Dem Immunsystem die Augen öffnen

I N S T I T U T F Ü R M O L E K U L A R E I M M U N O L O G I E GENFORSCHUNG
Immun
Dem Immunsystem
die Augen öffnen
Krebs - in einer Gesellschaft, die viele der klassischen Infektionskrankheiten
besiegt hat, bleibt das unkontrollierte Wachstum körpereigener Zellen als eine
Bedrohung für das Leben übrig. Mit zunehmendem Alter steigt das Risiko,
dass Zellen entarten. Gefährlich sind Krebserkrankungen nicht nur wegen
des rasanten, unkontrollierten Wachstums einzelner Zellen, sondern auch,
weil die körpereigene Abwehr nicht oder viel zu langsam reagiert.
Ziel der Arbeiten einer Gruppe am Institut für Molekulare Immunologie
in Großhadern ist es, diese körpereigenen Abwehrkräfte zu mobilisieren. Um
den Körper in seinem Kampf gegen den Tumor zu unterstützen, wollen Dolores
Schendel und ihr Team das Immunsystem mit Hilfe einer Impfung aufwecken.
Z
ielorgan von Impfungen, wie sie
am Institut für Molekulare
Immunologie zur Aktivierung des
Immunsystems durchgeführt werden,
sind die T-Zellen: In wachem Zustand
können sie mit einem porenbildenden Molekül ein Loch in die Zellwand des Tumors stemmen und ein
Enzym einschleusen, das dessen
DNA erkennt, attackiert und klein
schneidet. Bis zu 50 Krebszellen
könnte eine T-Zelle so vernichten.
„Wenn wir sie nur richtig wecken“,
hofft Arbeitsgruppenleiterin Elfriede
Nößner, „dann bekommen wir
erstens mehr und zweitens auch viel
schärfere Zellen.“ Das Geheimnis ist
offenbar das richtige Signal. Mit gen-
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technischen Veränderungen wollen
die Forscher nun Tumorzellen so präparieren, dass sie im Körper die
Alarmglocken läuten.
Tumorzellen verstecken sich
Jedes Schnupfenvirus bringt das
Immunsystem auf Trab, warum nicht
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INSTITUT FÜR MOLEKULARE IMMUNOLOGIE
GENFORSCHUNG
Tumorzellen im Einsatz gegen sich selbst
F
ür eine ausreichende Aktivierung muss
eine T-Zelle zwei Signale an unterschiedlichen Empfängern auf ihrer Oberfläche
erhalten: Bei einer klassischen Immunantwort hat eine antigenpräsentierende Zelle
den Feind erkannt und dockt mit dem charakteristischen MHC-Peptid an den T-ZellRezeptor. Gleichzeitig muss aber noch „die
Glocke geläutet werden“ - dies erfolgt über
ein zweites Oberflächenmolekül auf der
Zelle, das B7-Molekül. Es bindet an einer
anderen charakteristischen Stelle der T-Zelle
neben dem T-Zell-Rezeptor. Weiterhin wird
ein löslicher Botenstoff, ein Zytokin wie Interleukin-2 (IL-2), benötigt, um der T-Zelle das
nötige Signal zur Vermehrung zu geben.
Tumorzellen präsentieren zwar das MHCPeptid und binden so an die T-Zelle, aber
meist fehlt ihnen das zweite Verbindungsstück, das B7-Molekül - und sie schütten
keine Zytokine aus. Die T-Zelle, der damit die
entscheidende Ko-Stimulation fehlt, ist
blockiert und für den Kampf gegen die
Tumorzelle verloren.
Schnell finden sich, nachdem dieser Mechanismus einmal verstanden ist, Antworten:
Rüstet man eine Tumorzelle mit einem
zusätzlichen Oberflächenmolekül B7 aus und
verleiht ihr noch die Fähigkeit, Interleukin-2
zu produzieren, dann sollte eine derart zur
antigenpräsentierenden Zelle umgerüstete,
„scharfe“ Tumorzelle bei der Begegnung mit
einer T-Zelle diese aktivieren und vor allem
das Immunsystem derart in Schwung bringen, dass es auch noch die übrigen, nicht
modifizierten Tumorzellen mit eliminiert.
auch die Tumorzelle? Offenbar versteckt sie sich und schickt nicht alle
Signale aus, die nötig wären, um die
T-Zell-Abwehr zu motivieren.
