Juni 2003

Science Talk «Somatische Gentherapie»

Mittwoch, 4. Juni 2003, 19.30 bis ca. 21.45 Uhr. Sukkulentenhaus, Botanischer Garten, Universität Bern, Altenbergrain 21, 3013 Bern

  1. Gentherapie in der Forschung: Wo stehen wir heute?
    Prof. Dr. Sandro Rusconi, Direktor Nationales Forschungsprogramm 37 «Somatische Gentherapie», Abteilung für Biochemie, Departement für Medizin, Universität Freiburg
  2. Gentherapeutische Behandlung schwerer Durchblutungsstörungen
    Prof. Dr. med. Iris Baumgartner, Leitende Ärztin & Leiterin Forschung und Entwicklung, Abteilung für Angiologie, Departement Herz und Gefässe, Inselspital, Bern
  3. Erfolge und Schwierigkeiten in der Gentherapie von Kindern mit angeborenen Immundefekten
    Prof. Dr. med. Reinhard Seger, Leiter Abteilung für Immunologie/Hämatologie/KMT, Universitäts-Kinderklinik, Kinderspital Zürich

1. Gentherapie in der Forschung: Wo stehen wir heute?

Prof. Dr. Sandro Rusconi
Direktor Nationales Forschungsprogramm 37 «Somatische Gentherapie»
Abteilung für Biochemie
Departement für Medizin
Universität Freiburg
Pérolles
CH-1700 Freiburg
Tel.: +41 26 300 86 56
Fax: +41 26 300 97 35
E-Mail: sandro.rusconi@unifr.ch


In der Schule hat man uns beigebracht, dass ein Gen einer Funktion entspricht. Was aber ist denn nun eigentlich ein Gen? Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt, der via der Zwischenform RNA die erforderliche Information zur Herstellung eines oder mehrerer Proteine (z.B. Insulin, Hämoglobin) in sich trägt. Letztere übernehmen in den Zellen die ihnen zugewiesene/n Funktion/en. Heute ist bekannt, dass ein Gen für mehrere Funktionen codieren kann. Dementsprechend hat die Gleichung "1 Gen = 1 Funktion" für die Mehrheit der Gene keinen allgemein gültigen Charakter mehr. Daneben gibt es Gene, die wohl nur für ein einziges Produkt wie Insulin oder Hämoglobin codieren.

Weshalb sind Sie der Überzeugung, dass die Gentherapie eine logische Konsequenz des Fortschritts im Bereich der Gentechnik ist? In den 80er Jahren wurde die Ära der "Gene als Sonden" eingeläutet, als man begann, auf der Basis des molekulargenetischen Wissens eine präzise Diagnostik für gewisse Erbkrankheiten zu entwickeln. In den 90er Jahren wurden die ersten gentechnisch hergestellten Pharmaerzeugnisse (Insulin, Blutgerinnungsfaktoren, Interferon, Impfstoffe etc.) kommerziell eingeführt, was als Beginn der Ära der "Gene als Fabriken" bezeichnet werden kann. Ende des vergangenen Jahrhunderts sind wir in die Ära der "Gene als Medikamente" eingetreten, was dem Beginn der Gentherapie entspricht. Also kann man von logischer Nutzung angeeigneten Know-hows sprechen.

Damit haben wir jetzt zwar verstanden, dass in der Gentherapie Gene als Medikamente eingesetzt werden. Wie aber funktioniert dies, und was bedeutet der Begriff "somatisch" in diesem Kontext? Ein Gentransfer zu therapeutischen Zwecken bedeutet, dass man in der Lage ist, diese künstlichen Gen-Fähren (rekombinante Gene) in die Zellkerne eines Gewebes "einzubringen" mit dem Ziel, eine vererbte oder erworbene Krankheit zu heilen. Ein solcher Transfer kann direkt im Körper ("in vivo") oder "ex vivo", also auf isolierte Zellen, erfolgen. Die isolierten Zellen werden mit den Gentransfer-Vektoren behandelt und anschliessend reimplantiert, damit diese das von der Krankheit befallene Gewebe besiedeln. Das klassische Beispiel eines Ex-vivo-Transfers ist die Übertragung auf die Zellen des Knochenmarks. Die dafür erforderliche Extraktions- und Reimplantationstechnik wird schon seit mehreren Jahren routinemässig angewendet.
Als "somatisch" wird der therapeutische Gentransfer bezeichnet, weil er auf die "somatischen" Zellen (Körperzellen) ausgerichtet ist, die nicht zur Bildung von Geschlechtszellen beitragen. Der Zweck dieses Gentransfers besteht also darin, bei den Nachkommen der behandelten Person keine Spuren zu hinterlassen, d.h. die genetische Veränderung wird nicht vererbt.

