Stellen Sie sich eine Welt vor, in der genetische Defekte nicht länger unser Schicksal bestimmen. Diese Vision rückt mit dem Aufkommen der Ribozym-Gentherapie in greifbare Nähe, einem revolutionären Ansatz der molekularen Medizin. Dieses Buch enthüllt das faszinierende Potenzial von Ribozymen – Ribonukleinsäuren mit enzymatischer Aktivität – als präzise Werkzeuge zur Bekämpfung von Krankheiten, die tief in unserem Erbgut verwurzelt sind. Entdecken Sie, wie diese winzigen Moleküle in der Lage sind, die Proteinbiosynthese krankheitsverursachender Gene zu unterbrechen, indem sie gezielt die Boten-RNA (mRNA) deaktivieren, bevor schädliche Proteine überhaupt entstehen können. Von autosomal-dominanten Erbkrankheiten wie der Retinitis pigmentosa bis hin zu viralen Infektionen wie HIV und Hepatitis eröffnen sich ungeahnte Möglichkeiten. Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Klassen von Ribozymen – Hammerhead, Hairpin und Group-1-Introns – und ihre spezifischen Mechanismen der Zielerkennung und -spaltung. Tauchen Sie ein in die Herausforderungen und Innovationen bei der Entwicklung von Ribozym-basierten Therapien, einschließlich der Stabilisierung von Ribozymen für eine systemische Anwendung und der Entwicklung von viralen Vektoren wie Adeno-assoziierten Viren (AAV) für eine effiziente Genübertragung. Verfolgen Sie die vielversprechenden Ergebnisse aus präklinischen Studien und klinischen Versuchen, die das Potenzial von Ribozymen bei der Behandlung von Krebs, ভাইরালen Erkrankungen und erblichen Leiden demonstrieren. Dieses Buch bietet einen fundierten Einblick in die Ribozym-Technologie, ihre Anwendungsbereiche und ihre Zukunftsperspektiven, und beleuchtet insbesondere die vielversprechende "Ablate and Switch"-Methode zur Korrektur defekter Gene. Es ist eine unverzichtbare Lektüre für Wissenschaftler, Ärzte und alle, die sich für die neuesten Fortschritte in der Gentherapie und die Hoffnung auf eine Zukunft ohne genetisch bedingte Krankheiten interessieren. Lassen Sie sich von den Möglichkeiten der Ribozym-Gentherapie faszinieren und entdecken Sie, wie sie die Medizin revolutionieren könnte. Erfahren Sie, wie Ribozyme die molekulare Medizin neu definieren und neue Wege zur Behandlung von Krankheiten eröffnen, die bisher als unheilbar galten, und tauchen Sie ein in die Welt der Genkorrektur und RNA-Interferenz.
Ribozyme gene therapy: applications for molecular medicine
Alfred S. Lewin and William W. Hauswirth aus: „Trends in Molecular Medicine“ 7/2001 S. 221-227
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Ribozyme sind Ribonukleinsäuren mit enzymatisch-katalytisch wirksamen Eigenschaften. Sie sind in der Lage, mRNA nach der Ausschleusung aus dem Nukleus noch vor der Translation zu splicen, also zu zerschneiden, und somit die Translation und die Bildung der auf der jeweiligen mRNA-Sequenz gespeicherten Proteine an Ribosomen zu verhindern. Eine weitere Definition beschreibt die Ribozyme als Ribonukleinsäuren (RNA) zusammengefasst, die in der Lage sind, Phosphodiesterbindungen spezifisch katalytisch zu spalten und zu verknüpfen (Ribozym: aus Ribonukleinsäure und Enzym). Erkenntnisse aus der Untersuchung natürlich vorkommender Ribozyme bilden die Basis zur Entwicklung künstlicher Ribozyme für eine Vielzahl von neuen Anwendungen z.B. in der Biotechnologie und Medizin bis hin zur humanen Gentherapie.
