Onkolytische Viren - wandelbare Vektoren in der Krebstherapie

Sicherheit

Onkolytische Viren stellen eine neue biologische Therapieform dar, deren Sicherheitsaspekte sich nicht nur auf die Wirkung und Nebenwirkung des Therapeutikums am Patienten selbst beschränken, sondern die aufgrund ihrer natürlichen Fähigkeit zur Replikation auch Fragen zu Mutagenität, Konversion zu Wildtyp-Varianten und Übertragungsmöglichkeiten und Verbreitung aufwerfen. Ein optimales Virus zur onkolytischen Virotherapie sollte daher mit hoher Spezifität Tumorzellen infizieren, um Nebenwirkungen bei systemischer Applikation gering zu halten, und im besten Falle nicht über Urin oder Faeces ausgeschieden werden, um eine Verbreitung des genetisch modifizierten Vektors zu verhindern [1]. Das für die onkolytische Therapie verwendete Masernvirus besitzt ein hervorragendes Sicherheitsprofil, da der hierfür verwendete Impfstamm schon seit über 50 Jahren zur Vakzinierung verwendet wird. Dementsprechend verfügt die Bevölkerung über einen protektiven Titer, eine Konversion des Impfstamms zum Wildtyp-Virus wurde nicht beobachtet. Auf der anderen Seite müssen aufgrund der neutralisierenden Antikörper höhere Virusdosen und Shielding-Strategien angewandt werden, um eine effektive Onkolyse zu erreichen [2]. 

Das Herpes-simplex-Virus Typ 1 (HSV-1), welches in modifizierter Form als Talimogene laherparepvec von der FDA zur Behandlung des malignen Melanoms zugelassen wurde [3], zeigt durch Attenuierung im Neurovirulenz-Faktor ICP34.5 und ICP6 ebenfalls ein gutes Sicherheitsprofil ohne virales Shedding bei intraläsionaler Applikation. Es wurde jedoch über die Entstehung von kompensatorischen Mutationen berichtet, bislang führte dies aber nicht zu einer Zunahme der Virulenz. Mit Acyclovir kann bei Bedarf jedoch die virale Replikation eingeschränkt werden [1]. 

Auch Adenoviren (AdV) befinden sich in der Entwicklung als onkolytische Vektor-Plattform. Hier stellte zunächst die Off-Target-Toxizität an der Leber ein ernst zu nehmendes Sicherheitsrisiko dar, da es aufgrund des Tropismus zu einer Sequestrierung des Virus in der Leber kam. Über Modifikation des Tropismus hin zu einem tumorspezifischeren Zell-Entry konnte die hepatische Toxizität deutlich reduziert werden. Auch bei Adenoviren vermitteln neutralisierende Antikörper, welche im Rahmen AdV-vermittelter Infektionen des Respirations- oder Gastrointestinaltraktes erworben werden, zwar ein gutes Sicherheitsprofil, limitieren jedoch auch die onkolytische Aktivität, sodass in der onkolytischen Therapie weniger verbreitete Serotypen Verwendung finden [1]. 

Targeting

Bei der Auswahl eines Virus als onkolytischer Vektor zur Behandlung einer bestimmten Tumorentität können zwei Strategien verfolgt werden. Zum einen, wie beispielsweise bei HSV zur Behandlung des Glioblastoms geschehen, nutzt man den natürlichen Tropismus des Virus, in diesem Fall von HSV-1, für neurale Zellen, und reprogrammiert die Virulenz-Faktoren, sodass eine Infektion von Neuronen verhindert wird. Auf der anderen Seite besteht die Möglichkeit, ein Virus, welches nur einen geringen Tropismus für Tumorzellen hat, über spezifische Entry-Rezeptoren wie CEA zu reprogrammieren. Der Vorteil dieser Strategie liegt in der niedrigen Toxizität für nicht transformierte Zellen, sie verlangt aber detaillierte Kenntnisse über die viralen Entry-Rezeptoren und die anti-virale Wirtsantwort.

