Dem Immunsystem die Augen öffnen - Helmholtz Zentrum München

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Dem Immunsystem die Augen öffnen - Helmholtz Zentrum München

INSTITUT FÜR MOLEKULARE IMMUNOLOGIE GENFORSCHUNG

Immun

Dem Immunsystem

die Augen öffnen

Krebs - in einer Gesellschaft, die viele der klassischen Infektionskrankheiten

besiegt hat, bleibt das unkontrollierte Wachstum körpereigener Zellen als eine

Bedrohung für das Leben übrig. Mit zunehmendem Alter steigt das Risiko,

dass Zellen entarten. Gefährlich sind Krebserkrankungen nicht nur wegen

des rasanten, unkontrollierten Wachstums einzelner Zellen, sondern auch,

weil die körpereigene Abwehr nicht oder viel zu langsam reagiert.

Ziel der Arbeiten einer Gruppe am Institut für Molekulare Immunologie

in Großhadern ist es, diese körpereigenen Abwehrkräfte zu mobilisieren. Um

den Körper in seinem Kampf gegen den Tumor zu unterstützen, wollen Dolores

Schendel und ihr Team das Immunsystem mit Hilfe einer Impfung aufwecken.

Zielorgan von Impfungen, wie sie

am Institut für Molekulare

Immunologie zur Aktivierung des

Immunsystems durchgeführt werden,

sind die T-Zellen: In wachem Zustand

können sie mit einem porenbildenden

Molekül ein Loch in die Zellwand

des Tumors stemmen und ein

Enzym einschleusen, das dessen

DNA erkennt, attackiert und klein

schneidet. Bis zu 50 Krebszellen

könnte eine T-Zelle so vernichten.

„Wenn wir sie nur richtig wecken“,

hofft Arbeitsgruppenleiterin Elfriede

Nößner, „dann bekommen wir

erstens mehr und zweitens auch viel

schärfere Zellen.“ Das Geheimnis ist

offenbar das richtige Signal. Mit gen-

technischen Veränderungen wollen

die Forscher nun Tumorzellen so präparieren,

dass sie im Körper die

Alarmglocken läuten.

Tumorzellen verstecken sich

Jedes Schnupfenvirus bringt das

Immunsystem auf Trab, warum nicht

http://www.gsf.de/Forschung/Institute/imi_intro.ptml

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GENFORSCHUNG

GENFORSCHUNG

INSTITUT FÜR MOLEKULARE IMMUNOLOGIE

Tumorzellen im Einsatz gegen sich selbst

Für eine ausreichende Aktivierung muss

eine T-Zelle zwei Signale an unterschiedlichen

Empfängern auf ihrer Oberfläche

erhalten: Bei einer klassischen Immunantwort

hat eine antigenpräsentierende Zelle

den Feind erkannt und dockt mit dem charakteristischen

MHC-Peptid an den T-Zell-

Rezeptor. Gleichzeitig muss aber noch „die

Glocke geläutet werden“ - dies erfolgt über

ein zweites Oberflächenmolekül auf der

Zelle, das B7-Molekül. Es bindet an einer

anderen charakteristischen Stelle der T-Zelle

neben dem T-Zell-Rezeptor. Weiterhin wird

ein löslicher Botenstoff, ein Zytokin wie Interleukin-2

(IL-2), benötigt, um der T-Zelle das

nötige Signal zur Vermehrung zu geben.

Tumorzellen präsentieren zwar das MHC-

Peptid und binden so an die T-Zelle, aber

auch die Tumorzelle? Offenbar versteckt

sie sich und schickt nicht alle

Signale aus, die nötig wären, um die

T-Zell-Abwehr zu motivieren.

Wie gelangt man aber zu einer

meist fehlt ihnen das zweite Verbindungsstück,

das B7-Molekül - und sie schütten

keine Zytokine aus. Die T-Zelle, der damit die

entscheidende Ko-Stimulation fehlt, ist

blockiert und für den Kampf gegen die

Tumorzelle verloren.

Schnell finden sich, nachdem dieser Mechanismus

einmal verstanden ist, Antworten:

Rüstet man eine Tumorzelle mit einem

zusätzlichen Oberflächenmolekül B7 aus und

verleiht ihr noch die Fähigkeit, Interleukin-2

zu produzieren, dann sollte eine derart zur

antigenpräsentierenden Zelle umgerüstete,

„scharfe“ Tumorzelle bei der Begegnung mit

einer T-Zelle diese aktivieren und vor allem

das Immunsystem derart in Schwung bringen,

dass es auch noch die übrigen, nicht

modifizierten Tumorzellen mit eliminiert.

