Die Experten setzten ein spezielles CRISPR-Enzym ein, um die DNA der Krebszellen in Stücke zu zerreißen und so die Krebserkrankung zu bekämpfen, wodurch die Selbstzerstörung der Zellen ausgelöst wird. Das Enzym lässt sich so programmieren, dass es eine bestimmte Boten-RNA erkennt, beispielsweise ein von einer Tumorzelle produziertes Molekül. Sobald das Enzym sein Ziel gefunden hat, zerreißt es das Genom der ausgewählten Zelle in Stücke.
Die DNA-Zerkleinerungsmethode, über die die Forscher in zwei Studien in der Fachzeitschrift „ “ Nature berichten , dass dies Fachleuten die Möglichkeit bieten könnte, Tumorzellen zu zerstören, die medikamentenresistente mutierte Proteine exprimieren und die mit herkömmlichen Wirkstoffen bisher nur schwer zu bekämpfen waren.
„Das ist ein molekularer Ausschaltknopf, der eine bestimmte RNA erkennt. Im Grunde handelt es sich um eine programmierbare Chemotherapie“
– sagt Yang Liu, Molekularbiologe an der medizinischen Fakultät der Universität von Utah und Mitautor einer der Studien.
Bei einem deutschen Biotechnologieunternehmen, Akribion Therapeutics, befindet sich bereits in einem frühen Entwicklungsstadium eine Therapie, die das neue Verfahren zur Behandlung von Kopf- und Halskrebs, verursacht durch das humane Papillomavirus (HPV), einsetzt. Das Ziel ist es, bis 2030 erste Daten aus klinischen Studien vorlegen zu können, sagt Paul Scholz, Mitbegründer und Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Unternehmens sowie Mitautor einer der neuen Studien.
Bakterielle Wächter
CRISPR-Systeme kommen auf natürliche Weise in Bakterien und anderen Mikroorganismen vor, wo sie als Schutz -Immunmechanismus fungieren. Einige CRISPR-Systeme nutzen RNA-Moleküle, die die CRISPR-assoziierten (CRISPR-associated, kurz Cas) Enzyme zu DNA-Abschnitten von Viren und anderen Eindringlingen leiten. Das Cas-Enzym schneidet daraufhin die DNA durch und vernichtet so die als Feind erkannte Zelle. Seit mehr als einem Jahrzehnt versuchen Forscher, diese Systeme für die Genom-Editierung zu nutzen und anzupassen, indem sie eigene Leit-RNAs entwickeln, die die Cas-Enzyme an die zu bearbeitende Stelle lenken.
Doch nicht alle Cas-Enzyme sind gleich. Vor fast zehn Jahren begannen Ryan Jackson, Biochemiker an der Utah State University, und seine Kollegen, den Wirkmechanismus des Cas-Proteins Cas12a2 zu erforschen. Nach Angaben des Forschers gingen sie zunächst davon aus, dass das Enzym in etwa so funktionieren würde wie andere Cas-Proteine, die zur Genbearbeitung verwendet werden.
Die im Labor durchgeführten Untersuchungen scheiterten jedoch nacheinander. Immer wieder stellten sie fest, dass sich das Enzym nicht so verhielt, wie sie es sich wünschten, was völlig unverständlich erschien. Jackson vermutete zunächst, dass seine Studenten einen Fehler gemacht hätten, durch den das Protein verunreinigt worden sei. Schließlich stellten er und seine Kollegen sowie eine weitere Forschergruppe fest, dass Cas12a2 tatsächlich anders ist als die anderen ähnlichen Enzyme.
Sobald es RNA-Sequenzen erkennt, die mit seiner Leit-RNA übereinstimmen, wird es aktiv und beginnt, die DNA wahllos zu zerschneiden, wodurch das Wachstum der angegriffenen Zelle zum Stillstand kommt.
In der Natur kann dies die Ausbreitung von Infektionen durch fremde Zellen innerhalb einer Population einschränken. „Wie um alles in der Welt kann die Natur einen so komplexen Trick entwickeln?“, – fragt Rene Bernards, Experte für Tumorgenetik am niederländischen Krebsforschungsinstitut in Amsterdam. „Aber eigentlich spielt das keine Rolle. Wir können davon hervorragend profitieren“, fügt er hinzu.
