Einführung von Professor Bob Williamson, FRS, Universität von Melbourne

Ich hoffe, dass all jene, die von Zystischer Fribrose betroffen sind die Gelegenheit nützen und folgenden Artikel von Chris Boyd lessen (sowie den gesamten Artikel online), auch wenn es für Laien etwas schwierig sein mag, da hier sämtliche Ansätze aus der ganzen Welt diskutiert werden. Folgender Artikel fasst diese Ansätze zusammen. CFW wird die entsprechenden Updates publizieren, sobald sie verfügbar sind.

Ebenso wie ihr leben wir ständig in einer “Welt der Mukoviszidose” und widmen uns der ganz der Aufgabe, Patienten mit Zystischer Fibrose das Leben einfacher zu gestalten. Jeder Erwachsene mit Zystischer Fibrose weiß wahrscheinlich sehr gut, dass jede Gruppe von Ärzten und Wissenschaftlern einen eigenen bevorzugten Ansatz haben. Der Artikel von Boyd erinnert uns daran, dass es sehr viele verschiedene Ansätze gibt und nicht nur die „Gentherapie“, die „Ionentransportmodifizierer“ oder „bessere Antibiotika“. In den 25 Jahren in denen ich die Zystische Fibrose erforsche gab es viele Fortschritte, die aus unterschiedlichen Gebieten stammen und die für die Patienten von Zystischer Fibrose mehr oder weniger wirksam sein können. Viele Fibrose-Patienten waren Kinder, als ich sie kennen lernte und sind mittlerweile Erwachsene, die einer Arbeit nachgehen, obgleich niemand behaupten möchte, dass das Leben mit Zystischer Fibrose ein Bett aus Rosen ist, so hat sich der Lebensstandard dennoch verbessert, sowohl hinsichtlich der Qualität als auch zeitlich betrachtet.

Als Initiator der ersten Liposomen Mukoviszidose Gentherapie, die in den frühen 90er Jahren in London durchgeführte wurde, war ich (selbstverständlich) enttäuscht darüber, dass wir alle die Probleme unterschätzt hatten, auf die wir bei der Einführung eines gesunden Gens in die Lungen von Mukoviszidose-Patienten hatte. Diese „Gentherapie“ zeigt erst jetzt positive Konsequenzen und muss wahrscheinlich mit neuen Stammzellen- und Genomtherapien kombiniert werden. Möglicherweise muss diese Therapie in der Kindheit oder sogar schon im Mutterleib beginnen. Dennoch sollten wir zufrieden sein darüber, dass bessere Mucolytika, bessere Antibiotika sowie bessere immun-suppresive und entzündungshemmende Medikamente immer wieder Erfolge zeigen. Den ZF Wohltätigkeitsorganisationen und Forschungsgruppen kann nicht genug dafür gedankt werden, dass sie dieses breite Anwendungsgebiet unterstützen, denn das garantiert eine bessere Behandlung von Zystischer Fibrose. Auch wenn die Verbesserungen nicht über Nacht kommen, so werden sie doch mit den Jahren deutlich werden.

Dieser Artikel ist Sam Hillyard gewidmet, der ihn ursprünglich in Auftrag gab.

Dr. Christopher Boyd
UK CF Gentherapie Consortium
Medical Sciences (Medical Genetics)
Universität von Edinburgh
Molecular Medicine Centre
Western General Hospital
Crewe Rd
Edinburgh
EH4 2XU UK
Updated Jänner 2005

Zusammenfassung
Wir verzeichnen große Fortschritte hinsichtlich unseres Verständnisses für ZF auf zellulärer und molekularer Basis. Dieser Artikel untersucht vom wissenschaftlichen Standpunkt aus, wie diese Erkenntnisse in der Praxis Verwendung finden können, sowohl in der herkömmlichen medikamentösen Behandlung sowie auch hinsichtlich der Gentherapie bei ZF.

 

Einführung

“Unser Wissen ist nicht vollständig – vieles muss erst noch erforscht werden.”