„richtigen“ Aktivierung? Idealerweise

beginnt dies mit Tumorzellen des

erkrankten Patienten („autologe Impfung“),

nur ist oftmals das Material

ungenügend und die nötigen Veränderungen

dauern lange: Genügend

Tumormaterial muss gewonnen werden,

außerhalb des Patienten kultiviert

und umprogrammiert werden -

eine mühevolle Arbeit, die selten im

ersten Anlauf gelingt. Die zweitbeste

Lösung läuft über gut charakterisierte

Zelllinien eines eng verwandten

Tumors („allogene Impfung“). Die

anstelle des Tumors verwendete Zelllinie

muss die Erkennungssignale,

also die Antigene präsentieren, die

auch dem Tumor des Patienten entsprechen.

Durch geschickte Auswahl

*

*

Histologische Färbung eines Nierenzellkarzinoms (links) und einer Normalniere (rechts)

links: Typische Spinnweb-artige Struktur eines Nierenzellkarzinoms, rechts: Normalniere mit Nierentubuli, * Nierenglomeruli. Rote Pfeile deuten auf rot

gefärbte T-Zellen. (Zellkerne sind blau gefärbt)

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Genmodifikation von Tumorzellen: Impfstoff zur Aktivierung des Immunsystems gegen den Tumor

Tumorzellen besitzen im Regelfall veränderte Oberflächenstrukturen, durch die sie sich von normalen Gewebezellen unterscheiden. Dennoch kann das

Immunsystem meist nicht auf diese Veränderungen reagieren, weil zusätzliche Signale (Kostimulationsmoleküle und Zytokine) fehlen.Um nun Tumoren für

das Immunsystem besser sichtbar zu machen, werden die Tumorzellen mit den fehlenden Genen für Zytokine und Kostimulationsmoleküle ausgestattet.

Diese genetisch veränderten Tumorzellen vermehrt man in speziell dafür ausgestatteten Laboratorien, um sie den Patienten als Impfstoff ("Tumorzellvakzine")

zu verabreichen. Die Hoffnung ist nun, dass die genetisch veränderten Tumorzellen alle Signale aussenden, um die T-Zellen des geimpften Patienten

zu aktivieren. Aktivierte T-Zellen können im Körper Metastasen aufspüren und diese zerstören.

der Tumorzellen kann so zumindest

für eine kleine Gruppe von Patienten

eine wirksame Zellkultur angelegt

werden.

Mit der Impfspritze gegen das

Nierenzellkarzinom

Im Institut für Molekulare Immunologie

entschied man sich nun für eine

bestimmte Tumorzelllinie - eine Nierenzellkarzinomlinie.

Schon an der

Universität München kooperierte die

Arbeitsgruppe von Dolores Schendel

mit Prof. Dr. med. A.Hofstetter, dem

Direktor der Urologischen Klinik und

Poliklinik in Großhadern. Seit 1998, als

Direktorin des Instituts für Molekulare

Immunologie an der GSF, fällt ihr die

Kooperation noch leichter - das Institut

ist in Großhadern gleich gegenüber

dem Klinikum untergebracht.

Das Nierenzellkarzinom ist der

häufigste bösartige Tumor der Niere.

Chemo- oder Strahlentherapie bleiben

häufig wirkungslos -trotz operativer

Entfernung des Primärtumors

sterben 30 bis 50 Prozent der Patienten

innerhalb von fünf Jahren. In einzelnen

Fällen bildet sich der Tumor

jedoch spontan zurück - dies ist ein

Hinweis darauf, dass zumindest bei

einigen Patienten das Immunsystem

in der Lage ist, die Tumorzellen zu

erkennen und zu zerstören.

Erste Versuche, das Immunsystem

zu stimulieren, wurden mit der Verfügbarkeit

gentechnisch hergestellter

Medikamente möglich: Der Botenstoff

Interleukin-2, den der Körper in

kaum messbar geringen Konzentrationen

produziert, ließ sich im Labor

nachbauen und in vergleichsweise

größeren Mengen gentechnisch produzieren.

Die IL-2-Spritze führte bei

ersten Therapieversuchen bei etwa

einem Sechstel der behandelten

Patienten auch tatsächlich zu einer

Immunantwort. Allerdings war die

Dosis im Vergleich zu den Konzentrationen,

die der Körper gewöhnt ist,

zu hoch für einen Botenstoff, der an

den unterschiedlichsten Orten die

unterschiedlichsten Reaktionen auslöst

- starke Nebenwirkungen waren

die Folge.

Tumoren mit ihren eigenen

Waffen bekämpfen

So entstand das Konzept, die IL-2

Produktion auf den Ort zu begrenzen,

an dem sie auch gebraucht wird

- am Ort der Interaktion von Tumorzelle

mit T-Zelle. Dies gelingt, indem

man Tumorzellen mit dem Gen für

IL-2 ausstattet. Impft man dann

Patienten mit diesen gentechnisch

veränderten Tumorzelllinien, so wird

das IL-2 nur lokal produziert, steht

aber gleichzeitig den T-Zellen, die an

die Tumorzellen andocken, in ausrei-

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chender Menge zur Verfügung. Die

Herstellung einer IL-2 produzierenden

Tumorzelllinie ist nicht einfach,

da die Tumorzellen außerhalb des

Körpers sehr schlecht wachsen. In

Großhadern konzentriert man sich

derzeit auf zwei Zelllinien, die schon

vor zehn Jahren am Institut für

Immunologie der Universität bei

Patienten aus der Urologischen Klinik

entdeckt worden waren. Bei ersten

Testreihen hatten mehr als die Hälfte

der untersuchten Patienten T-Zellen,

die auf Antigene dieser Tumorzellen

ansprachen, sie im Reagenzglas

erkannten und auch zerstörten - allerdings

viel zu langsam.

