Wie CRISPR die Krebsforschung und -behandlung verändert

CRISPR ist ein hochpräzises Werkzeug zur Bearbeitung von Genen, das die Krebsforschung und -behandlung verändert.

Bildnachweis: Ernesto del Aguila III, Nationales Institut für Humangenomforschung

Seit Wissenschaftler erkannt haben, dass Veränderungen in der DNA Krebs verursachen , haben sie nach einer einfachen Möglichkeit gesucht, diese Veränderungen durch Manipulation der DNA zu korrigieren. Obwohl mehrere Methoden der Gen – Bearbeitung haben sich im Laufe der Jahre entwickelt worden ist , keine wirklich ist genau das Richtige für eine schnelle, einfache und billige Technologie.

Im Jahr 2013 kam es jedoch zu einem Game-Changer, als mehrere Forscher zeigten, dass ein Gen-Editing-Tool namens CRISPR die DNA menschlicher Zellen wie eine sehr präzise und einfach zu verwendende Schere verändern kann.

Das neue Tool hat die Forschungswelt im Sturm erobert und die Grenze zwischen möglich und unmöglich deutlich verschoben. Sobald CRISPR in die Regale und Gefrierschränke von Labors auf der ganzen Welt gelangte, ergriffen Krebsforscher die Chance, es zu nutzen.

"CRISPR wird aufgrund der Bequemlichkeit der Technik zu einer gängigen Methode, die in vielen krebsbiologischen Studien verwendet wird", sagte Dr. med. Jerry Li von der NCI- Abteilung für Krebsbiologie .

Jetzt verlässt CRISPR Laborgeschirr und versucht, Menschen mit Krebs zu untersuchen. In einer kleinen Studie testeten die Forscher beispielsweise eine Krebsbehandlung mit Immunzellen , die CRISPR-bearbeitet wurden, um Krebs besser zu jagen und anzugreifen.

Trotz aller Aufregung gingen die Wissenschaftler vorsichtig vor, erkannten die Stärken und Fallstricke des Tools, setzten Best Practices und diskutierten die sozialen und ethischen Konsequenzen der Gen-Bearbeitung beim Menschen.

Wie funktioniert CRISPR?

Wie viele andere Fortschritte in Wissenschaft und Medizin wurde CRISPR von der Natur inspiriert. In diesem Fall wurde die Idee von einem einfachen Abwehrmechanismus übernommen, der in einigen Mikroben wie Bakterien zu finden ist.

Um sich vor Eindringlingen wie Viren zu schützen, erfassen diese Mikroben Ausschnitte aus der DNA des Eindringlings und speichern sie als Segmente, die als CRISPRs bezeichnet werden, oder gruppieren sich regelmäßig eingestreute kurze palindromische Wiederholungen. Wenn derselbe Keim erneut versucht anzugreifen, helfen diese DNA-Segmente (in kurze RNA- Stücke umgewandelt) einem Enzym namens Cas, die DNA des Eindringlings zu finden und in Scheiben zu schneiden.

Nachdem dieses Abwehrsystem entdeckt worden war, stellten die Wissenschaftler fest, dass es das Zeug zu einem vielseitigen Werkzeug zur Bearbeitung von Genen hat. Innerhalb weniger Jahre hatten mehrere Gruppen das System erfolgreich angepasst, um praktisch jeden DNA-Abschnitt zu bearbeiten, zuerst in den Zellen anderer Mikroben und schließlich in menschlichen Zellen.

CRISPR besteht aus einer Leit-RNA (RNA-Targeting-Gerät, lila) und dem Cas-Enzym (blau). Wenn die Leit-RNA mit der Ziel-DNA übereinstimmt (orange), schneidet Cas die DNA. Ein neues DNA-Segment (grün) kann dann hinzugefügt werden.

Kredit: Nationales Institut für Allgemeine Medizin, National Institutes of Health

Im Labor besteht das CRISPR-Tool aus zwei Hauptakteuren: einer Leit-RNA und einem DNA-schneidenden Enzym, am häufigsten Cas9. Wissenschaftler entwerfen die Leit-RNA so, dass sie die DNA des zu bearbeitenden Gens (als Ziel bezeichnet) widerspiegelt. Die Leit-RNA arbeitet mit Cas zusammen und führt Cas – wie der Name schon sagt – zum Ziel. Wenn die Leit-RNA mit der DNA des Zielgens übereinstimmt, schneidet Cas die DNA.

