Referat Facharbeit im Fach Biologie - Gentechnik in der Krebsmedizin - Krebs, Gentechnik, Gentherapie

Facharbeit im Fach Biologie

Thema: Gentechnik in der Krebsmedizin

Inhaltsverzeichnis - Gentechnik in der Krebsmedizin

Einleitung

Krebs

Definition - Krebs

Ursachen der Krebsentstehung

Entstehung einer Krebszelle

Normales Zellwachstum

Abnormales Zellwachstum

Entstehung eines bösartigen Krebstumors

Herkömmliche Therapien

Operation

Bestrahlung

Chemotherapie

Standardbehandlung

Gentechnik

Definition - Gentechnik

Restriktionsenzyme und DNA-Ligasen

Methoden der Gentechnik

Gewinnung einer DNA-Sequenz

Genfähren

Virale Genfähren

Nichtvirale Genfähren

Gentechnisch hergestellte Medikamente

Anwendung monoklonaler Antikörper in der Tumordiagnostik

Gentherapie

Definition - Gentherapie

Arten der Gentherapie

Ex-vivo-Therapie

In-situ-Therapie

In-vivo-Therapie

Ziele der Gentherapie

Heilen der Krebszellen

Abtöten der Krebszellen

Eindämmen des Tumorwachstums

Probleme der Gentherapie

Technische Probleme

Allgemeine Probleme

1.Einleitung

Krebs stellt nach Herz-Kreislauf-Erkrankungen in unserer Gesellschaft die zweithäufigste Todesursache dar. Die Fortschritte in der Chirurgie, Strahlen- und Chemotherapie haben die Zahl der an Krebs geheilten Menschen in den letzten Jahrzehnten wesentlich erhöht. Trotzdem hat Krebs das Gesicht des Todes, das ihm seit jeher anhaftet, bis heute nicht verloren: Jede vierte Person stirbt an dieser Krankheit. Die Medizin kann angesichts dieser immensen Herausforderung nicht auf die Gentechnik verzichten als eine neue Hoffnung auf Heilung. Zwar hat sie nicht einen ausgesprochen guten Ruf in der Öffentlichkeit, dies aber nur allzu oft aufgrund mangelnden Wissens. Die Menschen, welche nach einer Untersuchung gesagt bekommen, dass sie Krebs haben, werden diesen Schock nicht einfach wegstecken.

Die seelischen Belastungen dieser Krankheit sind ungeheuer groß für den Patienten ebenso wie für dessen Familie. Bei den häufigsten Krebsarten sterben 50 % aller Erkrankten innerhalb von fünf Jahren. Durch die Illusionen, entstanden durch Berichte und Filme der Medien über Menschen die von Krebs geheilt wurden, kommt einem nicht in den Sinn, dass die Sterblichkeit so hoch liegen könnte. Gleichwohl arbeiten Tausende von Wissenschafts- und Forschungsgruppen daran endlich eine durchschlagende Therapie gegen Krebs zu entwickeln.

In dieser Facharbeit möchte ich erst einmal allgemein zum Thema Krebs hinführen.

Besonders wichtig erscheint mir die Tatsache, wie Krebs auf molekularer Ebene entsteht. Des weiteren möchte ich zeigen, wie die Gentechnik in die Krebsmedizin hineingehört, und dort vor allem mit den Methoden der Gentherapie neue Hoffnung auf bessere Heilungschancen für Krebspatienten bringen könnte.

2. Krebs - Definition

Krebs ist eine extreme Form des Zusammenbruches der Prozesse, welche das Zellwachstum steuern. Die Zellteilung entzieht sich jeder Regulierung und die

entarteten Zellen fangen unkontrollierbar an zu wuchern. Diese Entartungen basieren immer auf genetischen Störungen der Klassen von Genen, welche für die Wachstumsregulierung verantwortlich sind. Krebs kann somit in fast jeder Zelle eines Körpers ausbrechen. Entsprechend des Ursprungsortes der Erkrankung sind drei verschiedene Geschwulstarten zu unterscheiden. Karzinome sind Tumore die von den Deck- und Organgeweben ausgehen, Sarkome von Stütz- und Bindegeweben und die Systemerkrankungen gehen von den blutbildenden und den lymphatischen Zellen aus. Somit ist Krebs keine einzelne Krankheit, sondern umfasst eine große Gruppe höchst unterschiedlicher Störungen von verschiedenen Geweben des Körpers, welche alle die selben Grundstörungen besitzen. Krebszellen sind durch diese Störungen stark abgewandelt in Aussehen und Stoffwechsel gegenüber normalen Zellen.

2.1 Ursachen der Krebsentstehung

Krebs entsteht entweder durch Mutation oder durch Viren.

Mutationen sind plötzlich auftretende Merkmalsveränderungen. Bei Krebs spielen nur Gen- bzw. Punktmutation eine Rolle. Somit kann schon der Austausch eines einzigen Basenpaares in der DNA ein wachstumsregulierendes Protein inaktivieren bzw. zu stark aktivieren. Diese Mutationen entstehen meist durch mutationsauslösende Stoffe, auch kanzerogene Stoffe genannt. Meist entstehen Mutationen durch physikalische, chemische Einflüsse oder einfach durch unglückliche Kopierfehler bei der Replikation der DNA. Zu den physikalischen Einflüssen gehört die Strahlung in Form von Radioaktivität, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung und die Gammastrahlung. Sie lösen jedoch nur dann Mutationen aus, wenn sie eine hohe Konzentration besitzen und auf bestimmte chemische Verbindungen im Körper ionisierend wirken. Diese Verbindungen nehmen die Strahlungsenergie auf und spalten sich in Ionen, dabei werden Radikale frei, welche sehr 'bindungsfreudig' sind und mit der DNA reagieren. Dadurch können bestimmte DNA - Abschnitte zerstört werden. Freie Radikale entstehen aber auch im normalen Alterungsprozess, bei der biologischen Oxidation in den Mitochondrien. Deswegen steigt auch unter anderem die Rate der Krebsfälle im Alter an. Auch das Klima kann Mutationen hervorrufen durch besonders hohe Temperaturen oder extrem niedrige Temperaturen. Auch chemische Einflüsse wie reaktive Gase und andere radikalbildende Substanzen können Mutationen auslösen. Bei den Gasen zählen unter anderem Senfgas und viele Industrieabgase, wie NO, SO2 zu den krebserregenden Stoffen. Alkaloide wie Nikotin, die Teerstoffe in Zigaretten wie Benzpyren, salpetrige Säure und Nitrosamine gelten auch als krebserregend. Viele dieser Substanzen werden Aufgrund ihrer Ahnlichkeiten mit den Nukleotidbasen in die DNA eingebaut und führen zwangsläufig zu Fehlern. Eine weitere Ursache für Krebs sind Viren. Viren sind einzellige Kleinstlebewesen, welche vor allem als Krankheitserreger bekannt sind Sie bestehen aus einer

