Programmierte Immunzellen stellen nach Geneditierung spezifische Antikörper her

„Die Methodik der gezielten genetischen Veränderung von Blutstammzellen mittels CRISPR-Technologien für therapeutische Zwecke ist nicht grundlegend neu. Während sich die Forschung bislang vor allem auf die Korrektur von Gendefekten konzentriert hat, rückt diese Publikation die Bekämpfung von Infektionskrankheiten in den Vordergrund. Anstatt Gendefekte zu korrigieren, werden Genabschnitte, die für Antikörper kodieren, in Blutstammzellen eingebracht. Diese können sich anschließend in spezifische Immunzellen, sogenannte B-Zellen, entwickeln, deren Hauptaufgabe die Produktion von Antikörpern ist. Auf diese Weise könnten besonders potente Antikörper, die beispielsweise gezielt gegen bestimmte Viren wirken und diese unschädlich machen, langfristig im Körper gebildet werden und so Erkrankungen dauerhaft entgegenwirken.“

„In der Klinik etablierte Verfahren zur Transplantation von Blutstammzellen basieren in der Regel auf einer vorherigen Reduktion der körpereigenen Blutstammzellen durch Bestrahlung oder hochdosierte Chemotherapie. Aktuelle Forschungsansätze zielen jedoch darauf ab, diese Eingriffe schonender zu gestalten, etwa durch mildere Konditionierungsverfahren. Alternativ wird daran gearbeitet, genetische Modifikationen nicht mehr ex vivo im Labor, sondern direkt im Körper (in vivo) durchzuführen. Auch wenn diese Strategien bislang noch nicht Teil der klinischen Routine sind, zeigen erste Studien vielversprechende Fortschritte.“

„Die Ansiedlung genetisch editierter reifer B-Zellen, insbesondere von Plasmazellen, im Knochenmark gilt dabei unabhängig vom genauen Verfahren als sehr wahrscheinlich.“

„Im vorgeschlagenen Ansatz werden nicht die B-Zellen selbst, sondern die Blutstammzellen modifiziert, aus denen B-Zellen hervorgehen. Diese Blutstammzellen, auch hämatopoetische Stammzellen genannt, sind multipotent und können nahezu alle Zelltypen des Immunsystems, einschließlich B-Zellen, hervorbringen. B-Zellen produzieren Antikörper, die spezifische Zielstrukturen, beispielsweise Virusbestandteile, erkennen. In frühen Entwicklungsstadien präsentieren B-Zellen ihre Antikörper als B-Zell-Rezeptoren auf der Zelloberfläche. Trifft ein solcher Rezeptor auf seine Zielstruktur, wird die B-Zelle aktiviert, beginnt sich stark zu vermehren und differenziert sich teilweise zu sogenannten Plasmazellen, die große Mengen an Antikörpern produzieren. Dadurch können bereits wenige genomeditierte Ausgangszellen ausreichen, um eine erhebliche Antikörperproduktion zu erreichen.“

„Für einen therapeutischen Ansatz ist es daher nicht unbedingt erforderlich – und möglicherweise sogar unerwünscht –, einen sehr hohen Anteil genetisch modifizierter Stammzellen zu transplantieren. Entscheidend ist vielmehr, dass die modifizierten B-Zellen und deren Antikörperproduktion, je nach Anwendung, langfristig aufrechterhalten werden.“

„Auch wenn die gezielte genetische Veränderung von hämatopoetischen Stammzellen zunehmend sicherer wird, verbleibt ein Restrisiko für unerwünschte Effekte. Dazu zählen insbesondere sogenannte Off-Target-Veränderungen im Genom sowie Effekte durch die Integration von genetischem Material an ungünstigen Stellen. Solche Veränderungen können die Funktion betroffener Gene beeinträchtigen und im ungünstigen Fall zu einer unkontrollierten Zellvermehrung beitragen. Entsprechende Risiken wurden insbesondere bei früheren gentherapeutischen Ansätzen beobachtet, sind jedoch durch moderne Verfahren reduziert worden.“

„Vor diesem Hintergrund dürfte ein solcher Ansatz – selbst bei weiter verbesserten Sicherheitsprofilen – zunächst vor allem für schwerwiegende oder lebensbedrohliche Erkrankungen des Immunsystems in Betracht kommen, wie beispielsweise HIV-Infektionen.“

