Das wilde erste Jahrzehnt von CRISPR kratzt nur an der Oberfläche seines Potenzials

Vor zehn Jahren wurde ein wenig bekannter bakterieller Abwehrmechanismus als mächtiger Genomeditor berühmt. In den zehn Jahren seitdem hat CRISPR-Cas9 mehrere Varianten hervorgebracht und sich zu einer umfassenden Toolbox entwickelt, mit der der genetische Code des Lebens bearbeitet werden kann.

Weit davon entfernt, ein Streben nach Elfenbeinturm zu sein, kamen seine praktischen Anwendungen in der Forschung, im Gesundheitswesen und in der Landwirtschaft schnell und wütend.

Sie haben die Schlagzeilen gesehen. Die FDA genehmigte seine Verwendung in Bekämpfung der zugrunde liegenden genetischen Mutation für die Sichelzellkrankheit. Einige Forscher bearbeitete Immunzellen, um unbehandelbaren Blutkrebs bei Kindern zu bekämpfen. Andere nahmen Organtransplantationen vom Schwein zum Menschen vom Traum zur Realität, um den Mangel an Spenderorganen zu lindern. Jüngste Arbeiten zielen darauf ab, Millionen von Menschen mit hohem Cholesterinspiegel zu helfen – und möglicherweise die CRISPR-basierte Gentherapie der breiten Masse zugänglich zu machen Senkung ihrer Chancen auf Herzerkrankungen mit einer einzigen Injektion.

Aber für Dr. Jennifer Doudna, die 2020 den Nobelpreis für ihre Rolle bei der Entwicklung von CRISPR erhielt, kratzen wir nur an der Oberfläche ihres Potenzials. Zusammen mit der Doktorandin Joy Wang legte Doudna einen Fahrplan für das nächste Jahrzehnt der Technologie vor in einem Artikel in Wissenschaft.

Während sich die 2010er Jahre darauf konzentrierten, die CRISPR-Toolbox zu etablieren und ihre Wirksamkeit zu beweisen, erreicht die Technologie in diesem Jahrzehnt ihr volles Potenzial. Von CRISPR-basierten Therapien und groß angelegten Screens für die Krankheitsdiagnostik bis hin zur Entwicklung ertragreicher Nutzpflanzen und nahrhafter Lebensmittel befinden sich die Technologie „und ihre potenziellen Auswirkungen noch in einem frühen Stadium“, schrieben die Autoren.

Ein Jahrzehnt der Höhepunkte

Wir haben viel Tinte über CRISPR-Fortschritte vergossen, aber es lohnt sich, die Vergangenheit zu überdenken, um die Zukunft vorherzusagen – und möglicherweise Probleme auf dem Weg auszukundschaften.

Ein frühes Highlight war die unglaubliche Fähigkeit von CRISPR, schnell Tiermodelle für Krankheiten zu entwickeln. Seine ursprüngliche Form schneidet leicht ein Zielgen in einem sehr frühen Embryo weg, der, wenn er in einen Mutterleib transplantiert wird, in nur einem Monat genetisch veränderte Mäuse erzeugen kann, verglichen mit einem Jahr mit früheren Methoden. Zusätzliche CRISPR-Versionen wie Base Editing – Austausch eines genetischen Buchstabens gegen einen anderen – und Prime Editing – das Schneiden der DNA, ohne beide Stränge zu schneiden – haben die Flexibilität des Toolkits bei der Entwicklung genetisch veränderter Organoide weiter erhöht (Denken Sie an Mini-Gehirne) und Tiere. CRISPR etablierte schnell Dutzende von Modellen für einige unserer verheerendsten und verwirrendsten Krankheiten, darunter verschiedene Krebsarten, Alzheimer und Duchenne-Muskeldystrophie – eine degenerative Erkrankung, bei der der Muskel langsam verkümmert. Inzwischen gibt es Dutzende von CRISPR-basierten Studien in den Werken.