Obwohl die Lebenserwartung seit den 40er Jahren auf über dreißig Jahre und mehr gestiegen ist, gibt es noch immer keine angemessene Behandlung für Zystische Fibrose der Atemwege . Warum ist das so? Ein Grund ist sicherlich, dass die Ursache der Erkrankung bis zur Entdeckung des CFTR-Gens (Zystische Fibrose Ableitungsregulationsregulator durch Lap Chee Tsui und seine Kollegen in Toronto 1989 unbekannt war. Mit dieser Entdeckung wurde deutlich, dass der primäre molekulare Defekt der CF ein fehlerhaftes Protein ist, das für gewöhnlich als Chloridkanal fungiert. Aber das war erst der Anfang: in den darauffolgenden Jahren konnten wir feststellen, wie dieser mikroskopische Defekt zur Schädigung der Lunge führt. Noch immer ist unser Wissen nicht vollständig, und vieles muss erst noch erforscht werden. Derzeit gehen wir davon aus, dass durch das defekte CFTR Wasser aus dem den Luftwegen umgebenden Schleim absorbiert wird. Dadurch können die Flimmerhärchen nicht mehr ihrer Funktion nachkommen und der Schleim kann nicht abgetragen werden. Inhalierte Partikel bleiben somit lange auf der Oberfläche der Atemwege und Bakterien können sich ausbreiten und Lungenerkrankungen verursachen.
Es gibt zwei grundlegende therapeutische Ansätze. Man kann entweder die Lungenprobleme bekämpfen (Mikroben-Infektionen bekämpfen oder versuchen, die Schleimschicht zu modifizieren) oder aber die Grundursache bekämpfen (das fehlerhafte CFTR-Protein umgehen oder durch eine Gentherapie oder andere Maßnahmen ausschalten). Therapien, die die Grundursache bekämpfen sind erstrebenswert, wenngleich sie auch aufwendiger in der Entwicklung sind.

Von der Studie zur Anwendung: ein weiter Weg

“…eine bessere internationale Abstimmung der Versuchsreihen könnte die Zeitspanne auf 7-10 Jahre verkürzen.”

Zeit ist das größte Hindernis für neue Medikamente. Im Grunde genommen kann man die Entwicklung von Medikamenten in drei Stadien einteilen: (i) Forschung und Testreihen, (ii) klinische Versuche (Phasen I, II, III and IV), und (iii) behördliche Zulassung. Von der Entwicklung eines neuen Medikaments bis zu seiner Anwendung dauert es für gewöhnlich 15 Jahre und verusacht kosten in Höhe von 500 Mio. US Dollar. Dabei darf man jedoch nicht vergessen, dass sich nur ein kleiner Prozentsatz der Medikamente als geeignet erweist und in der Praxis Verwendung findet. Die gute Nachricht ist, dass mit modernen Verfahren und dem Einsatz modernster Technik die Zeitspanne auf 7 bis 10 Jahre verkürzt wird und die Kosten ebenfalls gesenkt werden. Die Cystic Fibrosis Foundation (CFF) der USA leistet mit ihrem Entwicklungsprogramm seit 19981 Pionierarbeit auf diesem Gebiet. Technologische Fortschritte ermöglichen ein schnelleres Testen von tausenden Präparaten täglich. Die CFF fördert diese Technologie seit 2000 unter Zusammenarbeit mit pharamazeutischen Betrieben (z.B. Aurora Biosciences) und Forschungseinrichtungen wie Alan Verkman. Anfang 2004 war CFF an 9 vorklinischen Studien sowie an 14 Versuchsreichen mit menschlichen Testpersonen beteiligt.

Die Behandlung der Symptome der ZF

Die symptomatische Therapie in der Lunge kann direkt erfolgen, indem man die Bakterien mit Antibiotika oder Impfungen bekämpft; oder indirekt, indem man die Auswirkungen in Grenzen hält. Beide Ansätze werden im folgenden diskutiert.

Antibiotika

“…Antibiotika müssen umsichtig verwendet und die Resistenzmuster genau kontrolliert werden”

Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist einer der Haupterreger der ZF Lunge und ihre Behandlung ist wesentlich für ZF; zahlreiche Therapien mit Antibiotika wurden zu ihrer Behandlung eingesetzt. Der Nachteil dabei ist eine relativ hohe Dosierung von Antibiotika. In letzter Zeit wurde TOBI (Chiron Corporation), ein Derivat von Tobramycin, eingesetzt, um das Pseudomonas direkt in der Lunge zu bekämpfen. Ein weiteres Antibiotikum, Colomycin (Pharmax), wurde ebenfalls erfolgreich eingesetzt. Das Problem bei Antibiotika ist die auftretende Immunität der Bakterien. Neueste Forschungsergebnisse aus England bestätigen, dass die Resistenz gegenüber der Antibiotika zur Pseudomonas-Bekämpfung bedenklich hoch ist: wir müssen die Antibiotika umsichtiger einsetzen und die Resistenzmuster genau kontrollieren.
Ein erfolgversprechender Ansatz ist die Impfung auf DNA-Basis. (Noch in der vorklinischen Phase.) Bei entsprechender Eignung sollen bereits Kinder geimpft werden und somit eine langfristige Immunität gegenüber Pseudomonas erlangen.

