Welchen Einfluss hat CRISPR auf die Krebsforschung und -behandlung?

Der Ursprung und die Hintergrundgeschichte:

Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats oder „CRISPR“ (ausgesprochen „crisper“) sind ein bakterieller Abwehrmechanismus, der als Grundlage für die CRISPR-Cas9-Genomeditierungstechnik dient. Der Begriff „CRISPR“ oder „CRISPR-Cas9“ wird im Bereich der Genomtechnik häufig informell verwendet, um sich auf die zahlreichen CRISPR-Cas9- und -CPF1-Systeme (und andere) zu beziehen, die so programmiert werden können, dass sie auf bestimmte Abschnitte des genetischen Codes abzielen und DNA an präzisen Stellen bearbeiten, sowie für andere Zwecke, wie die Entwicklung neuer Diagnoseinstrumente. Diese Technologien ermöglichen die dauerhafte Veränderung von Genen in lebenden Zellen und Tieren. In Zukunft könnte es möglich sein, bestimmte Mutationen im menschlichen Genom zu korrigieren, um Krankheiten mit genetischen Ursachen zu behandeln.

Forscher hätten nie gedacht, dass sie den genetischen Code lebender Zellen so schnell und einfach ändern könnten. CRISPR, das wie eine Schere funktioniert und bestimmte DNA-Stücke in Zellen präzise löscht, einfügt oder bearbeitet, macht dies möglich. Dieses revolutionäre Werkzeug zur Genombearbeitung wurde als Nebenprojekt entdeckt, das aus Neugierde darüber entstand, wie Bakterien Viren bekämpfen. Dr. Jennifer Doudna und Dr. Emmanuelle Charpentier erhielten 2020 für ihre Arbeit an CRISPR den Nobelpreis für Medizin. Vor einem Jahr begann in den USA die erste klinische Studie zu einer CRISPR-basierten Krebsimmuntherapie, und es wird weiter an CRISPR-basierten Krebsbehandlungen geforscht. Darüber hinaus beginnen Studien, CRISPR direkt im Körper zu testen. Obwohl CRISPR bahnbrechend ist, hat es Grenzen, und die Debatte über die Ethik der Genombearbeitung geht weiter. Aber eines ist sicher: CRISPR ist ein wirksames Werkzeug, das das Potenzial hat, die Krebsforschung erheblich und darüber hinaus voranzutreiben.

In den letzten zehn Jahren hat sich CRISPR von einem Akronym zu einem Verb entwickelt, das die Art und Weise, wie biomedizinische Forschung betrieben wird und wie alle Elemente der Zellbiologie untersucht werden, völlig verändert hat. In der Krebsforschung haben CRISPR und verwandte Methoden ein Fenster zu Problemen geöffnet, die einst in unserem Wissen über das nichtkodierende Genom, die Tumorheterogenität und die Biologie von Krebs unüberwindbar schienen. Sie haben auch neue Informationen zu therapeutischen Schwachstellen zutage gefördert. CRISPR/Cas9 kann in der Krebsforschung eingesetzt werden, um Genome zu verändern und die Mechanismen der Karzinogenese und -entwicklung zu untersuchen, da genomische Veränderungen in Tumorzellen Krebs verursachen. Mit beeindruckenden Ergebnissen wurde das CRISPR/Cas9-System in den letzten Jahren häufiger in der Krebsforschung und -behandlung eingesetzt.

Data Bridge Market Research analysiert die Wachstumsrate des globalen Marktes für geclusterte, regelmäßig eingestreute kurze palindromische Wiederholungen (CRISPR) im Prognosezeitraum 2022–2029. Die erwartete CAGR des globalen Marktes für Knochenmarkbiopsien liegt im genannten Prognosezeitraum bei etwa 10,7 %. Der Markt wurde im Jahr 2021 auf 762,39 Millionen USD geschätzt und soll bis 2029 auf 1719,33 Millionen USD wachsen. Nordamerika ist die dominierende Region aufgrund der einflussreichen Möglichkeiten einer zunehmenden Neigung zu Biotechnologie- und Pharmaunternehmen.

