Grundlagen der Tumorimmunologie

Während die T-Zellen die entscheidenden Träger der zellvermittelten Immunantwort sind, produzieren die B-Lymphozyten Antikörper und sind für die Ausbildung der humoralen Immunantwort verantwortlich. Die Differenzierung von B-Lymphozyten aus einer lymphoiden Knochenmarkstammzelle verläuft in mehreren Phasen, wobei zunächst unter Einfluss zahlreicher Transkriptionsfaktoren, der Mikroumgebung und der Interaktion mit Zytokinen und Wachstumsfaktoren es zur Bildung eines funktionierenden B-Zell-Rezeptors (BZR) kommt. Dieser Prozess läuft gänzlich antigenunabhängig ab und führt zur Expression von IgG-Molekülen der Klassen M und D auf der Zelloberfläche von unreifen B-Zellen. Die frühen pro-B-Zellen exprimieren bereits die B-Zell-Marker CD19 sowie CD45, CD43 und CD25. Im nächsten Schritt werden diese unreifen B-Zellen, basierend auf ihrer Antigenspezifität selektiert, wobei hier ähnlich der T-Zellen autoreaktive B-Zellen eliminiert werden. Die positiv selektionierten B-Lymphozyten können jedoch erst dann mit der Produktion von Antikörpern beginnen, wenn sie zuvor durch Antigenkontakt in den lymphatischen Organen aktiviert werden. Der Aktivierungsprozess wird durch eine zusätzliche Interaktion mit T-Helferzellen und Sekretion von Zytokinen und Chemokinen verstärkt. Sobald eine B-Zelle über den BZR (B-Zell-Rezeptor) aktiviert ist, wandert sie zu den Keimzentren in Lymphknoten und Milz, wo es zu einer starken Proliferation, einer erhöhten Affinität durch Hypermutation des BZR, klonalen Selektion und Differenzierung zu Plasmazellen bzw. Gedächtniszellen, die anschließend Antikörper sezernieren, kommt. Darüber hinaus kommt es zu einem Wechsel der Immunglobulin-Isotypen, sodass unter Beibehaltung der ursprünglichen Spezifität auch Immunglobuline der Klassen G, A oder E produziert werden. Über einen erneuten Selektionsprozess wird sichergestellt, dass möglicherweise autoreaktive höher affine B-Zellen nicht an einer Immunantwort beteiligt sind. Die B-Gedächtniszellen weisen keine besonderen phänotypischen Merkmale auf. Sie exprimieren meist BZR der Klasse IgG, zeichnen sich jedoch im Vergleich zu naiven B-Zellen durch eine schnellere und stärkere Aktivierung durch Antigenkontakt aus und bilden aufgrund der Affinitätsreifung höher affine Immunglobuline (Brink und Phan 2018; Garcillán et al. 2018).

Neben der Produktion von Antikörpern können B-Lymphozyten auch als antigenpräsentierende Zellen (APC) fungieren und CD4-positive T-Lymphozyten antigenspezifisch aktivieren. Durch die Sekretion von zahlreichen Zytokinen, wie (IL)-1 (Interleugin), IL (Interleukin)-6 oder transformierender Wachstumsfaktor (FGF)-β und IL (Interleukin)-10, können sie sowohl proinflammatorische als auch immunsuppressive Prozesse einleiten und immunmodulierend agieren. Ähnlich wie bei den T-Lymphozyten unterscheidet man auch bei den B-Zellen unterschiedliche funktionelle Typen, wie z. B. B-1-Zellen, die auf Kohlenhydrat-Antigene reagieren und weniger somatische Hypermutationen tragen. Die B-1-B-Zellen exprimieren weniger IgG und CD23 auf ihrer Zelloberfläche, im Vergleich zu B-2-Zellen, die das Gros der B-Lymphozyten darstellen. Marginalzonen-B-Zellen machen etwa 5 % der B-Lymphozyten einer Milz aus, wo sie präferenziell in der Marginalzone gefunden werden.