In den heutigen Forschungen zur Gentherapie mit Ribozymen fällt das Augenmerk hauptsächlich auf autosomal-dominante Erberkrankungen. In vielen Fällen von dominanten Ausprägungen von Gendefekten ist die Überaktivation (karzinogene Zellen) oder vermehrte Anhäufung von veränderten Proteinen (neurodegenerative Erkrankungen) das Therapieziel. Ribozyme können daher die Proteinbiosynthese von pathologisch veränderten Genen zu pathologisch veränderten Proteinen verhindern, indem sie die mRNA des Gens funktionslos machen.
Ribozyme werden in vier Gruppen eingeteilt:
1. group-1-Intron
2. ribonuclease P RNA (RNase P)
3. Hammerhead
4. Hairpin
Für die Spaltung der Phosphodiesterbindungen benötigen sämtliche Ribozyme zweiwertige Ionen (Mg++, Ca++) als Cofaktoren.
Zielauswahl
Damit Ribozyme spezifisch agieren können, benötigen sie ein Mittel zur Zielerfassung. Hammerhead, hairpin und group-1-intron werden bedingt durch die Basenpaarung an das RNA-Ziel gebunden.
Anwendung der Ribozyme
Ribozyme haben im Körperflüssigkeiten eine Halbwertzeit von Sekunden, daher ist eine systemische Anwendung nicht ohne weiteres möglich. Durch eine Modifikation des 3' Endes sowie der 2' Position des Pyrimidin läßt sich das Molekül ohne Einschränkung der katalytischen Aktivität stabilisieren und die Halbwertzeit auf Stunden erhöhen. Somit wäre die systemische Anwendung oder die direkte Applikation in einen Tumor möglich.
Die Speicherkapazität für intravenös verabreichte Polynucleotide ist sowohl in der Lunge als auch in der Leber sehr hoch und es kann momentan noch nicht abgeschätzt werden, ob diese Speicherung akut toxisch wirken kann.
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Alternativ zur direkten Applikation versuchen die Forscher, genetische Informationen in menschliche Zellen zu bringen, auf denen die Bildung der Ribozyme codiert ist. Der Einbau dieser Informationen ins Genom erfolgt auf einem Wege ähnlich dem der Viren. Die Übertragung der Informationen per Retroviren (HIV) hat den Nachteil, dass die geringe Größe des Virus lediglich wenig Information zuläßt und nicht auszuschließen ist, dass eine vermehrungsfähige Generation gebildet wird.
Es wurden außerdem virale Umgebungen des Adenovirus-5 verwand, wobei diese Viren unproblematisch in großer Zahl hergestellt werden konnten, die Viren jedoch sowohl die humorale als auch die zelluläre Immunabwehr des menschlichen Organismus provozieren
So gelangte man an das Adeno-assoziierte Virus [AAV], welches die Vorteile des Adenovirus trägt, jedoch keinerlei Immunantwort hervorruft. Zwar können im AAV lediglich genetische Informationen bis zu einer Größe von 4,5 kb untergebracht werden, Ribozyme sind jedoch im allgemeinen nicht sehr groß, so dass der Platz für die unterzubringenden Informationen ausreicht.
Die Konsequenz vieler genetischer Abnormalitäten sind häufig Tumore. Hammerhead-Ribozyme waren in der Forschung sehr effektiv bei der Zerstörung der mRNA karzinogener Zellen. Der Schluss von Zellkulturen auf die Komplexität gesamter Gewebe ist jedoch nicht möglich. Bisher wurden lediglich in Tierversuchen Tumorzellen, die mit Ribozymen vorbehandelt wurden, immunsupprimierten Mäusen verabreicht und dadurch ein weiteres Ausbreiten des Tumors verhindert.
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Es existieren jedoch auch weitere Anwendungen von Ribozymen, die in der fortgeschrittenen Entwicklung stehen. So wurde das Medikament Angiozyme® entwickelt, welches das Endothelwachstum zur Neubildung von Gefäßen unterbindet. Hierdurch verhindert man die Ausbildung einer Gefäßversorgung an Tumoren und schränkt somit das Wachstum eben dieser Tumoren ein. Klinische Studien für dieses Medikament sind bereits im Anlauf, da die Tierversuche bislang positiv ausfielen.
