Individualisierte Immuntherapie von Tumorerkrankungen mittels Peptidimpfstoffen – Funktioniert das vielleicht doch?

Fast jede Körperzelle hat HLA-Moleküle auf ihrer Zelloberfläche. Die physiologische Funktion dieser Strukturen ist es, Bruchstücke (Peptide genannt), die aus zellulären Eiweißen (Proteinen) entstammen, außen auf der Zelloberfläche zu zeigen und diese so T‑Zellen zugänglich zu machen (Abb. 1). Dadurch werden auch Veränderungen im Bestand dieser Peptide sichtbar und können so von T‑Zellen durchgemustert und erkannt werden. Diese Umstände führen dann dazu, dass etwa im Rahmen von Virusinfektionen oder bei malignen Erkrankungen neue dem Immunsystem bisher unbekannte Peptide gezeigt werden und dies dann zur Aktivierung virus- oder tumorspezifischer T‑Zellen führen kann, wodurch die infizierte bzw. veränderte Körperzelle dann abgetötet wird (Immunkontrolle).

Unter normalen Umständen präsentiert jede Körperzelle viele Tausend unterschiedliche Peptide, die wiederum aus Tausenden von Proteinen der jeweiligen Zelle entstammen. Solche Peptide werden dann auf ihren HLA-Klasse-I-Molekülen präsentiert (Abb. 1). Während des normalen Stoffwechsels der Zelle entstehen diese kurzen Peptide aus Proteinen vor allem im Proteasom, einem zellulären Proteinkomplex wo Proteine gespalten und dann fragmentiert wieder freigesetzt werden. Obwohl die meisten dieser Peptide vollständig abgebaut werden, können einige der Peptide, die zufällig als Liganden in die Bindungsfurche von HLA-Molekülen passen, auf die Oberfläche der Zelle transportiert und dort präsentiert werden (Abb. 2). Im Gegensatz dazu werden auf HLA-Klasse-II-Molekülen längere Peptide präsentiert, die auch aus von der Zelle aufgenommenen externen Proteinen abstammen können, außerdem lassen sie sich auch nur auf der Zelloberfläche von wenigen spezialisierten Zelltypen bzw. nach Zytokininduktion finden. Nur in Verbindung mit dem HLA-Molekül können Peptide von T‑Zellen erkannt werden (was als MHC-Restriktion bezeichnet wird). Physiologisch entstehende Peptide, also Proteinfragmente aus normalen zellulären Proteinen, werden von T‑Zellen in der Regel nicht erkannt, da diese T‑Zellen im Thymus bereits während der negativen Selektion entfernt wurden (Selbsttoleranz). Wird eine Zelle aber etwa durch Viren infiziert, finden sich unter den vielen Tausend verschiedenen Peptiden auf der Zelloberfläche auch solche mit viralen Sequenzen, die dann als nicht körpereigen identifiziert und zur Aktivierung virusspezifischer T‑Zellen führen können. Das beschriebene Szenario trifft im Prinzip auch für virusinduzierte Krebsentitäten zu, wobei allerdings die meisten Krebsarten nicht oder zumindest nicht bekanntermaßen virusbedingt sind. Trotzdem gibt es vermutlich bei allen Krebsarten tumorspezifische HLA-präsentierte Peptide, obwohl diese normalerweise unbekannt bleiben. Ein bekanntes Beispiel für solche tumorspezifischen Peptide sind sogenannte mutierte Neoantigene, womit allgemein Peptide gemeint sind, die somatische Mutationen im Krebsgenom repräsentieren.

Solche Peptide weisen eine veränderte Aminosäuresequenz auf, verglichen mit allen entsprechenden normalen Proteinen, und sie können folglich, weil sie nicht einer körpereigenen Aminosäuresequenz entsprechen, von T‑Zellen erkannt werden. Viele Hinweise sprechen dafür, dass dies auch bei den durch Immuncheckpoint-Inhibitoren vermittelten T‑Zellantworten eine zentrale Rolle spielt und das Ausmaß solcher Veränderungen deshalb mit deren klinischer Wirksamkeit korreliert [13]. Zudem finden sich häufig Peptide auf Tumorzellen, die zwar nicht mutiert sind, aber auf normalen Körperzellen nicht vorkommen [14, 15]. Die Entstehung solcher tumorspezifischen Peptide und ihre Präsentation an T‑Zellen kann viele verschiedene Ursachen haben [16], zumeist sind diese aber noch nicht hinreichend erforscht und deshalb noch unbekannt. Trotzdem erscheinen solche häufig vorkommenden nichtmutierten Peptide, genauso wie die mutierten HLA-präsentierten Peptide, von denen es in der Regel nur sehr wenige gibt, für die Entwicklung von therapeutischen Vakzinen geeignet.

