Moderne Hochdurchsatzverfahren und Stammzelltechnologie unterstützen die Suche nach CFTR-Modulatoren

Die genetische Lungenerkrankung Mukoviszidose ist bisher nicht heilbar. Lediglich für bestimmte Mutationsformen ist seit November 2015 in Deutschland die erste Therapie mit CFTR-Modulatoren (CFTR = cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) zugelassen, die eine ursächliche Therapie des krankheitsverursachenden, defekten CFTR-Ionenkanals ermöglichen. Wissenschaftler der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ulrich Martin und Dr. Ruth Olmer entwickelten an der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) ein Verfahren, um mittels krankheitsspezifischer, induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs) im Hochdurchsatzverfahren weitere mögliche CFTR-Modulatoren zu identifizieren.

Bisher gilt die genetische Lungenerkrankung Mukoviszidose als nicht heilbar, lange Zeit war ausschließlich eine symptomatische Behandlung möglich. Mit der ersten Zulassung eines sogenannten CFTR-Modulators für Patienten mit bestimmten Mutationen des CFTR-Gens steigt die Hoffnung, bald auch eine ursächliche Therapie für mehr Patienten zu finden. Mehr als 2.000 verschiedene Mutationen des CFTR-Gens sind für unterschiedliche Defekte der  CFTR-Ionenkanäle und damit auch den Schweregrad der Erkrankung verantwortlich. Es ist daher nicht möglich, mit einem einzigen Medikament alle Patienten zu therapieren.

Prof. Dr. Ulrich Martin und Dr. Ruth Olmer, Wissenschaftler bei BREATH, dem hannoverschen Standort des Deutschen Zentrums für Lungenforschung, entwickelten nun mit Ihren Mitarbeiterinnen ein Verfahren, um im Hochdurchsatz mögliche CFTR-Modulatoren zu identifizieren. Das moderne Verfahren basiert auf dem Einsatz von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), die durch die Reprogrammierung menschlicher Körperzellen gewonnen werden. Diese Zellen können im Labor nahezu unendlich vermehrt und anschließend in verschiedenste Zellen differenziert werden. Zur Herstellung von iPSCs mit bestimmten krankheitsspezifischen Mutationen ist dabei bereits eine kleine Blutspende der Patienten ausreichend.
Dr. Sylvia Merkert und Dr. Madline Schubert verwendeten für ihr neues Verfahren iPSCs mit der CFTR-Genmutation p.Phe508del. Im Labor wurde ein genetischer Fluoreszenzreporter in diese Zellen eingeführt, dessen Fluoreszenzintensität mit der Funktionalität des CFTR-Ionenkanals korreliert. Da es zurzeit noch sehr aufwändig ist Lungenzellen in großer Menge zu differenzieren, wurden die iPS Zellen für das Hochdurchsatz-Screening stattdessen in schneller und einfacher herzustellende Darmepithelzellen differenziert.  Behandelt man diese Zellen mit potentiell wirksamen Substanzen, kann durch die Veränderung des Fluoreszenzsignals in Echtzeit die Aktivität des Kanals gemessen werden, und damit bestimmt werden ob eine Substanz als mögliches Medikament in Frage kommt. Auf diese Weise untersuchten die BREATH-Forscherinnen automatisiert bereits über 42.500 verschiedene Substanzen, wovon sich ca. 20 als potentiell wirksam auf die Aktivität des CFTR-Ionenkanals zeigten. Die Ergebnisse wurden im Journal Stem Cell Reports veröffentlicht.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass krankheitsspezifische iPSCs sehr gut geeignet sind, um automatisierte Medikamentenscreenings nach CFTR-Modulatoren durchzuführen“ fasst Prof. Ulrich Martin die Bedeutung dieser Arbeit zusammen. „Die Verwendung von Patientenzellen im ersten Screening-Prozess ist eine wesentliche Neuerung zu früheren Testsystemen, die auf Tumorzelllinien beruhten. Im nächsten Schritt werden wir nun mit unseren Kooperationspartnern die zehn vielversprechendsten Substanzen weiter in primären Lungenzellen untersuchen. Es kann leider immer noch sein, dass sie als Medikament ungeeignet sind. Auch könnte es notwendig sein, toxische Wirkungen durch chemische Veränderungen am Molekül zu reduzieren“ sagt Dr. Merkert.
Generell ermöglichen es die patienteneigenen, induzierten pluripotenten Stammzellen, viele Krankheitsbilder zum Beispiel der Lunge, des Herzens oder des Blutgefäßsystems im Labor nachzustellen. „In Zukunft wollen wir dazu auch kleine, vielzellige „Organoide“ verwenden, um den Bedingungen im Menschen noch näher zu kommen. Moderne Hochdurchsatz-Verfahren in Verbindung mit der Stammzelltechnologie werden in Zukunft die Entwicklungszeit neuer Medikamente verkürzen und auch die Zahl der notwendigen Tierversuche deutlich einschränken,“ beschreibt Dr. Olmer die weiteren Pläne ihrer Arbeitsgruppe.

 

Die Originalpublikation finden Sie hier.

 

Text: BREATH / SM, AB

Bild: Karin Kaiser / MHH

Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ulrich Martin (rechts), Dr. Ruth Olmer (links) und Dr. Sylvia Merkert (Mitte)