CRISPR beschleunigte auch das genetische Screening in das Big-Data-Zeitalter. Anstatt auf jeweils ein Gen abzuzielen, ist es jetzt möglich, Tausende von Genen parallel zum Schweigen zu bringen oder zu aktivieren und so eine Art Rosetta-Stein zu bilden, um genetische Störungen in biologische Veränderungen zu übersetzen. Dies ist besonders wichtig, um genetische Wechselwirkungen zu verstehen, wie etwa bei Krebs oder Alterung, in die wir bisher nicht eingeweiht waren, und um neue Munition für die Arzneimittelentwicklung zu gewinnen.

Aber eine Krönung für CRISPR war die Multiplex-Bearbeitung. Wie das gleichzeitige Klopfen mehrerer Klaviertasten zielt diese Art der Gentechnik auf mehrere spezifische DNA-Bereiche ab und verändert die genetische Zusammensetzung eines Genoms in einem Rutsch.

Die Technologie funktioniert bei Pflanzen und Tieren. Seit Äonen züchten die Menschen Pflanzen mit wünschenswerten Eigenschaften – sei es Farbe, Größe, Geschmack, Nährwert oder Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten. CRISPR kann dabei helfen, mehrere Merkmale auszuwählen oder sogar neue Nutzpflanzen in nur einer Generation zu domestizieren. CRISPR-generierte hornlose Bullen, nährstoffreiche Tomatenund hypermuskulöse Nutztiere und Fisch sind bereits Realität. Mit der Weltbevölkerung 8 Milliarden im Jahr 2022 erreichen und Millionen leiden Hunger, CRISPRed-Pflanzen können eine Rettungsleine verleihen – das heißt, wenn die Menschen bereit sind, die Technologie zu akzeptieren.

Der Weg nach vorne

So geht’s weiter:

An die Autoren: Wir müssen die Wirksamkeit von CRISPR weiter steigern und Vertrauen aufbauen. Dies bedeutet, zu den Grundlagen zurückzukehren, um die Bearbeitungsgenauigkeit und -präzision des Tools zu erhöhen. Hier sind Plattformen zur schnellen Entwicklung von Cas-Enzymen, der „Scheren“-Komponente der CRISPR-Maschinerie, von entscheidender Bedeutung.

Es gab bereits Erfolge: eine Cas-Version, z.B., fungiert als Leitplanke für die Targeting-Komponente – den sgRNA-„Bluthund“. Im klassischen CRISPR funktioniert die sgRNA allein, aber in dieser aktualisierten Version hat sie Schwierigkeiten, ohne Cas-Unterstützung zu binden. Dieser Trick hilft dabei, die Bearbeitung auf eine bestimmte DNA-Stelle zuzuschneiden und die Genauigkeit zu erhöhen, damit der Schnitt wie vorhergesagt funktioniert.

Ähnliche Strategien können auch die Präzision mit weniger Nebenwirkungen steigern oder neue Gene in Zellen wie Neuronen und andere einfügen, die sich nicht mehr teilen. Während die Bearbeitung mit Prime bereits möglich ist, kann die Effizienz noch gesteigert werden 30 mal niedriger als klassische CRISPR-Mechanismen.

„Ein Hauptziel für die Prime-Bearbeitung im nächsten Jahrzehnt ist die Verbesserung der Effizienz, ohne die Reinheit der Bearbeitungsprodukte zu beeinträchtigen – ein Ergebnis, das das Potenzial hat, die Prime-Bearbeitung zu einem der vielseitigsten Werkzeuge für die Präzisionsbearbeitung zu machen“, so die Autoren.

Aber vielleicht noch wichtiger ist die Lieferung, die insbesondere für Therapeutika ein Engpass bleibt. Derzeit wird CRISPR im Allgemeinen bei Zellen außerhalb des Körpers verwendet, die zurückinfundiert werden – wie im Fall von CAR-T – oder in einigen Fällen an einen viralen Träger gebunden oder in Fettbläschen eingekapselt und in den Körper injiziert werden. Es gab Erfolge: im Jahr 2021 angegeben, genehmigte die FDA die erste CRISPR-basierte Aufnahme zur Bekämpfung einer genetisch bedingten Blutkrankheit, der Transthyretin-Amyloidose.

Beide Strategien sind jedoch problematisch: Nicht viele Arten von Zellen können die CAR-T-Behandlung überleben – sie sterben, wenn sie wieder in den Körper eingeführt werden – und das Zielen auf bestimmte Gewebe und Organe bleibt für injizierbare Therapien meist unerreichbar.