Wie gelangt man aber zu einer
„richtigen“ Aktivierung? Idealerweise
beginnt dies mit Tumorzellen des
erkrankten Patienten („autologe Impfung“), nur ist oftmals das Material
ungenügend und die nötigen Verän-
derungen dauern lange: Genügend
Tumormaterial muss gewonnen werden, außerhalb des Patienten kultiviert und umprogrammiert werden eine mühevolle Arbeit, die selten im
ersten Anlauf gelingt. Die zweitbeste
Lösung läuft über gut charakterisierte
Zelllinien eines eng verwandten
Tumors („allogene Impfung“). Die
anstelle des Tumors verwendete Zelllinie muss die Erkennungssignale,
also die Antigene präsentieren, die
auch dem Tumor des Patienten entsprechen. Durch geschickte Auswahl
*
*
Histologische Färbung eines Nierenzellkarzinoms (links) und einer Normalniere (rechts)
links: Typische Spinnweb-artige Struktur eines Nierenzellkarzinoms, rechts: Normalniere mit Nierentubuli, * Nierenglomeruli. Rote Pfeile deuten auf rot
gefärbte T-Zellen. (Zellkerne sind blau gefärbt)
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Genmodifikation von Tumorzellen: Impfstoff zur Aktivierung des Immunsystems gegen den Tumor
Tumorzellen besitzen im Regelfall veränderte Oberflächenstrukturen, durch die sie sich von normalen Gewebezellen unterscheiden. Dennoch kann das
Immunsystem meist nicht auf diese Veränderungen reagieren, weil zusätzliche Signale (Kostimulationsmoleküle und Zytokine) fehlen. Um nun Tumoren für
das Immunsystem besser sichtbar zu machen, werden die Tumorzellen mit den fehlenden Genen für Zytokine und Kostimulationsmoleküle ausgestattet.
Diese genetisch veränderten Tumorzellen vermehrt man in speziell dafür ausgestatteten Laboratorien, um sie den Patienten als Impfstoff ("Tumorzellvakzine") zu verabreichen. Die Hoffnung ist nun, dass die genetisch veränderten Tumorzellen alle Signale aussenden, um die T-Zellen des geimpften Patienten
zu aktivieren. Aktivierte T-Zellen können im Körper Metastasen aufspüren und diese zerstören.
der Tumorzellen kann so zumindest
für eine kleine Gruppe von Patienten
eine wirksame Zellkultur angelegt
werden.
Mit der Impfspritze gegen das
Nierenzellkarzinom
Im Institut für Molekulare Immunologie entschied man sich nun für eine
bestimmte Tumorzelllinie - eine Nierenzellkarzinomlinie. Schon an der
Universität München kooperierte die
Arbeitsgruppe von Dolores Schendel
mit Prof. Dr. med. A.Hofstetter, dem
Direktor der Urologischen Klinik und
Poliklinik in Großhadern. Seit 1998, als
Direktorin des Instituts für Molekulare
Immunologie an der GSF, fällt ihr die
Kooperation noch leichter - das Institut
ist in Großhadern gleich gegenüber
dem Klinikum untergebracht.
Das Nierenzellkarzinom ist der
häufigste bösartige Tumor der Niere.
Chemo- oder Strahlentherapie bleiben häufig wirkungslos -trotz operativer Entfernung des Primärtumors
sterben 30 bis 50 Prozent der Patienten innerhalb von fünf Jahren. In einzelnen Fällen bildet sich der Tumor
jedoch spontan zurück - dies ist ein
Hinweis darauf, dass zumindest bei
einigen Patienten das Immunsystem
in der Lage ist, die Tumorzellen zu
erkennen und zu zerstören.
Erste Versuche, das Immunsystem
zu stimulieren, wurden mit der Verfügbarkeit gentechnisch hergestellter
Medikamente möglich: Der Botenstoff Interleukin-2, den der Körper in
kaum messbar geringen Konzentrationen produziert, ließ sich im Labor
nachbauen und in vergleichsweise
größeren Mengen gentechnisch produzieren. Die IL-2-Spritze führte bei
ersten Therapieversuchen bei etwa
einem Sechstel der behandelten
Patienten auch tatsächlich zu einer
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Immunantwort. Allerdings war die
Dosis im Vergleich zu den Konzentrationen, die der Körper gewöhnt ist,
zu hoch für einen Botenstoff, der an
den unterschiedlichsten Orten die
unterschiedlichsten Reaktionen auslöst - starke Nebenwirkungen waren
die Folge.
