Herstellung von Rapid-CAR-T-Zellen durch optimiertes Gen-Engineering
Dieses Projekt wurde 2023 von der Stiftung "Forschung hilft" mit 15.000 Euro gefördert.
Team
In unserem internationalen Team arbeiten Biologen, Mediziner, Doktoranden, Studenten und Technische Assistenten. Schwerpunkt unserer Arbeit ist die Entwicklung innovativer, effizienter und sicherer CAR-T-Zelltherapien zur Behandlung von Krebserkrankungen.
Motivation und Innovation
Bei einer CAR-T-Zelltherapie, werden die T-Zellen von Patienten mit einem zusätzlichen „Sensor“ (=CAR) ausgestattet, der ihnen die Identifizierung von Krebszellen ermöglicht. So lernen die T-Zellen der Patienten, wie sie Krebszellen erkennen und selbstständig eliminieren können.
Es gibt verschiedene molekulare Techniken, um das Gen für die CAR-Bauanleitung, in T-Zellen zu transportieren und somit normale T-Zellen in CAR-T-Zellen umzuprogrammieren. Üblicherweise werden virale Gentransfermethoden verwendet, die jedoch teuer und aufwendig sind. Die Herstellung von CAR-T-Zellen dauert in der Regel mehrere Wochen, was für die schnelle Behandlung der Krebspatienten von Nachteil ist.
Wir wollen den Gentransfer einfacher und preiswerter gestalten und die Herstellungszeit von CAR-T-Zellen deutlich verkürzen (Rapid-CAR-T-Zellen). Wir verwenden hierfür nicht-virale Gentransfermethoden und erforschen sogenannten „springende Gene“ (=Transposons). Durch die Optimierung der Transposontechnologie wollen wir die CAR-T-Zelltherapie für eine weit höhere Zahl an Patienten zugänglich machen.
Welche Ziele verfolgt das Projekt?
Das Hauptziel dieses Projektes ist es, die Herstellung von CAR-T-Zellen zu erleichtern, zu verkürzen und kostengünstiger zu gestalten und diese Therapie somit für weit mehr Krebspatienten zur Verfügung zu stellen. Um Rapid-CAR-T-Zellen zu generieren, verwenden wir eine virusfreie Technik des Gentransfers, die sogenannte Transposontechnologie. Unser Ziel ist es mithilfe optimierter Gentransfertechnik, die Kosten des DNA Vektors von ca. 30.000 Euro auf 1.000 Euro und die Gesamtproduktionskosten einer CAR-T-Zellcharge von ca. 100.000 Euro auf 10.000 Euro zu reduzieren. Außerdem soll die Dauer der CAR-T-Zellherstellung von etwa 14 Tagen auf 72 Stunden vermindert werden. Durch eine optimierte Gentransfermethode soll die allgemeine Verfügbarkeit von Rapid-CAR-T-Zellen zur Krebsbehandlung signifikant erhöht werden.
Abbildung: Vergleich der Produktionszeiten und Kosten bei der CAR-T-Zellherstellung mittels konventionellen oder optimierten Gentransfers.
Ansatz des Forschungsprojektes
Patienten-T-Zellen sind in der Regel vulnerabel und zeigen nach dem Gentransfer eine geringere Viabilität, als T-Zellen gesunder Spender. Daher wird eine besonders effiziente, aber auch schonende Gentransfermethode benötigt, um Patienten-CAR-T-Zellen zu generieren. Wir benutzen den virusfreien Transposongentransfer, bei welchem zwei Komponenten in die Zellen transportiert werden: I) das Transposase-Enzym, welches den Transport des CAR-Gens in das T-Zellgenom vornimmt – es wird als RNA kodiert und II) das Transposon, also das Gen welches die Bauanleitung für den CAR enthält – dieses wird auf einem DNA-Plasmid kodiert. Um die Effizienz des Transposase-Enzyms zu erhöhen, verändern wir seine molekulare Struktur. Hierfür wird eine systematische Mutagenese durchgeführt und die erzeugten, neuen Transposase-Enzyme werden in menschlichen Zelllinien auf ihre Funktionalität getestet. Parallel zur Verbesserung der Transposase wollen wir einen neuartigen Assay etablieren, der die Effizienz des Gentransfers mit Hilfe eines Fluoreszenzmarkergens misst. Dieser neue Assay soll die Messung der Transposaseaktivität verkürzen und vereinfachen und ein genaueres Ergebnis für den Nachweis und die Bestätigung stabiler Genintegrationen liefern.