Eiweißkapsel in der sich DNA oder RNA befindet. Sie führen ihre RNA bzw. DNA in eine Zelle ein und induzieren so die Proteinsynthese ihrer arteigenen Eiweiße. Dieses Erbgut integriert sich bei Retroviren in das Erbgut der Zellen ( auch Rastermutation genannt ) und kann Onkogene besitzen. Onkogene verschlüsseln Proteine welche die Zellteilung stark anregen ( 2.2 Die Entstehung einer Krebszelle). Ein solches Virus ist z.B. der Papillomvirus der sexuell übertragbar ist. Aber Allgemeinen ist die Anzahl derer die an Krebs durch Viren erkranken ( ca.10% ) geringer als an Tumoren durch Mutationen. Die meisten Krebsfälle sind auf bestimmte Lebensweisen und genetische Dispositionen zurückzuführen. Haupterkrankungsursache Nummer eins ist der Tabakkonsum, die falsche Ernährung und das daraus folgende Übergewicht. Andere Gründe können übermäßiges Wachstum im Kindesalter, Viren, Arbeitsplatzfaktoren, Alkohol, sitzende Lebensweise, ionisierende Strahlung, Umweltverschmutzung und ererbtes hohes Krebsrisiko sein.

2.3 Entstehung einer Krebszelle

2.3.1 Normales Zellwachstum

Normale Zellen in einem Zellverband wachsen sehr kontrolliert. Ob sich eine Zelle teilt unterliegt nur dem Einfluss der umliegenden Zellen. Die benachbarten Zellen geben Wachstumshormone ab, die das Zellwachstum der umliegenden Zellen anregen. Durch diese Zusammenarbeit ist gewährleistet, dass jedes Gewebe eine dem Körper angemessene Ausdehnung und Architektur besitzt. Das normale Wachstum wird reguliert durch die Proteine der Proto-Onkogene und der Tumorsuppressorgene. Proto-Onkogene ( Krebsgen-Vorläufer ) sind Gene deren Proteine das Durchlaufen des Zellzyklus anregen. Sie bewirken nur das Wachstum einer Zelle, nach der Übermittlung eines Wachstumsbefehls umliegender Zellen.

Der Gegenspieler zu einem Proto-Onkogen ist das sogenannte Tumorsuppressorgen

( tumorunterdrückendes Gen ). Die Proteine dieses Gens hemmen die Teilung einer Zelle in dem sie die DNA-Replikation unterdrücken. Jedoch haben ihre Proteine auch die Aufgabe die Replikation fehlerhafter DNA zu stoppen und in aussichtslosen Fällen die Apoptose einzuleiten. Die Apoptose ist ein Sicherungsprogramm, welches jede Zelle eines Körpers enthält. Enthält die DNA einer Zelle so viele Schäden das sie nicht mehr repariert werden können, erkennt dies ein bestimmtes Protein des Gens und leitet den Selbstmord der entsprechenden Zelle ein. Dieses Sicherungssystem ist unter anderem ein Schutz vor dem entstehen einer Krebszelle, welche immer mehrere Fehler in ihrer DNA enthält. Zum Schutz des gesamten Organismus ist es ein kleinerer Verlust einige Zellen zu verlieren, als durch einen bösartigen Tumor zu sterben.

Krebs entsteht immer durch die Störung der oben beschriebenen Prozesse einer Zelle.

2.3.2 Abnormales Zellwachstum       

Durch Mutationen, Viren und Fehler bei der DNA-Replikation entstehen Fehler in der DNA, die jeweils bestimmte Genklassen betreffen. Mindestens sechs Mutationen sind für gewöhnlich an wachstumsregulierenden Genen nötig um sie zu einer Krebszelle zu transformieren. Jedoch kann es mehrere Jahrzehnte dauern bis so etwas in der Regel geschieht. Manchmal hat ein Kind schon von Geburt an ein Gendeffekt, der zu einem höheren Krebsrisiko führt. Durch diese Fehler fängt die Zelle unkontrolliert an zu wachsen. Durch die Mutation an Proto-Onkogenen wandeln sich diese in Onkogene um. Dergleichen bewirken ein übermäßiges Zellwachstum ohne die Stimulation durch Wachstumshormone umliegender Zellen. Die Tumorsuppressorgene fallen meist durch eine Mutation aus und ihre Proteine sind nicht mehr wirksam. Dadurch können sie nicht mehr in das Zellwachstum eingreifen. Somit sind der Vermehrung der Zelle auch keine Schranken mehr gesetzt. Auch die anderen vielfältigen Funktionen ihrer Proteine fallen aus. Zellen leben trotz ihres geschädigtem Erbgut weiter und teilen sich. Somit werden gefährliche Mutationen an die Tochterzellen weitergegeben. Die Mutationen werden auch Gene betreffen die andere Abläufe des Körpers beeinflussen.

Gene, welche die Information für Eiweiße der DNA-Reparaturmechanismen beinhalten werden ausfallen und es häufen sich immer mehr Mutationen an.    

