CRISPR-Cas9
ArzneimittelgruppenMit der CRISPR-Cas9-Methode kann das Genom von lebenden Organismen präzise und gezielt bearbeitet werden. Das System erlaubt die Aktivierung, Inaktivierung und Veränderung genetischer Information. Es basiert auf einem Abwehrmechanismus von Bakterien gegen fremde DNA und ist vergleichsweise einfach, schnell und kostengünstig durchführbar. Ein medizinischer Einsatz ist für zahlreiche Anwendungsgebiete möglich. In den USA wurden im Jahr 2023 Medikamente auf dieser Basis für die Indikation Sichelzellanämie zugelassen. GenomeditierungMit dem CRISPR-Cas9-System ist es möglich geworden, das Genom eines beliebigen Organismus – also beispielsweise eines Bakteriums, eines Tieres, eine Pflanze oder dasjenige des Menschen – gezielt und punktgenau zu verändern. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Genomeditierung („Genome Editing“) und von einer Genomchirurgie. Die Methode wurde erstmals im Jahr 2012 beschrieben und wird derzeit weltweit intensiv erforscht und genutzt (Jinek et al., 2012).
Das CRISPR-Cas9-System wurde ausgehend von einem Abwehrmechanismus des adaptiven Immunsystems von Bakterien entwickelt. Es ermöglicht den Prokaryonten, unerwünschte und infektiöse DNA, zum Beispiel von Bakteriophagen oder Plasmiden, zu entfernen.
- CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Es sind wiederholende DNA-Sequenzen im Erbgut von Bakterien.
- Cas9 steht für CRISPR-associated.
Wie funktioniert das CRISPR-Cas9-System? Das Cas9-Protein ist eine sogenannte Endonuklease, also ein Enzym, welches Nukleinsäuren und in diesem Fall den DNA-Doppelstrang schneidet.
Cas9 ist an eine RNA gebunden, die neben einem konstanten zusätzlich einen variablen Anteil enthält, welcher eine spezifische Ziel-DNA-Sequenz erkennt. Dieser RNA-Anteil wird als sgRNA (small guide RNA) bezeichnet. Die sgRNA interagiert mit der DNA, die von der Nuklease geschnitten werden soll.
Der daraus entstandene Doppelstrangbruch kann von zelleigenen Reparaturmechanismen ergänzt werden. Dies kann zu Mutationen führen kann, die zum Beispiel für die Pflanzenzüchtung von Interesse sind.
Mit einer RNA-Vorlage kann aber auch ein neuer Genabschnitt eingefügt werden, um beispielsweise die Funktion eines defekten Gens wiederherzustellen. Und schliesslich können so auch krankmachende Gene inaktiviert werden.
Damit das CRISPR-Cas-System in die Zellen gelangt, ist zusätzlich eine Verabreichungsmethode erforderlich. Dazu können zum Beispiel virale Vektoren, Liposomen oder physikalische Methoden zum Einsatz kommen.
Das System unterscheidet sich von anderen Methoden durch seine relative Einfachheit, seine Universalität, Schnelligkeit und im Preis. CRISPR-Cas kann grundsätzlich direkt am Menschen angewandt werden oder auch an Zellen, welche einem Patienten entnommen, modifiziert, vermehrt und anschliessend wieder zugeführt werden. Dies wird als Ex-vivo-Behandlung oder als autologe Transplantation bezeichnet.
IndikationenCRISPR-Cas9 spielt heute, nur wenige Jahre nach der Beschreibung der Methode, schon in der Forschung und bei der Herstellung von Medikamenten eine wichtige Rolle.
Im Jahr 2023 wurde in den USA erstmals Arzneimittel auf dieser Basis für die Indikation Sichelzellanämie zugelassen.
Die potentiellen medizinischen Anwendungsgebiete sind sehr zahlreich. Dazu gehören beispielsweise schwere genetische Erkrankungen wie die Muskeldystrophie Duchenne, die zystische Fibrose, Infektionskrankheiten wie HIV und Hepatitis, Hämophilien und Krebserkrankungen.
CRISPR-Cas9 und ähnliche Methoden der Genomeditierung eröffnen erstmals die Möglichkeit, Krankheiten nicht nur symptomatisch zu behandeln, sondern sie auf Ebene der Erbinformation zu heilen.
Unerwünschte Wirkungen und RisikenEin mögliches Problem ist die Selektivität der Methode. Es ist möglich, dass mit CRISPR auch an anderen unerwünschten Stellen im Genom genetische Veränderungen entstehen. Man spricht von „Off-Target-Effekten“. Diese können gefährlich sein und zu Nebenwirkungen führen. Zudem muss die Effizienz des Systems noch erhöht werden.
Im Menschen können neben den somatischen Zellen und Stammzellen auch Keimzellen manipuliert werden, was zu einer Vererbung der veränderten Gene führt. So wurde beispielsweise bereits gezeigt, dass CRISPR-Cas9 bei Embryonen angewandt werden kann, was die Angst von „Designerbabys“ schürt und weitreichende Konsequenzen für die zukünftige Entwicklung der Menschheit nach sich ziehen könnte. Der Eingriff in die Keimbahn ist stark umstritten und in den meisten Ländern untersagt.
siehe auchLiteratur- Arzneimittel-Fachinformation (USA)
- Charpentier E., Doudna J.A. Biotechnology: Rewriting a genome. Nature, 2013, 495(7439), 50-1 Pubmed
- Doudna J.A., Charpentier E. Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science, 2014, 346(6213), 1258096 Pubmed
- Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., Hauer M., Doudna J.A., Charpentier E. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 2012, 337(6096), 816-21 Pubmed
- Nicol D. et al. Key challenges in bringing CRISPR-mediated somatic cell therapy into the clinic. Genome Med, 2017, 9(1), 85 Pubmed
- Thurtle-Schmidt D.M., Lo T.W. Molecular biology at the cutting edge: A review on CRISPR/CAS9 gene editing for undergraduates. Biochem Mol Biol Educ, 2018, 46(2), 195-205 Pubmed
- Weitere Quellen
Interessenkonflikte: Keine / unabhängig. Der Autor hat keine Beziehungen zu den Herstellern und ist nicht am Verkauf der erwähnten Produkte beteiligt.