Der Erfolg beider Strategien hängt entscheidend von der Spezifität der eingeführten genetischen Veränderungen ab. Molekulargenetisch gibt es dabei mehrere Ebenen, den viralen Tropismus zu modifizieren: Eine Option, wie bereits angeführt, besteht in der Verwendung von tumorspezifischen Oberflächenmolekülen wie CEA [4] oder EGF [5] als virale Entry-Rezeptoren. Um eine spezifische Infektion der Tumorzellen über ein bestimmtes Oberflächenantigen zu erreichen, muss das betreffende Virus für seinen natürlichen Entry-Rezeptor verblindet werden. Das Masernvirus beispielsweise, ein behülltes RNA-Virus aus der Familie der Paramyxoviridae, welches natürlicherweise CD46, SLAM und Nectin-4 als Entry-Rezeptoren nutzt [6–8], wird daher am Hämagglutinin, welches den CD46- und SLAM-abhängigen Zell-Entry vermittelt, spezifisch verändert und damit für die natürlichen Rezeptoren verblindet. Über die Einführung von single-chain fragment variable (scFv)-Antikörpern für CEA oder EGF in das virale Genom konnte eine Antigen-spezifische Infektion von Tumorzellen erreicht werden, die die jeweils genannten Tumorantigene exprimieren [9]. Im Gegensatz dazu wurde bei HSV-1 zur Therapie von malignen Gliomen der natürliche neurale Tropismus genutzt, jedoch zur Schonung der umliegenden normalen Neuronen der Neurovirulenz-Faktor ICP34.5 und ein weiteres Gen (ICP6) deletiert und damit eine Attenuierung sowie ein gutes Sicherheitsprofil erreicht.

Andere Möglichkeiten des Retargeting sind die Verwendung von tumorspezifischen Proteasen zur Aktivierung der Viruspartikel, die Kontrolle der viralen Transkription und Replikation durch tumorspezifische Promotoren und die Ausnutzung der eingeschränkten viralen Abwehr von transformierten Zellen. Vor allem Matrix-Metalloproteasen eignen sich im Sinne einer Protease-spezifischen Retargeting-Strategie, da diese ubiquitär auf malignen Zellen exprimiert werden [10]. 

Die Reprogrammierung der viralen Replikation ist vor allem in DNA-Viren wie Adenoviren und Herpesviren untersucht. Hier gibt es Ansätze, spezifische Gene wie E1A, welche die virale Replikation unterstützen, unter die Kontrolle von gewebespezifischen Promotoren zu stellen, wie es zum Beispiel für Adenoviren mit E1A und dem Prostata-spezifischen Antigen-Promotor durchgeführt wurde [11]. Viele Viren replizieren natürlicherweise besser in Krebszellen, da diese im Zuge der malignen Transformation Defekte in der antiviralen Immunabwehr akkumuliert haben. Krebszellen verlieren zum Beispiel die Fähigkeit, Interferon γ zu produzieren oder auf IFN-Stimulation zu reagieren [12]. Diese Defekte erleichtern die Infektion von Krebszellen durch onkolytische Viren, wie es am Beispiel des Vesicular Stomatitis Virus (VSV) gezeigt werden konnte, das im Matrix-Protein, das die IFN-Antwort kontrolliert, mutiert ist [13]. 

Arming

Das Konzept des Arming zielt auf eine Verbesserung der therapeutischen Effektivität eines onkolytischen Virus ab. Gerade in der Kombination mit anderen (systemischen) Therapiemodalitäten ist dieser Ansatz interessant. Durch die Einführung von Prodrug-Konvertasen in das virale Genom besteht die Möglichkeit, zielgerichtet im Tumor systemisch applizierte Substrate in das potente Chemotherapeutikum umzuwandeln und damit die systemischen Nebenwirkungen zu limitieren. Anwendung findet dieses Konzept beispielsweise mit der Prodrug-Konvertase Cytosin-Desaminase, welche 5-Fluo­ruracil in den aktiven Metaboliten umwandelt [14]. Limitiert wird dieser Ansatz jedoch durch die Tatsache, dass nur infizierte Zellen das viral kodierte Protein exprimieren und nur in solchen der Effekt des Arming apparent wird. Kodiert das Virus jedoch zum Beispiel ein sezerniertes Zytokin, so kommt der Effekt auch auf den benachbarten Zellen und gegebenenfalls sogar systemisch zum Tragen, allerdings zum Preis erhöhter Toxizität [9]. Talimogene laherparepvec kodiert GM-CSF (Granulozyten-Makrophagen-Koloniestimulierender Faktor), wodurch der Aufbau einer systemischen Anti-Tumor-Immunantwort unterstützt werden soll. In der OPTim-Studie konnte gezeigt werden, dass die Ansprechraten unter Therapie mit Talimogene laherparepvec denen bei einer reinen subkutanen GM-CSF-Gabe überlegen sind [15]. 