Weitere Informationen zur Studie finden Sie unter: https://www.databridgemarketresearch.com/de/reports/global-clustered-regularly-interspersed-short-palindromic-repeats-crispr-market

CRISPR: Eine Technologie, die 2013 aufkam

Aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit ist CRISPR zu einer gängigen Technologie in der Krebsforschung sowie in klinischen und biologischen Studien geworden. Seit Wissenschaftler herausgefunden haben, dass Mutationen in der DNA die eigentliche Ursache von Krebs sind, suchen sie nach einer einfachen Methode, um diese Veränderungen durch Modifizierung der DNA rückgängig zu machen. Obwohl im Laufe der Jahre viele Techniken zur Genomeditierung entwickelt wurden, erfüllte keine davon die Kriterien für eine schnelle, einfache und kostengünstige Technologie. Doch 2013 zeigten mehrere Studien, dass ein Genomeditierungswerkzeug namens CRISPR die DNA menschlicher Zellen wie eine fein abgestimmte und einfache Schere verändern kann. Die neue Technologie hat das Mögliche und das Unmögliche in der Wissenschaft dramatisch verändert. Krebsforscher ergriffen die Möglichkeit, CRISPR einzusetzen, sobald es in den Regalen und Gefrierschränken von Laboren weltweit erschien.

Wie viele andere Entdeckungen in Wissenschaft und Gesundheit wurde CRISPR von der Natur inspiriert. In diesem Fall wurde das Konzept einem einfachen Abwehrmechanismus einiger Lebewesen, wie etwa Bakterien, entnommen. Diese Mikroorganismen schnappen sich Teile der DNA des Eindringlings und speichern sie als Segmente, sogenannte CRISPRs oder Cluster regelmäßig eingestreuter kurzer palindromischer Wiederholungen, um sich gegen Eindringlinge wie Viren zu verteidigen. Diese DNA-Fragmente (umgewandelt in kurze RNA-Fragmente) helfen einem Enzym namens Cas dabei, die DNA des Eindringlings zu lokalisieren und zu zerschneiden, falls derselbe Keim erneut versucht anzugreifen.

Als dieser Abwehrmechanismus entdeckt wurde, erkannten die Forscher, dass er als flexibles Werkzeug zur Genbearbeitung eingesetzt werden könnte. Mehrere Gruppen passten die Methode innerhalb weniger Jahre erfolgreich an, um nahezu jeden Bereich der DNA zu verändern, zunächst in den Zellen anderer Bakterien und schließlich in menschlichen Zellen. Das CRISPR-Werkzeug im Labor besteht aus zwei Schlüsselkomponenten: einer Leit-RNA und einem DNA-schneidenden Enzym, am häufigsten Cas9. Wissenschaftler erstellen die Leit-RNA so, dass sie die DNA des zu verändernden Gens (das sogenannte Ziel) widerspiegelt. Wie der Name schon sagt, arbeitet die Leit-RNA mit Cas zusammen und lenkt Cas zum Ziel. Die DNA des Zielgens wird von Cas geschnitten, wenn die Leit-RNA und die DNA übereinstimmen.

Je nachdem, welches CRISPR-Tool verwendet wird, variiert der nächste Schritt. In seltenen Fällen wird die DNA des Zielgens während der Reparatur beschädigt, wodurch das Gen inaktiv wird. Andere CRISPR-Varianten ermöglichen eine präzisere Genbearbeitung, beispielsweise das Hinzufügen eines neuen DNA-Segments oder das Ändern eines einzelnen DNA-Buchstabens. Darüber hinaus haben Forscher CRISPR verwendet, um bestimmte Ziele wie RNA aus Krebszellen und DNA von krebserregenden Viren zu finden. CRISPR wurde zuletzt als experimenteller Test verwendet, um das neue Coronavirus zu finden. Aber die Frage ist, Wie schneidet CRISPR im Vergleich zu anderen Werkzeugen zur Genom-Editierung ab?

