Molekulargenetik

Suche nach den primären Ursachen für das Absterben der Photorezeptoren

Seit sich die Molekulargenetik zu einer eigenständigen Disziplin entwickelt hat und in der Lage ist, Erbmaterial auf molekularer Ebene zu analysieren, hat sich endlich für die RP - wie für alle Erbkrankheiten - ein Weg aufgezeigt, die primären Ursachen zu finden und davon ausgehend den Schadensmechanismus aufzuklären und eine Therapie zu entwickeln.

In der folgenden Skizze wird der (vermutete) Ablauf der Schadenskette bei RP aufgezeigt:

Entstehung erblicher Netzhautdystrophien
  • Genetischer Defekt
  • Stoffwechselstörung
    • Morphologische Netzhautveränderungen
      • Reduzierung der Sehschärfe
      • Ausfälle im Gesichtsfeld
      • Reduzierung der Adaptations-Fähigkeit
      • Einschränkung bei der Differenzierung von Farben
    • Kombinierte Symptome

Wie in der Skizze ersichtlich, ist die primäre Ursache bei RP eine Veränderung in der Erbsubstanz, die so eine "falsche" Information bei der Bildung eines Eiweißstoffes (Protein) weitergibt.

Diese Protein- bzw. Enzymveränderung führt beispielsweise zu einem Stoffwechseldefekt, der zur Unterbrechung bestimmter biochemischer Reaktionen führt, so dass es beispielsweise zur Anhäufung von Stoffwechselprodukten in den Zellen der Netzhaut kommen kann.

Inzwischen sind auch genetisch bedingte Fehler in den Strukturproteinen der Netzhaut als Ursache für das Absterben der Photorezeptoren bekannt. Auch der Ablauf und die Regulierung des Sehprozesses können aufgrund von genetisch fehlerhaft gebildeten Proteinen gestört sein und zum Absterben der Photorezeptoren führen. Aus diesen fehlerhaften Enzymen, Struktur- und Regulationsproteinen ergeben sich nun für die Betroffenen die verschiedenen Funktionsverluste des Auges, die als Symptome von Netzhautdegenerationen bekannt sind.

Da man inzwischen weiß, dass RP auf verschiedene Fehler in der Erbsubstanz zurückzuführen ist, führen unterschiedliche Schadensketten zum Untergang der Photorezeptoren. RP ist also das Endstadium verschiedener Krankheitsursachen und ist deshalb nur als Sammelbegriff verschiedener Untergruppen zu verstehen. Wie oben gezeigt, setzt sich also die RP-Forschung im Wesentlichen aus den Einzelergebnissen der Molekulargenetik, der Biochemie und Zellbiologie, der Morphologie und der klinischen Forschung zusammen.

Suche nach den krankheitsverursachenden Genen

Identifizierung der Genveränderungen

Da es sich bei der RP um eine erblich bedingte Erkrankung handelt, ist die primäre Ursache in einer Veränderung (Mutation) in der Erbsubstanz zu suchen, d.h. in dem als DNA bekannten und im Zellkern liegenden Molekül. Die DNA ist mit einer langen Kette von Buchstaben zu vergleichen. Bei richtiger Anordnung dieser Buchstaben entstehen sinnvolle Wörter, d.h. in der genetischen Sprache das Genprodukt oder Eiweiß (Protein). Es kann aber auch passieren, dass ein falscher Buchstabe in dieser Reihenfolge auftaucht, was zu einer Fehlinformation und somit zu der Bildung eines fehlerhaften Genprodukts und damit zum Auslösen eines Krankheitsprozesses führt.

In den letzten Jahrzehnten hat die Molekulargenetik Techniken entwickelt, die anhand einer Blutprobe des Betroffenen die DNA isolieren, und ihre Veränderungen feststellen können.

