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Special Antikörper 2.0

Therapien aus dem Baukasten
von Mario Rembold, Laborjournal 04/2019


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Bei Antikörpern kann es von Vorteil sein, wenn die beiden leichten Ketten nicht das gleiche Epitop erkennen, sondern unterschiedliche. Besonders in der Krebstherapie könnten entsprechend gestaltete Antikörper helfen. Foto: Pixabay

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Bispezifische Antikörper binden zwei verschiedene Antigene. Therapeutisch lassen sie sich nutzen, um Proteine zusammenzubringen oder Immunzellen zum Tumor zu führen. Einige wenige Wirkstoffe sind schon zugelassen, viele neue Ideen werden derzeit erforscht.

Ein Antikörper erkennt ein Antigen – davon zumindest gehen wir beim idealen Immunglobulin G (IgG) aus. Gedächtniszellen etwa halten ein IgG bereit, das ein ganz bestimmtes Epitop einer meist bakteriellen oder viralen Struktur bindet. Ebenso verwendet der Pathologe Antikörper für seine histologischen Färbungen, weil er sich auf diese Spezifität verlässt. Auch für therapeutische Zwecke kommen Antikörper zum Einsatz – zum Beispiel, um tumorspezifische Rezeptoren zu blockieren.

Manchmal wäre es aber vorteilhaft, wenn ein Antikörper nicht nur ein einziges sondern gleich zwei unterschiedliche Antigene zur selben Zeit spezifisch binden könnte. Solche bispezifischen Antikörper gibt es zwar nicht in der Natur, im Labor aber kann man sie herstellen. Vor allem im Kampf gegen Krebs setzen Forscher große Hoffnungen in die Designer-Proteine.

So etwa am Institut für Zellbiologie und Immunologie der Universität Stuttgart, wo Roland Kontermann eine Arbeitsgruppe leitet, die sich auf die Entwicklung therapeutisch wirksamer Proteine spezialisiert hat. Bispezifische Antikörper und antikörperähnliche bifunktionelle Proteine sind ein Schwerpunkt seiner Arbeit. Zwei verschiedene spezifische Bindestellen an ein und demselben Molekül können zwei Proteine auf der Zelloberfläche zusammenbringen und dadurch Signalwege unterdrücken. Oder aber ein Signal schaltet sich gerade dadurch ein, weil für die Aktivierung die Heterodimerisierung zweier Rezeptoren notwendig ist. Die beiden Zielmoleküle können auch auf unterschiedlichen Zelltypen liegen; dann hält der bispezifische Antikörper Zellen beieinander, die sonst getrennte Wege gehen würden. „Achtzig Prozent der bispezifischen Antikörper, die gerade entwickelt werden, sind für Krebstherapien gedacht“, erklärt Kontermann, „und davon wiederum geht es bei der Hälfte der Wirkstoffe um ein T-Cell-Retargeting – also die Idee, T-Zellen gezielt zum Tumor zu bringen.“ Dabei richtet sich das eine Ende des Antikörpers meist gegen CD3-Rezeptoren auf den T-Zellen, das andere Ende erkennt ein tumorspezifisches Protein. Die T-Zellen sollen dann die Tumorzellen bekämpfen.

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Jahrzehntelange Vorarbeit

Kontermann nennt eine konkrete Anwendung für einen bispezifischen Antikörper: Hämophilie A. „Bei dieser Gerinnungsstörung fehlt der Gerinnungsfaktor VIII“, erklärt Kontermann. Wird dieses Protein aktiviert, bringt es normalerweise die beiden Gerinnungsfaktoren IXa und X zusammen, wodurch die Gerinnung eingeleitet wird und die Blutung stoppt. In der Regel kann man den Betroffenen helfen, indem man den Faktor VIII künstlich verabreicht. „Leider kommt es bei einem Teil der Patienten zu einer Immunität gegen Faktor VIII“, schränkt Kontermann ein. In diesem Fall kann ein bispezifischer Antikörper namens Emicizumab helfen, der die beiden Gerinnungsfaktoren zusammenführt. „Das Präparat ist auch schon unter dem Namen Hemlibra zugelassen“, so Kontermann. Vertrieben wird es von Roche.

