DNA Analyse - Dem Leben auf der Spur - Gentechniken
DNA-Isolation. DNA Analysen beginnen immer mit der Isolierung des Erbmaterials aus den Zellen. · PCR · Elektrophorese · Sequenzanalyse · Fragmentlängenanalyse.
Rote Gentechnik
Um die riesigen DNA-Moleküle in kleinere Fragmente zu zerlegen, kennen Molekularbiologen mehrere Wege: Physikalisch durch Ultraschall, biochemisch durch Restriktionsenzyme (Link: <anchor>Rote Gentechnik</anchor>), gezielt durch PCR-Primer. Das Resultat der Behandlung ist ein Gemisch von DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge. Nach einer elektrophoretischen Auftrennung des Gemischs können sich typische, sogar individuelle Muster aus Banden von einem oder mehreren DNA-Abschnitten ergeben. Bekannte Fragmentlängenanalysen sind:
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Rote Gentechnik

# Rote Gentechnik | Kreativ und wagemutig

Als Hoffnungsträger im Kampf gegen schwere oder seltene Krankheiten kommt die Rote Gentechnik daher. Die Messlatte für ihren Erfolg liegt hoch: Krebs, HIV und Parkinson sind nur einige Erkrankungen, bei denen herkömmliche Behandlungsmethoden an ihre Grenzen stoßen. Erste Erfolge durch Gentherapien erregten Aufsehen, unheilbar Kranke sollen genesen sein. Dabei hat die Gentechnik schon lange vorher in der Medizin Einzug gehalten, in stillschweigendem Einvernehmen mit der Gesellschaft. Lebenswichtige Arzneistoffe wie Insulin oder Impfstoffe werden bereits seit vielen Jahren von gentechnisch veränderten Mikroorganismen produziert. Die Möglichkeiten der medizinischen Biotechnologie scheinen grenzenlos – sie im menschlichen Körper zur Anwendung zu bringen ist eine Herausforderung der besonderen Art.

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## 1. Geschichte der Roten Gentechnik

Nachdem Watson und Crick 1953 ihr DNA-Modell vorgestellt hatten, ging die Entwicklung der genetischen Forschung mit großen Schritten voran. 1961 war der Genetische Code entschlüsselt, der für die Übersetzung von Genen in Proteine zuständig ist. Mit den sogenannten Restriktionsenzymen, die Ende der 1960er Jahre in Bakterien entdeckt wurden, hatten die Forscher eines der wichtigsten Werkzeuge molekularbiologischer Arbeiten in der Hand. Die Enzyme zerschneiden DNA-Stränge an festgelegten Stellen, andere Enzyme (Ligasen) fügen den Bruch wieder zusammen. Weitere zehn Jahre später (1978) gelang erstmalig die Herstellung von Hybrid-DNA zwischen Virus und Kaninchen.

Das erste gentechnisch erzeugte Medikament war Human-Insulin. Deutsche Forschungsinstitute entwickelten in den 1980er Jahren ein Verfahren, um Teile des menschlichen Hormons Insulin mit Hilfe genetisch veränderter Bakterien in beliebiger Menge herzustellen. Seither sind zahlreiche Medikamente auf Basis gentechnisch erzeugter Wirkstoffe entwickelt worden, aktuell sind in Deutschland 215 Arzneimittel mit 168 Wirkstoffen zugelassen. Das entspricht einem Anteil von 5% der verfügbaren Arzneien. Die Tendenz ist steigend, etwa ein Drittel der jährlich neu eingeführten Arzneistoffe ist gentechnischen Ursprungs. Wichtige Anwendungsgebiete der Medikamente sind neben Diabetes und Krebs zum Beispiel Multiple Sklerose, Stoffwechselerkrankungen oder Gerinnungsstörungen (Stand 03.2017; Quelle: vfa).

Rote GentechnikRote Gentechnik

## 2. Anwendungsgebiete der Roten Gentechnik

Als Rote Gentechnik gilt die Anwendung molekulargenetischer Methoden im Bereich von Pharmazie und Humanmedizin, wobei zwischen diagnostischen und therapeutischen Ansätzen unterschieden werden kann. Zu den Einsatzgebieten gehören:

- Monogene Erbkrankheiten, die auf Veränderungen eines einzelnen Gens beruhen und sich durch Funktionsstörungen des Stoffwechsels auszeichnen (Sichelzellenanämie, Mukoviszidose, Bluterkrankheit, Marfan-Syndrom)
- Infektionskrankheiten (krebsauslösende Viren, Hepatitis, Malaria)
- Komplexe Erkrankungen mit multifaktorieller Entstehung, denen eine genetische Veranlagung zugrunde liegt (Krebs, Diabetes, Asthma)

### Diagnostik

Molekulargenetische Methoden werden eingesetzt, um bestehende Krankheiten zu erkennen (diagnostisch), das Erkrankungsrisiko zu bestimmen (prognostisch) oder die Beeinflussbarkeit eines Gens durch Medikamente zu ermitteln (prädikativ). Gendiagnostische Verfahren kommen bei Verdacht auf eine erblich bedingte Erkrankungsursache zum Einsatz und sind durch das Gendiagnostikgesetz geregelt, das eine begleitende Beratung vorschreibt. Mit der Kenntnis über einen wahrscheinlichen, zukünftigen Krankheitsausbruch zu leben, kann sehr belastend sein. Es gilt daher das Recht auf Selbstbestimmung des Patienten und auch das „Recht auf Nichtwissen“ aller Beteiligten.

