Powered by
Krebsimmuntherapie

Über die Immunogenität von Tumoren und die Entwicklung neuer Krebsimpfstoffe

Mikrosatelliten-instabile Tumoren, die sich durch viele Mutationen im Bereich kurzer repetitiver DNA-Sequenzen auszeichnen, können neuartige Peptide bilden, die als Neoantigene vom Immunsystem erkannt werden. Sie stellen einen Ansatzpunkt für die Entwicklung von Impfstoffen, die eine Entwicklung dieser Tumoren, die besonders häufig bei Dickdarm- und Gebärmutterkrebs vorkommen, bereits in frühen Stadien verhindern können.

Auf dem 4. Interdisziplinären Symposium „Innovations in Oncology“, das am 22. Juni 2018 unter dem ambitionierten Titel „Die Neuvermessung der Onkologie“ in Berlin stattfand, hielt Magnus von Knebel Doeberitz einen programmatischen Vortrag über die Möglichkeiten, Krebserkrankungen in Zukunft durch Impfstoffe wirksam zu bekämpfen. Von Knebel Doeberitz, Professor für Molekulare Onkologie am Universitätsklinikum Heidelberg, hatte Anfang der 1990er Jahre am Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) in Heidelberg im Labor von Harald zur Hausen gearbeitet, der 2008 den Medizin-Nobelpreis für den Nachweis erhalten hatte, dass Gebärmutterhalskrebs (Zervixkarzinom) durch humane Papillomviren (HPV) verursacht wird. Diese Entdeckung führte zum ersten wirksamen Impfstoff zur Krebsprävention. „Durch diese HPV-Vakzine“, betonte von Knebel Doeberitz, „könnten alle HPV-assoziierten Tumoren von der Erde verbannt werden“ – wenn der Impfstoff denn konsequent eingesetzt würde (woran es aber gerade in Deutschland leider noch sehr mangelt).

Glossar

  • Antigene sind Fremdstoffe, die das Immunsystem zur Produktion von Antikörpern anregen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Genexpression ist der Begriff für die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Mit Insertion ist im biologischen Zusammenhang meist das Einfügen von DNA-Abschnitten in ein anderes DNA-Molekül gemeint.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Ein Vakzin ist ein Impfstoff. Dieser besteht aus toten oder abgeschwächten Erregern (oder deren antigenen Determinanten), durch deren Verwendung Immunität gegen diese Pathogene im Körper erzeugt wird.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Eine Deletionsmutante ist eine Zelle oder ein Organismus, der sich von dem entsprechenden Wildtyp durch eine Deletion (spezielle Art der Mutation) unterscheidet. Deletion ist der Verlust eines DNA-Abschnitts innerhalb eines Chromosoms oder Gens; es kann sich hierbei um ein einziges Nukleotid oder auch um eine längere Sequenz handeln. Das verlorene Material kann innerhalb (interstitielle Deletion) oder an den Endabschnitten (terminale Deletion) eines Chromosoms liegen.
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Onkologie ist die Wissenschaft, die sich mit Krebs befasst. Im engeren Sinne ist Onkologie der Zweig der Medizin, der sich der Prävention, Diagnostik, Therapie und Nachsorge von malignen Erkrankungen widmet.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Das Zervixkarzinom oder Gebärmutterhalskrebs ist ein bösartiger Tumor des Gebärmutterhalses und die zweithäufigste Krebserkrankung bei Frauen. Ein Großteil der Gebärmutterhalskarzinome werden von humanen Papillomviren (HPV) verursacht.
  • Eine Punktmutation ist eine Genmutation bei der nur wenige oder ein einzelnes Basenpaar betroffen sind.
  • Als adjuvante Therapie wird in der Onkologie eine Therapie bezeichnet, die nach vollständiger operativer Entfernung des Tumors angewandt wird, um mögliche bisher noch nicht erkennbare Metastasen zu bekämpfen und dadurch die langfristigen Heilungsaussichten zu verbessern.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Vakzinierung ist ein anderes Wort für Impfung.
  • Ein Adjuvans ist eine Art Hilfs(wirk)stoff, der die Therapie mit einem anderen Wirkstoff unterstützt.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Eine Hepatitis ist eine Entzündung des Lebergewebes mit nachfolgender Zellschädigung. Sie macht sich zunächst durch grippale Erscheinungen bemerkbar, wie Glieder- und Kopfschmerzen, Appetitlosigkeit, Druck in der Magen- und Lebergegend und Fieber, später gehört die Gelbsucht zur Symptomatik. Verantwortlich dafür können Viren, Bakterien oder Parasiten sein, ebenso wie Autoimmunerkrankungen, Medikamente, Alkohol oder Chemikalien. Häufigste Ursache sind jedoch Viren, wobei man fünf Virustypen unterscheidet, die mit den Buchstaben A, B, C, D und E bezeichnet werden.