Winzige Killer
Zwei Forschergruppen haben bereits damit begonnen, Möglichkeiten zur Nutzung dieses Phänomens zu erarbeiten. Beide Teams konzentrierten sich auf Krebs und insbesondere auf jene Tumore, die durch mutierte Proteine angetrieben werden, die Experten mit herkömmlichen Mitteln bisher nur schwer ins Visier nehmen konnten. Eine der Gruppen richtete Cas12a2 auf verschiedene von den Zellen produzierte RNAs aus, darunter auch solche, die eine mutierte Version des TP53-Gens enthalten. Dieses Gen ist bei bis zu der Hälfte aller Krebserkrankungen mutiert. Die andere Gruppe zielte auf RNA ab, die aus einer mutierten Variante des KRAS-Gens stammt. Mutierte KRAS-Proteine können eine unkontrollierte Vermehrung der Zellen verursachen und sind für einen Teil der tödlichsten Krebsarten verantwortlich.
Cas12a2 zeigte in beiden Fällen eine bemerkenswerte Spezifität: Es zerstörte selektiv die Zellen, die die krebsassoziierten Mutationen trugen – selbst wenn die Mutation nur um eine Base von der normalen RNA abwich.
Die Methode funktionierte auch bei im Labor gezüchteten menschlichen Zellen und reduzierte zudem bei lebenden Mäusen Tumore, die durch mutiertes TP53 gesteuert oder durch HPV verursacht wurden.
Von diesen Experimenten bis zu einer Therapie, die auch an Menschen getestet werden kann, ist es noch ein langer Weg, betont Baojun Wang, Synthetischer Biologe an der chinesischen Zhejiang-Universität. Doch die Arbeit sei ein wichtiger Meilenstein für den Nachweis der Machbarkeit einer vielversprechenden Technologie, fügt der Forscher hinzu. Laut Liu könnten die Anwendungsmöglichkeiten neben Krebs auch die Behandlung von Autoimmun- und Nervensystemerkrankungen umfassen. „Es lassen sich viele verschiedene Zielmoleküle identifizieren, vorausgesetzt, sie enthalten spezifische RNA“, sagt er.
Sicherheit steht an erster Stelle
Natürlich gibt es noch einige Hürden zu überwinden, bevor dies Realität werden kann. Cas12a2 muss in die Zellen eingeschleust werden, was keine einfache Aufgabe ist, da es sich um ein relativ großes Protein handelt. Außerdem sind weitere Sicherheitsuntersuchungen erforderlich, um sicherzustellen, dass Cas12a2 keine Schäden an gesunden Zellen verursacht, sagt Wang. In den bisherigen Versuchen zeigte das Enzym jedoch ein hohes Maß an Spezifität und zerstörte ausschließlich jene Zellen, die die mutierte RNA produzierten.
„Insgesamt scheint die Technologie bereits jetzt selektiver zu sein als viele allgemein angewandte Chemotherapien, die alle sich schnell teilenden Zellen im Körper zerstören“
– sagt Jingkun Zeng, Krebsbiologe am Gladstone Institute in Kalifornien und Mitautor der Studie, die sich auf TP53 konzentriert. „Unsere Technologie wird viel spezifischer sein“, betont der Forscher.
Ein weiterer wichtiger Kritikpunkt ist, dass das Enzym in den Versuchen nicht alle Tumorzellen abtötete, nicht einmal bei den im Labor gezüchteten Zellen. Das gibt etwas zu denken, sagt Bernards und fügt hinzu, dass die Cas12a2-Therapie mit anderen Krebsbehandlungen kombiniert werden könnte, um die Wirksamkeit zu steigern und das Risiko zu verringern, dass der Tumor gegen die Therapie resistent wird. Cas12a2-basierte Ansätze befinden sich daher noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Wie Bernards sagt: „Es gibt offensichtlich noch Verbesserungsbedarf, aber sie sind sehr vielversprechend.“
