Neuer CRISPR-Durchbruch verspricht erschwinglichere Krankheitsdiagnostik

Ein Team von Ingenieuren an der University of Florida hat eine neue Form der CRISPR-Technologie entwickelt, die Diagnosen und Behandlungen sicherer, präziser und erschwinglicher machen könnte und gleichzeitig die Tür zu völlig neuen Wegen der Krankheitsbekämpfung öffnet.

Erstmals in einem Preprint von 2024 berichtet und jetzt offiziell veröffentlicht in NaturbiotechnologieMit der Arbeit wird das weltweit erste System etabliert, das DNA anstelle von RNA verwendet, um CRISPR-Enzyme zu ihrem Ziel zu führen, und damit das langjährige Paradigma auf den Kopf stellt.

Um zu verstehen, warum das wichtig ist, ist es hilfreich, darüber nachzudenken, wie Zellen funktionieren.

In jeder Zelle befindet sich DNA, die wichtigste Bedienungsanleitung des Körpers. Aber Zellen nutzen diesen ursprünglichen Bauplan nicht direkt. Stattdessen erstellen sie Arbeitskopien oder RNA, die Anweisungen zum Aufbau von Proteinen und zur Ausführung von Funktionen enthalten.

Diese RNA-Kopien ähneln Xerox-Kopien des Originalhandbuchs, und manchmal weisen diese Kopien Fehler auf.“

Piyush Jain, Studienleiter, außerordentlicher Professor und The Shah Rising Professor, Department of Chemical Engineering, University of Florida

Solche Fehler können schwerwiegende Folgen haben. Bei Krankheiten wie Krebs können Zellen zu viele fehlerhafte Kopien produzieren oder falsche Anweisungen befolgen, was zu unkontrolliertem Wachstum oder anderen Problemen führt.

Seit Jahren verwenden Wissenschaftler CRISPR, um genetisches Material anzugreifen und zu schneiden, wobei sie sich oft darauf konzentrieren, dauerhafte Veränderungen an der DNA selbst vorzunehmen. In jüngerer Zeit haben Forscher Werkzeuge entwickelt, die auf RNA abzielen, die Jain als Arbeitskopien bezeichnete, und die eine Möglichkeit bieten, einzugreifen, ohne den zugrunde liegenden genetischen Code zu verändern.

Aber diese Ansätze seien mit Kompromissen verbunden, sagte er.

„Bestehende CRISPR-Systeme, die auf RNA abzielen, sind auf RNA-Leiter angewiesen, um ihre Ziele zu finden“, sagte Jain. „Obwohl sie wirksam sind, können sie manchmal unbeabsichtigte Moleküle beeinflussen und so Effekte außerhalb des Ziels hervorrufen. Sie können außerdem kostspielig und weniger stabil sein.“

Das neue System verfolgt einen anderen Ansatz.

Anstatt RNA als Orientierungshilfe zu verwenden, entwickelte das Team CRISPR so, dass DNA verwendet wird, die von Natur aus stabiler und einfacher herzustellen ist. Dadurch kann das System spezifische RNA-Moleküle innerhalb der Zelle präziser identifizieren und darauf reagieren.

In der Praxis bedeutet das, dass sich Wissenschaftler auf die Korrektur oder Kontrolle der „Xerox-Kopien“ konzentrieren können, ohne den ursprünglichen Bauplan zu beeinträchtigen.

„Es gibt uns die Möglichkeit, die Anweisungen, die die Zelle verwendet, in Echtzeit zu korrigieren oder abzustimmen, ohne die DNA sofort zu verändern“, sagte Jain.

Dieses zusätzliche Maß an Kontrolle könnte für die Patientensicherheit wichtig sein. Indem Wissenschaftler zunächst auf RNA abzielen, können sie möglicherweise schädliche Aktivitäten wie krankheitsverursachende Signale reduzieren, bevor sie entscheiden, ob dauerhafte genetische Veränderungen erforderlich sind.

Das Team stellte außerdem fest, dass ihr System unbeabsichtigte Effekte im Vergleich zu bestehenden Ansätzen drastisch reduziert und die Präzision in einigen Fällen um Größenordnungen verbessert.

Über die Präzision hinaus könnte die neue Technologie auch die Kosten senken.

„DNA-Leitfäden sind viel billiger und einfacher herzustellen als RNA-Leiter und sie sind weitaus stabiler“, sagte Jain. „Während RNA-Moleküle schnell abgebaut werden, kann DNA über lange Zeiträume intakt bleiben.“

Zusammengenommen könnten diese Vorteile CRISPR-basierte Tools sowohl für die Forschung als auch für den klinischen Einsatz zugänglicher machen. Das bahnbrechende Tool vereinfacht die klinische Diagnostik, indem es Viren wie HIV frühzeitig erkennt und Hepatitis C mit 100-prozentiger Genauigkeit erkennt.

Die Co-Erstautoren der Studie sind Doktoranden und Postdoktoranden aus Jains Labor: Carlos Orosco, Boyu Huang und Santosh Rananaware.

„Dieses Projekt erforderte viel Ausdauer und Kreativität, da wir eine Idee untersuchten, die konventionelles Denken in Frage stellte“, sagte Orosco. „Es war eine starke Erinnerung daran, dass wissenschaftlicher Fortschritt oft damit beginnt, Ideen in Frage zu stellen, die wir für selbstverständlich halten.“

Mit Blick auf die Zukunft sehen die Forscher potenzielle Anwendungen, die von präziseren Therapien über verbesserte Diagnostik bis hin zu neuen Möglichkeiten zur Erforschung der Krankheitsentstehung reichen.

Parallel dazu untersucht das Team, wie ähnliche Technologien in Bereichen wie der Organtransplantation eingesetzt werden könnten, wo Gen-Editing-Tools dabei helfen könnten, Spenderorgane außerhalb des Körpers zu reparieren, bevor sie in Patienten transplantiert werden.

Während sich das neue DNA-gesteuerte CRISPR-System noch in einem frühen Stadium befindet, treiben Bundesbehörden, darunter die National Institutes of Health, die Federal Drug Administration und die Advanced Research Agencies for Health, die Entwicklung und Übertragung dieser Tools in die Klinik voran.

Jain schätzt, dass innerhalb weniger Jahre erste, sehr gezielte Anwendungen entstehen könnten, insbesondere in Umgebungen, in denen Zellen oder Gewebe außerhalb des Körpers behandelt werden. Für eine breitere klinische Anwendung sind zusätzliche Tests und eine behördliche Genehmigung erforderlich.

Der Durchbruch stellt vorerst einen Wandel in der Art und Weise dar, wie Wissenschaftler über CRISPR selbst denken.

Nach jahrzehntelanger Forschung und Zehntausenden veröffentlichten Studien rund um RNA-gesteuerte CRISPR-Systeme stellt diese Arbeit einen grundlegend neuen Weg zur Steuerung eines der leistungsstärksten Werkzeuge der Biologie vor.

„Im Kern geht es darum, uns eine bessere Kontrolle zu geben“, sagte Jain. „Es geht nicht nur darum, die Bedienungsanleitung neu zu schreiben, sondern auch genau zu verwalten, wie diese Anweisungen verwendet werden.“

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