Kompendium Internistische Onkologie
Autoren
Wolfgang Herr und Peter Brossart

Tumorvakzine

Das Immunsystem und seine Steuerungsfunktionen sind von zentraler Bedeutung für die Entstehung und den Verlauf von Tumorerkrankungen. Zahlreiche Tumorvakzinen wurden zur Verstärkung des Immunsystems entwickelt, um Tumorerkrankungen wirksam zu verhindern oder zu bekämpfen. Mittels Tumorvakzinen der ersten Generation wurden vereinzelt ermutigende klinische Ergebnisse erzielt. Aktuelle Studien prüfen optimierte Tumorvakzinen sowie deren Kombination mit anderen Tumor-Immuntherapien.

Grundlagen und Rationale

Verschiedene klinische Beobachtungen unterstützen die Hypothese, dass das Immunsystem bei der Bekämpfung von malignen Tumoren eine wichtige Rolle spielt. Hierzu zählen:
  • Sporadisches Auftreten von spontanen Tumorremissionen im natürlichen Verlauf einer Tumorerkrankung
  • Erhöhte Inzidenz von Malignomen unter intensiver immunsuppressiver Therapie
  • Signifikante Tumorrückbildungen unter immunmodulatorischer Therapie mit Immuncheckpoint-modulierenden Antikörpern respektive mit Zytokinen (z. B. IFN-α, IL-2)
  • Graft-versus-Leukemia-Effekt nach allogener hämatopoetischer Blutstammzelltransplantation
Als Mediatoren einer Tumorabwehr kommen prinzipiell die Zellpopulationen des angeborenen und erworbenen Immunsystems infrage. Die wesentlichen Effektorzellen des erworbenen Immunsystems sind antigenspezifische B- und T-Lymphozyten. Eine spezifische Interaktion von T-Lymphozyten mit Tumorzellen wurde erstmals in vitro in „mixed lymphocyte tumor cell cultures“ (MLTC) beobachtet. Hier gelang es, durch mehrwöchige Kokultur von Blutlymphozyten und letal bestrahlten autologen Tumorzellen in Anwesenheit des T-Zell-Wachstumsfaktors IL-2 CD8+ T-Lymphozyten zu expandieren, die autologe Tumorzellen spezifisch lysierten. Als Zielstrukturen dieser lytischen Reaktivität wurden Peptidantigene mit einer Länge von 9–14 Aminosäuren identifiziert, die in Assoziation mit HLA-Klasse-I-Molekülen auf der Tumorzelloberfläche exprimiert werden. Durch Verfeinerung der Kulturbedingungen gelang auch die Anzüchtung tumorreaktiver CD4+ T-Lymphozyten, die Tumorzellen über 12–25 Aminosäuren lange Peptidantigene in Assoziation mit HLA-Klasse-II-Molekülen erkennen. Mithilfe der molekularen Immunologie wurde eine sehr große Anzahl dieser tumorassoziierten Antigene (TAA) identifiziert. Es zeigte sich dabei, dass die Peptidantigene der TAA („Epitope“) aus intrazellulären Proteinen entsprechend dem individuellen Muster der vom Tumorpatienten exprimierten HLA-Moleküle generiert werden (Haen und Rammensee 2013).

Tumorassoziierte Antigene

Aufgrund ihrer Entstehungsursache und ihres Gewebeexpressionsmusters teilt man die von CD4+ oder CD8+ T-Lymphozyten erkannten TAA in unterschiedliche Kategorien ein (Coulie et al. 2014; Ilyas und Yang 2015):
  • Die Cancer-Testis-(CT-)Antigene werden in verschiedenen soliden Tumoren (Melanom, Bronchialkarzinom, Kopf-Hals-Tumor etc.) sowie Hämatoblastosen (Non-Hodgkin-Lymphom, multiples Myelom etc.) exprimiert, nicht aber in Normalgeweben mit Ausnahme des immunologisch privilegierten Hodengewebes. Neben dieser weitgehend tumorrestringierten Expression zeigen CT-Antigene eine Zunahme ihrer Expression im Rahmen der Metastasenbildung. Beispiele für CT-Antigene sind MAGE, BAGE, GAGE und NY-ESO-1.