Andere derzeit verwendete Methoden zur Genomeditierung werden durch CRISPR-Cas9 ersetzt, das sich als effektiver und anpassungsfähiger erweist. Im Gegensatz zu anderen Werkzeugen muss das CRISPR-Cas9-System nicht mit separaten Spaltenzymen gekoppelt werden, da es DNA-Stränge selbst schneiden kann. Darüber hinaus können sie schnell mit benutzerdefinierten „Guide“-RNA-Sequenzen (gRNA) gepaart werden, die sie zu ihren DNA-Zielen führen. Diese gRNA-Sequenzen wurden bereits zu Zehntausenden hergestellt und stehen der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung. Ein weiteres Merkmal, das CRISPR-Cas9 von anderen Techniken zur Genomeditierung unterscheidet, ist seine Fähigkeit, mehrere Gene gleichzeitig anzuvisieren.

An der University of Pennsylvania begann 2019 der erste Test eines mit CRISPR hergestellten Krebsmedikaments in den USA. Die Forschung, die teilweise vom NCI unterstützt wird, untersucht eine Art Immuntherapie, bei der die eigenen Immunzellen des Patienten genetisch verändert werden, um den Krebs effektiver zu „sehen“ und auszurotten. Im Rahmen der Therapie werden vier genetische Veränderungen an T-Zellen vorgenommen, Immunzellen mit der Fähigkeit, Krebs auszurotten.

Zunächst werden die T-Zellen durch die Einfügung eines synthetischen Gens mit einem klauenartigen Protein (Rezeptor genannt) ausgestattet, das die Chemikalie NY-ESO-1 auf einigen Krebszellen „sehen“ kann. Dann werden mithilfe von CRISPR drei Gene gelöscht, von denen zwei den NY-ESO-1-Rezeptor stören können und eines die Fähigkeit der Zellen zur Krebsbekämpfung beeinträchtigt. Große Mengen des Endprodukts, auch als NYCE-T-Zellen bekannt, wurden produziert, bevor es Patienten verabreicht wurde. Ziel dieser Studie war es, die Sicherheit der CRISPR-Therapie zu bestimmen. Zwei Patienten mit fortgeschrittenem multiplem Myelom und einer mit metastasiertem Sarkom wurden getestet. Das Ziel der T-Zelltherapie, NY-ESO-1, war in den Tumoren aller drei Patienten vorhanden.

Erste Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Behandlung sicher ist. Es gab zwar einige Nebenwirkungen, aber die Forscher kamen zu dem Schluss, dass diese wahrscheinlich durch die Chemotherapie verursacht wurden, die die Patienten zuvor erhalten hatten. Es gab keinen Beweis dafür, dass die CRISPR-editierten Zellen eine immunologische Reaktion auslösten.

Alle vier gezielten genetischen Veränderungen waren bei nur etwa 10 % der in der Therapie eingesetzten T-Zellen vorhanden. Darüber hinaus enthielten die bearbeiteten Zellen aller drei Patienten Off-Target-Veränderungen. Dr. Stadtmauer stellte fest, dass keine der Off-Target-bearbeiteten Zellen auf eine Weise expandierte, die darauf hindeutete, dass sie sich zu Krebs entwickelt hatten. Die Krebserkrankungen der Patienten veränderten sich durch die Behandlung kaum. Die Tumore zweier Patienten – einer mit multiplem Myelom und der andere mit Sarkom – hörten für eine gewisse Zeit auf zu wachsen, bevor sie wieder anfingen. Beim dritten Patienten hatte das Verfahren überhaupt keine Wirkung.

