Dank der CRISPR-Technologie können gezielte Veränderungen am Erbgut von Zellen durchgeführt werden. Beispielsweise können dysfunktionale Gene repariert, das Schicksal von Zellen gezielt verändert, sowie die Eigenschaften ganzer Organismen beeinflusst werden. Dies birgt ein enormes Potenzial für die Heilung von Krankheiten und kann zu einem besseren Verständnis der biologischen Zusammenhänge hinter normalen und krankheitsbedingten genetischen Merkmalen beitragen. Zentrale Problemstellungen wie beispielsweise die Zelltoxizität durch DNA-Schäden infolge unspezifischer Aktivitäten des Enzyms CRISPR-Cas9 sowie die starke Beanspruchung und Giftigkeit, die während der intrazellulären Aufnahme der nötigen Reagenzien verursacht werden, sind jedoch nach wie vor ungelöst. Diese Probleme werden im Falle mehrfacher Änderungen am Genom einer einzelnen Zelle zusätzlich verstärkt. Eine Vielzahl an gezielten DNA-Veränderungen sind jedoch notwendig um transplantierbares Gewebe entwickeln oder komplexe Krankheiten modellieren zu können und um somit das volle Potenzial der CRISPR-Technologie ausschöpfen zu können.

„Vor allem im Hinblick auf komplexe, ganzheitliche Veränderungen von Zellen mittels mehrfacher Genom-Editierung, besteht nach wie vor Verbesserungsbedarf, damit die Viabilität und Unversehrtheit der manipulierten Zellen sichergestellt werden kann. Zudem müssen wir in der Lage sein, den Erfolg und die Auswirkungen jeder einzelnen Veränderung am Genom abschätzen zu können“, erklärt Dr. George Church, Gründungsmitglied der Kernfakultät des Wyss Institute und Leiter des Schwerpunktbereichs Synthetische Biologie. „Die Zellmanipulationsplattform von Cytosurge mit Ihrer Fähigkeit zur direkten Injektion und Probenentnahme bei einzelnen Zellen, ohne diese dabei zu verletzen, bietet sich uns dabei als Türöffner zur Durchführung solcher komplexen Analysen an. Diese könnte uns somit helfen, das Multiplexing-Potenzial des CRISPR-Systems auf lange Sicht erheblich auszuweiten.“

Church ist auch Professor für Genetik an der Harvard Medical School (HMS) und für Gesundheitswissenschaften und -technologie in Harvard und am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Die Entwicklung der CRISPR-Technologie bildet seit langem einen Schwerpunkt in der zugehörigen Forschungsgruppe am Wyss Institute und an der HMS. Dabei konnten bereits einige wichtige Durchbrüche im Bereich der Genom-Editierung verzeichnet werden, aus denen auch mehrere Start-up-Unternehmen wie Editas Medicine und eGenesis hervorgegangen sind, die nun Lösungsansätze für die Gentherapie und die Organtransplantation für bisher ungelöste medizinische Probleme vorantreiben.

Bei der CRISPR-gestützten Genom-Editierung werden das programmierbare CRISPR-Cas9 und verwandte Enzyme durch kurze „Guide-RNAs“ (gRNAs) zu spezifischen Sequenzen im Genom geführt und nutzen deren DNA-Endonuklease-Aktivität, um den DNA-Doppelstrang mit chirurgischer Präzision zu durchtrennen. Falls eine teilweise homologe „DNA-Reparatur-Vorlage“ vorliegt, kann der natürliche „homology directed repair” Mechanismus der Zelle dann die in der Vorlage enthaltenen Änderungen in das Genom schreiben. Obwohl durch die Arbeiten in einer Reihe von Forschungslabors die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit der CRISPR-basierten Genom-Editierung für den Falle einzelner Gen-Veränderungen dramatisch verbessert werden konnte, stellt die praktische Durchführung einer großen Anzahl von Editierungen in einzelnen Zellen nach wie vor ein großes Hindernis dar: Die derzeitigen CRISPR-Verfahren scheitern dabei oftmals an Gentoxizitäten, welche durch unerwünschte DNA-Schäden infolge unspezifischer Cas9-Aktivitäten verursacht werden. Ebenso kommt es aufgrund der verwendeten Verfahren zur Transfektion der nötigen Reagenzien zu Zytotoxizitäten bei anderen Zellbestandteilen. In der gegenwärtigen Praxis hindern diese Limitierungen die Wissenschaftler daran, Zellen mit Hilfe von gRNA-Multiplexing zu manipulieren, um zum Beispiel ein komplexes Merkmal auszubilden, das unter der Kontrolle vieler Gene steht, oder eine komplexe genetische Krankheit zu modellieren.