  • Gewebespezifische Differenzierungsantigene werden sowohl in Tumorzellen als auch in normalen Körperzellen exprimiert und weisen in der Regel keine Mutationen auf. Beispiele sind die Melanozytendifferenzierungsantigene gp100, MelanA/MART-1 und Tyrosinase sowie das prostataspezifische Antigen (PSA). Ex existieren des Weiteren strukturell nicht alterierte TAA, die in Tumoren gegenüber Normalgeweben überexprimiert werden und zum Teil eine wichtige Rolle im Rahmen der Onkogenese spielen, wie beispielsweise HER-2/neu, p53 oder CEA (überexprimierte Selbstantigene).
  • Eine weitere Gruppe von TAA wird zwar durch strukturell normale Gene kodiert, jedoch entstehen in Tumoren antigene Peptide durch Veränderungen in der Transkription und Translation, so durch alternative Leserahmen oder alternatives RNA-Spleißen. Beispiele hierfür sind TRP-1 beim Melanom und die intestinale Carboxylesterase beim Nierenzellkarzinom.
  • Als tumorspezifische Neoantigene wurden Mutationen normaler Gene identifiziert, die im individuellen Patienten eine T-Zell-vermittelte Reaktivität gegen das mutierte Genprodukt hervorrufen, so beispielsweise CDK4-R24C, β-Catenin und MUM-1 beim Melanom sowie der Immunglobulin-Idiotyp bei Non-Hodgkin-Lymphomen. Daneben wurde gezeigt, dass auch Genprodukte aus rekombinierten Antigenen, wie z. B. BCR-ABL bei der chronischen myeloischen Leukämie, durch tumorreaktive T-Zellen erkannt werden.
  • Auch aus onkogenen Viren (humanes Papillomavirus [HPV], Epstein-Barr-Virus [EBV]) wurden Genprodukte identifiziert, die Zielstrukturen tumorreaktiver T-Zellen darstellen. Exemplarisch hierfür sind die Antigene HPV-E6, HPV-E7 und EBV-LMP2.
Es wurde am Beispiel von Tumorzelllinien, die aus operativ entfernten Metastasen etabliert wurden, gezeigt, dass TAA unterschiedlicher Kategorien auf Tumoren simultan exprimiert und von autologen CD4+ und CD8+ T-Lymphozyten erkannt werden können.

Vakzination mit tumorassoziierten Antigenen

Neben tierexperimentellen Evidenzen ist die Entdeckung humaner TAA als Zielstrukturen der spezifischen antitumoralen Immunität Rationale und Motivation zugleich, Tumorpatienten mit TAA zu vakzinieren. Eine solche aktive Immunisierung zielt auf die Überwindung der Ignoranz des Immunsystems gegenüber dem im Patienten vorhandenen Tumor und stellt damit konzeptionell eine therapeutische Impfung dar. Des Weiteren gibt es die Rationale zur prophylaktischen Impfung, bei der gesunde Personen zur Vorbeugung einer Infektion mit onkogenen Viren geimpft werden (z. B. Vakzination gegen HPV und Hepatitis-B-Virus). Erreicht werden soll bei der Impfung das Einbringen des Impfantigens in die Umgebung von professionellen antigenpräsentierenden Zellen (APZ), z. B. dendritischen Zellen (DC) der Haut, die das Antigen in die Lymphknoten tragen, wo sie antigenspezifische T-Lymphozyten stimulieren. Durch diesen Kontakt differenzieren antigenspezifische T-Zellen in Effektorlymphozyten, die im Rahmen einer systemisch wirksamen Immunantwort Tumorgewebe in der Peripherie infiltrieren, zerstören und dabei Protektion vermitteln sollen.
