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Lexikon der Biologie: Gentherapie

Gentherapie w, die vorteilhafte Veränderung eines Phänotyps durch Änderung bzw. Normalisierung von defektem genetischem Material mittels Verfahren, mit deren Hilfe Gene (Gen) in Zellen eines Gewebes eingeschleust werden, um dort exprimiert zu werden oder um die fehlerhafte oder unkontrollierte Expression eines Gens (Genexpression) zu verhindern (antisense-Technik). Man unterscheidet 2 Arten der Gentherapie. Somatische Gentherapie: Einschleusen von Genen in differenzierte Körperzellen (Somazellen) oder deren Vorläuferzellen; die Therapie bleibt auf den Empfänger beschränkt, und die übertragenen Gene können nicht weitervererbt werden; der Vorgang entspricht einer Gentransplantation. Keimbahn-Gentherapie (Keimbahntherapie): Einbringen von Genen in Keimzellen oder Embryonalzellen eines frühen Entwicklungsstadiums, was zur Folge hat, daß die eingebrachten Gene an die Nachfolgegenerationen weitervererbt werden. Die Keimbahn-Gentherapie am Menschen ist aus ethischen Gründen in Deutschland verboten (Bioethik) und birgt außerdem unabschätzbare Risiken für die kommenden Generationen in sich. Bei Tieren entstehen durch Einbringen von Genen in die Keimbahn transgene Tiere (transgene Organismen) oder nach der Zerstörung von Genen durch eingebrachte DNA Knockout-Tiere (Knockout-Mäuse, Knockout-Organismen). – Prinzipielle Methodik der Gentherapie: vgl. Infobox . 1) in-vitro-Gentransfer (Genübertragung): Einem Patienten werden Zellen entnommen, in Kultur gehalten (Leukocyten, Fibroblasten, Hepatocyten, Stammzellen des Knochenmarks; Zellkultur), und in diese Zellen wird das gewünschte Gen transferiert (Transfektion), so daß es dort exprimiert werden kann. Die veränderten Zellen werden dem Spender anschließend wieder injiziert. Um eine verlängerte oder dauerhafte Wirkung der Gentherapie zu erzielen, werden Zellen verwendet, die ihre Teilungsfähigkeit nicht verlieren bzw. eine möglichst lange Lebensdauer haben. Werden in der Krebstherapie Tumorzellen für die Gentherapie eingesetzt, müssen diese vor der Reinjektion in den Patienten derart inaktiviert werden, daß sie teilungsunfähig sind, aber das gewünschte Gen noch exprimieren können. 2) in-vivo-Gentransfer: Das zu übertragende Gen wird direkt in die Zellen von Organen transferiert, ohne Umweg über eine Zellkultur (genetische Impfung). – Potentielle Anwendungsmöglichkeiten der somatischen Gentherapie. 1) Die eingebrachten Gene sollen lebenslang im Organismus aktiv sein und zur Bildung funktionsfähiger Moleküle führen, die aufgrund einer Mutation entstandene defekte Moleküle ersetzen. Diese Strategie wird bei monogenen, rezessiven Erbkrankheiten (Tab.) verfolgt, d.h. Krankheiten, die durch den Ausfall oder die Mutation eines einzigen Gens bedingt werden. Hierzu zählen u.a.: Bluterkrankheit, Mucoviscidose, Hypercholesterinämie und monogene Enzymopathien, Stoffwechselstörungen, die durch den genetisch bedingten Ausfall eines Enzyms verursacht werden (z.B. Adenosin-Desaminase-Defizienz, die eine starke Beeinträchtigung bzw. Zerstörung des Immunsystems zur Folge hat; Defizienzen der Enzyme Argininsuccinat-Synthetase (ASS) oder Ornithin-Carbamyl-Transferase (Ornithin-Transcarbamylase), die in den Harnstoffzyklus involviert sind und deren Ausfall in starkem Schwachsinn resultiert). 2) Die eingebrachten Gene sollen nur vorübergehend, während der Therapie, aktiv sein, z.B. bei Tumoren oder Infektionskrankheiten wie AIDS, Hepatitis oder Malaria: a) Durch Einbringen von Genen in autologe Zellen (z.B. Tumorzellen des Patienten oder Zellen des Immunsystems wie B-Lymphocyten, dendritische Zellen, Antigen-präsentierende Zellen) soll eine Immunantwort gegen die Tumorzellen bzw. die Erreger erzeugt werden. Bei diesen Ansätzen wird die genetische Information von immunmodulatorischen Molekülen wie Cytokinen (Interleukine), Wachstumsfaktoren, Tumor-Nekrosis-Fakoren (TNF), MHC-Molekülen (Histokompatibilitäts-Antigene), costimulatorischen Molekülen wie CD28 oder B7.1 (CD-Marker, Costimulation), Chemokinen oder von Zielantigenen eingeschleust. Man spricht hier auch von