Gentechnisch veränderte Hakenwürmer produzieren therapeutische Antikörper

Das Umschreiben der DNA eines Hakenwurms galt lange als unerreichbar. Seine widerstandsfähige Außenhülle, der komplizierte Lebenszyklus und das bislang nur unzureichend beschriebene Genom machten ihn für Geneditierungsverfahren unzugänglich, die bei Bakterien, Mäusen und menschlichen Zelllinien zuverlässig funktionieren.

Ein Team unter Leitung von Makedonka Mitreva, Gordon R. Miller Professorin in der Abteilung für Infektionskrankheiten des John T. Milliken Department of Medicine an der Washington University School of Medicine (WashU Medicine), hat diese Hürden nun überwunden.

Indem die Forschenden neue genetische Anweisungen in das Genom des Hakenwurms einfügten, verwandelten sie den Parasiten in eine Fabrik für therapeutische Antikörper, die diese in den Blutkreislauf des Wirts abgibt.

Parasiten neu gedacht

Hakenwürmer infizieren in tropischen Regionen Hunderte Millionen Menschen und verursachen bei gesunden Erwachsenen meist nur leichte Beschwerden im Verdauungstrakt. Anders als die meisten Parasiten können sie sich im menschlichen Körper nicht vermehren.

Eine kontrollierte Infektion bleibt daher kontrollierbar. Sollte eine Behandlung nötig sein, beseitigt eine einmalige orale Gabe eines Medikaments gegen Parasiten die Würmer innerhalb von etwa 24 Stunden.

Jahrzehntelang standen Hakenwürmer vor allem als Krankheitserreger im Fokus. Dann stellten Forschende fest, dass Infizierte bei bestimmten Darmerkrankungen geringere Entzündungen aufwiesen.

Offenbar dämpfen die vom Wurm abgegebenen Stoffe jene Immunaktivität, die Erkrankungen wie Colitis ulcerosa antreibt. Diese Beobachtung veränderte die Perspektive: Statt ausschließlich Infektionen zu behandeln, fragten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, ob Hakenwürmer einen therapeutischen Nutzen haben könnten.

Die vorliegende Studie geht über diesen Ansatz hinaus. Das Team verlässt sich nicht auf die natürlichen Produkte des Hakenwurms, sondern programmierte ihn so, dass er ein gezielt ausgewähltes Protein herstellt und absondert.

Auswahl des Ziels

Für ihre Arbeit entschieden sich die Forschenden für Ancylostoma ceylanicum, eine Hakenwurmart, die Menschen infiziert.

Als Machbarkeitsnachweis konstruierten sie den Wurm so, dass er einen kompakten Antikörper produziert, der Tetrodotoxin neutralisiert. Dieses lähmende Nervengift kommt in Kugelfischen vor, und bislang existiert kein Gegenmittel.

Finanziert wurde das Projekt von der DARPA, die biologische Gegenmaßnahmen für Soldatinnen und Soldaten an abgelegenen Einsatzorten im Blick hatte.

DNA von Hakenwürmern umschreiben

Die Entwicklung eines gentechnisch veränderten Hakenwurms erforderte Lösungen für bisher unbearbeitete Probleme. Geneditierungswerkzeuge, die in anderen Organismen funktionieren, waren nicht an die Biologie von Hakenwürmern angepasst worden.

Über Monate hinweg suchte das Team nach einem sicheren Bereich im Hakenwurmgenom – einer Stelle, an der zusätzliche DNA eingefügt werden kann, ohne benachbarte Gene zu stören oder das Überleben des Wurms zu gefährden.

Mithilfe von CRISPR-Cas9, einem präzisen Verfahren zur Geneditierung, schnitten die Forschenden die DNA des Hakenwurms auf und setzten das Gen für den Antikörper gegen Tetrodotoxin ein.

Zusätzlich integrierten sie ein Leitsignal, das das entstehende Protein aus dem Körper des Wurms herausführt, anstatt es in dessen Gewebe zurückzuleiten. Um die Hakenwurmeier zu erreichen, nutzten sie Elektroporation – elektrische Impulse, die vorübergehend Poren in Zellmembranen öffnen.

