Crispr-Cas: Forscher decken Nebenwirkungen auf

An der ETH Zürich hat ein Team gravierende Nebenwirkungen bei einer Anwendung der Genschere Crispr-Cas aufgedeckt. Ein Molekül, das den Vorgang effizienter machen soll, zerstört Bereiche des Genoms.

Die Genombearbeitung macht rasante Fortschritte. Zahlreiche Wissenschaftler rund um den Globus arbeiten daran, Werkzeuge wie die Crispr-Cas Genschere im klinischen Alltag nutzbar zu machen. Nun hat eine Forschungsgruppe um Jacob Corn, Professor für Genombiologie an der ETH Zürich, allerdings herausgefunden, dass der Einsatz des Moleküls AZD7648 gravierende Nebenwirkungen hat. Die entsprechende Studie ist soeben in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology erschienen.

Was steckt dahinter? Besonders häufig arbeiten Wissenschaftler weltweit mit dem Crispr-Cas9-Molekülkomplex, der auch als Genschere bekannt ist. Dieser Molekülkomplex zerschneidet den DNA-Doppelstrang exakt an der Stelle, an der das Erbgut verändert werden soll – im Gegensatz zu neueren Gen-Editierungsmethoden, bei denen der Doppelstrang nicht durchtrennt wird. Der Schnitt aktiviert zwei natürliche Reparaturmechanismen, mit der die Zelle solche Schäden flickt: einen schnellen, aber ungenauen, bei dem lediglich die Enden der zerschnittenen DNA wieder zusammengefügt werden, und einen langsamen und präzisen, der gründlicher ist, aber nicht in jedem Fall aktiviert wird. Letzterer benötigt für die Reparatur eine kopierfähige Vorlage, um die DNA an der Schnittstelle exakt wiederherzustellen.

Langsame Reperatur im Fokus

Die langsame Variante heißt homologiegerichtete Reparatur. Die Forschung möchte diesen Reparaturweg nutzen, weil sie damit präzise einzelne DNA-Segmente in eine gewünschte Genregion einbauen kann. Der Ansatz ist sehr flexibel und eignet sich, um verschiedene Krankheitsgene zu reparieren. „Im Grunde genommen kann man damit beliebige Krankheiten heilen“, sagt Prof. Corn.

Um die Zelle dazu zu bringen, die homologiegerichtete Reparatur zu starten, setzen Forscher seit kurzem ein Molekül namens AZD7648 ein, das die Schnellreparatur blockiert und die Zelle dazu zwingt, die homologiegerichtete Reparatur zu verwenden. Dieser Ansatz sollte die Entwicklung von effizienteren Gentherapien beschleunigen. Erste Studien, die solche neuen Therapien verwendet haben, waren gut. Zu gut, um wahr zu sein, wie sich jetzt herausstellt.

Massive genetische Veränderungen

Zwar fördert AZD7648 wie erhofft den präzisen Reparaturvorgang und damit die Gen-Editierung mittels des Crispr-Cas9-Systems. Bei einem erheblichen Teil der Zellen hat dies jedoch zu massiven genetischen Veränderungen in einem Teil des Genoms geführt, von dem erwartet wurde, dass er ohne Narben verändert wird.

Die ETH-Forscher fanden heraus, dass diese Veränderungen darin mündeten, dass abertausende von DNA-Bausteine, sogenannte Basen, einfach gelöscht werden. Sogar ganze Chromosomenarme brechen weg. Dadurch wird das Genom instabil, mit unvorhersehbaren Konsequenzen für die mit der Technik editierten Zellen.

„Analysierten wir die Stellen des Genoms, wo es editiert wurde, sah es korrekt und präzise aus. Analysierten wir aber das Genom weiträumiger, bemerkten wir massive genetische Änderungen. Diese sieht man nicht, wenn man nur den kurzen editierten Abschnitt und dessen unmittelbare Nachbarschaft analysiert“, erklärt Grégoire Cullot, Postdoc in Prof. Corns Gruppe und Erstautor der Studie.

Großes Schadenausmaß

Vor allem das Ausmaß der negativen Auswirkungen hat die Forscher überrascht – und das, obwohl sie sogar davon ausgehen, es nicht nicht vollständig überblicken zu können, da sie bei ihren Analysen von veränderten Zellen nicht das gesamte Genom angeschaut haben, sondern nur Teilbereiche. Um das Schadensausmaß und -potenzial abzuklären, braucht es deshalb neue Testverfahren, Vorgehensweisen und Regulierungen.

Auf AZD7648 Aufmerksam geworden sind die ETH-Wissenschaftler überhaupt nur, weil die Studienergebnisse um das Molekül zu gut gewesen seien. Das habe misstrauisch gemacht, sagt Prof. Corn. Daraufhin hat sein Team die Abfolge der DNA-Bausteine nicht nur um die bearbeitete Stelle analysiert, sondern auch im weiteren Umfeld. Dabei entdeckten sie diese unerwünschten und katastrophalen Nebenwirkungen, die der Einsatz von AZD7648 hervorgerufen hatte. Ihre Studie ist die erste, die diese Nebenwirkungen beschreibt.

Weitere Forschungsgruppen haben sich der Fragestellung ebenfalls gewidmet und stützen die Resultate. Hier wird es weitere Publikationen geben. Erfreut ist Prof. Corn dennoch nicht: „Für uns ist das ein herber Rückschlag, weil wir wie andere Wissenschaftler gehofft haben, dass wir mit der neuen Technik die Entwicklung von Gentherapien beschleunigen könnten.“

Der Anfang von etwas Neuem

Dennoch ist es laut Corn nicht das Ende, sondern der Beginn von weiteren Fortschritten bei der Gen-Editierung mittels Crispr-Cas-Techniken. „Die Entwicklung jeder neuen Technologie ist ein steiniger Weg. Ein Stolperer bedeutet nicht, dass wir die Technik aufgeben.“

Möglicherweise lässt sich die Gefahr bannen, indem man in Zukunft nicht nur ein Molekül einsetzt, um die homologiegerichtete Repartur zu bevorzugen, sondern einen Cocktail an verschiedenen Substanzen. „Es gibt viele mögliche Kandidaten. Wir müssen jetzt herausfinden, aus welchen Komponenten so ein Cocktail zusammengesetzt sein muss, damit das Genom keinen Schaden nimmt“, sagt der Genexperte.

Denn Gentherapien, die auf dem Crispr-Cas-System beruhen, wurden in der Klinik bereits erfolgreich angewendet. So wurden in den vergangenen Jahren zum Beispiel 100 Patienten, die an der Erbkrankheit Sichelzellanämie litten, mit Therapeutika auf Crispr-Cas-Basis behandelt, damals noch ohne AZD7648. „Alle Patienten gelten als geheilt und haben keine Nebenwirkungen“, sagt Prof. Corn. „Ich bin deshalb optimistisch, dass sich solche Gentherapien durchsetzen werden. Die Frage ist eher, welcher Weg der Richtige ist und was wir brauchen, damit die Technik sicher anwendbar wird für möglichst viele Patienten und Patientinnen.“