Behandlung des ZF Schleims
Die Viskosität oder Schleimbildung in den Luftwegen ist ein Hauptsymptom der ZF und begünstigt die Ansiedlung von Bakterien und anderen Krankheitserregern. Ironischerweise wird die Schleimbildung durch große Mengen von DNA, die durch geschädigte Neutrophile freigesetzt werden (Zellen, die bei ZF in großer Anzahl vorhanden sind), begünstigt. Die Annahme, dass durch die Bekämpfung der DNA von defekten Zellen die Viskosität verringert und dadurch die Schleimklärung verbessert würde, führte zur Entwicklung und dem breiten Einsatz von Pulmozymen (Gentech Corporation). Pulmozyme ist eine Kombination von menschlicher DNAse und wird als Spray inhaliert (dabei wird DNA aus zwei oder mehreren Quellen entnommen und in einem Molekül zusammengefügt).

“..eine wichtige Strategie ist die Erhöhung der Wirksamkeit der Medikamente”

Eine weitere Variante für diese Behandlung ist Nacystelyn (NAL), ein Derivat der Nahrungsergänzung N-Acetyl Zystein, das bereits lange in der ZF-Therapie angewandt wird. Im Jahr 2002 berichtete ein internationales Team unter der Führung von Dr. App über die Wirksamkeit von NAL (das als Trockenpulver inhaliert wird) für die Behandlung des Schleims. Offensichtlich erhöhte NAL den Wassergehalt des Schleims – eine wünschenswerte Erscheinung – und machte den Schleim dünnflüssiger. Es traten keine Nebenwirkungen auf, dennoch muss NAL erst weiter erprobt werden. Der Ansatz einer geringfügigen Modifizierung bestehender Medikamente für die Steigerung der Wirkung ist ein wichtiger Schritt in der Pharma-Forschung und könnte die langen Entwicklungszeiten erheblich senken.

Stimulierung alternativer Ionenkanäle
Dr Richard Boucher's Team in North Carolina untersucht Medikamente, die andere Chloridkanäle als den CFTR stimulieren und dessen defekte Funktionsweise ersetzen können. 2002 wurden Forschungsergebnisse eines Probanden, INS37217, veröffentlicht. Dieses Medikament ist das neueste der sogenannten P2Y-Reihe der Rezeptorenaktivatoren mit dem gewünschten Effekt. Das Neue an INS37217 ist eine höhere Stabilität (und eine damit verbundene längere Wirksamkeit) im ZF Sputum. Erstaunlich ist, dass es sowohl die Mucusproduktion als auch die Ziliarbewegung erhöht. Eine klinische Evaluierung von INS37217 wird derzeit vorgenommen.

Entzündungshemmer

“…Bisher waren die Laborergebnisse von AAT in menschlichen Tracheen erfolgreich”

Entzündungen sind ständige Begleiterscheinungen der ZF, obwohl ihre Ursachen unklar sind. Neutrophile (weiße Blutzellen, die bakterielle Infektionen bekämpfen) produzieren Enzyme, sogenannte Proteasen, deren Hauptfunktion die Schädigung der Bakterien sind. Das Epithel der Atemwege (Membrane, die die Atemwege umgeben), produzierte Antiprotease, um einer Schädigung der Lunge entgegenzuwirken. Der Überschuss an Neutrophilen verursacht zuviel Protease im Verhältnis zur Antiprotease, was Schädigungen der Lunge mit sich bringt. Die Wiederherstellung des Gleichgewichts durch Zufügen von natürlicher Antiprotease, dem Alpha-1-Antitryspsin (AAT) wurde zur umstrittenen Methode, da sich zeigte, dass AAT die Wirkung eines Aerosols hat und dieser Ansätz viele Nachteile verzeichnet. Dr. Pam Davis und Mitarbeiter entwickelten eine verbesserte Methode, bei der AAT einem Zielprotein angehängt wird (wenn es als Aerosol oder intravenous verabreicht wird) und das AAT auf die Oberfläche der Epithelzellen gebracht wird, wodurch die Nebenwirkungen vermieden werden. Die bisherigen Laboruntersuchungen waren für menschliche Trachealsektionen positiv. Es wird auch an Alternativen gearbeitet, die den Entzündungsfaktor hemmen sollen. Diese Art der Therapie ist sehr vielversprechend, wenngleich es vor allem nur bei einem sehr frühen Stadium nützlich sein wird.

“… Das nicht steroidale entzündungshemmende Medikament Ibuprofen zeigte bei klinischen Versuchen der ZF vielversprechende Ergebnisse”

