In der Welt der modernen Medizin weckt kaum eine Technologie so viel Hoffnung und eröffnet so viele Möglichkeiten wie CRISPR, ein revolutionäres Werkzeug zur Gen-Editierung. Die Fähigkeit, den genetischen Code präzise zu „schreiben“ und zu „löschen“, bietet das Potenzial, Erbkrankheiten auszurotten, Krebs zu bekämpfen und Zustände zu heilen, die bis vor kurzem als unheilbar galten. Doch trotz des enormen Versprechens steht die vollständige Anwendung dieser Technologie vor einem fundamentalen Hindernis: der sicheren und effizienten Lieferung des CRISPR-Mechanismus zu den Zielzellen im menschlichen Körper. Nun hat ein Team von Chemikern der Northwestern University eine innovative Nanostruktur entwickelt, die der Schlüssel sein könnte, um das volle therapeutische Potenzial von CRISPR zu entfalten.

Das Hindernis, das die medizinische Revolution bremst

Damit das CRISPR-System seine Aufgabe erfüllen kann – sei es das Ausschalten eines fehlerhaften Gens, die Reparatur einer Mutation oder das Einfügen neuen genetischen Materials – müssen seine Schlüsselkomponenten unversehrt an den richtigen Ort gelangen. Zu diesen Komponenten gehören das Enzym Cas9, das als molekulare Schere fungiert, eine Leit-RNA (gRNA), die diese Schere an die exakte Stelle im Genom lenkt, und oft auch eine DNA-Reparaturvorlage, die die Zelle als Muster für die Korrektur verwendet. Das Problem ist, dass diese komplexe molekulare Fracht die Zellmembran nicht von allein durchdringen kann. Sie benötigt ein Lieferfahrzeug.

Derzeit werden in der Forschung und in klinischen Studien am häufigsten zwei Liefermethoden verwendet. Die erste sind modifizierte virale Vektoren. Viren sind von Natur aus äußerst geschickt darin, ihr genetisches Material in Zellen einzuschleusen, was sie zu sehr effizienten „Kurieren“ macht. Ihre Verwendung birgt jedoch erhebliche Risiken. Sie können eine starke Immunantwort des Körpers auslösen, was zu gefährlichen Entzündungsreaktionen führen kann. Es besteht auch die Befürchtung einer unbeabsichtigten Integration der viralen DNA in das Genom des Patienten, was unvorhersehbare langfristige Folgen haben kann.

Die zweite, sicherere Alternative sind Lipid-Nanopartikel (LNP). Dabei handelt es sich um winzige Fettbläschen, die die CRISPR-Komponenten umhüllen und schützen können. Genau diese Technologie wurde weltweit bekannt, weil sie zur Lieferung von mRNA in Impfstoffen gegen die COVID-19-Krankheit verwendet wird. Obwohl sie erheblich sicherer sind als Viren, sind LNP-Partikel ziemlich ineffizient. Ein großer Teil von ihnen erreicht nie die Zielzellen, und diejenigen, die es schaffen, bleiben oft in zellulären Kompartimenten namens Endosomen gefangen. Aus diesen „zellulären Gefängnissen“ wird die Fracht nur schwer freigesetzt, was bedeutet, dass nur ein kleiner Prozentsatz des CRISPR-Mechanismus schließlich den Zellkern erreicht, wo er seine Arbeit verrichten soll.

Die revolutionäre Lösung: Lipidbeschichtete sphärische Nukleinsäuren

Um diese Mängel zu überwinden, hat ein Team unter der Leitung des Nanomaterial-Pioniers Chad A. Mirkin von der Northwestern University eine völlig neue Art von Nanostruktur entwickelt. Sie nannten sie Lipid-Nanopartikel-sphärische Nukleinsäure oder kurz LNP-SNA. Diese Strukturen stellen einen Hybriden dar, der das Beste aus beiden Welten vereint: die Sicherheit von LNPs und die fortschrittlichen Fähigkeiten von sphärischen Nukleinsäuren (SNAs), einer Technologie, die zuvor von Mirkins Labor erfunden und entwickelt wurde.

Die Basis von LNP-SNA bildet ein Kern aus einem Lipid-Nanopartikel, in dem der komplette Werkzeugsatz für CRISPR – Cas9-Enzyme, Leit-RNA und DNA-Vorlage – sicher verpackt ist. Die entscheidende Innovation liegt in dem, was sich an der Oberfläche befindet. Der Kern ist dicht mit kurzen, speziell entworfenen DNA-Ketten beschichtet, die eine kugelförmige, dreidimensionale Struktur bilden. Diese DNA-Hülle hat eine vielfältige und entscheidende Rolle. Erstens wirkt sie als Schild, der die wertvolle Fracht vor dem Abbau im Blutkreislauf schützt. Zweitens, und noch wichtiger, kommuniziert diese Hülle aktiv mit den Zellen. Zellen haben auf ihrer Oberfläche Rezeptoren, die DNA erkennen, weshalb sie LNP-SNA-Partikel viel einfacher und aktiver in ihr Inneres „saugen“. Darüber hinaus können die DNA-Sequenzen in der Hülle präzise angepasst werden, um auf bestimmte Zell- oder Gewebearten abzuzielen, wodurch die Lieferung selektiver wird und potenzielle Auswirkungen auf gesunde Zellen verringert werden.

