Wie macht Kaffee Immunzellen zu Krebsbekämpfern?
Studie zeigt, dass alltägliche Substanzen wie Koffein aus Kaffee, Tee oder sogar Schokolade genutzt werden können, um das Verhalten von Zellen präzise zu steuern
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Was wäre, wenn eine Tasse Kaffee bei der Behandlung von Krebs helfen könnte? Forscher am Texas A&M Health Institute of Biosciences and Technology glauben, dass dies möglich ist. Durch die Kombination von Koffein mit CRISPR - einem Werkzeug zur Genbearbeitung, das als "clustered regularly interspaced short palindromic repeats" bekannt ist - erschließen Wissenschaftler mit einer als Chemogenetik bekannten Strategie neue Behandlungsmöglichkeiten für Langzeiterkrankungen wie Krebs und Diabetes.
Yubin Zhou, Professor und Direktor des Zentrums für translationale Krebsforschung am Institut für Biowissenschaften und Technologie, ist auf die Nutzung bahnbrechender Instrumente und Technologien zur Erforschung der Medizin auf zellulärer, epigenetischer und genetischer Ebene spezialisiert. Im Laufe seiner Karriere und in über 180 Veröffentlichungen hat er mit Hilfe hochentwickelter Instrumente wie CRISPR und chemogenetischen Kontrollsystemen nach Antworten auf medizinische Fragen gesucht.
Unter Chemogenetik versteht man die Möglichkeit, das Zellverhalten mit Hilfe von von außen zugeführten kleinen Molekülen - häufig Medikamente oder Nahrungsergänzungsmittel - zu steuern, die genetisch veränderte Schalter in den Zellen aktivieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Medikamenten, die auf viele Gewebe wirken, sind chemogenetische Ansätze so konzipiert, dass sie nur auf Zellen wirken, die genetisch so programmiert wurden, dass sie darauf reagieren.
Gene Editing mit Pfiff
Zhous neueste Forschung baut auf dem vorhandenen Wissen über genetische "Schalter" innerhalb von Zellen auf und führt einen neuen chemogenetischen Ansatz ein, der CRISPR und Koffein verwendet. Der Prozess beginnt mit der Installation der Zellen im Voraus. Gene, die für den Nanokörper, sein passendes Zielprotein und die CRISPR-Maschinerie kodieren, werden mit Hilfe etablierter Gentransfermethoden eingebracht, so dass die Zellen diese Komponenten selbst produzieren können. Sobald dieses molekulare Gerüst vorhanden ist, kann der Prozess von außen gesteuert werden. Wenn eine Person später eine Dosis von 20 mg Koffein zu sich nimmt - z. B. aus Kaffee, Schokolade oder einer Limonade - löst dies die Bindung zwischen einem Nanokörper und dem passenden Zielprotein aus, wodurch die CRISPR-gesteuerten Genveränderungen in den Zellen aktiviert werden.
Mit dieser Methode können die Wissenschaftler auch T-Zellen aktivieren, was mit anderen Gen-Editing-Methoden nicht möglich ist. T-Zellen dienen als körpereigenes Gedächtnis für vergangene Infektionen und speichern Baupläne, die bei der Bekämpfung künftiger Bedrohungen helfen. Die Möglichkeit, diese Zellen manuell zu aktivieren, könnte Forschern einen neuen Weg eröffnen, das Immunsystem gegen bestimmte Krankheiten zu lenken.
Darüber hinaus fand das Team heraus, dass bestimmte Medikamente den Prozess umkehren können, indem sie eine Trennung der Proteine bewirken, wodurch weitere Genveränderungen gestoppt werden und eine noch bessere Kontrolle über die Verwendung des Systems möglich ist - ein wichtiges Merkmal für sichere und reversible chemogenetische Therapien. In einem therapeutischen Umfeld könnten Ärzte beispielsweise die genverändernde Aktivität vorübergehend unterbrechen, um den Patienten eine Pause von behandlungsbedingtem Stress oder Nebenwirkungen zu gönnen, und das System dann wieder aktivieren, wenn die Bedingungen optimal sind - so kann die Genkontrolle im Laufe der Zeit eingestellt werden, anstatt permanent eingeschaltet zu bleiben.