Methodisch unterschieden werden folgende Gen-Analysen:

- Komparative genomische Hybridisierung (CGH)

Mit Hilfe der Array-CGH (vgl. DNA-Chips) wird das Gesamt-Genom einer Person untersucht. Diese Analyse ist für Patienten interessant, die ein familiäres Risiko für bestimmte Erkrankungen besitzen oder für Paare, die vor der Familienplanung erfahren möchten, ob sie Träger einer Erbkrankheit sind. Microarrays können eine Vielzahl von bekannten Gendefekten im Rahmen einer einzigen Analyse aufspüren, sie funktionieren oft mit sogenannten SNPs.

- Gentest

Bei einem Gentest wird in der Regel ein Teilbereich oder ein einzelnes Gen der DNA untersucht ( Link: DNA Analyse). Solche Tests kommen beispielsweise bei Verdacht auf Brustkrebs oder Mukoviszidose zum Einsatz, aber auch die Vaterschaft eines Kindes lässt so klären. Verschiedene Methoden verbergen sich hinter dieser Bezeichnung. Häufig wird das fragliche DNA-Teilstück mittels PCR (vgl. Polymerasekettenreaktion) identifiziert und anschließend sequenziert. Durch die Entschlüsselung der Nukleotidsequenz können Mutationen eindeutig erkannt werden.

### Therapie

Gentechnologisch basierte Therapien verfolgen unterschiedlichste Ansätze, auch in Kombination mit anderen Behandlungskonzepten. Bekannte Anwendungen sind:

- Immuntherapie bei Krebs

Ziel ist die Vernichtung von Tumorzellen durch Stimulation des körpereigenen Immunsystems. Krebszellen werden vom Abwehrsystem oft nicht erkannt und angegriffen. Gentechnisch erzeugte Antikörper sollen die Krebszellen enttarnen und der Zerstörung durch die Lymphozyten des Immunsystems preisgeben. Es ist auch möglich, Lymphozyten des Patienten zu entnehmen und im Labor (ex vivo) so zu modifizieren, dass sie nach Rückgabe in den Körper das Tumorgewebe spezifisch angreifen (CAR T-Zellen).

- Gentherapie

Als Gentherapie im engeren Sinn werden Verfahren bezeichnet, bei denen veränderte DNA-Fragmente mit Hilfe verschiedener Überträger („Genfähren“) in den Körper eines Patienten geschleust werden. Sie sollen dort (in vivo) durch körpereigene Reparaturmechanismen die Korrektur einer defekten DNA-Sequenz einleiten. Zumeist müssen große Mengen der Überträger aufgenommen werden, um einen therapeutischen Effekt zu erreichen. Dieses Vorgehen ist bislang nur bei wenigen Krankheiten anwendbar (siehe hierzu http://www.dg-gt.de/gen-therapie/anwendungsfaelle).

- Genchirurgie

Mit Genscheren (vgl. CRISPR/Cas9) können präzise Eingriffe an der DNA vorgenommen werden. Zur Behandlung der Sichelzellenanämie, einer monogenen Erkrankung, die mit einer Deformation der roten Blutkörperchen einhergeht, kam das Verfahren bereits zum Einsatz. Nach gentechnischer Modifikation der Stammzellen des Patienten produzierten diese nach Rückgabe in den Körper gesunde Blutzellen (2016; Quelle: spektrum.de).

### Pharmazie

Aus der Arzneistoffproduktion sind gentechnische Methoden nicht mehr wegzudenken. Mikroorganismen stellen zahlreiche bedeutsame Arzneistoffe in beliebiger Menge und von hoher Reinheit her. Insuline, Interferone und Impfstoffe sind bekannte Beispiele. Auch Mittel gegen Autoimmunerkrankungen wie Arthritis, Psoriasis oder Osteoporose werden mit molekulargenetischen Techniken gewonnen. Eine der bewährtesten Methoden zur Herstellung von Arzneistoffen ist die Klonierung.

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## 3. Rote Gentechnik: Techniken

Häufig genutzte Verfahren aus dem Umfeld der medizinischen Gentechnologie zum Thema rote Gentechnik sind:

- Arzneistoffproduktion durch Mikroorganismen, Pilze, Tiere

Gentechnisch hergestellte Arzneistoffe (Biopharmaka, Biologicals) werden zumeist mit Hilfe tierischer Zellkulturen, Bakterien oder Hefepilzen produziert. Allen Verfahren ist gemein, dass rekombinante DNA in lebendigen Zellen vermehrt wird, die so den gewünschten Wirkstoff erzeugen. Welches System verwendet wird, hängt von der technischen Machbarkeit und dem Einsatzgebiete ab.

