Heureka-Momente: Wissenschaftliche Durchbrüche 2023
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1. CRISPR: Mit der Genschere gegen Erbkrankheiten
Mitte November traf Großbritannien eine Entscheidung, die den Beginn eines neuen Kapitels der Medizin markieren könnte: Die Behörden ließen die weltweit erste CRISPR-Therapie zu – eine Behandlung mit der „Genschere“ CRIPR/Cas9. Die Genschere verspricht, mittels gezielter Eingriffe ins Erbgut schwere Krankheiten zu beheben. Das Prinzip: Zunächst wird eine gewünschte Stelle im Genom anvisiert, dann erfolgt ein Schnitt durch den DNA-Strang. Dadurch wird ein Gen inaktiviert, das eine bestimmte Erbkrankheit verursacht. Das Anwendungsgebiet wäre riesig: Es sind mehr als 10.000 monogenetische Krankheiten bekannt, bei denen ein einzelnes fehlerhaftes Gen gravierende Leiden auslöst. Funktionieren CRISPR-Therapien wie erhofft, gäbe es für viele davon eine Heilung.
Was nun zugelassen wurde, ist eine Therapie gegen zwei erbliche Blutkrankheiten: Sichelzellanämie und Beta-Thalässemie. Beiden liegt ein Defekt bei der Bildung des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin zugrunde, und sie gehen mit Schmerzen respektive mit Blutarmut einher. Die Genschere schaltet ein bestimmtes Gen ab, mit der Folge, dass der Körper wieder intaktes Hämoglobin produzieren kann.
Ebenfalls im November berichteten Forschende von einem weiteren Therapieansatz: Sie griffen in ein Protein ein, das den Spiegel des „bösen“ LDL-Cholesterins beeinflusst. Manche Menschen haben aufgrund ihrer erblichen Ausstattung einen hohen LDL-Spiegel und dadurch ein erhöhtes Risiko für Herzinfarkte und Schlaganfälle. Die Forschenden wendeten eine verfeinerte Variante von CRISPR an, um das problematische Protein stummzuschalten: Sie veränderten einen einzelnen genetischen Buchstaben, was „Base Editing“ genannt wird. Die Folge: Der LDL-Spiegel im Blut sank um bis zu 55 Prozent. Grundsätzlich wären die Aussichten fantastisch: Statt lebenslang Medikamente nehmen zu müssen, würde eine einzige CRISPR-Behandlung die Krankheit für immer beheben.
Weitere Therapien sind in Erprobung, darunter gegen HIV, wobei mittels CRISPR die Übertragung des Virus von Körperzelle zu Körperzelle blockiert werden soll. Zwar muss sich erst zeigen, ob all die Konzepte langfristig wirklich funktionieren und ob es nicht zu Rückschlägen oder unerwarteten Nebenwirkungen kommt, etwa durch unbeabsichtigte Schäden in anderen als den anvisierten DNA-Abschnitten. Allerdings ist die Technologie kaum mehr als ein Jahrzehnt alt, und vieles wird wohl noch verbessert werden. Daher lässt sich bereits prognostizieren, dass CRISPR künftig zu einem bedeutenden Werkzeug der Medizin werden wird.
2. Künstliche Intelligenz: von Krebs bis Kunstgeschichte
Geht es um die wichtigsten Errungenschaften des Jahres, führt kein Weg an künstlicher Intelligenz vorbei. Gerade in der Wissenschaft wurden heuer dermaßen viele Anwendungen vorgestellt, dass man sie nur beispielhaft aufzählen kann: KI-Systeme suchen passende Arzneien für einzelne Personen oder unterstützen medizinische Diagnostik, indem sie in Patientendaten nach Mustern suchen, die auf Krebs hindeuten. Andere Modelle sind darauf trainiert, beim Design neuer Antibiotika gegen Superkeime zu helfen. Wieder andere analysieren Materialproben von Weltraummissionen und screenen sie auf Spuren von Biochemie – mit dem Ziel, Signaturen außerirdischen Lebens zu erkennen. Eine weitere KI soll mithilfe des Sprachprogramms ChatGPT Gehirnaktivität in Sprache übersetzen. Diese Art des „Gedankenlesens“ könnte Menschen, die nicht sprechen könne, die Kommunikation mit ihrer Umwelt ermöglichen.
Sprachprogramm ChatGPT
Gerade in der Wissenschaft spielt Künstliche Intelligenz eine große Rolle: bei Karnkheitsdiagnostik, Arzneientwicklung oder bei der statistischen Auswertung großer Datenmengen.