T-Zellen exprimieren einen Rezeptor, der sie befähigt, Antigene von Infektionserregern oder malignen Zellen zu erkennen, eine effektive Immunantwort zu generieren und zu erhalten sowie eine Toleranz gegen körpereigene Antigene zu induzieren. Sie spielen aber auch eine wichtige Rolle bei inflammatorischen Prozessen und Autoimmunerkrankungen. Wie alle Zellen des peripheren Blutes entstehen T-Lymphozyten aus hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark. Die frühen multipotenten Vorläufer der T-Lymphozyten, die weder CD4 noch CD8 exprimieren, wandern in den Thymus, wo sie unterschiedliche Reifungsstadien durchlaufen, die durch die Rekombination des T-Zell-Rezeptors (TZR) sowie der Entstehung von doppelt positiven CD4⁺CD8⁺ (DP) Thymozyten charakterisiert sind. Diese doppelt positiven Zellen unterliegen einer Selektion, die zur Entstehung von einfach positiven (SP) CD4⁺ bzw. CD8⁺ T-Lymphozyten führt. In Abhängigkeit von der Affinität des neugebildeten TZR (T-Zell-Rezeptor) zu Selbstantigenen, die als Komplex aus HLA-Molekülen und Peptiden auf der Zelloberfläche von antigenpräsentierenden Zellen wie z. B. dendritischen Zellen präsentiert werden, werden die neugebildeten T-Lymphozyten mit starker Reaktivität gegen körpereigene Proteine im Thymus eliminiert, was zur Sicherstellung der Selbsttoleranz beiträgt. Die positive Selektion von DP-Thymozyten erfolgt im Thymus über die Interaktion mit den epithelialen (nicht-hämatopoetischen) Zellen („thymic epithelial cells“, TEC) (Jameson et al. 1995).

Diese naiven T-Zellen, die CD45RA⁺ CCR7^- sind, verlassen den Thymus und können dann in peripherem Blut, lymphatischen Organen und Mukosa nach Kontakt mit Antigenen, anderen Zellen des Immunsystem bzw. Stromazellen und unter dem Einfluss von Zytokinen und Chemokinen weiter differenzieren und proliferieren.

Die Erkenntnisse zu der Differenzierung der T-Lymphozyten in der Peripherie beruhen vor allem auf tierexperimentellen Studien aus Infektionsmodellen. Wobei die Differenzierung in drei Phasen durchläuft. Während der klonalen Expansion kommt es zur Proliferation von aktivierten, pathogenspezifischen T-Zellen, die zu Effektor-T-Zellen differenzieren und zur Elimination der Erreger führen. In der Kontraktionsphase sterben die meisten aktivierten T-Zellen durch Apoptose. Nur ein kleiner Rest entwickelt sich zu Gedächtniszellen („memory cells“, Gedächtnisphase), die im Körper über viele Jahre persistieren und einen Schutz von Neuinfektionen bilden. Die Gedächtniszellen können weiter in „Central memory“- (Tcm, CD45RA^-, CCR7⁺), „Effector memory“- (Tem; CD45RA^-, CCR7^-), „Stem cell memory“- (Tscm; CD45Ra⁺, CCR7⁺, CD95⁺, CD122⁺) und „Tissue resident memory“- (Trm, CD69⁺, CD103⁺) T-Zellen differenzieren (Kumar et al. 2018; Jameson und Masopust 2018).

T-Lymphozyten erkennen ihr Antigen, wenn es als Komplex bestehend aus dem Peptid und dem HLA-Molekül auf der Zelloberfläche präsentiert wird. CD8+positive T-Lymphozyten erkennen ihr Antigen, wenn es an HLA-Klasse I-Moleküle gebunden präsentiert wird (Brossart und Bevan 1996). Diese bestehen in der Regel aus 9–10 Aminosäuren und stammen aus intrazellulären Proteinen. Manchmal können jedoch auch Proteine, die von antigenpräsentierenden Zellen, wie z. B. dendritischen Zellen, von extrazellulär über Phagozytose oder Pinozytose aufgenommen wurden, auf HLA-Klasse-I-Molekülen präsentiert werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Kreuzpräsentation, der erstmals und er wurde erstmals von Mike Bevan in den 1970er-Jahren beschrieben wurde (Brossart et al. 1997). CD+positive T-Zellen erkennen Antigene, die von HLA-Klasse-II-Molekülen auf der Zelloberfläche präsentiert werden. Diese stammen in der Regel von extrazellulären Antigenen. Auch dieses System ist nicht komplett restriktiv, denn zytoplasmatische Proteine können Zugang zum endosomalen System finden und so zur Präsentation auf HLA-Klasse-I-Molekülen führen. Dabei spielt unter anderem Autophagie eine wichtige Rolle (Cruz et al. 2017; Petersen et al. 2010; Dörfel et al. 2005; Brossart et al. 1997).

Der TZR besteht aus mehreren Untereinheiten und liegt auf der Zellmembran als Alpha-Beta- bzw. Gamma-Delta-Heterodimer vor. Diese Alpha-Beta- bzw. Gamma-Delta-TZR bilden einen Komplex mit fünf weiteren Untereinheiten (CD3-Komplex), die in Form von Homo- bzw. Heterodimeren miteinander assoziiert sind. Der CD3-Komplex spielt eine wichtige Rolle für die T-Zell-Aktivierung und Signaltransduktion über den TZR. Auf der Basis der TZR-Struktur unterscheidet man dementsprechend zwei T-Zell-Populationen, die Alpha-Beta- und Gamma-Delta-T-Zellen. Im peripheren Blut und lymphatischen Organen gehören 95–98 % der T-Zellen der Alpha-Beta-Subpopulation an, während die Gamma-Delta-Zellen überwiegend in epithelialen Geweben wie der Haut, der Darmschleimhaut oder Geschlechtsorganen zu finden sind.

Für eine optimale Stimulierung von naiven T-Zellen reicht eine Interaktion zwischen dem TZR und dem HLA-Molekül (Signal 1) nicht aus. Die T-Zelle benötigt zusätzlich ein zweites Signal, das über kostimulatorische Moleküle vermittelt wird. Sind beide Signale vorhanden, kommt es zur Proliferation und antigenspezifischen Expansion von T-Lymphozyten. Zusätzlich kann die T-Zell-Aktivierung durch Freisetzung von Zytokinen und Chemokinen (Signal 3) verstärkt werden. Fehlt das zweite kostimulatorische Signal, führt das zu T-Zell-Anergie oder -Apoptose. Die bisher am besten charakterisierten kostimulatorischen Moleküle sind das Rezeptor-Ligand-Paar CD28 (auf der Oberfläche von T-Zellen) und B7-1 und B7-2 (auf antigenpräsentierenden Zellen).

In Abhängigkeit von dem Aktivierungsstatus von antigenpräsentierenden Zellen sowie dem umgebenden Mikromilieu können T-Zellen funktionell in unterschiedliche weitere Subtypen differenzieren, wie TH-1, TH-2, TH-9 oder TH-17 (Abb. 1). Neben dem B7-CD28-Komplex können eine ganze Reihe anderer Rezeptor-Liganden-Interaktionen kostimulatorische Signale für die T-Zell-Aktivierung liefern, wie z. B. CD40/CD40-Ligand, CD27/CD70, 4-1BB/4-1BB-Ligand oder OX40/OX40-Ligand. Nach der Aktivierung von T-Lymphozyten kommt es mit einer geringen Latenz zur Expression von Molekülen wie CTLA-4, PD1, TIM3 oder LAG-3. Diese Moleküle reagieren mit den entsprechenden Liganden, die zu einer Herunterregulation von Immunantworten führen (sog. Checkpunkte der T-Zell-Aktivierung). Interessanterweise werden diese Moleküle, wie z. B. PD-L1 oder PD-L2, auch außerhalb des Immunsystems in Geweben und vor allem auch in Tumoren exprimiert und können so zur Abschaltung einer T-Zell-Antwort führen (Geijtenbeek und Gringhuis 2016; Hirahara und Nakayama 2016; Pardoll 2012).

Zur Aufrechterhaltung der Immunhomöostase ist es von vitaler Bedeutung, überschießende oder fehlgeleitete Immunreaktionen auf Antigene unterschiedlichster Genese humoral zu kontrollieren und zu regulieren. Regulatorische T-Zellen (Treg) sind Zellpopulationen des Immunsystems, die diese essenzielle negative Regulation einer Immunantwort auf zellulärer Ebene übernehmen. Bereits in den 1970er-Jahren wurden T-Zellen mit einer regulierenden Funktion, damals noch Suppressor-T-Zellen genannt, beschrieben. Aber erst die Entdeckung von CD4⁺ CD25⁺ Treg im Jahre 1995 führte zu einer Renaissance der regulatorischen T-Zellen. Allerdings zeigte sich in den folgenden Jahren, dass die regulatorischen Treg aus phänotypisch und funktionell sehr heterogenen Zellpopulationen bestehen. Dabei ist nicht immer klar, ob es distinkte, funktionell und phänotypisch stabile regulatorische Zellen sind oder ob es sich um unterschiedliche Differenzierungsstadien handelt. Darüber hinaus konnten auch in weiteren Kompartimenten des Immunsystems, wie z. B. innerhalb der B-Zellen oder der NK-Zellen, Populationen mit immunregulierenden Eigenschaften identifiziert werden.

Bei den Treg werden zunächst zwei Hauptgruppen unterschieden: die CD4⁺ und die CD8⁺ regulatorischen T-Zellen. Innerhalb der CD4⁺ Treg zeigte sich der Transkriptionsfaktor Foxp3 als ein wesentlicher Marker für eine supprimierende Funktion der Zellen. Foxp3 ist nicht nur hoch exprimiert in CD4⁺ Treg, sondern eine Transduktion von Foxp3 in Foxp3^- CD4⁺ T-Zellen führt darüber hinaus auch zu einer Ausbildung von T-Zellen mit dem Phänotyp und Funktion von Treg. Als Oberflächenmarker zur Identifizierung CD4⁺ CD25⁺ Foxp3⁺ Treg kristallisierte sich die fehlende Expression von CD127 heraus, weshalb die derzeit breit anerkannte Phänotypisierung klassischer CD4⁺ Treg über den Phänotyp CD4⁺ CD25⁺ CD127^- Foxp3⁺ erfolgt.

Über die Art der Genese der CD4⁺ Treg werden diese in weitere Untergruppen eingeteilt. Auf der einen Seite gibt es die vom Thymus stammenden Treg (tTreg). Diese differenzieren im Thymus unter anderem durch eine hoch avide Interaktion mit Autoantigen/MHC-II-Komplexen auf antigenpräsentierenden Zellen. Auf der anderen Seite können Treg auch außerhalb des Thymus generiert werden. Diese werden periphere Treg (pTreg) genannt, wenn sie in vivo generiert werden und induzierte Treg (iTreg), wenn sie in vitro generiert werden. Dabei differenzieren naive CD4⁺ T-Zellen nach Antigenstimulation zu pTreg/iTreg. Weitere Faktoren, die zur Generierung von pTreg/iTreg gehören, sind neben einem starken TZR-Signal eine unvollständige Kostimulation sowie hohe Mengen an TGF-β und Retinsäure. Funktionell unterscheiden sich tTreg und pTreg/iTreg dahingehend, dass tTreg eher eine Toleranz gegenüber Selbstantigenen und somit eine Protektion gegenüber einer Autoimmunität vermitteln, wohingegen pTreg die Immunantwort gegenüber Nicht-Autoantigenen wie Allergene, kommensale Mikrobiota und diätere Antigene regulieren (Plitas und Rudensky 2016; Sakaguchi et al. 2010).

Auch innerhalb des CD8⁺ T-Zell-Pools wurden Zellen mit immunregulatorischer Funktion identifiziert. Die CD8⁺ Treg sind bis heute jedoch nur unvollständig charakterisiert, und es besteht noch kein endgültiger Konsensus über deren Phänotyp und Funktion. Es konnte bisher gezeigt werden, dass CD8⁺ Treg eine bedeutende Rolle bei der Kontrolle der Autoimmunität spielen sowie entscheidend zur Regulierung einer antiviralen und Anti-Tumor-Immunantwort beitragen. Darüber hinaus präsentiert sich neben Foxp3 bei den CD8⁺ Treg der Transkriptionsfaktor Helios als ein Hauptregulator der supprimierenden Funktion (Kim et al. 2015).

NK-Zellen gehören zu der Familie der „innate lymphoid cells“ (ILC) und können sehr effektiv maligne oder infizierte Zellen eliminieren. Sie gehörten definitionsgemäß zu den Zellen des angeborenen Systems, da sie weder TZR noch BZR zur spezifischen Antigenerkennung tragen. Ungeachtet dessen spielen sie eine wichtige Rolle bei der Initiierung von Immunantworten durch das adaptive Immunsystem, indem sie direkt oder indirekt die Funktion der APC bzw. Effektorzellen durch unmittelbare Rezeptor-Ligand-Interaktion, Zytokinsekretion oder auch Elimination der Immunzellen regulieren. Des Weiteren können sie auch ein immunologisches Gedächtnis ausbilden und auf einen bereits bekannten Stimulus verstärkt reagieren. Die Funktion der NK-Zellen wird durch die HLA-Moleküle, die von KIRs („killer immunglobulin-like receptors“) erkannt werden, inhibiert und ist sehr stringent durch die Balance zwischen Signalen von aktivierenden und hemmenden Rezeptoren auf ihrer Oberfläche moduliert. Die inhibitorischen Rezeptoren erkennen meist klassische bzw. nicht klassische MHC-Moleküle. Diese Rezeptor-Ligand-Interaktion schützt gesunde Zellen vor dem Zugriff durch NK-Zellen. Die NK-Zellen durchlaufen einen Prozess („education“), durch den die Funktion der NK-Zellen in Abhängigkeit von ihrer Sensitivität zur Inhibition durch MHC-Moleküle fein justiert wird.

Humane NK-Zellen können aufgrund der Expression von CD56 und CD16 in mehrere Subtypen, die sich funktionell unterscheiden, eingeteilt werden. Die NK-Zellen sind über die Bindung von Fc-Rezeptoren (FcγRIII, CD16) an die Fc-Rgionen von Antikörpern auf opsonierten Zielzellen maßgeblich an der antikörpervermittelten Zellzytotoxizität beteiligt. Dabei entsprechen die Mechanismen denen von zytotoxischen T-Lymphozyten, indem Perforine und Granzyme freigesetzt werden (Boudreau und Hsu 2018; Poli et al. 2018).

In den letzten Jahren wurden weitere Populationen von Lymphozyten Populationen ILC- beschrieben, die eine zentrale Rolle bei der Regulation von Immunantworten vor allem im peripheren Gewebe und Schleimhäuten spielen. Basierend auf phänotypischen und funktionellen Eigenschaften werden diese Zellen in drei Subpopulationen eingeteilt:

Ein wesentlicher Bestandteil des Tumormilieus sind die zu den myeloiden Zellen gehörenden monozytären Zellen. Diese Gruppe beinhaltet Makrophagen (Ostuni et al. 2015) und dendritische Zellen (DC) (Gardner und Ruffell 2016). Makrophagen üben wichtige Funktionen in der Gewebehomöostase und -reparatur sowie der Immunüberwachung aus. Bei den DC gibt es vier Hauptuntergruppen:cDC und moDC sind potente APC Zellen, die primäre Immunantworten induzieren, T Lymphozyten aktivieren und naive T-Lymphozyten in funktionelle Subtypen differenzieren können (TH1, TH2, TH9, TH17). Eine der Hauptfunktionen von pDC ist die Sekretion von Typ-I-IFN.

Tumorassoziierte Makrophagen (TAM) sind eine im Stroma vieler Malignome reichlich vorhandene Zellpopulation. Die Infiltration mit TAM weist bei vielen, aber nicht allen, humanen Tumortypen auf eine schlechte Prognose hin (Zhang et al. 2012). TAM leiten sich von zwei verschiedenen Ursprungszellen ab:Die meisten Studien deuten darauf hin, dass der überwiegende Anteil der TAM monozytären Ursprungs ist. TAM produzieren Wachstumsfaktoren und Zytokine, die die Proliferation und das Überleben von Tumorzellen fördern. Zu diesen gehören „epidermal growth factor“ (EGF), TNF-α, IL-6 und IL-11. Weiterhin begünstigen sie durch die Freisetzung von Matrixmetalloproteinasen und Cathepsinen die lokale Tumorausbreitung und Metastasierung. Proangiogene Mediatoren, wie beispielsweise „vascular endothelial growth factor A“ (VEGFA), Semaphorin-4D (SEMA4D) und IL-8 verbessern, die Sauerstoff- und Nährstoffversorgung von Tumorzellen. TAM können auch durch unterschiedliche Prozesse die antitumorale T-Zell-Antwort hemmen. So produzieren sie die immunsuppressiven Faktoren IL-10, TGF-β und Prostaglandin E2 (PGE2). Ein weiterer wichtiger Mechanismus ist die Expression von Arginase 1, die die lokale Verfügbarkeit der für die T-Zell-Funktion wichtigen Aminosäure L-Arginin einschränkt. TAM können außerdem die Apoptose von T-Zellen fördern, indem sie auf ihrer Zelloberfläche den inhibitorischen Liganden „programmed cell death 1 ligand 1“ (PD-L1) exprimieren (Zhang et al. 2012).

Im Vergleich zu TAM ist die Anzahl an DC im Tumormilieu deutlich geringer. Bei den DC ist die Funktion von cDC1 am umfangreichsten untersucht. cDC1 sind für die Erzeugung einer De-novo-T-Zell-Antwort gegen Tumoren essenziell. Im Tumorgewebe akquirieren sie Tumorantigene und transportieren sie zu den drainierenden Lymphknoten. Dort werden die Antigene über MHC Klasse-I-Moleküle kreuzpräsentiert, um zytotoxische T-Zellen zu aktivieren. Entsprechend ist eine hohe Dichte an DC im Tumorstroma mit einer erhöhten T-Zell-Aktivierung assoziiert (Gardner und Ruffell 2016).

Zytokine sind Proteine, die die Differenzierung und die Proliferation von Zellen regulieren (Tab. 1). Sie sind essentiell für zahlreiche Immunantworten, wie z. B. Entzündungsprozesse, und können in fünf Gruppen unterteilt werden:Chemokine sind chemotaktische Zytokine. Sie enthalten eine Gruppe von Cystein-Resten, die Disulfidbrücken ausbilden können. Entsprechend der Anzahl und Position dieser Cystein-Reste leitet sich die Nomenklatur der Chemokine ab. Diese chemotaktischen Proteine binden an sieben transmembranäre G-Proteine, die von zahlreichen Zellarten, vor allem aber von Leukozyten, exprimiert werden. Chemokine interagieren mit spezifischen Chemokinrezeptoren und lösen so die Chemotaxis von Zellen entlang einem entsprechenden Gradienten aus.

In den letzten Jahrzehnten konnte eindrucksvoll dargelegt werden, dass Chemokine weit mehr als nur chemotaktische Migration und Zellakkumulation vermitteln. Sie sind unter anderem an zahlreichen pathophysiologischen Prozessen, wie der Entstehung, der Angiogenese, Homeostase und dem Progress von Tumoren beteiligt (Fernandez und Lolis 2002; Zlotnik und Yoshie 2000; Chen et al. 2018). Chemokine werden von der Tumorzelle selbst, von umgebenden Stroma- und Gewebszellen oder von infiltrierenden Immunzellen produziert. Ebenso werden Chemokine in den umgebenden lymphatischen Geweben produziert und regulieren sowohl die Migration von APC zum lymphatischen Gewebe hin als auch die Migration von Zellen aus Lymphknoten in das Tumorgewebe. Tumorzellen bedienen sich dieser Mechanismen, um ihr Wachstum und damit auch die Metastasierung zu regulieren (Zlotnik 2006). Hierbei spielt insbesondere die Expression von CXCR4 auf Tumorzellen sowie die Interaktion mit dessen Liganden CXCL12 eine wichtige Rolle. Darüber hinaus können Tumorzellen durch eine De-novo-Expression von CCR7 in benachbarte Lymphknoten einwandern (Kochetkova et al. 2009; Buonamici et al. 2009).

In Lymphknoten produzieren B-Zell-Follikel CXCL13, das zur CXCR5-vermittelten Rekrutierung von B-Zellen führt, während B-Zellen in der splenischen Marginalzone für ihre physiologische Positionierung von CXCR7 abhängig sind. In der T-Zell-Zone produzieren Fibroblasten und Zellen des retikuloendothelialen Systems CCL19, CCL21 und CXCL12 und vermitteln so die CCR7- und CXCR4-abhängige Lokalisation von T-Zellen und DC. Dies bedeutet, dass Chemokine auch ohne inflammatorischen Stimulus für die physiologische Rekrutierung und Lokalisation von Lymphozyten und antigenpräsentierenden Zellen in sekundären lymphatischen Organen wichtig sind (Chen et al. 2018).

Bei der Peptid-/Protein-Vakzination werden Peptide oder Proteine von Tumorantigenen in Kombination mit unterschiedlichen Adjuvanzien als Impfstoff verabreicht. Aus theoretischer Sicht erscheinen Impfstrategien mit Tumorpeptiden/-proteinen überzeugend, da die Herstellung dieser Impfstoffe sehr einfach ist und Vakzinationen mit Peptiden oder Proteinen in der Regel sehr gut vertragen werden (Makkouk und Weiner 2015). In bisherigen Peptid-/Protein-Vakzinationsstudien wurden häufig MHC-Klasse-I-restringierte Peptidepitope von TAA verwendet (Butterfield 2015). Mit Ausnahme der Peptid-Vakzine Rindopepimut lieferten die meisten peptid-/proteinbasierten Vakzinationsforschungsansätze bisher enttäuschende Ergebnisse und wurden daher nicht bis zu ihrer klinischen Testung weiterentwickelt (Makkouk und Weiner 2015; Disis 2014; Mellman et al. 2011).

Bei der zellbasierten Vakzination dienen Zellen oder Zelllysate als Impfstoff. Hierbei erscheinen Vakzinationsstrategien auf der Basis von autologen DC, den effektivsten APC des Immunsystems, besonders interessant. Bei dieser Vakzinationsstrategie werden DC-Vorläuferzellen aus dem Blut des zu behandelnden Patienten entnommen, in vitro zur Vermehrung und Reifung und zur Präsentation tumorspezifischer Antigene gebracht. Die so vorbehandelten Zellen werden anschließend dem Patienten reinfundiert (Disis 2014). Die einzigen Vakzine überhaupt, die bis heute als Tumorimpfstoff zuglassen wurde, ist das DC-basierte Vakzin Sipuleucel-T zur Therapie des Prostatakarzinoms. Weitere DC/APC-basierte Vakzinationsstrategien sind in fortgeschrittener klinischer Testung (Disis 2014; Weber 2014). Andere zellbasierte Vakzinationsansätze, wie beispielsweise Impfungen mit autologen oder allogenen ex vivo bestrahlten Tumorzellen, erwiesen sich in bisherigen Untersuchungen als enttäuschend (Disis 2014).

