Gene Drives zur Krankheitsbekämpfung

Wor­um geht es?
Im Fokus der For­schun­gen mit Gene Dri­ves (GD) ste­hen Anwen­dun­gen im Gesund­heits­be­reich, ins­be­son­de­re die Kon­trol­le von vek­tor­über­tra­ge­nen Krank­hei­ten, wie bei­spiels­wei­se Mala­ria. In der öffent­li­chen Dis­kus­si­on erfah­ren Pro­jek­te zur Bekämp­fung von Mala­ria die gröss­te Auf­merk­sam­keit. Ähn­li­che For­schun­gen lau­fen jedoch zur Bekämp­fung von Virus­er­kran­kun­gen wie Chikungunya‑, Zika‑, Den­gue- und West­nil-Fie­ber, die von der Tiger­mücke über­tra­gen wer­den. Aus­ser­dem sol­len Gene Dri­ves dazu bei­tra­gen, Infek­ti­ons­krank­hei­ten wie die von Zecken über­tra­ge­ne Lyme-Bor­re­lio­se ein­zu­däm­men.
Da die­se Seu­chen jähr­lich Hun­dert­tau­sen­de von Men­schen­le­ben for­dern, ist die inten­si­ve Suche nach Lösun­gen, wel­che die Über­tra­gung die­ser Krank­hei­ten redu­zie­ren könn­ten, ver­ständ­lich. In die Ent­wick­lung der Tech­no­lo­gie flies­sen immense Inve­sti­tio­nen.
Die Tech­nik ist für die Ver­brei­tung in der frei­en Wild­bahn kon­zi­piert: sie sei schnell, effek­tiv, und kön­ne im Extrem­fall gan­ze Mücken­po­pu­la­tio­nen aus­rot­ten. So argu­men­tie­ren die Ent­wick­ler, die die Metho­de als eine Art Wun­der­mit­tel anprei­sen. Doch genau in die­ser beschleu­nig­ten Wei­ter­ga­be von Genen lie­gen auch die Gefah­ren der Tech­no­lo­gie, denn sie erhöht das Risi­ko ande­rer, nicht beab­sich­tig­ter Wir­kun­gen. Wenn sol­che in einem kom­ple­xen natür­li­chen Öko­sy­stem auf­tre­ten, sind die Fol­gen nicht abschätz­bar und der Ein­satz der Gene-Dri­ve-Tech­nik kann eine unauf­halt­ba­re Ket­ten­re­ak­ti­on aus­lö­sen. Bereits bewähr­te, loka­le Lösun­gen der Krank­heits­be­kämp­fung wer­den von den tech­no­lo­gie­af­fi­nen Krei­sen aus­ge­blen­det. Der Grund: die Mala­ria­be­kämp­fung ist ein Mit­tel der Tech­no­lo­gie als Gan­zes mehr Akzep­tanz zu ver­schaf­fen. Doch die Agrar­in­du­strie lieb­äu­gelt bereits mit dem Ein­satz von Gene Dri­ves als eine neue, lukra­ti­ve Mög­lich­keit der Schäd­lings­be­kämp­fung.
Für eine effek­ti­ve Mala­ria­be­kämp­fung müss­ten sozio­öko­no­mi­sche Fak­to­ren als eigent­li­che Ursa­chen der zahl­rei­chen Erkran­kun­gen ange­gan­gen wer­den. Zudem sind bereits unbe­denk­li­che­re Lösun­gen sowie viel loka­les Wis­sen zum Umgang mit der Krank­heit vor­han­den, die drin­gend geför­dert wer­den soll­ten.

Wie bekämpft man Krank­hei­ten mit­tels Gene Dri­ves?
Gene Dri­ves kön­nen dazu ein­ge­setzt wer­den, die Frucht­bar­keit von krank­heits­über­tra­gen­den Orga­nis­men zu redu­zie­ren, um auf die­se Wei­se eine Popu­la­ti­on zu dezi­mie­ren oder gar zu eli­mi­nie­ren. Mit der Gene-Dri­ve-Metho­de könn­te aber auch die Fähig­keit die­ser Lebe­we­sen, Krank­hei­ten zu über­tra­gen, ver­rin­gert wer­den.
Gete­stet wer­den die­se Ansät­ze aktu­ell an min­de­stens 4 Mücken­ar­ten. Im Labor wur­den bereits erste Erfol­ge erzielt. Mit den ersten Anträ­gen für Frei­set­zungs­ver­su­che ist daher in Kür­ze zu rech­nen.

