(23. November 2012) Kaum irgendwo liegen Euphorie und Enttäuschung näher beisammen, als rund um den Einsatz der RNA-Interferenz (RNAi) für therapeutische Zwecke. Noch vor wenigen Jahren beflügelten die Visionen von doppelsträngigen Nukleinsäuren als Allheilmittel die Phantasie der Molekularbiologen. Phantastisch waren wohl auch die Geldbeträge, die Firmen wie Roche und Pfizer in die Hand nahmen, um die Entwicklung RNAi-basierter Medikamente voranzutreiben. Denn schon 2011 wurde man von der Realität eingeholt und das Märchen war vorbei. Eben jene namhaften Firmen hatten mittlerweile bekannt gegeben, Projekte zur RNAi einstellen zu wollen (siehe auch LJ online-Editorial „RNAi als Auslaufmodell“ vom 18.2.2011). Dabei liegen in der RNAi durchaus große Chancen für die Entwicklung von Medikamenten, ist sich Ute Schepers sicher. Die Chemikerin leitet am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe zur Chemischen Biologie, in der sich Mediziner, Chemiker und Biologen mit der Entwicklung von organspezifischen Transportern beschäftigen. Ihr Ziel: Medikamente dorthin transportieren, wo sie wirken sollen. Auch doppelsträngige RNA hat die Arbeitsgruppe im Blick und glaubt an das therapeutische Potential dieser Nukleinsäuren – wenn man sie nur intelligent einsetzt.
Das In vivo-Problem
Es ist ein bekanntes Problem bei der Entwicklung von Medikamenten: Signalwege, die sich in Zellkultur leicht beeinflussen lassen, sind in vivo mitunter schwer erreichbar. Hat man dann einen Inhibitor, der selektiv irgendein krankheitsrelevantes Enzym blockiert, so tut er das oft nicht nur in den betroffenen Organen, sondern systemisch. So kommt es zu unerwünschten Nebenwirkungen. Verabreicht man kurze doppelsträngige RNA-Moleküle (small interfering RNA oder siRNA), um die Synthese eines Proteins herunter zu schrauben, so ist man mit einem ähnlichen Problem konfrontiert. „Man kann nackte siRNA in Mäuse einspritzen und sieht, dass homologe mRNA im gesamten Tier herunterreguliert wird“, erklärt Schepers. Wie genau die RNA dabei in die Zellen gelangt, sei bislang ungeklärt. Jedenfalls würde man Nukleinsäuren in Zellkultur nicht einfach so durch die Zellmembran hindurch bekommen. Eigentlich egal, Hauptsache es funktioniert, könnte man meinen. Allerdings hat die Sache einen Haken, weiß Schepers. „Die RNA verteilt sich im gesamten Organismus, und sie brauchen sehr hohe Konzentrationen für einen messbaren Effekt; auf den Menschen übertragen wäre das nicht verträglich“. Einfach eine RNA injizieren, die den Patienten heilt, dürfte demnach in den seltensten Fällen zum Erfolg führen. Könnte man die RNA hingegen dorthin bringen, wo sie gebraucht wird, ließen sich schon mit geringen Mengen ausreichend hohe Konzentrationen im Zielgewebe erreichen.
Zellpenetrierende Peptide als Vorbild
Neben der Frage, welcher Wirkstoff nun in ein Gewebe gelangen soll, geht es zunächst um einen geeigneten Transporter. „Wir haben uns an Zell-penetrierenden Peptiden orientiert“, erklärt Schepers. Diese Peptide kommen beispielsweise in HI-Viren vor und zeichnen sich durch eine positive Ladung aus; sie sind in der Lage, Zellmembranen zu überwinden. Um die Stabilität der Moleküle zu erhöhen, wurden sie modifiziert. „Wir haben daraus Peptoide gemacht; die Seitenkette der Aminosäuren ist dabei auf das Stickstoffatom verschoben“. Desweiteren wurden Polyamine hergestellt, die durch ihre positive Ladung ebenfalls Gemeinsamkeiten mit den zellpenetrierenden Peptiden aufweisen. Die Forscher synthetisierten verschiedene Varianten dieser Peptoide und Polyamine, um deren Eigenschaften zu untersuchen. „Wir haben nicht designt, sondern ganz empirisch getestet“, beschreibt Schepers das Vorgehen. Aktuell führt das Team Hochdurchsatzscreens durch, um systematisch zu ermitteln, welche Moleküle in welche Zelltypen eindringen und wie spezifisch sie sich einsetzen lassen.