Die ersten Publikationen zur erfolgreichen Herstellung bispezifischer Antikörper stammen aus den 1980er Jahren. „Die Entwicklungen, die den Weg dorthin geebnet haben, gehen aber viel weiter zurück“, erläutert Kontermann und verweist auf César Milstein, der 1984 zusammen mit Georges Köhler und Niels Jerne den Medizin-Nobelpreis erhielt. Für diese Auszeichnung maßgeblich war eine Arbeit Köhlers und Milsteins, die 1975 erschienen ist und die Herstellung monoklonaler Antikörper aus Zellkulturen beschreibt (Nature 256: 495-7). Zuvor konnte man B-Zellen nämlich nicht dauerhaft in Zellkultur halten. Doch Milstein und Köhler immortalisierten die B-Zellen, indem sie sie mit Myelomzellen verschmolzen.

„Damit war die Hybridom-Technologie erfunden“, fasst Kontermann zusammen. Fortan konnte man einen Antikörper dauerhaft in einer Zelllinie produzieren. Die vielleicht offensichtlichste Methode, einen bispezifischen Antikörper herzustellen: Man isoliert einfach Antikörper aus zwei verschiedenen Hybridomen und konjugiert diese chemisch miteinander. Dabei kommt natürlich ein recht klobiges Molekül heraus, das mindestens doppelt so groß ist wie ein übliches IgG.

Antikörper verschmelzen

Will man es handlicher, kann man beide Hybridome miteinander verschmelzen zu einem „Quadrom“. Auf diese Weise kommt eine Zelllinie heraus, die auch bispezifische Antikörper produziert. Führen wir uns hierzu noch einmal die typische Ypsilon-Struktur eines IgG vor Augen: Zwei schwere Ketten binden sich über Disulfidbrücken aneinander; der untere Teil dieser beiden schweren Ketten bildet den Fuß des „Ypsilons“ und enthält eine unveränderliche konstante Aminosäurekette; es handelt sich um den Fc-Teil des Antikörpers. Der obere Teil der beiden schweren Ketten bildet jeweils ein Ärmchen mit einem variablen Teil. An jedes dieser beiden Ärmchen bindet dann noch eine leichte Kette mit variablem Teil. Es entstehen die beiden Schenkel des „Ypsilons“, die für das Erkennen des Antigens zuständig sind. Normalerweise sind die beiden schweren und die beiden leichten Ketten eines IgG-Moleküls jeweils identisch; der Antikörper ist zwar bivalent, allerdings erkennt jedes Ärmchen das gleiche Epitop. Würde nun aber jedes Ärmchen ein anderes Antigen erkennen, hätte man nicht nur einen bivalenten sondern auch einen bispezifischen Antikörper.

Um das zu erreichen, verschmilzt man also zwei verschiedene Hybridome. Die neue Zelllinie synthetisiert nun bispezifische Antikörper, bei denen jedes der beiden Ärmchen ein anderes Antigen erkennt. „Allerdings enthalten dabei nur rund zehn Prozent der Antikörper wirklich die gewünschten bispezifischen Eigenschaften“, macht Kontermann auf einen Nachteil dieser Methode aufmerksam. Denn nur die Antikörper, bei denen sich die beiden richtigen leichten und die beiden richtigen schweren Ketten korrekt zusammenfinden, will man ja am Ende isoliert haben.

„Hier können Sie aber über Mutationen nachhelfen, damit sich die beiden verschiedenen schweren Ketten finden und bevorzugt aneinander binden“, nennt Kontermann einen Ausweg. Um die gewünschte Paarung der leichten mit der schweren Kette zu begünstigen, gibt es ebenfalls Möglichkeiten. Horst Lindhofer und Kollegen beispielsweise hatten 1995 Quadrome aus einer Maus- und einer Ratten-Zelllinie hergestellt (J. Immunol. 155: 219-25). Da sich leichte und schwere Ketten derselben Spezies mit höherer Wahrscheinlichkeit verknüpfen, war die Ausbeute der bispezifischen Antikörper deutlich größer, als es sich aus den Regeln der Kombinatorik ergibt. Besagte Publikation legte den Grundstein für den ersten bispezifischen Antikörper, der 2009 als Medikament zugelassen wurde: Catumaxomab, damals vertrieben von Fresenius Biotech unter dem Handelsnamen Removab.