Was als nächstes passiert, hängt von der Art des verwendeten CRISPR-Tools ab. In einigen Fällen wird die DNA des Zielgens während der Reparatur verschlüsselt und das Gen inaktiviert . Mit anderen Versionen von CRISPR können Wissenschaftler Gene präziser manipulieren, z. B. indem sie ein neues DNA-Segment hinzufügen oder einzelne DNA-Buchstaben bearbeiten .

Wissenschaftler haben CRISPR auch verwendet, um bestimmte Ziele wie DNA von krebserregenden Viren und RNA von Krebszellen nachzuweisen. In jüngster Zeit wurde CRISPR als experimenteller Test zum Nachweis des neuartigen Coronavirus eingesetzt .

Warum ist CRISPR eine große Sache?

Wissenschaftler betrachten CRISPR aus einer Reihe von Gründen als wegweisend. Das vielleicht größte ist, dass CRISPR einfach zu verwenden ist, insbesondere im Vergleich zu älteren Gen-Editing-Tools.

„Früher konnten nur eine Handvoll Labors auf der Welt die richtigen Werkzeuge [für die Genbearbeitung] herstellen. Jetzt kann sogar ein Schüler mit CRISPR eine Veränderung in einem komplexen Genom vornehmen “, sagte Dr. Alejandro Chavez, ein Assistenzprofessor an der Columbia University, der mehrere neuartige CRISPR-Tools entwickelt hat.

CRISPR ist auch vollständig anpassbar. Es kann praktisch jedes DNA-Segment innerhalb der 3 Milliarden Buchstaben des menschlichen Genoms bearbeiten und ist präziser als andere DNA-Bearbeitungswerkzeuge.

Und die Bearbeitung von Genen mit CRISPR ist viel schneller. Bei älteren Methoden „dauerte es normalerweise ein oder zwei Jahre, um ein gentechnisch verändertes Mausmodell zu erstellen , wenn Sie Glück haben“, sagte Dr. Li. Mit CRISPR kann ein Wissenschaftler nun innerhalb weniger Monate ein komplexes Mausmodell erstellen, sagte er.

Ein weiteres Plus ist, dass CRISPR einfach skaliert werden kann. Forscher können Hunderte von Leit-RNAs verwenden, um Hunderte oder Tausende von Genen gleichzeitig zu manipulieren und zu bewerten. Krebsforscher verwenden diese Art von Experiment häufig, um Gene auszuwählen, die gute Wirkstoffziele darstellen könnten .

Und als zusätzlichen Bonus: „Es ist sicherlich billiger als frühere Methoden“, bemerkte Dr. Chavez.

Was sind die Einschränkungen von CRISPR?

Mit all seinen Vorteilen gegenüber anderen Gen-Editing-Tools ist CRISPR eine Anlaufstelle für Wissenschaftler, die sich mit Krebs befassen. Es besteht auch die Hoffnung, dass es auch einen Platz bei der Behandlung von Krebs haben wird. Aber CRISPR ist nicht perfekt, und seine Nachteile haben viele Wissenschaftler bei der Anwendung bei Menschen vorsichtig gemacht.

Eine große Gefahr besteht darin, dass CRISPR manchmal DNA außerhalb des Zielgens schneidet – was als "Off-Target" -Bearbeitung bezeichnet wird. Wissenschaftler befürchten, dass solche unbeabsichtigten Änderungen schädlich sein und sogar Zellen krebsartig machen könnten, wie dies in einer Studie einer Gentherapie aus dem Jahr 2002 der Fall war.

"Wenn [CRISPR] anfängt, zufällige Teile des Genoms zu zerbrechen, kann die Zelle beginnen, Dinge auf wirklich seltsame Weise zusammenzunähen, und es gibt einige Bedenken, dass daraus Krebs wird", erklärte Dr. Chavez. Durch die Optimierung der Strukturen von Cas und der Leit-RNA haben Wissenschaftler die Fähigkeit von CRISPR verbessert, nur das beabsichtigte Ziel zu schneiden, fügte er hinzu.

Ein weiteres potenzielles Hindernis besteht darin, CRISPR-Komponenten in Zellen zu bringen. Der häufigste Weg, dies zu tun, besteht darin, einen Virus für die Arbeit zu kooptieren. Anstatt krankheitsverursachende Gene zu befördern, wird das Virus so modifiziert, dass es Gene für die Leit-RNA und Cas trägt.