In letzter Zeit wuchs das Interesse an nicht-steroidalen Behandlungen der ZF Lungenentzündungen, da sie nicht die Nebenwirkungen der kortikosteroiden Behandlung aufweist. Das nicht steroidale entzündungshemmende Medikament Ibuprofen zeigte bei den klinischen Versuchen mit ZF Patienten vielversprechende Ergebnisse: die Zahl der Zusammenbrüche der Lungenfunktion wurde deutlich gesenkt. Es wurde jedoch eine unerwünschte Toxizität festgestellt, wenn Ibuprofen in Kombination mit Antibiotika der Gruppe Aminoglycoside angewendet wurde. Bis die toxische Interaktion völlig erforscht ist, wird die Verwendung von Ibuprofen bedenklich bleiben.
Schließlich wurden auch die entzündungshemmenden Eigenschaften der Antibiotika Makroliden mit verstärktem Interesse untersucht.
Diese Medikamente wirken auf mehrfache Weise. So zeigte sich, dass das Makrolid Clarithromycin den Biofilm angreift, der für das Wachstum des Pseudomonas in der erkrankten Lunge verantwortlich ist. Das Interesse an Azithromycin, das ursprünglich für die Behandlung der diffusen Panbronchiolitis eingesetzt wurde, stieg enorm. Es wurden zahlreiche Tests unternommen, die vielversprechende Resultate erzielten. Die Funktionsweise der Makroliden innerhalb der ZF ist jedoch noch nicht gänzlich geklärt, obwohl die Meinung vorherrscht, dass die entzündungshemmenden Eigenschaften überwiegen. Die Ergebnisse des Azithromycin waren so überzeugend, dass die Verabreichung unter bestimmten Bedingungen an ZF Patienten als zusätzliche Therapie empfehlenswert geworden ist. Es herrscht noch kein Konsens bezüglich der Wirksamkeit und eine große Anzahl von Test ist noch notwendig, um die genaue Wirkungsweise und die präzise Dosierung zu erforschen.

Die Behandlung der Ursachen der ZF

Die Hauptmotivation der Ursachenbehandlung ist, dass alle Symptome in Zusammenhang mit dem defekten Protein kompensiert werden. So gut wie alle Therapien dieser Art befinden sich noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium. Es muss darauf hingewiesen werden, dass viele Präparate in Laborexperimenten und einfachen Modellen funktionieren, bereits aber in Tierversuchen Toxizität oder andere unerwünschte Nebenwirkungen zeigen.

CFTR als Behandlungsziel
Unser detailliertes Wissen über CFTR verwenden wir, um Medikamente zu entwickeln, die die Funktion des defekten CFTR verbessert oder (wir bereits festgestellt) die Aktivität anderer Proteine stimulieren, die es ersetzen können. Manche Medikamente sind schon seit langer Zeit in Verwendung und für Laborforschungen von unschätzbarem Wert, jedoch noch immer nicht in klinischer Verwendung. Genistein, ein CFTR-Aktivator, ist ein bekanntes Beispiel. Das kann sich aber bald ändern: für Tests an einer Kombinationstherapie von Phenylbutyrate und Genistein werden am Kinderkrankenhaus von Philadelphia derzeit Patienten für die Erprobung gesucht (NLM Identifikator NCT00016744).
In den letzten Jahren schlugen Dr. Freedman und andere Amerikaner Docosahexaenate (DHA), eine vielfach ungesättigte Fettsäure für die Behandlung von Mukoviszidose vor. (DHA wird als Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt). Dadurch könnte das DHA/arachidonische Fettsäure Ungleichgewicht in ZF Zellen beseitigt werden. Die Forschung befindet sich noch in der vorklinischen Phase und die anfängliche Begeisterung für diesen neuen Ansatz ist deutlich zurückgegangen.

Die F508del Mutation

“Mehrere Probemedikamente scheinen F508del-CFTR zu mobilisieren”

Die meisten ZF Patienten weisen die F508del Variante des CFTR auf, darum liegt das Hauptaugenmerk auf der Erforschung der Eigenschaften dieses Proteins. Sogenannte proteinmobilisierende Medikamente sollen die Vorteile des Wachstums nachahmen. Dennoch wäre ein derartiges Medikament nicht ausreichend, da das F508del Protein die Zelloberfläche der Patienten erreicht und dann nicht so funktionell ist, wie ein normales CFTR. Wir müssen Medikamente finden, die die Aktivität des F508del verstärken.
Mehrere Medikamente scheinen die Mobilität zu fördern, einschließlich MPB Präparate der Benzoquinolizinium-Gruppe. Dr. Bob Dormer und Team bewiesen unter Zusammenarbeit mit Dr. Fred Becq´s Team in Cardiff, dass die Behandlung von F508del in Zellen der Nase mit MPB Präparaten für eine bessere Ableitung der CFTR in die Zelloberfläche sorgte. Unter bestimmten Voraussetzungen konnte das Präparat auch die Chloridkanalfunktion stimulieren.
Von einer ähnlichen Wirkungsweise berichten Dr. Marie Egan und Kollegen in Yale 2002 über Thapsigargin., einem Calciumpumpeninhibitor. Dies widerspricht veröffentlichten Ergebnissen, denenzufolge Thapsigargin die Funktionsweise der Proteine behindert. Laut Dr. Egan bilden einige Proteine, unter ihnen F508del-CFTR, eine Ausnahme zu dieser Regel. Die Kärung der Wirkung von Thapsigargin wird mit großem Interesse verfolgt. Curcumin, ein ähnliches Präparat, korrigierte laut Dr. Egan und Kollegen 2004 F508-del CFTR-Defekte bei Mäusen, unglücklicherweise konnte dieser Effekt bei Menschen nicht festgestellt werden. Darüber hinaus gelang es den Wissenschaftlern in anderen Labors nicht, den Effekt von Curcumin bei Mäusen zu wiederholen.