Im November wurde GraphCast präsentiert, ein System zur Wettervorhersage. Trainiert mit Temperatur-, Wind- und Niederschlagsdaten, soll die KI auf Basis historischer und aktueller Informationen Prognosen bis zu 10.000 Mal schneller erstellen als bisherige Systeme – eine Vorschau auf die nächsten zehn Tage beansprucht angeblich nur eine Minute und schließt Unwetterprognosen ein. Ebenfalls im November schlugen Forschende ein System zur Analyse von Kunstwerken vor. Die KI könnte humane Expertise unterstützen, indem sie Pinselstriche, Farben, verwendete Materialien, Lichteinfall und die Posen Porträtierter analysiert. Derart ließen sich Fälschungen erkennen, aber auch beschädigte oder zerstörte Werke ergänzen oder rekonstruieren.
Eine große Debatte entstand heuer auch über den Einsatz von Artificial Intelligence beim Generieren von Forschungsergebnissen. Einerseits können Sprachmodelle wie ChatGPT wertvolle Dienste leisten, um große Datensätze auszuwerten oder Fachartikel in sauberem Englisch zu formulieren. Andererseits ist die Grenze zur Fälschung fließend – schließlich könnte KI ganze Abschnitte einer Studie verfassen. Ende November publizierte ein italienisches Wissenschafterteam einen denkwürdigen Versuch: Die Forschenden ließen ChatGPT Studiendaten fabrizieren, die zu einem gewünschten Resultat passten. Derart könnte man selbst abwegige Studienergebnisse mit erfundenen Daten untermauern – und somit wissenschaftliche Fake News produzieren.
3. mRNA: ein Universalwerkzeug der Medizin
Vier Jahrzehnte arbeiteten Forschende daran, dann kam die Coronavirus-Pandemie, und mit ihr schafften die ersten mRNA-Impfstoffe den Weg in die Praxis – was der Technologie Schub verlieh und ihren Pionieren, Katalin Kariko und Drew Weissman, den Medizinnobelpreis 2023 einbrachte. Mittlerweile sind Forschende überzeugt, dass mRNA zu einem Universalwerkzeug der Medizin der Zukunft werden kann, das eine Generation neuer Therapien ermöglichen wird – gegen Krebs und Autoimmunleiden ebenso wie eine Reihe von Infektionskrankheiten.
© via REUTERS/PEGGY PETERSON/PENN MEDICINE
Penn Medicine scientists Katalin Kariko and Drew Weissman, who won the 2023 Nobel Prize in Physiology or Medicine
Drew Weissman und Katalin Kariko
Die beiden Forschenden erhielten heuer den Nobelpreis für Medizin.
„Universal“ könnte die mRNA-Technologie sein, weil sich die Wissenschaft dabei ein Grundprinzip des Lebens zunutze macht. Unsere Gene speichern die Erbinformation, die aber erst in Proteine übersetzt werden muss, damit sie eine Funktion erhält. Dabei spielt mRNA eine wesentliche Rolle. mRNA steht für messenger Ribonucleic Acid, für Boten-Ribonukleinsäure. Sie erstellt eine Art Arbeitskopie des genetischen Codes, die als molekulare Gebrauchsanweisung für die Herstellung von Proteinen dient – von Eiweißstoffen, die Baumaterial allen Lebens und auch der Schlüssel für viele Krankheiten sind.
Was im Körper auf natürliche Weise abläuft, ahmen Forschende gezielt nach: Sie programmieren einen mRNA-Strang, eine mRNA-Botschaft, die dann die Produktion gewünschter Proteine in der Körperzelle anstößt – zum Beispiel von Eiweißen, mit deren Hilfe ein Virus an Körperzellen bindet. Derart lässt sich eine Immunantwort hervorrufen, und das Immunsystem ist gewappnet, wenn es später einem echten Virus begegnet. Allgemeiner ausgrdrückt: Der Körper produziert die benötigte Substanz oder Arznei selber, angeleitet durch die mRNA-Gebrauchsanweisung.
Nach diesem Prinzip entwickeln Forschende eine Reihe von Impfstoffen, darunter gegen Zika, West-Nil-Fieber, Dengue, Influenza, Tollwut und Affenpocken. Auch bakterielle Erkrankungen wie die Borreliose stehen im Fokus, schließlich beruhen sie ebenfalls auf Proteinen. Ende Oktober berichtete das Fachjournal „The Lancet“ von einem Therapieansatz gegen Malaria: Ein auf einem Protein des Malaria-Parasiten basierender mRNA-Impfstoff soll eine Immunantwort in der Leber stimulieren, bevor die Parasiten ins Blut übergehen und die eigentliche Erkrankung auslösen. Auch Gentherapien auf mRNA-Basis werden erprobt: etwa gegen die „Schmetterlingskrankheit“, ein erbliches Hautleiden, bei dem geringste Berührungen furchtbare Schmerzen verursachen. Vorerst im Mausmodell trachten Forschende danach, mittels mRNA eine Reparaturanleitung der veränderten Hautzellen zu programmieren.
