Lipid-Nanopartikel erleichtern die Genbearbeitung in der Lunge

Wie Lipid-Nanopartikel die Genbearbeitung in der Lunge ermöglichen

In letzter Zeit wurden einige fortschrittliche Gentherapien zugelassen, insbesondere für Blutkrankheiten wie Sichelzellanämie. Theoretisch öffnet sich damit die Tür für noch mehr Gentherapien, insbesondere für seltene und/oder unheilbare Krankheiten.

In der Praxis ist dies jedoch nicht so einfach, da die Gentherapie-Technologie zunächst das richtige Organ erreichen und eine ausreichend hohe Transformationsrate aufweisen muss, damit genügend Zellen des Organs verändert werden. Das bedeutet, dass ein weiterer Weg, Gentherapien zu verbessern, nicht durch bessere Gentherapie-Systeme wie CRISPR, sondern durch bessere Lieferungssysteme des Gentherapie-Produkts besteht.

Dies ist genau das, woran Forscher an der Oregon State University und der Universität Helsinki (Finnland) gearbeitet haben. Sie haben ihre neuesten Ergebnisse in Nature Communication veröffentlicht¹, unter dem Titel „Synthese von ionisierbaren Lipopolymeren unter Verwendung der Split-Ugi-Reaktion für die pulmonale Verabreichung von RNAs verschiedener Größe und Gentherapie“.

Herausforderungen und Ansätze der Gentransfer

Die Idee, genetisches Material in menschliche Zellen für Gentherapien zu liefern, ist nicht neu, mit Versuchen, dies seit den 1980er Jahren zu tun. Es war jedoch bis vor kurzem aufgrund einer Kombination aus mehreren Gründen nur begrenzt erfolgreich:

• Schwierigkeiten, das genetische Material in die Zellkerne zu integrieren.
• Schwierigkeiten, die Insertion des Gens zu zielen, was zu unerwünschten Mutationen und unvorhersehbaren Genexpressionsniveaus führt.
• Probleme beim Durchlaufen des genetischen Materials durch die Zellmembran.

Die ersten beiden Probleme wurden allmählich besser, wenn auch noch nicht vollständig gelöst, dank Technologien wie CRISPR, die genetische Modifikationen auf den Zellkern und präzise Genbearbeitung ermöglichen.

Die Lieferung des genetischen Materials war ein härteres Problem zu lösen. Historisch wurden modifizierte Viruspartikel oder elektrischer Schock verwendet, um die Zelle zu modifizieren.

Ein moderner Ansatz besteht darin, konstruierte Lipidpartikel zu verwenden, die die Therapie umhüllen, aufgrund ihrer Fähigkeit, mit der Zellmembran zu verschmelzen. Dies ist bemerkenswerterweise die Methode, mit der die meisten mRNA-Impfstoffe während der Covid-Pandemie ihre mRNA-Ladung ausgeliefert haben.

Diese Partikel müssen auch chemische Motive enthalten, die die mRNA-Moleküle vor systemischer Degradation schützen und den mRNA-Escape aus dem Endosom ermöglichen, um eine effiziente mRNA-Übersetzung in funktionelle Proteine innerhalb der Zellen zu ermöglichen.

Bisher müssen für jede neue Therapie einzigartige Liefermethoden entwickelt werden, die für eine bestimmte Größe von mRNA- oder DNA-Material und die Zielzellen und den Organismus optimiert werden. Dies hat die Entwicklung neuer Therapien behindert und auch eine massive regulatorische Belastung bei der Zulassung neuer Behandlungen dargestellt.

Eine neue Polymerchemie für sichere Gentransfer

Polyethylenimin (PEI) ist eine Chemikalie, die für Gentransfer aus Lipidkapseln in der Forschung verwendet wurde, dank ihrer guten Leistung bei der Lieferung genetischen Materials. Es kann jedoch auch für Zellen toxisch sein, was seine praktischen Anwendungen außerhalb von Zellkulturen und für die menschliche Medizin begrenzt.

Die Forscher suchten nach einer Lösung für dieses Problem, indem sie die sogenannte „Ugi-Multikomponentenreaktion“ verwendeten, um die chemische Struktur von PEI durch Hinzufügen anderer Chemikalien zum Polymer zu modifizieren.

Quelle: Nature Communications

Diese Methode kann verwendet werden, um nicht nur eine Art modifiziertes PEI, sondern eine ganze Bibliothek modifizierter Polymere zu erstellen, die dann auf Zelltoxizität und Gentransferpotenzial getestet werden können.

Diese Bibliothek wurde dann auf genetische TransformationsEffizienz in vitro an menschlichen Zellen getestet.