Ein Begriff wie "Vektoren" macht es nicht gerade einfach, die Technik zu verstehen. Können Sie diesen erklären? DNA-Abschnitte (Gene) sind riesige Moleküle, deren Einbringung in Zellen keine Selbstverständlichkeit ist. In der Gentherapie wird mit dem Begriff "Vektor" eine "Gen-Fähre" bezeichnet, die den Gentransfer ermöglicht. Es gibt einerseits biochemische Substanzen (oder "nichtvirale") wie z.B. Liposomen) und andererseits Systeme basierend auf Viren, deren Genom modifiziert, d.h. mit dem therapeutischen Gen ausgestattet worden ist. Der Unterschied zwischen viralen und nichtviralen Vektoren liegt in der Effizienz des DNA-Transfers (bei nichtviralen Vektoren zwischen 1'000 und 1'000'000 Mal geringer).

Lässt sich daraus schliessen, dass mittels Gentransfer vor allem genetisch bedingte Erkrankungen, also Erbkrankheiten, behandelbar sind? Diese Schlussfolgerung erscheint plausibel; in Tat und Wahrheit kann man mittels Gentransfer aber genauso gut erworbene Krankheiten behandeln, wie das Beispiel von Frau Prof. Iris Baumgartner zeigt. In Bezug auf Erbkrankheiten ist es sehr vorteilhaft, wenn man das Transferverfahren und dessen Effizienz zuerst mit Hilfe eines Tiermodells der entsprechenden Erkrankung (z.B. mit transgenen Tieren) erproben kann, bevor man experimentelle Therapien am Menschen vornimmt.

Ist die somatische Gentherapie (SGT) auch schon klinisch erfolgreich angewendet worden, oder sind bisher nur Mäuse geheilt worden? Es wird oft behauptet, es würden nur Mäuse geheilt, aber das stimmt überhaupt nicht. Die klinischen Erfolge sind zwar noch nicht sehr zahlreich, aber sie existieren. Und sie zeigen uns, dass das Prinzip selbst beim aktuellen Stand der Technik funktioniert, der bekanntlich noch nicht völlig ausgereift ist. In der Folge werden zwei Beispiele ganz konkreter therapeutischer Möglichkeiten des Gentransfers vorgestellt.

Halten die gentherapeutischen Anstrengungen in der Schweiz einem weltweiten Vergleich stand? In der Schweiz wie auch weltweit wurde der SGT zwischen 1995 und 2000 grosse Aufmerksamkeit geschenkt. In diesem Zeitraum waren etwa 10% der ungefähr 25'000 experimentell behandelten Patienten an Versuchen in der Schweiz beteiligt. Ein Teil dieser Projekte wurden im Rahmen des nationalen Forschungsprogramms 37 (www.unifr.ch/nfp37) durchgeführt. Heute beschäftigen sich noch etwa ein halbes Dutzend klinischer Forschungsgruppen mit der SGT. Dazu kommen ungefähr zehn Teams aus dem Bereich der Grundlagenforschung, die nach Lösungen verschiedener Gentherapie-relevanter Fragen (wie vor allem der Entwicklung neuer Vektoren) suchen.

Können Sie uns ein Beispiel einer Krankheit nennen, deren Behandlung einen wirksamen und dauerhaften Transfer erforderlich macht? Prof. Reinhard Seger hat ein hervorragendes Beispiel einer Erbkrankheit (Immunschwäche), deren Korrektur einen wirksamen und dauerhaften Transfers erfordert (was in den Stammzellen des Immunsystems machbar ist). Die Pariser Gruppe um Prof. Alain Fischer hat eine Krankheit dieser Art erfolgreich behandelt.

Gibt es auch ein Beispiel einer Krankheit, deren Gentransfer-Behandlung nicht wirksam und dauerhaft sein muss? Das von Frau Baumgartner präsentierte Beispiel zeigt eine Krankheit (Ischämie der unteren Extremitäten), deren Gentransfer-Behandlung weder besonders wirksam noch von grosser Dauerhaftigkeit sein muss. Im Gegenteil: Gerade die mangelnde Wirksamkeit und der vorübergehende Charakter des Gentransfers führen in diesem Fall zu zufriedenstellenden therapeutischen Ergebnissen bei minimalen Nebenwirkungen.