2.4 Entstehung eines bösartigen Krebstumors

Die Entstehung eines bösartigen Krebstumors durchläuft immer mehrere gutartige Phasen. Entweder bleibt der Tumor gutartig oder er bricht in andere Gewebe vor und zerstört diese und wird somit als bösartig eingestuft. Alle Zellen eines Tumors stammen immer von einer Ursprungszelle ab, welche angefangen hat sich ungehindert zu teilen. Nach einiger Zeit hat sich ein Tumorgewebe gebildet, welches immer weiter wächst. Die Vergrößerung des Tumorgewebes hängt noch von weiteren Faktoren ab. Durch die hohe Anfälligkeit für Mutationen entstehen meist noch weitere Vorteile für die Krebszellen gegenüber dem normalen Gewebe. Eigentlich gibt es noch ein weiteres Sicherungssystem gegen die ungehemmte Teilung der Zelle. Wissenschaftler fanden heraus, dass die Enden der Chromosomen ( Telomere ) sich vor jeder Zellteilung verkürzen. Dies können die Krebszellen nicht umgehen, weil diese Abschnitte zur Aktivierung der DNA-Replikation als Starter gebraucht werden. Nach vielen Teilungen einer Zelle sind die Telomere schon fast nicht mehr vorhanden. Die Zelle stellt die Teilung ein    ( nach 50 - 60 Teilungen ), da sie sonst, wenn die Telomere zu kurz werden, ein genetisches Chaos entsteht. Wenn es keine Telomere mehr gibt, sind die Enden der Chromosomen extrem reaktions- freudig und würden mit allen anderen Chromosomen reagieren. Ein einziges Knäuel aus Chromosomen würde entstehen und die Zelle müsste sterben, weil sie keine Proteine mehr synthetisieren kann. Die Krebszelle jedoch besitzt durch die Aktivierung eines bestimmten Genes oft einen Überschuss des Enzyms, welches Telomerase heißt. Dieses Enzym baut die Enden der Chromosomen nach jeder Teilung wieder auf und sie kann sich unendlich weiterteilen und ist quasi unsterblich geworden. Des weiteren kann ein Tumor nur wachsen wenn er mit genügend Nährstoffen versorgt ist. Dies gelingt ihm jedoch nur, wenn sich die Tumorzellen in der Nähe eines Blutgefäßes befinden. Krebszellen geben Wachstumsproteine ab, welche die Blutgefäße dazu anregen sich bis in den Tumor auszubreiten. Somit haben die Zellen eines Tumors ungehinderten Zugang zu Nährstoffen. Spätestens jetzt beginnt die zweite Phase der Tumorentwicklung. Durch sein unkontrolliertes Wachstum dringt das Geschwulst auch in das umliegende Gewebe ein ( Invasion ). Ab diesem Punkt beginnt die bösartige Phase des Tumorwachstums, da seine Tendenz, sich im Körper auszubreiten steigt. Das Ablösen entarteter Zellen vom Primärtumor nennt man Metastatisierung. Metastatisierung hat auch ihre Ursachen in der Mutation bestimmter Genklassen. Diese abgelösten Zellen gelangen in die Blutbahn und von dort in andere gesunde Gewebe. Dort siedeln sich diese Zellen neu an. Es bilden sich neue Tumore an anderen Stellen des Körpers. Ohne eine Behandlung von Krebs oder bei inoperablem Krebs führen bösartige Tumore immer zum Tode des Organismus. Der Tod tritt ein durch die Schädigung der Funktion lebenswichtiger Organe und Gewebe eines Körpers.

2.5 Herkömmliche Therapien

2.5.1 Operation

Die älteste und auch häufigste Behandlungsmethode von Krebs ist die Operation.

Bei ihr wird der Tumor und das umliegende Gewebe großflächig herausgeschnitten.

Somit wird gewährleistet das auch die mikroskopisch kleinen Ausläufer des Krebses mit erfasst werden. Durch diese radikalen Entfernungen kann es zu schweren Funktionseinbußungen und Verstümmlungen kommen. Eine solche Operation wird immer unter Vollnarkose durchgeführt, welche jedoch gebrechliche Menschen schwerer überwinden können. Außerdem ist mit dieser Methode nur gewährleistet den Primärtumor entfernt zu haben, nicht aber die Metastasen, die sich verteilt im Körper gebildet haben.

2.5.2 Bestrahlung

Die Bestrahlung wird häufig der Operation vorgezogen, weil sie den Patienten

nicht so schwer körperlich belastet. Bei der Bestrahlung wird der Bereich des Tumors intensiver Röntgen- und Gammabestrahlung ausgesetzt. Dies führt zu schweren genetischen Schäden der Krebszellen (Ursachen siehe 2.2 Ursachen der Krebsentstehung ). Dadurch wird in den Zellen die Apoptose eingeleitet oder sie sterben ab, weil ihre DNA so geschädigt ist, dass sich keine überlebenswichtigen Proteine mehr funktionstüchtig herstellen lassen. Das gesunde umliegende Gewebe übersteht die Bestrahlung besser als das Tumorgewebe, weil sich in ihnen noch nicht so viele Mutationen angesammelt haben. Außerdem sind die Funktionseinbußen bestimmter Organe um einiges geringer und die mikroskopischen Krebsausläufer werden auch zerstört. Jedoch erfasst die Bestrahlung nur den Primärtumor und dessen kleine Ausläufer, aber nicht die restlichen Metastasen im Körper. Eine Ganzkörperbestrahlung käme nicht in Frage, weil sie die empfindlichen Gewebe des Körpers zu stark schädigen würde.

2.5.3 Chemotherapie

Chemotherapie ist die Verabreichung von Medikamenten, die sich über die Blutbahn im gesamten Körper verteilen. Diese chemischen Wirkstoffe haben nicht nur Einfluss auf Tumorzellen, sondern auf alle Zellen des Körpers. Diese Stoffe wie Antimetaboliten, Topoisomerase-Hemmer, alkylierende Wirkstoffe und pflanzliche Alkaloide hindern die Zellen an der Vermehrung durch die Störung der Verdopplung der DNA vor der Zellteilung. Oft wird nicht nur ein einzelnes Medikament gegeben, sondern eine Mischung aus mehreren Wirkstoffen, um eine bessere Therapie zu gewährleisten. Manche wirken wie die Bestrahlung und leiten die Apoptose ein. Der große Vorteil der Chemotherapie ist, dass sie alle Krebszellen im Körper angreift.   

Jedoch ist ihr größter Nachteil, dass sie auch gesunde Zellen abtötet und somit starke Nebenwirkungen besitzt. Diese können Haarausfall, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall

und manchmal auch die Schädigung des Nervensystems nach sich ziehen. Manchmal können die Krebszellen auch immun gegen die Medikamente sein.