Popu­la­tio­nen dezimieren/ausrotten
Die Idee, Schäd­lin­ge oder Krank­hei­ten durch die Frei­las­sung ver­än­der­ter Insek­ten aus­zu­mer­zen ist schon älter. Bei­spiels­wei­se wur­den 1997 durch radio­ak­ti­ve Strah­lung unfrucht­bar gemach­te Tse­tse­flie­gen erfolg­reich auf der Insel San­si­bar ein­ge­setzt, um die Schlaf­krank­heit zu bekämp­fen. Auch die Schrau­ben­wurm­flie­ge, ein gefürch­te­ter Tier­pa­ra­sit in Nord­ame­ri­ka, des­sen Lar­ven sich ins Fleisch der Tie­re fres­sen konn­ten, konn­te mit­tels die­ser soge­nann­ten Ste­ri­le-Insek­ten-Tech­nik vie­ler­orts ein­ge­dämmt wer­den. Das Prin­zip ist ein­fach: die ste­ri­len Indi­vi­du­en paa­ren sich mit Art­ge­nos­sen, da Nach­kom­men aber aus­blei­ben, nimmt die Popu­la­ti­on lang­sam ab. Die Tech­nik ist jedoch teu­er, lang­sam und für eine opti­ma­le Wir­kung müs­sen gros­se Men­gen an Insek­ten gezüch­tet und frei­ge­las­sen wer­den. Deut­lich schnel­ler soll es mit Gene Dri­ves gehen.

Am Impe­ri­al Col­lege in Lon­don wird im Rah­men des Pro­jekts „Tar­get Mala­ria“ bereits an zwei unter­schied­li­chen Lösungs­an­sät­zen geforscht. Der Geld­ge­ber hin­ter dem risi­ko­rei­chen Gene-Dri­ve-For­schungs­pro­jekt namens „Tar­get Mala­ria“ ist die umstrit­te­ne Bill und Melin­da Gates Stif­tung.

• Nur noch männ­li­che Nach­kom­men
  

  Der erste Lösungs­an­satz ver­folgt die Idee, Mücken so zu ver­än­dern, dass sie nur männ­li­che Nach­kom­men pro­du­zie­ren. Nach weni­gen Gene­ra­tio­nen soll die gesam­te Popu­la­ti­on zusam­men­bre­chen.
  Dazu wer­den Gen­se­quen­zen ins Mücken­ge­nom ein­ge­baut, die spe­zi­fi­sche Schneideen­zy­me (Endo­nu­klea­se) kodie­ren. Die­se tre­ten bei der Sper­mi­en­bil­dung in Akti­on und machen das für die Bil­dung des weib­li­chen Geschlechts ver­ant­wort­li­chen X‑Chromosom funk­ti­ons­un­fä­hig, indem sie bestimm­te Stel­len aus­schnei­den.
  Die­ser Ansatz wur­de bei Labor­po­pu­la­tio­nen eines wich­ti­gen afri­ka­ni­schen Mala­ria-Über­trä­gers (Anophe­les gam­biae) bereits mit Erfolg gete­stet. Da aber das Gene-Dri­ve-Kon­strukt nicht auf dem Geschlechts­chro­mo­som sitzt, wird die gewünsch­te Ver­än­de­rung nach den Men­del­schen Regeln wei­ter­ver­erbt und somit noch nicht schnell genug in der Popu­la­ti­on ver­brei­tet. Damit der Mecha­nis­mus schnel­ler wirkt, und an alle männ­li­chen Nach­kom­men wei­ter­ver­erbt wird, ver­su­chen For­scher nun den Gene Dri­ve ins Y‑Chromosom ein­zu­bau­en.

• Unfrucht­ba­re Weib­chen
  

  Statt das Geschlecht der Nach­kom­men zu beein­flus­sen, kann ein Gene Dri­ve auch für eine Dezi­mie­rung der Mücken­po­pu­la­tio­nen sor­gen, indem er zu einer Unfrucht­bar­keit der weib­li­chen Mücken führt.
  Dazu schnei­det das Gene-Dri­ve-System einen bestimm­ten Teil eines Gens aus, das für die nor­ma­le Ent­wick­lung weib­li­cher Indi­vi­du­en ver­ant­wort­lich ist. Ein Vor­teil die­ser am Impe­ri­al Col­lege ent­wickel­ten Metho­de soll sein, dass es zu kei­nen Resi­stenz­bil­dun­gen gegen den Gene Dri­ve kommt. Denn das ver­än­der­te Gen spielt eine lebens­wich­ti­ge Rol­le. Muta­tio­nen inner­halb die­ser Regi­on wür­den also fast immer fata­le Fol­gen haben, des­we­gen vari­iert der Abschnitt kaum. Die Tat­sa­che, dass das Ziel­gen wegen sei­ner Unver­zicht­bar­keit bei allen Insek­ten­ar­ten in sehr ähn­li­cher Form vor­kommt, stellt jedoch gleich­zei­tig ein erhöh­tes Risi­ko dar. Denn die­se Ähn­lich­keit könn­te es ermög­li­chen, dass das Gene-Dri­ve-System auch auf ande­re Nicht-Ziel-Arten über­springt.

