In der Graduiertenschule RNApp arbeiten Nachwuchsforschende daran, RNA-basierte Medikamente wirksamer und sicherer zu machen.
Forschen für bessere RNA-Medikamente: Doktorandin Franziska Herbig und Doktorand Peter Spenger. Copyright: Karin Kaiser/MHH
Ribonukleinsäure (RNA) ist ein wichtiger Bestandteil unserer Zellen. Als Boten- oder messenger RNA (mRNA) ist sie die Blaupause, um genetische Informationen in Proteine umzusetzen. Dieser Vorgang lässt sich auch medizinisch nutzen, um gezielt Proteine zu erzeugen. Eine bekannte Anwendung sind etwa die mRNA-Impfstoffe gegen Coronaviren. Es gibt zudem auch sogenannte nicht-codierende RNA (ncRNA), die keine Protein-Baupläne enthält, sondern Steuerungsmechanismen in den Zellen übernimmt und so innovative Ansatzpunkte für neue Behandlungsmethoden bietet. Eine besondere Herausforderung bei allen RNA-basierten Therapien liegt jedoch in der Substanz selbst: Denn RNA ist instabil und wird im Körper schnell abgebaut. Hier sucht das Graduiertenkolleg RNApp nach Lösungen. In zwölf Promotionsvorhaben bearbeiten junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Medizin, Naturwissenschaften, Pharmazie und Ingenieurwesen in einzelnen Teilprojekten verschiedene Fragestellungen zu Herstellung, Verpackung und Darreichungsform von RNA.
Das Ziel des Verbundvorhabens ist es, die Ergebnisse aus der Grundlagenforschung in die klinische Praxis zu überführen und RNA-basierte Medikamente künftig wirksamer, stabiler, sicherer und einfacher nutzbar zu machen. Die Koordination des Gesamtprojekts liegt bei Professor Dr. Dr. Thomas Thum, Leiter des Instituts für Molekulare und Translationale Therapiestrategien der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH), an dem zwei Teilprojekte angesiedelt sind. Eines beschäftigt sich damit, einen RNA-Wirkstoff gegen Fibrosebildung im Herzen präzise zum Zielort zu transportieren und auch erst dort freizusetzen. Das zweite Teilprojekt will mit Hilfe von mRNA den molekularen Mechanismus aufklären, wie das Enzym Telomerase Herzmuskelzellen vor Schäden bewahrt. Das Vorhaben wird vom Land Niedersachsen und der VolkswagenStiftung mit 3,2 Millionen Euro unterstützt. Davon erhält die MHH rund 800.000 Euro.
Jahrzehntelange Erfahrung in der RNA-Forschung
Professor Thum hat jahrzehntelange Erfahrung in der RNA-Forschung aufzuweisen und viele wissenschaftliche Arbeiten zum Einsatz codierender und nicht-codierender RNA für medizinische Anwendungen veröffentlicht. Er gehört laut aktueller Liste der „Highly Cited Researchers“ des Unternehmens Clarivate Analytics zu den weltweit am häufigsten zitierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und wird in der Kategorie „Cross Fields“ geführt, in der Forschende über ihr eigentliches Arbeitsgebiet hinaus Einfluss auf die Wissenschaft haben. Derzeit wird in einer klinischen Studie überdies ein von ihm entwickelter RNA-basierter Wirkstoff getestet, welcher Herzschwäche nicht nur stoppen, sondern sogar umkehren kann. Ein Kennzeichen von Herzschwäche ist die Versteifung des Herzmuskels durch eingelagerte Bindegewebszellen, die sogenannte Fibrose.
Neuartiger Transporter bringt RNA direkt ans Ziel
Hier setzt das Teilprojekt an, in dem die Biomedizinerin Franziska Herbig unter Leitung von Dr. Franziska Kenneweg arbeitet. „Wir wollen ein ganz neuartiges Nanopartikelsystem verwenden, um die therapeutische RNA direkt ins Zielgewebe zu transportieren und auch erst dort freizusetzen“, betont die Doktorandin. Anders als etwa bei RNA-Impfstoffen setzt die 25-jährige Nachwuchswissenschaftlerin keine Lipid-Nanopartikel als Verpackung ein. Sie verwendet als Transportmittel ein Nanopartikel mit einem magnetischen, eisenhaltigen Kern, in der Fachsprache superparamagnetisches Eisenoxid-Nanopartikel (SPION) genannt. „Als Wirkstoff setzen wie eine ncRNA ein, die im Herzen eine bestimmte Ziel-RNA stilllegt und so Fibrosebildung unterdrückt“, erklärt sie.