Die Federführung der Forschungskooperation zwischen dem Wyss Institute und Cytosurge liegt bei dem Doktoranden Soufiane Aboulhouda, der mit Church und Dr. David Thompson, Technology Development Fellow am Wyss Institute, zusammenarbeitet. Durch den Einsatz der FluidFM Technologie von Cytosurge sollen dabei die Folgen einer Transfektion ganzer Sammlungen von gRNAs in den Zellkern einzelner Zellen erforscht werden.

Die FluidFM BIO Series von Cytosurge kombiniert die kleinste Spritze der Welt mit empfindlicher Kraftrückkopplung und einfacher „Point & Click“-Bedienung. Dadurch wird die zuverlässige, selektive und schonende Transfektion von Reagenzien in das Zellplasma oder den Kern einzelner Zellen ermöglicht, ohne diese dabei zu beschädigen. Durch FluidFM werden Forscher in der Lage sein, das enzymatische CRISPR-Cas9-Enzym und mehrere gRNAs in definierten Konzentrationen – und in messbaren Mengen – präzise in das Zytoplasma oder den Zellkern von Einzelzellen zu injizieren. Mehrere gRNAs können entweder gleichzeitig oder über mehrere, aufeinanderfolgende Zyklen verteilt, injiziert werden. Im Anschluss können die resultierenden Zelllinien analysiert oder Zellmaterial aus einzelnen Zellen für dessen Analyse entnommen werden, einschließlich mRNAs, die von editierten Genen transkribiert werden.

Der CEO von Cytosurge, Dr. Pascal Behr, freut sich auf die Zusammenarbeit: „Wir sind sehr stolz, mit dem Wyss Institute und der Gruppe von George Church zusammenzuarbeiten. Als Schweizer Unternehmen und Spin-off einer Universität teilen wir die Denkweisen des Wyss Institute im Hinblick auf eine sehr stark anwendungsorientierte Forschung. Das Versprechen, die Grenzen der Gen-Editing Technologie und des CRISPR-Systems neu zu definieren, ist für uns als Unternehmen besonders attraktiv und motivierend. Wir freuen uns daher sehr darauf, die Vorteile unserer FluidFM Technologie mit der Expertise und Vision unserer Partner am Wyss Institute zu vereinen, um damit neue wissenschaftliche Entdeckungen zu ermöglichen sowie die Lebensqualität von Patienten in der Zukunft zu verbessern.“

Die Zusammenarbeit verfolgt dabei das Ziel, verbesserte Methoden für die Transfektion mehrere gRNAs zu entwickeln sowie klare Regeln herzuleiten, um unerwünschte Zelltoxizitäten zu minimieren und gleichzeitig ein effizientes Multiplex Genom-Editing zu ermöglichen. Erreicht werden soll dies dank einer systematischen Analyse von Markern für Veränderungen der Zellviabilität und der Genexpression aufgrund der Einbringung von gRNAs in einzelne Zellen.

„Durch diese Kooperation zwischen George Church und seinem Team an der Synthetic Biology Plattform des Wyss Institute und Cytosurge könnten einige der größten Hürden im Bereich des CRISPR-Genom-Engineerings aus dem Weg geräumt werden. Im Erfolgsfall könnten die Wissenschaftler Zellen und Gewebe in einer Weise umgestalten, die bisher unmöglich war“, so Dr. med. Donald Ingber, Gründungsdirektor des Wyss Institute, der auch Judah-Folkman-Professor für Vaskuläre Biologie an der HMS und dem Vaskulären Biologie-Programm am Bostoner Kinderkrankenhaus, sowie Professor für Bioengineering an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ist.

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Das „Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering“ an der Harvard University (http://wyss.harvard.edu) macht sich die Designprinzipien der Natur zunutze, um von der Biologie inspirierte Materialien und Geräte zu entwickeln, mit denen der Medizinbereich revolutioniert und eine nachhaltigere Welt geschaffen werden kann. Die Forscher am Wyss Institute arbeiten an neuartigen, innovativen technischen Lösungen für die Bereiche Gesundheit, Energie, Architektur, Robotik und Fertigung, die durch die Zusammenarbeit mit Forschern im klinischen Bereich, Unternehmensallianzen und die Gründung neuer Startups in kommerzielle Produkte und Therapien münden. Durch sein Engagement in der risikoreichen Forschung zeichnet sich das Wyss Institute für grundlegende Technologiesprünge verantwortlich. Dabei werden disziplinäre und institutionelle Barrieren überwunden, im Rahmen einer Allianz, zu der die Harvard Schools of Medicine, Engineering, Arts & Sciences und Design gehören, und in Partnerschaft mit dem Beth Israel Deaconess Medical Center, dem Brigham and Women’s Hospital, dem Boston Children’s Hospital, dem Dana-Farber Cancer Institute, dem Massachusetts General Hospital, der University of Massachusetts Medical School, dem Spaulding Rehabilitation Hospital, der Boston University, der Tufts University, der Charité – Universitätsmedizin Berlin, der Universität Zürich und dem Massachusetts Institute of Technology.