2.5.4 Standardbehandlung

Der erste Schritt nach der Diagnose eines Tumors ist entweder die operative Entfernung des Tumors oder eine so starke lokale Bestrahlung, nach welcher er sich auflöst. Anschließend wird individuell entschieden, ob eine Nachbestrahlung und / oder eine Chemotherapie durchgeführt wird. Eine Chemotherapie wird auch meist eingesetzt bei Krebsfällen im fortgeschrittenen Stadium. Das Ziel der Behandlung gegen Krebs ist immer die Abtötung jeder einzelnen Krebszelle im Körper. Jedoch ist trotz dieser vielen Therapien die Überlebenschance bei Krebs nur bei 50 % in fünf Jahren.

3. Gentechnik

3.1 Definition Gentechnik

Die Gentechnik ist das Verfahren zur gezielten Veränderung genetischer Eigenschaften eines Organismus durch Eingriff in dessen Erbmaterial. Außerdem umfasst das Gebiet alle experimentellen Methoden mit denen DNA-Abschnitte neukombiniert werden können. Dies ermöglicht eine besonders leichte Gewinnung bestimmter Nukleinsäuresequenzen oder Proteine in Bakterien oder Hefezellen.

3.2 Restriktionsenzyme und DNA-Ligasen

Alle Methoden der Gentechnik liegen der Anwendung der Restriktionsenzyme zugrunde, welche eine der wichtigsten 'Handwerkszeuge' der Gentechniker sind.

Erst durch die Restriktionsenzyme ist es möglich geworden eine bekannte DNA-Sequenz aus einem DNA-Strang herauszulösen. Sie erkennen Sequenzen aus vier hintereinanderliegenden Basen in der DNA. Dann lagert sich das Enzym an den DNA-Strang an und schneidet an der Erkennungssequenz den Basenstrang durch. Bis heute sind über 150 Restriktionsenzyme bekannt, welche alle verschiedene Basensequenzen erkennen. Zuerst wurden diese Enzyme in Bakterien entdeckt und können nun auch selber chemisch hergestellt werden. Die Enzyme spalten den

Strang, so dass die Enden nicht genau gegenüberstehen, sondern das ein Einzel-

strang über den anderen hinausgeht. Die abgetrennten Enden werden auch 'klebrige Enden' genannt, weil sie dazu neigen, sich wieder aneinander zu heften.

Ein anderes wichtiges Werkzeug für die Gentechniker sind die DNA-Ligasen. Diese Enzyme binden DNA-Abschnitte dauerhaft fest in die DNA ein. Wenn man DNA-Stücke in eine Bakterienzelle einbringt setzen sich diese in die freien Lücken in der DNA. Erst nach dem wirken der DNA-Ligasen sind diese Abschnitte fest in das Erbgut integriert.

3.3 Methoden der Gentechnik

3.3.1 Gewinnung einer DNA-Sequenz

Zuerst muss bekannt sein, welchen Genabschnitt mit welcher Basensequenz aus welchem Genom man benötigt. Das bestimmte Gen kann sich in der DNA eines beliebigen Organismus befinden, weil die DNA in jedem Lebewesen gleich aufgebaut ist. Zu Beginn legt man eine Zellkultur aus einer Gewebeprobe des betreffenden Organismus an. Aus den so entstandenen Zellen kann man nun das Erbgut herauslösen und reinigen. Je nach gewünschter Basensequenz wird nun das spezifische Restriktionsenzym zur gewonnenen DNA hinzugegeben. Alle entstandenen Spaltprodukte werden nun in Plasmide eingebaut und dann in Bakterien vermehrt.

Durch die Anwendung der Restriktionsenzyme kann man jedoch nicht nur die gewünschten DNA-Abschnitte aus der DNA herauslösen. Da die Basenfolge von vier Basenpaaren sich sehr oft auf dem Nukleinsäurestrang wiederholt, erhält man viele verschiedene Sequenzen aus der Gewebekultur. Die Bakterien vermehrt man nun in einem bestimmten Nährmedium. Die Gesamtheit aller vorhandenen Bakterien mit den unterschiedlichen Erbgut, das in sie eingebaut wurde, nennt man eine Genbank oder auch Genbibliothek.

Es ist nun sehr aufwendig in einer Genbank, das gewünschte Gen zu finden. Dieser Vorgang wird auch Klonselektion genannt. Zuerst werden alle Bakterien aussortiert, welche keine Plasmide aufgenommen haben. Es gibt dafür den sogenannten Blautest. In das Erbgut des Bakteriums wird vor dem Einführen der Fremd-DNA ein Gen eingebracht, welches die Information für einen blauen Farbstoff enthält. Baut sich nun ein Plasmid in das Bakterium ein, durchbricht es die Information für den Farbstoff. Somit kann man alle Zellkolonien unberücksichtigt lassen, welche eine bläuliche Färbung besitzen. Um jetzt wirklich die Bakterien zu erhalten, welche die gesuchte DNA-Sequenz enthalten, benutzt man sogenannte Gensonden. Dies ist ein kurzer DNA-Strang ( ca. zwanzig Nukleotide ) der dieselbe Basenabfolge besitzt, wie das gesuchte Gen. Er muss zuvor synthetisiert werden. Am Ende dieses Stranges wird ein radioaktiver Baustein angehängt. Gibt man diese Gensonden nun auf die Bakterienkulturen, so werden sie sich immer genau an die gewünschten DNA-Stücke anlagern. Haben sie sich an das Gen angekoppelt, so zeigt darrübergelegtes Fotopapier an, in welchen Bakterienkolonien die DNA enthalten ist. Das Fotopapier färbt sich durch den radioaktiven Marker schwarz. Diese Bakterien lässt man jetzt weiterwachsen, und damit vermehren sich auch nur diese bestimmten Gene weiter.

Diesen Prozess nennt man auch das Klonieren von DNA. Haben sich nun die entsprechenden Bakterien zahlreich vermehrt, so kann man mit dem schon einmal angewendetem Restriktionsenzym die DNA-Abschnitte herauslösen und weiterverwenden. Wird nur das Protein gebraucht, so wird das Gen im Bakterium gelassen und das gewünschte Protein kann so zahlreich gewonnen werden. Es gibt auch noch anderen Weg um die gewünschte DNA in ausreichender Menge zu erhalten. Für diesen wird jedoch die genaue Basenabfolge des Gens benötigt. In einem Synthetisierapparat kann folglich die DNA hergestellt werden, die benötigt wird.

