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Zukunftsausblick: Genreparatur und individuelle Stammzellmodelle -
eine Chance auch für ARVC?
Brenda Gerull
Deutsches Zentrum für Herzinsuffizienz
Medizinische Klinik I, Universitätsklinikum Würzburg
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Rückblick 2004: 15 Jahre ARVC
Gerull et al., Nat Genet, 2004
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Calgary 2009 – 2016
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Arrhythmogene Kardiomyopathie bei den Hutterern
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Rezessive Form der A(R)VC
Homozygote Mutationsträger
DSC2 (N-terminal) DSC2/N-CAD
C
P
Vollständiger Verlust von Desmocollin 2 im Herzen:
Gerull, et al. Circ Cardiovasc Genet. 2013
Wong,… and Gerull, J Am Heart Assoc. 2014
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Seit 2016: Deutsches Zentrum für Herzinsuffizienz
Integriertes Forschungs- und Behandlungszentrum
Prävention der Herzinsuffizienz und ihrer Komplikationen
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Genetik und GenomikMechanistische
Studien im Labor
„Bench to Bedside“
Zentrum für Genetische
Herzerkrankungen
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“Precision” Medizin: Entwicklungen im kardiovaskulären Bereich
Genscheren:
CRISPR
Technologie
Induzierte
pluripotente
Stammzellen
Analyse
klinischer
Exome und
Genome
Gezielte
Therapien
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Exom Sequenzierung in der klinischen
Routine – Mehrwert Genomsequenzierung ? Analyse
Klinischer
Exome und
Genome ▪ Exom
▪ 1.5% des Genoms, ca. 20.000
Gene (50 Millionen bp)
▪ Etablierte, kostengünstige
Technologie
▪ “Routine” in der genetischen
Diagnostik auch im Rahmen
der Patientenversorgung
▪ Detektionsrate bei ARVC:
50% der Fälle
▪ Genom▪ 3 Milliarden bp
▪ umfasst kodierende und
nicht kodierende
(regulatorische) DNA
▪ kann mit anderen
Analysemethoden (RNA;
Epigenom) kombiniert
werden
▪ besser vergleichbare
Datensätze:
„personalisiertes
Genom“ als einmaliger
Datensatz
▪ Chance bei ARVC:
Schließen der
„genetischen Lücke“
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Wie führt ein verändertes Gen zur Erkrankung?
Die Erforschung von Krankheitsmechanismen
erfordert Modellsysteme:
▪Zellmodelle
▪Gewebemodelle
▪Modellorganismen
Degeneration
Entzündung
Transdifferenzierung
Metabolische
Veränderungen
Brodehl et al. PLoS One 2017 Mar 24.
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Patientenspezifische Modellsysteme
Induzierte
pluripotente
Stammzellen▪ Einzigartiges Modellsystem zur
Untersuchung genetischer
Erkrankungen
▪ Technik ermöglicht aus einer
Hautzelle eine Herzmuskelzelle
bei Beibehaltung der
genetischen Information
herzustellen
▪ Anwendungen in der
Forschung:
▪ Erforschung von
Krankheitsmechanismen auf
zellulärer Ebene
▪ Test von Medikamenten im
Hochdurchsatzverfahren
▪ Test von individuellen Therapien
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Individuelle Herzmuskelzellen aus einer
Hautbiopsie
Hautbiopsie
Fibroblasten
Rückprogrammierung
Humane pluripotente Stammzellen
Herzmuskelzellen
3D – “Miniherzen”
Schlagende Zellverbände
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Modelle von Patienten mit desmosomalen Mutationen
3D Modelle/Organoide
CD31+ / CD45+
merge
A
merge
C
merge
E
PKP2
DSG2
DSP
A`
C`
E`
merge
merge
merge
B
D
F
PKP2
DSG2
DSP
B`
D`
F`
Wildtypische Kardiomyozyten PKP2 Mutation
2D Kultur Maturierung
Modell-
entwicklung
Mechanismen
Funktion
Therapie
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CRISPR/Cas9 – Können wir Erbkrankheiten
aus dem Körper schneiden? Genscheren:
CRISPR
Technologie
▪ Methode erlaubt
zielgenaue und
fehlerfreie
Veränderung des
Erbguts
▪ Ermöglicht das
Entfernen und
Einfügen von DNA
Bausteinen
▪ Schwieriger sind
punktgenaue
Mutationen
einzubauen oder zu
reparieren
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CRISPR/Cas9 in humanen iPS-Zellen15
Wildtyp iPSCs Mutierte iPSCs
Reparierte iPSCs Patienten iPSCs
Differenzierung in
Kardiomyozyten
Vergleich der Phänotypen
Genome editing:
CRISPR/Cas9
C D
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▪ Prinzipiell „lösbare“ Hürden
▪ Zellen die sich nicht teilen (z.B. Herzmuskel, Nervenzellen),
ineffektive Reparatur nur weniger Zellen
▪ Unerwünschte Brüche an anderen Stellen im Erbgut („off
target“)
▪ Sichere und effektive Transportformen (z.B. Viren, Nanopartikel)
mit Gewebespezifität
▪ Immunabwehr gegen Cas9
▪ Anwendungen bei Duchenne Muskeldystrophie
▪ X-chrom. führt in 98% zum vollständigen Funktionsverlust von Dystrophin
▪ CRISPR/Cas9 Korrektur erfolgt über „exon skipping, base editing“
▪ getestet in iPSCs, Patientenmuskelzelllinien, Mausmodellen und anderen
Tiermodellen (in vivo durch AAV9-Viren appliziert)
▪ Symptome konnten gemildert werden
▪ Humanisiertes DMD Mausmodell: 83-86% Korrekturrate (modifiziertes Cas9
Enzym)
…klingt vielversprechend und nun?
Lim et. al. J. Pers. Med. 2018
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▪ Herausforderungen bei der Genreparatur
▪ Kein einheitlicher Mechanismus („Funktionsverlust“)
▪ Viele unterschiedliche „private“ Mutationen
▪ ?Möglichkeit des Ausgleichs von Funktionsverlust über die
Regulierung anderer Isoformen/Wildtypallels
▪ Ansätze auf molekularen Mechanismen basierend
▪ GSK3b inhibitor (SB216763) aktiviert Wnt Signalweg und
erhöht Expression von DLG-1 welches die Lokalisation vom
kardialen Natriumkanal Nav1.5 und Connexin an den Zell-
Zellkontakten erhält (in verschiedenen Modellsystemen
getestet)
▪ Neue Therapien im Test unter Nutzung der iPS-Zellmodelle
Spezifische Therapien für ARVC am Horizont?Gezielte
Therapien
Asimaki et al. Sci Transl Med. 2014
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Vielen Dank!