1990 wurden die ersten Mutationen für autosomal-dominante Retinitis pigmentosa (ADRP) in den Erbanlagen, d.h. den Genen, gefunden, als es Forschern gelang, Mutationen im Gen für das Sehpigment Rhodopsin zu identifizieren. Bis heute konnten allein im Rhodopsin-Gen über 100 verschiedene Mutationen gefunden werden. Anfang der 90er Jahre wurden Mutationen in einem zweiten Gen, dem RDS/Peripherin-Gen, entdeckt, die ebenfalls Formen der RP beim Menschen auslösen. Bei der autosomal-rezessiven RP (ARRP), die bekanntermaßen am häufigsten auftritt, sind die ersten Erfolge seit 1993 zu verzeichnen.

Nicht nur in den Photorezeptoren, sondern auch im benachbarten retinalen Pigmentepithel (RPE) wurden Proteine gefunden, die bei fehlerhaftem Aufbau zu autosomal-rezessiven Formen der RP führen, wie z.B. das RPE65 (siehe Gentherapie 6.3.2). RPE65 ist ein Protein, das spezifisch für das RPE ist und von dem bekannt ist, dass es eine wichtige Rolle für den Vitamin-A-Stoffwechsel der Netzhaut und des RPE spielt. Ein Fehlen bzw. Ausschalten dieses Gens bewirkt in Mäusen eine Blockierung des Sehzyklus, so dass kein Rhodopsin (Sehpurpur) gebildet wird, was zum Untergang der Photorezeptoren führt. Mutationen im RPE65-Gen sind für ca. 10-15% der Fälle frühkindlicher Netzhautdegenerationen, der Leberschen Congenitalen Amaurose (LCA), sowie für ca. 2% der autosomal- rezessiven RP-Fälle verantwortlich.

Inzwischen wurden auch zwei der für die x-chromosomale (geschlechtsgebundene) RP verantwortlichen Gene (XRP) auf dem x-Chromosom identifiziert und ein Drittes lokalisiert.

Insgesamt konnten für alle Sonder- und Unterformen der RP mehr als 150 verschiedene Gene als Verursacher für erbliche Netzhauterkrankungen gefunden werden. Für primäre RP-Formen, das heißt, nicht syndromische und nicht als Sonderform charakterisierte, sind mehr als 30 Gene als Verursacher bekannt.

Ziel dieser Suche nach krankheitsverursachenden Genen ist die Entwicklung von Therapien. Heute gelten grundsätzlich für die Zukunft drei Therapieansätze als erfolgversprechend, die sich auf die Molekulargenetik stützen: erstens eine gezielte pharmakologische Behandlung nach endgültiger Aufklärung der Schadenskette (z. B. der Ersatz fehlerhafter körpereigener Wirkstoffe oder Genprodukte des Sehvorgangs durch Medikamente), zweitens der direkte Austausch des veränderten und somit krankheitsverursachenden Gens durch ein intaktes, wodurch die Erkrankung an ihrer Wurzel behandelt wird (s. Gentherapie Kap. 6.3.2) und drittens die Reduzierung bzw. Elimination schädlicher Gen-Information durch Beeinflussung der Umsetzung der Geninformation in Proteine.

Entwicklung von Genchips

Nachdem nun mehr als 150 Gene, die Netzhautdegenerationen hervorrufen, entdeckt wurden, und damit bei etwa der Hälfte aller Betroffenen die genetische Ursache identifiziert werden könnte, gibt es derzeit noch keine Methode, dem einzelnen Betroffenen eine Antwort auf die Frage zu geben: "Welche Genmutation liegt meiner Erkrankung zu Grunde?". Bisher stand lediglich die Suche nach RP-verursachenden Genen im Zentrum der Forschung, die Information an die Betroffenen über ihre primäre Ursache war bisher technisch und organisatorisch noch nicht zu leisten und wegen fehlender Therapiemöglichkeiten auch noch nicht vordringlich. Insbesondere durch die Entwicklung von Gentherapien ist aber die genaue Identifizierung der Genmutationen beim einzelnen Patienten von zunehmender Bedeutung. Eine Möglichkeit zur Realisierung dieses Ziels ist die kommerzielle Entwicklung sogenannter Genchips, mit denen bereits bekannte Mutationen beim einzelnen Patienten identifiziert werden können. Ein solcher Genchip für eine Krankheit existiert bereits für Morbus Stargardt, d.h. für die zahlreichen Mutationen des Gens ABCR-4, ein zweiter Genchip wurde für die Gruppe der frühkindlichen Formen der Leber'schen congenitalen Amaurose entwickelt. Auf diesem Chip sind bereits acht Gene mit ihren verschiedenen Mutationen gespeichert und können zur Diagnose abgerufen werden. Als nächstes Projekt sollen mehr als 30 RP-spezifische Gene auf einem Chip integriert werden, so dass ein wichtiges diagnostisches Mittel zur Identifizierung der bekannten RP-Gene bei jedem einzelnen Patienten zur Verfügung stehen wird. Es wird dadurch in Zukunft möglich sein, anhand einer Blutprobe festzustellen, ob eines dieser 30 bekannten Gene mit seinen Mutationen bei einem Betroffenen ursächlich für die Krankheit ist. Dieses Projekt wird von verschiedenen Patientenvereinigungen unterstützt und von Retina International koordiniert.