Shielding

Trotz effektiver Reprogrammierungs-Strategien bei onkolytischen Vektoren stellt die systemische Therapie in immunkompetenten Patienten weiterhin eine Herausforderung dar. Zum einen erschwert eine vorbestehende Immunität gegen den Vektor (zum Beispiel bei Masern oder Adenoviren) die effiziente systemische Verteilung des onkolytischen Virus, zum anderen wird durch repetitive Gabe des Virus im Rahmen der Therapie auch gegen andere Vektoren eine Immun­antwort generiert.

Ein Ansatz besteht daher in einer temporären Immunsuppression des Patienten über die Gabe von niedrig-dosiertem Cyclophosphamid, das neben seinem zytotoxischen Potenzial auch immunsuppressiv wirkt und damit die Ausbreitung des onkolytischen Virus im Tumor erleichtern kann [16]. Weiterhin werden biologische und chemische Konzepte erprobt, um den Vektor vor neutralisierenden Antikörpern zu schützen. Bei Adenoviren werden Veränderungen in der Kapsid-Hülle induziert, um einen Serotyp-Switch zu erreichen und damit eine drohende Immunität zu umgehen. Alternativ werden Verfahren getestet, Viren chemisch über Polyethylenglykol-Verbindungen zu maskieren. Eine weitere Variante besteht in der Verwendung von ex vivo infizierten Zellen als Applikations­vehikel für das betreffende Virus [9].

Onkolytische In-situ-Vakzinierung

Mit den oben beschriebenen Verfahren wurde eine Vielzahl an potenten onkolytischen Vektor-Plattformen entwickelt, welche sich in unterschiedlichen Stadien klinischer Testung befinden [17]. Lag der Fokus zu Beginn der virotherapeutischen Bemühungen noch auf einem reinen onkolytischen Effekt, zielen die Entwicklungen der letzten Jahre auch auf die Stimulation einer Anti-Tumor-Immun­antwort ab. Vor allem mit dem Einzug von Checkpoint-Inhibitoren in die Immuntherapie und dem daraus resultierenden Erfolg bei einer Vielzahl von Tumorentitäten [18] gilt es weitere Strategien zu entwickeln, um das Immunsystem des Patienten gegen den eigenen Tumor zu richten. Die onkolytische Infektion einer Tumorzelle führt zu einer lokalen Entzündungsreaktion, deren Zytokin-Profil eine systemische Immunantwort unterstützt [19, 20]. Durch die Virus-vermittelte Zell-Lyse kommt es weiterhin zur Freisetzung von Tumor-assoziierten Antigenen und Tumor-Neoantigenen, welche im Rahmen der malignen Entartung entstanden sind, sowie zu einer messbaren Immunantwort [21]. Talimogene laherparepvec bewies als erstes onkolytisches Virus anhand klinischer Daten, dass eine onkolytische Vakzinierung durch die direkte viral vermittelte Tumor-Lyse eine lokale Immunantwort stimulieren kann, welche in einer andauernden systemischen Anti-Tumor-Immunantwort resultiert [15]. Talimogene laherparepvec wurde mehrfach intraläsional in eine ausgewählte kutane Metastase injiziert und konnte eine Regredienz nicht nur der injizierten, sondern auch anderer, sogar viszeraler Metastasen auslösen. In den vorausgegangenen Phase-I- und Phase-II-Studien zeigten mit Talimogene laherparepvec behandelte Patienten eine stärkere T-Zell-Infiltration der Tumoren sowie eine systemische Immunantwort auf Melanom-assoziierte Tumorantigene wie MART1 [22].

Systemische onkolytische Virotherapie

Auch wenn die loko-regionäre Applikation von Talimogene laherparepvec beim malignen Melanom vielversprechende Ergebnisse lieferte, stellt eine metastasierte Tumorerkrankung ein heterogenes Gebilde dar, sodass die Immunstimulation in einer Läsion möglicherweise nicht ausreicht, das immunsuppressive Tumor-Mikromilieu in allen metastatischen Absiedlungen umzukehren. Eine systemische Applikationsform, die die Möglichkeit bietet, alle metastatischen Läsionen zu erreichen, wäre daher wünschenswert. Allein aus praktischen Gründen bevorzugt der Kliniker Therapeutika, die auf intravenösem Wege appliziert werden können. In einer Phase-I-Studie konnten zwei Patienten, die an einem fortgeschrittenen multiplen Melanom litten, erfolgreich mit einem modifizierten Masernvirus intravenös behandelt werden; es kam zu einem kompletten und anhaltenden Ansprechen [23]. Das verwendete Masernvirus kodiert für einen Natrium-Iodid-Symporter, der es erlaubt, die Lokalisation des Virus im Körper später nachzuweisen [23]. Interessanterweise erwies sich die intravenöse Applikation des Masernvirus nur in Patienten als erfolgreich, die vor der Therapie keine protektiven Antikörper aufwiesen, Dosis-limitierende Toxizitäten wurden jedoch auch bei diesen Patienten nicht beobachtet. Auch für andere Vektoren liegen Daten zur intravenösen Applikation vor, z. B. Vacciniaviren [24] oder Adenoviren wie etwa Enandenotucirev [PsiOxus, unpublished findings]. 