CRISPR in im Labor gezüchtete Zellen zu stecken, ist eine Sache; Aber es in Zellen im Körper einer Person zu bringen, ist eine andere Geschichte. Einige Viren, die zum Tragen von CRISPR verwendet werden, können mehrere Zelltypen infizieren. So können sie beispielsweise Muskelzellen bearbeiten, wenn das Ziel darin bestand, Leberzellen zu bearbeiten.

Die Forscher untersuchen verschiedene Möglichkeiten, um die Abgabe von CRISPR an bestimmte Organe oder Zellen im menschlichen Körper zu optimieren. Einige testen Viren, die nur ein Organ infizieren, wie Leber oder Gehirn. Andere haben winzige Strukturen geschaffen, die als Nanokapseln bezeichnet werden und CRISPR-Komponenten an bestimmte Zellen liefern sollen .

Da CRISPR gerade erst beim Menschen getestet wird, gibt es auch Bedenken, wie der Körper – insbesondere das Immunsystem – auf CRISPR-tragende Viren oder auf die CRISPR-Komponenten selbst reagieren wird.

Einige fragen sich, ob das Immunsystem Cas (ein dem menschlichen Körper fremdes bakterielles Enzym) angreifen und CRISPR-editierte Zellen zerstören könnte. Vor zwanzig Jahren starb ein Patient, nachdem sein Immunsystem einen massiven Angriff gegen die Viren gestartet hatte, die eine Gentherapie trugen, die er erhalten hatte. Neuere CRISPR-basierte Ansätze basieren jedoch auf Viren, die sicherer zu sein scheinen als diejenigen, die für ältere Gentherapien verwendet werden.

Ein weiteres wichtiges Anliegen ist, dass durch das Bearbeiten von Zellen im Körper versehentlich Änderungen an Spermien oder Eizellen vorgenommen werden können, die an zukünftige Generationen weitergegeben werden können. Bei fast allen laufenden Humanstudien mit CRISPR werden die Zellen der Patienten jedoch außerhalb ihres Körpers entfernt und bearbeitet. Dieser „ Ex-vivo “ -Ansatz wird als sicherer angesehen, da er kontrollierter ist als der Versuch, Zellen im Körper zu bearbeiten, sagte Dr. Chavez.

Eine laufende Studie testet jedoch die CRISPR-Geneditierung direkt in den Augen von Menschen mit einer genetisch bedingten Krankheit, die Blindheit verursacht, der so genannten angeborenen Leberamaurose.

Die erste klinische Studie mit CRISPR gegen Krebs

Die erste Studie in den USA zum Testen einer von CRISPR hergestellten Krebstherapie wurde 2019 an der University of Pennsylvania gestartet. Die teilweise von NCI finanzierte Studie testet eine Art von Immuntherapie, bei der die eigenen Immunzellen der Patienten genetisch verändert werden , um ihren Krebs besser zu „sehen“ und abzutöten.

In der ersten CRISPR-Studie für Krebspatienten wurden T-Zellen getestet, die modifiziert wurden, um Krebs besser zu "sehen" und abzutöten. CRISPR wurde verwendet, um drei Gene zu entfernen: zwei, die den NY-ESO-1-Rezeptor stören können, und ein anderes, das die krebsabtötenden Fähigkeiten der Zellen einschränkt.

Bildnachweis: National Cancer Institute

Die Therapie beinhaltet vier genetische Veränderungen an T-Zellen , Immunzellen, die Krebs töten können. Erstens gibt die Zugabe eines synthetischen Gens den T-Zellen ein klauenartiges Protein (als Rezeptor bezeichnet ), das NY-ESO-1, ein Molekül auf einigen Krebszellen, „sieht“.

Dann wird CRISPR verwendet, um drei Gene zu entfernen: zwei, die den NY-ESO-1-Rezeptor stören können, und ein anderes, das die krebsabtötenden Fähigkeiten der Zellen einschränkt. Das fertige Produkt, NYCE-T-Zellen genannt, wurde in großer Anzahl gezüchtet und dann in Patienten infundiert.