Erste Zulassung 2009

Catumaxomab gehört zu jenen bispezifischen Antikörpern, die über Bindung des CD3-Rezeptors T-Zellen zum Tumor lotsen. Auf den Tumorzellen erkennt Catumaxomab das Epitheliale Zelladhäsionsmolekül (EpCAM) als tumorspezifischen Marker. Der Fc-Abschnitt dockt außerdem an weitere Immuneffektorzellen wie Makrophagen und natürliche Killerzellen an. Daher bezeichnete Fresenius diesen Wirkstoff auch als trifunktionalen Antikörper. Zum Einsatz kam Catumaxomab gegen maligne Aszites. Als Aszites bezeichnen Mediziner die Ansammlung von Flüssigkeit in der Bauchhöhle. Speziell der maligne Aszites tritt gelegentlich infolge von Tumorerkrankungen wie Eierstock- oder Bauchspeicheldrüsenkrebs auf.

Zwar wurde Catumaxomab wohl von Seiten des Herstellers vor zwei Jahren wieder vom Markt genommen, dennoch bleibt der Wirkstoff ein Pionier unter den therapeutischen bispezifischen Antikörpern. Inzwischen sind die gentechnischen und zellbiologischen Methoden noch weiter fortgeschritten. Daher lassen sich bi- und sogar multispezifische Antikörper heute mehr oder weniger nach einem Baukastenprinzip designen. „Wir haben 2017 ein Review dazu veröffentlicht“, blickt Kontermann zurück, „und schon zu diesem Zeitpunkt gab es über hundert verschiedene Formate, aus denen man wählen und neue Kombinationen erstellen konnte“ (mAbs. 9: 182-212). So ist etwa der Fc-Teil verantwortlich für eine längere Halbwertzeit und aktiviert auch weitere Zellen des Immunsystems.

Umgekehrt können manchmal auch möglichst kleine Moleküle von Vorteil sein, um die Durchlässigkeit in bestimmte Gewebe zu erhöhen. Beim „Diabody“-Format zum Beispiel liegen nur die variablen antigenbindenden Domänen zweier verschiedener Antikörper auf jeweils einer einzigen Polypeptidkette – und beide Ketten werden dann über einen kurzen „Peptid-Linker“ miteinander verknüpft. „Da gibt es eine ganze Bandbreite an Parametern, vor allem um die Flexibilität und Stabilität zu beeinflussen“, sagt Kontermann.

Man ist heute auch nicht mehr an die Struktur eines Immunglobulins gebunden. In seiner Minimalform kann ein bispezifischer Antikörper ein kurzes Molekül aus einer Peptidkette sein, das auf eine einzelne mRNA passt – mit zwei unterschiedlichen antigenbindenden Domänen an jedem Ende . Für eine handliche Übersicht über einige dieser „Baukästen“ sei ein weiteres Review empfohlen, das Kontermann zusammen mit seinem Fachkollegen Ulrich Brinkmann verfasst hat – frei zugänglich und verständlich illustriert (Drug Discov. Today 20: 838-47).

Leider durchgefallen

Der bispezifische Antikörper als zugelassenes Medikament ist derzeit noch die Ausnahme. Allerdings, so berichtet Kontermann, befinden sich derzeit rund achtzig bispezifische Antikörper in Studien unterschiedlichster Phasen. (Einen, wenn auch teilweise nicht mehr ganz aktuellen, Überblick hierzu geben auch Sergey Sedykh und Kollegen in einem Review, der Anfang 2018 erschienen ist: Drug Des. Devel. Ther. 12: 195-208).

Andererseits gibt es auch immer wieder Studien, die in der klinischen Phase abgebrochen werden, weil die Antikörper doch an falscher Stelle wirken oder ihrerseits als Antigen erkannt werden. Auch wenn der Kreativität aus chemischer und molekularbiologischer Sicht kaum Grenzen gesetzt sind, wenn man sich aus dem Antikörper-Baukasten bedient: Am Ende müssen sich die gebastelten Moleküle eben auch therapeutisch bewähren und ihren klinischen Nutzen beweisen.

Man habe aber viel aus Antikörpern der ersten Generationen gelernt, berichtet Christian Leisner, CEO und Wirkstoffentwickler der Züricher Biotech-Firma CDR-Life. Er gibt uns einen Einblick, woran er und seine Kollegen derzeit arbeiten: „Wir haben eine neue Immuntherapie mit trispezifischen Antikörpern entwickelt. Diese Antikörper bringen zum einen T-Zellen zum Tumor, zusätzlich blockieren sie aber auch Checkpoint-vermittelte Escape-Mechanismen der Krebszellen – ohne dabei gesundes Gewebe zu beeinflussen.“ Den ersten Daten nach zu urteilen, seien diese Moleküle wirkungsvoll gegen Krebs und nebenwirkungsarm. „Zu dieser Technologie haben wir gerade drei verschiedene Krebsprojekte laufen“, so Leisner. „Das Erste könnte im Frühjahr 2021 in Phase 1/2 eintreten.“

Hilfe durch T-Zellen

Offenbar setzt man also tatsächlich große Hoffnungen in Antikörper, die speziell T-Zellen an den Tumor heranführen. Die Firma Amgen hat sich hierzu sogar ein Akronym als Marke registriert: BiTE, für Bispecific T-Cell Engager. Mit Blinatumomab ist sogar schon ein erstes Medikament dieser Wirkstoffklasse zugelassen, nämlich gegen bestimmte Leukämien und Lymphome.