Die molekulare Identifizierung der TAA führte zu klinischen Phase-I/II-Studien, in denen Tumorpatienten im fortgeschrittenen Krankheitsstadium mit einzelnen TAA vakziniert wurden (Haen und Rammensee 2013). Die Impfstudien wurden bei Patienten mit unterschiedlichsten Tumorentitäten und verschiedenen Antigenkategorien (s. oben) durchgeführt. Es kamen hierbei unterschiedliche Antigenformate (Peptid, Protein, RNA, DNA, Antigen im viralen Vektor etc.) sowie unterschiedliche Applikationsrouten (intradermal, subkutan, intravenös, intranodal) zur Anwendung. Generell war die Verträglichkeit der Impfungen gut, und es wurden keine ernsthaften Nebenwirkungen beobachtet. Beim malignen Melanom kam es unter Vakzination mit Melanozytendifferenzierungsantigenen in vereinzelten Fällen zum Auftreten einer Vitiligo, was mit der Induktion oder Verstärkung einer antimelanozytären Immunantwort erklärt wird. Auch wenn konzeptionell die Rückbildung von Tumormanifestationen nicht das primäre Ziel dieser Pilotstudien sein konnte, wurden unter Vakzination mit einzelnen TAA bei einem Teil der Patienten geringe, partielle und auch komplette Tumorremissionen beobachtet. Diese Rückbildungen traten vorwiegend bei Haut- und Lungenmetastasen und seltener bei Leber- und Knochenmetastasen auf. In begleitenden In-vitro-Untersuchungen der vakzineinduzierten Immunantwort konnte zumeist keine überzeugende Korrelation von günstigem klinischem Verlauf mit objektiv messbaren immunologischen Parametern gefunden werden. Die Impfstudien mit CEA beim kolorektalen Karzinom und mit PSA beim Prostatakarzinom lieferten ähnliche Ergebnisse.
Werden Differenzierungsantigene oder überexprimierte Selbstantigene zur Vakzination eingesetzt, müssen wesentliche Einschränkungen berücksichtigt werden. Zum einen ist damit zu rechnen, dass auf peripherer oder zentraler Ebene eine immunologische Toleranz gegen diese Autoantigene besteht. Werden T-Zellen mit diesen Autoantigenen stimuliert, sind sie voraussichtlich von niedriger Affinität und Avidität, d. h. hinsichtlich ihrer tumordestruierenden Wirkung von eingeschränkter Potenz. Mögliche Ansatzpunkte, die Toleranz gegen Autoantigene zu brechen, sind die Verfremdung der Autoantigene durch Sequenzalteration oder die Kopplung an immunogene „Helfer“-Epitope. Ernsthafte Bedenken gegen eine Vakzination mit einem Autoantigen bestehen in der Gefahr, dass es prinzipiell zu einer klinisch relevanten Induktion von Autoimmunität gegen Normalgewebe kommen kann.
Mutierte oder durch genetische Rekombination entstandene Tumorneoantigene stellen theoretisch ideale Zielstrukturen für eine Vakzination dar. Wird eine Immunantwort gegen diese Antigene generiert, sollte sie nicht durch Mechanismen immunologischer „Selbst“-Toleranz eingeschränkt sein. Dabei erscheint es unwahrscheinlich, dass wegen der exklusiven Expression dieser Antigene im Tumorgewebe Autoreaktivität gegen Normalgewebe induziert wird. Ein Beispiel für eine Vakzination mit einem tumorspezifischen Antigen ist die Impfung mit dem Idiotyp-Immunglobulin bei Patienten mit B-Zell-Lymphomen, die in einigen Fällen zu deutlichen Tumorremissionen führte (Timmerman et al. 2002). Vereinzelt wurde dabei über das Auftreten Idiotyp-spezifischer CD4+ und CD8+ T-Zellen sowie Antikörper berichtet, ohne dass bisher eine klare Korrelation zwischen vakzineinduzierter Immunantwort und klinischem Erfolg hergestellt werden konnte. Ein Nachteil einer Vakzination mit Tumorneoantigenen ist, dass ihr Auftreten zumeist individualspezifisch ist und damit in der Regel aufwendige Vorarbeiten zur tumorspezifischen Antigencharakterisierung und personalisierten Vakzineherstellung notwendig macht. Allerdings haben jüngere Arbeiten beim metastasierten Melanom und Glioblastom mithilfe neuer Technologien die Machbarkeit der Herstellung personalisierter Tumorvakzinen auf der Grundlage individualspezifischer Mutationen im autologen Tumorgewebe gezeigt (Sahin et al. 2017; Sahin und Türeci 2018; Hilf et al. 2018). Erste Pilotstudien mit diesen autologen Mutanomvakzinen erbrachten den Nachweis, dass die Impfung von Patienten mit autologen tumorspezifischen Neoepitopen sicher und verträglich ist und in praktisch sämtlichen Patienten sehr effektiv tumorspezifische T-Lymphozyten stimuliert. Bei einigen Patienten wurden unter Vakzination signifikante Tumorrückbildungen beobachtet (Sahin et al. 2017).