An diese synthetischen Transporter lassen sich nun siRNAs fusionieren, die dann mit in die Zielzellen eingeschleust werden. Dabei ist es wichtig, dass die RNA auf ihrer Reise stabil gebunden bleibt, am Ziel aber vom Transporter getrennt wird. „Wir nutzen Disulfidverknüpfungen oder säurelabile Verknüpfungen, die sich säurebasiert in den Endosomen oder über Reduktion im Zytosol der Zelle spalten lassen“, beschreibt Schepers das Vorgehen. Beim Zusammenbasteln der Transporter-RNA-Moleküle kann man laut Schepers nur bedingt auf Standardprotokolle zurückgreifen. Da die meisten Methoden der organischen Chemie an nicht-wässrige Lösungsmittel adaptiert sind, müsse man für die Arbeit mit Nukleinsäuren vieles modifizieren und an wässrige Umgebungen anpassen. Doch der Aufwand hat sich gelohnt, denn mit einem der entwickelten Transporter lässt sich siRNA in Herz und Lunge transportieren, während sie in anderen Organen wie Leber, Niere und Milz nur in geringen Konzentrationen nachweisbar ist (Publikation in Vorbereitung).
RNAi gegen septischen Schock
Auch eine konkrete medizinische Anwendung hat Schepers zusammen mit den Intensivmedizinern Pascal Knüfermann und Andreas Hoeft der Uniklinik Bonn bereits für ihren Herz-Lungen-spezifischen Transporter im Blick und denkt hier an ein Problem aus der Intensivmedizin. „Sepsis und septischer Schock sind immer noch die Haupttodesursache auf nicht-kardiologischen Intensivstationen“ schildert sie. Die gute Sauerstoffversorgung durch moderne Beatmungsmaschinen sei eben auch ein Vorteil für die Bakterien, die sich unter diesen Bedingungen schnell vermehren. „Bei einem septischen Schock kommt es häufig zu einer septischen Kardiomyopathie“ fährt Schepers fort, demnach seien die Bakterien in der Lage, am Herzen Entzündungsreaktionen hervorzurufen. Das eigentliche Problem bestehe dabei in einer Überreaktion des Immunsystems, die häufig zum Tode führe. „Die Aktivierung von CD14 induziert eine Signalkaskade, die zur massenhaften Ausschüttung von Cytokinen führt. Dann kann es zum septischen Schock kommen und die Patienten sterben meist an Herzversagen“, erläutert Schepers und berichtet, Knüfermann und Hoeft hätten zeigen können, dass CD14-Knockout-Mäuse vor einer Cytokinerhöhung und einer Myokarddepression geschützt sind (Circulation 2002, 106(20):2608-15). „Die Tiere sterben aber trotzdem an der Bakterieninfektion, weil ihnen ein wichtiger Schlüsselfaktor für die generelle Immunantwort fehlt“, bringt sie das Dilemma auf den Punkt.
An dieser Stelle kommt Schepers Transporter ins Spiel. Wird dieser mit einer CD14-homologen siRNA versehen und Bakterien-befallenen Mäusen verabreicht, so ist die Überlebensrate unter den Tieren höher. „Es zeigt sich eine herzspezifische Erniedrigung von CD14“, erklärt Schepers und betont die Idee, durch die herzselektive Applikation das Auftreten des septischen Herzkreislaufversagens zu unterdrücken, ohne dabei die generalisierte Immunantwort zu unterbinden. Es findet also trotzdem noch eine Abwehr der Bakterien statt (Publikation in Vorbereitung). Schepers hofft, dass man irgendwann auch Sepsis-Patienten im Krankenhaus auf diese Weise behandeln kann. „Dann hätte man ein größeres Zeitfenster für die Antibiose“, ist sie sicher.
War die Begeisterung rund um die RNA-Interferenz also doch nicht ganz unbegründet? Schepers bleibt hier realistisch und glaubt, es sei noch lange nicht absehbar, dass man sich von seinem Hausarzt ein Rezept für die richtige siRNA ausstellen lassen könne. „Da muss man erst in den Grundlagen weiterkommen“, meint sie. Vielleicht ist die Branche in der ersten Euphorie um die scheinbar märchenhaften Nukleinsäure-Doppelstränge ja einfach ein bisschen über das Ziel hinausgeschossen.
Mario Rembold
(Der Artikel erschien in der aktuellen Laborjournal-Ausgabe 11/2012 auf den Seiten 58-59)