Genetische Vakzinationsansätze (DNA/RNA/virusbasiert) induzieren in somatischen Zellen oder DC die Expression von Tumorantigenen und deren Präsentation im Kontext mit MHC-I- und -II-Molekülen. Hierdurch kann eine direkte Immunantwort gegen Tumorzellen ausgelöst werden (Disis 2014). Erste klinische Studien mit RNA-basierten Impfansätzen sind vielversprechend und lassen auf ein überlegenes Nebenwirkungsprofil gegenüber anderen genetischen Impfstrategien (DNA-/virusbasierte Vakzinen) schließen. Derzeit befinden sich mehrere RNA-basierte Impfstoffe zur Behandlung des Melanoms, des Prostata-, Nierenzell- sowie kleinzelligen Lungenkarzinoms in klinischer Prüfung (Disis 2014; Sahin et al. 2014).

Schon lange ist bekannt, dass das Vorhandensein von tumorinfiltrierenden Lymphozyten (TIL) mit einer guten Prognose von Tumorerkrankungen assoziiert ist und dass humane T-Zellen aus Tumorgewebe eine selektive Antitumoraktivität aufweisen. 1988 wurde zum ersten Mal in einer Pilotstudie nachgewiesen, dass der ACT von ex vivo kultivierten und expandierten TIL eine Regression unterschiedlicher solider Tumoren hervorrufen kann (Topalian et al. 1988). Seit dieser Zeit schreitet die Entwicklung des ACT mit TIL – vorrangig vorangetrieben am National Cancer Institute, USA – langsam, aber kontinuierlich voran (Rosenberg und Restifo 2015).

Neben den Ex-vivo-Kulturbedingungen von TIL wurden in vielfältiger Weise auch die Präkonditionierung der Patienten und die Koinfusion von T-Zell-aktivierenden Zytokinen modifiziert (Abb. 2; Duong et al. 2015). Präklinische und klinische Studien zum ACT von TIL belegen mittlerweile beeindruckende klinische Ansprechraten von etwa 50 % und anhaltende Remissionsraten beim metastasierten Melanom (Dudley et al. 2008; Rosenberg et al. 2011).

Die klinische Entwicklung auf diesem Gebiet ist mittlerweile bis zu Phase-III-Studien vorangeschritten. So wurde Ende 2014 eine internationale randomisierte Phase-III-Studie zur Behandlung von Patienten mit metastasiertem Melanom initiiert, in der die Wirksamkeit einer TIL-Therapie mit der einer Checkpunkt-Inhibitor-Therapie (Ipilimumab) verglichen wird (NCT02278887; June et al. 2015). Leider lassen sich die für das Melanom nachgewiesenen guten Therapieerfolge bisher nur begrenzt auf andere Tumorentitäten übertragen (Duong et al. 2015).

Mittels moderner molekularbiologischer Analysen konnte kürzlich gezeigt werden, dass melanomregressionsinduzierende TIL polyklonale T-Zell-Populationen darstellen, die unterschiedliche Neoantigene auf Melanomzellen erkennen (Rosenberg und Restifo 2015). Der Befund bestätigt die schon lange postulierte Annahme, dass Neoantigene auf Tumorzellen Hauptzielstruktur der Erkennung durch das Immunsystem sind (Lennerz et al. 2005; Wölfel et al. 1995). Dies erklärt möglicherweise das gute Ansprechen einer ACT-Therapie mit TIL beim Melanom, einer Tumorentität mit höchster Mutationslast, und deren begrenzte Wirksamkeit bei Tumorarten mit geringeren Mutationsraten. Möglicherweise wird die Etablierung von Verfahren zur Selektion neoantigenreaktiver TIL zukünftig zu verbesserten therapeutischen Erfolgen auch bei anderen Tumorentitäten führen (Rosenberg und Restifo 2015).

Die Idee der genetisch veränderten T-Zellen wurde entwickelt, um T-Zellen gezielt und unmittelbar auf Tumorzellen anzusetzen (Abb. 2b). Die Herstellung von TZR-modifizierten T-Zellen erfolgt durch Transfektion oder Transduktion autologer T-Zellen mit Vektoren, die für tumorspezifische α/β-TZR kodieren. Diese lassen sich mithilfe unterschiedlicher Methoden isolieren (Kuball et al. 2005; Morgan et al. 2006; Parkhurst et al. 2009; Robbins et al. 2011; Stanislawski et al. 2001). Jeder Patient, dessen Tumor das Tumorantigen sowie das korrekte MHC-Allel exprimiert, kann von einer solchen Therapie profitieren. Bei der hierzu komplementären Strategie der CAR-modifizierten T-Zellen werden CAR-Gene in autologen T-Lymphozyten zur Expression gebracht.