Einschränkungen von CRISPR

CRISPR hat sich aufgrund seiner Vorteile gegenüber anderen Gen-Editierungstechniken als bevorzugte Methode für Krebsforscher herausgestellt. Es besteht auch Optimismus, dass es bei der Behandlung von Krebs nützlich sein wird. CRISPR hat jedoch Mängel, und aufgrund dieser Nachteile zögern viele Wissenschaftler, es bei Menschen anzuwenden.

Abb.: Einschränkungen von CRISPR

• Nicht zielgerichtete Bearbeitung – Off-Target-Editierung, also wenn CRISPR DNA-Schnitte außerhalb des Zielgens vornimmt, ist ein ernsthafter Nachteil. Wie in einer Studie zur Gentherapie aus dem Jahr 2002 befürchten Wissenschaftler, dass solche unbeabsichtigten Änderungen schädlich sein und möglicherweise zu bösartigen Zellen führen könnten. Es gibt einige Befürchtungen, dass [CRISPR] zu Krebs führen könnte, wenn es beginnt, zufällige Bereiche des Genoms zu schädigen und die Zelle dazu veranlasst, Dinge auf bizarre Weise zusammenzusetzen. Forscher haben jedoch die Fähigkeit von CRISPR, das beabsichtigte Ziel selektiv zu schneiden, erhöht, indem sie die Cas- und Leit-RNA-Architekturen modifiziert haben.
• Komplexes Verfahren- Eine weitere mögliche Hürde ist die Einführung von CRISPR-Komponenten in Zellen. Die beliebteste Methode hierfür ist die Verwendung eines Virus, das diese Aufgabe übernimmt. Das Virus wurde so verändert, dass es Leit-RNA und Cas-Gene enthält, statt krankheitserregender Gene. Es ist eine Sache, CRISPR in im Labor gezüchtete Zellen einzubringen, eine ganz andere jedoch, dies in menschlichen Körperzellen zu tun. Einige CRISPR-tragende Viren können mehrere Zelltypen infizieren, so dass sie beispielsweise Muskelzellen verändern könnten, während das beabsichtigte Ziel Leberzellen sind. Forscher untersuchen verschiedene Strategien, um CRISPR gezielt bestimmten Zellen oder Organen im menschlichen Körper zuzuführen. Einige Forscher testen Viren, die nur ein Organ wie die Leber oder das Gehirn befallen. Andere haben winzige Objekte hergestellt, sogenannte Nanokapseln, die CRISPR-Elemente an bestimmte Zellen liefern sollen.
• Immunsystem hemmt- Es gibt auch Bedenken darüber, wie der Körper – insbesondere das Immunsystem – auf CRISPR-tragende Viren oder auf die CRISPR-Komponenten selbst reagieren wird, da CRISPR erst seit kurzem an Menschen getestet wird. Einige Menschen befürchten, dass das Immunsystem CRISPR-editierte Zellen zerstören könnte, wenn es Cas angreift, ein bakterielles Enzym, das dem menschlichen Körper fremd ist. Vor zwanzig Jahren starb ein Patient an den Folgen eines enormen Angriffs seines Immunsystems auf die Viren, die die Gentherapie trugen, die er erhalten hatte. Neuere CRISPR-basierte Strategien hingegen basieren auf Viren, die sicherer zu sein scheinen als die, die bei früheren Genbehandlungen eingesetzt wurden.
• Bearbeiten von Unfällen im Körper- Ein weiteres erhebliches Problem ist, dass durch die Veränderung von Körperzellen unbeabsichtigt auch Spermien oder Eizellen verändert werden können, die dann an nachfolgende Generationen weitergegeben werden können. Bei praktisch allen aktuellen CRISPR-Experimenten an Menschen werden jedoch Patientenzellen entnommen und außerhalb ihres Körpers verändert. Da dies präziser reguliert werden kann als der Versuch, Zellen im Körper zu verändern, gilt die „ex vivo“-Methode als sicherer. Eine laufende Studie untersucht jedoch die CRISPR-Genbearbeitung direkt in den Augen von Personen mit Leberscher kongenitaler Amaurose, einer Erbkrankheit, die zur Erblindung führt.

