Eine Gentherapie umfasst die Korrektur defekter Gene durch die Anwendung rekombinanter DNA-Techniken mit dem Ziel, durch die Veränderung des Genoms eines Menschen genetisch bedingte Erbkrankheiten zu behandeln oder diesen vorzubeugen. Die eingebrachten Gene dienen dabei als therapeutisch wirksame Stoffe (Gentherapeutika). Sie fallen in den Bereich der medizinischen Gentechnik.
Handelt es sich dabei um Körperzellen, spricht man von somatischer Gentherapie (Gentransplantation). Die Therapie bleibt auf den Empfänger beschränkt, es findet keine Weitervererbung statt. Dies unterscheidet sich von der Keimbahntherapie (Keimbahn-Gentherapie), bei der Gene in Keimzellen oder Embryonalzellen eines frühen Entwicklungsstadiums eingebracht werden. Die Keimbahntherapie am Menschen ist aus ethischen Gründen in Deutschland aufgrund § 5 des Embryonenschutzgesetzes verboten.
In den letzten Jahren wird verstärkt versucht, defekte Gene mit einer präziseren Methode, dem Genome Editing, gezielt zu reparieren.J. A. Doudna: The promise and challenge of therapeutic genome editing. In: Nature, 2020, 578, Nr. 7794, S. 229–236. doi:10.1038/s41586-020-1978-5 Während es unzählige experimentelle klinische Studien gibt, sind im Jahr 2020 nur acht Therapien durch die amerikanische FDA (USA) und/oder die EMA (EU) für die klinische Anwendung zugelassen.A. Fischer et al.: Benefit Corporation: a path to affordable gene therapies? In: Nat Med. Band 25, Nr. 12, 2019, S. 1813–1814. doi:10.1038/s41591-019-0676-zM. R. Cring, V. C. Sheffield: Gene therapy and gene correction: targets, progress, and challenges for treating human diseases. In: Gene Ther., 2020, doi:10.1038/s41434-020-00197-8Approved Cellular and Gene Therapy Products, Website der FDA (englisch); abgerufen am 20. Oktober 2020. Als weltweit erstes Gentherapeutikum wurde 2003 in China Gendicine als Krebsmedikament eingeführt, das aber wegen fehlender Unterlagen in anderen Ländern nicht zugelassen wurde. Innerhalb Europas gehören Gentherapeutika zur Gruppe der Arzneimittel für neuartige Therapien (ATMPs).Arzneimittel für neuartige Therapien (ATMP) – Gentherapeutika, Website des Paul-Ehrlich-Instituts (PEI); abgerufen am 20. Oktober 2020.
Nicht zu verwechseln sind Gentherapien mit anderen medizinischen Verfahren, bei denen gentechnisch verändertes Material zum Einsatz kommt. So wird etwa bei einer Impfung mit genetischen Impfstoffen wie DNA-, RNA- oder viralen Vektorimpfstoffen gegen Infektionskrankheiten das Genom nicht verändert, weshalb jene Impfstoffe keine Gentherapeutika sind.
Prinzip Mittels rekombinanter Nukleinsäuren wie DNA oder RNA wird die Nukleinsäuresequenz beim Menschen reguliert, repariert, ersetzt, hinzugefügt oder entfernt. So wird beispielsweise ein intaktes Gen in das Genom der Zielzelle eingefügt, um ein defektes Gen zu ersetzen, das ursächlich für die Entstehung der Krankheit ist.C. E. Dunbar et al.: Gene therapy comes of age. In: Science, 2018, 359(6372). doi:10.1126/science.aan4672 Der Transfer kann auch außerhalb des Körpers (ex vivo) erfolgen.
