Gentherapie mit Nanopartikeln: Die Form beeinflusst den Erfolg

Evanston (USA) - Bei einer Gentherapie werden dem Patienten Gene verabreicht, um eine Krankheit zu behandeln. Neben Viren dienen als Genüberträger Nanopartikel, die aus DNA und einer schützenden, leicht abbaubaren Hülle bestehen. Jetzt haben amerikanische Forscher eine Methode entwickelt, die es erstmals ermöglicht, gezielt unterschiedliche Formen solcher Partikel herzustellen. Es zeigte sich, dass wurmförmig langgestreckte Nanopartikel wesentlich effektiver Gene in Leberzellen von Ratten einschleusen können als kugelförmige. Die Produktion einer einheitlichen Partikelform könnte daher die Wirksamkeit einer Gentherapie stark verbessern, schreiben die Wissenschaftler online im Fachblatt „Advanced Materials“.

„Wir wollten verstehen, warum die Partikel bei der Herstellung im Labor Stäbchen-, Wurm- und Kugelformen annahmen und wie man diesen Prozess kontrollieren könnte“, sagt Hai-Quan Mao von der Johns Hopkins University in Baltimore. Seine Arbeitsgruppe vermischte ringförmige DNA-Moleküle, sogenannte Plasmide, mit dem Polymer Polyethylenglycol (PEG), das mit Polyphosphoramidat verbunden war. Der positiv geladene Teil des Polymers lagerte sich dann an die negativ geladene DNA, so dass diese in eine kompakte Struktur gezwungen wurde. Der PEG-Anteil des Polymers bildete eine äußere Hülle, die die DNA schützt, bis sie im Innern einer Zelle abgebaut wird. Durch diese Methode entstand stets ein Gemisch aus kugeligen und mehr oder weniger langgestreckten Formen mit Durchmessern von 10-40 und Längen von einigen hundert Nanometern.

Die Forscher vermuteten, dass die Effizienz, mit der die Nanopartikel in Körperzellen eindringen, von ihrer Form abhängen könnte. Um das experimentell prüfen zu können, war ein homogenes Ausgangsmaterial nötig, das nur aus einer einzigen Partikelform bestand. Auf welche Weise dazu die Herstellungsmethode verändert werden müsste, untersuchten die Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit Erik Luijten und seinem Forscherteam von der Northwestern University in Evanston. „Unsere Computersimulationen und ein theoretisches Modell lieferten uns das Verständnis dafür, was für eine Formveränderung verantwortlich ist“, sagt Luijten. Die entscheidende Rolle spielten die Lösungsmittel beider Reaktionspartner. Je nach dem Mischungsverhältnis von Wasser und Dimethylformamid, das zur Lösung der DNA und des Polymers gewählt wurde, bildeten sich aus dem Gemisch beider Bestandteile entweder kugelförmige oder überwiegend stäbchen- und wurmförmige Nanopartikel.

Schließlich injizierten die Forscher in die Leber von Ratten verschiedene Präparationen der Partikel, die sich nur in der äußeren Form unterschieden, aber die gleiche Plasmid-DNA enthielten. Das Plasmid enthielt ein Gen mit der Bauanleitung für ein Enzym, dessen Aktivität durch Biolumineszenz sichtbar gemacht werden konnte. Das ermöglichte zu ermitteln, in welchem Ausmaß das Gen in Leberzellen übertragen und aktiviert worden war. Am erfolgreichsten war der Einsatz von wurmförmigen Nanopartikeln mit einer Länge von 580 Nanometern. Diese waren 126-fach effizienter als 130 Nanometer lange Stäbchen und 1.680-mal so effektiv wie kugelige Formen mit einem Durchmesser von 30 Nanometern. Die Ursache dieser stark unterschiedlichen Effizienz bei der Genübertragung ist noch nicht bekannt. Die Forscher vermuten, dass die Wurmform besonders stabil ist und weniger leicht von Immunzellen des Körpers abgefangen werden kann.

Alternativ zu künstlich hergestellten Nanopartikeln werden für gentherapeutische Experimente Viren eingesetzt, die natürlicherweise die Fähigkeit besitzen, ihre Gene in Zellen einzuschleusen. Diese Viren sind zwar genetisch so verändert, dass sie keine Infektion auslösen können. Allerdings besteht insbesondere bei wiederholter Injektion die Gefahr starker Abwehrreaktionen des Immunsystems. Diese können gesundheitsschädlich sein und den Erfolg einer Behandlung beeinträchtigen. Im Labor erzeugte Nanopartikel als Genüberträger könnten zu einer größeren Sicherheit und höheren Effizienz von Gentherapien beitragen.