Archiv des Monats: Dezember 2022

Neue Funktionen der CRISPR Cas9 Methode

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Neue Funktionen der Genschere CRISPR-Cas9 entdeckt

Die Genschere CRISPR-Cas9 sorgte für einen Durchbruch in der Gentherapie. Nun haben Forschende neue Funktionen der Genschere entdeckt. CRISPR-Cas9 war die erste Genschere, die ohne Schäden DNA zerschneiden und auch ersetzen konnte. Alte Genscheren schnitten zu ungenau, um sie gezielt einsetzen zu können. 2020 erhielten die Forscherinnen Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier, zwei Forscherinnen des Max-Planck-Instituts, dafür den Chemie-Nobelpreis.

Die Entdeckung

Jetzt haben Forschende der Universität Bonn und des Universitätsklinikums Bonn (UKB) zusammen mit der Partneruniversität St Andrews in Schottland und dem European Molecular Biology Laboratory in Hamburg neue Funktionen der CRISPR Cas9 Methode entdeckt.

Mit CRISPR Cas9 wehren Bakterien Phagen (Viren, die Bakterien befallen) ab. Wenn die Viren die Bakterien befallen, zwingen sie die Bakterien, die Viren zu vermehren. Als Abwehrmechanismus haben einige Bakterien deswegen die Genschere CRISPR entwickelt. Mit der Genschere finden und zerschneiden die Bakterien die Phagen und machen sie damit unschädlich. Die Bakterien integrieren die so enstandenen Bruchstücke der Viren in ihr Genom. Diese integrierten Bruchstücke dienen den Bakterien als Gedächtnis, sodass der nächste Angriff der Viren schnell erkannt und ausgeschaltet werden kann.

CRISPR sendet zusätzlich Signalmoleküle aus, um ein komplexes Angreifen zu ermöglichen. Die Forschenden haben nun entdeckt, dass diese Moleküle u.a. an ein Protein gebunden sind, namens CalpL, das einen enzymatischen Eiweißabbau durch Spaltung bewirkt. Die neu entdeckte Genschere zerschneidet das Protein CalpT, dabei sichert es ein drittes Eiweißmolekül, das den Stoffwechsel des Bakteriums auf Angriff umstellt, namens CalpS.
Welche Gene CalpS dabei anschaltet, wissen die Forschenden noch nicht. Sie hoffen aber, dass sich die Genschere durch die neue Entdeckung noch vielfältiger gestaltet.

Ähnlich wie die Virenabwehr des Bakteriums funktioniert auch das menschliche Immunsystem, wenn Viren die Zellen des Körpers befallen.

Kurze Geschichte der Genschere CRISPR-Cas9

Chemie-Nobelpreis 2020

Die Grundlagenforschung zur Genschere begann bereits 1989. In den 1990er Jahren verfolgte Francisco Mojica die ersten Spuren der Genschere, er entdeckte ungewöhnliche DNA-Muster in den Chromosen von Mikroben. Mojica entdeckte die CRISPR-Repeats und fand heraus, dass sie zum Stammbaum des Lebens gehören. Um die Jahrtausendwende bekommt CRISPR ihren offiziellen Namen.

Ruud Jansen entdeckte 2002, dass CRISPR und Cas zusammengehören.

10 Jahre dauerte es dann noch bis eine passgenaue Genschere gefunden wurde.

Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier erhielten schließlich 2020 den Chemie-Nobelpreis für ihre 2012 publizierte Arbeit zur Genschere CRISPR Cas9 mit der sie zielgenau DNA aufspüren, reparieren, aufschneiden und ersetzen können. CRISPR-Cas9 ist die Genschere des Bakteriums Streptokokkus, das mit der Genschere Viren abwehren kann.

Die Entdeckung gab der Genforschung neuen Aufschwung und Hoffnung, mit CRISPR Cas9 zu immunisieren, Krankheiten zu heilen und selbst Schöpfer zu sein.

So immunisierte der chinesische Wissenschaftler He Jiankui mit der Genschere zwei Mädchen gegen HIV, die 2018 geboren wurden.

