Ein bio­tech­no­lo­gi­scher For­schungs­er­folg: Neue hoch­ef­fi­zi­en­te Poly­me­re für die Gen­the­ra­pie

Es ist ein Mei­len­stein für die Ent­wick­lung neu­er gen­the­ra­peu­ti­scher Ver­fah­ren: Einem For­schungs­team an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist es durch Ein­satz neu­ar­ti­ger Poly­me­re gelun­gen, Gene mit hoher Effi­zi­enz in leben­de Zel­len ein­zu­schleu­sen – und zwar, dies ist ent­schei­dend, auch in sol­che Zel­len, bei denen bis­lang hier­für Viren benö­tigt wer­den. Statt­des­sen wer­den bei dem in Bay­reuth ent­wickel­ten Ver­fah­ren gro­ße stern­för­mi­ge Mole­kü­le als nicht-vira­le Vek­to­ren ver­wen­det. Die­se erwei­sen sich im Ver­gleich mit Poly­ethy­len­imin (PEI), dem bis­her effi­zi­en­te­sten nicht-vira­len Vek­tor, als deut­lich über­le­gen. Das Ver­fah­ren wur­de zum Patent ange­mel­det.

Gen­the­ra­pien: Auf der Suche nach siche­ren und zugleich effi­zi­en­ten Ver­fah­ren

Bei allen gen­the­ra­peu­ti­schen Ver­fah­ren geht es dar­um, feh­len­de Gene zu ergän­zen, defek­te Gene zu erset­zen oder zumin­dest die Fol­gen der­ar­ti­ger Schä­den zu kom­pen­sie­ren. Dazu ist es erfor­der­lich, die in der DNA gespei­cher­ten Gene in die Zell­ker­ne ein­zu­füh­ren, wo sich die Erb­infor­ma­ti­on befin­det. Damit die DNA-Mole­kü­le von außen in die Zel­len hin­ein­kom­men, müs­sen sie von ande­ren Sub­stan­zen dort­hin trans­por­tiert wer­den. Die­se Trans­por­teu­re der Gene wer­den als “Vek­to­ren” bezeich­net, der Über­tra­gungs­vor­gang als “Trans­fek­ti­on”.

In der Bio­tech­no­lo­gie und der Medi­zin kom­men sehr ver­schie­den­ar­ti­ge Vek­to­ren zum Ein­satz. Eini­ge Ver­fah­ren arbei­ten mit Viren, ande­re mit nicht-vira­len Vek­to­ren. Viren haben sich seit Jahr­mil­lio­nen dar­auf spe­zia­li­siert, Gene effi­zi­ent in ver­schie­den­ste Zel­len ein­zu­schleu­sen. Doch sie sind mög­li­cher­wei­se infek­ti­ös oder kön­nen Immun­re­ak­tio­nen aus­lö­sen. Auch sind bei der Ver­wen­dung vira­ler Vek­to­ren bereits Fäl­le von Blut­krebs auf­ge­tre­ten. Umge­kehrt ver­hält es sich mit den nicht-vira­len Vek­to­ren, die in der Gen­the­ra­pie bis­her ver­wen­det wer­den: Sie sind siche­rer, aber deut­lich weni­ger effi­zi­ent. Ins­be­son­de­re sind sie kaum dazu fähig, Gene in aus­dif­fe­ren­zier­te Zel­len und sich nicht mehr tei­len­de Zel­len ein­zu­schleu­sen.

Ein neu­ar­ti­ges gen­the­ra­peu­ti­sches Ver­fah­ren ist die RNA-Inter­fe­renz-The­ra­pie. Sie ist ange­zeigt, wenn ein­zel­ne Gene zu aktiv sind. Dem lässt sich ent­ge­gen­wir­ken, indem Ribo­nu­kle­in­säu­re (RNA) in die Zel­le ein­ge­schleust wird. Doch hier­für gibt es bis­her kein wirk­lich effi­zi­en­tes Trans­fek­ti­ons­mit­tel, denn Viren oder ande­re natür­li­che Vek­to­ren sind für die­se The­ra­pie­form unge­eig­net.