Breakthrough-events und Treibermutationen

Bei der Entstehung epithelialer Tumoren führt das „breakthrough event“ zur genomischen Instabilität in den betroffenen Zellen. © von Knebel Doeberitz, Universitätsklinikum Heidelberg

Die Entwicklung einer Krebszelle aus einer normalen Körperzelle setzt voraus, dass diese „genomisch instabil“ wird. Darunter versteht man eine Reprogrammierung der genetischen Information, die dazu führt, dass die Zelle sich immer wieder teilen und zahllose neue Mutationen erwerben kann, bis schließlich ein Zellklon mit den für den Krebs charakteristischen Eigenschaften herausselektioniert wird. Bei der Entstehung maligner epithelialer Tumoren lassen sich drei essentielle Schritte unterscheiden. Der zur genomischen Instabilität führende Initialschritt wird als „breakthrough event“ bezeichnet. Meistens sind das Mutationen in bestimmten für die verschiedenen Krebsarten charakteristischen Genen – bei Dickdarmkrebs beispielsweise sind es Mutationen im APC-Gen; bei bestimmten Hirntumoren ist es eine Punktmutation im IDH1-Gen. Im Falle der HPV-assoziierten Tumoren hingegen stellt die Aktivierung bestimmter Onkogene in den Viren das initiale krebsauslösende Ereignis dar.

Wenn sich derartig initiierte Zellen weiter teilen, können sie durch zufällig erworbene wachstumsstimulierende Mutationen einen Selektionsvorteil gegenüber anderen Zellen erlangen und den zweiten Schritt der Krebsentstehung, die prämaligne „Expansionsphase“, einleiten. Wird dieser Zellklon durch weitere Mutationen befähigt, in Nachbargewebe einzudringen und zu metastasieren, tritt er mit dem dritten Schritt in die maligne „Invasionsphase“ ein. Der Prozess der Krebsentstehung vom Breakthrough-event bis zur Malignität wird demnach durch eine für viele Krebsarten charakteristische Sequenz von Mutationen verursacht, die man als Treibermutationen („driver mutations“) bezeichnet. Sie stehen heute, auch für die Entwicklung zielgerichteter Therapien, im Brennpunkt der Krebsforschung.

Mikrosatelliten-instabile Tumoren

Prof. Dr. med. Magnus von Knebel Doeberitz, Ärztlicher Direktor der Abteilung für Angewandte Tumorbiologie am Pathologischen Institut der Universität Heidelberg. © von Knebel Doeberitz

Nicht alle Treibermutationen der Krebsentstehung führen zu Antigenstrukturen, die sich für die Entwicklung von Impfstoffen gegen den Krebs nutzen lassen, wie von Knebel Doeberitz darlegte. Die mit onkogenen Punktmutationen (wie beim IDH1-Gen) assoziierten Strukturveränderungen sind nur schwach antigen, sodass sie vom Immunsystem kaum erkannt werden können. Anders ist es bei Insertions- und Deletionsmutationen (so genannten „In/Dels“), die zu einer Verschiebung des Leserasters („frame shift“) führen. Wenn sie in kodierenden Bereichen des Genoms auftreten, können ganz neuartige Peptidsequenzen („frame shift peptides“, FSP) entstehen, die das Immunsystem als fremdartig erkennen und Antikörper dagegen bilden kann. Solche In/Dels treten bevorzugt bei Tumoren mit einem defekten DNA-Reparatursystem auf, und zwar besonders im Bereich kurzer repetitiver DNA-Sequenzen, den so genannten Mikrosatelliten. Am häufigsten sind solche „Mikrosatelliten-instabile Tumoren“ (MSI-Tumoren) bei Dickdarm- und Gebärmutterkrebs. Ein hoher Anteil (15-20 Prozent) davon ist erblich bedingt; diese vererbte Prädisposition für MSI-Krebs wird als Lynch-Syndrom bezeichnet. Es handelt sich um die bei weitem häufigste erbliche Veranlagung zur Krebsentwicklung überhaupt; jedoch nur etwa jeder zweite Anlageträger für das Lynch-Syndrom erkrankt im Verlauf seines Lebens tatsächlich an dem Krebs.