Tumoren mit ihren eigenen
Waffen bekämpfen
So entstand das Konzept, die IL-2
Produktion auf den Ort zu begrenzen, an dem sie auch gebraucht wird
- am Ort der Interaktion von Tumorzelle mit T-Zelle. Dies gelingt, indem
man Tumorzellen mit dem Gen für
IL-2 ausstattet. Impft man dann
Patienten mit diesen gentechnisch
veränderten Tumorzelllinien, so wird
das IL-2 nur lokal produziert, steht
aber gleichzeitig den T-Zellen, die an
die Tumorzellen andocken, in ausrei-
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chender Menge zur Verfügung. Die
Herstellung einer IL-2 produzierenden Tumorzelllinie ist nicht einfach,
da die Tumorzellen außerhalb des
Körpers sehr schlecht wachsen. In
Großhadern konzentriert man sich
derzeit auf zwei Zelllinien, die schon
vor zehn Jahren am Institut für
Immunologie der Universität bei
Patienten aus der Urologischen Klinik
entdeckt worden waren. Bei ersten
Testreihen hatten mehr als die Hälfte
der untersuchten Patienten T-Zellen,
die auf Antigene dieser Tumorzellen
ansprachen, sie im Reagenzglas
erkannten und auch zerstörten - allerdings viel zu langsam.
Jetzt galt es, diese Tumorzellen
gentechnisch zu verändern. In der
Arbeitsgruppe von Thomas Blankenstein am Max-Delbrück-Centrum für
Molekulare Medizin in Berlin wurden die Gene für IL-2 und das Oberflächenmolekül B7 in die Tumorzellen eingeschleust. Für den Gentrans-
fer bereiten die Münchner Forscher
die Zellen vor: Eine Lage an Zellen
wird auf den Boden einer Kulturschale ausgesät und mit einem Nährmedium überdeckt. Wissenschaftlerkollegen in Berlin entfernen das Nährmedium bis auf eine dünne Schicht,
damit die Zellen atmen können.
Denn die Zellen müssen gesund und
teilungsaktiv sein, um anschließend
das Virus anzunehmen, schließlich
wird die neue Erbinformation für die
zellulären Alarmglocken erst bei der
Teilung in das Genom der Tumorzellen eingebaut.
Der Vektor, also die Erbinformation,
die das Virus einschleust, enthält
zusätzlich ein Gen für eine Resistenz
gegen ein Antibiotikum. Kultiviert
man nun die Zellen nach dem Gentransfer mit etwas Antibiotikum im
Nährmedium, so überleben nur die
Zellen, bei denen tatsächlich die neue
Erbinformation eingebaut wurde.
Aber auch die erfolgreich bearbeiteten
Dendritische Zellen
gehören zu den besten Antigen-präsentierenden Zellen, die der Körper zu bieten hat. Ihre Vorläufer kursieren im Körper und nehmen dort verdächtige Antigene auf, die sie im Zuge ihrer Reifung im Lymphgewebe den T-Zellen präsentieren. Darauf basierend geht man nun am Institut für Molekulare Immunologie neue Wege: RNA soll aus den Tumorzellen von Patienten in dendritische Zellen eingeschleust und damit die Patienten geimpft werden.
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Tumorzellen brauchen eine Weile, um
zu wachsen - viele Zellen sterben,
weil das Virus sein trojanisches Pferd
an ungeeigneter Stelle im Genom platziert, andere wachsen nur langsam im Idealfall würden sie sich alle drei
Tage verdoppeln. Bis sich das Zellsystem stabilisiert hat, bis die besten Zellen sich durchgesetzt haben, vergehen
zwei bis drei Monate.
Erste Versuche stimmen
zuversichtlich
Aus einer Zellkultur-Flasche sind
fünf geworden, wenn die Post sie
wieder nach München zurück bringt.
Hier müssen die Zellen weiter auswachsen, währenddessen wird getestet: Sind die gewünschten Gene eingebaut worden und sind sie auch
aktiv? Dass die Kultur lebt, heißt
zunächst nur, dass die AntibiotikaResistenz richtig eingebaut und aktiviert wurde - ob die IL-2 und B7Gene funktionieren, zeigt erst das
Experiment.
