Genetischer Schaltkreis gegen Schuppenflechte

Ein Implantat aus "Designer-Zellen" verknüpft Diagnose und Therapie

Ein künstlicher Schaltkreis erkennt die ersten Anzeichen einer Erkrankung und löst die Freisetzung von heilenden Substanzen aus. Tests in einem Tiermodell für Schuppenflechte verliefen erfolgreich: Als Teil eines Zell-Implantats konnte der Schaltkreis bestehende Entzündungen lindern oder auch vorbeugend deren Entwicklung unterdrücken.

Eindeutige Signale kündigen die stark juckenden Hautrötungen an: Botenstoffe des Immunsystems, die ohne erkennbaren Anlass im Blut auftauchen, sind zugleich Vorboten und Auslöser der typischen Symptome der Schuppenflechte. Medikamente könnten bereits zu diesem Zeitpunkt die Entzündungsreaktion lindern oder vielleicht sogar ganz unterdrücken. Doch um vorbeugend tätig zu werden, müssten Ärzte das Blut der Betroffenen kontinuierlich überwachen - was zu aufwendig und teuer ist, um praktikabel zu sein.

Die synthetische Biologie bietet hier eine Lösung an. Forscher um den Schweizer Martin Fussenegger entwickeln "Designer-Zellen" mit künstlichen genetischen Schaltkreisen, die Diagnose und Therapie nahtlos miteinander zu verknüpfen sollen. In den letzten Jahren haben sie bereits Anwendungen für Diabetes, Bluthochdruck und Übergewicht getestet (Kojima et al.: Novel theranostic agents for next-generation personalized medicine: small molecules, nanoparticles, and engineered mammalian cells). Doch während diese Schaltkreise noch relativ simpel waren, gingen die Forscher in ihren jüngsten Studie einen Schritt weiter: Sie fügten eine logische Verknüpfung ein, die zwei unterschiedliche Signale in den Entscheidungsprozess integriert.

Logische Verknüpfung für hohe Spezifität

Diese AND-Verknüpfung hat zur Folge, dass der Schaltkreis wesentlich spezifischer wird: Eine Aktivierung erfolgt erst, wenn beide Signale gleichzeitig auftreten (Schukur et al., Implantable synthetic cytokine converter cells with AND-gate logic treat experimental psoriasis, http://dx.doi.org/10.1126/scitranslmed.aac4964). Bei der Schuppenflechte sind dies die Zytokine TNF und Interleukin (IL)-22, immunologische Botenstoffe, die häufig nach Gewebeschäden und Infektionen freigesetzt werden. Einzeln sind diese Zytokine unspezifische Merkmale einer allgemeinen Entzündung, kombiniert kündigen sie jedoch verlässlich einen bevorstehenden Ausbruch der Schuppenflechte an.

Wenn der Schaltkreis in Gegenwart von TNF und IL-22 aktiviert wird, löst dies die Produktion entzündungshemmender Substanzen aus. Dabei handelt es sich um zwei weitere Zytokine - IL-4 und IL-10 -, die als Gegenspieler von TNF und IL-22 wirken. Studien haben bereits vor vielen Jahren gezeigt, dass Patienten mit Schuppenflechte gut auf IL-4 und IL-10 ansprechen. Dennoch wurde die Entwicklung dieser Therapieform eingestellt: Beide Zytokine sind kurzlebig und der Aufwand, sie in kurzen Zeitabständen ständig neu zu injizieren, erwies sich als untragbar hoch.

Implantation von Zell-Kapseln

Der synthetische Schaltkreis könnte den Aufwand auf ein Minimum reduzieren - vorausgesetzt, die Forscher können die Zellen sicher im Körper platzieren. Eine Art Gelatine aus Algen erwies sich hierbei als hilfreich: Jeweils etwa 200 Zellen können so in winzige Kapseln verpackt werden. Die Kapseln schützen die fremden Zellen vor den Angriffen des Immunsystems und verhindern gleichzeitig, dass sie sich unkontrolliert im Körper ausbreiten.

Die Wirksamkeit der Kapseln testeten die Schweizer Forscher an Mäusen. Sie rieben die Haut der Tiere mit dem Arzneistoff Imiquimod ein und erzeugten damit eine Entzündung, die der menschlichen Schuppenflechte in mancher Hinsicht ähnelt. Einige Tage später wurden tausende der Zell-Kapseln in den Bauchraum der Mäuse implantiert. Dort nahmen sie erfolgreich Kontakt mit dem Blutsystem auf und setzten die entzündungshemmenden Substanzen in den Körper frei.

Vorbeugende Wirkung im Tiermodell

Zwei weitere Tage später ließen die Rötung und Schwellung der Haut deutlich nach, und auch die Entzündungsmarker im Blut hatten sich normalisiert. Die Implantate waren damit ähnlich wirksam wie das Standard-Medikament Prednisolon, das häufig bei der Therapie von Schuppenflechte zum Einsatz kommt.

In einer zweiten Versuchsreihe erfolgten Hautreizung und Behandlung fast zeitgleich. Unter diesen Bedingungen konnten die Implantate die Symptome fast vollständig zu unterdrücken - und waren damit deutlich wirksamer als Prednisolon. Der Schaltkreis könnte somit die vorbeugende Behandlung der Schuppenflechte ermöglichen - wofür konventionelle Medikamente kaum geeignet sind.

Planung für Tests beim Menschen

Grundsätzlich könnte der Schaltkreis auch beim Menschen zu funktionieren - zumindest reagierte er in der Petrischale auch auf Blutproben von Schuppenflechte-Patienten. Fussenegger denkt bereits darüber nach, wie er seinen Ansatz im Menschen testen kann. Optimal erscheint ihm die gentechnische Veränderung von körpereigenen Zellen, die dann in Kapseln verpackt und unter die Haut der Patienten implantiert werden.

Das dies keine utopische Idee ist, zeigt eine Studie der US-Firma ViaCyte: Die testet einen vergleichbaren Ansatz bereits an einer Handvoll Patienten mit Typ-I-Diabetes (Stammzell-Kapseln gegen Diabetes). Die Firma setzt allerdings embryonale Stammzellen ein, die zur Produktion von Insulin angeregt werden, und die verwendeten Kapseln bestehen aus einem semipermeablen Kunststoff. Dennoch ähnelt sich die Therapiekonzepte stark, und ein Erfolg von ViaCyte könnte so auch den Plänen Fusseneggers großen Auftrieb geben.

Selbst im besten Fall werden noch Jahre oder Jahrzehnte vergehen, bis sich derartige Systeme in der Medizin durchsetzen können. Dennoch markiert die jüngste Studie von Fussenegger einen Meilenstein auf dem Weg, die Konzepte der synthetischen Biologie zu verwirklichen: Die Distanz zwischen Utopie und konkreter Anwendung ist nun spürbar kleiner geworden.