Chancen und Gefahren der CRISPR Cas9 Methode

Grenzen der Forschung: Neue Funktionen der CRISPR Cas9 Methode

Mit CRISPR Cas9 fanden die Forscherinnen ein Werkzeug, Krankheiten zu heilen, die bis dahin unheilbar waren, wie z.B. die spinale Muskelatrophie, vorausgesetzt der Arzt weiß, welche Teile der DNA die Erkrankungen aufweisen, herausgeschnitten und ersetzt werden müssen.

Wissenschaftler gehen von einem Durchbruch in der Medizin aus, bislang unheilbare Krankheiten wollen sie mit CRISPR Cas9 beheben. Mit der Genschere sei alles möglich, bemerkte kürzlich auch Hendrik Streeck in einem Interview mit der Welt, Krankheiten heilen, aber auch die Augenfarbe bestimmen und vieles mehr sei möglich. An dieser Stelle spricht Streeck die Eugenik an, die mittels Genschere noch weitere Auswüchse annehmen könnte, als mit den Versuchen der Menschenzucht des letzten Jahrhunderts. Designerbabys aus dem Katalog wären möglich, Aussehen, Intelligenz und Charakter könnten frei ausgewählt werden, Erbkrankheiten, Behinderungen und Schwächen ausgemerzt.

Doch ist das so leicht und was ist ethisch vertretbar?

Die 2018 geborenen chinesischen Zwillinge, die mit der Genschere CRISPR Cas9 gegen das HI-Virus immunisiert wurden, mittels einer Mutation des CCR5-Gens, wurden zwar gegen HIV immunisiert, dafür stieg die Anfälligkeit für andere Erkrankungen vermutlich an.

Der chinesische Wissenschaftler He Jiankui hat das Gen CCR5 mittels Genschere funktionsunfähig gemacht, da ein von diesem Gen hergestelltes Protein als Haupteintrittsquelle von HIV in die Zellen gilt. Die Mutation des CCR-5-Gens ähnelt der natürlich auftretenden Mutation D32, die die Lebenserwartung laut Analyse von über 400.000 Datensätzen der britschen Gendatenbank senkt. So zeigten Menschen mit zwei Veränderungen an CCR5 eine deutlich niedrigere Lebenserwartung als Menschen ohne Mutation oder nur einer Mutation an CCR-5. Daraus schlussfolgerten die Forscher, dass auch die beiden Babys eine geringere Lebenserwartung haben könnten. Die Kinder seien durch die Manipulation am Erbgut zwar immun gegen HIV, aber anfälliger für andere Infektionskrankheiten. Die Lebenserwartung sei gesenkt. Die Studie erschien auf Nature.

Immunreaktionen auf CRISPR Cas9 aus Streptokokkus

2018 erschien auf Nature Medicine bereits eine Pilot-Studie, dass Menschen auf das Eiweißmolekül Cas9 mit Abwehrreaktionen reagieren könnten, da es von dem Bakterium Streptokokkus stammt, das der menschliche Organismus als feindliches Eiweiß erkennt. Angina oder Scharlach sind z.B. Streptokokkeninfektionen, die der menschliche Körper natürlicherweise abwehrt.

Erste Untersuchungen deuteten darauf hin, das CRISPR Cas9 ungewollte Erbgutveränderungen auslöst und das Krebsrisiko erhöht.

Die Studie der Charité gab Hinweise darauf, dass ungewollte Immunreaktionen auf Cas9 ausgelöst werden. Im Laborversuch reagierte das Blut von 48 Frauen und Männern mit einer T-Zellen-Reaktion auf das Eiweißmolekül. T-Zellen sind sogenannte Killerzellen im menschlichen Körper, die ein Gedächtnis gegen ihnen bekannte Erreger entwickeln und angreifen, sobald ein bekannter Krankheitserreger auftritt. Diese T-Zellen reagierten nicht nur auf Cas9 aus Streptokokkus, sondern auch auf Eiweißmoleküle anderer Erreger.

Beim Einsatz der Genschere außerhalb des Körpers können die Immunreaktionen vorher geprüft werden, innerhalb des Körpers, was bei vielen Krankheiten nötig ist, kann der Einsatz gefährlich werden, hier wird nach zusätzlichen Methoden geforscht.

Ob neue Funktionen der CRISPR Cas9 Methode ein besseres Sicherheitsprofil ermöglichen, ist noch unbekannt.

