Faszinierende Aussichten: Therapie von COVID-19 und Influenza mittels der CRISPR/Cas13a- Genschere

Do, 18.03.2021 — Francis S. Collins

Die CRISPR-Gen-Editing-Technologie bietet enorme Möglichkeiten, um nicht vererbbare Veränderungen der DNA zu generieren, mit denen eine Vielzahl verheerender Erkrankungen - von HIV bis hin zu Muskeldystrophie - behandelt oder sogar geheilt werden kann. Kürzlich wurde nun in Tierexperimenten eine Studie durchgeführt, die auf ein andere Art der CRISPR-Genschere abzielt, nämlich auf eine, die virale RNA anstatt menschlicher DNA zerschneidet. Eine derartige Genschere könnte als ein zu inhalierendes antivirales Therapeutikum wirken, das vorprogrammiert werden kann, um potenziell fast jeden Grippestamm und viele andere Viren der Atemwege, einschließlich SARS-CoV-2, das Coronavirus, das COVID-19 verursacht, aufzuspüren und deren Auswirkungen zu vereiteln. Francis S. Collins, ehem. Leiter des Human Genome Projects und langjähriger Direktor der US-National Institutes of Health (NIH), die zusammen mit dem Unternehmen Moderna den eben zugelassenen COVID-19-Impfstoff mRNA-1723 designt und entwickelt haben, berichtet über neue Ergebnisse, die eine Revolution in der Therapie von Atemwegsinfektionen einläuten könnten.*

Die CRISPR/Cas13a-Genschere…

Andere CRISPR-Geneditierungssysteme basieren auf einer sequenzspezifischen Leit-RNA (Guide-RNA), mit deren Hilfe ein scherenartiges bakterielles Enzym (Cas9) genau an die richtige Stelle im Genom gelenkt werden kann, um dort krankheitsverursachende Mutationen auszuschneiden, zu ersetzen oder zu reparieren. Das neue antivirale CRISPR-System basiert ebenfalls auf einer solchen Leit-RNA. Allerdings wird hier nun ein anderes bakterielles Enzym namens Cas13a an die richtige Stelle im viralen Genom geleitet, um sodann an die virale RNA zu binden, diese zu spalten und damit die Vermehrung von Viren in Lungenzellen zu verhindern.

Die Ergebnisse solcher Versuche wurden kürzlich in der Zeitschrift Nature Biotechnology [1] veröffentlicht und stammen aus dem Labor von Philip Santangelo, Georgia Institute of Technology und der Emory University, Atlanta. Untersuchungen anderer Gruppen hatten schon früher das Potenzial von Cas13 aufgezeigt die RNA von Influenzaviren in einer Laborschale abzubauen [2,3]. In der aktuellen Arbeit haben Santangelo und Kollegen nun Mäuse und Hamster eingesetzt, um zu prüfen, ob dieses Enzym Cas13 tatsächlich im Lungengewebe eines lebenden Tieres wirken kann.

…eingeschleust in die Lunge von Versuchstieren…

Interessant ist, wie das Team von Santangelo dabei vorgegangen ist. Anstatt das Cas13a-Protein selbst in die Lunge zu transferieren, wurde eine Messenger-RNA (mRNA) mit der Bauanleitung zur Herstellung des antiviralen Cas13a-Proteins geliefert. Es handelt sich dabei um die gleiche Idee, die auch bei den auf mRNA basierenden COVID-19-Impfstoffen von Pfizer und Moderna realisiert ist: diese steuern die Muskelzellen vorübergehend in der Weise, dass diese virale Spike-Proteine produzieren, welche dann eine Immunantwort gegen diese Proteine auslösen. In aktuellen Fall übersetzen die Lungenzellen des Wirts die Cas13a-mRNA und produzieren das Cas13-Protein. Mit Hilfe der an dieselben Zellen abgegebenen Guide-mRNA baut Cas13a die virale RNA ab und stoppt die Infektion.

Da die mRNA nicht in den Zellkern gelangt, gibt es keine Interaktion mit der DNA und damit auch keinerlei mögliche Bedenken hinsichtlich unerwünschter genetischer Veränderungen.