Popu­la­tio­nen ver­än­dern
Ande­re, etwas weni­ger radi­ka­le Ansät­ze zie­len nicht dar­auf ab, die Mücken zu bekämp­fen, son­dern zu ver­hin­dern, dass sie den Krank­heits­er­re­ger über­tra­gen. So sol­len bei­spiels­wei­se Stech­mücken (Anophe­les ste­phen­si) gegen die Mala­ria-Erre­ger immun gemacht wer­den.
In die­sem Fall soll der Gene Dri­ve die Ver­brei­tung der für die Immu­ni­tät ver­ant­wort­li­chen Gene in der Popu­la­ti­on beschleu­ni­gen. Das Ziel: die natür­li­chen Popu­la­tio­nen, wel­che die Krank­heit über­tra­gen, durch gen­tech­nisch ver­än­der­te Indi­vi­du­en zu erset­zen.
Die Metho­de funk­tio­niert aber nur begrenzt, da spon­tan auf­tre­ten­de, zufäl­li­ge Muta­tio­nen im  Bereich des Genoms, in dem der Gene Dri­ve ein­ge­fügt wur­de, den Mecha­nis­mus stö­ren. Als Fol­ge fin­det die Gen­sche­re das ein­pro­gram­mier­te Ziel auf dem Erb­mo­le­kül nicht mehr und der Gene Dri­ve funk­tio­niert nicht. Die Mücken wer­den resi­stent gegen den Gene Dri­ve und kön­nen sich wie­der wei­ter­ver­meh­ren.

Was sind die Gefah­ren?
Gene Dri­ves sind eine jun­ge Tech­no­lo­gie mit poten­zi­ell weit­ge­hen­den und unum­kehr­ba­ren Fol­gen. Da sie für den Ein­satz in der frei­en Wild­bahn kon­zi­piert sind, kön­nen sie leicht aus­ser Kon­trol­le gera­ten.
Des­halb ist es wich­tig das Vor­sor­ge­prin­zip zu stär­ken und früh­zei­tig über die mög­li­chen Kon­se­quen­zen nach­zu­den­ken. Denn einer­seits ist die Funk­ti­ons­wei­se des zu mani­pu­lie­ren­den Ziel­ge­noms noch weit­ge­hend unbe­kannt, was zu uner­wünsch­ten Neben­ef­fek­ten füh­ren kann. Ande­rer­seits ist das Ver­hal­ten der Gene-Dri­ve-Mücken auch wegen der Kom­ple­xi­tät natür­li­cher Öko­sy­ste­me unvor­her­seh­bar. Nur Bruch­tei­le der Ver­bin­dun­gen und Zusam­men­hän­ge inner­halb die­ses Systems sind bekannt. Mit der­art begrenz­tem Wis­sen ist es schwie­rig, die mög­li­chen Fol­gen eines sol­chen Ein­griffs ein­zu­schät­zen.
Die­se Unsi­cher­hei­ten und die Gren­zen des Wis­sens ste­hen einer Frei­set­zung im Wege. Die Min­dest­for­de­rung für Feld­ver­su­che ist eine detail­lier­te Risi­ko­be­ur­tei­lung, sowie die Zustim­mung der loka­len Gemein­schaf­ten. Für die Risi­ko­be­ur­tei­lung sind aber nicht genü­gend wis­sen­schaft­li­che Grund­la­gen vor­han­den (Gene Dri­ve Bericht). Aus die­sem Grund for­dern vie­le inter­na­tio­na­le Orga­ni­sa­tio­nen ein Mora­to­ri­um auf die Anwen­dung von Gene Dri­ves.

Dass die Gefah­ren der Tech­no­lo­gie in kei­nem Ver­hält­nis zu den erhoff­ten Vor­tei­len ste­hen, lässt sich anhand fol­gen­der Bei­spie­le zei­gen:

• Aus­kreu­zung auf nicht inten­dier­te Popu­la­tio­nen
  

  Eine der Gefah­ren der Tech­no­lo­gie ist, dass sich Gene Dri­ves unge­hemmt auf wei­te­re Nicht-Ziel-Popu­la­tio­nen aus­brei­ten könn­ten.
  Bei den bis­he­ri­gen Anwen­dun­gen neu­er bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren war man dar­um bemüht, die Aus­brei­tung von GV-Orga­nis­men und die Aus­kreu­zung von gen­tech­ni­schen Ver­än­de­run­gen auf Wild­po­pu­la­tio­nen zu ver­hin­dern. Im Gegen­satz dazu ist bei Gene Dri­ves die Aus­brei­tung in natür­li­chen Popu­la­tio­nen die erwünsch­te Wir­kung. Dies birgt neu­ar­ti­ge Risi­ken. Denn wie soll man ver­hin­dern, dass sich ein Gene Dri­ve auf Popu­la­tio­nen über­trägt, die nicht Ziel des Gene Dri­ves sind? Davor soll die Ent­wick­lung einer lokal begrenz­ten, selbst­li­mi­tie­ren­den Form des Gene Dri­ves, die nach eini­gen Gene­ra­tio­nen nicht mehr wei­ter­ver­erbt wird, schüt­zen. Die Metho­de bleibt vor­erst Theo­rie. Ange­sichts der gros­sen finan­zi­el­len Unter­stüt­zung sei­tens der For­schungs­agen­tur des US-Ver­tei­di­gungs­mi­ni­ste­ri­ums (DARPA) kön­nen aber künf­tig zahl­rei­che sol­che Pro­jek­te erwar­tet wer­den.

