Zelltherapien mit molekularen Prothesen

Viele Krankheiten werden oft erst dann entdeckt, wenn die ersten Symptome ausbrechen. Die synthetische Biologie hat zumindest konzeptionell eine Lösung zur Früherkennung und Behandlung einiger chronischer Erkrankungen gefunden. Dank molekularer Prothesen lassen sich krankheitsspezifische Indikatoren frühzeitig erkennen und Krankheiten therapeutisch behandeln.

Zellen verhalten sich wie lebendige Computer, jedoch mit biologischen statt numerischen In- und Outputs. Eine Zelle kann zum Beispiel Licht, Wärme, Nukleinsäuren oder chemische Verbindungen messen und darauf reagieren. Als Reaktion auf die beschriebenen Inputs wächst die Zelle, passt sich morphologisch an oder produziert chemische Verbindungen, die als Stoffwechselantagonisten fungieren können.

Dieses natürliche Verhalten einer Zelle bildet den Grundgedanken molekularer Prothesen. Denn nicht immer agieren Zellen nach Plan. Fehlerhaft funktionierende Stoffwechselvorgänge können Krankheiten auslösen. Molekulare Prothesen sollen dies ausgleichen – analog zu einer echten Prothese, die beispielsweise die Funktion eines Beines oder einer Hand übernimmt. Molekulare Prothesen werden aus artgleichen genetischen Komponenten zusammengesetzt und arbeiten autonom. Man nennt sie auch genetische Netzwerke. Molekulare Prothesen können mit dem Metabolismus eines Wirts verknüpft werden und besitzen das Potenzial, das Fortschreiten einer Krankheit frühzeitig zu unterbinden. Sie sind komplex und in der Regel aus drei Komponenten aufgebaut: Der Sensor, ein biologischer Rezeptor, misst die Menge eines bestimmten Stoffwechselproduktes im Körper. Wird ein Schwellenwert überschritten, kommt es zur Auslösung einer Signalkaskade. Diese endet bei einem Effektor, der dann Gegensteuer gibt und so das physiologische Gleichgewicht des Wirtes wiederherstellt.

Universell einsetzbare Technik

Molekulare Prothesen werden im Labor aus biologischem Material künstlich hergestellt und anschliessend in Säugetierzellen integriert. Zahlreiche dieser modifizierten Zellen werden in einer Kapsel aus Algengelatine verpackt, damit die molekularen Prothesen vom Körper nicht abgebaut werden. Diese Kapseln werden dann in einen Modellorganismus (z. B. in eine Maus) transplantiert und sollen so Stoffwechselkrankheiten heilen.

Ein Beispiel für eine molekulare Prothese sind die von Prof. Dr. Fussenegger und seinem Team im Dezember 2016 hergestellten künstlichen Beta-Zellen. Beta-Zellen stellen Insulin her und gleichen dadurch den Zuckerhaushalt aus. Bei Diabetikern ist dieser Stoffwechselvorgang gestört, sie können nicht genug Glukose aus dem Blut aufnehmen. Dies kann zu einer gefährlichen Übersäuerung des Blutes führen. Die Fussenegger-Prothese misst den Glukosegehalt im Blut und setzt eine Signalkaskade in Gang, sobald ein Schwellenwert überschritten wird. Daraufhin wird der Blutzuckerspiegel gesenkt. Die künstlichen Beta-Zellen funktionieren also analog den Beta-Zellen in unserer Bauchspeicheldrüse. Die beschriebene molekulare Prothese wurde bisher in Mäusen erfolgreich getestet und könnte in Zukunft Diabetes-Typ-1-Patienten, bei denen die Beta-Zellen funktionsunfähig sind, das Leben wesentlich erleichtern.

Auch bei der Früherkennung von Prostata-, Lungen-, Dickdarm- und Brustkrebs hat die synthetische Biologie Fortschritte gemacht. Den Beweis liefert eine Machbarkeitsstudie aus dem Jahr 2018. Biotechnologen haben eine krebsspezifische molekulare Prothese entwickelt, die den Kalziumpegel im Blut misst. Ein hoher Kalziumpegel gilt als Indikator für bestimmte Arten von Krebs. In ihrer Studie haben die Forscher einen Sensor in Zellen eingebaut, der den Kalziumgehalt misst. Ist dieser massiv erhöht, wird eine Signalkaskade in Gang gesetzt und das Pigment Melanin freigesetzt. An der Stelle, wo sich das Implantat befindet, entsteht ein Leberfleck. In diesem Fall sollte ein Arzt konsultiert werden, der weitere Abklärungen trifft. Solche «biomedizinischen Tattoos» lassen sich, durch Austausch von Sensor, Signalkaskade und Effektor, auch auf neurodegenerative Krankheiten oder Hormonstörungen übertragen. Molekulare Prothesen wurden beispielsweise auch für Gicht, Schuppenflechte und Übergewicht getestet.

Zellbasierte Therapien mit grossem Potenzial

Studien zeigen, dass molekulare Prothesen in der Regel ein Jahr im Organismus funktionieren und dann ausgetauscht werden müssen. Forscher rechnen jedoch nicht mit einer Anwendung am Menschen vor 2025. Um die teuren und notwendigen klinischen Studien zu finanzieren, müssen zuerst Partner gefunden werden, die die finanziellen Risiken solcher Studien tragen.

Zellbasierte Therapien haben ein grosses Potenzial, herkömmliche Strategien in der Therapie von Krankheiten mit komplexer und wiederkehrender Dynamik, wie chronische Erkrankungen, abzulösen. Nicht zuletzt dank jüngster Durchbrüche in der Genforschung (Link zu CRISPR) und den Erfolgen, die in den letzten Jahren im Zusammenhang mit molekularen Prothesen erzielt wurden.