Hakenwurm-DNA: Parasiten produzieren therapeutische Antikörper

Lange Zeit galt es als unerreichbar, die DNA eines Hakenwurms umzuschreiben. Seine widerstandsfähige Außenhülle, der komplexe Lebenszyklus und das bislang nur unzureichend beschriebene Genom machten ihn für Verfahren der Geneditierung unzugänglich, die bei Bakterien, Mäusen und menschlichen Zelllinien zuverlässig funktionieren.

Ein Team unter Leitung von Makedonka Mitreva, Gordon R. Miller Professorin in der Abteilung für Infektionskrankheiten am John T. Milliken Department of Medicine der Washington University School of Medicine (WashU Medicine), hat diese Hürden nun überwunden.

Indem die Forschenden neue genetische Anweisungen in das Genom des Hakenwurms einbrachten, verwandelten sie den Parasiten in eine Produktionsstätte für einen therapeutischen Antikörper, den er in den Blutkreislauf des Wirts absondert.

Parasiten neu gedacht

Hakenwürmer infizieren in tropischen Regionen Hunderte Millionen Menschen und verursachen bei gesunden Erwachsenen meist leichte Verdauungsbeschwerden. Anders als die meisten Parasiten können sie sich im menschlichen Körper nicht vermehren.

Eine kontrollierte Infektion bleibt daher kontrollierbar. Falls eine Behandlung erforderlich wird, beseitigt eine einzige orale Dosis eines antiparasitären Medikaments die Würmer innerhalb von etwa 24 Stunden.

Jahrzehntelang standen Hakenwürmer fast ausschließlich als Krankheitserreger im Fokus. Dann stellten Forschende fest, dass Infizierte bei bestimmten Darmerkrankungen weniger Entzündungen aufwiesen.

Die von den Würmern abgegebenen Sekrete schienen jene Immunaktivität zu dämpfen, die Erkrankungen wie Colitis ulcerosa antreibt. Diese Beobachtung veränderte die Perspektive: Statt Infektionen lediglich zu behandeln, fragten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, ob Hakenwürmer therapeutisch nutzbar sein könnten.

Die Studie führt diesen Ansatz weiter. Statt sich darauf zu verlassen, welche Stoffe ein Hakenwurm von Natur aus bildet, stattete das Team ihn so aus, dass er ein ausgewähltes Protein produziert und absondert.

Auswahl des Ziels

Die Forschenden arbeiteten mit Ancylostoma ceylanicum, einer Hakenwurmart, die Menschen infiziert.

Als Machbarkeitsnachweis konstruierten sie den Wurm so, dass er einen kompakten Antikörper gegen Tetrodotoxin herstellt. Dieses lähmende Nervengift kommt in Kugelfischen vor, und bislang existiert kein Gegenmittel.

Die Finanzierung stammte von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Dabei ging es um biologische Gegenmaßnahmen für Soldatinnen und Soldaten an abgelegenen Einsatzorten.

Umschreiben der Hakenwurm-DNA

Die Entwicklung eines genetisch veränderten Hakenwurms erforderte Lösungen für bislang unbehandelte Probleme. Geneditierungswerkzeuge, die in anderen Organismen funktionieren, waren nicht an die Biologie des Hakenwurms angepasst.

Monatelang suchte das Team nach einer sicheren Einfügungsstelle im Genom des Hakenwurms – einer Position, an der zusätzliche DNA weder benachbarte Gene beeinträchtigt noch das Überleben des Wurms gefährdet.

Mithilfe von CRISPR-Cas9, einem präzisen Werkzeug zur Geneditierung, schnitten die Forschenden die DNA des Hakenwurms auf und fügten das Gen für den Antikörper gegen Tetrodotoxin ein.

Zusätzlich integrierten sie ein Signal, das das entstandene Protein aus dem Körper des Wurms herausleitet, anstatt es in dessen eigenes Gewebe zurückzuführen. In Hakenwurmeier gelangte das Material per Elektroporation – einem elektrischen Impuls, der Zellmembranen vorübergehend durchlässig macht.