Einerseits ist dies bei weitem einfacher als die Klonierung der DNA in Bakterien,

andererseits ist dieses Verfahren etwas teurer und die Länge des DNA-Stranges kann allerhöchstens 200 Nukleotide umfassen. Der Rest der Bakterien wird als Genbank aufgehoben für eventuelle weitere Versuche.

3.3.2 Genfähren

Die DNA-Abschnitte werden umgehend in Zellen eingebracht, welche die Information somit erhalten für neue Proteine. Genfähren sind die gebräuchlichste Art diese Gene in Zellen einzubringen. Sie sind sozusagen Behältnisse für die Gene. Sie werden unterteilt in virale und nichtvirale Genfähren.

3.3.2.1 Virale Genfähren

Virale Genfähren sind wie schon gesagt Viren, welche zum Gentransport eingesetzt werden. Sie sind nicht mit einem Lichtmikroskop sichtbar und bestehen aus einer Kapsel unterschiedlicher Form aus Eiweißen in der sich ein DNA-Strang befindet mit der genetischen Information des Virus. Um Sie zu Genfähren umzubauen wird die virale DNA oder auch RNA entfernt um das neue Erbgut einzubauen. Viren besitzen allgemein die Eigenschaft ihr Erbgut in die Zelle einzubringen, und sie dann dazu zu bringen die gewünschten Gene zu synthetisieren. Man unterscheidet bei der Anwendung für die Gentherapie die Adeno- und die Retroviren. Die Adenoviren bringen ihre Gene in den Zellkern ein, die Gene integrieren sich jedoch nicht in das Erbgut der Zelle. Dennoch werden die DNA-Stränge abgelesen und die Proteine synthetisiert und können ihre Wirksamkeit entfalten. Jedoch geht die Information für die bestimmten Proteine bei der Zellteilung verloren, weil nur die Chromosomen repliziert werden. Dadurch geht die eingeschleuste Nachricht verloren und die Therapie besitzt nur einen zeitlich begrenzten Erfolg. Dieser Nachteil ergibt sich jedoch nicht bei dem Einsatz von Retroviren als Genfähren. Diese Retroviren erstellen

von ihrem Genom eine DNA-Kopie und veranlassen sie dazu sich in das Erbgut der Zelle zu integrieren. Fraglich ist jedoch, wo sich das therapeutische Gen in das Erbgut einbaut. Dennoch bleibt das therapeutische Gen trotz der Zellteilung erhalten und kann die gewünschten Proteine weiter synthetisieren. Ein Nachteil von Retroviren ist jedoch ihre starke Tendenz zum Umbau oder Verlust ihrer eigenen Basensequenzen. Somit kann sich ihr Erbgut beliebig umbauen und sie könnten auch neuen Krebs auslösen. Dennoch besitzt der Einsatz viraler Genfähren die wahrscheinlichst größten Chancen für die Zukunft.

3.3.2.2 Nichtvirale Genfähren

Die anderen Methoden des Gentransfers beinhalten Liposomen, Mikroinjektion, UV-Laser, Elektroporation und die Partikelpistole.

In die Liposomen wird die DNA eingeschleust. Der Vorteil an Liposomen ist das sie mit der Membran verschmelzen können und ihr Erbgut in das Zellinnere abgeben. Jedoch besteht, wie bei den meisten Methoden, wie auch bei den Liposomen darum das Problem das kein Einbau der DNA in das Erbgut gewährleistet ist. Die entsprechenden Gene könnten auch mit einer extrem feinen Kanüle in den Zellkern injiziert werden und dort ihre Wirkung entfalten. Auch mit einem speziellen UV-Laser könnten Erfolge erreicht werden. Der Laser könnte kleine Löcher in die Zellmembran schießen und die DNA könnte durch diese in die Zellen eingeführt werden. Der gleiche Effekt wird durch Elektroporation hervorgerufen und die DNA könnte auch durch diesen Weg in das Zellinnnere gelangen. Der Reizstrom bildet kurzzeitig kleine Löcher in der Membran. Eine ganz andere Methode wäre der Beschuss der Zelle mit Goldpartikeln welche mit Fremd-DNA beschichtet sind. Diese Partikel würden unter anderem auch in den Zellkern gelangen und dort in der Lage sein neue Proteine zu codieren.

Jedoch sind alle Methoden des Gentransfers noch immer nicht voll ausgereift und bieten auch noch nicht die Sicherheit einer routinierten Anwendung.

3.4 Gentechnisch hergestellte Medikamente - Interferon    

Interferone sind körpereigene Substanzen, die Aktivität praktisch aller Komponenten des Immunsystems beeinflussen. Dadurch steigt die Abwehrkraft des Körpers gegen die meisten Krankheitserreger - gegen Bakterien und Parasiten genauso wie gegen Viren. Zudem hemmen sie die Teilung von Zellen, was erklärt, warum sie auch die Vermehrung von Krebszellen behindern.

Sie werden im Körper nur in sehr geringen Mengen produziert, so dass ihre Reinigung aus Spenderblut praktisch unmöglich ist. ( Aus 50'000 Liter menschlichem Blut kann man nur ca. 400 tausendstel Gramm Interferon isolieren. Die Kosten hierfür wären nicht zu tragen. Die Gentechnik ermöglicht es heute, Interferone in beliebigen Mengen in Bakterien herzustellen. Das betreffende Gen für das körpereigene Interferon wird aus einer angelegten Zellkultur gewonnen durch Restriktionsenzyme. Wie schon beschrieben, wird das Gen in Bakterien eingebaut. Diese Bakterien kann man jetzt ohne riesigen Geld- und Zeitaufwand wachsen lassen. Die gewonnene Lösung kann gereinigt werden und das Interferon müsste in relativ gereinigter Form vorliegen. Bei einigen Formen von Krebs haben sie bemerkenswerte Erfolge ergeben, jedoch sprangen manche Tumore überhaupt nicht auf die Behandlung an.