„Der Ansatz ist derzeit noch weit von der klinischen Anwendung entfernt und wurde bislang primär im Mausmodell umfassend untersucht. Eine zentrale Hürde bleibt die sichere Modifikation humaner Blutstammzellen, ohne eine toxische Depletion des endogenen Stammzellpools vor der Retransplantation zu erfordern (Auslöschung der bestehenden Stammzellen durch Bestrahlung oder Chemotherapie; Anm. d. Red.). Vor dem Hintergrund verbleibender Restrisiken ist ein klinischer Einsatz zunächst auf lebensbedrohliche Indikationen beschränkt.“

„Die Strategie ist so wunderbar biologisch, sie nutzt drei Kerneigenschaften des Immunsystems aus. Erstens, dass sich aus wenigen gewünschten B-Zellen durch Impfen sehr viele herstellen lassen. Zweitens, dass diese Zellen sich dann in Plasmazellen verwandeln, die ihre Antikörper in unglaublichen Mengen abgeben – jede Zelle bis zu zehntausend Moleküle pro Sekunde. Und drittens, dass diese Plasmazellen im Knochenmark dann von den Stromazellen (Stütz- und Ernährungszellen; Anm. d. Red) über Jahrzehnte am Leben erhalten werden. Es sind ideale, lebendige Proteinfabriken. In der Veröffentlichung wird das auch gleich für besonders relevante Proteine aufgezeigt, nämlich für Antikörper, die effizient vor HIV oder Influenza schützen. Nur sehr wenige Menschen können solche Antikörper herstellen, die Nussenzweig-Gruppe der aktuellen Studie hatte solche Raritäten bereits früher isoliert und charakterisiert.“

„Die Methodik der genetischen Veränderung ist nicht ganz neu, aber sehr durchdacht. Neu ist insbesondere, dass die genetische Veränderung in den Vorläuferzellen der B-Lymphozyten vorgenommen wird, also bevor die B-Lymphozyten ihre Antikörpergene selbst neu ordnen. Das ist ein entscheidender Punkt für das Funktionieren.“

„Die Eleganz der Methode liegt darin, dass nur sehr wenige B-Zellen ausreichen, um daraus gezielt durch Impfen viele Plasmazellen zu machen – also eine effektive Proteinfabrik.“

„Die niedrige Effizienz der genetischen Veränderung der Stammzellen ist gewünscht, weil so das Immun- und Blutsystem noch funktionsfähig bleibt. Im Prinzip reicht ja eine einzige B-Zelle, um eine Immunantwort auszulösen. Deshalb wird bei möglichen Anwendungen, wenn es um die genetische Veränderung humaner Stammzellen im Menschen geht, keine Bestrahlung nötig sein. Die veränderten Stammzellen finden auch so ins Knochenmark, wo sie sich dann zu B-Lymphozyten (und anderen Zellen) entwickeln.“

„Die Bestrahlung der Mäuse dient der Verhinderung einer immunologischen Abstoßungsreaktion. Es ist bei Transplantationen generell so, dass das Immunsystem der Empfänger unterdrückt werden muss, wenn die transplantierten Zellen/Gewebe von genetisch unterschiedlichen Individuen kommen (allogene oder Xenotransplantation). Kommen sie von genetisch gleichen Individuen, ist das nicht nötig (autologe Transplantationen). Bei den genetisch veränderten Blutstammzellen würde es also davon abhängen, ob man Blutstammzellen vom Empfänger umprogrammiert, also autolog arbeitet, oder welche von anderen nimmt. Die Autoren betonen aus meiner Sicht richtigerweise, dass die Methode autolog sehr gut funktionieren müsste.“

„Nebenwirkungen wären in der Tat ‚unerwartet‘, können aber natürlich im gegenwärtigen Stadium nicht ausgeschlossen werden, auch wenn der Einsatz genetisch veränderter Stammzellen im Menschen eigentlich etabliert ist.“

„Der therapeutische Einsatz genetisch veränderter hämatopoetischer Stammzellen zur Korrektur von genetisch bedingten Krankheiten ist gut etabliert [1]. Die speziellen genetischen Veränderungen, die hier beschrieben sind, sollten da eigentlich kein grundsätzliches Problem sein. Wie die Autoren es auch ansprechen, wäre aus ihrer Sicht ein Einsatz zur Behandlung von AIDS-Patienten durch die speziell schützenden, breit neutralisierenden Antikörper am naheliegendsten. Aber die Autoren weisen auch darauf hin, dass das Anwendungsspektrum ja viel, viel größer ist, wenn man die Plasmazellen erst einmal als überlegene Proteinfabriken anerkennt.“