Erfolg­rei­che For­schung: Vom inter­dis­zi­pli­nä­ren Pro­jekt zum Patent

In die­ser Situa­ti­on haben Prof. Dr. Ruth Frei­tag, Lehr­stuhl für Bio­pro­zess­tech­nik, und Prof. Dr. Axel Mül­ler, Lehr­stuhl für Makro­mo­le­ku­la­re Che­mie II, und ihre Mit­ar­bei­ter an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth einen For­schungs­er­folg erzielt, der die Anwen­dung gen­the­ra­peu­ti­scher Ver­fah­ren erheb­lich vor­an­brin­gen kann. In einer fächer­über­grei­fen­den Zusam­men­ar­beit haben sie neu­ar­ti­ge nicht-vira­le Vek­to­ren ent­wickelt. In allen Tests an leben­den Zel­len haben sich die­se Vek­to­ren als sicher und zugleich als effi­zi­ent erwie­sen.

Die Baye­ri­sche Patent­al­li­anz (BayPAT), als zen­tra­le Patent- und Ver­mark­tungs­agen­tur der baye­ri­schen Hoch­schu­len, hat die Erfin­dung für die Uni­ver­si­tät Bay­reuth mit posi­ti­vem Ergeb­nis eva­lu­iert. Die Erfin­dung wur­de daher von der BayPAT im Namen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth bereits zum Patent ange­mel­det. Die Erfin­der­be­ra­tung der Uni­ver­si­tät Bay­reuth mit Dr. Andre­as Kokott und Dr. Heinz-Wal­ter Lud­wigs war an der Vor­be­rei­tung der Patent­an­mel­dung wesent­lich betei­ligt.

Gro­ße stern­för­mi­ge Mole­kü­le als hoch­ef­fi­zi­en­te Vek­to­ren

Die neu­en nicht-vira­len Vek­to­ren bestehen aus einem kugel­för­mi­gen Nano­par­ti­kel im Zen­trum und aus zahl­rei­chen Armen, die an das Nano­par­ti­kel ange­hängt sind. Die Arme zei­gen wie die Strah­len eines Sterns in alle Rich­tun­gen. Sie sind posi­tiv gela­den und kön­nen des­halb gro­ße Men­gen an nega­tiv gela­de­ner DNA auf­neh­men.

Che­misch gese­hen, han­delt es sich bei die­sen Mole­kü­len um posi­tiv gela­de­ne Stern­mo­le­kü­le aus PDMA­EMA. Die Abkür­zung steht für “Poly(2-(dimethylamino)ethylmethacrylat)”. Der stern­för­mi­gen Struk­tur der Mole­kü­le ist es zu ver­dan­ken, dass sie über­haupt als Vek­to­ren infra­ge kom­men. Linea­re Mole­kü­le mit einer eben­so gro­ßen Mole­kül­mas­se wären hoch­toxisch und daher prin­zi­pi­ell unge­eig­net.

Die stern­för­mi­gen Vek­to­ren, die in den Labo­ra­to­ri­en der Bay­reu­ther Makro­mo­le­ku­la­ren Che­mie syn­the­ti­siert wur­den, sind kei­nes­wegs ein teu­res Kunst­pro­dukt. “Es gibt inzwi­schen moder­ne Ver­fah­ren, mit denen PDMA­EMA-Ster­ne in gro­ßen Men­gen und rela­tiv kosten­gün­stig her­ge­stellt wer­den kön­nen”, berich­tet Pro­fes­sor Axel Mül­ler. “Die bis­her ver­wen­de­ten hoch­re­gu­lär auf­ge­bau­ten Den­d­ri­me­re sind deut­lich auf­wän­di­ger und damit teu­rer her­zu­stel­len.”

Neue Mög­lich­kei­ten für die Bio­me­di­zin: Nicht-vira­le Vek­to­ren statt Viren