Besteht ein gewünschtes Medikament aus einer bekannten Aminosäurenreihenfolge, so ist es sogar möglich DNA so zu synthetisieren, dass dann in Bakterien eingebaut werden kann, die das Medikament in beliebiger Menge herstellen können.

3.5 Anwendung monoklonaler Antikörper in der Tumordiagnostik

Antikörper sind Eiweißmoleküle, die körperfremde Strukturen, beispielsweise auf der Oberfläche von Krebszellen, erkennen und sich an ihnen festheften. Sie haben eine wichtige Funktion bei der menschlichen Immunabwehr gegen Krankheitserreger.

Treten sie mit einem körperfremden Merkmal (Antigen) in Kontakt, so setzen sie damit ein Signal für körpereigene Zellen und Mechanismen, die unerwünschten 'Eindringlinge' durch Abwehrreaktionen unschädlich zu machen. Gebildet werden die Antikörper von einem bestimmten Typ weißer Blutkörperchen, den sogenannten Plasmazellen. Es zirkuliert ständig eine Mischung unzähliger verschiedener Plasmazellen, von denen jede ihren eigenen Antikörper herstellt. Jeder dieser hergestellten Antikörper ist ausschließlich auf die Erkennung eines bestimmten Merkmals spezialisiert. Monoklonal bedeutet Zugehörigkeit zu einer Zellfamilie (Klon) mit identischem Erbgut. Alle von einem solchen Zellklon gebildeten Antikörper sind demnach baugleich und auf die Erkennung einer bestimmten Struktur oder eines bestimmten Merkmals spezialisiert. Solche Antikörper gegen ein beliebiges Merkmal können heute außerhalb des Körpers gentechnisch in großen Mengen gewonnen werden. Dies ermöglicht den Einsatz von monoklonalen Antikörpern in Forschung und Medizin. Für die Entwicklung der Methode zur Herstellung monoklonaler Antikörper wurde Georges Köhler und Csar Milstein 1984 der

Nobelpreis für Medizin verliehen. Köhler und Milstein gelang es, eine Plasmazelle, die einen gewünschten Antikörper produziert, dauerhaft vermehrungsfähig zu machen, indem sie die Plasmazelle im Reagenzglas mit einer Tumorzelle verschmolzen. Das Verschmelzungsprodukt, ein sogenanntes Hybridom, hat Eigenschaften von jedem der beiden Partner: Von der Tumorzelle die Fähigkeit zur unbegrenzten Teilung und von der Plasmazelle die Fähigkeit zur Produktion des gewünschten Antikörpers. Alle Nachfahren dieser Mischzelle haben dasselbe Erbgut, sie bilden einen Klon. Sie produzieren daher auch stets denselben, also monoklonalen Antikörper. Mit dieser Methode können im Prinzip Antikörper in beliebigen Mengen gegen jedes beliebige Merkmal hergestellt werden. Monoklonale Antikörper sind in der medizinischen Forschung und Diagnostik mittlerweile unentbehrlich. Bei der Immunszintigraphie (Szintigraphie) nutzt man monoklonale Antikörper zur Auffindung von kleinen Tumorherden im Körper. Antikörper, die gegen bestimmte Merkmale von Tumorzellen gerichtet sind, werden mit radioaktiven Substanzen bestückt und in eine Vene gespritzt. Sie verteilen sich im Körper und reichern sich in gewissem Ausmaß im Tumorgewebe an. Mit Hilfe von speziellen 'Gammakameras' / Counter, welche die Verteilung radioaktiver Strahlungsquellen im Körper abbildet, können sie von außen sichtbar gemacht und lokalisiert werden. Wegen verschiedener methodischer Probleme, unter anderem wegen der zu geringen Anreicherung der Antikörper im Tumorgewebe, sind die Ergebnisse der Immunszintigraphie allerdings nicht so gut, wie man sich dies wünschen würde.

Das Verfahren wird deshalb nicht routinemäßig angewendet, ist aber

dennoch eine sehr gute Ergänzung zu den herkömmlichen Krebsdiagnose.

4. Gentherapie

4.1 Definition Gentherapie

Die Gentherapie befasst sich mit dem Einschleusen von Genen in Zellen, denen die jeweilige normale Funktion des Genes fehlt. Somit kann das intakte, neueingeschleuste Gen jetzt die korrekte Form des zuvor funktionsunfähigen Proteins bilden. Folglich können ererbte genetische Störungen oder durch Mutation entstandene Krankheiten wie Krebs geheilt werden. Die meisten Therapien bekämpfen nur die Symptome einer Krankheit, die Gentherapie richtet sich jedoch gegen die Ursachen eines Problems und bekämpft es von Grunde auf.

Die Gentherapie lässt sich in zwei Kategorien unterteilen. In der ersten werden Veränderung an Keimzellen (Ei- oder Samenzellen) vorgenommen, die eine bleibende genetische Veränderung des gesamten Organismus kommender Generationen zur Folge haben. Diese 'Keimbahntherapie' kommt aus ethischen Gründen beim Menschen nicht in Betracht. Die zweite Kategorie der Gentherapie ist die Körperzellentherapie. Diese betrifft nicht wie die nächste Generation eines Organismus sondern nur die lebenden Zellen einer Person, bis diese stirbt.

Die Gentherapie ist sehr eng mit der Gentechnik verknüpft. Wie ich bereits erklärt habe ( siehe 3.3 Methoden der Gentechnik ) wird zuerst das gesuchte Gen aus einer intakten Zelle isoliert. Durch Genklonierung ist es möglich viele Kopien dieses Gens zu erhalten. Anschließend werden jene DNA-Stücke in Vektoren übertragen ( siehe 4.3 Genfähren ) und diese werden je nach Behandlungsart in den Körper eingebracht oder außerhalb des Körpers in einzelne Zellen eingeschleust, welche wieder zurückimplantiert werden. Die Gentherapie ist bei weitem noch keine ausgereifte und routinemäßig anwendbare Technik, dennoch möchte ich die Ansätze dieser neuen Technologie beschreiben.