Strukturelle Nanomedizin: Die Form ist wichtiger als die Inhaltsstoffe

Dieser Durchbruch veranschaulicht perfekt die Prinzipien der strukturellen Nanomedizin, einem wachsenden wissenschaftlichen Feld, dessen Pionier Professor Mirkin ist. Die Grundidee dieses Feldes ist, dass die biologische Aktivität und Wirksamkeit eines Nanomaterials nicht nur von seiner chemischen Zusammensetzung abhängt, sondern entscheidend von seiner dreidimensionalen Architektur und Form. Mit anderen Worten, die Art und Weise, wie Moleküle im Raum angeordnet sind, kann die Interaktion des Nanomaterials mit biologischen Systemen dramatisch verändern.

Im Fall von LNP-SNA verbessert allein der Wechsel von der linearen, unorganisierten Oberfläche herkömmlicher LNPs zu der dicht gepackten, sphärischen Struktur von DNA-Ketten auf dem SNA die Art und Weise, wie Zellen das Partikel erkennen und internalisieren, drastisch. „Einfache Änderungen in der Struktur des Partikels können dramatisch verändern, wie gut eine Zelle es aufnimmt“, erklärt Mirkin. „Die SNA-Architektur wird von fast jedem Zelltyp erkannt, daher nehmen Zellen SNAs aktiv auf und internalisieren sie schnell.“ Dieses Prinzip öffnet die Tür zur Entwicklung intelligenterer und wirksamerer Nanomedikamente für eine breite Palette von Anwendungen.

Beeindruckende Ergebnisse, die eine neue Ära versprechen

Um ihre neue Plattform zu testen, führten die Forscher eine Reihe von Experimenten an verschiedenen Arten von menschlichen und tierischen Zellen in Kultur durch. Die Tests umfassten Hautzellen, weiße Blutkörperchen, menschliche Knochenmarkstammzellen und menschliche Nierenzellen. Die Ergebnisse, die in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, waren in jeder Hinsicht außergewöhnlich.

Es zeigte sich, dass die LNP-SNA-Strukturen bis zu dreimal effektiver in die Zellen eindrangen als herkömmliche LNP-Systeme, die beispielsweise in Impfstoffen verwendet werden. Ebenso wichtig ist, dass sie eine deutlich geringere zelluläre Toxizität verursachten, was ein Schlüsselfaktor für die Sicherheit jeder zukünftigen Therapie ist. Am beeindruckendsten war die Steigerung der Effizienz der Gen-Editierung selbst. Das neue System verdreifachte die Effizienz von CRISPR. Darüber hinaus verbesserte die LNP-SNA-Plattform die Erfolgsrate um mehr als 60 % im Vergleich zu bestehenden Methoden, wenn das Ziel nicht nur darin bestand, ein Gen „auszuschneiden“, sondern eine präzise Reparatur der Gensequenz mithilfe einer DNA-Vorlage durchzuführen. Dieser Aspekt ist von entscheidender Bedeutung für die Behandlung von Krankheiten, die durch spezifische Mutationen verursacht werden, bei denen es notwendig ist, das Gen zu korrigieren und nicht nur zu entfernen.

Vom Labor zum Patienten: Der Weg zur klinischen Anwendung

Diese vielversprechenden Ergebnisse ebnen den Weg für sicherere und zuverlässigere genetische Medikamente. Der nächste Schritt für Mirkins Team ist die weitere Validierung des Systems in mehreren in vivo-Krankheitsmodellen an Tieren, um seine Wirksamkeit und Sicherheit in der komplexen Umgebung eines lebenden Organismus zu bestätigen. Da die Plattform modular ist, können Forscher sie leicht für verschiedene Ziele und therapeutische Anwendungen anpassen, indem sie einfach die CRISPR-Werkzeuge im Kern oder die Ziel-DNA-Sequenzen an der Oberfläche ändern.

Das Potenzial dieser Technologie wurde auch außerhalb akademischer Kreise erkannt. Das Biotechnologieunternehmen Flashpoint Therapeutics, eine Ausgründung aus der Forschung an der Northwestern University, arbeitet bereits an der Kommerzialisierung dieser Technologie mit dem Ziel, sie so schnell wie möglich in die Phase klinischer Studien am Menschen zu überführen. Durch die Verschmelzung zweier außerordentlich leistungsfähiger Biotechnologien – CRISPR und sphärische Nukleinsäuren – wurde eine Strategie geschaffen, die das Potenzial hat, die volle Kraft der Gen-Editierung endlich freizusetzen und die Medizin in eine neue Ära personalisierter und heilender Behandlungen zu führen.