4. Asteroiden: Spuren des Lebens aus dem Kosmos
Ein paar Krümel dunklen, porösen Gesteins ließen im Frühjahr das Herz von Astronominnen und Astronomen höher schlagen: Sie stammen vom Asteroiden Ryugu und wurden 2020 von einer japanischen Raumsonde mitgebracht. Heuer wurden Analysen der Asteroidenbrösel publiziert – mit spektakulären Ergebnissen: Ryugu enthält Dutzende organische Moleküle, darunter Aminosäuren, die wiederum Komponenten von Proteinen sind und somit Bausteine des Lebens. Im September landeten Proben eines weiteren Asteroiden auf der Erde. Die NASA-Sonde Osiris-Rex lieferte 250 Gramm des 550 Meter großen Himmelskörpers Bennu. Eingeschlossen in Tonminerale fanden Forschende ebenfalls Hinweise auf essenzielle Zutaten des Lebens, vor allem Kohlenstoffe und Reste uralten Wassers.
© via REUTERS / KEEGAN BARBER/NASA
The return capsule containing a sample collected from the asteroid Bennu by NASAs OSIRIS-REx spacecraft
Post aus dem Weltall
In dieser Kapsel erreichte Probematerial vom Asteroiden Bennu im September die Erde.
Asteroiden zählten zweifellos zu den Stars des Wissenschaftsjahres 2023, denn die nun möglichen Untersuchungen können viel über unsere Vergangenheit verraten – und vielleicht darüber, woher das Leben kam. Immer mehr Resultate zeigen, dass die wichtigsten Bausteine dafür durch den Kosmos fliegen. Wurde die Erde einst mit Leben infiziert, etwa durch einen Asteroideneinschlag? Das ist Spekulation, sicher aber ist, dass Asteroiden ein Fenster in der Frühzeit des Sonnensystems öffnen, weil deren Materie seit 4,5 Milliarden Jahren praktisch unverändert ist. Die Untersuchung von Asteroiden kann daher Einblicke in der Kinderstube unseres Planeten ermöglichen.
Das nächste kosmische Rendezvous steht schon am Kalender: In sechs Jahren soll eine Sonde, die Mitte Oktober startete und an deren Realisierung auch das österreichische Unternehmen Beyond Gravity beteiligt war, den 3,6 Milliarden Kilometer entfernten Asteroiden Psyche erreichen. Der Brocken ist interessant, weil er zu rund 90 Prozent aus Metall besteht. Möglicherweise handelt es sich um einen Protoplaneten: einen Himmelskörper mit Metallkern, der ein unvollendeter Planet ist. Daher könnte Psyche Aufschluss über die Frühphase der Planetenentstehung liefern.
5. Organoide: Wie man Körperteile im Labor züchtet
Wie lässt sich die Entstehung komplexer Krankheiten studieren? Zum Beispiel an Organoiden, an Miniaturausgaben von Organen, die im Labor wachsen. Das klingt wie Science Fiction, ist aber am Wiener Institute of Molecular Biotechnology (IMBA) Forschungsalltag. Die Wissenschafterteams um Direktor Jürgen Knoblich zählen zu den Pionieren auf diesem Gebiet. Sie züchten Organoide, indem sie Stammzellen in einem Nährmedium zu bestimmten Arten von Gewebe reifen lassen. Theoretisch können das Muskel- oder Nervenzellen ebenso sein wie Knochenzellen. Nach einiger Zeit hat man ein funktionstüchtiges Organ im Labormaßstab, an dem man krankheitsauslösende Faktoren testen kann.
Mitte September berichtete die Gruppe um Knoblich gemeinsam mit Forschenden der ETH Zürich von einer neuen Methode, den Ursachen für Autismus auf den Grund zu gehen. Zwar weiß man, dass Mutationen eine zentrale Rolle spielen, aber wie welche davon im Detail zu Autismus führen, ist unbekannt. Daher züchteten die Forschungsteams Gehirnorganoide, in denen jede Zelle mit einer Mutation versehen wurde. Anhand einzelner Zellen ließ sich somit beobachten, welche Effekte die Mutationen haben – und was geschieht, wenn einzelne Gene während des Wachstums abgeschaltet werden. Die Forschenden konnten nun Mutationen in 36 Genen identifizieren, deren Träger ein hohes Risiko für Autismus haben – ein wichtiger Schritt, um den Auslösern der neuologischen Erkrankung näher zu kommen.
Mini-Organ im Labor
Organoid-Züchtung am Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) in Wien.
