Rote Biotechnologie

Virale Vektoren für die Gentherapie – Wege aus der Kapazitätskrise

Defekte Gene reparieren und damit schwere Erbkrankheiten heilen – das ist das Ziel der Gentherapie. Wer hätte gedacht, dass die Entwicklung dieser neuen, vielversprechenden Therapieform nicht von ethischen Diskussionen, medizinischen Rückschlägen oder verweigerten Zulassungen durch regulatorische Behörden gebremst werden könnte, sondern schlicht und einfach von einem materiellen Engpass.

Virale Vektoren sind notwendig, um das gentherapeutische Medikament zu seinem Zielort zu transportieren. Ende letzten Jahres musste die Industrie allerdings feststellen, dass der Bedarf aufgrund der signifikant steigenden Anzahl laufender klinischer Studien und vermehrter Forschungsprojekte mit herkömmlichen Methoden zukünftig nicht mehr gedeckt werden kann. Neue effizientere Methoden für eine skalierbare Produktion von qualitativ hochwertigen viralen Vektoren im industriellen Maßstab sind dringend notwendig, denn sie sind eine Voraussetzung für die kommerzielle Nutzung gentherapeutischer Methoden.

Gentherapie auf dem Vormarsch

Mit den ersten zugelassenen Gentherapeutika in Europa und den USA, davon in den USA allein drei in 2017, sowie einer Reihe von medizinischen Durchbrüchen bei der Behandlung von zuvor nur schwer oder gar nicht behandelbaren Erkrankungen wie der Hautkrankheit Epidermolysis bullosa, der schweren Erbkrankheit Hunter Syndrom oder der Bluterkrankheit, hat die Gentherapie nach Jahren des Dornröschenschlafs eine rasante Entwicklung genommen.

Anzeige

In der Gentherapie werden Nukleinsäuren wie DNA oder RNA in das Erbgut eines Patienten eingefügt. Ziel ist es, ein defektes Gen, das ursächlich für die Entstehung einer Krankheit verantwortlich ist, durch ein intaktes Gen zu ersetzen und sie so zu heilen. Ursprünglich entwickelt als vielversprechende Methode zur Heilung von schweren Erbkrankheiten mit häufig nur einer geringen Anzahl von Betroffenen, rücken heute immer mehr degenerative Erkrankungen mit vielfach höheren Patientenzahlen wie Morbus Parkinson, Alzheimer-Demenz, rheumatoide Arthritis sowie Tumorerkrankungen und Gefäßverengungen in den Vordergrund. Dies zusammen mit der signifikant steigenden Anzahl von klinischen Studien führt zu einem Engpass in der Produktion von viralen Vektoren, den sogenannten Genfähren – ein Zustand, der heute unter Industrieexperten auf diesem Gebiet als „Production-Gap“ oder Produktionslücke diskutiert wird.

Herkömmliche Methoden zur Produktion von viralen Vektoren – z. B. adhärent wachsende Zelllinien wie HEK293, die auf menschlichen embryonalen Nierenzellen basiert, oder die HeLa-Zelllinie aus den Epithelzellen eines Zervixkarzinoms – haben produktionstechnisch einige Nachteile. Allen voran umständliche Prozessabläufe mit teilweise manuellen Schritten und eine eingeschränkte Skalierbarkeit. Die Produktionskapazität dieser Expressionssysteme ist ausreichend für Indikationen mit nur wenigen Patienten sowie für klinische Phase-1- oder Phase-2-Studien. Nähern wir uns aber den späteren Phasen der klinischen Medikamentenentwicklung (wo zur statistischen Validierung hohe Teilnehmerzahlen in den Studien notwendig sind) oder der Vermarktung von Produkten, gerät sie sehr schnell an ihre Grenzen. Die Produktionskapazität adhärenter Zelllinien ist von ihrer Natur her begrenzt. Adhärente Zellen benötigen einen festen Untergrund, um zu wachsen. Eine Steigerung des Produktionsvolumens ist damit nur über eine Vergrößerung der „Anbaufläche“ in Form einer steigenden Anzahl sogenannter „Zellfabriken“ möglich – was gleichzeitig aber auch mehr Platz-, Material- und vor allem Personalbedarf bedeutet.

Suspensionszelllinien – ein Ansatz zum Schließen der Produktionslücke

Eine vielversprechende Alternative sind Suspensionszelllinien. Die einzelnen Zellen wachsen hier nicht auf einem festen Untergrund, sondern in Nährlösung in großer Dichte in Bioreaktoren und können problemlos auf industrielle Maßstäbe skaliert werden.

Cevec hat über die Jahre mit CAP®GT eine humane Zelllinie nicht-tumoridalen Ursprungs entwickelt, die in serumfreier Suspensionskultur wächst. Sie verfügt über eine komplette Dokumentation und vollständige Zertifizierung der Materialien inklusive einer Stammdokumentation („Master File“) bei der amerikanischen Regulierungsbehörde (US Food and Drug Administration, FDA). CAP®GT-Zellen eignen sich für die Replikation eines breiten Spektrums unterschiedlicher Viren und unterstützen die Produktion lentiviraler (LV), adenoviraler (AV) und adeno-assoziierter viraler (AAV) Vektoren.

