Viraler Vektor

Beim Einsatz viraler Vektoren wird die natürliche Fähigkeit von Viren genutzt, Zellen effizient zu infizieren. Man entfernt jedoch diejenigen Gene, die für Replikation oder Pathogenität verantwortlich sind, und ersetzt sie durch gewünschte DNA-Sequenzen. Das virale Partikel fungiert somit als Transportvehikel für das Erbmaterial, das in der Zielzelle eine definierte biologische Funktion erfüllen soll. Die Anwendung viraler Vektoren kann sowohl in vivo als auch in vitro erfolgen.

Ein frühes wichtiges Ereignis in der Entwicklung viraler Vektoren war ein Experiment des Molekularbiologen Paul Berg aus dem Jahr 1976. In diesem Versuch wurde DNA eines Bakteriophagen in vitro in Affennierenzellen eingebracht, wobei ein SV40-Viruspartikel als Vektor diente.

In den 1980er Jahren wurde die Arbeit mit viralen Vektoren systematisch ausgebaut, insbesondere zur Übertragung von Markergenen zur Analyse von Genexpression und Gentransfer.

Ein viraler Vektor sollte eine hohe Spezifität für die Zielzelle besitzen, um einen effizienten und kontrollierten Gentransfer zu gewährleisten. Darüber hinaus sind eine geringe Zytotoxizität, eine möglichst geringe Immunogenität sowie eine hohe strukturelle Stabilität wesentliche Voraussetzungen.

Je nach Vektortyp kann das eingebrachte genetische Material dauerhaft in das Wirtsgenom integriert werden oder episomal vorliegen. Integrierende Vektoren ermöglichen eine stabile Langzeitexpression, bergen jedoch ein Risiko der Insertionsmutagenese, während nicht integrierende Vektoren meist nur eine transiente Expression vermitteln.

Moderne virale Vektoren werden häufig als self-inactivating vectors (SIN-Vektoren) konstruiert. Dabei handelt es sich vor allem um Retroviren und Lentiviren, deren long terminal repeats (LTRs) gezielt modifiziert wurden. Durch die Deletion regulatorischer Sequenzen im U3-Bereich des 3’-LTR verlieren die LTRs nach der Integration in das Wirtsgenom ihre Promotor- und Enhanceraktivität. Infolge dieser Modifikation ist der integrierte Vektor transkriptionell inaktiv, sodass die Expression des Transgens ausschließlich über einen internen Promotor erfolgt. Dieses Sicherheitsdesign reduziert das Risiko einer Insertionsmutagenese erheblich und gilt heute als Goldstandard in der klinischen Gentherapie.

Zur Herstellung eines viralen Vektors wird zunächst die gewünschte DNA-Sequenz mittels Klonierung in das virale Genom eingebracht. Anschließend werden virale Genabschnitte entfernt, die für Replikation oder Rekombination notwendig sind. Dadurch entstehen replikationsdefiziente Viruspartikel, die zwar Zellen infizieren, sich jedoch nicht im Wirt vermehren können. Die Produktion der infektiösen Partikel erfolgt in speziellen Verpackungszelllinien, welche die fehlenden viralen Funktionen in trans bereitstellen und somit die sichere Herstellung der Vektoren ermöglichen.

Für den Einsatz als virale Vektoren kommen unter anderem folgende Virusarten infrage:

• Retroviren
• Lentiviren
• Adenoviren
• Adeno-assoziierte Viren (AAV)
• Baculoviren
• Foamyviren

Gentherapie

In der Gentherapie werden virale Vektoren eingesetzt, um defekte oder fehlende Gene durch funktionelle Genkopien zu ersetzen. Besonders bei Erbkrankheiten konnten in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt werden, und mehrere virale Vektor-basierte Therapien sind klinisch zugelassen (z.B. Alipogen-Tiparvovec, Voretigen-Neparvovec, Onasemnogen-Abeparvovec). Dennoch besteht insbesondere bei integrierenden Vektoren weiterhin das Risiko einer fehlerhaften Integration in das Wirtsgenom, was im ungünstigen Fall eine Entartung der Zelle und die Entstehung von Krebs begünstigen kann.

Forschung

In der Forschung werden virale Vektoren zur Genexpressionsanalyse, zur Untersuchung zellulärer Signalwege sowie zur Herstellung rekombinanter Proteine eingesetzt. Darüber hinaus dienen sie der Erforschung von Infektionsmechanismen und der Analyse viraler Vermehrungsstrategien.

Impfung

Virale Vektoren finden auch Anwendung in der Impfstoffentwicklung. Hierbei werden die Antigene spezifischer Pathogene übertragen, um nach Applikation eine Immunantwort auszulösen, ohne eine produktive Infektion zu verursachen. Besonders adenovirale Vektoren haben sich in der Entwicklung moderner Vektorimpfstoffe etabliert.

• Ibraheim et al., Self-inactivating, all-in-one AAV vectors for precision Cas9 genome editing via homology-directed repair in vivo, Nature Communications, 2021