Für die Bio­me­di­zin eröff­nen sich mit die­ser Ent­wick­lung völ­lig neue Mög­lich­kei­ten. Denn ein zen­tra­les Ergeb­nis der Bay­reu­ther For­schungs­ar­bei­ten lau­tet: Die neu­en PDMA­EMA-Ster­ne kön­nen mit hoher Effi­zi­enz auch sol­che Zel­len trans­fi­zie­ren, bei denen bis­her nur Viren als effi­zi­en­te Vek­to­ren infra­ge kamen. Es han­delt sich dabei um dif­fe­ren­zier­te Zel­len, sich nicht mehr tei­len­de Zel­len und mensch­li­che Blut­zel­len. Mit den PDMA­EMA-Ster­nen zeich­net sich nun ein Weg ab, Viren durch nicht-vira­le Vek­to­ren zu erset­zen – genau­so wir­kungs­voll, aber ohne die spe­zi­fi­sche Sicher­heits­pro­ble­ma­tik, die mit dem Ein­satz von Viren unver­meid­lich ein­her­geht. Vor allem die Trans­fek­ti­on von T‑Lymphozyten ist für die Human­me­di­zin attrak­tiv. Denn T‑Lymphozyten sind die­je­ni­gen Blut­zel­len, die in ent­schei­den­der Wei­se zur Immun­ab­wehr des Men­schen bei­tra­gen.

Und noch in einer wei­te­ren Hin­sicht eröff­nen PDMA­EMA-Ster­ne viel­ver­spre­chen­de Per­spek­ti­ven. Sie eig­nen sich, wie die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler her­aus­fan­den, eben­falls für die RNA-Inter­fe­renz-The­ra­pie.

Ein­deu­ti­ge Erfolgs­bi­lanz: Die neu­en Vek­to­ren im Ver­gleich mit PEI

Das Bay­reu­ther For­schungs­team woll­te Klar­heit dar­über gewin­nen, wie die Lei­stungs­fä­hig­keit der neu­en Vek­to­ren im Hin­blick auf den aktu­el­len Stand der Tech­nik ein­zu­schät­zen ist. Daher haben sie die PDMA­EMA-Ster­ne spe­zi­ell mit der­je­ni­gen Sub­stanz ver­gli­chen, die sich als nicht-vira­ler Vek­tor bis­her am besten bewährt hat. Es han­delt sich hier­bei um line­ar auf­ge­bau­tes Poly­ethy­len­imin (PEI). Eine Grö­ße von 25 kg/​mol gilt für Trans­fek­tio­nen als opti­mal. Sehr unter­schied­li­che Zell­arten wur­den daher einer­seits mit PEI-Mole­kü­len die­ser Grö­ße, ande­rer­seits mit PDMA­EMA-Ster­nen trans­fi­ziert. Die Unter­su­chun­gen erstreck­ten sich bei­spiels­wei­se auf CHO-Zell­li­ni­en, die aus den Eier­stöcken von Chi­ne­si­schen Ham­stern (Chi­ne­se Ham­ster Ova­ries) stam­men und für die bio­tech­no­lo­gi­sche Her­stel­lung von Wirk­stof­fen wich­tig sind. Aber auch spe­zi­el­le huma­ne Zell­li­ni­en, die bei der Ent­wick­lung von Viren­impf­stof­fen und Che­mo­the­ra­peu­ti­ka ver­wen­det wer­den, und pri­mä­re Blut­zel­len wur­den trans­fi­ziert.

Die Bilanz die­ser ver­glei­chen­den Unter­su­chun­gen ist ein­deu­tig. “In allen Fäl­len haben wir mit den neu­en PDMA­EMA-Ster­nen eine bes­se­re – deut­lich bes­se­re – Trans­fek­ti­ons­ef­fi­zi­enz als mit PEI erzielt”, erklärt Pro­fes­sor Ruth Frei­tag.

Vom Irr­tum zur Inno­va­ti­on

Was hat die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler auf die Idee gebracht, aus­ge­rech­net PDMA­EMA-Ster­ne als Vek­to­ren zu testen? Haben theo­re­ti­sche Über­le­gun­gen die Ver­mu­tung genährt, die­se Mole­kü­le könn­ten sich für Gen­the­ra­pien eig­nen? “Ganz im Gegen­teil”, berich­tet Pro­fes­sor Ruth Frei­tag. “Wir waren davon über­zeugt, dass PDMA­EMA-Ster­ne wegen ihrer Grö­ße viel zu toxisch sind, um für Trans­fek­tio­nen in Fra­ge zu kom­men. Das war auch die all­ge­mei­ne, unhin­ter­frag­te Ein­schät­zung in der Fach­welt. Mit unse­ren Tests woll­ten wir die­sen Kon­sens bestä­ti­gen. Aber so ist das in der For­schung: Sie ist mei­stens dann inno­va­tiv, wenn etwas völ­lig ande­res her­aus­kommt als man erwar­tet hat.”

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