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Christine Engeland möchte mit Masernviren und BiTEs Krebszellen den Garaus machen. Foto: NCT Heidelberg

Auch Christine Engeland möchte BiTEs zur Krebstherapie einsetzen, und zwar mithilfe von Masernviren. Dabei hat es Engeland auf solide Tumore abgesehen. „Gegen Blutkrebs sind die Erfolge mit BiTEs recht gut, weil man mit CD19 auf den B-Zellen einen relativ spezifischen Tumormarker hat“, fasst sie den aktuellen Stand zusammen. „Doch bei soliden Tumoren ist es sehr viel schwieriger, Zielstrukturen zu finden, die nur auf Tumorzellen und nirgends sonst im Körper vorhanden sind.“ Engeland verweist außerdem darauf, dass solide Tumore häufig ein komplexes dreidimensionales Gewebenetzwerk bilden und somit viele Tumorzellen für Antikörper nur schwer erreichbar sind. „BiTEs werden schnell verstoffwechselt und müssen daher kontinuierlich per Infusion verabreicht werden“, erklärt Engeland.

Bei Krebserkrankungen des blutbildenden Systems sind die freischwimmenden malignen Zellen hingegen meist gut zugänglich für die Antikörper. Ein solider Tumor müsste länger behandelt werden, und weil es weniger eindeutige Zielrezeptoren gibt, sind mehr Nebenwirkungen zu erwarten. „Unsere Idee war daher, dass wir die Tumorzellen mit einem Virus infizieren und eine für das BiTE kodierende Sequenz einfügen. Dadurch werden die therapeutischen Antikörper nur im Tumor gebildet.“

Masernviren gegen Krebs

Engeland forscht in Heidelberg am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) in der Arbeitsgruppe von Guy Ungerechts. Das Team möchte Krebszellen mithilfe onkolytischer Viren zu Leibe rücken. Grundsätzlich ist das keine neue Idee, denn in der Vergangenheit beobachteten Mediziner immer wieder einmal, dass es einzelnen Krebs­patienten nach Infektionen oder Lebendimpfungen kurzzeitig besser ging. „Es gibt Viren, die sich natürlicherweise besonders gut in Tumorzellen vermehren“, nennt Engeland den Grund für diese Beobachtungen. Allerdings liefen Therapieversuche, mit Viren gezielt Tumore zu bekämpfen, zunächst ins Leere. Erst in der jüngeren Vergangenheit und durch die molekularbiologischen Möglichkeiten rückten Ideen rund um onkolytische Viren wieder in den Fokus.

Viele Tumorzellen sind im Vergleich zu gesunden Körperzellen anfälliger für den Eintritt von Viren. „Oft sind auf malignen Zellen Rezeptoren überexprimiert, die für den Eintritt bestimmter Viren notwendig sind“, weiß Engeland und nennt als Beispiel CD46 als einen Masernvirus-Rezeptor. „Bei anderen Viren lässt sich der virale Tropismus gentechnisch so modifizieren, dass die Viren nur in malignen Zellen replizieren.“ Darüber hinaus bieten Tumorzellen vielen Viren günstige Bedingungen zur Replikation: „Einige Viren sind auf Wachstumssignale angewiesen, die vor allem in Tumorzellen aktiv sind; in vielen malignen Zellen sind auch die natürlichen antiviralen Signalwege, speziell die Interferon-Antwort, defekt.“ Somit gibt es also Viren, die natürlicherweise eine Spezifität für Krebszellen mitbringen, ohne in gesunden Zellen Schäden anzurichten.

