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Gen-Editierung verbessert die Muskelfunktion bei Mäusen mit Duchenne-Muskeldystrophie
Mit einem bahnbrechenden neuen Werkzeug zur Korrektur genetischer Mutationen haben Wissenschaftler erfolgreich die Muskelfunktion bei lebenden Mäusen mit Duchenne-Muskeldystrophie wiederhergestellt.
Die Forscher programmierten das Gen-Editing-System, um den dysfunktionalen Teil des Gens zu finden und auszuschneiden, wobei das natürliche DNA-Reparatursystem des Körpers das Gen wieder zusammennähte.
Das Werkzeug zur Genbearbeitung - CRISPR / Cas9 genannt - arbeitet mit der Korrektur von DNA, die verhindert, dass Zellen ein Protein für die Muskelfunktion wichtig machen.
In der Zeitschrift WissenschaftEin Team, das von Forschern der Duke University in Durham, North Carolina, geleitet wird, berichtet, dass CRISPR / Cas9 zum ersten Mal eine genetische Krankheit in einem erwachsenen, lebenden Säugetier erfolgreich behandelt hat.
Sie folgern, dass dies zeigt, dass CRISPR / Cas9 ein Potenzial für eine Therapie für Menschen hat.
Während der leitende Autor Charles A. Gersbach, außerordentlicher Professor für Biomedizinische Technik an der Duke University, die Ergebnisse dieser ersten frühen Experimente als "sehr aufregend" beschreibt, bemerkt er auch:
"Es gibt noch viel zu tun, um dies in eine Humantherapie zu übersetzen und Sicherheit zu demonstrieren."
Menschen mit Duchenne-Muskeldystrophie können kein normales Dystrophin herstellen - ein Protein, das Muskelfasern stärkt und schützt, die in Bewegungsmuskeln (Skelettmuskeln) und im Herz (Herzmuskel) vorkommen.
Wenn die Krankheit fortschreitet, neigt Muskel dazu, zu zerkleinern und langsam zu verschlechtern. Dies wird als fortschreitender Verlust der Muskelfunktion und Schwäche, die in den unteren Gliedmaßen beginnt, erlebt.
Duchenne-Muskeldystrophie betrifft vor allem Männer - weltweit wird etwa 1 von 3.500 Jungen mit dieser Krankheit geboren. Die meisten Patienten sind zum Zeitpunkt ihres zehnten Geburtstages an den Rollstuhl gebunden und leben selten über ihre frühen 30er Jahre hinaus.
Die Krankheit betrifft hauptsächlich Männer, weil die Mutation, die sie verursacht, auf dem X-Chromosom gefunden wird. Da Frauen zwei Kopien des X-Chromosoms haben, haben sie eine viel größere Chance, mindestens eine funktionierende Kopie des Gens zu erben.
Game Changer in der Gentechnik
CRISPR / Cas9 wird als ein bahnbrechender Schritt in der Gentechnik angekündigt, da es eine wesentlich schnellere und einfachere Art und Weise ist, DNA zu verändern als frühere Techniken.
Es verändert die Art und Weise, wie Grundlagenforschung betrieben wird und wie wir über die Behandlung von Krankheiten denken.
Die Technik kann mit dem Textbearbeitungswerkzeug "Suchen und Ersetzen" in einem Textverarbeitungsprogramm verglichen werden, das nach einer falschen Zeichenfolge im Text sucht und jedes Vorkommen durch das richtige ersetzt.
CRISPR / Cas9 enthält drei Elemente: ein DNA-schneidendes Enzym (das Cas9-Protein), die korrigierte DNA-Sequenz und ein auffindendes Molekül - das CRISPR (Clustered regulary Interspaced Short Palindromic Repeats).
Das CRISPR-Molekül findet den genauen Ort der inkorrekten DNA auf dem Zielchromosom, das schneidende Enzym schneidet die falsche Sequenz präzise ab und die korrekte DNA wird eingefügt. Es ist auch möglich, diese letzte Stufe wegzulassen und die fehlerhafte DNA einfach zu entfernen und nicht zu ersetzen - das ist die Methode, die in der neuen Studie verwendet wird.
CRISPR / Cas9 ist eine modifizierte Version eines natürlichen Abwehrsystems, mit dem Bakterienzellen eindringende Viren angreifen, indem sie ihre DNA aufschneiden.
Prof. Gersbachs Labor erforscht seit 2009 genetische Behandlungen für Duchenne mit verschiedenen Gen-verändernden Systemen. In früheren Projekten hatten sie CRISPR / Cas9 verwendet, um genetische Mutationen in kultivierten Zellen von Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie zu korrigieren, und andere Gruppen haben auch die neues Werkzeug zur Korrektur von Genen in einzelligen Embryonen im Labor.