Kombinationstherapien

Auch wenn Talimogene laherparepvec als Monotherapie eine solide Ansprechrate bei Patienten mit fortgeschrittenem Melanom zeigt, stehen im Feld der Immuntherapie des malignen Melanoms mit den Checkpoint-Inhibitoren seit Kurzem weitere potente Immunmodulatoren zur Verfügung. Monoklonale Antikörper gegen die Checkpoint-Moleküle CTLA-4 und PD-1 sollen die vom Tumor ausgehende Immunsuppression aufheben, indem sie das negative Feedback-System blockieren und damit die Anti-Tumor-Immunantwort desinhibieren [25]. Trotz des bestechenden Mechanismus sprechen über die Entitäten hinweg nur 20% der Patienten auf die Antikörpertherapie an, möglicherweise auf Grund einer insuffizienten Anti-Tumor-Immunantwort oder des Überwiegens anderer immunsuppressiver Signalwege. In dieser Situation könnte eine onkolytische In-situ-Vakzinierung den Aufbau einer Anti-Tumor-Immunantwort und die Rekrutierung von Tumor-reaktiven T-Zellen in den Tumor erleichtern, und die Hinzunahme eines Checkpoint-Inhibitors könnte zur Aufrechterhaltung der induzierten Immunantwort führen [26]. 

Erste Ergebnisse aus einer Phase-I-Studie mit Talimogene laherparepvec und dem CTLA-4-Inhibitor Ipilimumab scheinen diese Hypothese zu bestätigen: Die Kombination zeigte deutlich höhere Ansprechraten als historische Daten für jedes Therapeutikum allein erwarten ließen [27]. Auch der PD-1-Inhibitor Pembrolizumab wird aktuell mit ähnlichem Erfolg in der Kombination mit Talimogene laherparepvec in einer Phase-III-Studie getestet (NCT02263508). Möglicherweise ergibt sich auch in der Kombination mit Zell-basierten Therapeutika wie adoptiven T-Zell-Therapien ein synergistischer Effekt. Klebanoff et al. konnten im Maus-Modell zeigen, dass die Vakzinierung mit einem gp100-kodierenden Poxvirus die Anti-Tumor-Aktivität von gp100-spezifischen T-Zellen in vivo deutlich verbessert, was sich in einer größeren Volumenreduktion des Tumors sowie einem verlängerten Überleben niederschlug [28]. Die systemische Gabe eines gp100-kodierenden VSV konnte zudem die Persistenz der transferierten gp100-spezifischen T-Zellen verlängern, was in 50% der Mäuse zu einem Langzeit­überleben führte [29]. 

Ausblick

Die Zulassung von Talimogene laherparepvec hat das Potenzial onkolytischer Viren verdeutlicht und das Feld der onkolytischen Virotherapie belebt: Aktuell befinden sich zwei Vektoren in Phase-III-Studien und weitere in früheren klinischen Studienabschnitten. Wie schon bei den möglichen Kombinationsansätzen verdeutlicht, stellen onkolytische Viren eine variable Vektor-Plattform dar, welche sowohl in In-situ-Vakzinierungsstrategien zur gezielten Tumordestruktion als auch zur Immunstimulation Anwendung finden. Weiterhin, wenngleich hier nicht behandelt, gibt es Ansätze mit Gentherapie-Vektoren oder im Rahmen von adju vanten Vakzinierungskonzepten. In den kommenden Jahren wird sich zeigen, welche Kombinationsstrategien am besten ineinandergreifen, um den maximalen Nutzen aus beiden therapeutischen Konzepten zu ziehen. Als variable und sichere Plattform ermöglichen onkolytische Vektoren auch die Entwicklung individualisierter Vakzinierungsprotokolle anhand von Sequenzierungsdaten des Tumor-Mutanoms und damit eine personalisierte immunstimulatorische Therapie. 

Dr. med. Elena Czink

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