Werden die T-Zellen wirklich besser stimuliert? Aus dem Blut von
Patienten und von Gesunden werden
T-Zellen isoliert und mit den neuen
Impf-Zellen behandelt. Vermehren
sich die T-Zellen? Nach einer Woche
werden sie gezählt und gegen unveränderte Tumorzellen eingesetzt, um
zu erfahren, ob die Zelllinie als Impfstoff wirksam ist. Die Münchner und
Berliner Forscher sind zuversichtlich:
„Bisher sind alle Experimente mit
zwei bestimmten Zelllinien erfolgreich verlaufen. Doch bevor die
ersten Patienten behandelt werden
können, müssen wir noch einige
Tests absolvieren, die die Sicherheit
der Patientenversuche gewährleisten
sollen“ dämpft Elfriede Nößner den
Optimismus etwas. Zwei Monate
dauert es, bis aus einer Starterkultur
Material für 20 Patienten herange-
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Verräterische Signale aus dem Zebrafisch
„Proteomics“ sind heute in aller Munde - die
Identifizierung von Proteinen und Suche nach
ihrer Funktion. Mit der Entschlüsselung des
menschlichen Genoms weiß man noch nichts
darüber, ob ein Gen überhaupt im Einsatz ist,
ob es abgelesen wird, welches Protein mit
dieser Information entsteht und wie sich dieses Protein an welchem Ort im Körper verhält. Die Arbeitsgruppe von Elisabeth Kremmer sucht am Zebrafisch als Modellorganismus mit Hilfe eigens konstruierter Antikörper nach bisher nicht bekannten Zusammenhängen zwischen Struktur und Funktion, die
Rückschlüsse auf die Entwicklung beim Menschen ermöglichen. Mit Antikörpern können
in einer Proteinexpressionsbank für den
Zebrafisch das zugehörige Protein und dessen kodierendes Gen identifiziert werden. Der
nächste Schritt: Welche Parallelen finden sich
in den gerade gewonnenen Genomdaten des
Menschen? Mit Hilfe dieser Technik hoffen
die Forscher, Ursachen für Fehlbildungen und
Krankheiten auf die Spur zu kommen.
wachsen ist. Ein Patient bekommt
pro Injektion etwa 10 Millionen Zellen aus einer Ampulle. Die Tumorzellen werden dazu eingefroren und
bestrahlt, damit sie nicht mehr teilungsaktiv sind - im Patienten dürfen
sie sich nicht mehr vermehren.
Mangels eines geeigneten Labors in
Deutschland prüft und zertifiziert ein
schottisches Labor Proben des Tumorimpfstoffs, um Verunreinigungen auszuschließen. Doch die langen Wege
sollen in Zukunft nicht mehr nötig
sein - am Labor für Tumorimmunologie (LTI) der Urologischen Klinik in
Großhadern wird derzeit ein Prüflabor eingerichtet, das gleichbleibende
immunologische Parameter wie den
Umfang der T-Zell-Aktivierung überwachen soll.
Ein erster Einsatz des Tumorimpfstoffs am Menschen ist von der
zuständigen Ethikkommission inzwischen genehmigt worden. An je zehn
32 Tage alter Embryo eines Zebrafisches
Über eine Farbreaktion sind die weiße Substanz im Gehirn und die Nervenfaserschicht der Retina
bräunlich hervorgehoben.
Patienten in Berlin und München, die
schon im Endstadium der Tumorerkrankung sind, soll erprobt werden,
welche Dosis noch verträglich ist. Mit
diesem Wissen kann die nächste
Phase der klinischen Prüfung angegangen werden.
Der direkte Weg über die RNA
Inzwischen geht die Forschung
weiter: Vielarmige Zellen, sogenannte
dendritische Zellen, die in der Nähe
der T-Zellen im Lymphgewebe vorkommen, gehören zu den besten
Antigen-präsentierenden Zellen, die
der Körper zu bieten hat. Ihre Vorläufer kursieren im Körper und nehmen
dort besonders gut verdächtige Antigene auf, die sie dann im Zuge ihrer
Reifung im Lymphgewebe den T-Zellen präsentieren. Darauf basiert ein
neuerer Ansatz, der das zeitraubende,
teure und gegenüber Verunreinigun-
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gen empfindliche Zellkultur-Verfahren ersetzen soll: In dendritische Zellen soll aus den Tumorzellen von
Patienten gewonnene RNA direkt
eingeschleust werden - und damit der
Patient geimpft werden. Erste Versuche ergaben bisher noch keine stabilen, mit der Tumor-RNA ausgerüsteten dendritischen Zellen. Elfriede
Nößner richtet ihren Blick in die
Zukunft: Unsere Wunschvorstellung
ist es, aus dem Tumorantigen ein charakteristisches Stückchen Eiweiß, ein
Peptid mit etwa zehn Aminosäuren
herauszuschneiden oder synthetisch
herzustellen und der dendritischen
Zelle zum Vorzeigen mitzugeben. Bei
Melanomen funktioniert diese
Methode schon, beim Nierenzellkarzinom noch nicht. Dolores Schendel,
Elfriede Nößner und ihre Mitarbeiter
sind aber schon auf der Suche nach
Antigenen und Peptiden, die dafür in
Frage kämen.
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