"Man kann diese antikörperähnlichen Moleküle auch so entwickeln, dass sie mit Rapamycin-induzierbaren Systemen zusammenarbeiten, so dass man durch Zugabe eines anderen Medikaments wie Rapamycin den gegenteiligen Effekt erzielen kann", so Zhou. "Wenn zum Beispiel die Proteine A und B zunächst getrennt sind, bringt die Zugabe von Koffein sie zusammen; umgekehrt können die Proteine A und B, wenn sie zunächst zusammen sind, durch die Zugabe eines Medikaments wie Rapamycin dissoziiert werden".
Rapamycin ist ein weit verbreitetes Immunsuppressivum, das traditionell als Anti-Abstoßungsregime für Organtransplantationspatienten eingesetzt wird. Das Medikament wirkt, indem es die weißen Blutkörperchen daran hindert, Fremdkörper im Körper anzugreifen. Die Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit des Medikaments machen es zu einem erstklassigen Kandidaten für Anwendungen wie diese.
Künftige Möglichkeiten ausloten
Wenn ein künstlich hergestelltes Nanokörperprotein durch Koffein aktiviert werden kann, nennt man es einen "Koffeinkörper". Laut Zhou könnten Wissenschaftler eines Tages in der Lage sein, eine Reihe von Krankheiten zu behandeln, indem sie sich die Kraft dieser Koffeinkörper zunutze machen. Langfristig könnte es seiner Meinung nach möglich sein, Zellen zu entwickeln, die es Diabetikern ermöglichen, die Insulinproduktion zu steigern, indem sie einfach eine Tasse Kaffee trinken.
Neben Insulin kann die Technologie auch zur Steuerung anderer wichtiger Moleküle eingesetzt werden, z. B. derjenigen, die T-Zellen antreiben. In der Krebstherapie könnten beispielsweise Kaffeekörper in T-Zellen eingebaut werden, um Ärzten die chemogenetische Kontrolle darüber zu geben, wann, wo und wie stark das Immunsystem Tumore angreift.
In Laborstudien an Tiermodellen haben Zhou und sein Team herausgefunden, dass Koffein und seine Metaboliten - wie Theobromin, das reichlich in Schokolade oder Kakao vorkommt - die Reaktion auslösen können und sich mit CRISPR bearbeiten lassen. Diese Form der Behandlung ist zugänglich, leichter zu kontrollieren und hat weniger Nebenwirkungen als andere Behandlungen, sagte er.
Zwar wurden ähnliche Aktivierungstechniken schon früher beobachtet, doch erlaubt diese Methode eine viel bessere Kontrolle über das Öffnen und Schließen des Schaltkreises. Wenn Koffein eingeführt wird, hat das Team einige Stunden Zeit - oder die Metabolisierungszeit von Koffein - um die beteiligten physiologischen Prozesse oder die Genbearbeitung zu kontrollieren. Dann kann Rapamycin als Stoppsignal verabreicht werden, das die Proteindissoziation antreibt und den Prozess beendet. Nur wenige existierende Ansätze bieten dieses Maß an koordinierter Start-Stopp-Kontrolle, was die Methode besonders präzise und sowohl für die Forschung als auch für therapeutische Anwendungen geeignet macht.
"Sie ist ziemlich modular", so Zhou. "Man kann es in CRISPR- und chimäre Antigenrezeptor-T-Zellen (CAR-T) integrieren, und auch wenn man eine therapeutische Genexpression wie Insulin oder andere Dinge induzieren will, ist es vollständig und sehr präzise steuerbar."
Zhou und sein Team hoffen, die Arbeit in weiteren präklinischen Studien voranzutreiben und weitere Möglichkeiten zu erforschen, um Caffebodies und CRISPR für die Behandlung eines breiten Spektrums von Krankheiten zu nutzen und damit alltägliche Moleküle einen Schritt näher an die Präzisionsmedizin heranzuführen.
"Was uns begeistert, ist die Idee, bekannte Medikamente und sogar häufig vorkommende Nahrungsmittelbestandteile wie Koffein für völlig neue Zwecke zu nutzen", so Zhou. "Moleküle wie Koffein oder Rapamycin dienen nicht als Therapeutika, sondern können als präzise Steuersignale für hochentwickelte Zell- und Gentherapien eingesetzt werden. Da diese Verbindungen bereits gut verstanden sind, eröffnet dieser Ansatz einen praktischen Weg zur Umsetzung. Wir hoffen, dass Kliniker eines Tages einfache, vertraute Inputs nutzen können, um leistungsstarke Therapien auf sichere und reversible Weise fein abzustimmen."
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