Wie schnell schreitet die Entwicklung der SGT momentan voran und welche Hindernisse sind noch zu überwinden? Weltweit gesehen herrscht auf dem Gebiet der SGT eine gewisse Stagnation aufgrund der schwerwiegenden Nebenwirkungen, die bei zwei von der Gruppe um Prof. Alain Fischer behandelten Patienten aufgetreten sind. Meiner Meinung nach ist die Tatsache, dass die SGT in jüngster Zeit bedeutende Nebenwirkungen hervorgerufen hat, paradoxerweise ein gutes Zeichen, weil dadurch der Beweis erbracht ist, dass in Bezug auf Transfereffizienz ein hohes Niveau erreicht worden ist. Die zuständigen Behörden teilen diese Meinung jedoch nicht. Sie haben mehrere Versuche, darunter auch einige sehr vielversprechende, eingestellt. Die aktuellen Hindernisse sind demzufolge vorwiegend psychologischer Art. Technisch gesehen gibt es neue Vektoren, die noch klinischen Tests unterzogen werden müssen (wie zum Beispiel die auf dem HI-Virus basierenden Vektoren, die im Tiermodell zu spektakulären Ergebnissen geführt haben). Ausserdem wird in den Universitätslabors an der vierten Generation von Vektoren gearbeitet, die eine gezielte Einführung eines therapeutischen Gens ermöglichen soll. Die SGT steckt noch mitten in ihrer Entwicklung. Mehr Zeit und bedeutende finanzielle Mittel sind erforderlich, um noch ermutigendere Ergebnisse erzielen zu können.

Können Politiker etwas für die SGT in der Schweiz tun? Ja, aber nur indirekt. Unser politisches System sollte vor allem darauf bedacht sein, eine vielfältige Grundlagenforschung zu gewährleisten. Nur wenn der Grundlagenforschung die nötigen Mittel zur Verfügung gestellt und möglichst wenige Sachzwänge auferlegt werden, kann man von der angewandten Forschung signifikante Ergebnisse erwarten. Die gegenwärtige Tendenz der geografischen Konzentration der wissenschaftlichen Forschung auf zwei Pole (Zürich und den Arc Lémanique) scheint der für eine gesunde und ausgewogene Entwicklung der Wissenschaft in unserem Land benötigten Diversifizierung nicht zuträglich zu sein. Politiker mit sicherem Instinkt sollten sich meiner Meinung nach gegen diesen Ansatz wenden, dessen Grenzen selbst auf wirtschaftlicher Ebene offenkundig geworden sind.


2. Gentherapeutische Behandlung schwerer Durchblutungsstörungen

Prof. Dr. med. Iris Baumgartner
Leitende Ärztin & Leiterin Forschung und Entwicklung
Abteilung für Angiologie
Departement Herz und Gefässe
Inselspital
CH-3010 Bern
Tel.: +41 31 632 42 37
Fax: +41 31 632 47 93
E-Mail: iris.baumgartner@insel.ch


Seit mehr als 7 Jahren laufen klinische Gentherapie-Studien mit blutgefässbildenden (angiogenen) Wachstumsfaktoren zur Steigerung der Durchblutung verengter oder verschlossener Blutgefässe. Bei gesunden Menschen ist der Körper bei Arterienverkalkungen (Arteriosklerose) in der Lage, Ersatzgefässe zu bilden. Verantwortlich dafür sind körpereigene Wachstumsfaktoren (Eiweisse), welche die Bildung neuer Blutgefässe stimulieren und dadurch die Sauerstoff- und Nährstoffversorgung des Gewebes sicherstellen. Ziel der Gentherapie bei Patienten mit schweren Durchblutungsstörungen ist es, das für die Herstellung von blutgefässbildenden Wachstumsfaktoren verantwortliche Gen in die betroffene Stelle im Körper einzuschleusen. Dazu werden insbesondere kleine, ringförmige Erbmaterial-Stücke (Plasmid-DNA) verwendet, die entweder in den Muskel (intramuskulär) oder in die Arterienwand (intra-arteriell) eingebracht werden. Mittlerweile liegen erste Placebo-kontrollierte Daten bei der koronaren Herzkrankheit (Verengung der Herzkranzgefässe) vor, die eine klinisch relevante therapeutische Wirkung belegen. Auch bei der schweren peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (PAVK), d.h. der Verschliessung von Beinarterien, scheint man diesem Ziel näher zu kommen.