Die Forscher haben Guide-RNAs entworfen, die für einen gemeinsamen, hochkonservierten Teil der Influenzaviren spezifisch waren, welche in der Replikation ihres Genoms und der Infektion anderer Zellen eine Rolle spielen. Sie haben auch ein weiteres Set von Guide RNAs für essentielle Teile von SARS-CoV-2 entworfen.

…wirkt sowohl gegen Influenza als auch gegen SARS-CoV-2-Infektion

Sodann haben die Forscher die Cas13a-mRNA mittels eines adaptierten Inhalators direkt in die Lunge von Tieren transferiert (dabei handelte es sich um ebensolche Inhalatoren, wie sie auch zur Abgabe von Medikamenten an die Lunge von Menschen verwendet werden). Waren die Mäuse mit Influenza infiziert, so baute Cas13a die Influenza-RNA in der Lunge ab und die Tiere erholten sich ohne erkennbare Nebenwirkungen. Die gleiche Strategie bei SARS-CoV-2-infizierten Hamstern limitierte die Fähigkeit des Virus, sich in Zellen zu vermehren, während sich die COVID-19-ähnlichen Symptome der Tiere verbesserten.

Diese Ergebnisse zeigen erstmals, dass mRNA verwendet werden kann, um das Cas13a-Protein in lebendem Lungengewebe zu exprimieren und nicht nur in vitro in einer Zellkultur. Es wird auch erstmals demonstriert, dass das bakterielle Cas13a-Protein die Vermehrung von SARS-CoV-2 verlangsamt oder stoppt. Letzteres lässt hoffen, dass dieses CRISPR-System schnell angepasst werden kann, um jegliche Art neuer zukünftiger Coronaviren zu bekämpfen, welche für die Menschen gefährlich werden können. Abbildung 1.

Fazit

Nach Ansicht der Forscher hat die CRISPR/Cas13a Strategie das Potenzial, gegen die überwiegende Mehrheit (99 %) der im letzten Jahrhundert weltweit verbreiteten Grippestämme zu wirken. Gleichermaßen sollte die Strategie auch gegen die neuen und ansteckenden Varianten von SARS-CoV-2, die derzeit weltweit im Umlauf sind, wirksam sein. Zwar sind weitere Studien erforderlich, um die Sicherheit eines solchen antiviralen Ansatzes aufzuklären, bevor er noch am Menschen ausprobiert wird. Es ist jedoch klar, dass - wie in diesem Fall - Fortschritte in der Grundlagenforschung ein enormes Potenzial zur Bekämpfung aktueller und auch zukünftiger lebensbedrohender Viren der Atemwege erbringen können.

References:

[1] Blanchard EL, et al., Treatment of influenza and SARS-CoV-2 infections via mRNA-encoded Cas13a in rodents. Nat Biotechnol. 2021 Feb 3. [Published online ahead of print.]

[2] Freije CA et al., Programmable inhibition and detection of RNA viruses using Cas13Mol Cell. 2019 Dec 5;76(5):826-837.e11.

[3] Abbott TR,  et al., Development of CRISPR as an antiviral strategy to combat SARS-CoV-2 and influenza Cell. 2020 May 14;181(4):865-876.e12.

<p>*Dieser Artikel von NIH Director Francis S. Collins, M.D., Ph.D. erschien zuerst (am 16. März 2021) im NIH Director’s Blog unter dem Titel: "CRISPR-Based Anti-Viral Therapy Could One Day Foil the Flu—and COVID-19"  https://directorsblog.nih.gov/2021/03/16/crispr-based-anti-viral-therapy-could-one-day-foil-the-flu-and-covid-19/. Der Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt und geringfügig für den Blog adaptiert. Reprinted (and translated by ScienceBlog) with permission from the National Institutes of Health (NIH).</p>

Weiterführende Links

NIH: COVID-19 Research

National Institute of Allergy and Infectious Diseases/NIH: Influenza:

Santangelo Lab Georgia Institute of Technology, Atlanta

CRISPR/Cas im ScienceBlog

Redaktion, 08.10.2020: Genom Editierung mittels CRISPR-Cas9 Technologie - Nobelpreis für Chemie 2020 an Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna

Christina Beck, 23.04.2020: Genom Editierung mit CRISPR-Cas9 - was ist jetzt möglich?

Francis S. Collins, 2.2.2017: Finden und Ersetzen: Genchirurgie mittels CRISPR/Cas9 erscheint ein aussichtsreicher Weg zur Gentherapie