Das Fazit und die Zukunft:

CRISPR, ausgesprochen „crisper“, ist ein hochmodernes Werkzeug zur Krebsbehandlung und Genbearbeitung, das beschädigte DNA durch Schneiden und Kleben repariert. Schnitte in der DNA können bestimmte Gene ausschalten, krebserregende Mutationen beseitigen oder ein Produktionsproblem lösen. Der Arzneimittelhersteller AbbVie und Caribou Biosciences erklärten im Februar 2021, dass sie CRISPR einsetzen würden, um die CAR-T-Zelltherapie zu verbessern, bei der die T-Zellen (weißen Blutkörperchen) eines Patienten genetisch modifiziert werden, um Krebs zu bekämpfen. Es dauert Monate, nicht ein oder zwei Jahre, bis die CRISPR-Genbearbeitung T-Zellen genetisch verändert, was sie zu einer potenziellen neuen Technologie für die Krebsbehandlung macht. Patienten können dadurch erheblich schneller behandelt werden.

Die genetische Medizin hat bahnbrechendes Potenzial. Die Veränderung bestimmter DNA-Sequenzen kann die Art und Weise verändern, wie Ihr Körper Krebs bekämpft. Diese Technologie kann Patienten Hoffnung geben, indem sie die Spezifität der Behandlung erhöht und die Wahrscheinlichkeit eines erneuten Auftretens von Krebs senkt. Wissenschaftler können Arzneimittelresistenzgene aus der Tumor-DNA entfernen. Dadurch wäre die Chemotherapie wirksamer und könnte verhindern, dass sich Mutationen in aggressive bösartige Tumore verwandeln, was die Lebensqualität von Krebspatienten verbessern würde. Ärzte könnten die CRISPR-Technologie auch nutzen, um das krebserregende Gen herauszuschneiden und Patienten auf risikoreiche DNA-Anomalien zu untersuchen. 2019 begannen die ersten CRISPR-basierten klinischen Krebsstudien. Sie konzentrierten sich auf die Verbesserung aktueller Lungenkrebstherapien, einschließlich der Chemotherapie.

CRISPR ermöglicht es Forschern, DNA zu verändern, um die Behandlungsmöglichkeiten von Krebs zu verbessern oder Krebs vorzubeugen. In Zukunft werden durch die Entwicklung der genetischen Medizin individuellere Behandlungsmöglichkeiten und eine bessere Prognose für Krebspatienten möglich sein. Es laufen bereits klinische Studien für weitere CRISPR-basierte Krebstherapien. CRISPR-basierte CAR-T-Zellbehandlungen sind eine weitere Art der Immuntherapie, die in mehreren Studien getestet wird. Ein Unternehmen testet beispielsweise CRISPR-basierte CAR-T-Zellen an Patienten mit multiplem Myelom und B-Zell-Malignomen.

In Bezug auf alle möglichen Anwendungen von CRISPR in der Krebsforschung und -behandlung gibt es noch viele unbeantwortete Fragen. Aber eines ist sicher: Die Branche entwickelt sich sehr schnell, und es entstehen ständig neue Einsatzmöglichkeiten für die Technologie.

Die globale CRISPR-Generkennung und -diagnostik ist unterstützend und zielt darauf ab, die Schwere der Symptome zu verringern. Data Bridge Market Research analysiert, dass der Markt für CRISPR-Generkennung und -diagnostik von 2022 bis 2029 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 19,5 % wachsen wird. Der Markt für CRISPR-Generkennung und -diagnostik ist in sechs Segmente unterteilt: Klasse, Produkte und Dienstleistungen, Anwendung, Arbeitsablauf, Endbenutzer und Vertriebskanal.

Weitere Informationen zur Studie finden Sie unter: https://www.databridgemarketresearch.com/de/reports/global-crispr-gene-detection-and-diagnostic-market