Weiteres mutierte Formen des CFTR
Viele Forschungen beziehen sich auf die Entdeckung und Analyse von Medikamenten, die sämtliche mutierte Formen von CFTR aktivierten. Dr. David Sheppard und seine Kollegen in Bristol untersuchen so z.B. Phloxine B und ähnliche Präparate, die für gewöhnlich als kommerzielle Nahrungsmittelfarben verwendet werden. Frühe Studien belegen, dass diese Präparate CFTR in Zellkulturen aktivieren und verhindern. Diese Medikamente sind besonders interessant, da sie in Lebensmitteln verwendet werden und ihre Nichttoxizität bewiesen ist.

High Throughput Screening (HTS)

“Dr. Verkmans Gruppe und andere untersuchen mehr als 100000 Präparate mittels HTS, um Medikamente zu finden, die defekte CFTR aktivieren oder mobilisieren.”

Dr. Alan Verkman und seine Kollegen arbeiten in San Francisco an einem CFF-geförderten Medikamente-Erforschungs-Programm. In ihrer ersten Studie wurden hunderte Flavone und Benzoquinolziniumderivate in einem speziellen Zellsystem gescreent, das entworfen wurde, um jene Wirkstoffe zu finden, die die CFTR-Aktivitäten beeinflussen. Bestimmte 7,8-Benoflavone waren am aktivsten, eines im speziellen konnte die CFTR-Aktivität verhindern. Wenngleich dieses Medikament bei ZF Patienten nicht eingesetzt werden kann, so ist es doch für weiter Forschungen im Labor von ausschlaggebender Bedeutung. Möglicherweise könnte es auch zur Behandlung von Cholera eingesetzt werden. Nach diesem erfolgversprechenden Beginn untersuchten Dr. Vermans Team und andere mittels HTS über 100000 Präparate, um Medikamente zu finden, die defekte CFTR aktivieren oder mobilisieren. Die Fortschritte sind beachtlich; ein Inhibitor des CFTR wurde identifiziert und könnte auch bei der Behandlung von Cholera von großer Bedeutung sein. Jene Präparate, die in vitro CFTR aktivieren oder mobilisieren werden zur Zeit in vivo erforscht. Im Moment wäre es verfrüht, Aussagen darüber zu machen, ob es zu einer klinischen Anwendung kommen wird.

Modifikatorengene

Ein Hauptgebiet der Forschung richtet sich auf die Identifizierung jener Gene, die in der Lage sind, den ZF Defekt zu modifizieren. Die Genom-Projekte der letzten zehn Jahre haben wesentlich dazu beigetragen.

Wie bei vielen Erbkrankheiten gibt es auch bei Mukoviszidose individuelle Unterschiede. Auch äußere Umstände beeinflussen den Verlauf der Krankheit, aber die genetischen Voraussetzungen des einzelnen Patienten sind dennoch wichtig. Manche F508del Patienten erkranken bereits sehr früh ernsthaft, wohingegen andere ein halbes Leben oder länger gesund bleiben. Warum ist das so? Wir wissen, dass es Gene für Proteine gibt, die:
(i) Direkt mit CFTR interagieren,
(ii) als Ionenkanal fungieren,
(iii) an Entzündungen beteiligt sind und
(iv) eine direkte antibakterielle Aktivität aufweisen.
Solche und ähnliche Gene sind potentielle Modifikatorengene, die den Verlauf der Krankheit beeinflussen. Ein hypothetisches Beispiel: Angenommen, das Gen X ist für den Ionenkanal P verantwortlich. X könnte in zwei Formen existieren, wobei eine Form für P günstiger ist als die andere. Jene Patienten, die zufällig die günstigere Form von X haben, würden demnach nicht so gravierende Symptome aufweisen, weil das aktivere P in der Lage ist, den CFTR Defekt zu kompensieren.

“ Jedes ZF Modifikatorengen und –protein, das für Menschen relevant ist, erweitert das Forschungsfeld für ZF-Medikamente erheblich.“

Mäuse eignen sich hervorragend, um die Identifizierung der Modifikatorengene zu untersuchen. Zusätzlich vereinfachen Genome und Proteome – eigene Disziplinen, die nach neuen Möglichkeiten suchen, um große Mengen von Genen und Proteinen gleichzeitig zu untersuchen – die Identifikation jener Gene. Sobald ein Modifikatorengen in der Maus identifiziert ist, wird es auf ihre Relevanz bei Menschen hin untersucht, indem man das äquivalente menschliche Gen in Familien und vor allem bei Zwillingen mit ZF analysiert. Jedes ZF Modifikatorengen und –protein, das für die Menschen von Bedeutung ist, eröffnet neue Möglichkeiten in der ZF Medikamentenforschung.

