehrere hundert Millionen Euro umfasst. Viele Wissenschaftler sehen diesen Entwicklungen mit Skepsis entgegen. Der Druck, der auf einem Unternehmen lastet, ihre Anleger in kurzer Zeit mit gewinnbringenden Ergebnissen zufriedenzustellen, ist enorm groß. Hinzu kommt, dass der Konkurrenzkampf den intellektuellen Austausch erschwert, weil wissenschaftliche Erkenntnisse als Firmengeheimnisse betrachtet werden.Obwohl der Einsatz der CRISPR Cas Schere in den Laboren erst seit 2012 möglich war, startete bereits Ende 2016 in China die erste klinische Studie mit einem Patienten, der an einem aggressiven Lungenkarzinom erkrankte.
Hierfür wurden dem Patienten Immunzellen entnommen, um sie genetisch für die Tumorbekämpfung umzuprogrammieren. Anschließend vervielfältigte man die Zellen und verabreichte sie als Infusion. In den USA gibt es inzwischen ähnliche Ambitionen, denen bald klinische Studien folgen könnten.
Bei derartigen Behandlungen ist es ein riesiger Vorteil, dass die chirurgischen Eingriffe in das Genom außerhalb des Körpers (ex vivo) in der Petrischale durchgeführt werden. Dadurch lässt sich prüfen, bei welchen Zellen das gewünschte Ergebnis erreicht wurde, wodurch das Risiko für den Patienten sinkt. Bei einem Einsatz der Genschere im Körper des Patienten (invivo) ist dies nicht möglich. Hier muss mit großer Sicherheit gewährleistet werden, dass die Genschere keine unerwünschten Änderungen verursacht.
Diesem ehrgeizigen Ziel kommen Wissenschaftler zunehmend näher. 2016 fanden sie heraus, dass das Schneidemolekül Cas9, das von Bakterien genutzt wird, überaktiv zu sein scheint und dadurch Fehlschnitte die Folge sind. Auf diesem Wissen basierend, veränderten sie das Cas9 Molekül und erreichten eine Präzision, mit der Fehlschnitte auf eine nicht nachweisbare Menge reduziert werden konnten. Eine weitere Erhöhung der Sicherheit brachte auch die Optimierung der Guide RNA. Diese bindet jetzt erst an die Zielsequenz, wenn alle 20 Basen präzise übereinstimmen.

Voraussichtlich startet Ende 2018 eine klinische Studie, in der die CRISPR Cas Schere zum ersten Mal innerhalb des Menschen, in einem Gen schneiden wird, das für die klassische Gentherapie zu groß ist. Es handelt sich dabei um Patienten, bei denen eine bestimmte genetische Veränderung im CEP290 Gen zu der schweren Augenerkrankung mit dem Namen Lebersche Congenitale Amaurose führt. Bei dieser Behandlung wird eine fehlerhafte Stelle im Intron zerschnitten und dadurch inaktiviert. Aus der Sicht von Prof. Stieger birgt der Einsatz der Genschere im Körper des Patienten große Risiken. Derzeitig sei nicht klar, inwiefern sich die Ergebnisse aus der Petrischale auf die verschiedenen Organe übertragen lassen. Selbst wenn Fehlschnitte ausgeschlossen werden könnten, bleibt ungewiss, wie der körpereigene Reparaturmechanismus auf den Eingriff reagiert.

Eingriff in die Keimbahn
Die Entwicklung bahnbrechender Technologien hat die Gesellschaft stets vor große Herausforderungen gestellt. Ob es Segen oder Fluch ist, zeigt sich oft erst Jahrzehnte später, wie zum Beispiel Umweltverschmutzung, Weltraumschrott oder die Kernenergie zeigen. Die Auswirkungen durch das genome editing könnten nicht nur für die Spezies Mensch, sondern für unseren gesamten Planeten beträchtliche Konsequenzen haben. Wissenschaftler arbeiten bereits an der Genomveränderung von Malariamücken, damit sie die Erkrankung nicht mehr übertragen oder ihre gesamte Population ausgerottet wird. Hierzu greifen sie in die Keimbahn ein, damit die genetischen Veränderungen jedes Mal an die Nachkommen weitergegeben werden. Aber auch Eingriffe in das Genom von menschlichen Embryonen sind mit der neuen Genschere CRISPR Cas Realität geworden, wenn auch vorerst mit wenig Erfolg.

Wie chinesische Forscher im April 2015 in der Online-Zeitschrift „Protein & Cell“ veröffentlichten, gelang ihnen bei vier von 86 menschlichen, lebensunfähigen Embryonen der Austausch eines Gens, das die schwere Blutkrankheit „Beta-Thalassämie“ verursacht. Einerseits ein Meilenstein in der Genchirurgie, anderseits eher ein Fehlschlag. Wie das Experiment zeigte, wurde nicht nur eine geringe Anzahl von Embryonen korrigiert, sondern auch eine unerwartet große Menge von Fehlschnitten im Genom erzeugt.
Weitaus erfolgreicher waren Forscher aus den USA. Im August 2017 konnte das internationale Forscherteam in 42 von 52 Embryonen eine folgenreiche Mutation durch den Einsatz von CRISPR Cas entfernen. Hierzu befruchteten sie Eizellen von gesunden Spenderinnen mit dem Sperma eines Mannes, das den Gendefekt für eine Herzerkrankung trug. Gleichzeitig schleusten Sie die Genschere und eine fehlerfreie Kopie des Gens ein, um den Fehler zu beheben. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass im Genom der Embryonen keine Fehlschnitte zu finden waren, die bis dahin als größtes Risiko galten.