Immuntherapie (Immun-Krebstherapie, adoptive Immuntherapie). b) Eine andere Möglichkeit der Therapie von Tumoren ist das gezielte Einschleusen von „Selbstmordgenen“ in die Tumorzellen: Hierbei wird die genetische Information für bestimmte Enzyme mit Hilfe abgeschwächter Viren eingebracht, die sich vorzugsweise in das Genom der sich schnell teilenden Tumorzellen „einklinken“. Als zweiter Schritt wird eine ungiftige Substanz (Prodrug) verabreicht, die ebenfalls in die Zellen eindringen kann. In den Zellen, in denen das Enzym gebildet wird, wird die Prodrug durch das eingebrachte Enzym in eine giftige Form umgesetzt, und die Zellen sterben ab. Ein Beispiel ist das Thymidin-Kinase-Ganciclovir-System (Thymidin-Kinase, Ganciclovir).
Schwächen und Gefahren der Gentherapie: Eine Reihe klinischer Studien wurde durchgeführt, um die Effizienz gentherapeutischer Ansätze bei unterschiedlichen Krankheiten zu testen. Doch trotz verbesserter Gentransfer-Methoden und Fortschritten in der Immunologie und Molekularbiologie (Gentechnologie) konnte die Gentherapie die in sie gesetzten Hoffnungen bisher nicht erfüllen. Selbst bei monogenen Erbkrankheiten, die eine konstitutive Expression der Gene zulassen, konnte mit gentherapeutischen Methoden allein keine Heilung erreicht werden. Liegt eine komplizierte Genregulation vor oder müssen, wie im Fall der Hämoglobinopathien (Thalassämien, Sichelzellanämie), mehrere Genprodukte koordiniert exprimiert werden, oder müßte zur Heilung die Expression eines defekten Gens ausgeschaltet werden, ist eine gentherapeutische Heilung noch fern. Dies gilt ebenfalls für Erbkrankheiten, die auf Chromosomenaberrationen oder auf der Vermehrung einzelner Chromosomen beruhen, z.B. Trisomie 21 (Down-Syndrom; Chromosomenanomalien). Die Ursache für den bisher fehlenden Erfolg in der Gentherapie liegt in den letztendlich noch zu geringen Kenntnissen der molekularen Grundlagen, die für ein Funktionieren dieser Ansätze unabdingbar sind. So ist die Effizienz der Genübertragung in die Zielzellen sehr gering (wenige Prozent), und oft wird keine permanente Transformation erreicht. Die Expression der gewünschten Gene nimmt nach wenigen Wochen bzw. Monaten ab oder verschwindet ganz. Beim Einschleusen von Genen mit Hilfe von abgeschwächten Retroviren erfolgt die Insertion ins Genom der Wirtszelle auf nicht kontrollierbare Weise. Dies bedeutet zum einen, daß die Regulation dieses Gens dem Zufall überlassen werden muß, und zum anderen kann dadurch die Expression anderer Gene gestört oder blockiert werden, oder es könnten inaktive Onkogene aktiviert werden und so zu neuem Krebs führen. Ferner haben die verwendeten Vektoren oftmals eine zu kleine Aufnahmekapazität für fremdes Genmaterial, so daß Gene nicht zusammen mit ihren regulatorischen Einheiten eingeschleust werden können. Darüber hinaus können Individuen, die mit rekombinanten Viren behandelt werden, eine starke Immunantwort gegen die Viren entwickeln, die unter Umständen gefährliche Ausmaße annehmen kann oder eine Weiterbehandlung ineffizient werden lassen, da die Viren frühzeitig eliminiert werden. Für eine funktionierende und sichere Gentherapie müssen im Idealfall die Gene a) nur in den Zielzellen, b) an definierten Stellen ins Genom integrieren bzw. für eine transiente Expression des Genprodukts nicht ins Genom integrieren und c) das Genprodukt in der entsprechenden Menge kontrollierbar produziert werden. Die Voraussetzungen hierfür wären: die Entwicklung leistungsfähiger Vektoren, die ein zielgerichtetes und effizientes Einbringen auch von großen Genen in Zellen ermöglichen und möglichst keine Immunreaktionen gegen sich selbst im Körper induzieren; die Aufdeckung der Regulationsmechanismen der einzubringenden Gene und die Möglichkeit, sie zu steuern, d.h., die Gene je nach Bedarf an- oder wieder abzuschalten; die Aufdeckung der Wechselwirkungen der eingebrachten Moleküle mit anderen Effektormolekülen im Körper, vor allem bei Immunmodulatoren wie Cytokinen oder Chemokinen (Immunmodulation). CFTR, Eugenik, Gen-Medikament, Genomprojekt, Gentechnologie, Gentest.

D.F./R.We.

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