Gentherapie

“…frühe Versuche des Transfers von normalen Genen bei den Patienten (durch einen modifizierten Virus oder einem synthetischen Träger) erwiesen sich als Fehlschläge”

ZF Gentherapie besteht im Transfer normaler CFTR (in Form von DNA) in die betroffenen Zellen der Atemwege des Patienten, wo sie ungeschädigte CFTR Proteine bilden und die Zellen zu einer normalen Funktionsweise anregen. Gleich mit der Entdeckung des CFTR Gens wurde die Gentherapie enthusiastisch betrieben und weiterentwickelt. Aus zwei Gründen erschien die Gentherapie bei ZF vielversprechend: erstens, weil das entsprechende Gewebe, das Epithel der Atemwege leicht zugänglich ist und zweitens herrschte die Annahme, dass lediglich 5% normale CFTR Funktion ausreichen würden, um den Defekt zu beheben. Beide Annahmen sind nach wie vor gültig, aber die Gentransferversuche (durch einen modifizierten Virus oder einen synthetischen Träger) waren enttäuschend. Versuche zeigten, dass das Verfahren sicher war, dass das Gen in die Lungenzellen gelangte und dass CFTR funktionierte: aber die Produktion war zu gering und das normale Gen hörte nach wenigen Tagen zu arbeiten auf.
Wir wissen nun, dass das Lungenepithel gegenüber der Gentherapie einige Hindernisse bereitstellt, welche über einen Zeitraum von über einer Million Jahre entwickelt wurde, um die Lungen gesund und in der Lage erhalten, Sauerstoff zu transportieren und umzuwandeln. Für das Epithel ist die Gentherapie nur eine Art von Angreifern, die bekämpft werden müssen. Die Kurzlebigkeit der Gene zeigte in frühen Versuchen, dass das ein Aspekt der Verteidigung ist, um bösartige Eindringlinge wie Viren fernzuhalten. Bei ZF Lungen ist das noch ausgeprägter, da die Schleimschicht viele Arten von Gentherapien einschließt und ihr effizientes Eindringen in die Zellen verhindert.

“…modifizierte Viren waren die am meisten verwendeten Träger oder Vektoren für den Transfer normaler CFTR in der Gentherapie”

Die größte Herausforderungen in der ZF Gentherapie besteht darin, diese Barrieren zu überwinden. Von Viren wie dem Adenovirus konnten wir sehr viel lernen, da sie über effiziente Methoden des Eindringens in die Zelle verfügen. Modifizierte Viren waren vorwiegend Träger (oder Vektoren) in der Gentherapie.
Bis wir ein Lösung gefunden haben, wie die eingeführten Gene länger arbeiten, müssen wir die Gentherapie in bestimmten Abständen durchführen. Die Wirkungsweise des Immunsystems (auch bei ZF Patienten) bezüglich der Resistenz bedeutet, dass Viren nicht langfristig als Träger verwendet werden können. Außerdem wurde kürzlich von Gegenwirkungen (bei nicht ZF) Gentherapie-Versuchen mit Viren berichtet. Aufgrund dieser Nachteile wird derzeit nach non-viralen oder synthetischen Formen des Transfers des CFTR-Gens gesucht. Der Einsatz von Viren zeigt zu viele Nebenwirkungen. Der größte Nachteil der non-viralen Übertragung ist die relative Ineffizienz, weswegen neue Methoden der Beifügung kleiner Proteinstücke erprobt werden, die sich auf den Epithelzellen ablagern sollen. Durch diese und andere Methoden erhöhen wir die Übertragungseffizienz und erwarten uns gute Ergebnisse für die nahe Zukunft.

Neueste Entwicklungen

“kürzlich veröffentlichte Ergebnisse bestätigen partielle Wiederherstellung der CFTR Funktion”

In den USA wurden kürzlich zwei Gentherapien vorgestellt. In einer, (ein Phase II Test) wurde ein Adeno-assoziierter Virus mit CFTR in den Kieferhöhlen von 23 Patienten mit Antrostomies eingebracht (einer Öffnung in der Kieferhöhle, die als Drainage fungiert). Die Behandlung war sicher und wurde gut vertragen, die letzten Messungen zeigten jedoch keine statistisch signifikanten Änderungen, wodurch ein positiver Effekt nicht gewährleistet ist.
In der anderen (Phase I) wurde eine eigene non-virale Rezeptur, die DNA Nanopartikel beinhaltet, nasal bei 12 Patienten appliziert, um das CFTR zu übertragen. Es gab keine nennenswerten Nebenwirkungen und interessanterweise kam es, wie bereits bei früheren Versuchen dieser Art, zu einem Korrekturtrend der potenziellen Unterschiede im Verhältnis zu den behandelten Patienten. Die Ergebnisse wurden erst kürzlich veröffentlicht und die partielle Wiederherstellung der CFTR Funktion bestätigt. Weitere Studien dieses Verfahrens finden statt.