Hakenwürmer durchlaufen den Lebenszyklus

Aus den veränderten Eiern entwickelten sich Larven, die Hamstern verabreicht wurden. So prüfte das Team, ob die Würmer ihren Lebenszyklus abschließen und das Protein bilden würden. Beides gelang.

Auch an die nächste Wurmgeneration wurde das eingebrachte Gen weitergegeben – ein Nachweis für eine stabile Vererbung.

Entscheidend war zudem, dass der Einbau keine benachbarten Gene abschaltete und die Biologie der Würmer unverändert blieb.

Antikörper gelangen ins Blut

Als den mit den veränderten Würmern infizierten Hamstern 22 Tage nach der Infektion Blut abgenommen wurde, enthielt es den von den im Darm lebenden Parasiten produzierten humanen Antikörper.

Laboruntersuchungen dieses Bluts zeigten, dass es ungefähr 16% des Tetrodotoxins neutralisierte.

Dieser Wert mag gering erscheinen, doch Mitreva betonte, dass es sich um einen frühen Machbarkeitsnachweis handelt.

Das Team arbeitet weiterhin daran, die Proteinproduktion und -sekretion zu steigern; die bisherigen Ergebnisse unterschätzen das Potenzial der Plattform wahrscheinlich.

Da die Würmer im Darm leben und den Großteil ihrer Produkte dorthin abgeben, könnten die Konzentrationen therapeutischer Proteine im Darm deutlich höher sein als jene, die in dieser Studie den Blutkreislauf erreichten.

Damit eignet sich die Plattform besonders für auf den Darm ausgerichtete Anwendungen, etwa bei entzündlichen Darmerkrankungen und Nahrungsmittelallergien.

Potenzielle medizinische Anwendungen

Die möglichen Einsatzbereiche reichen über Tetrodotoxin hinaus. Hakenwürmer können in kontrollierter Anzahl bereits über Jahre unauffällig in einem Wirt leben, ohne schwere Erkrankungen zu verursachen. Sie liefern gleichmäßige, kontinuierliche Sekrete und können Wirkstoffe direkt an die Darmschleimhaut oder in den Blutkreislauf abgeben.

Bei chronischen Erkrankungen, die wiederholte Injektionen oder Infusionen erfordern, bietet diese Kombination etwas, das keine herkömmliche Arzneimittelplattform leisten kann.

Morbus Crohn und Colitis ulcerosa sind naheliegende Kandidaten. Gleiches gilt für Erkrankungen, bei denen kleine, anhaltende Dosen eines therapeutischen Proteins Beschwerden verhindern oder kontrollieren könnten.

Menschen in abgelegenen Regionen oder Gebieten mit begrenzten Ressourcen könnten eine einzige orale Dosis veränderter Larven erhalten und über Jahre eine lebende Apotheke im Körper haben.

Sicherheit und nächste Schritte

Sicherheit und Eindämmung bleiben zentrale Fragen, bevor eine Anwendung beim Menschen in Betracht kommt.

Die Forschenden erwägen, die Würmer so zu verändern, dass sie keine Eier produzieren können. Damit würden sie sich weder ausbreiten noch in der Umwelt vermehren. Injizierbare Medikamente verfügen nicht über einen vergleichbaren eingebauten Abschaltmechanismus.

„Was wir gezeigt haben, ist, dass das Konzept von Anfang bis Ende funktioniert“, sagte Mitreva. „Man kann ein Gen einfügen, der Wurm produziert das Protein, das Protein verlässt den Wurm, und es ist im Wirt funktionell aktiv.“

Nun kann die Plattform je nach Einsatzgebiet auf unterschiedliche Erkrankungen und Proteinkonzentrationen optimiert werden.

Ein biologisches System, das sich zur Besiedlung des Menschen entwickelt hat, wird auf einen Nutzen für Menschen ausgerichtet. Dafür war das erste erfolgreiche Umschreiben des Genoms eines Hakenwurms notwendig.