Quelle: Nature Communications

Entdeckung der effektivsten Gentransfer-Polymere

Optimierung der Polymerstruktur für Gentherapie

Die Forschung ergab, dass es einen optimalen Punkt bezüglich der Masse des Polymers (Molmasse) gibt: zu hoch, und die mRNA wird nicht in die Zelle freigesetzt; zu niedrig, und die Partikelstabilität war nicht gut genug.

Andere chemische Eigenschaften erwiesen sich als vorteilhaft, wie eine höhere Modifizierungsdichte, die Anwesenheit ausreichend hydrophober Gruppen und tertiärer Aminogruppen.

Dies führte dazu, ein bestimmtes Polymer-Formel mit vielversprechender Transfektionsleistung, U155, auszuwählen.

Quelle: Nature Communications

U155-Nanopartikel in lebenden Tiermodellen

Der nächste Schritt bestand darin, von Zellkulturen zu einem vollständigen Organismus überzugehen, in diesem Fall Mäusen.

Die Effizienz von U155 wurde gegen ein bekanntes in-vivo-PEI-basiertes Gentransfer-Verfahren getestet, JetPEI®, das von Sartorius (SRT.DE) kommerzialisiert wird.

„Wir demonstrieren eine multiple Ordnung der mRNA-Lieferung an die Lunge via systemischer Verabreichung im Vergleich zur traditionellen PEI-Formulierung.

Das Biolumineszenz-Signal übertraf in vivo JetPEI® bei der gleichen Dosis (5 μg mRNA pro Maus) um 50-fach.“

Sobald der allgemeine Grundsatz der U155-Effizienz in vivo getestet worden war, bestand der nächste Schritt darin, es auf eine Weise einzusetzen, die der Art und Weise entspricht, wie eine echte Gentherapie funktionieren würde. Die Lieferung an die Lunge, ein Organ, das berüchtigt schwer zu behandeln ist, wurde gewählt.

U155-Hybrid-Polymer-Lipid-Nanopartikel, gemischt mit einer Chemikalie namens DSPG und anderen, wurden verwendet, um die Nanopartikel für Bedingungen in der Lunge zu optimieren.

Quelle: Nature Communications

„Die Vorbehandlung erhöhte den Ausdruck in der Lunge um etwa 2-fach im Vergleich zum Standard-Schema.“

Entzündung und Toxizitätstests

Ein weiterer kritischer Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass die neuen Partikel nicht nur effizient bei der Genbearbeitung in der Lunge sind, sondern auch sicher und keine unerwünschten Nebenwirkungen verursachen. Insbesondere ist eine akute Lungenentzündung ein bekanntes Risiko für eine solche Behandlung.

Lungenhistologische Proben, die 24 Stunden nach der Injektion von 5 μg Nanopartikeln entnommen wurden, zeigten keinen statistisch signifikanten Unterschied in der Infiltration von Immunzellen zwischen U155 und PBS-injizierten Tieren und zeigten keine Anzeichen von Gewebeschäden.

Quelle: Nature Communications

Therapeutische Vorteile: Lungenkrebs und Mukoviszidose

Wenn die Partikel sicher und effizient bei der Genbearbeitung sind, ist die logische Schlussfolgerung, dass ein solches Produkt hilfreich für die Behandlung tatsächlicher Krankheiten sein sollte. Dies war der nächste Schritt, den die Forscher überprüften, indem sie ein Mausmodell von Lungenkrebs und die Verabreichung einer mRNA, die für das Protein Interleukin-12 (IL-12) codiert, verwendeten.

Die mit U155 injizierten Mäuse zeigten eine deutlich längere Überlebensrate, und das Tumourwachstum verlangsamte sich erheblich.

Quelle: Nature Communications

Die Behandlung konnte auch ohne negative Nebenwirkungen oder Verlust der Effizienz wiederholt werden.

Die Konzentration des IL-12-Zytokins war nach der ersten und zweiten Dosis etwa gleich, was erneut die Effektivität unserer Plattform für multiple Dosierungen bestätigte.

Größere genetische Sequenzen wurden auch getestet, um die Gültigkeit dieser Technologie für ein breiteres Spektrum möglicher Genbearbeitungen zu überprüfen.

Die Forscher überprüften insbesondere die Lieferung von CFTR-mRNA (6132 b), einem potenziellen therapeutischen Ansatz für Mukoviszidose, einer tödlichen genetischen Krankheit.

Nicht nur wurde das Gen in den behandelten Mäusen gut exprimiert, sondern auch die Reaktivität des Proteins wurde durch die Behandlung verbessert.

Quelle: Nature Communications

Schließlich wurde auch nachgewiesen, dass U155 effizient CRISPR-Cas9-Therapie an die Lunge und Immunzellen liefert, was das Potenzial dieser Nanopartikel für die Genbearbeitung weiter unterstreicht.