Das HLA-System ist üblicherweise für seine Rolle im Rahmen von Transplantationen bekannt; insbesondere bei der allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation müssen die HLA-Eigenschaften von Spender und Transplantatempfänger zueinander passen. Die eigentliche Funktion des HLA ist aber die Antigenpräsentation (Abb. 1). So erkennen etwa CD8⁺-T-Zellen nur solche Peptide, wie sie auf den HLA-Klasse-I-Molekülen fast aller Körperzellen vorkommen. Die CD4⁺-T-Zellen erkennen dagegen nur Peptide auf HLA-Klasse-II-Molekülen, die normalerweise lediglich auf wenigen bestimmten Zelltypen vorkommen. Die HLA-codierenden Gene für die Klasse I umfassen HLA‑A, HLA‑B und HLA‑C und sind überaus polymorph; sie enthalten normalerweise über die Hälfte aller 4–5 Mio. der in der DNS codierten Einzelnukleotidpolymorphismen eines jeden Individuums [17]. Allein für die 3 HLA-Klasse-I-Loci (HLA‑A, HLA‑B und HLA-C) sind bisher knapp 17.000 verschiedene Allele beschrieben [18], zumeist werden davon pro Lokus beide Allele in Körperzellen exprimiert. Im besonderen Fall, wenn sich beide Allele entsprechen (Homozygotie), findet sich selbstverständlich nur ein einziges. Dadurch ergibt sich eine Vielfalt von allelspezifischen „Motiven“, weil verschiedene HLA-Moleküle durch ihre jeweiligen Bindungseigenschaften nur bestimmte Aminosäuren (Peptidspezifitäten) an definierten Stellen im präsentierten Peptid favorisieren (Abb. 2 illustriert die Motive einiger häufig vorkommender Allomorphe).

So weisen etwa HLA-A*02-gebundene Peptide die Aminosäuren Leucin (codiert als L) oder Isoleucin (I) sehr häufig an den Positionen 2 und 9 der Peptidsequenz auf. HLA-A*11-Moleküle favorisieren dagegen andere Aminosäuren, wie Lysin (K) oder Arginin (R), an Position 9 der Peptidsequenz. Aufgrund dieser Eigenschaften werden nun also durch die entsprechenden individuellen HLA-Moleküle nur ganz bestimmte Peptide selektiert und CD8⁺-T-Zellen präsentiert, um von diesen ggf. erkannt zu werden.

Diese Zusammenhänge sind für die Entwicklung neuer antigenspezifischer Krebsimmuntherapien essenziell. So lässt sich etwa davon ableiten, dass sich für viele Mutationen, die auf DNS-Ebene nachgewiesen werden können, keine entsprechenden Peptide auf den HLA-Molekülen von malignen Tumoren finden lassen. Beim malignen Melanom etwa findet sich beispielsweise nur ein minimal kleiner Anteil der genetischen Mutationen als mutiertes Neoantigen auf den HLA-Molekülen des Patienten repräsentiert wieder [19].

Auch für HLA-DR-, HLA-DQ- und HLA-DP-Moleküle (der Klasse II) gelten entsprechende Regeln. Die dort präsentierten Peptide sind zwar etwas weniger strikten Motivregeln unterworfen und HLA-Klasse-II-Moleküle sind etwas weniger polymorph als ihre HLA-Klasse-I-Gegenstücke – etwas über 7000 Allele sind bisher bekannt –, was aber auch in diesem Fall nur zu einer stichprobenartigen Auswahl von (Tumor‑)Antigenen führt. CD4⁺-T-Zellen, die solche HLA-Klasse-II-präsentierten Peptide erkennen können, nehmen ganz zentrale Funktionen des adaptiven Immunsystems wahr.

In der Konsequenz heißt das, dass bei der Entwicklung von Impfungen gegen maligne Tumoren ein undifferenziertes Vorgehen in der Regel ungeeignet ist, weshalb eine an die individuellen Gegebenheiten angepasste Strategie notwendig wird und jeweils geeignete tumorspezifische HLA-Peptide als Zielstrukturen im Einzelfall erst charakterisiert und ausgewählt werden müssen.