Ende November gelang am IMBA ein weiterer Durchbruch: Eine Forschungsgruppe präsentierte ein neuartiges Herzorganoid. Linke und rechte Herzkammer sowie der Vorhof wurden gemeinsam gezüchtet, die Wissenschafter konnten zusehen, wie im Labor die gesamte fötale Herzentwicklung ablief und das Herz zu schlagen begann. Sinn dieser Mehrkammer-Kardiode ist es vor allem, die Wurzeln für angeborene Herzdefekte zu identifizieren. Derartige Resultate deuten darauf hin, dass Organoide in den kommenden Jahren zu einem wichtigen Instrument der Medizin werden könnte, um Ursachen für gravierende Leiden aufzuspüren – und daran auch mögliche Wirkstoffe zu testen.
6. Biomining: Bakterien für die Energiewende
Soll der Wechsel zu erneuerbaren und kohlenstoffarmen Technologien gelingen, ist eine Ressource aus heutiger Sicht unabdingbar: seltene Erden, die Elektroautos, Windräder, Solaranlagen und eine Vielzahl elektronischer Geräte benötigen. Seltene Erden sind Metalle wie Yttrium, Scandium oder die Gruppe der Lanthanoide – und keineswegs so selten, wie der Name nahelegt. Allerdings ist die Gewinnung aufwendig und benötigt eine Menge Chemie, die toxisch für Mensch und Umwelt ist. Teils muss eine Tonne Gestein abgebaut und chemisch bearbeitet werden, um ein einziges Gramm der begehrten Metalle zu ernten, aufzutrennen und zu reinigen.
Seit Jahren wird eine wesentlich verträglichere Methode diskutiert, die heuer einer praxistauglichen Anwendung näher gekommen sein dürfte: Biomining. Dabei geht es darum, Mikroorganismen – vor allem verschiedene Bakterienstämme – den schmutzigen Job erledigen zu lassen. Ende November beschrieb das Fachjournal „Nature“ jüngste Fortschritte auf dem Gebiet und erklärte das Prinzip: Bei Biomining würden Bakterien im Grunde dasselbe tun wie in der Natur: Manche Arten sondern Säuren ab, die Metalle aus Gestein lösen. Einige benötigen die Metalle für ihren Stoffwechsel oder bauen sie in ihre Zellen ein.
Der Plan ist nun, passende Bakterien in speziellen, vorzugsweise mobilen Bioreaktoren zu züchten und darauf zu trainieren, die Metalle aus Gestein und Materialien auszuwaschen und in einzelne Komponenten aufzutrennen. Vor allem Letzteres war bisher schwierig, weil viele Elemente chemisch ähnlich sind. Doch heuer, so „Nature“, sei es zu Durchbrüchen bei diesem Vorhaben gekommen, dabei seien bei einzelnen Metallen Reinheitsgrade von mehr als 98 Prozent erzielt worden.
Klappt Biomining wie erhofft, wäre das Einsatzgebiet riesig. Vor allem ließen sich die wertvollen Rohstoffe auch aus Unmengen Elektroschrott und industriellem Abfall extrahieren, der ungenutzt auf Deponien lagert und ein erhebliches Umweltproblem darstellt.
7. Alzheimer: Hoffnung auf die erste Therapie
Alzheimer zählt zu den gefürchtetsten Leiden, auch deshalb, weil die Medizin dagegen bisher fast machtlos war. Man konnte nicht verhindern, dass sich bei dieser neurologischen Erkrankung, der häufigsten Form von Demenz, Eiweißablagerungen an die Gehirnzellen legen und verklumpen – die Ursache für die allmähliche Degeneration des Gehirns. Seit heuer besteht erstmals Hoffnung auf Behandlung: Der neue Wirkstoff Lecanemab soll in den fatalen Prozess eingreifen und ihn verzögern können. Bei dem Präparat, das in den USA im Sommer bereits zugelassen wurde, handelt es sich um einen monoklonalen Antikörper, der letztlich das Immunsystem gegen Alzheimer lenkt.
Lecanemab bewirkt, dass die krankheitsverursachenden Eiweißstoffe ins Ziel genommen werden. Es kann zwar nicht die Neuentstehung solcher Plaques verhindern, aber deren Verklumpen, vor allem in einem frühen Stadium. In einem weiteren Schritt rufen die Antikörper Immunzellen auf den Plan, welche die Eiweißstoffe zerstören. Zwar dürfte die Therapie, die per Infusion verabreicht wird, auch heftige Nebenwirkungen auslösen, doch zumindest muss man künftig wohl nicht mehr tatenlos zusehen, wie der Gedächtnisschwund fortschreitet. Für Europa wird mit einer Zulassung von Lecanemab im ersten Quartal 2024 gerechnet. Und es könnte der Auftakt zu einer neuen Generation von Therapeutika sein: Inzwischen gibt es auch den Wirkstoff Donanemab, der auf die Zerstörung der Plaques zielt. Bewährt sich das Konzept, kann die Medizin vielleicht davon ausgehen, eine Achillesferse von Alzheimer entdeckt zu haben.
Alwin Schönberger
Ressortleitung Wissenschaft