Ein wichtiger Fortschritt für das nächste Jahrzehnt, so die Autoren, besteht darin, die CRISPR-Fracht ohne Schaden in das Zielgewebe zu befördern und den Geneditor an der vorgesehenen Stelle freizusetzen. Jeder dieser Schritte, obwohl er auf dem Papier scheinbar einfach erscheint, stellt seine eigene Reihe von Herausforderungen dar, die sowohl Bioengineering als auch Innovation erfordern, um sie zu bewältigen.

Schließlich kann CRISPR mit anderen technologischen Fortschritten synergetisch wirken, sagten die Autoren. Durch die Erschließung von Zellbildgebung und maschinellem Lernen könnten wir beispielsweise bald noch effizientere Genom-Editoren entwickeln. Dank an schnellere und billigere DNA-Sequenzierung, können wir dann die Folgen der Genbearbeitung leicht überwachen. Diese Daten können dann eine Art Rückkopplungsmechanismus liefern, mit dem sich noch leistungsfähigere Genomeditoren in einer virtuosen Schleife entwickeln lassen.

Auswirkungen auf die reale Welt

Obwohl ein weiterer Ausbau der CRISPR-Toolbox auf der Tagesordnung steht, ist die Technologie ausgereift genug, um die reale Welt in ihrem zweiten Jahrzehnt zu beeinflussen, sagten die Autoren.

In naher Zukunft sollten wir sehen, dass „eine erhöhte Anzahl von CRISPR-basierten Behandlungen in spätere Stadien klinischer Studien übergehen“. Mit Blick auf die weitere Zukunft könnte die Technologie oder ihre Varianten Organ-Xenotransplantationen vom Schwein zum Menschen eher zur Routine als zu Experimenten machen. Groß angelegte Screenings auf Gene, die zu alternden oder degenerativen Gehirn- oder Herzerkrankungen führen – unsere heutigen Top-Killer – könnten zu prophylaktischen CRISPR-basierten Behandlungen führen. Das ist keine leichte Aufgabe: Wir brauchen sowohl Kenntnisse über die Genetik, die vielschichtigen genetischen Krankheiten zugrunde liegt – das heißt, wann mehrere Gene ins Spiel kommen – als auch eine Möglichkeit, die Bearbeitungswerkzeuge an ihr Ziel zu bringen. „Aber die potenziellen Vorteile können Innovationen in diesen Bereichen weit über das hinaustreiben, was heute möglich ist“, sagten die Autoren.

Doch mit größerer Macht geht auch größere Verantwortung einher. CRISPR hat sich mit halsbrecherischer Geschwindigkeit weiterentwickelt, und Regulierungsbehörden und die Öffentlichkeit haben immer noch Mühe, aufzuholen. Das vielleicht berüchtigtste Beispiel war das der CRISPR Babys, wo Experimente gegen globale ethische Richtlinien durchgeführt wurden angetrieben ein internationales Konsortium, um eine rote Linie für die Bearbeitung menschlicher Keimzellen festzulegen.

Ebenso bleiben gentechnisch veränderte Organismen (GVO) ein umstrittenes Thema. Obwohl CRISPR weitaus präziser ist als frühere genetische Werkzeuge, liegt es an den Verbrauchern, zu entscheiden, ob sie es begrüßen eine neue Generation von Nahrungsmitteln, die vom Menschen entwickelt wurden– sowohl Pflanze als auch Tier.

Diese sind wichtige Gespräche, die einen globalen Diskurs erfordern da CRISPR in sein zweites Jahrzehnt eintritt. Aber für die Autoren sieht die Zukunft rosig aus.

„Genau wie beim Aufkommen der CRISPR-Genombearbeitung wird eine Kombination aus wissenschaftlicher Neugier und dem Wunsch, der Gesellschaft zu nutzen, das nächste Jahrzehnt der Innovation in der CRISPR-Technologie vorantreiben“, sagten sie. „Indem wir die Natur weiter erforschen, werden wir entdecken, was unvorstellbar ist, und es zum Wohle des Planeten in der realen Welt einsetzen.“

Bild-Kredit: NIH

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/01/25/crisprs-wild-first-decade-only-scratches-the-surface-of-its-potential/