„Dies ist zweifellos eine wichtige Studie. Sie zeigt, dass bereits eine geringe Anzahl von Blut- und Knochenmarkstammzellen langlebige Nachkommen und B-Zellen hervorbringen kann, die breit neutralisierende Antikörper produzieren, und dass diese Produktion verstärkt werden kann. In dieser Arbeit nutzten sie die CRISPR-Editierung, um den endogenen Immunglobulin-Locus (natürlich im eigenen Erbgut vorkommender Bauplan für die Produktion von Antikörpern; Anm. d. Red.) in hämatopoetischen Stamm- und Vorläuferzellen zu modifizieren. Das ist neuartig. Dadurch benötigten sie nur eine geringe Anzahl editierter Zellen, die nach der Transplantation erfolgreich verstärkt werden konnten.“

„Zwar ist das Gebiet der hämatopoetischen Stammzellen mit Schwerpunkt auf der Manipulation von B-Lymphozyten nicht neu. Doch dies ist der erste Bericht, wonach bereits ein so geringer Anteil modifizierter hämatopoetischer Stammzellen im Transplantat ausreicht, um nach einer Auffrischungsbehandlung eine anhaltende Antikörperproduktion in therapeutischer Konzentration zu erzielen. Es ist nicht erforderlich, einen hohen Grad an Zellmodifikation zu erreichen. Eine Art Booster-Impfung kann modifizierte B-Zellen im Körper anreichern. Und dies lässt sich auch auf ausgewählte Kombinationen von Antikörpern anwenden.“

„Das ultimative Ziel wäre es, dies direkt in vivo, also bei Patienten, ohne Vorbehandlung oder Bestrahlung durchzuführen. Die Werkzeuge zur Modifizierung von Blutstammzellen in vivo, also bei Tieren oder Patienten, stehen bereits zur Verfügung – wir führen diese Studien durch. Virale Vektorsysteme können nun direkt in Tiere injiziert werden, um Blutstammzellen zu modifizieren.“

„Aus Blutstammzellen entstehen alle Blutzelllinien, einschließlich der B-Lymphozyten, die die natürlichen Produzenten von Antikörpern sind. Diese können fremde, nicht-eigene Antigene erkennen, weil sie einen passenden Antikörper tragen. Sie werden durch die Bindung stimuliert und beginnen sich zu vermehren, um mehr Antikörper zu produzieren. Dies ähnelt einer Impfung. Auf diese Weise ist es möglich, eine kleine Population von B-Lymphozyten – oder in diesem Fall die modifizierten, aus Blutstammzellen stammenden B-Zellen – anzureichern, um ihre Häufigkeit in Gegenwart ihres Antigens zu erhöhen. Dass eine geringe Menge geneditierter Stammzellen ausreicht, ist angesichts der Fähigkeit, die B-Zell-Produktion für ein spezifisches Antigen anzukurbeln, zu erwarten.“

„Der Editierungsansatz zielt auf eine bestimmte Stelle im Genom ab, wodurch das Risiko für Toxizität oder unerwünschte Ereignisse deutlich verringert wird. Da nur hämatopoetische Stammzellen verändert werden, ist das Risiko von Nebenwirkungen gering und geht größtenteils auf die Konditionierung (Vorbereitung für allogene Stammzelltransplantationen; Anm. d. Red.) oder Bestrahlung zurück.“

„Die meisten Erkrankungen, die eine lebenslange Bildung therapeutischer Proteine erfordern, könnten von diesem Ansatz profitieren. Dazu gehört beispielsweise HIV, für das es keinen Impfstoff gibt. Auch nicht-infektiöse Erkrankungen würden von diesem Ansatz profitieren. So laufen derzeit zwei klinische Phase-I-Studien, in denen gentechnisch veränderte B-Lymphozyten zur Behandlung des Hurler-Syndroms beziehungsweise der Hämophilie B eingesetzt werden.“

„Was die klinische Durchführbarkeit angeht, so würde dies im Idealfall direkt in vivo ohne Konditionierung erfolgen. So könnten auch Menschen mit HIV mit niedrigem und mittlerem Einkommen von diesem Ansatz profitieren, da er so in größerem Umfang verfügbar wäre. Alternativ wäre eine Konditionierung ohne Chemotherapie oder Bestrahlung mit Antikörpern vorstellbar, doch dies würde weiterhin eine Transplantation erfordern. Daher wäre ein In-vivo-Ansatz wahrscheinlich der nächste große Schritt.“