Bei der bisher äußerst umständlichen und kostenintensiven Produktion von AAV-Vektoren ist Cevec noch einen Schritt weiter gegangen. Die von den sogenannten Adeno-assoziierten Viren abstammenden Vektoren gehören heute zu den am häufigsten verwendeten viralen Vektoren. AAVs haben eine Reihe von Vorteilen: Sie sind nicht mit Krankheiten assoziiert und integrieren ihr virales Erbgut nur selten unspezifisch in das Genom der Wirtszelle, was das onkogene Potenzial einer über AAV-Vektoren vermittelten Gentherapie reduziert. Zudem sind sie sehr stabil, und es lassen sich auch Ruhegewebe (z. B. Neuronen) infizieren.

AAVs haben allerdings einen großen Nachteil – sie benötigen zu ihrer Vermehrung ein sogenanntes Helfervirus, das dieselbe Zelle befällt. In der Natur ist dies das Adeno-Virus, daher der Name „Adeno-assoziiert“. Das Helfervirus liefert Proteine, die vom AAV für die Replikation in der Zelle benötigt werden. Sobald Helferviren anwesend sind, geht das ruhende AAV in das lytische Stadium über, die Partikel vermehren sich und verlassen die Zelle, so dass sich das AAV weiterverbreiten kann.

Für die Produktion von adeno-assoziierten viralen Vektoren bedeutet dies, dass man während des Prozesses Helferviren zugeben muss, die bei der Ernte der viralen Vektoren, in der nachgelagerten Aufbereitung, dem „Downstream processing“, wieder entfernt werden müssen. Alternativ kann man AAV-Vektoren auch durch sogenannte transiente Transfektion herstellen. Dies ist allerdings ein kompliziertes Verfahren, das für jeden Produktionslauf erneut durchgeführt werden muss und große Mengen zusätzliche, häufig nach Good-Manufacturing-Practice-(GMP)-Richtlinien hergestellte DNA benötigt, was zusätzliche Kosten verursacht und zu Unterschieden in der Produktionsausbeute führen kann.

Stabile „Packaging“-Zelllinien für die kontinuierliche Produktion von AAV-Vektoren

Stabiler Produktionsprozess für virale Vektoren mit Hilfe der CAP-GT-Zellen. © Cevec

Cevec hat auf Basis seiner CAP-GT Zelllinie einen sogenannten „stabilen“ Produktionsprozess für die Produktion von adeno-assoziierten viralen Vektoren entwickelt, der die transiente Transfektion überflüssig macht und darüber hinaus ganz ohne Helferviren auskommt. Das Ziel war es, einen Produktionsprozess für virale Vektoren zu entwickeln, der vergleichbar ist mit der heute etablierten industriellen Herstellung von Proteinen oder Antikörpern (Bild 2).

Dafür wird in einem ersten Schritt die CAP-GT Zelle mit einem induzierbaren viralen Strukturgen versehen. Im zweiten Schritt wird dann das virale Genom mit dem zu übertragenden Gen stabil in das Genom der Packaging-Zelllinie integriert. In einem letzten Schritt wird der optimale Klon, die Produktionszelllinie, ausgewählt, die dann nach chemischer Induktion die gewünschte Menge an viralen Vektoren, beladen mit dem zu ersetzenden Gen, produziert. Die so entstandene Produktionszellline kann immer wieder für die Produktion von großen Chargen des AAV-Vektors herangezogen werden, ohne dass es weiterer Manipulationen wie transienter Transfektion oder Transduktion mit Helferviren bedarf. Dadurch ist das Verfahren sehr robust und kosteneffizient und lässt sich im großen Maßstab durchführen.

Fazit

Für die weitere Entwicklung der Gentherapie, vor allem für Indikationen mit Patientenzahlen, die die Zahl von einer Million überschreiten, ist die Produktion von viralen Vektoren im industriellen Maßstab unabdingbar. Herkömmliche Expressionssysteme wie HEK293 oder HeLa-Zellen können aufgrund prozessbedingter Faktoren (adhärentes Wachstum, transiente Transfektion) diese Anforderungen an eine moderne virale Vektorproduktion für gentherapeutische Anwendungen in vielen Fällen nicht mehr erfüllen. Cevec‘s CAP-GT Suspensionszelllinien sind in Kooperationen mit namhaften Pharma- und Biotechnologieunternehmen validiert und ermöglichen eine kosteneffiziente und vollständig skalierbare Produktion viraler Vektoren im industriellen Maßstab, der der Entwicklung und dem Einsatz von Gentherapie, zumindest von der materiellen Seite her, keine Grenzen setzt.


AUTORIN

Dr. Nicole Faust
CEO
Cevec, Köln

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Integriertes Datenmanagement

Ihre im Labor erzeugten Daten können Sie sicher und strukturiert in einem System sammeln. NEC und labfolder bieten ein Mittel für die effiziente Verwaltung großer wissenschaftlicher Datensätze an.

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Highlight der Woche

Integriertes Datenmanagement
Die Herausforderung bei der Digitalisierung des Laboralltags besteht im Wechsel von Papierlaborbüchern und Computerdateien zu einer Datenmanagementsoftware, die große Datensätze strukturiert innerhalb eines einzigen Systems sammelt.

Zum Highlight der Woche...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem LABO Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite