Wie aus Grundlagenforschung im Tier ein neues Therapiekonzept für Tumorpatienten entstand

T-Lymphozyten erkennen Antigen, das ihnen von antigenpräsentierenden Zellen dargeboten wird

Die Geschichte, die es hier zu erzählen gilt, hat zwei Kapitel. Das erste beginnt Ende der 1980er-Jahre. Damals wusste man, dass eine Gruppe von weißen Blutkörperchen, die T-Lymphozyten, von zentraler Bedeutung für die Abwehr von Infektionskrankheiten und die Regulation von Immunantworten ist. Grundsätzlich war auch bekannt, wie T-Lymphozyten aktiviert werden. Eine Besonderheit von T-Lymphozyten ist, dass sie ausschließlich Peptide, also Bruchstücke von Eiweißen, erkennen. Andere Substanzklassen, z. B. Zucker oder Fette entgehen also der Aufmerksamkeit der T-Lymphozyten. Erschwert wird die Aktivierung von T-Lymphozyten weiter dadurch, dass sie die Peptide nicht etwa in freier Form erkennen, sondern ausschließlich dann, wenn ihnen diese Peptide von körpereigenen Zellen präsentiert werden. Zur Peptidpräsentation dienen sogenannte HLA (human leukocyte antigen)-Moleküle. Die Mitte der 1970er-Jahre in Maus-Experimenten gemachte Entdeckung, dass T-Lymphozyten ausschließlich Peptide erkennen, die ihnen von körpereigenen HLA-Molekülen präsentiert werden, wurde 1996 mit dem Nobelpreis für Rolf Zinkernagel und Peter Doherty ausgezeichnet. 

Die antigenpräsentierenden Zellen müssen den T-Zellen ein ko-stimulatorisches Signal geben, Antigenerkennung alleine reicht nicht zur T-Zellaktivierung

Mitte der 1980er-Jahre wollte Marc Jenkins im Labor von Ron Schwartz genauer wissen, wie die Präsentation von Peptid-Antigenen für T-Lymphozyten funktioniert. Er immunisierte Mäuse mit verschiedenen Antigenen und untersuchte die Aktivierung von T-Zellen, die aus diesen Mäusen gewonnen wurden. Dabei stellte sich heraus, dass die Aktivierung von T-Zellen nur dann gelang, wenn die antigenpräsentierenden Zellen vital waren. Chemisch inaktivierte antigenpräsentierende Zellen induzierten zwar die Aktivierung intrazellulärer Signalwege durch den T-Zellrezeptor, die T-Zellen reagierten trotzdem nicht. Im Gegenteil: T-Zellen, denen ihr spezifisches Antigen von chemisch inaktivierten antigenpräsentierenden Zellen dargeboten wurde, konnten später auch dann nicht mehr aktiviert werden, wenn ihnen das Antigen von intakten antigenpräsentierenden Zellen dargeboten wurde [1]. Die T-Zellen waren anerg, also gewissermaßen stummgeschaltet worden. In weiteren Experimenten konnten Jenkins und Schwartz zeigen, dass die Zugabe von sogenannten allogenen antigenpräsentierenden Zellen, die selber nicht in der Lage waren den T-Zellen das Antigen zu präsentieren, die Inaktivierung der T-Zellen durch die chemisch inaktivierten antigenpräsentierenden Zellen verhindern konnte. Zusammengefasst bedeuten diese Ergebnisse also: Die bloße Erkennung von Antigen durch den T-Zellrezeptor bewirkt keine Aktivierung der T-Zelle. Die antigenpräsentierende Zelle muss zusätzliche aktivierende Signale an die T-Zelle senden. Damit war die Suche nach diesen so wichtigen ko-stimulatorischen Signalen eröffnet. 