Der zweite große Schwerpunkt in der Forschung ist die Anwendung von Ribozymen, um die direkte Vermehrung von RNA innerhalb von Viren (z.B. HIV 1, Hepatitis C und Hepatitis B) zu verhindern. Diese sind geeignete Ziele, da ihr Genom aus RNA besteht und Ribozyme die Replikation der Viren verhindern können.
Bei Versuchen mit HIV führten jedoch unerwünschte Immunreaktionen zum Abbruch der Versuche.
Die Probleme, die während des Einsatzes der Ribozyme in der Krebsoder Virenbekämpfung auftraten zeigen, dass Ribozyme hier nicht ihren optimalen Einsatz finden. Die Perspektive für Ribozyme in der Gentherapie liegt daher wahrscheinlich in der Therapie von autosomal dominanten Erberkrankungen, die auf der Anhäufung von defekten oder ungeordneten Proteinen beruhen. Viele neurodegenerative, muskuläre, kardiovaskuläre Erkrankungen und Bindegewebserkrankungen stehen in Verbindung mit autosomalen Erberkrankungen. Beispielsweise ist die amyotrophische Lateralsklerose (ALS) häufig in einer Mutation des Gens SOD1 begründet, welches den Cu/Zn Stoffwechsel codiert. Amyloid- ähnliche Ablagerungen oder toxische Eigenschaften eines Proteins führen zum Absterben eines Motoneurons. [siehe Patientenvorstellung Physio]
AAV-gelenkte Ribozyme wurden in Tierversuchen zur Therapie der autosomal dominant vererbten Retinitis pigmentosa (RP) eingesetzt. RP führt bei ca. 1 von 3500 Personen zur Blindheit und beruht auf dem Untergang von Rodopsin-Rezeptor-Zellen der Retina. Ungefähr 25% der RP wird dominant vererbt und der Großteil dieser Fälle steht in Verbindung mit Mutationen des Rhodopsin-Gens.
ADRP (autosomal dominant pigmentosa renititis) ist aus unterschiedlichen Gründen ein optimales Ziel für die Ribozym- Gentherapie. Die Mutationen sind bekannt, das Gewebe ist erreichbar und die zu behandelnden Zellen sind in begrenzter Zahl vorhanden. Die Versuche mit Ribozymen in einer AAV-Umgebung zeigten, dass sich die Zellen in einen genetisch stabilen Zustand überführen lassen konnten, der bei Ratten mehr als 30 Monate überdauerte. Problematisch ist die Tatsache, dass die Krankheit bei Ratten innerhalb eines Jahres abläuft, während sie sich bei Menschen über mehrere Jahrzehnte entwickelt und somit eine Übertragung der Ergebnisse von der Ratte auf den Mensch ohne Weiteres nicht möglich ist.
Die Sehkraft der therapierten Ratten wurde durch die Therapie auch bei fortgeschrittener Symptomatik wieder verbessert. Ein Indiz, dass die Therapie auch bei Menschen im fortgeschrittenen Krankheitsstadium Erfolge zeigen könnte.
Die Schwachstelle dieser Methode beruht darauf, dass viele individuelle Mutationen zu ein und derselben Krankheit führen können. Bei ADRP sind zum Beispiel 100 Rhodopsin-Mutationen bekannt. Ribozyme zu entwickeln und zu testen, um sie für jede individuelle Mutation einsetzen zu können, ist daher nicht möglich. Alternativ wird die „ablate and switch“-Methode in den Vordergrund gestellt, wobei das defekte Gen um ein mittels Ribozymen verabreichtes Gen erweitert wird, welches dann gestärktes Rhodopsin produziert und damit die defekte Form quantitativ verdrängt. Bei dieser Methode existieren zwar ebenfalls viele Fehlerquellen, doch Forscher versuchen diese zu beheben. Sie kann wahrscheinlich noch bei weiteren dominant vererbten Krankheiten eingesetzt werden, deren Phänotypen auf mehreren heterogenen Allelen codiert sind.
Häufig gestellte Fragen
Was sind Ribozyme?