Die allermeisten MSI-Tumoren haben bestimmte Mutationen im Bereich kodierender Mikrosatelliten gemeinsam, und unter diesen Mutationen sind auch die Treibermutationen für die Entwicklung der MSI-Tumoren zu suchen, erläuterte von Knebel Doeberitz. Die gemeinsamen Mutationen sollten auch zu entsprechenden, den Tumoren gemeinsamen FSP führen, unter denen sich auch solche befinden, die als Neoantigene Angriffspunkte für das Immunsystem darstellen. In einem umfassenden Bioinformatik-basierten Ansatz haben die Heidelberger Wissenschaftler aus allen kodierenden Mikrosatelliten des menschlichen Genoms diejenigen ausgewählt, die in den MSI-Tumoren am häufigsten in mutierter Form vorliegen und ihre entsprechenden Genprodukte vorhergesagt. Nach der Evaluation der Genexpression und Immunogenität dieser FSP-Kandidaten in vitro blieben 13 Kandidaten übrig, bei denen untersucht wurde, ob Patienten mit einem MSI-Tumor eine Immunantwort gegen diese theoretisch vorhergesagten Peptide ausbilden.

Genomische Instabilität führt zur Selektion von Zellklonen mit immer neuen Eigenschaften. Oben: Zelle mit normaler bipolarer mitotischer Spindel und Tumorzelle mit multipolarem Spindelapparat. Mitte: links normaler menschlicher Chromosomensatz; rechts Chromosomensatz einer Tumorzelle mit zahlreichen Aberrationen. © von Knebel Doeberitz, Universitätsklinikum Heidelberg

Wie sich herausstellte, hatten alle an einem MSI-Tumor leidenden Patienten ausgeprägte Immunreaktionen gegen diese FSP-Neoantigene entwickelt. Interessanterweise wurde aber auch bei gesunden Anlageträgern für das Lynch-Syndrom eine ähnlich starke Immunantwort beobachtet. Offenbar hatten diese Personen bereits Zellen gebildet, welche die mutierten Peptide produzierten, doch das körpereigene Immunsystem hatte in einem Prozess der „Auto-Vakzinierung“ die Entwicklung zu einem ausgewachsenen Tumor verhindern können. Diese Beobachtungen führen zu dem Schluss, dass es möglich sein sollte, Treibermutationen schon für das Breakthrough-event und die Expansionsphase der Tumoren zu identifizieren und daraus Impfstoffe gegen diese Krebsarten zu entwickeln. Die prinzipielle Machbarkeit dieses Ansatzes wurde in Zusammenarbeit mit US-amerikanischen Wissenschaftlern an einem Mausmodell für das Lynch-Syndrom erfolgreich getestet. Gemeinsam wird jetzt ein Studienprotokoll erarbeitet, um einen solchen Vakzinierungsansatz gegen entsprechende Antigene beim Lynch-Syndrom des Menschen klinisch zu erproben.

Neue Krebsimpfungen

Die ersten Erfolge mit Impfungen zur Prävention von Krebs hatte man mit Tumoren erzielt, die durch exogene Faktoren wie krebsauslösende HPV und das Hepatitis-B-Virus verursacht werden. Jetzt zeichnet sich – im Falle der MSI-Tumoren und dem Lynch-Syndrom – erstmals die Möglichkeit ab, auch Krebsarten, die durch endogene Treibermutationen hervorgerufen werden, durch Impfung zu bekämpfen. Wie Magnus von Knebel Doeberitz und sein Mitarbeiter PD Dr. Matthias Kloor in einem Review in der Zeitschrift „Trends in Cancer“ schreiben, könnte es bei diesen Tumoren gelingen, Strategien der Krebsimmunintervention weg vom Endstadium der Erkrankung und hin zu einer adjuvanten Therapie in frühen Stadien und zur Krebsprävention zu verschieben: „Dieser Übergang“, so die Autoren, „stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung einer generellen Bewertung von Impfkonzepten gegen Krebs dar. Er könnte im Erfolgsfalle den Weg für die Entwicklung von Impfstoffen gegen andere bösartige Erkrankungen ebnen.“

Publikation:

Kloor M, von Knebel Doeberitz M: The immune biology of microsatellite-unstable cancer. Trends in Cancer 2016 Mar, 2(3): 121-133. http://dx.org/10.1016/j.trecan.2016.02.004

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/ueber-die-immunogenitaet-von-tumoren-und-die-entwicklung-neuer-krebsimpfstoffe/