Es fällt sehr schwer, der Corona-Pandemie etwas Positives abzugewinnen. Einer der wenigen Profiteure ist zweifellos die mRNA-basierte Medizin. Beflügelt durch die Pandemie haben mRNA-Impfstoffe in den letzten anderthalb Jahren regelrecht den Turbo angeworfen und sind zum neuen Hoffnungsträger geworden.
Doch Impfstoffe sind nur ein Teil des mRNA-Repertoires. Forscher hoffen, bald auch Krebs und etliche andere Erkrankungen mit mRNA-Therapien zielgerichteter behandeln zu können. Die große Herausforderung ist aber meist nicht die Entwicklung des Wirkstoffs selbst, sondern dessen unversehrter Transport in die Zelle.
Erleichterte Flucht
Zwar existieren verschiedene Strategien, die mRNA-Moleküle in den Körperzellen zu stabilisieren und dafür zu sorgen, dass sie keine zu starke Immunreaktion in den Wirtszellen auslösen. Doch ein Nadelöhr für die Effektivität der mRNA-Therapien besteht weiterhin: Die meist in fetthaltigen Nanopartikeln oder LNPs (Lipid Nanoparticles) verpackten mRNA-Moleküle gelangen mittels Endocytose ins Zellinnere und bleiben in den Endosomen gefangen, wo sie wirkungslos sind. Nur ein Teil der mRNA entkommt und schafft es ins Cytoplasma. Bislang umgehen Wissenschaftler das Problem, indem sie die injizierte mRNA-Menge erhöhen. Dies erhöht jedoch das Risiko für cytotoxische Nebenwirkungen.
Zielführender wäre es, der mRNA die Flucht aus den Endosomen effektiver zu ermöglichen. Doch bislang ist nicht einmal klar, wo und wie mRNA-Moleküle die Endosomen verlassen und welche Rolle ihre LNP-Hüllen dabei spielen. Marino Zerials Gruppe vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden hat sich den Weg der mRNA-Wirkstoffe in der Zelle zusammen mit Forschern des schwedischen Pharmakonzerns AstraZeneca genauer angeschaut.
Unterschiedlich umhüllt
Die Wissenschaftler kombinierten zunächst einen GFP-markierten mRNA-Wirkstoff mit sechs unterschiedlichen Lipidhüllen und gaben ihn zu primären humanen Fettzellen. Dann wandten sie eine spezielle Form der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) an, um einzelne Moleküle räumlich sichtbar zu machen. Mit der Technik ermittelten sie das Verhältnis zwischen der entkommenen cytoplasmatischen mRNA und der insgesamt aufgenommenen mRNA. Das überraschende Resultat: Je nach Art der LNPs war die Flucht der mRNA-Moleküle aus den Endosomen mal mehr und mal weniger erfolgreich.
Wie kann das sein? Die Gruppe vermutete, dass die LNPs die endosomale Verteilung der mRNA-Wirkstoffe beeinflusste und hierdurch auch ihren Transit ins Cytoplasma. Hierzu muss man wissen: Die Eigenschaften von Endosomen unterscheiden sich teils erheblich. Nimmt die Zelle eine Substanz auf, zum Beispiel LNP-mRNA, formt sich zunächst ein frühes Endosom mit einem hohen pH-Wert. Dieses entwickelt sich entweder zu einem Recycyling-Endosom weiter, das seine Fracht freigibt, oder es wandelt sich um zu einem späten Endosom mit saurem pH-Wert, dessen Inhalt abgebaut wird. Praktisch für die Forscher: Jeder Endosomen-Typ exprimiert eigene Markerproteine, die man leicht mittels Immunfärbung nachweisen kann.
Nanometer-genaue Beobachtung
Die Analyse bestätigte, was das Team erwartet hatte: Je nach Lipidhülle verteilte sich die mRNA anders: Die bei der Flucht erfolgreichsten LNP-mRNAs waren besonders häufig in den frühen Endosomen sowie den Recycling-Endosomen zu finden, welche die Proteine RAB11, APPL1 und EEA1 exprimierten.
Zerials Team versuchte im nächsten Schritt, die Flucht der winzigen mRNA-Kügelchen im Mikroskop zu beobachten. Mithilfe der Multi-Color Single Molecular Localization Microscopy (SMLM) konnte das Team den Austritt einzelner LNPs und sogar einzelner mRNA-Moleküle Nanometer-genau visualisieren. Die hochauflösenden Aufnahmen zeigen, wie die mRNA vor allem an den tubulären Ausläufern der verzweigten Recycling-Endosomen freigesetzt wird.
Doch eine Frage blieb trotz SMLM offen: Warum schafft ein Großteil der LNP-mRNA den endosomalen Absprung nicht? Die Daten deuten auf zwei Ursachen hin. Ein kleiner Teil der mRNA-Partikel entkommt nicht früh genug und wird nach der Konversion in späte Endosomen degradiert. Wohl eine Sache des Timings. Doch der weitaus größere Teil der „verlorenen“ LNPs strandet in großen Endosomen, die einen relativ hohen pH-Wert aufweisen und den Marker für frühe Endosomen EEA1 enthalten.
Gefangen im Zwischenstadium
Was erst einmal paradox klingt, erklären sich die Autoren so: Nimmt ein frühes Endosom zu viele LNPs auf, wird dessen Azidifizierung gestört. Hierdurch entstehen große Vesikel, die im Zwischenstadium von frühen und späten Endosomen feststecken. Diese dysfunktionalen Endosomen beherbergen zwar große Mengen aufgenommener mRNA, geben sie aber nicht ins Cytoplasma frei. Dieser Prozess würde auch erklären, warum höhere Dosen eines mRNA-Wirkstoffs toxisch wirken können. Denn je mehr LNP-mRNA internalisiert wird, umso mehr Endosomen erleiden Defekte und arretieren - was wiederum zur Fehlfunktion wichtiger zelleigener Transportwege führt.
Doch wie ist zu erklären, dass manche LNPs seltener in den arretierten Endosomen auftauchen als andere? Die Wissenschaftler glauben, dass die Struktur der Lipide entscheidend dafür ist, wie sehr die Azidifizierung gestört wird. Mithilfe von LNPs, die verstärkt von den Recycling-Endosomen aufgenommen werden, sollte sich demnach die Effektivität der mRNA-Wirkstoffe steigern und ihre Toxizität verringern lassen.
Michael Bell
Paramasivam P. et al. (2022): Endosomal escape of delivered mRNA from endosomal recycling tubules visualized at the nanoscale. J Cell Biol, 221(2):e202110137
Bild: Pixabay/ElisaRiva