- Arzneistoffproduktion durch Pflanzen

Auch durch sogenannte Pharmapflanzen können medizinisch nutzbare Proteine erzeugt werden. Trägt eine transgene Pflanze beispielsweise Bestandteile eines pathogenen Virus, können die gebildeten Proteine als Impfstoff für eine aktive Immunisierung genutzt werden. 2012 erfolgte die erste Zulassung eines durch Biopharming gewonnenen Arzneimittels gegen eine Enzymmangelkrankheit.

- Genfähre

Gemeint sind nicht-pathogene Viruspartikel, die als Überträger von gentechnisch modifizierter DNA in die Körperzellen eines Patienten dienen. Die so infizierten Zellen lesen neben der eigenen DNA auch die des Virus ab und produzieren die gewünschten Proteine. Dies können beispielsweise Enzyme sein, die der Körper aufgrund einer Erbkrankheit nicht selber bilden kann. Auf diese Weise können Gendefekte therapiert werden, die üblicherweise eine Knochenmarkspende erforderlich machen würden.

- SNPs

SNPs (single nucleotid polymorphisms) sind punktuelle Veränderungen in der Nukleotidsequenz. Derartige genetische Varianten eines Gens sind nicht zwangsläufig mit einer Erkrankung verbunden, sondern sind in erster Linie Ausdruck der genetischen Vielfalt. Von zahlreichen SNPs ist jedoch bekannt, dass sie oft im Zusammenhang mit Gendefekten auftreten. Daher dienen SNPs in Microarrays als Marker für bestimmte Krankheiten.

- CAR T-Zellen

Chimäre Antigenrezeptoren (CAR) sind künstliche Proteinkonstrukte, die als Antigene eine Immunabwehr des Körpers hervorrufen sollen. Die Proteinrezeptoren sind so beschaffen, dass sie an krebsartig veränderte Zellen binden. Werden körpereigene Abwehrzellen (T-Lymphozyten) mit solchen CARs verbunden, kann eine gezielte Erkennung und Vernichtung der Krebszellen erreicht werden. Das Verfahren wurde 2016 in Studien gegen Leukämie eingesetzt.

## 4. Rote Gentechnik: Ausblick

Die Entwicklung der medizinischen Biotechnologie hat in den vergangenen Jahrzehnten rasante Fortschritte gemacht und durch die Einführung moderner Methoden der Genchirurgie noch einmal an Fahrt aufgenommen. In den nächsten Jahren ist mit einem Anstieg von Therapien und Medikamenten auf Basis gentechnologischer Verfahren zu rechnen. Die größten Fortschritte werden diesbezüglich in der Krebsforschung erwartet. Neueste Projekte sehen beispielsweise die Kombination von Immuntherapie und Genscheren vor, um präzise Modifikationen am Abwehrsystem eines Patienten vorzunehmen (Quelle: http://www.spektrum.de/news/krebs-immuntherapie-mit-crispr-cas9/1438379.

Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Personalisierte Medizin auf Basis moderner diagnostischer Verfahren. Gentests sollen im Vorfeld einer Behandlung zeigen, ob und wie ein Patient auf einen Wirkstoff ansprechen wird. Möglichkeiten für derart maßgeschneiderte Behandlungskonzepte gibt es bereits in der Onkologie. Auch an der Entwicklung neuer Antibiotika oder an Impfungen gegen Krankheiten wie Hepatitis und Ebola wird gearbeitet.

Gegenwärtig befinden sich bei der roten Gentechnik zahlreiche Verfahren und Arzneistoffe in unterschiedlichen Erprobungsstadien. 2016 waren zwei Medikamente für die Gentherapie an seltenen Erbkrankheiten in Deutschland zugelassen, für CAR T-Zellen wird ab 2017 eine Zulassung angestrebt. Aktualisierte Informationen über zugelassene Medikamente gibt es hier: Pei.de

Auch kontrovers diskutierte Themen wie die Präimplantationsdiagnostik und die Reproduktionsmedizin gehören zur Roten Gentechnik. Mit den neuartigen Genscheren halten die Forscher machtvolle Werkzeuge in den Händen und der Reiz, das technisch Mögliche umzusetzen, ist groß. Die Korrektur eines genetischen Defekts kann eine schwere Erkrankung heilen. Das ist gut. Aber wieso nur Defekte beheben? Wieso nicht das Erbgut generell korrigieren und optimieren? Die Methoden sind die gleichen, die Zielsetzung eines Projektes macht den Unterschied. Daher ist die Rote Gentechnik stets begleitet von vielschichtigen Diskussionen über Nutzen, Risiken und Ethik.

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