Die chronisch kritische Extremitätenischämie (mangelnde Blutversorgung von Körpergliedern) stellt das Endstadium der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit mit andauerndem Ruheschmerz und Gewebezerstörung dar. Die Anzahl Amputationen durch die PAVK liegt pro Jahr bei 200-500 pro Million Einwohner. Anders ausgedrückt beträgt dies jährlich über 200'000 Fälle in Europa und den USA. Therapie der Wahl ist die Revaskularisation (Wiederherstellung der lokalen Blutzirkulation) mittels Bypassoperation oder Katheterintervention, die allerdings bei rund 10-15% der Patienten nicht möglich ist. Durch die Behandlung mit angiogenen Wachstumsfaktoren ("therapeutische Angiogenese") soll eine Verbesserung der Durchblutung ohne Operation erzielt werden. Unterstützend für dieses Konzept sind neuere Daten, die gezeigt haben, dass bei älteren Patienten, Diabetikern oder bei Patienten mit erhöhter Cholesterin-Konzentration im Blut (Hypercholesterinämie) ein Mangel an natürlichen Wachstumsfaktoren vorliegt, ähnlich der Situation von Zuckerkranken mit Insulinmangel.

Vorteil einer wiederholten, intramuskulären Verabreichung von Wachstumsfaktor-Genen mittels Plasmid-DNA (Gentransfer mit "nackter" DNA, bei dem nicht Viren als "Gen-Fähre" verwendet werden) ist die relative Sicherheit dieser Therapieform im Vergleich zur Behandlung, bei der die Wachstumsfaktoren selber (d.h. in Proteinform) via Infusion verabreicht werden. Eine in der medizinschen Fachzeitschrift "Nature Medicine" erschienene Publikation hat gezeigt, dass eine solche systemische Gabe von VEGF-A (vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor) zu einer Fortschreitung der Arteriosklerose bei Versuchstieren führt.

Momentan befinden sich verschiedene angiogene Wachstumsfaktoren im Stadium klinischer Versuche (siehe Tabelle). In der Entwicklung am weitesten fortgeschritten ist die gentherapeutische Behandlung mit dem sogenannten Plasmid NV1FGF, bei der die DNA direkt in die Muskulatur des durchblutungsgestörten Beines appliziert wird. Vorklinische Daten belegen die hohe Sicherheit dieses Gen-Konstruktes. Eine im letzten Jahr in den USA abgeschlossene Phase I Studie bei 51 Patienten mit chronisch kritischer Extremitätenischämie bestätigte auch klinisch eine gute Verträglichkeit von intramuskulär verabreichtem NV1FGF. Allerdings fand sich vorübergehend eine minimale Menge im Blut zirkulierender Plasmid-DNA. Die klinischen Resultate sind sehr erfolgversprechend. Es kam zu einer signifikanten Abnahme des Ruheschmerzes sowie zu einem Anstieg der Haut-Sauerstoffwerte bei den Studienpatienten. Nach 6 Monaten konnte bei 77% der Patienten eine Amputation vermieden werden. Eine grössere, einjährige Phase II Studie in Europa soll jetzt die Sicherheitsdaten bestätigen und die klinische Effizienz dieser Gentherapie bei der schweren PAVK belegen.

Wichtig scheint im Moment eine geeignete Auswahl der Patienten. Nicht überzeugende Studien könnten sonst das Ende einer potenten, letztmöglichen Therapie bei der schweren peripheren arteriellen Verschlusskrankheit bedeuten. Objektive Parameter wie die Heilung von durch mangelnde Durchblutung beschädigten Körpergliedern sowie die Verhinderung von Amputationen sind ein hohes Ziel, wodurch auch das Risiko von Nebenwirkungen durch angiogene Wachstumsfaktoren aufgrund der ernsten Prognose gerechtfertigt ist. Zu nennen sind hier die Weiterentwicklung der Arterienverkalkungen oder Instabilitiät der Ablagerungen, die Blutgefässbildung in Tumoren oder die geschwulstartige Neubildung von Gefässgewebe durch Überstimulation.

Überblick der gentherapeutischen Behandlungen von schweren Durchblutungsstörungen

 

Spezifizierung Testphase Verabreichung Dosis Krankheit Patienten
Plasmid (VEGF165) Pilot intra-arteriell 100µg - 1000µg PAVK 12
Plasmid (VEGF165) Pilot intramuskulär 1000µg - 8000µg + PAVK 55
Plasmid (VEGF165) Pilot intramyokardial 125µg - 250µg
250µg - 500µg
KHK 20
13
Adenoviraler Vektor (VEGF121) intramyokardial   4x108 - 4x1010 KHK 21
Plasmid (VEGF-C) Phase I intramuskulär 2000µg - 8000µg PAVK 31 *(43)
Plasmid (VEGF-C) Phase I intramyokardial 200µg - 2000µg KHK 48 *(55)
Plasmid (FGF-1) Phase I intramuskulär 500µg - 16'000µg PAVK 51
Plasmid (FGF-1) Phase II intramuskulär 4x4000µg PAVK 60 *(120)
Adenoviraler Vektor (VEGF121) Pilot intramuskulär 4x1085 - 4x1010 PAVK 15 *(18)
Adenoviraler Vektor (HIF1alpha) Phase I intramuskulär 1x108 - 1x10010 PAVK 21 *(28)
Adenoviraler Vektor (FGF-4) Phase II intrakoronar 4x1085 - 4x1010 KHK 52 *(79)