Zu den medizinischen Risiken durch CRISPR Cas9, die eine Anwendung nur bei schwersten Leiden rechtfertigen könnten, kommen die ethischen Fragen. Wo sind die Grenzen der Forschung? Was darf Medizin, was nicht? Will der Mensch sich hier zum Gott erheben? Welche Sicherheiten erhält der Bürger?

An den illegalen Erbgutmanipulationen des chinesischen Wissenschaftlers He Jiankui und in der Coronakrise wurde schnell deutlich, wie leicht Menschenrechte, Verfassungen und Medizinrecht außer Kraft gesetzt werden können, wenn nur genug Geld und Macht im Spiel ist.

Weiterführende Literatur:

Generation Gen-Schere: Wie begegnen wir der gentechnologischen Revolution? (#Anzeige)

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Geruchsverlust bei Omikron – keine Hirnbeteiligung

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Forschung: Kein Hinweis auf Hirnbeteiligung bei Covid-19

Lange Zeit wurde vermutet, dem Geruchsverlust bei Omikron und anderen Varianten von SARS-CoV-2 liege eine Hirnbeteiligung zugrunde. Diese Hypothese konnte jetzt widerlegt werden.

Wissenschaftler entnahmen Gewebeproben aus der Nase und dem Gehirn von Patienten, die an Covid-19 verstorben waren. Untersucht wurden Patienten der Corona-Varianten Delta und Omikron BA1 und BA2. Bei den über 100 Obduktionen ergab sich kein Hinweis auf eine Hirnbeteiligung.

Schutz vor Hirnbeteiligung durch das SARS-CoV-2-Virus

Nasenschleimhaut schützt vor Überwindung der Blut-Hirn-Schranke

Anosmie, also Geruchsverlust, tritt häufig im Zusammenhang mit einer Covid-19-Infektion auf. Die Anomsie kann vorübergehend oder auch länger anhaltend sein.

Die Wissenschaftler der Forschungsstelle Neurogenetik des Max-Planck-Instituts Frankfurt entnahmen in Zusammenarbeit mit Ärzten und Wissenschaftler der Uniklinik Leuven sowie Krankenhäusern in Brügge und Brüssel Gewebeproben aus Nasenschleimhaut und Gehirn der verstorbenen Patienten. Bei über 100 Patienten, die an Covid-19 starben, konnte keine Hirnbeteiligung nachgewiesen werden.

Untersucht wurden ausschließlich Patienten mit schweren Verläufen von Covid-19, die an Covid-19 starben und bei denen am ehesten eine Hirnbeteiligung vermutet hätte werden können.

Die Methode

Bereits im November 2021 wiesen Forschende darauf hin, dass der Geruchsverlust durch SARS-CoV-2 nicht durch die Hirnnerven, sondern durch die Stützzellen des Riechepithels ausgelöst wird. SARS-CoV-2 dringt nicht einmal bis zum Riechkolben vor, der die Verbindungsstelle zum Gehirn darstellt.

In der Nase leitet die Riechschleimhaut Gerüche an den Riechkolben weiter. Im Riechkolben befinden sich Geruchsnerven, die die Gerüche an die Hirnnerven weiterleiten.

Das Forscherteam hat eine chirurgische Methode entwickelt, die es den Forschenden erlaubt, Gewebeproben bereits ein bis zwei Stunden nach dem Tod zu entnehmen. Das führt dazu, dass diese Proben besonders gut für histologische und molekulare Untersuchungen geeignet sind.

70 Patienten wurden untersucht, ob eine Hirnbeteiligung vorliegt. Die Gewebeproben wurden der Nase, dem Riechkolben, dem Rachen und dem Frontallappen des Gehirns der Patienten entnommen. Die Proben wurden mikroskopisch auf RNA und Proteine des Virus untersucht.

Geruchsverlust bei Omikron, Delta, Alpha und der Wuhan-Variante

Alle Befunde negativ

Zusätzlich untersuchten die Forschenden Proben aus den Gehirnen der ursprünglichen Wuhan-Variante und der Alpha-Variante. Insgesamt wurden Proben von über 100 Patienten entnommen.

Auch Hirnwasser wurde untersucht. Alle Proben waren negativ.