4.2 Arten der Gentherapie

4.2.1 Ex-vivo-Therapie

Diese ist die einzige der drei Gentherapiearten, die außerhalb des Körpers durchgeführt wird. Dem Patienten werden Zellen entnommen, die meist den zu behandelnden genetischen Defekt beherbergen. Diese Zellen werden mit der intakten Version des kaputten Gens ausgestattet und dem Patienten wieder in den Körper rückübertragen. Diese Therapie ist vorwiegend sinnvoll um Krankheiten, welche auf ererbten Gendefekten beruhen, zu heilen. Es werden überwiegend Zellen des Körpers entfernt, welche zu den bildenden Systemen des Organismus gehören. Werden die Zellen nun reimplantiert, können die eingeführten Gene Proteine ausbilden, welche über die Blutbahn in den gesamten Körper gelangen. Dort entfalten sie ihre therapeutische Wirkung für den gesamten Organismus, da die gebildeten Proteine über die Blutbahn Zugang zu fast jeder Zelle erhalten.

Sie ist leider nur indirekt gegen Krebs geeignet, weil Krebs nur in seltenen Fällen auf einem Gendeffekt beruht, den alle Zellen von Geburt an, in sich tragen.

Eine Möglichkeit wäre jedoch, dem Körper eines Krebspatienten Knochenmark zu entnehmen und es so manipulieren, dass sich nur noch weiße Blutkörperchen bilden,

welche besonders darauf spezialisiert sind Krebszellen besser zu erkennen und zu zerstören.

4.2.2 In-situ-Therapie       

Die In-situ-Therapie wird im Körper am betreffenden Organ durchgeführt und ist auch direkt gegen Krebs geeignet. Die Genfähren müssen die entsprechenden Zellen nicht erst im Organismus finden und es müssen den betreffenden Geweben nicht erst Zellen entnommen und genetisch verändert werden. Die Therapie ist vor allem sinnvoll wenn sich die Gendefekte in einem Organ bzw. Gewebe befindet. Somit kann die In-situ-Therapie gezielt gegen Tumore eingesetzt werden.

( Welche genetische Information zu welchem Zweck eingebracht werden kann wird im Kapitel 4.4 Ziele der Gentherapie beschrieben ).

4.2.3 In-vivo-Therapie

Bei dieser Therapieform werden die Genfähren einfach in die Blutbahn injiziert. Die Genfähren sind so 'programmiert' das sie selbstständig die zu behandelnden Zellen finden und nur in diesen ihre 'Fracht' effizient und sicher übermitteln.

Somit wirken Sie bei allen Krankheiten welche auf Gendefekten beruhen, egal ob sie lokal in einem Gewebe oder im ganzen Körper vorhanden sind. Im Gegensatz zu den beiden anderen Therapiearten, besitzt diese noch zu viele Hindernisse, um klinische Anwendung zu finden. Sie ist jedoch die erfolgversprechenste der drei Arten für die zukünftige Anwendung. Das größte Problem liegt in der Entwicklung geeigneter Genfähren die selbständig ihr Ziel finden. ( siehe 4.5 Probleme der Gentherapie ).

4.3 Ziele der Gentherapie

Durch die Gentherapie ist es möglich, ausgesuchte Gene in Zellen einzuschleusen.

Bei der Bekämpfung von Krebs unterscheidet man drei Ziele der Gentherapie.

Entweder man versucht durch das eingebrachte Gen die Krebszellen zu heilen, abzutöten oder ihre Ausbreitung einfach zu stoppen. Man hat heutzutage schon viele Zellvorgänge aufgedeckt, und wie sie mit dem Genom verknüpft sind. Dieses Wissen und vor allem auch die Forschungen am 'Human Genom Projekt ' bieten viele Möglichkeiten, um Ansätze für eine Gentherapie zu finden. Egal welches der drei Ziele man verfolgt. Zwar sind die meisten der bisherigen Ansätze noch nicht einmal in Grundzügen am Menschen auf Sicherheit und Wirksamkeit getestet, doch könnte ihre Weiterentwicklung einmal die Überlebenschancen zukünftiger Krebspatienten erheblich verbessern. In den nächsten drei Kapiteln nenne ich Beispiele für die Ansätze der Gentherapie geordnet nach ihren Zielen.

4.3.1 Heilen der Krebszellen

Das Prinzip des Heilens einer Krebszelle ist erstaunlicherweise recht simpel.

Da Krebs durch den Defekt spezifischer Gene entsteht, müsste man diese nur durch ein intaktes Gen ersetzten, um den Defekt wieder zu beheben oder andere Gene zu aktivieren, welche die kaputten Mechanismen reparieren. Durch das Einführen intakter Proto-Onkogene, Tumorsuppressorgene oder Gene die für die DNA-Reparaturmechanismen verantwortlich sind, könnte sich eine Heilung der Krebszellen bewirken lassen. Die entsprechenden DNA-Abschnitte können aus jeder Lebensform stammen, weil alle DNA-Stränge zueinander kompatibel sind und evolutionsbedingt die selben Gene enthalten müssten.

Die Therapie müsste jedoch bis aufs kleinste auf die speziellen genetischen Ursachen des Tumors eines Patienten abgestimmt sein, sonst könnte sie keinen Erfolg haben.

4.3.2 Abtöten einer Krebszelle

Hier unterscheidet man ob sich die Zelle selber umbringt oder ob sie von außen getötet wird. Das Einbringen intakter Apoptosegene bringt die Zellen, welche sehr große DNA-Schäden besitzen dazu sich selber umzubringen.

Man könnte auch Gene einbringen die Proteine codieren, welche zusammen mit den

Medikamenten der Chemotherapie die Zelle noch schneller und effektiver absterben lassen. Eine ähnliche Methode wäre für den Körper noch harmloser, weil sie ohne Chemotherapie auskommen könnte. Das Einschleusen eines Genes welches die Information für ein toxisches Eiweiß liefern könnte wäre sehr wirkungsvoll. Sofort nach der Synthese des Proteins würde es seine Wirkung entfalten und die Zelle somit 'vergiften'.

Eine indirekte Waffe gegen die Krebszellen würde ein Gen sein, welches bestimmte Oberflächenstrukturen an der äußeren Seite der Zellmembran ausbilden könnte.

Da Krebszellen aus Körperzellen entstehen ist es für das Immunsystem sehr schwierig diese zu erkennen. Auch wenn sie spezifische Antigene tragen, fehlen dann meistens noch die co-stimulierenden Moleküle für eine Immunreaktion. Die genetische Information für diese stimulierende Moleküle kann wieder über Genfähren in die Zelle eingebracht werden das sich so das gewünschte Merkmal ausbildet.