• Auch Mücken spie­len eine Rol­le – ethi­sche Fra­gen
  

  Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen den ein­zel­nen Ele­men­ten eines Öko­sy­stems sind weit­ge­hend uner­forscht. Das vor­han­de­ne Wis­sen genügt jedoch, um zu bewei­sen, dass die für uns Men­schen lästi­gen Mücken eine wich­ti­ge Rol­le in der Natur spie­len. Für Vögel bedeu­ten sie eine wich­ti­ge Nah­rungs­quel­le, sie kön­nen Pflan­zen, wie wil­de Orchi­deen­ar­ten in den Wäl­dern Nord­ame­ri­kas bestäu­ben und ihre Lar­ven tra­gen zum Nähr­stoff-Recy­cling bei. Im Kelch fleisch­fres­sen­den Kan­nen­pflan­zen tre­ten sie sogar als Schlüs­sel­präda­to­ren auf.
  Eine Mücken­po­pu­la­ti­on zu redu­zie­ren oder aus­zu­lö­schen, ver­mag also auf den ersten Blick als ver­nach­läs­sig­bar erschei­nen. Jedoch kön­nen noch so klei­ne Ände­run­gen im Öko­sy­stem lang­fri­stig erheb­lich auf des­sen Ent­wick­lung aus­wir­ken. Die­se lang­fri­sti­gen Aus­wir­kun­gen sind unvor­her­seh­bar. Ange­sichts des­sen begeg­nen Ethi­ker der Fra­ge, ob die Bekämp­fung von Infek­ti­ons­krank­hei­ten die geziel­te Aus­rot­tung gan­zer Arten recht­fer­ti­ge, mit Zurück­hal­tung.

• Mensch­li­che Ver­suchs­ka­nin­chen in Afri­ka
  

  Noch las­sen Frei­set­zungs­ver­su­che mit Gene-Dri­ve-Mücken auf sich war­ten. Die ersten Vor­be­rei­tungs­schrit­te wur­den jedoch schon unter­nom­men. In Bur­ki­na Faso hat das Kon­sor­ti­um Tar­get Mala­ria im ver­gan­ge­nen Juli Tau­sen­de gen­tech­nisch ver­än­der­te Mücken frei­ge­las­sen. Dabei han­del­te sich zwar noch nicht um Gene-Dri­ve-Exem­pla­re. Mit die­sen Vor­ver­su­chen soll aber die Akzep­tanz für die Gen­tech­no­lo­gie erhöht wer­den. Doch die Ver­su­che stos­sen auch vor Ort auf erheb­li­che Beden­ken. Die afri­ka­ni­schen Dör­fer füh­len sich als Test­ge­biet miss­braucht: denn die loka­le Bevöl­ke­rung wur­de nicht über die Ver­su­che und die damit ver­knüpf­ten Risi­ken auf­ge­klärt.
  Dass Feld­ver­su­che tat­säch­lich Gefah­ren ber­gen, zeigt ein aktu­el­les Bei­spiel aus Bra­si­li­en. Dort wur­den jah­re­lang GV-Mücken frei­ge­setzt, um loka­le Mücken­po­pu­la­tio­nen zu dezi­mie­ren. Theo­re­tisch hät­te die gen­tech­ni­sche Ver­än­de­rung dafür sor­gen sol­len, dass sämt­li­che Nach­kom­men von Weib­chen, die sich mit den GV-Männ­chen paa­ren, abster­ben.
  Doch ent­ge­gen aller Erwar­tun­gen konn­te ein Teil der Nach­kom­men doch über­le­ben. Nun brei­tet sich die gen­tech­ni­sche Ver­än­de­rung aus. Es ist unklar, wie die­se Ver­än­de­run­gen den Pro­zess der Krank­heits­über­tra­gung beein­flus­sen. Die Gen­tech-Mücken könn­ten sogar robu­ster sein als ihre wil­den Art­ge­nos­sen und die Wahr­schein­lich­keit, dass die Krank­heit über­tra­gen wird, gar erhö­hen.