Das Forscherteam aus Heidelberg arbeitet mit einem für Menschen harmlosen attenuierten Masern-Stamm, der sonst bei Impfungen zum Einsatz kommt. Diesen haben Engeland und ihre Kollegen mit einer proteinkodierenden Sequenz zur Synthese eines BiTEs versehen. Das eine Ende dieses BiTEs besteht aus einer CD3-bindenden Domäne zur Rekrutierung von T-Zellen, die andere Seite trägt ein Tumorantigen-bindendes Fragment. Die BiTE-kodierenden Masernviren (MV-BiTEs) haben Engeland und ihre Kollegen sowohl in Zellkulturen als auch in Mausmodellen getestet und erste Ergebnisse hierzu vor einem Jahr vorgestellt (Clin. Cancer Res. 24: 2128-37).

MV-BiTE-infizierte Zellen exprimierten wie erwartet die bispezifischen Antikörper. In den Mäusen sahen Engeland und ihre Kollegen eine verstärkte Infiltration der Tumore durch T-Zellen. Dabei hat das Team auch mit Xenograft-Modellen gearbeitet, für die den Mäusen menschliche Darmtumore eingesetzt worden waren; außerdem transferierten die Forscher menschliche Immunzellen in die eigentlich immundefizienten Tiere. So konnten sie an einem Säugermodell testen, wie menschliche T-Zellen und menschliche Tumore interagieren, wenn die MV-BiTEs verabreicht und BiTE-Proteine exprimiert sind. Anzeichen einer Toxizität ließen sich laut der Autoren nicht nachweisen, sodass die Ergebnisse bislang vielversprechend aussehen.

Sollten die mit BiTE-Sequenzen versehenen Viren auch im Menschen funktionieren, hätte das mehrere Vorteile. Zunächst einmal entstehen die bispezifischen Antikörper nur dort, wo es auch maligne Zellen gibt; Nebenwirkungen in anderen Geweben sind dadurch unwahrscheinlicher. „Im Idealfall setzt die infizierte Tumorzelle tausende weitere Viruspartikel frei, die wiederum benachbarte Tumorzellen befallen“, fährt Engeland fort. Statt eine BiTE-Gabe per Infusion aufrechtzuerhalten, würde der Tumor den Wirkstoff also selbst produzieren.

Damit nicht genug. „Wir hoffen außerdem auf synergistische Effekte durch die Virusinfektion“, erläutert Engeland, „denn eine akute Virusinfektion ist ein sehr starker Stimulus für das Immunsystem.“ Ein Tumor, der zuvor immunologisch toleriert wurde, falle dem Immunsystem in diesem veränderten Kontext wieder auf, und zwar in zweifacher Hinsicht: Zum einen über die durch die BiTEs rekrutierten T-Zellen, zum anderen über die Replikation und das Freisetzen der Viruspartikel. „Durch die Virotherapie kann eine Anti-Tumor-Immunantwort induziert werden, die dann auch gegen Metastasen wirkt“, berichtet Engeland über die Ergebnisse ihrer Experimente.

Direkt in den Tumor

Engeland hofft daher, dass über die modifizierten Masernviren eine Initialzündung stattfindet, durch die die körpereigene Immunabwehr den Tumor wieder als Gefahr erkennt und bekämpft. Für die aktuelle Studie hatten die Forscher ihre Viren direkt in den Tumor injiziert. Denkbar sei aber auch eine systemische Gabe. Die Therapie sollte auch dann wirksam sein, wenn der Patient gegen Masern geimpft ist oder bereits eine Maserninfektion überstanden hat. „Das wäre sogar die Voraussetzung, damit wir einen Patienten überhaupt in eine klinische Studie einschließen“, betont Engeland. Inwieweit eine Masernimmunität die Therapieeffekte beeinflusst, müsse sich dann in klinischen Studien zeigen. „Es scheint, als könne man die neutralisierenden Antikörper durch eine hohe Viruskonzentration kurzzeitig überwinden“, zeigt sich Engeland zuversichtlich. Bis MV-BiTEs aber wirklich am Menschen getestet werden können, brauche es zunächst weitere präklinische Experimente.

Bispezifische Antikörper bringen also frischen Wind in die Krebstherapie und bieten Spielraum für neue Ideen. Gerade weil man dadurch auf mehreren Wegen den Tumorzellen zu Leibe rückt, kommt man vielleicht Resistenzbildungen zuvor. Eine allzu große Euphorie könnte jedoch voreilig sein, denn Nebenwirkungen werden immer wieder beo­bachtet. Doch mit einem intelligenten Targeting – wie etwa den onkolytischen Viren – und immer neuen Bausteinen im Antikörper-Baukasten bekommt man viele Probleme hoffentlich in den Griff.

Last Changed: 08.04.2019

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