Forscher am Experimental- und Klinischen Forschungszentrum (ECRC), einer gemeinsamen Institution des Max-Delbrück-Centers und der Charité – Universitätsmedizin Berlin, haben einen vielversprechenden Ansatz zur Genbearbeitung entwickelt, der darauf abzielt, die Funktion eines für die Muskelreparatur wesentlichen Proteins bei Patienten mit Muskeldystrophie zu restaurieren. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Das Dysferlin-Protein ist hauptsächlich für die Reparatur von Zellmembranen verantwortlich. Menschen mit bestimmten Mutationen in dem Gen, das für Dysferlin kodiert, entwickeln Muskeldystrophie, eine Gruppe von Muskelabbaukrankheiten, die weltweit Tausende betrifft.
Professor Simone Spuler und ihr Team, geleitet von Dr. Helena Escobar im Myologie-Labor am ECRC, haben erfolgreich Muskelstammzellen von zwei Patienten mit Muskeldystrophie der Gürtelregion entnommen, den genetischen Fehler korrigiert und in der Zellkultur funktionierende Dysferlin-Proteine wiederhergestellt. In neuen Mausmodellen der Krankheit sammelten sie Zellen, bearbeiteten sie und transplantierten die korrigierten Zellen zurück in Mäuse, wo die Proteinfunktion wiederhergestellt wurde und die Muskeln zu wachsen begannen.
Die präklinischen Ergebnisse geben dem Team Zuversicht, in die klinischen Studien am Menschen überzugehen. Dies würde beinhalten, Muskelzellen von Patienten zu entnehmen, sie im Labor zu bearbeiten und die eigenen Zellen des Patienten zurück in gezielte Muskeln zu transplantieren. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Therapie keine vollständige Heilung darstellt und auf ein oder zwei Muskeln beschränkt sein würde.
„Wir haben über 600 Muskeln in unserem Körper, und es ist nicht einfach, alle zu zielen“, sagt Spuler. „Wir beginnen sehr bescheiden mit der Zielsetzung von ein oder zwei Muskeln. Aber wenn diese Therapie funktioniert, wird sie den Muskel heilen.“
Seit fast 20 Jahren arbeiten Spuler und ihre Mitarbeiter daran, die Dysferlin, ihre Rolle in der Muskeldystrophie und Wege zu verstehen, um diese seltenen, aber verheerenden Erbkrankheiten zu heilen. Im Fall der Muskeldystrophie der Gürtelregion ist die Muskelschwäche progressiv, und junge Erwachsene verlieren die Fähigkeit zu gehen und die normale Nutzung ihrer Arme und Hände.
„Man geht von einem guten Athleten in der Jugend zu einem Rollstuhlfahrer mit 40“, sagt Spuler, die dies aus erster Hand mit ihren Patienten in einer ambulanten Klinik am ECRC sieht.
Escobar, die erste Autorin und Molekularbiologin im Labor von Spuler, hat an Methoden gearbeitet, um Muskelstammzellen von Patienten zu sammeln und Werkzeuge zur Genbearbeitung zu verwenden, um Mutationen zu beheben. „Wir haben mit einer häufigeren Mutation begonnen, damit wir so vielen Patienten wie möglich helfen können“, sagt Escobar.
Um die Dysferlin-Mutation zu beheben, verwendet Escobar CRISPR-Cas9, das oft als „Genbearbeitungsschneider“ beschrieben wird und für das 2020 ein Nobelpreis verliehen wurde. Die molekularen Scheren werden an einen präzisen Ort entlang eines DNA-Moleküls geleitet und schneiden es, wodurch die Zelle gezwungen wird, die DNA zu reparieren.
Das Ziel ist, dass die Mutation während des Reparaturprozesses korrigiert wird, was zu einem ordnungsgemäß funktionierenden Gen führt. Die Forscher testeten ihr Bearbeitungssystem in mehreren Zellmodellen und erzielten dabei sehr ähnliche Ergebnisse: Es funktionierte mit einer hohen Erfolgsquote und minimalen unbeabsichtigten Folgen.
Bemerkenswerterweise führte die Bearbeitung nicht zu einer exakten Übereinstimmung mit der gewünschten genetischen Sequenz, und es gab vier Änderungen im erzeugten Dysferlin-Protein. Das Team führte in Zusammenarbeit mit Professor Oliver Daumke, der das Labor für Strukturbiologie von membranassoziierten Prozessen am Max-Delbrück-Center leitet, eine gründliche Analyse der Änderungen durch.
„Selbst mit diesen vier Änderungen ist das erzeugte Protein in seiner Funktion dem Wildtyp, der Version, die wir bei gesunden Individuen sehen, sehr ähnlich. Es lokalisiert sich entlang beschädigter Zellmembranen, und der Muskel wurde regeneriert“, sagt Escobar.
Im Rahmen dieses Projekts entwickelten die Forscher ein neues Mausmodell in Zusammenarbeit mit Dr. Ralf Kühn, der das Labor für Genom-Engineering und Krankheitsmodelle am Max-Delbrück-Center leitet. Das Mausmodell ahmt eng die spezifische Dysferlin-Mutation und die daraus resultierende Krankheit nach und ermöglicht es den Forschern, zu bewerten, wie die vollständige Therapie funktioniert – das Entnehmen von Muskelstammzellen, deren Korrektur und das Zurücktransplantieren der Zellen. Sie wollten insbesondere herausfinden, ob das Immunsystem die Zellen abstoßen oder die erzeugten Dysferlin-Proteine angreifen würde.
„Wir haben keine Immunreaktion gegen die transplantierten Zellen oder die erzeugten Proteine festgestellt, was vielversprechend für den Übergang in eine klinische Studie ist“, sagt Spuler.
Das Team sucht nun nach Mitteln, um die erste klinische Studie am Menschen zu starten. Wenn die Studie erfolgreich ist, wird es noch viele Jahre dauern, bis sie allgemein zugänglich ist.
Simone Spuler und Helena Escobar sind Mit-Erfinderinnen einer ausstehenden Patentanmeldung zur Genbearbeitung menschlicher Muskelstammzellen. Spuler ist Mitbegründerin von MyoPax GmbH und MyoPax Denmark ApS.