Neue Ansätze in der ZF Gentherapie

“Die ehrgeizigen Bestrebungen erlaubten uns, mit vereinten Kräften neue Ansätze in der ZF Gentherapie zu evaluieren und formulieren”

Der ZF Fond gründete das UK ZF Gentherapie Konsortium (UKCFGTC), das die Untersuchungen von drei führenden ZF Gentherapiezentren, der Oxford University, des London Imperial College und der Edinburgh University, koordiniert und kombiniert. Dadurch können wir mit vereinten Kräften neue Ansätze in der ZF Gentherapie besser evaluieren und formulieren. Für 2006 ist eine klinische Versuchsreihe vorgesehen, vorklinische Test für Gentransfer sind im Gange. Neue Ansätze, die von der UKCFGTC untersucht und entwickelt werden, darunter auch einige futuristische, werden im folgenden beschrieben.

Wie kann man eine langfristige CFTR Produktion ermöglichen?
Wie bereits erwähnt, funktionierte die erste Generation der Gentherapievektoren nur kurzfristig, was eine Verbesserung erforderlich machte, um einen langfristigen Nutzen sicher zu stellen. Mein Team in Edinburgh entwickelt und testet große Vektoren mit größeren Mengen natürlichen CFTR-Genen als die bisherigen Vektoren, mit der Erwartung auf ein besseres Ergebnis.Derzeit arbeiten wir an der Verbesserung der Übertragungseffizienz; die Erprobung dieser Vektoren in vivo ist geplant.
Eine wichtige Erkenntnis von früheren non-viralen Gentherapie-Versuchen war, dass DNA verwendet wurde und diese aufgrund ihrer bakteriellen Herkunft von Lungenzellen als fremd eingestuft wurde und somit spezielle Mechanismen ausgelöst wurden, die eine Entzündung mit sich brachten. Wir wissen jetzt, dass die Eigenschaften der DNA dafür verantwortlich ist. Um eine rasche Anwendung zu ermöglichen, entwickeln die Wissenschaftler der UKCFGTC in Oxford kleine Vektoren mit verbessserten CFTR Gensequenzen, die CFTR in einer nachhaltigen und nicht-entzündlichen Form produzieren.

Stem cells

“…herausragende neue Fortschritte in der Stammzellenforschung ermutigen uns zu glauben, dass dieser Ansatz vielversprechend ist, wenngleich noch jahrelange Forschung erforderlich ist”

Stammzellen sind vermutlich in den meisten Organen einschließlich der Lunge zu finden und teilen sich, wenn es darum geht, tote oder sterbende Zellen zu ersetzen. Das Ziel ist es, eine Isolierung und ein Wachstum der Stammzellen aus den Lungen der Patienten im Labor durchzuführen, wodurch die Übertragung von normalen ZF Genen vorgenommen werden kann. Die reparierten Zellen können dann wieder dem Patienten übertragen werden, wo sie sich in der entsprechenden Stelle an den Luftwegen einnisten würden. Sobald eine ausreichende Menge an reparierten Zellen angehäuft ist, könnten sie für eine normale CFTR Produktion in den Epithelzellen sorgen und so die Erkrankung mindern. Obwohl wir noch nicht genau wissen, wie wir diese Theorie in die Praxis umsetzen werden, so haben vor allem kürzlich herausragende Fortschritte in der Stammzellenforschung dazu geführt, dass wir diesen Ansatz weiter verfolgen werden, wenngleich noch jahrelange Forschung erforderlich ist. Wir sind durch die Erfolge der auf Knochenmark basierenden Gentherapie zuversichtlich, welche sich bei der Behandlung von Babys, die unter X-linked SCID leiden, als überaus wirksam erwiesen hat.

Elektroporation
Wir wir gesehen haben, ist die Übertragung von DNA in die Lungenzellen schwierig. Eine Möglichkeit, die Energie aufzubringen, um die DNA in die Zellen zu bringen nennt man Elektroporation. Dabei wird mit kurzen Stromschlägen kleine Löcher in die Zellen gemacht, die es der DNA ermöglichen, ins Innere der Zelle zu gelangen. In den Labors gelingt dies seit Jahren, und nun haben Forscher bewiesen, dass das auch in vivo funktioniert. Die Herausforderung besteht darin, eine sanfte und sichere Methode zu entwickeln, um dieses Verfahren in den Lungen der Patienten anwenden zu können. Die UKCFGTC untersucht, ob Elektroporation eine machbare Methode ist, um die Gentherapie in der Lunge zu erweitern. Das ist nur eine von vielen physikalischen Methoden der Genübertragung, die von der UKCFGTC erforscht wird.