Wie die Zellen, die perineurialen Fibroblasten, die um den Riechnerv angeordnet sind, den Riechnerv vor SARS-CoV-2 und anderen Atemwegserregern schützen, wissen die Forscher nicht.

Ursache für den Geruchsverlust bei SARS-CoV-2 sei, dass die Stützzellen des Riechepithels infiziert werden.

Das Team gab die Forschungen auf Science bekannt.

Die Forschung dürfte auch deswegen interessant sein, weil die Spikeproteine, die durch die Impfung gegen das Virus verabreicht werden, um sich im Körper zu vervielfachen und so eine Antikörperreaktion hervorrufen sollen, die Hirnschranke überwinden zu können scheinen. Darauf weisen Pathologieberichte hin aber auch der Untersuchungsbericht von Pfizer selbst, der bereits im Februar 2021 u.a. Schlaganfälle und neurologische Erkrankungen als Nebenwirkungen der Impfungen aufgelistet hatte.

Desinfektionsmittel in Böden

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Gefahr von multiresistenten Keimen durch Desinfektionsmittel

Ein Forscherteam der Justus-Liebig-Universität Gießen weist Desinfektionsmittel in Böden in 97% der untersuchten Bodenproben in Hessen nach.

Der politische Maßnahmenkatalog der Bundesregierung während der Coronakrise schrieb jedem Betrieb Hygienevorschriften vor, u.a. die Lokalitäten regelmäßig zu desinfizieren und Händedesinfektionsmittel für alle zur Verfügung zu stellen. Nicht selten wurden Kunden oder Gäste beim Betreten eines Ladens oder Restaurants aufgefordert, sich die Hände zu desinfizieren, obwohl bekannt war, dass es sich bei Covid-19 nicht um eine Schmier-, sondern um eine Tröpfcheninfektion handelt.

Diese Maßnahmen führten laut Forscherteam der JLU Gießen und des hessischen Landesamtes für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) zu einer erhöhten Tensidkonzentration in Böden. In einer groß angelegten Studie untersuchten sie Bodenproben nach Tensiden, quartären Alkylammoniumverbindungen (QAAV). In 97% der 65 Bodenproben konnte QAAV nachgewiesen werden. Der Gehalt an QAAV überschritt dabei zum Teil Werte von 1 mg kg-1 und liegt damit oberhalb des Wertes, der für Medikamente und Antibiotika nachgewiesen wurde laut Pressemitteilung der JLU. Die QAAVs wurden in allen Bodenproben gefunden, sowohl im Acker, im Weinbau, als auch in Grün- und Waldlandschaften.

Desinfektionsmittel in hessischen Böden

Die Studie

Die Studie von Kai Jansen, Christian, Mohr, Katrin Lügge, Christian Heller, Jan Siemens und Ines Mulder ist auf Sciencedirect erschienen.

Fünfundsechzig Bodenproben entnahmen die Forscher aus verschiedenen Landnutzungen (Ackerland, Grünland, Wald, Weinberg) und Gebietstypen (ländlich, Agglomeration) . Sie wurden auf Konzentrationen von Alkyltrimethylammonium (ATMACs, mit Alkylkettenlängen C8-C16), Benzylalkyldimethylammonium (BACs, C8 -C18) und Dialkyldimethylammoniumverbindungen (DADMACs, C8-C18) über HPLC-MS/MS nach ultraschallunterstützter Extraktion mit angesäuertem Acetonitr untersucht. Das untersuchte Gebiet umfasst insgesamt 21.115 km².

Desinfektionsmittel in Böden und Antibiotikaresistenzen

Problematisch am übermäßigen Einsatz von Desinfektionsmitteln ist, dass sie Antibiotikaresistenzen hervorrufen können.Weltweit sterben laut WHO 1,3 Millionen Menschen jährlich an multiresistenten Keimen. Viele Krankenhäuser sind mit multiresistenten Keimen belastet, da hier viel desinfiziert werden muss. Neben dem Missbrauch mit Antibiotika stehen die QAAVs im Verdacht, multiresistente Keime hervorzubringen.