CD28 ist ein ko-stimulatorischer Rezeptor auf T-Zellen und B7 ein ko-stimulatorischer Ligand auf antigenpräsentierenden Zellen

Ebenfalls Mitte der 1980er-Jahre hatte eine Arbeitsgruppe um Jeffrey Ledbetter Mäuse mit humanen T-Zellen immunisiert und danach Antikörper aus diesen Mäusen gewonnen, die unterschiedliche Oberflächenmoleküle der humanen T-Lymphozyten erkannten. Einer dieser Antikörper war spezifisch für ein Molekül, das heute als CD28 bekannt ist. Ledbetter und Kollegen berichteten, dass die Stimulation von CD28 alleine keinerlei Reaktion der T-Zellen hervorruft. Allerdings konnten T-Zellantworten, die durch Stimulation des T-Zellrezeptors induziert wurden, durch die gleichzeitige Stimulation von CD28 massiv verstärkt werden [2]. CD28 ist also ein ko-stimulatorischer Rezeptor auf T-Zellen. 1990 entdeckten Linsley, Ledbetter und Kollegen dann, dass CD28 an ein Molekül bindet, das sogenannte B7, das auf antigenpräsentierenden Zellen präsentiert wird [3]. B7 ist also ein ko-stimulatorischer Ligand auf antigenpräsentierenden Zellen. Anfang der 1990er-Jahre war also klar, dass die Interaktion zwischen B7 auf den antigenpräsentierenden Zellen und CD28 auf den T-Zellen das ko-stimulatorische Signal vermittelt, das zusätzlich zur Antigenerkennung durch den T-Zellrezeptor notwendig ist, um T-Zellen zu aktivieren.  Sofort war klar, dass die Manipulation der ko-stimulatorischen Interaktionen zwischen antigenpräsentierenden Zellen und T-Zellen neue therapeutische Perspektiven entwickeln würde. In der Tat ist die therapeutische Blockade von CD28 (Abatacept) heute ein erfolgreich eingesetztes Mittel in der Therapie von Autoimmunkrankheiten. Für die Entwicklung der Checkpoint-Inhibitoren zur Therapie von Tumorpatienten war eine weitere Serie von Entdeckungen entscheidend. 

CTLA-4 (CD152) ist ein ko-inhibitorischer Rezeptor auf T-Zellen und konkurriert mit CD28 um die Bindung an B7

Kaum war die Interaktion zwischen B7 (auf den antigenpräsentierenden Zellen) und CD28 (auf den T-Zellen) entdeckt und ihre Bedeutung erkannt, wurde die Sache komplizierter. Anfang der 1990er-Jahre wurde das cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4, CTLA-4, entdeckt, ein Molekül das strukturell dem CD28 sehr eng verwandt ist, aber einen genau gegenteiligen Effekt hat [4]. CTLA-4 (heute: CD152) inhibiert die Aktivierung von T-Zellen. Heute weiß man, dass dieser inhibitorische Effekt dadurch zustande kommt, dass das CTLA-4 mit dem CD28 um die Bindung an B7 konkurriert. Bildlich kann man sich CD28 als das Gaspedal und CTLA-4 als das Bremspedal der T-Zellen vorstellen. Die Antigenerkennung durch den T-Zellrezeptor wäre dann, um im Bild zu bleiben, das Drehen des Zündschlüssels im Zündschloss, ohne dass weder Gas- noch Bremspedal irgendeinen Effekt haben. Bislang haben wir die Wirkungen von CD28 und CTLA-4 auf die T-Zellaktivierung in vitro, also in der Kulturschale betrachtet. Welche Bedeutung hat CTLA-4 aber in vivo, im lebenden Organismus? Arlene Sharpe und ihre Mitarbeiter haben das Mitte der 1990er-Jahre untersucht, indem sie Mäuse genetisch so veränderten, dass die Tiere kein CTLA-4 hatten [5]. Die Ergebnisse waren frappierend: Mäuse, denen das CTLA-4 fehlte, hatten massive, letztlich tödliche, immunologisch bedingte Organschäden. Die eigenen Lymphozyten dieser Tiere dringen in verschiedene Organe ein und verursachen autoimmunen Schaden. Die hemmende Wirkung von CTLA-4 ist also von lebenswichtiger Bedeutung zur Verhinderung autoimmuner Attacken.

Blockade von CTLA-4 aktiviert T-Zellen zur Tumorbekämpfung 

Die Experimente mit den CTLA-4-Knock-out-Mäusen hatten gezeigt, dass CTLA-4 im lebenden Organismus die T-Zellaktivierung kontrolliert. Würde sich das nutzbar machen lassen, um erwünschte Immunantworten zu verstärken? Könnte man T-Zellen, die Tumor­antigene erkennen, durch Wegnehmen der CTLA-4-vermittelten Hemmung reaktivieren, um so Tumoren zu bekämpfen? Mitte der 1990er-Jahre versuchten Jim Allison und Kollegen erstmals eine Tumortherapie durch Blockade von CTLA-4. Man kann Tumormodelle in der Maus durchaus als sehr artifiziell ansehen: Den Tieren werden Tumorzellen injiziert und das resultierende Tumorwachstum führt in der Regel nach wenigen Wochen zum Tod der Tiere. Kein Vergleich also mit der komplexen Tumor-Pathogenese im Menschen und den jahre- bis jahrzehntelangen Verläufen? Tatsächlich waren es genau solche Experimente, die den Weg für die Checkpoint-Inhibitoren bahnten. Allison und Kollegen veröffentlichten 1996 eine Arbeit in der sie zeigten, dass die Blockade von CTLA-4 das Tumorwachstum in Mäusen signifikant verlangsamte [6]. Daraufhin wurde die klinische Entwicklung von CTLA-4-Blockade für die Tumortherapie begonnen. 2010 und 2011 wurden im New England Journal of Medicine klinische Studien veröffentlicht die zeigten, dass Patienten mit metastasiertem malignem Melanom bei CTLA-4-­Blockade (Ipilimumab) eine signifikant bessere Überlebenswahrscheinlichkeit haben als Patienten mit herkömmlicher Therapie. Diese Studien führten 2011 zur Zulassung von Ipilimumab sowohl durch die US Food and Drug Administration, FDA, als auch durch die European Medicines Agency, EMA.

Tod im Thymus: die wohl strengste Schule der Welt

Das zweite Kapitel der hier zu erzählenden Geschichte beginnt im Thymus, einem unscheinbaren Organ, das hinter dem Brustbein gelegen ist. T-Lymphozyten entwickeln ihren jeweils individuellen (klonalen) Rezeptor für Antigen (den T-Zellrezeptor) im Thymus (deshalb heißen sie T-Lymphozyten). Die molekularen Prozesse, die zur Bildung funktionsfähigen Gene für T-Zellrezeptoren führen, werden als somatische DNA-Rekombination bezeichnet. Das Ergebnis ist eine praktisch unbegrenzte Vielfalt möglicher T-Zellrezeptoren. Das hat den für uns überlebenswichtigen Vorteil, dass wir T-Zellrezeptoren gegen jedes denkbare Antigen von Infektionserregern (genauer: jedes denkbare Peptid, das von körpereigenen HLA-Molekülen präsentiert wird) bilden können. Das hat gleichzeitig den für uns potenziell lebensgefährlichen Nachteil, dass wir auch gegen jedes beliebige Selbst-Antigen T-Zellrezeptoren bilden können. Um ein T-Zellrezeptor-Repertoire zu generieren, das größtmöglichen Nutzen bei geringstmöglicher Gefahr bietet, erfolgt im Thymus eine rigorose Auswahl. T-Lymphozyten, die einen Rezeptor gebildet haben, der entweder nutzlos oder gefährlich ist, werden in den Tod getrieben; sie begehen sozusagen Selbstmord – ein Prozess, der als Apoptose bezeichnet wird. Die Bestenauslese im Thymus ist durchaus streng, nur etwa 5% der Kandidaten überleben den Prozess [7].

PD-1, ein überlebenswichtiger Todesrezeptor auf T-Zellen

Tasuku Honjo und seine Kollegen erforschten Anfang der 1990er-Jahre, wie der Tod der T-Zellen im Thymus induziert wird. Dazu untersuchten sie, welche Proteine von T-Zellen, die im Thymus in die Apoptose getrieben werden, besonders stark produziert werden. Eines dieser Moleküle nannten sie Programmed Cell Death-1 protein, PD-1 [8]. Die Tatsache, dass PD-1 von T-Zellen, die im Thymus apoptotisch werden, besonders stark exprimiert wird, ist interessant. Aber welche Bedeutung hat PD-1 für den Organismus? Diese Frage beantworteten Honjo und Kollegen wenige Jahre später, indem sie Mäuse genetisch so manipulierten, dass die Mäuse kein PD-1 bilden konnten. Das Ergebnis war abermals frappierend [9]: Die Mäuse starben an immunologisch bedingten Organschäden, vor allem Nierenschäden, und sie entwickelten ein Krankheitsbild, das dem systemischen Lupus erythematodes beim Menschen ähnelt. Aber wie wird PD-1 aktiviert? Im Jahr 2000 hatten Honjo und Kollegen mithilfe einer internationalen Kooperation den Liganden für PD-1, PD-1L, entdeckt und kloniert [10]. Etwas überraschend stellte sich heraus, dass PD-1L zur B7-Familie gehört, also dem oben erwähnten ko-stimulatorischen Liganden B7 strukturell ähnlich ist. Sie konnten weiter zeigen, dass die Interaktion von PD-1 auf der T-Zelle mit PD-1L auf einer antigenpräsentierenden Zelle zum Tod der T-Zelle führt. Damit war klar, dass die Interaktion von PD-1 mit PD-1L ähnliche Wirkungen hat wie die Interaktion von CTLA-4 mit B7: T-Zellen werden funktionsunfähig gemacht oder getötet. 

Blockade der PD-1-/PD-1L-Interaktion bremst Tumorwachstum 

Die Erkenntnis der Bedeutung von PD-1 und PD-1L führte unmittelbar zum logischen nächsten Versuch: Kann die Blockade der Interaktion von PD-1 mit PD-1L zur Verstärkung erwünschter Immunreaktionen, also z. B. in der Tumor­therapie, eingesetzt werden? Honjo und Kollegen untersuchten wie Jim Allison ein Tumormodell in der Maus. Nach Injektion der Tumorzellen waren sämtliche Mäuse, die eine Kontroll-Therapie erhielten, innerhalb von 50 Tagen gestorben. Aus der Gruppe von Mäusen, die die Tumorzellen plus eine Therapie mit einem Antikörper, der PD-1L blockiert, erhalten hatten, lebten sogar nach 100 Tagen noch ca. 40% [11]. Die Daten aus diesen Tierversuchen führten zur klinischen Entwicklung von PD-1- oder PD-1L-blockierenden Antikörpern. Zwei solcher Antikörper (Nivolumab und Pembrolizumab) sind inzwischen zugelassen (siehe Beitrag „Das Immunsystem als Zielstruktur für onkologische Therapien“ von Jennifer Landsberg in diesem Heft), eine Reihe weiterer sind in unterschiedlichen Stadien der klinischen Erprobung und fast monatlich erscheinen neue klinische Studien, die die Wirksamkeit bei bestimmten Tumoren demonstrieren. 

Worin liegt der Unterschied zwischen PD-1 und CTLA-4?

Wieso gibt es (mindestens) zwei sehr ähnlich funktionierende Rezeptoren –   CTLA-4 und PD-1 – zur Hemmung der T-Zellaktivierung? Etwas schematisch vereinfacht lässt sich sagen, dass CTLA-4 und PD-1 die T-Zellaktivierung an unterschiedlichen Orten verhindern. CTLA-4 interagiert mit B7, das vor allem von sogenannten professionellen antigenpräsentierenden Zellen exprimiert wird. Das sind vor allem dendritische Zellen, Monozyten/Makrophagen und B-Lymphozyten;  die Interaktion von T-Zellen mit diesen professionellen antigenpräsentierenden Zellen erfolgt vor allem in den sekundär lymphatischen Organen (z. B. Lymphknoten, Milz). Im Tumor selber scheint diese Interaktion von untergeordneter Bedeutung zu sein. Hier kommt die Interaktion von PD-1 mit PD-1L ins Spiel: Aktivierte T-Lymphozyten exprimieren PD-1, und wenn PD-1 an seinen Liganden PD-1L bindet, werden die Zellen in die Apoptose getrieben. PD-1L wird von verschiedenen Zellen exprimiert, u. a. auch von Tumorzellen. Also bieten diese beiden Systeme CTLA-4/B7 und PD-1/PD-1L zwei unterschiedliche Angriffspunkte (Abb. 2).