"Wir hatten zuvor eine Studie mit NY-ESO-1-gerichteten T-Zellen durchgeführt und einige Hinweise auf eine verbesserte Reaktion und geringe Toxizität gesehen ", sagte der Studienleiter Edward Stadtmauer von der University of Pennsylvania. Er und seine Kollegen wollten sehen, ob das Entfernen der drei Gene mit CRISPR dazu führen würde, dass die T-Zellen noch besser funktionieren, sagte er.

Das Ziel dieser Studie war es, zunächst herauszufinden, ob die von CRISPR durchgeführte Behandlung sicher ist. Es wurde bei zwei Patienten mit fortgeschrittenem multiplem Myelom und einem mit metastasiertem Sarkom getestet. Alle drei hatten Tumoren, die NY-ESO-1 enthielten, das Ziel der T-Zelltherapie.

Erste Ergebnisse legen nahe, dass die Behandlung sicher ist . Einige Nebenwirkungen traten auf, aber sie wurden wahrscheinlich durch die Chemotherapiepatienten verursacht, die vor der Infusion von NYCE-Zellen erhalten wurden, berichteten die Forscher. Es gab keine Hinweise auf eine Immunreaktion auf die CRISPR-editierten Zellen.

Nur etwa 10% der für die Therapie verwendeten T-Zellen hatten alle vier gewünschten genetischen Veränderungen. In den modifizierten Zellen aller drei Patienten wurden Off-Target-Änderungen gefunden. Dr. Stadtmauer bemerkte jedoch, dass keine der Zellen mit nicht zielgerichteten Änderungen so wuchs, dass sie zu Krebs wurden.

Die Behandlung hatte einen geringen Einfluss auf die Krebserkrankungen der Patienten. Die Tumoren von zwei Patienten (einer mit multiplem Myelom und einer mit Sarkom) hörten für eine Weile auf zu wachsen, wuchsen aber später wieder. Die Behandlung funktionierte beim dritten Patienten überhaupt nicht.

Es ist aufregend, dass die Behandlung ursprünglich für den Sarkompatienten funktioniert hat, weil „ solide Tumoren mit der Zelltherapie viel schwieriger zu knacken waren“, sagte Dr. Stadtmauer. „Vielleicht verbessern [CRISPR] -Techniken unsere Fähigkeit, solide Tumoren mit Zellen zu behandeln Therapien. "

Obwohl die Studie zeigt, dass eine CRISPR-editierte Zelltherapie möglich ist, müssen die Langzeiteffekte noch überwacht werden, fuhr Dr. Stadtmauer fort. Die NYCE-Zellen sind „sicher, solange wir [die Studienteilnehmer] beobachtet haben. Unser Plan ist es, sie jahrelang, wenn nicht jahrzehntelang zu überwachen “, sagte er.

Weitere Studien zu CRISPR-Behandlungen folgen

Während die Untersuchung von NYCE-T-Zellen den ersten Versuch einer CRISPR-basierten Krebsbehandlung markierte, werden wahrscheinlich noch weitere folgen.

"Diese [Studie] war wirklich ein Beweis für Prinzip, Durchführbarkeit und Sicherheit, der jetzt die ganze Welt der CRISPR-Bearbeitung und anderer Techniken der [Gen-] Bearbeitung öffnet, um hoffentlich die nächste Generation von Therapien zu entwickeln", so Dr. Stadtmauer sagte.

Weitere klinische Studien zu CRISPR-Krebsbehandlungen sind bereits im Gange. In einigen Studien werden CRISPR-entwickelte CAR-T-Zelltherapien getestet, eine andere Art der Immuntherapie. Beispielsweise testet ein Unternehmen CRISPR-konstruierte CAR-T-Zellen bei Menschen mit B-Zell-Krebs und Menschen mit multiplem Myelom .

Es gibt noch viele Fragen zu allen Möglichkeiten, wie CRISPR in der Krebsforschung und -behandlung eingesetzt werden kann. Eines ist jedoch sicher: Das Feld bewegt sich unglaublich schnell und es tauchen ständig neue Anwendungen der Technologie auf.

"Die Menschen verbessern immer noch die CRISPR-Methoden", sagte Dr. Li. „Es ist ein ziemlich aktives Forschungs- und Entwicklungsgebiet. Ich bin sicher, dass CRISPR in Zukunft noch umfassendere Anwendungen haben wird. “

Quelle: National Cancer Institute

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