QAAVs sind kationische organische Verbindungen mit amphiphilen Eigenschaften (wasser- und fettlöslich), die als Tenside und Desinfektionsmittel in Industrie, Haushalt und Landwirtschaft weit verbreitet sind.

In den 1920ern wurden QAAVs aufgrund ihrer desinfizierenden und oberflächenaktiven Eigenschaften schnell bekannt (Domagk, 1935; Hartmann und Kägi, 1928). Bereits 1960 wurden Hinweise auf eine mögliche antimikrobielle Resistenz bei Mikroorganismen, die durch QAAVs induziert wurden, berichtet (Malizia et al., 1960). Seitdem haben mehrere Studien darauf hingewiesen, dass die Exposition gegenüber QAAVs nicht nur zu einer QAAV-Resistenz führt, sondern auch die Resistenz gegen verschiedene Antibiotika fördern kann (Buffet-Bataillon et al., 2016; Gaze et al., 2005; Kim et al., 2018 ; Zeng et al., 2022). Es hat sich gezeigt, dass das Ausgesetztsein gegenüber bestimmten hemmenden Konzentrationen zur Entwicklung von Kreuz- und Koresistenzmechanismen führt, die die Empfindlichkeit von Mikroorganismen gegenüber vieler Antibiotika verringert (Tezel und Pavlostathis, 2011).

Eine toxikologische Untersuchung der QAAVs beschränkte sich bis vor kurzem auf Wasserorganismen, 2021 fanden aber Hriúbec et al. in 80% menschlicher Blutproben QAAVs von 43 untersuchten menschlichen Blutproben, die mit Entzündungen, Störungen der Cholesterinhomöostase (Regelsystem des Cholesterinspiegels) und beeinträchtigter Mitochondrienfunktion (Funktion der Organellen, die maßgeblich zur Energieversorgung der Zellen beitragen) in Verbindung gebracht wurden.

Zeng et al zeigten 2022, dass QAAVs auch in der Muttermilch von stillenden Müttern gefunden wurde.

Die letzten Jahre wurden QAAVs aufgrund ihrer angeblichen Fähigkeit zur Inaktivierung des SARS-CoV-2-Virus vermehrt eingesetzt. (Dewey et al., 2021; Huang et al., 2021). Laut Hora et al. (2020) enthielten 216 der 430 von der US-Umweltschutzbehörde für Hygienemaßnahmen im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie empfohlenen Desinfektionsmittel BAC, DADMAC oder eine Kombination aus beiden. Der verstärkte Einsatz spiegelt sich in steigenden Konzentrationen in der Umwelt wider. Alygizakiset et al. (2021) berichteten über einen Anstieg von 331 % für Konzentrationen von QAAVs in Abwasserzuflüssen während des ersten Lockdowns. Ein Anstieg der QAAV-Konzentrationen von Staubproben in Innenräumen um 62 % während der Maßnahmen wurde von Zheng et al. untersucht(2020). (Kai Jansen et al., 2022)

Fazit der Studie

Desinfektionsmittel in Böden

Kai Jansen et al. fanden in den allermeisten hessischen Böden quartäre Ammoniumverbindungen, unabhängig von Landnutzung oder Bodentyp.

In Schlemmböden fand sich, wie erwartet, eine Anhäufung von QAAVs während Hochwasserereignissen (Kläranlagen, Abwasser).

QAAVs, die in Acker- und Grünlandböden gefunden wurden, die nicht von Überschwemmungen betroffen sind, wurden laut Studie wahrscheinlich mit organischen Düngemitteln, einschließlich Klärschlamm, und mit Pestiziden verunreinigt

Die Verunrenigung von Waldböden spricht für eine atmosphärische Einbringung der QAAVs, möglicherweise mit Staubpartikeln. Um die Eintrittspfade für Waldböden zu klären, sollten atmosphärische Partikel auf QAAVs untersucht werden.

Die Muster von QAAVs legen eine Persistenz einiger QAAVs in Böden über Zeiträume von mehreren Jahren nahe. Das weit verbreitete Vorkommen von QAAVs in Böden spricht für ihre potentielle Relevanz für die Selektion und Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt.

Der Abbau von QAAVs sollte unter realistischen Bodenbedingungen untersucht werden, um eine Einschätzung für deren Bedeutung bei der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen zu bestimmen.