Ribozyme sind Ribonukleinsäuren (RNA) mit enzymatisch-katalytisch wirksamen Eigenschaften. Sie können mRNA nach der Ausschleusung aus dem Nukleus splicen (zerschneiden) und somit die Translation und die Bildung der auf der mRNA gespeicherten Proteine verhindern. Sie katalysieren spezifisch die Spaltung und Verknüpfung von Phosphodiesterbindungen.
Wie wirken Ribozyme in der Gentherapie?
In der Gentherapie mit Ribozymen liegt der Fokus auf autosomal-dominanten Erberkrankungen. Ribozyme können die Proteinbiosynthese von pathologisch veränderten Genen verhindern, indem sie die mRNA des Gens funktionslos machen. Dies ist besonders relevant bei Überaktivation von Genen (karzinogene Zellen) oder vermehrter Anhäufung veränderter Proteine (neurodegenerative Erkrankungen).
Welche Arten von Ribozymen gibt es?
Ribozyme werden in vier Gruppen eingeteilt: group-1-Intron, ribonuclease P RNA (RNase P), Hammerhead und Hairpin. Alle benötigen zweiwertige Ionen (Mg++, Ca++) als Cofaktoren zur Spaltung der Phosphodiesterbindungen.
Wie werden Ribozyme an ihr Ziel gebunden?
Hammerhead, Hairpin und Group-1-Intron Ribozyme werden durch Basenpaarung an das RNA-Ziel gebunden, um eine spezifische Wirkung zu erzielen.
Wie werden Ribozyme im Körper appliziert?
Aufgrund der kurzen Halbwertzeit von Ribozymen in Körperflüssigkeiten (Sekunden) ist eine systemische Anwendung schwierig. Durch Modifikation des 3' Endes und der 2' Position des Pyrimidin kann die Halbwertzeit jedoch auf Stunden erhöht werden, was eine systemische Anwendung oder direkte Applikation in einen Tumor ermöglichen würde.
Welche Vektoren werden für die Gentherapie mit Ribozymen verwendet?
Forscher versuchen, genetische Informationen, die die Bildung der Ribozyme codieren, in menschliche Zellen zu bringen. Dafür werden virale Vektoren wie Retroviren (HIV), Adenoviren und Adeno-assoziierte Viren (AAV) eingesetzt. AAV wird bevorzugt, da es keine Immunantwort hervorruft und ausreichend Platz für Ribozym-Gene bietet.
In welchen Bereichen werden Ribozyme angewendet?
Ribozyme werden in der Krebsbekämpfung (Zerstörung der mRNA karzinogener Zellen), der Virenbekämpfung (HIV, Hepatitis C, Hepatitis B) und der Therapie autosomal-dominanter Erberkrankungen (neurodegenerative, muskuläre, kardiovaskuläre Erkrankungen, Bindegewebserkrankungen) erforscht.
Was ist Angiozyme®?
Angiozyme® ist ein Medikament, das das Endothelwachstum zur Neubildung von Gefäßen unterbindet. Es soll die Gefäßversorgung von Tumoren verhindern und somit deren Wachstum einschränken. Klinische Studien sind im Anlauf.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Ribozym-Gentherapie bei Erberkrankungen wie ADRP?
Viele individuelle Mutationen können zu einer Krankheit führen (z.B. 100 Rhodopsin-Mutationen bei ADRP). Es ist nicht möglich, Ribozyme für jede einzelne Mutation zu entwickeln und zu testen. Daher wird die "ablate and switch"-Methode in Betracht gezogen, bei der das defekte Gen durch ein mittels Ribozymen verabreichtes Gen erweitert wird, das gestärktes Rhodopsin produziert.
Was ist das langfristige Ziel der Gentherapie?
Das langfristige Ziel der Gentherapie ist die Gen-Korrektur auf der DNA-Ebene, um Gendefekte oder Mutationen in die natürliche DNA-Sequenz umzuwandeln. Ribozyme könnten in der Zwischenzeit defekte Gene auf der RNA-Ebene reparieren oder die Ausprägung herunterregulieren, bevor toxische oder kanzerogene Proteine akkumulieren.
- Citation du texte
- Renke Harms (Auteur), 2001, Definition und Anwendung von Ribozymen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/105682