Durch die erhöhte Effizienz des Gentransfers erreichen wir eine größere Ausbeute an CAR-T-Zellen. Außerdem können wir auf konventionelle DNA-Plasmide zurückgreifen, welche kostengünstiger und einfacher zu produzieren sind, als die besonders kleinen DNA-Plasmiden, die momentan verwendet werden müssen, um einen ausreichend hohen Gentransfer zu erreichen.
Darüber hinaus setzen wir auf eine besonders schonende Methode des Komponententransports: In ersten Versuchen konnten wir zeigen, dass ein Transport mittels Nanopartikeln die T-Zellen mehr schont, als der Transport mittels konventioneller Elektroporation.
Abbildung: Schematische Darstellung des Mechanismus der Transposition. Die Transposase schneidet das therapeutische Transgen aus der Transposon-DNA heraus und fügt es in die genomische DNA der Zielzelle ein.
Welche Krebserkrankung soll behandelt werden?
Die CAR-T-Zelltherapie könnte in Zukunft bei zahlreichen Krebserkrankungen eine entscheidende Rolle spielen. Wir setzen unseren Forschungsschwerpunkt zunächst auf zwei Arten von Krebs, das Multiple Myelom und Brustkrebs.
Für die Behandlung des Multiplen Myeloms, werden bereits SLAMF7-CAR-T-Zellen in klinischen Studien erprobt, die mittels Transposongentransfer erzeugt werden. Allerdings sind Myelompatienten oftmals stark vorbehandelt, was den Erfolg der Herstellung von CAR-T-Zellen erschwert. So zeigen die Patienten-T-Zellen nach dem Gentransfer meist eine deutlich geringere Viabilität und Wachstum, als es bei Zellen gesunder Spender der Fall ist. Mit unserer optimierten Gentransfermethode wollen wir eine höhere Viabilität und somit eine höhere Gesamtausbeute an CAR-T-Zellen für die Myelombehandlung erreichen.
Darüber werden wir unseren optimierten Gentransfer zur Herstellung von ROR1-CAR-T-Zellen zur Behandlung von Brustkrebs testen. Ein effektiver und schonender Gentransfer kann zu einer deutlichen Verkürzung des Herstellungsprozesses führen. Mithilfe des optimierten Gentransfers streben wir eine CAR-T-Zellproduktionsdauer von nur drei Tagen an. Dies ermöglicht nicht nur eine kürzere Wartezeit für jeden einzelnen Patienten, sondern erlaubt auch die Herstellung von deutlich mehr CAR-T-Zellprodukten bei gleichbleibender Laborkapazität. Somit kann diese Therapie insgesamt mehr Patienten zur Verfügung gestellt werden.
Fortschritte die anhand der Multiplen Myelom- und Brustkrebstherapie erzielt werden, können anschließend auch auf die CAR-T-Zelltherapie vieler weiterer Tumorerkrankungen übertragen werden.
Warum soll das Forschungsprojekt unterstützt werden?
Mithilfe der Förderung können wir zügig eine Pilotstudie zur Herstellung von Rapid-CAR-T-Zellen durchführen. Wir sind davon überzeugt, dass wir mit unserer innovativen Forschung ein optimiertes, nicht-virales Werkzeug des Gentransfers schaffen werden, das für die CAR-T-Zelltherapie geeignet und in seiner Effizienz bisherigen Transposonsystemen überlegen sein wird. Durch einen zügigen Technologietransfer und die Erprobung von Rapid-CAR-T-Zellen in klinischen Studien sollen die Forschungsergebnisse rasch Patienten zugutekommen.