Es sind also die T‑Zellen, die gegen Krebszellen wirksam werden können. Was T‑Zellen erkennen, sind dabei stets MHC-restringierte Peptide, wie oben beschrieben. Würde man nun allerdings reine Peptide für eine Impfung gegen maligne Tumoren verwenden, wäre das Vorgehen mit Sicherheit ineffektiv, im schlimmsten Falle sogar kontraproduktiv, weil so T‑Zellen gehemmt werden könnten (Anergie). Entsprechend ist es für solche Impfstoffe unumgänglich, Adjuvanzien genannte Hilfsstoffe zu verwenden, die dazu geeignet sind, eine Immunantwort überhaupt erst zu induzieren und dann zu verstärken.

Immunisierungen mit Peptiden als mögliche Immuntherapie bei Krebs waren bisher nicht effektiv. Zahlreiche Antigenformulierungen und Rezepturen, etwa mit Proteinen, DNS, RNS, aber auch Virus- oder Bakterienkonstrukten, werden noch oder wurden bereits in klinischen Studien getestet, meistens kombiniert mit Adjuvanzien. Eine Übersicht über diese Ansätze findet sich in einem kürzlich publizierten Übersichtsartikel [20]. Was Peptidvakzinierungen betrifft, ist besonders die Verwendung einer Wasser-in-Öl-Emulsion (Letzteres ist auch als inkomplettes Freund-Adjuvans bekannt) als Erfolg versprechend beschrieben worden, insbesondere in Kombination mit Toll-like-Rezeptor(TLR)-Agonisten wie CpG (TLR9; [21]) oder Poly-IC (TLR3; [22]) sowie dem TLR2-Agonisten PAM₃Cys [23] und davon abgeleiteten Substanzen [24].

Bislang fehlen aber systematische vergleichende Untersuchungen zu unterschiedlichen Impfrouten, Adjuvanzien und Formulierungen von Vakzinen zur Induktion von Immunität gegen maligne Tumoren. Allerdings erscheint ein solcher Ansatz bislang auch nicht zweckmäßig, insbesondere vor dem Hintergrund, dass für viele Ansätze die Induktion von T‑Zellen zwar bereits gezeigt werden konnte und auch anekdotische Berichte über die Effektivität solcher Vakzinierungen existieren, bis heute aber keine effektive Strategie mit ausreichender Evidenz nachgewiesen werden konnte.

Im klinischen Alltag sind therapeutische Impfstoffe gegen Krebs mangels Erfolges bisher nicht etabliert. Im Gegensatz dazu stellen prophylaktische Impfungen gegen Krankheitserreger eine ganz wesentliche Errungenschaft dar und gehören zu den wichtigsten und effektivsten präventiven Maßnahmen der modernen Medizin. Trotz jahrzehntelanger intensiver Forschung an Impfstrategien gegen maligne Tumoren zeichnen sich bisher aber immer noch kaum klinische Erfolge ab und das Feld bleibt daher aktuell zersplittert und sehr komplex. Die seit der Einführung von immuncheckpoint-blockierenden Antikörpern erzielten Erfolge in bestimmten malignen Tumoren unterstreichen allerdings, dass Krebserkrankungen sehr wohl durch das Immunsystem kontrollierbar sind und effektiv bekämpft werden können. Allerdings haben sich alle diese Therapieansätze bisher nur bei wenigen bestimmten Krebserkrankungen als effektiv herausgestellt und sie sind daher längst nicht für alle Patienten Erfolg versprechend.

Da keine der bisher untersuchten Strategien einen klaren Nachweis für ihre Überlegenheit erbringen konnte, kommen grundsätzlich viele verschiedene Ansätze für eine Vakzinierung infrage. Entsprechend können die gewünschten Antigene beispielsweise in Form von DNS oder RNS codiert eingesetzt werden oder aber in ihrer eigentlichen natürlichen Form als Peptide verwendet werden. Weitere Möglichkeiten sind zellbasierte Therapien, etwa mittels viraler Vektoren oder beladener dendritischer Zellen.