Hitze steuert Freisetzung
Über ein hitzeempfindliches Verbindungsstück ist die ncRNA an das SPION-Transportvehikel gekoppelt und wird über ein Magnetfeld an den Zielort geleitet. Hat sich genügend Wirkstoff im Herzmuskel angesammelt, wird der eisenhaltige Partikelkern elektromagnetisch erwärmt und das hitzeempfindliche Verbindungsstück setzt die ncRNA frei. „Die ncRNA ist unwirksam, solange sie im SPION-Transporter gebunden ist und wird erst aktiv, nachdem sie abgekoppelt ist“, sagt die Doktorandin. „Die Wirkstoffkonzentration im Herzen und die gesteuerte Freisetzung der ncRNA überwachen wir mit Hilfe einer besonderen Bildgebung, die ähnlich wie ein MRT funktioniert.“ Das Verfahren ist universell und lässt sich auch mit anderen RNA-Wirkstoffen und in anderen Organen einsetzen.
Kraftwerke der Herzzellen schützen
Auch das zweite Teilprojekt beschäftigt sich mit dem Herzen. Hier untersucht der Biologe Peter Spenger, wie das Enzym Telomerase die sogenannten Mitochondrien in den Herzmuskelzellen schützt. Die Arbeit beruht auf den Forschungsergebnissen von Professor Dr. Christian Bär, der dieses Teilprojekt auch betreut. Telomerase bewahrt eigentlich die Enden der Chromosomen, auf denen unsere Gene liegen, vor Schädigung und Verkürzung während der Zellteilung. So behält die Zelle ihre Teilungsfähigkeit und altert nicht. Unter bestimmten Stressbedingungen kann das Enzym aber eine weitere Funktion ausüben. „Telomerase tritt in Verbindung mit den Mitochondrien, die als kleine Kraftwerke in den Herzmuskelzellen die Energie für die Pumpfunktion liefern“, erklärt der Doktorand. Die Wechselwirkung zwischen Enzym und Mitochondrien geschieht über einen Telomerase-Baustein namens TERT. Dieser schützt die Zellkraftwerke vor Schäden durch aggressive Sauerstoffverbindungen.
Mechanismus mikroskopisch sichtbar machen
„Wir wollen klären, wie und unter welchen Bedingungen TERT in die Mitochondrien geschleust wird“, erläutert der 27-jährige Nachwuchswissenschaftler. Dafür möchte er mRNA mit dem TERT-Bauplan herstellen und in Lipid-Nanopartikel verpacken. Diese sollen dann in aus Stammzellen erzeugten Herzmuskelzellen eingebracht und mit Superauflösungsmikroskopie untersucht werden. Für diesen Teil der Arbeit wechselt der Doktorand dann in die hochspezialisierte Forschungsgruppe „Struktur und Dynamik der Mitochondrien“ an der Klinik für Neurologie der Universitätsmedizin Göttingen.
Forschung im Verbund
Am Graduiertenkolleg RNApp sind neben der MHH auch die Leibniz Universität Hannover, die Technische Universität Braunschweig, die Universitätsmedizin Göttingen und das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik beteiligt. Inhaltlich ist RNApp in drei Forschungsbereiche gegliedert: die Entwicklung von RNA-Lipid-Nanopartikeln (RNA-LNP), die Trocknung und Verpackung von RNA und die Integration von RNA in Implantaten. Jedes dieser Cluster besteht aus mehreren Einzelprojekten mit spezifischen Schwerpunkten. An der MHH sind insgesamt fünf Teilprojekte angesiedelt, außerdem die Koordination der Graduiertenschule.
Text: Kirsten Pötzke