Reparieren defekter Gene

“…der Beweis, dass diese Technologie funktioniert ist ein notwendiger erster Schritt, um die Wirksamkeit zu verbessern.“

Seit kurzem wird dazu übergegangen, das defekte Gen zu reparieren. Kurz gesagt wird dabei ein kleines Stück normaler CFTR DNA angebracht, die als Vorlage dafür dienen soll, dass die Zelle den mutierten Teil des CFTR Gens reparieren kann. Diese Methode funktioniert im unterschiedlichen Ausmaß im Labor, aber UKCFGTC und andere Wissenschaftler fanden heraus, dass die Effizienz in den Epithelzellen viel zu gering ist. Obwohl diese Methode prinzipiell interessant ist, muss eine klare Demonstration der Wirksamkeit in den Zielzellen erfolgen, bevor wir diesen Ansatz der ZF Gentherapie entgegenhalten können.

Ein ähnlicher Ansatz, der von Dr. Engelhardt und Kollegen in Iowa entwickelt wird, besteht darin, mRNA zu reparieren und nicht die DNA. (Die Zelle produziert ein Message oder Botschaft, die mRNA Kopie von der DNA jedes Gens ist, und aus dem ein Protein wird.) Durch ein hochkomplexes Verfahren konnte die F508del Mutationen in Zellen und bei Mäusen korrigiert werden. Die Wirksamkeit ist derzeit für die klinische Anwendung in vivo zu gering, als Teil der Stammzellentherapie könnte sie jedoch Anwendung finden.

Schlussfolgerung

"Viele sind der Meinung, dass eine mehrfache Behandlung, die Kombination aus Medikamenten und Gentherapie, erfolgreich sein wird”

Es ist schwierig, Pharmakonzerne zu überreden, hohe Summen in die Entwicklung für Therapien der ZF zu stecken, da ZF eine relativ seltene Krankheit ist. Das bedeutet, das Wohltätigkeitsvereine ebenso wie akademische Gruppen einen Großteil der notwendigen Arbeit leisten. Nichtsdestotrotz werden sämtliche High-tech Utensilien für die Entwicklung von medikamentöser Therapie sowie für Gentherapie für die Behandlung von ZF eingesetzt. Die US CFF fördert die intensive Erforschung neuer Medikamente. Präparate mit möglichen herausragenden Eigenschaften wurden bereits entdeckt und das wird auch zukünftig so sein. Vor allem jene Medikamente, die F508del-CFTR auf aktive Weise auf der Zelloberfläche in vivo mobilisieren, sind zur Zeit am vielversprechendsten.

Wegen der oben genannten Gründe erwies sich die Gentherapie schwierige, als anfänglich angenommen. In den letzten Jahren zeigten sich bei Gentherapien für andere Erkrankungen jedoch Erfolge, was die UKCFGTC veranlaßt, auf diesem Gebiet weiterhin zu forschen. Die bedeutendste Herausforderung besteht in der Übertragung auf die Lungenzellen, aber dabei könnte sich die eine oder andere physikalische Methode als wirksam erweisen. Es ist unmöglich vorherzusagen, ob die Behandlung von Mukoviszidose auf medikamentöser oder gentherapeutischer Basis besser funktioniert: beide Ansätze haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Viele sind der Meinung, dass eine kombinierte Behandlung aus Medikamenten und Gentherapie erfolgreich sein wird.

Organisationen wie Cystic Fibrosis Worldwide und nationale ZF Gesellschaften spielen eine wesentliche Rolle in der Koordinierung von Versuchsreihen und der rascheren Verfügbarkeit neuer Therapien. Sie sind es auch, die wertvolle Foren zur Verfügung stellen, wo sich Ärzte, Forscher und Patienten austauschen können und die Behandlung von Zystischer Fibrose diskutieren können.

Danksagung
Mein Dank gebührt dem UK CF Fond für die Unterstützung meiner Forschung und meinen Kollegen der ZF Forschungsgruppe (besonders jenen im UK CF Therapiekonsortium) für die hilfreichen Diskussionen.
A Christopher Boyd PhD
UK CF Gene Therapy Consortium
Medical Sciences (Medical Genetics)
University of Edinburgh
Molecular Medicine Centre
Western General Hospital
Crewe Rd
Edinburgh
EH4 2XU UK
Updated January 2005

Anmerkungen des Verlegers:
Für einen Quellennachweis dieses Artikels kontaktieren Sie uns bitte unter editor@cfww.org

Folgende web-Seiten informieren über den Forschungsstand spezifischer Medikamente:

http://www.cff.org/research/cystic_fibrosis_foundation_therapeutics/
therapeutics_devl_network/

http://www.clinicaltrials.gov/show/NCT00016744)
http://www.cff.org/news/press_releases.cfm?ID=85