CAR sind transmembrane Einzelkettenfusionsproteine, deren Kernstück eine extrazelluläre Antikörper-(Ak-)Bindungsstelle ist, die im Gegensatz zu konventionellen TZR eine intakte Oberflächenstruktur auf Tumorzellen erkennt. Diese Ak-Bindungsstelle ist über eine Transmembranregion mit ein bis drei intrazytoplasmatischen TZR-Signalregionen verbunden. Sie dienen der Initialisierung der T-Zell-Aktivierung.

CAR-modifizierte T-Zellen werden in vivo nach Kontakt mit ihrem Antigen MHC-unabhängig aktiviert und proliferieren. Dies kann zur Tumorzelllyse und zur Ausbildung eines antigenspezifischen Immungedächtnisses führen (Duong et al. 2015). Als autologe Rezipientenzellen dienen i. d. R. α/β-T-Zellen. Heute wird angenommen, dass insbesondere T-Zellen in frühen Differenzierungsstadien (naive und zentrale Gedächtnis-T-Zellen) für den ACT mit genmodifizierten T-Zellen besonders geeignet sind (June et al. 2015).

Mehrere Pilotstudien mit TZR-modifizierten T-Zellen deuten auf ein gutes Ansprechen verschiedener solider und hämatologischer Tumoren auf diese Therapiestrategie hin; zu diesen zählen Melanome, Synovialsarkome, multiple Myelome, kolorektale und Leberzellkarzinome (Duong et al. 2015). Klinische Studien mit CAR-modifizierten T-Zellen wurden bislang überwiegend mit Anti-CD19-Spezifität zur Behandlung akuter und chronischer lymphatischer Leukämien durchgeführt. Bei einem erheblicher Anteil der Patienten führte diese Therapiestrategie zu einer vollständigen Tumorregression. Aber auch Studien mit CAR-modifizierten T-Zellen anderer Spezifität wurden bereits initiiert, so etwa zur Therapie von Non-Hodgkin-Lymphomen (CD20), Neuroblastomen (GD2, CD171), akuten myeloischen Leukämien (Lewis Y), Nieren- (Carboanhydrase IX), Kolon- (erbB2) und Ovarialkarzinomen (anti-FR) und zahlreiche andere (Duong et al. 2015). Einige dieser Therapieansätze werden zurzeit in Phase-II-Studien überprüft (Rosenberg und Restifo 2015).

Der ACT mit genmodifizierten T-Zellen geht allerdings bisher häufig mit Nebenwirkungen einher. So können starke Immunreaktionen gegen gesundes Zielgewebe ausgelöst werden, wenn das Zielantigen nicht exklusiv auf Tumorzellen exprimiert wird („on-target toxicity“) oder bei Kreuzreaktivitäten. Auch Neurotoxizitäten sind weitere oft beobachtete Nebenwirkungen (Barrett et al. 2015). Die insbesondere unter CAR-modifizierten T-Zellen auftretenden schweren Nebenwirkungen einer behandlungsbedingten massiven T-Zell-Aktivierung und einer damit einhergehenden übermäßigen Zytokinausschüttung lassen sich mittlerweile mit Tocilizumab, einem monoklonalen Antikörper gegen den IL-6-Rezeptor, gut behandeln.

Aufgrund der vielversprechenden Studienergebnisse von CAR-modifizierten T-Zellen bei hämatologischen Neoplasien ist offen, ob dieser Therapieansatz in naher Zukunft das Spektrum onkologischer Behandlungsstrategien erweitern wird (Rosenberg und Restifo 2015). Bei soliden Tumoren konnte sich der ACT mit genetisch veränderten T-Zellen bisher noch nicht auf breiter Ebene durchsetzen. Grund hierfür sind die fehlenden, exklusiv auf Tumorzellen exprimierten Antigene. Erste Studienergebnisse mit NY-ESO-1-spezifischen TZR-modifizierten T-Zellen lassen auch „cancer testis antigens“ als aussichtsreiche Tumorantigene erscheinen (Robbins et al. 2011). Möglicherweise machen in naher Zukunft moderne molekularbiologische Techniken die Entwicklung von patientenindividuellen neoantigenspezifischen Rezeptoren für den ACT möglich (Rosenberg und Restifo 2015).