Ein generisches Problem, das sich insbesondere im Kontext von Peptidvakzinen stellt, ist die Frage nach der richtigen Auswahl von geeigneten Zielantigenen für eine effektive T‑Zellantwort. Prinzipiell ist es möglich, nur ein einzelnes Antigen für einen Impfstoff auszuwählen, allerdings sprechen triftige Gründe dagegen. Beispielsweise erscheint der Einsatz von multiplen Antigenen schon deshalb sinnvoll, weil neben HLA-Klasse-I- auch HLA-Klasse-II-restringierte Peptide enthalten sein sollten, die eine CD4⁺-T-Zellantwort induzieren können und die für die Entwicklung einer produktiven Immunantwort wesentlich sind. Zudem können kurze Peptide, so wie sie auf HLA-Klasse-I-Molekülen natürlich vorkommen, verwendet werden, aber auch verlängerte Peptide können zum Einsatz kommen, von denen man annimmt, dass sie nach entsprechender Prozessierung zu spezifischen Immunantworten führen. Ein weiterer relevanter Vorteil von synthetischen Peptiden, im Vergleich zu verschiedenen anderen therapeutischen Ansätzen ist, dass Aminosäuresequenzen einen sehr genau definierbaren Wirkstoff darstellen, der grundsätzlich kurzfristig und nach spezifischen Vorgaben herstellbar ist. Andererseits wird dadurch natürlich auch das Spektrum möglicher Immunantworten begrenzt, was wiederum die Auswahl der Zielantigene sehr zentral macht. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist die Einschränkung, dass für die Auswahl von HLA-Klasse-I-Liganden der jeweilige persönliche HLA-Genotyp eine wesentliche Rolle spielt. Dies kann durch die individuelle Analyse von Zielstrukturen, beispielsweise durch eine massenspektrometrische Analyse von HLA-gebundenen Peptiden [29, 30], oder aber durch Stratifizierung der Patienten entsprechend ihres HLA-Allotyps adressiert werden. Vakzinierungsstudien mit solchen synthetischen Peptiden in verlängerter Form zeigten bei Frühformen des Vulvakarzinoms eine klinische Wirksamkeit. Allerdings muss hier als Einschränkung beachtet werden, dass in diesem Fall die durch die Impfung induzierte T‑Zellimmunität primär gegen das ursächliche humane Papillomvirus 16 (HPV 16) und nicht gegen die zellulären Tumorantigene gerichtet war [31].

Zusätzlich wurden aus genomischen Mutationen in malignen Melanomen HLA-bindende Peptide vorhergesagt und diese dann als synthetische Peptidimpfstoffe individualisiert hergestellt und gemeinsam mit dem TLR3-Agonisten Poly-ICLC als Adjuvans verabreicht. Die dabei induzierten Immunantworten beschränkten sich allerdings vor allem auf polyfunktionelle CD4⁺-T-Zellen [32]. Bei lediglich 6 behandelten Melanompatienten, die teilweise zusätzlich noch eine Behandlung mit Immuncheckpoint-Inhibitoren erhielten, muss diese Studie im Ergebnis sicherlich eher anekdotisch bleiben. Ähnliches gilt auch für eine entsprechende Strategie, bei der analog RNS mit solchen mutierten Sequenzen bei 13 Patienten eingesetzt wurde [33]. In beiden Studien konnten starke vakzinspezifische T‑Zellantworten nachgewiesen werden, jedoch konnte nur in 2 Patienten in der letztgenannten Studie auch gezeigt werden, dass die induzierten T‑Zellen tatsächlich die Tumorzellen erkennen, was durch die Infiltration eines entnommenen Tumorstücks mit antigenspezifischen T‑Zellen ex vivo belegt werden konnte. Dabei steht natürlich außer Frage, dass die klinische Relevanz noch klarer belegt werden muss und die Anzahl der behandelten Patienten für valide Aussagen bisher noch nicht ausreicht.

Was die angeführten Studien aber zumindest zeigen können, ist, dass sich das Konzept der individuellen Formulierung eines Arzneimittels als Tumorvakzine grundsätzlich bei Tumorerkrankungen umsetzen lässt [34]. Dafür mussten bereits wesentliche Herausforderungen bewältigt werden, beispielsweise mit maschinellem Lernen [32] oder anderen Ansätzen individuelle Zielstrukturen zu definieren, um ein Medikament nach entsprechenden Spezifikationen kurzfristig herzustellen und freigeben zu können. Eine erste klinische Studie in Glioblastompatienten konnte aktuell zeigen, dass die Behandlung von Patienten mit einer solchen Strategie machbar ist [22]. Auch in dieser Studie konnten starke vakzinspezifische T‑Zellantworten belegt werden. Von besonderem Interesse für solche Strategien sind Tumoren mit hoher Mutationslast, in denen sich beispielsweise mutierte Peptide auf HLA nachweisen lassen [19], was in anderen malignen Tumoren bisher aber nur in Ausnahmefällen gelingt [35‐37].

Es stellt sich damit weiterhin die Frage nach der optimalen Auswahl der Tumorantigene für Impfstoffe [38]. Auf Basis genomischer Tumormutationen vorhergesagte, aber nicht validierte mutierte Neoantigene sind sicherlich nicht der richtige Weg. Ebenso wichtig und dringend ist die Suche nach geeigneten Adjuvanzien, die eine effektive Immunantwort hervorrufen, um endlich eine klinische Wirksamkeit von Impfstrategien gegen maligne Tumoren zu erreichen.