Tiermodelle - Transgene Tiere

Mit der Zunahme identifizierter Genmutationen wurde es immer dringlicher, die Wirkung dieser Genveränderungen auf die Netzhaut festzustellen. Der Weg, diese Frage zu klären, führte schon bald zu Tiermodellen der erblichen Netzhautdegenerationen. Zunächst wurde die RP-Forschung größtenteils an natürlichen Tiermodellen, insbesondere der RCS-Ratte und einigen Mäusestämmen, sowie an Hunden mit einer RP-ähnlichen Erkrankung, durchgeführt. Da die RP bei Tieren in einigen Merkmalen von der menschlichen abweicht, sind die Resultate allerdings nur bedingt übertragbar. Nach dem Auffinden der ersten Veränderung im Rhodopsin-Gen haben sich die Forscher das Ziel gesetzt, eine beim Menschen gefundene Rhodopsinmutation in das Erbgut einer augengesunden Maus einzubringen, so dass der Mäusestamm mit diesem eingepflanzten fremden Gen (Transgen) eine Netzhautdegeneration entwickelt, die der dominanten RP beim Menschen entspricht.

Diese transgenen Tiere, die für viele der RP-Untergruppen mit bekannten Genveränderungen inzwischen entwickelt werden, sind sowohl zur Aufklärung der Ursachen als auch zur Überprüfung von Therapieversuchen nützlich.

Sowohl im Bereich der Gentherapie und einer medikamentösen Substitutionstherapie als auch bei der Behandlung mit Wachstumsfaktoren zeigten sich erste positive Resultate im Tierversuch.

Gentherapie - Austausch von Erbinformation

Unter (einer somatischen) Gentherapie versteht man den Austausch der krankheitsverursachenden Gene durch intakte an den zu behandelnden Körperzellen mit dem Ziel, die Auswirkungen der angeborenen Genveränderungen so an der Wurzel zu verhindern. Ein frühzeitig durchgeführtes Einschleusen der therapeutischen Gene in die Netzhaut könnte so das Absterben der Sehzellen auch dann verhindern, wenn die fehlerhaften biochemischen und zellulären Vorgänge noch nicht aufgeklärt sind. Voraussetzungen einer solchen Therapie sind die Kenntnis der verantwortlichen Gene sowie der sichere und stabile Einbau intakter Gene in die erkrankten Zellen.

Genübertragung durch Viren

Bevor die Gentherapie am Menschen eingesetzt werden kann, muss die Sicherheit der Genübertragung getestet werden. Die Forscher bedienen sich bei der Genübertragung sog. Vektoren. Die meisten Vektoren werden aus Viren hergestellt. Viren sind extrem wirksam beim Eindringen in den Zellkern, der die Gene beherbergt. Die Genübertragung kann man mit einem Zug vergleichen, der mit einer gesunden Erbanlage beladen ist. Die Lokomotive dieses Zuges ist der Vektor oder das veränderte Virus, das die Fracht, d.h. das intakte Gen, in die Zielzelle bringt. Da Viren bekanntermaßen aber auch toxische Elemente enthalten, die eine Reaktion des Immunsystems auslösen, haben Forscher in den letzten 10 Jahren solche Übertragungsviren derart genetisch verändert, dass ihre schädlichen Eigenschaften reduziert wurden, ohne ihre Gen-Übertragungsfähigkeit zu beeinträchtigen.