Der Ansatz des Embryos ist jedoch derzeit unethisch, um ihn beim Menschen zu versuchen, und der Ansatz mit kultivierten Zellen weist viele Schwierigkeiten auf - wie zum Beispiel, wie die behandelten Zellen erfolgreich in Muskelgewebe zurückgebracht werden können.
Verwendung eines Virus zur Abgabe von CRISPR / Cas9 in Zellen
Für ihre neue Studie wandte sich das Team einem anderen Ansatz zu, der das Gen-Editing-Tool mithilfe der Gentherapie direkt in die betroffenen Gewebezellen einbringt. Und während diese Methode auch Herausforderungen bei der Verabreichung aufwies, überwanden sie diese, indem sie einen Adeno-assoziierten Virus (AAV) als Träger verwendeten.
Viren sind ideale Liefervehikel für die Genbearbeitung. Sie fügen sich in das genetische Material der Zellen der Organismen ein, in die sie eindringen, und programmieren die Zellmaschinerie neu, um Kopien von sich selbst zu machen und sich zu verbreiten.
AAVs sind kleine Viren, die Menschen infizieren, ohne Krankheiten zu verursachen. Dies ist eine der Eigenschaften, die sie zu idealen Vehikeln für die Gentherapie machen. Sie sind auch außergewöhnlich effektiv darin, in Zellen einzudringen.
In den USA gibt es mehrere klinische Studien im fortgeschrittenen Stadium, die AAVs verwenden, und ihre Verwendung wurde bereits in einem Gentherapeutikum in der Europäischen Union (EU) genehmigt.
Es gibt auch verschiedene Arten von AAV, die auf Zellen in verschiedenen Geweben abzielen - so können Forscher sie systemisch liefern. Einer von diesen bevorzugt Zellen in Skelett- und Herzmuskel einzutreten.
Anfangs hatte das Team das Problem, CRISPR / Cas9 in den Virus einzufügen. AAV ist ein wirklich kleiner Virus und das CRISPR / Cas9 ist relativ groß; "Es passt einfach nicht gut, also hatten wir noch ein Verpackungsproblem", erklärt Prof. Gersbach.
Die Lösung kam in Form einer Entdeckung durch eines der Teams, Feng Zhang, Professor für Biomedizintechnik am Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Das Problem lag beim großen Cas9-Protein - dem DNA-Schneide-Enzym-Teil des Werkzeugs. Das Cas9, das Forscher normalerweise verwenden, kommt von den Bakterienspezies Streptococcus pyogenes, aber Prof. Zhang hatte kürzlich ein viel kleineres Cas9 Protein gefunden Staphylococcus aureus - klein genug, um in den AAV zu passen.
CRISPR / Cas9 und AAV stellten die Muskelfunktion im Mausmodell wieder her
Für die neue Studie arbeitete das Team mit einem Mausmodell, das eine besonders schwächende Mutation im Gen aufweist, das für Dystrophin kodiert. Sie programmierten das neue CRISPR / Cas9-System, um den dysfunktionalen Teil des Gens auszuschneiden und das natürliche DNA-Reparatursystem des Körpers zurückzulassen, um das Gen wieder zusammenzuheften.
Das neue Gen war kürzer, aber funktional, bemerken die Forscher, die nahelegen, dass die Methode den dysfunktionellen Teil des Gens einfach entfernt und nicht ersetzt, sondern dass diese Strategie bei einem größeren Anteil von Duchenne-Patienten wirksam sein könnte.
In einem ersten Schritt lieferte das Team die Therapie direkt an den Beinmuskel einer erwachsenen Maus. Dies stellte die Produktion von funktionellem Dystrophin und erhöhte Muskelstärke wieder her.
Dann injizierten sie die CRISPR / Cas9- und AAV-Kombination in den Blutkreislauf einer Maus, um jeden Muskel zu erreichen. Diese wiederhergestellte Muskelfunktion im ganzen Körper - einschließlich des Herzens - ist ein wichtiges Ergebnis, da Herzinsuffizienz oft Menschen mit Duchenne tötet.
In der Detaillierung der umfangreichen Arbeiten, die vor der klinischen Erprobung der Therapie liegen, stellt Prof. Gersbach fest:
"Von hier aus werden wir das Delivery-System optimieren, den Ansatz in schwereren Modellen der [Duchenne-Muskeldystrophie] bewerten und die Effizienz und Sicherheit bei größeren Tieren mit dem Ziel bewerten, in klinische Studien einzutreten."
Im März 2015, Medizinische Nachrichten heute berichteten, dass einige Wissenschaftler - darunter ein Pionierentwickler von CRISPR / Cas9 - die Zurückhaltung beim Bearbeiten des menschlichen Genoms fordern, da einige Änderungen an Nachkommen weitergegeben werden könnten.
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