Für onkogene Viren, die Tumorerkrankungen auslösen können, ist die Impfung – wie z. B. bei HPV und Hepatitis-B-Virus – eine sehr effektive präventive Maßnahme. Im Vergleich hierzu ist die Impfung bei Patienten mit bereits etablierter Tumorerkrankung deutlich weniger erfolgversprechend. Beispielsweise wurden Patienten mit HPV-positiven Tumoren mit TAA aus den von HPV kodierten Onkoproteinen E6 und E7 geimpft. Die überzeugendsten Ergebnisse lieferte eine Studie bei Patientinnen mit intraepithelialen Neoplasien der Vulva, die meist durch HPV-16-Infektionen ausgelöst werden. Hier konnte durch eine Vakzinierung mit langen Peptiden aus den Onkoproteinen E6 und E7 nach 3 Monaten bei 12 von 20 immunisierten Patientinnen eine Remission der Läsionen und eine klinische Verbesserung der Symptomatik erzielt werden. 5 Frauen hatten eine komplette Remission. Nach einem Jahr betrug die Remissionsrate 79 % mit 47 % kompletten Remissionen. Bei allen Patientinnen wurden vakzineinduzierte antigenspezifische CD4+ und CD8+ T-Zellen nachgewiesen (Kenter et al. 2009).
Die erste klinische Phase-III-Studie, die 2010 zur Zulassung einer Impftherapie bei metastasierter Tumorerkrankung durch die amerikanische Zulassungsbehörde FDA geführt hat, wurde bei Patienten mit Prostatakarzinom durchgeführt (Kantoff et al. 2010): In der IMPACT-Studie wurden 512 Patienten mit kastrationsresistentem Prostatakarzinom 2:1 randomisiert. Patienten, die die zelluläre Vakzine Sipuleucel-T (bestehend aus autologen dendritischen Zellen, ex vivo beladen mit einem Fusionsprotein aus prostataspezifischer saurer Phosphatase und Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierendem Faktor) erhielten, hatten ein um 4,1 Monate verbessertes Überleben, obwohl es keinen Unterschied im progressionsfreien Überleben im Vergleich zum Kontrollarm gab; ein Phänomen, das man häufiger bei Immuntherapien beobachtet.
Werden Tumorpatienten mit einem einzelnen Tumorantigen vakziniert, muss bedacht werden, dass sich in vivo die Antigenität eines Tumors im zeitlichen Verlauf einer Erkrankung verändern kann, beispielsweise indem Tumoren einzelne oder mehrere Antigene oder HLA-Moleküle verlieren. Das Auftreten und der selektive Progress von Antigenverlustvarianten in Tumoren wurde insbesondere bei der Impfung mit Differenzierungsantigenen beobachtet und als „Immune escape“-Phänomen gedeutet. In diesem Sinne wäre für ein ideales Tumorantigen zu fordern, dass seine Expression im Verlauf der Tumorprogression oder Metastasierung zunimmt (z. B. CT-Antigene) oder zumindest stabil bleibt. Letzteres läge dann vor, wenn die Expression des Antigens für den Fortbestand der Tumorzellen essenziell ist, wie beispielsweise Rezeptorkinasen oder Onkoproteine. Vorteilhaft erscheint ebenfalls eine Strategie, die auf eine simultane Immunisierung mit mehreren Tumorantigenen setzt (Multiepitopvakzine).