Auch müssen Vektoren so gestaltet werden, dass sie lediglich in die gewünschten Zielzellen eindringen und nicht andere gesunde Körperzellen beeinträchtigen. Schließlich müssen Vektoren auch so gestaltet werden, dass sie die ausgewogene Herstellung des Genproduktes regeln: ein überaktives oder inaktives gesundes Gen könnte trotzdem zur Degeneration der Netzhautzellen führen. Der Fortschritt in der Gentherapie hängt also bei allen genetisch bedingten Erkrankungen von der Entwicklung sicherer und wirksamer Vektoren ab.

Strategien der Gentherapie bei rezessiver und dominanter RP

Die Gentherapie verfolgt unterschiedliche Ansätze in Abhängigkeit von der zugrundeliegenden Form der Erkrankung. So finden sich z.B. bei den autosomal-rezessiven Formen degenerativer Netzhauterkrankungen Mutationen in beiden Genkopien. Bei den autosomal-rezessiven und bei den x-chromosomalen Erkrankungen stellen die Genmutationen i. d. R. funktionsunfähige Proteine her. Fehlen diese Proteine in der Netzhaut, so können die Netzhautzellen ihre normalen Funktionen nicht ausüben. In diesen Fällen ist eine Genersatztherapie angebracht, die darauf abzielt, ein gesundes und funktionsfähiges Gen direkt in die betroffenen Netzhautzellen einzuführen.

Erstmals ist es im Jahre 2001 gelungen bei einer autosomal-rezessiven RP (RPE65), deren verändertes Gen den Vitamin-A-Stoffwechsel im retinalen Pigmentepithel blockiert, eine derartige Genersatztherapie am Hund erfolgreich durchzuführen. Bei fast erblindeten Hunden, bei denen eine derartige Genveränderung festgestellt worden war, wurde an je einem Auge eine Genersatztherapie durchgeführt. Nach mehreren Wochen nahmen die Photorezeptoren des behandelten Auges ihre Funktion wieder auf und es trat eine nachweisbare Verbesserung des Sehvermögens ein. Dieser erfolgreiche Gentherapieversuch am größeren Säugetier lässt eine konkrete Hoffnung für eine kleine Gruppe von Betroffenen aufkommen (näheres dazu Retina aktuell 81). Für eine klinische Studie am Menschen im Jahre 2005 werden derzeit Vorbereitungen insbesondere zur Prüfung der Sicherheit des Eingriffs getroffen. Parallel dazu wird die Pro Retina die Suche nach Betroffenen mit RPE65-Mutationen für eine zukünftige Therapie verstärken.

Bei der autosomal-dominanten RP findet man bekanntermaßen jeweils eine intakte und eine veränderte Genkopie für ein am Sehprozess beteiligtes Protein. Für die Gentherapie der dominanten Mutation muss es Ziel sein, die mutierte der beiden Genkopien an der Bildung seines Genproduktes zu hindern, während das zweite, intakte Gen das fehlerlose Protein weiterhin erzeugen kann. Es hat sich 1998 gezeigt, dass der Verlauf dieser Form der RP günstig beeinflusst werden kann, wenn durch Einsatz von künstlichen Ribozymen die fehlerhafte Produktion des Proteins blockiert werden kann. Dieser bereits am Tiermodell gezeigte Erfolg soll in einer klinischen Studie auch am Menschen überprüft werden. Neue, vielversprechende Möglichkeiten kündigen sich durch die Entdeckung der "small interfering RNA" (siRNA) an, mit der es wahrscheinlich wesentlich leichter werden wird, die Umsetzung der Geninformation in Proteine zu steuern.

Zuletzt geändert am 21.05.2015 12:14