Gentechnische Heilung von Diabetes

Dem Forscherteam um Lee u.a. aus Seoul ist es gelungen, Mäuse vom Diabetes Typ I gentechnisch zu heilen. Sie haben dazu eine Arbeit in Nature im November 2000 veröffentlicht.
Kranke vom Diabetes Typ I produzieren absolut kein Insulin. Ihre b-Zellen in der Bauchspeicheldrüse sind zerstört. Sie müssen sich daher Insulin zuführen. Die Zuführung erfolgt entweder durch subkutane oder intravenöse Injektion oder auch in Form von Nasensprays. Die Behandlung ist deshalb schwierig, weil der Bedarf an Insulin natürlich von der Lebensführung abhängig ist und weil eigentlich eine andauernde Regulation erforderlich ist, die natürlich kein Patient leisten kann.

Probleme

Eine gentechnische Heilung, bei der ein Gen eingesetzt wird, das Insulin bilden kann, hat verschiedene Schwierigkeiten zu überwinden.
1. Das Gewebe, das Insulin produziert, gibt es im Körper nicht mehr. Die b-Zellen der Langerhansschen Inseln sind zerstört. Das Gen muss also in ein Gewebe oder Organ eingesetzt werden, in dem es normalerweise nicht produziert wird.
2. Insulin wird als Proinsulin hergestellt und erst wenn es ins Blut abgegeben werden soll, wird in den Zellen aus dem Proinsulin das wirksame Insulin hergestellt. Diese Herstellung geschieht dadurch, dass ein Teil der Peptidkette abgespalten wird (Das ist ganz ähnlich wie bei den Verdauungsenzymen, die ja auch in unwirksamen Vorstufen hergestellt werden und erst im Darm aktiviert werden).
3. Die Insulinausschüttung wird normalerweise durch die Glucose Konzentration im Blut gesteuert. Ist sie hoch, wird die Ausschüttung von Insulin angeregt. Das Insulin liegt in Vesikeln unter der Membran der Bauchspeicheldrüsenzellen bereit, Glucose bindet an Membranrezeptoren und löst die Verschmelzung der Vesikel mit der Membran aus, wodurch Insulin in das Blut abgegeben wird.

Zu 1: Welches Organ sollte also als Zielorgan für das Einsetzen eines Insulingens gewählt werden ? Das naheliegendste Organ ist die Leber, weil sie sehr viele Stoffwechselprozesse regelt. Sie spricht zum Beispiel auch auf erhöhte Blutzuckerkonzentrationen an. Das geschieht deshalb, damit nach einer Zuckeraufnahme im Darm, die von einer erhöhten Blutzuckerkonzentration gefolgt wird, diese wieder gesenkt wird. Die Leber nimmt die Glucose auf und überführt sie in den Speicherstoff Glycogen. Das bedeutet, dass hier auch Ansatzpunkte zu einer Regulation gefunden werden können.
Zu 2: Es ist klar, dass dieser Prozess außerordentlich schwer nachzuahmen wäre. Daher entschieden sich die Forscher, nicht das echte Gen für Insulin zu transplantieren, sondern ein analoges, verkürztes Gen, von dem bekannt ist, dass es 20-40% der Wirkung von echtem Insulin hat. Aus diesem Gen wird nur das insulinanaloge Protein produziert, es ist keine Vorstufe. Es war dann abzuwarten, ob das auch so möglich ist. Es läßt sich nicht theoretisch vorhersagen, sondern muss experimentell erprobt werden.
Zu 3: Zu jedem eukaryotischen Gen gibt es Promotoren und Regulatorsequenzen (sog. enhancer- und silencer-Regionen). Letztere Sequenzen können sehr weit vom Gen entfernt liegen. Das spielt allerdings für unsere Überlegungen keine Rolle. Es muss nun die Regulatorsequenz eines Gens miteingesetzt werden, das auf einen erhöhten Blutzuckerspiegel anspricht. Ein solches Gen ist z.B. eine Pyruvatkinase, was hier nicht näher ausgeführt werden soll. Entscheidend ist lediglich, dass dieses Enzym bei erhöhter Blutzuckerkonzentration vermehrt produziert wird und das natürlich über seinen Promoter geregelt wird. Dieser Promoter wurde nun für die Konstruktion des künstlichen Gens benutzt (s. Abb.1).

Abb.1 Aufbau des insulinanalogen künstlichen Gens. Oben: LPK = Lactatpyruvatkinase-Promoter (zur Regelung der Aktivität der Transcription). Albuminleader = Sequenz, die für die Ausschleusung des gebildeten Proteins notwendig ist. B und A chain = die beiden Peptidketten des Insulingens. Unten: dasselbe Gen ohne Promotersequenz. (nach Lee et. al.)

Ein weiteres Problem ist, dass das Protein wenn es hergestellt wurde, natürlich ausgeschleust werden muss. Das geschieht auch nicht von selbst. Da die Leber auch Stoffe ausschleust, z.B. kann sie das Protein Albumin ins Blut abgeben, befinden sich hier also auch Gene, deren Produkte ausgeschleust werden. Die Information für die Ausschleusung bekommen die Produkte in Form einer kurzen Peptidsequenz mit, d.h. in unserem Falle, dass das insulinanaloge Protein um diese Sequenz verlängert werden muss. Im Golgiapparat (wo die Sortierung von Proteinen vorgenommen wird) wird es dann so sortiert und abgepackt, dass es anschließend ausgeschleust wird.
Zur Einschleusung und zum Einbau des Gens in eine Maus wurde ein Adenovirus benutzt. Auf dieses Verfahren gehe ich hier nicht näher ein. Vielleicht stelle ich es an anderer Stelle dar (s. Herstellung von knock-out und knock-in-Mäusen).

Ergebnisse

Die Ergebnisse werden in Abb.2 dargestellt.

Abb.2 Blutglucosekonzentrationsverläufe bei transgenen Mäusen, denen das besprochene Gen eingesetzt wurde. Rechts sind die Dosierungen der Viren angegeben, mit denen die Mäuse behandelt wurden. Auf der Ordinate sind die Blutzuckerkonzentrationen wiedergegeben. Man sieht: Sind die Viruskonzentrationen hoch genug, dann tritt eine über mindestens 38 Wochen stabile Besserung der Blutzuckerregelung ein (Untersuchungszeitraum). (nach Lee et. al.)

Ist das Verfahren auf den Menschen übertragbar ?

Grundsätzlich ja. Aber die Maus hat einen wesentlich intensiveren Stoffwechsel als der Mensch. Daher ist anzunehmen, dass die Regulation des Gens bei einem Einbau in einen Menschen nicht so gut funktionieren dürfte bzw. die Regulation ist einfach viel schwächer. Als Basisbehandlung könnte es aber vielleicht trotzdem nützlich sein.

Quellen:

J. M. Olefsky, Gene therapy for rats and mice,
Nature 408, 420-421, 2000 (knappe Übersicht)
H. Ch. Lee et. al., Remission in models of type 1 diabetes by gene therapy using a single-chain insulin analogue.
Nature 408, 483-488, 2000 (Originalaufsatz)