Üblicherweise werden dem Körper einige Zellen entnommen, um diesen im Labor (ex vivo) die entsprechenden Nukleinsäuren einzufügen. Anschließend können die Zellen zum Beispiel vermehrt werden, um dann wieder in den Körper eingebracht zu werden. Eine Gentherapie kann auch direkt im Körper (in vivo) erfolgen. Je nach Art der Gentherapie und der verwendeten Technik kann hierbei die Nukleinsäure in das Zellgenom integriert werden oder lediglich zeitweise in der Zelle verbleiben. Entsprechend kann der therapeutische Effekt dauerhaft oder zeitlich beschränkt bestehen.C. E. Dunbar et al.: Gene therapy comes of age. In: Science, 2018, 359(6372). doi:10.1126/science.aan4672
Folgende Mechanismen sind zu unterscheiden: Genersatztherapie: Typisches Anwendungsgebiet sind rezessive Erkrankungen. Betroffene Patienten besitzen von einem bestimmten Gen zwei defekte Kopien, was zum Krankheitsausbruch führt. Bei der Genersatztherapie kodiert die therapeutische Nukleinsäure für eben jenes Gen, sodass behandelte Zellen nach der Therapie eine intakte Kopie dieses Gens besitzen und nutzen können. Gen-Editierung, z. B.: mittels Crispr-Cas9, auch als Genom-Chirurgie bezeichnet: Ziel dieses Ansatzes ist es Defekte im Genom einer Zelle zu korrigieren. Mit diesem Ansatz können potentiell auch dominante Erkrankungen behandelt werden. Prothetische Gentherapie: Während die zwei zuvor genannten Verfahren auf weitgehend strukturell intakte Zielzellen angewiesen sind, sollen mittels prothetischer Gentherapie andere Zellen in die Lage versetzt werden, die Funktion von zugrunde gegangenen Zellen ähnlich einer Prothese zu übernehmen. Ein Beispiel hierfür ist der experimentelle Ansatz der „Sehkraft wiederherstellenden“ (Vision Restoration) Gentherapie bei der Maus.M. Lindner et al.: The functional characteristics of optogenetic gene therapy for vision restoration. In: Cell Mol Life Sci., 2020. doi:10.1007/s00018-020-03597-6
Methoden Für den Transfer gibt es verschiedene Methoden, um eine therapeutische Nukleinsäure in eine Zelle zu transportieren: Transduktion: Mit dieser am häufigsten verwendeten Methode bringt ein viraler Vektor (ein modifiziertes Virus) die therapeutische Nukleinsäure in die Zelle. Transfektion (chemisch): Die Nukleinsäure und eine elektrisch geladene Verbindung (z. B. Calciumphosphat) werden zu den Zellen gegeben. Die elektrisch geladene Verbindung bindet an die Zellmembran und wird endozytiert, wodurch die Nukleinsäure nach Perforation der endosomalen Membran ins Zytosol gelangen kann. Bei der Elektroporation macht ein Stromstoß die Zellmembran vorübergehend durchlässig, so dass die Nukleinsäure in die Zelle eindringen kann. Die Mikroinjektion bietet hohe Chancen für einen erfolgreichen Einbau des Gens (ca. 1:5), jedoch muss jede Zelle einzeln injiziert werden.
Beschränkungen und Risiken Das Ersetzen und dauerhafte Einfügen eines intakten Gens in Form von DNA hat nur bei sogenannten monogenetischen Erkrankungen Aussicht auf Erfolg. Erkrankungen, die durch komplexere genetische Schäden ausgelöst werden, wie zum Beispiel Krebs, können mit Gentherapie nicht ursächlich behandelt werden. Eine Gentherapie darf in Deutschland und einigen anderen Ländern nur in den somatischen (nicht die Keimbahn betreffenden) Zellen durchgeführt werden, damit die neue genetische Information nicht an die Kinder der behandelten Person weitervererbt werden kann. Diese gesetzliche Beschränkung basiert auf ethischen und auf die Sicherheit betreffenden Gesichtspunkten (siehe auch Keimbahntherapie). Das größtmögliche Risiko einer somatischen Gentherapie ist eine ungerichtete Integration der Spender-DNA an unpassender Stelle innerhalb des Genoms der Wirtszelle. Da die Integrationsstelle bisher nicht vorhersehbar ist, können andere vorher intakte Gene in ihrer Funktion gestört werden. Im schlimmsten Fall könnte der therapeutische Nutzen des neuen Gens durch eine neue evtl. schwerere Krankheit, bedingt durch die Störung eines vorher intakten Gens, aufgehoben werden.
Derzeit beschränken sich gentherapeutische Ansätze in der Praxis auf zwei verschiedene Zelltypen: zugängliche Stammzellen und langlebige, ausdifferenzierte, postmitotische Zellen. Je nach Zelltyp kommen verschiedene Methoden der Gentherapie zum Einsatz. Körperzellen, die für eine Gentherapie mit Retroviren als Vektor in Frage kommen, müssen bestimmte Anforderungen erfüllen: Sie müssen widerstandsfähig genug sein, um die „Infektion“, besonders aber die Entnahme aus und die Wiedereinpflanzung in den Körper zu überstehen Sie müssen leicht entnehmbar und wieder einsetzbar sein Sie sollten langlebig sein, damit sie das neue Protein über lange Zeit hinweg produzieren können
Folgende Zelltypen haben sich als geeignet erwiesen: Hautzellen: Fibroblasten aus der Lederhaut (nicht mehr aktuell) Leberzellen T-Zellen: T-Lymphozyten (zirkulierende weiße Blutkörperchen) sind für die zelluläre Immunantwort zuständig. Das Fehlen des Gens für Adenosindesaminase (ADA), das zu einem „schweren kombinierten Immundefekt“ (SCID) führt, wird durch entsprechende Behandlung dieser Zellen therapiert. Eine weitere Therapiemöglichkeit ist ein Defekt in der gemeinsamen Kette einiger Interleukinrezeptoren, X-SCID. Knochenmarksstammzellen: Sie produzieren die roten und weißen Blutkörperchen. Durch Gentherapie der seltenen Stammzellen lassen sich genetisch bedingte Krankheiten des Blutes und des Immunsystems behandeln.