KHK: koronare Herzkrankheit
PAVK: periphere arterielle Verschlusskrankheit
* einschliesslich Placebobehandlungen
+ ein Patient mit beidseitiger Behandlung (2x4000µg Plasmid-DNA)

 


3. Erfolge und Schwierigkeiten in der Gentherapie von Kindern mit angeborenen Immundefekten

Prof. Dr. med. Reinhard Seger
Leiter Abteilung für Immunologie/Hämatologie/KMT
Universitäts-Kinderklinik
Kinderspital Zürich
Steinwiesenstrasse 75
CH-8032 Zürich
Tel.: +41 1 266 73 11
Fax: +41 1 266 71 71
E-Mail: reinhard.seger@kispi.unizh.ch


Schwere angeborene Immundefekte sind vererbte (genetische) Erkrankungen der blutbildenden Stammzellen des Knochenmarks. Die Folge sind häufig schwere Infektionen durch Viren, Pilze und Bakterien, die zu bleibenden Organschäden, Siechtum und Tod in den ersten Lebensjahren führen. Durch Austausch der kranken gegen gesunde Stammzellen (z.B. mittels Knochenmark-Transplantation) können angeborene Immundefekte heute geheilt werden - allerdings nur dann, wenn ein Spender mit gleichen Gewebe-Gruppen unter den Geschwistern gefunden wird. Drei Viertel der betroffenen Kinder haben jedoch kein passendes Geschwister. Daher setzen die betroffenen Familien ihre gesamte Hoffnung in die genetische Korrektur der kranken Stammzellen und damit in die Gentherapie.

Bei der Gentherapie werden zunächst blutbildende Stammzellen aus dem gut zugänglichen Knochenmark des Patienten isoliert und im Labor mit "Gen-Fähren" (nicht-vermehrungsfähige sogenannte Retroviren) zusammengebracht, die eine intakte (gesunde) Kopie des defekten Gens enthalten (siehe Abbildung). Die "Gen-Fähren" docken an die Stammzellen an und setzen im Zellinnern das therapeutische Gen frei. Das Gen gelangt in den Kern der Stammzellen und nistet sich in zugänglichen Stellen der Erbsubstanz (Chromosomen) ein. Die genetisch korrigierten Stammzellen werden daraufhin via Infusion in den Körper des Patienten zurückgebracht. Bei den folgenden Zellteilungen wird das eingebaute Gen in üblicher Weise mit der Erbsubstanz dupliziert und an alle entstehenden Tochterzellen weitergegeben. Im Zellkern wird das Gen kontinuierlich abgelesen und das bisher fehlende, therapeutische Protein fortlaufend gebildet (z.B. die gamma-c-Kette eines Rezeptors für Thymushormone, sogenannte Zytokine, beim schweren kombinierten Immundefekt). Die Zelle kann somit an ihrer Oberfläche einen funktionstüchtigen Rezeptor herstellen, der die Vermehrung (Proliferation) der weissen Blutkörperchen (Lymphozyten) in der Thymusdrüse und schliesslich den Aufbau eines neuen Immunsystems erlaubt.

Bei 15 von 17 Säuglingen und Kleinkindern mit zwei verschiedenen, ohne gentherapeutische Behandlung tödlich verlaufenden Immundefekten, gelang inzwischen diese Korrektur. Bei diesen Kindern, die vorher in sterilen Plastikzelten vor Infektionserregern geschützt leben mussten, entwickelte sich ein funktionierendes Immunsystem. Vorgängig bestehende schwere Infekte wurden überwunden, normales Körperwachstum setzte ein und ein normales Leben - inkl. dem Besuch des Kindergartens - wurde möglich. Bei zwei Kindern mit demselben Immundefekt trat allerdings 3 Jahre nach erfolgreicher Wiederherstellung ihres Immunsystems eine Leukämie-ähnliche Erkrankung auf, die zum Glück auf die Behandlung anspricht. Der Rückschlag weist darauf hin, dass bei der Gentherapie ebenso wie bei jeder neuen wirksamen Therapie unvorhergesehene Nebenwirkungen auftreten können. Nutzen und "akzeptables" Risiko sind von Krankheit zu Krankheit verschieden und müssen durch Fachkommissionen immer wieder neu gegeneinander abgewogen werden.