 Öffnen wir mit CRISPR Cas die Büchse der Pandora?
Seitdem der Mensch vor circa 10.000 Jahren sesshaft wurde, beflügelt ihn der Wunsch, die Umwelt nach seinem Willen zu verändern. Wird der Mensch bald die Fesseln der Evolution sprengen und selbst zum Schöpfer? In den Laboren von heute wachsen menschliche Organe in Tieren und mehrere Forscherteams verändern das Genom von Embryonen.
Wie sieht die Welt von morgen aus? Das riesige Entwicklungspotenzial der neuen Genschere stellt unsere Gesellschaft vor viele Fragen. Durch immer kürzere Entwicklungszeiten wird es zunehmend schwerer, adäquate Regelungen für die neuen Technologien zu verabschieden, die unserem ethischen und gesellschaftlichen Wandel entsprechen. Dadurch wächst die Gefahr, dass Verfahren zur Verfügung stehen, bei denen Risiken und Nutzen nicht ausreichend abgewogen wurden.
Ein ebenso vielschichtiges wie brisantes Thema sind derzeit die Eingriffe in die Keimbahn des Menschen bei schwerwiegenden Erkrankungen. Diese Genomveränderungen werden an die Kinder weitergegeben und führen dadurch zwangsläufig zu einem ethischen Dilemma. Einerseits könnte die Korrektur die Chance auf ein gesundes Leben verbessern, andererseits müsste die Entscheidung ohne Einverständnis des Kindes getroffen werden.

Möglicherweise könnte auch ein gesellschaftlicher Druck entstehen, wenn Paare sich nicht für einen Eingriff entschließen und ein krankes Kind geboren wird. Seit 2015 fordern daher verschiedene Institutionen und gesellschaftliche Akteure ein freiwilliges internationales Moratorium für sämtliche Formen der Keimbahnintervention beim Menschen. Noch ist unklar, für welche Experimente und Anwendungen der Genschere diese zeitlich begrenzte Vereinbarung gelten soll. In einem Punkt ist man sich jedoch einig:
zum jetzigen Zeitpunkt sind Eingriffe in die Keimbahn äußerst unzuverlässig und für eine therapeutische Anwendung noch viel zu gefährlich. Daher gilt eine Anwendung, die in eine Schwangerschaft mündet, in naher Zukunft als unwahrscheinlich und kaum möglich.

 Ausblick
Wissenschaftler sind sich einig, dass Genscheren, die nicht in die Keimbahn des Menschen eingreifen, in wenigen Jahrzehnten unser Leben verändern werden. Auf diesem Weg wird auch CRISPR Cas, wie seine Vorgänger, den Staffelstab an bessere Scheren abgeben, die durch ihre höhere Zuverlässigkeit und Präzision einen breiten Einsatz am Menschen ermöglichen.

Ein ernstzunehmender Konkurrent ist zum Beispiel die Genschere Cpf1. Mit ihr lässt sich nicht nur die DNA schneiden, sondern auch ein RNA Strang, der wie ein Postbote den genetischen Bauplan zu den Ribosomen transportiert. Aus ethischer Sicht ein fundamentaler Vorteil, da der genetische Bauplan unangetastet bleibt.

Inzwischen gibt es aber auch Forschungsergebnisse, die zeigen, dass eine Korrektur des Genoms auch ohne Schnitte funktionieren kann. Im Oktober 2017 wurde eine Studie veröffentlicht, in der beschrieben wurde, wie eine einzelne Base ausgetauscht werden konnte, ohne dabei den DNA Strang komplett zu zerschneiden. Schon zwei Monate später präsentierte ein anderes Forscherteam eine Technologie, mit deren Hilfe sich komplette Gene durch den Einsatz eines speziellen Enzyms, das wie ein epigenetischer Schalter funktioniert, ein- und ausschalten lassen. Auch in diesem Fall gelang dies ohne den Einsatz der Cas Schere.

Die riesige Entwicklungsdynamik in der Genchirurgie eröffnet der Medizin neue Horizonte. Sie stellt Behandlungsmöglichkeiten für schwerwiegende Erkrankungen in Aussicht, die bereits vor dem Auftreten der Erkrankung zum Einsatz kommen. Noch nie war die Medizin ihrem Ziel so nah. Doch Forscher warnen mit Recht vor überzogenen Erwartungen oder zu frühen Anwendungen am Menschen. Auch wenn die Forschungsergebnisse äußerst ermutigend sind und mehrere Gentherapien eine Zulassung erhielten, ist es noch ein weiter Weg mit vielen Stolpersteinen, bis die Gentherapie zu einer etablierten Anwendung wird.

Für die Menschheitsgeschichte nur ein Wimpernschlag, für Patienten unsagbar lang.

 

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