Anwendungen am Patienten In der von The Journal of Gene Medicine bereitgestellten Datenbank Gene Therapy Clinical Trials Worldwide werden über 2597 klinische Studien gelistet, die bisher in 38 Ländern durchgeführt wurden (Stand 2017). Die entsprechende Datenbank ist abrufbar.
Behandlung von Erbkrankheiten Therapie von SCID Am 14. September 1990 führten Ärzte des US-amerikanischen Bundesgesundheitsinstituts an einem vierjährigen Mädchen die weltweit erste gentherapeutische Behandlung durch, um einen schweren kombinierten Immundefekt (SCID) zu heilen.R. M. Blaese et al.: T lymphocyte-directed gene therapy for ADA – SCID: initial trial results after 4 years. In: Science, 1995, Band 270, Nr. 5235, 1995, S. 475–480. doi:10.1126/science.270.5235.475 Bei dieser sehr seltenen Krankheit (Inzidenz 1:100.000), verursacht durch einen schweren Defekt des T- oder auch des B-Lymphozytensystems, ist das Immunsystem in seiner Funktion erheblich bis vollständig beeinträchtigt, d. h., es gibt wenig oder gar keine Immunantwort – schon eine Erkältungskrankheit kann für die Kinder den Tod bedeuten. Je nach dem betroffenen Gen wird die Krankheit in verschiedene Formen klassifiziert. Bei ADA-SCID-Patienten mit einem mutierten ADA-Gen, das für die Adenosin-Desaminase codiert, wurden T-Lymphozyten entnommen, in vitro mit einem retroviralen Vektor das ADA-Gen eingeführt und die Zellen nach Vermehrung in die Patienten zurückgebracht. Die Gentherapie, die aufgrund der begrenzten Lebensdauer der T-Lymphozyten mehrmals im Jahr wiederholt werden musste, ermöglicht den Patienten ein Leben ohne strikte Quarantäne, war aber nicht optimal. Aufgrund verschiedener Weiterentwicklungen ist aber das Gentherapeutikum Strimvelis (Handelsname: Strimvelis, Hersteller: GSK) zur Behandlung von ADA-SCID entstanden, das im Jahr 2016 von der EU zugelassen wurde. EMA (englisch); abgerufen am 15. Oktober 2020. Bei der Therapie werden aus Knochenmarkzellen des Patienten CD34+-Zellen isoliert, mit einem Retrovirus das funktionsfähige ADA-Gen eingefügt und durch Infusion in den Patienten zurückgebracht. Die gentherapeutisch veränderten Zellen vermehren sich und bilden ADA. In der Folge sank die Rate der Infektionen für mindestens 3 Jahre.Zusammenfassung des EPAR für die Öffentlichkeit (PDF) der EMA (deutsch); abgerufen am 24. Oktober 2020. Die Therapie kostet etwa 600.000 Euro pro Patient, was den Kosten einer Enzymersatztherapie von 2 Jahren entspricht.
Die von den Symptomen her identische Erkrankung X-SCID, die auf Grund einer Mutationen in der gemeinsamen Kette einiger Interleukinrezeptoren auftritt (γc, CD132), wurde ebenfalls mit einem gentherapeutischen Ansatz von Alain Fischer in Paris behandelt. Nachdem die Behandlung zunächst größtenteils erfolgreich verlaufen war, traten bei einigen Patienten nach einiger Zeit Leukämien auf (Näheres siehe X-SCID). Diese Komplikation kann durch den Einsatz modifizierter Retroviren behoben werden.A. Fischer, S. Hacein-Bey-Abina: Gene therapy for severe combined immunodeficiencies and beyond. In: J Exp Med, 2020, 217(2). doi:10.1084/jem.20190607
Ornithin-Transcarbamylase Defizienz