Quelle: Nature Communications

Fazit: Ein neues Zeitalter für die Genbearbeitung in der Lunge?

U155 und möglicherweise andere ähnliche Lipid-Nanopartikel könnten ein Game-Changer in der Genbearbeitung für Organe sein, die bisher schwer mit Gentherapie-Technologie zu erreichen waren.

In Kombination mit den schnellen Fortschritten in der CRISPR-Technologie und anderen Genbearbeitungsmethoden, wie der mRNA-Technologie, könnte dies den Trend zur Verwendung von Gentherapie zur dauerhaften Heilung unheilbarer Krankheiten beschleunigen, anstatt nur die Symptome zu behandeln.

Wahrscheinlich ist der Endpunkt dieser Technologien nicht nur die präzise Genbearbeitung, sondern auch maßgeschneiderte Nanopartikel, die an jedes Organ und jede genetische Last angepasst sind.

Investitionen in die Genbearbeitung

Vertex Pharmaceuticals

Vertex ist der Marktführer bei der Behandlung von Mukoviszidose, einer tödlichen genetischen Krankheit, mit 4 verschiedenen Behandlungen, die unterschiedliche Patientenprofile ansprechen. Für Patienten, die nicht mit den aktuellen Therapien behandelt werden können, hat Vertex ein Medikament in Phase III der klinischen Tests, Vanzacaftor. Sie entwickeln auch eine Gentherapie für Mukoviszidose mit mRNA-Technologie.

Der Fokus auf Lungenkrankheiten, insbesondere Mukoviszidose, macht Vertex zu einem Unternehmen, das von besseren Nanopartikeln für die Genbearbeitung in der Lunge stark profitieren könnte.

Insgesamt ist Vertex sehr forschungsorientiert, mit 70 % der Betriebsausgaben und 3/5 der Mitarbeiter, die der Erforschung neuer Medikamente und Therapien gewidmet sind.

Es expandiert derzeit schnell von einem ehemaligen Startup und Mukoviszidose-Spezialisten zu einem starken, auf seltene Krankheiten fokussierten Pharmaunternehmen, insbesondere Nierenkrankheiten.

Quelle: Vertex

Neben seltenen Krankheiten arbeitet Vertex auch an einer Typ-1-Diabetes-Therapie mit seinem Programm Zimislecel (früher VX-880). Die Idee besteht darin, insulinproduzierende Zellen zu injizieren und eine Anti-Abstoßungsmedikation zu verwenden, um sicherzustellen, dass Immunzellen die transplantierten Zellen nicht angreifen.

Ein zweiter Ansatz umhüllt diese Zellen in einem Gerät, das chirurgisch in den Körper implantiert wird. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie die Zellen vor dem Immunsystem des Körpers schützen und die Notwendigkeit von Anti-Abstoßungsmedikamenten beseitigen.

Vertex hat auch seine schmerzfreie Medikation Journavx im Januar 2025 zugelassen, mit 20.000 verschriebenen Rezepten drei Monate später.

Quelle: Vertex

Vertex besitzt auch die Rechte an der Vermarktung und Herstellung von Casgevy, der weltweit ersten zugelassenen CRISPR/Cas9-Geneditierungs-Therapie, die in Partnerschaft mit CRISPR Therapeutics entwickelt wurde (CRSP ). (Folgen Sie dem Link für einen vollständigen Bericht über CRISPR Therapeutics)

Vertex kann auf seine stabile Einnahmequelle aus seiner führenden Position bei Mukoviszidose (einer seltenen Krankheit, die vor Vertex’ Erfolg nicht behandelbar war) zurückgreifen, um alle seine Expansionen in neue therapeutische Bereiche zu finanzieren.

Es sollte auch von der jüngsten Zulassung der Exa-cel-CRISPR-Geneditierungs-Therapie für Blutkrankheiten, Journavx für Schmerzen und Zimislecel für Diabetes profitieren.

Langfristig wird der größte Einfluss auf die Finanzen des Unternehmens durch den potenziellen kommerziellen Erfolg von Journavx, um die 80+ Millionen potenziellen Patienten zu erreichen, eine dauerhafte Heilung von Typ-1-Diabetes, die keine Anti-Abstoßungsmedikation erfordert, sowie eine dauerhafte Genbearbeitungsheilung für Mukoviszidose, entstehen.

Neueste Vertex (VRTX)-Aktien-Nachrichten und -Entwicklungen

Studie

^{1. Vlasova, K.Y., Kerr, A., Pennock, N.D. et al.Synthese von ionisierbaren Lipopolymeren unter Verwendung der Split-Ugi-Reaktion für die pulmonale Lieferung von RNAs verschiedener Größe und Gentherapie. Nat Communication16, 4021 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59136-z}