Tumorvakzination – Aufgaben an zukünftige klinische Studien

Die Ergebnisse der bisherigen klinischen Studien zur Tumorvakzination sind insgesamt ermutigend. Neben einer allgemein guten Verträglichkeit und Sicherheit berichteten die meisten Autoren, dass es in einem signifikanten Anteil der geimpften Patienten zur Rückbildung zumindest eines Teils der Metastasen kam. Dies konnte insofern nicht a priori erwartet werden, da die überwiegende Anzahl dieser Studien bei Patienten mit weit fortgeschrittener Tumorerkrankung durchgeführt wurde. Entgegen den zur Prävention viraler oder bakterieller Infektionen erfolgreich durchgeführten prophylaktischen Impfungen besteht die ungleich schwierigere Aufgabe einer therapeutischen Tumorvakzination darin, eine wirksame Immunreaktion gegen eine etablierte Erkrankung zu induzieren. Es muss dabei mit Phänomenen der Toleranz, Anergisierung und Ignoranz des Immunsystems gegenüber Tumorgewebe sowie der im Vergleich zu viralen Antigenen schwächeren Immunogenität der meisten TAA gerechnet werden. Bisher lassen die bezüglich Vakzinedesign sehr heterogenen und bezüglich Patientenzahl zumeist kleinen Pilotstudien keine klare Aussage zu, welche Tumorvakzine hinsichtlich ihrer immunologischen und klinischen Effekte am wirkungsvollsten ist. Zwar waren in den meisten Studien vakzineinduzierte Immunantworten im Blut der Patienten nachweisbar, es fehlte jedoch zumeist die überzeugende Korrelation ihres Auftretens mit den klinisch fassbaren Tumorremissionen, sodass ihre Bedeutung für eine Tumordestruktion unklar bleiben muss. Offene Fragen bestehen demnach unverändert hinsichtlich Antigenkategorie, Format, Dosis, Verweildauer, Adjuvans, Applikationsroute und Zeitplan zur Verabreichung eines Tumorimpfantigens (Gouttefangeas und Rammensee 2018). Einer der aktuell interessantesten Strategieansätze ist sicherlich die Kombination aus antigenspezifischer Tumorvakzine und den bei mehreren Tumorentitäten mittlerweile klinisch zugelassenen Immuncheckpoint-modulierenden Antikörpern. Auch wenn erste klinische Studien noch keinen durchschlagenden Erfolg vermelden konnten (Hodi et al. 2010), so ist die Kombinationstherapie aus Vakzine und Immuncheckpoint-Antikörpern zur synergistischen Verstärkung und antigenspezifischen Fokussierung der Tumorimmunabwehr unverändert ein sehr attraktives Konzept, das derzeit in vielen klinischen Studien exploriert wird.
Die Abb. 1 gibt eine Übersicht über die Entwicklung von Tumorvakzinen.
Basierend auf den Erfahrungen bei der Erforschung der antiviralen Immunität dürfte die Generierung einer koordinierten und durch CD4+ sowie CD8+ T-Zellen vermittelten Tumorimmunität eine wichtige Voraussetzung für eine effektive tumordestruierende Immunantwort sein (Melief et al. 2015). Dies unterstreicht die Notwendigkeit, in klinischen Impfstudien neben den Epitopen von CD8+ T-Zellen auch die der CD4+ T-Helfer-Zellen zu integrieren. Sollten die einzelnen Epitope eines Tumorantigens nicht in ausreichendem Umfang charakterisiert sein, erscheint eine Vakzination mit dem kompletten Tumorantigen (z. B. als Protein, RNA oder DNA) sinnvoll. Allerdings muss dabei bedacht werden, dass professionelle APZ den T-Lymphozyten möglicherweise nicht die von Tumorzellen exprimierten Epitope präsentieren, da sie für die Antigenprozessierung das Immunproteasom und nicht das in Tumorzellen vorhandene konstitutive Proteasom verwenden.
Allgemein ist akzeptiert, dass eine sorgfältige Analyse der vakzineinduzierten Immunantwort für eine Optimierung von Tumorimpfungen hilfreich sein wird. Dabei interessiert zunehmend nicht nur die Frequenz antigenspezifischer T-Lymphozyten im peripheren Blut, sondern es müssen Kenntnisse über deren Reifungsgrad anhand von Oberflächenmarkern und deren Funktionalität, wie z. B. Zytokinsekretion, lytische Aktivität und regulatorische Aufgaben, gewonnen werden. In den Blickpunkt der Untersuchungen rückt auch die Frage, ob die durch Impfung induzierten T-Zellen die Fähigkeit zur Infiltration und Destruktion des Tumors im peripheren Gewebe („tumor microenvironment“) besitzen. Hierzu wurden sensitive Bioassays etabliert, die niedrigfrequente, antigenspezifische T-Zellen in ex vivo Lymphozyten aus Blut oder Gewebe im Sensitivitätsbereich zwischen 0,01 und 0,1 % nachweisen können (Yee et al. 2001; Phetsouphanh et al. 2015). Bei der Fülle der eine Immunantwort charakterisierenden Parameter scheint die Anwendung eines einzelnen Testsystems unzureichend, so dass zunehmend die gewonnenen Blut- und Gewebeproben mit unterschiedlichen und zum Teil noch zu etablierenden Bioassays analysiert werden müssen. Ziel dieser Untersuchungen muss sein, die Voraussetzungen für die Induktion und Aufrechterhaltung einer protektiven, tumordestruierenden Immunantwort zu verstehen. Dabei darf nicht außeracht gelassen werden, dass für eine wirksame Immunantwort gegen Tumorgewebe neben spezifischen B- und T-Lymphozyten möglicherweise auch die Effektoren des angeborenen Immunsystems wie NK-Zellen, Makrophagen und Granulozyten notwendig sind. In diesem Sinne müssen die Schnittstellen von angeborener und erworbener Immunität besser charakterisiert werden, damit beide Effektorarme des Immunsystems in koordinierter Weise in ein immuntherapeutisches Konzept zur Tumorbekämpfung integriert werden können.
Tumorzellen besitzen vielseitige Möglichkeiten, sich der Zerstörung durch immunologische Effektorzellen zu entziehen. Hierzu zählen der Verlust von HLA-Molekülen oder Tumorantigenen sowie die Sekretion immunsuppressiver Zytokine wie IL-10 und TGF-β. Auch hier bedarf es der Entwicklung wirksamer Strategien, die einem „Immune escape“-Mechanismus der Tumoren entgegenwirken (van der Burg et al. 2016). Insgesamt wird es nur der umfassende, beiderseitige Blick auf Immunsystem und Tumor ermöglichen, die komplex regulierte Immunantwort eines Tumorpatienten zu verstehen, um sie anschließend zu seinem Vorteil beeinflussen zu können. Die bisher in Pilotstudien gemachten Erfahrungen deuten darauf hin, dass am ehesten Patienten mit niedriger Tumorlast von einer aktiven Immunisierung mit TAA profitieren werden. Daher wird es auch die Aufgabe zukünftiger Studien sein, den Stellenwert der Tumorvakzination in frühen Stadien der Tumorentstehung (z. B. prämaligne Läsionen) und in der adjuvanten Therapiesituation zu evaluieren (Finn 2018). Sobald Klarheit besteht, welche Antigenkategorien und Impfstrategien zuverlässig nachweisbare Effektor-T-Zell-Antworten induzieren, erscheinen randomisierte multizentrische Phase-III-Studien bei Tumorpatienten sinnvoll (Romero et al. 2016). Dann wird sich herausstellen, bei welchen Tumorerkrankungen aktive Immunisierungen gegen TAA im Vergleich zu konventionellen Therapieverfahren hinsichtlich der Überlebenszeit und der Lebensqualität der betroffenen Patienten einen Vorteil erbringen.
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