Den weißen Blutkörperchen ( Lymphocyten ) fällt es somit leichter die Krebszellen zu erkennen und sie zu töten. Ist die Immunabwehr der Krebszellen einmal ins laufen gekommen so ist es möglich das die Lymphocyten jetzt auch Krebszellen zerstören, ohne das sie die co-stimulierenden Moleküle besitzen.

4.3.3 Eindämmen des Tumorwachstums

Das Eindämmen des Tumorwachstums bezieht sich vorwiegend auf die Stoppung

seines Wachstums, das Aufhalten der Metastatisierung und die Stoppung des Blutgefäßwachstums. Das alles sind nur Ideen für die häufig noch ein gezielter Angriffspunkt fehlt. Die Metastatisierung beruht auch auf Gendefekten, diese jedoch zu stoppen ist äußerst schwierig. Wenn sie schon einmal in Gang gekommen ist, scheint überdies hinaus zwecklos, weil sich schon Krebszellen in der Blutbahn befinden. Das Aufhalten des unkontrollierten Wachsens müsste auch durch die Einbringung intakter Wachstumsgene erfolgen.

4.4 Probleme der Gentherapie

Wie jede neue Wissenschaft ihren Anfang findet, war dies erst vor relativ kurzer Zeit der Fall bei der Gentherapie. Sie steht noch ganz am Anfang und hat deswegen auch noch so viele Schwierigkeiten zu überwinden. Ihre nahe 'Verwandtschaft' zur Gentechnik bringt viele Vorurteile der Öffentlichkeit mit sich. Neben diesen Imageproblemen gibt es auch noch eine ganze Reihe technischer Probleme, auf welche ich jetzt näher eingehen möchte. Außerdem gab es bis heute nicht einen einzigen medizinischen Fall, in dem man die Heilung eines Patienten direkt auf die Anwendung der Gentherapie zurückführen konnte.

4.4.1 Technische Probleme

Viele technische Probleme stehen noch zur Lösung aus. Die meisten Probleme beziehen sich auf die Genfähren. Das zielgerichtete Einbringen von verändertem genetischen Material in den Organismus ist das bisher größte Problem. Da Viren den Nachteil haben ihre Erbinformation Umzubauen, könnten sie auch Krebs auslösen.

Noch schlimmer wäre es wenn auf diese Art und Weise ein neuer gefährlicher Virus entstehen könnte. Selbst wenn diese Schwierigkeiten überwunden werden, lösen die Viren spätestens bei mehrmaligen einbringen in den Körper Immunreaktionen aus. Dadurch werden die Viren abgetötet, bevor sie überhaupt ihr Erbgut in eine Zelle übertragen konnten. Selbst wenn das 'therapeutische' Gen in den Zellkern gelangt, kann es sich immer noch an der falschen Stelle in die DNA integrieren. So kann es dazu kommen das keine Proteine des Gens entstehen, weil es keine RNA-Bildung von ihm gibt. Der falsche Einbau des Gens kann zu einer Unterbrechung eines lebenswichtigen Genabschnittes kommen. Dies würde zum Tod der Wirtszelle führen.

Die Hürden sind jedoch nicht so groß wie sie hier erscheinen. Die Wissenschaft geht mit so großen Schritten voran, dass die Prognosen gut stehen, dass in fünfzehn bis zwanzig Jahren keine großen Einwände gegen eine routinemäßige Anwendung der Gentherapie bei Körperzellen bestehen.

4.4.2 Allgemeine Probleme

All die nötige Forschung auf dem Gebiet der Gentherapie setzt die Aufwendung hoher finanzieller sowie personeller Kosten voraus. Diese sind besonders schwer zu bekommen aufgrund des schlechten Rufs der Gentechnik und dem schmalem Grad zwischen den ethischen Ansichten vieler Menschen und den Gengesetzen.

Ein rein rechtliches Problem ist die sogenannte 'Genschutzinitiative', sie unterbindet die Freisetzung genetisch veränderter Mikroorganismen. Vor allem aus diesem Grunde, ist es besonders schwierig Versuchszulassungen zu bekommen. Erst wenn wirklich bewiesen werden kann, dass kein genetisch verändertes Material freigesetzt wird, bekommt man eine solche Versuchszulassung. Außerdem werden Gentherapien nur bei Patienten bewilligt, die sich in einer aussichtslosen Lage befinden. So wird bei Krebs eigentlich nur eine Gentherapie bewilligt, wenn der Patient sich im Endstadium befindet und die Schulmedizin versagt hat. Dies ist ein weiteres Problem für die Wissenschaftler und Arzte. Denn man kann in diesem Stadium häufig nicht genau feststellen ob die Therapie wirklich Erfolg zeigt.

Quellenverzeichnis

1. ' Gentechnologie und Grenzen der Biologie '                                Walter Nagl

Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Darmstadt 1987

2. ' Lindner - Biologie'                                                                       Autorengruppe

Metzler 1989

3. ' Thema Gentechnik - eine lebensverändernde Wissenschaft '      G.Nossal & R. Coppel

Spektrum - akademischer Vertrag 1992

4. ' Schülerduden - Biologie' Autorengruppe

Dudenverlag 1994

5. ' Biologie '                                                                                      Neil A. Campbell

Spektrum - akademischer Verlag 1997

6. ' Digest: Gene und Genome '                                                         Artikelsammlung

Spektrum - akademischer Verlag 1997

7. ' Biologie heute S2 '                                                                       Autorengruppe

Schroedel 1997

8. ' Allgemeine Genetik ' Rudolf Hagemann

Spektrum - akademischer Vertrag 1999

9. ' Digest: Altern, Krebs und Gene '                                                Artikelsammlung

Spektrum - akademischer Verlag 1998

10. 'Abitur '99 - Prüfungsaufgaben mit Lösungen'                          Aufgabensammlung

Stark 1998

11. ' Spezial: Krebsmedizin' Artikelsammlung

Spektrum - akademischer Verlag 1999

12. ' Dossier: Perspektiven in der Medizintechnik'                          Artikelsammlung

Spektrum - akademischer Verlag 1999

13. Internet