Würmer schließen ihren Lebenszyklus ab

Aus den veränderten Eiern entwickelten sich Larven, die in Hamster eingebracht wurden. Damit sollte geprüft werden, ob die Würmer ihren Lebenszyklus vollenden und das Protein herstellen würden. Genau das geschah.

Das eingefügte Gen wurde zudem an die nächste Wurmgeneration weitergegeben, was auf eine stabile Vererbung hindeutet.

Entscheidend war außerdem, dass der Einbau keine benachbarten Gene abschaltete und die Biologie der Würmer unbeeinträchtigt blieb.

Antikörper gelangen ins Blut

Als den mit den konstruierten Würmern infizierten Hamstern 22 Tage nach der Infektion Blut entnommen wurde, enthielt es den menschlichen Antikörper, den die im Darm lebenden Parasiten produziert hatten.

Im Labor zeigte sich, dass dieses Blut ungefähr 16% des Tetrodotoxins neutralisierte.

Dieser Wert mag zunächst gering erscheinen, doch Mitreva betonte, dass es sich um einen frühen Machbarkeitsnachweis handelt.

Das Team arbeitet weiterhin daran, die Proteinproduktion und -sekretion zu erhöhen; die bisherigen Ergebnisse unterschätzen das Potenzial der Plattform vermutlich.

Da die Würmer im Darm leben und den Großteil ihrer Produkte dorthin abgeben, könnten die Konzentrationen therapeutischer Proteine im Darm deutlich höher sein als die Werte, die in dieser Studie den Blutkreislauf erreichten.

Damit eignet sich die Plattform besonders für Erkrankungen, die gezielt im Darm behandelt werden sollen, etwa entzündliche Darmerkrankungen und Nahrungsmittelallergien.

Mögliche medizinische Anwendungen

Die Bedeutung reicht über Tetrodotoxin hinaus. Hakenwürmer können in kontrollierter Zahl bereits über Jahre unauffällig in einem Wirt leben, ohne schwere Erkrankungen zu verursachen. Sie geben ihre Stoffe gleichmäßig und kontinuierlich ab und können sie direkt an die Darmschleimhaut oder in den Blutkreislauf liefern.

Bei chronischen Leiden, die wiederholte Injektionen oder Infusionen erfordern, bietet diese Kombination etwas, das keine herkömmliche Arzneimittelplattform leisten kann.

Morbus Crohn und Colitis ulcerosa sind naheliegende Kandidaten. Das gilt ebenso für Erkrankungen, bei denen geringe, dauerhaft abgegebene Mengen eines therapeutischen Proteins Symptome verhindern oder kontrollieren könnten.

Menschen in abgelegenen Gebieten oder Regionen mit knappen Ressourcen könnten eine einzige orale Dosis veränderter Larven erhalten und über Jahre eine lebende Apotheke in ihrem Körper tragen.

Sicherheit und nächste Schritte

Bevor eine Anwendung beim Menschen in Betracht kommt, bleiben Sicherheit und Eindämmung entscheidende Fragen.

Die Forschenden prüfen, die Würmer so zu verändern, dass sie keine Eier erzeugen können. Dadurch ließe sich verhindern, dass sie sich ausbreiten oder in der Umwelt vermehren. Injizierbare Medikamente verfügen über keinen vergleichbaren eingebauten Ausschalter.

„Was wir gezeigt haben, ist, dass das Konzept von Anfang bis Ende funktioniert“, sagte Mitreva. „Man kann ein Gen einfügen, der Wurm produziert das Protein, das Protein verlässt den Wurm, und es ist im Wirt funktionell aktiv.“

Nun kann die Plattform abhängig von der jeweiligen Anwendung für unterschiedliche Erkrankungen und Proteinkonzentrationen optimiert werden.

Ein biologisches System, das sich zur Besiedlung des Menschen entwickelt hat, wird damit auf einen Nutzen für den Menschen ausgerichtet. Voraussetzung dafür war das erste erfolgreiche Umschreiben eines Hakenwurmgenoms.