Jetzt galt es, diese Tumorzellen

gentechnisch zu verändern. In der

Arbeitsgruppe von Thomas Blankenstein

am Max-Delbrück-Centrum für

Molekulare Medizin in Berlin wurden

die Gene für IL-2 und das Oberflächenmolekül

B7 in die Tumorzellen

eingeschleust. Für den Gentransfer

bereiten die Münchner Forscher

die Zellen vor: Eine Lage an Zellen

wird auf den Boden einer Kulturschale

ausgesät und mit einem Nährmedium

überdeckt. Wissenschaftlerkollegen

in Berlin entfernen das Nährmedium

bis auf eine dünne Schicht,

damit die Zellen atmen können.

Denn die Zellen müssen gesund und

teilungsaktiv sein, um anschließend

das Virus anzunehmen, schließlich

wird die neue Erbinformation für die

zellulären Alarmglocken erst bei der

Teilung in das Genom der Tumorzellen

eingebaut.

Der Vektor, also die Erbinformation,

die das Virus einschleust, enthält

zusätzlich ein Gen für eine Resistenz

gegen ein Antibiotikum. Kultiviert

man nun die Zellen nach dem Gentransfer

mit etwas Antibiotikum im

Nährmedium, so überleben nur die

Zellen, bei denen tatsächlich die neue

Erbinformation eingebaut wurde.

Aber auch die erfolgreich bearbeiteten

Dendritische Zellen

gehören zu den besten Antigen-präsentierenden Zellen, die der Körper zu bieten hat. Ihre Vorläufer kursieren im Körper

und nehmen dort verdächtige Antigene auf, die sie im Zuge ihrer Reifung im Lymphgewebe den T-Zellen präsentieren.

Darauf basierend geht man nun am Institut für Molekulare Immunologie neue Wege: RNA soll aus den Tumorzellen

von Patienten in dendritische Zellen eingeschleust und damit die Patienten geimpft werden.

Tumorzellen brauchen eine Weile, um

zu wachsen - viele Zellen sterben,

weil das Virus sein trojanisches Pferd

an ungeeigneter Stelle im Genom platziert,

andere wachsen nur langsam -

im Idealfall würden sie sich alle drei

Tage verdoppeln. Bis sich das Zellsystem

stabilisiert hat, bis die besten Zellen

sich durchgesetzt haben, vergehen

zwei bis drei Monate.

Erste Versuche stimmen

zuversichtlich

Aus einer Zellkultur-Flasche sind

fünf geworden, wenn die Post sie

wieder nach München zurück bringt.

Hier müssen die Zellen weiter auswachsen,

währenddessen wird getestet:

Sind die gewünschten Gene eingebaut

worden und sind sie auch

aktiv? Dass die Kultur lebt, heißt

zunächst nur, dass die Antibiotika-

Resistenz richtig eingebaut und aktiviert

wurde - ob die IL-2 und B7-

Gene funktionieren, zeigt erst das

Experiment.

Werden die T-Zellen wirklich besser

stimuliert? Aus dem Blut von

Patienten und von Gesunden werden

T-Zellen isoliert und mit den neuen

Impf-Zellen behandelt. Vermehren

sich die T-Zellen? Nach einer Woche

werden sie gezählt und gegen unveränderte

Tumorzellen eingesetzt, um

zu erfahren, ob die Zelllinie als Impfstoff

wirksam ist. Die Münchner und

Berliner Forscher sind zuversichtlich:

„Bisher sind alle Experimente mit

zwei bestimmten Zelllinien erfolgreich

verlaufen. Doch bevor die

ersten Patienten behandelt werden

können, müssen wir noch einige

Tests absolvieren, die die Sicherheit

der Patientenversuche gewährleisten

sollen“ dämpft Elfriede Nößner den

Optimismus etwas. Zwei Monate

dauert es, bis aus einer Starterkultur

Material für 20 Patienten herange-

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Verräterische Signale aus dem Zebrafisch

„Proteomics“ sind heute in aller Munde - die

Identifizierung von Proteinen und Suche nach

ihrer Funktion. Mit der Entschlüsselung des

menschlichen Genoms weiß man noch nichts

darüber, ob ein Gen überhaupt im Einsatz ist,

ob es abgelesen wird, welches Protein mit

dieser Information entsteht und wie sich dieses

Protein an welchem Ort im Körper verhält.

Die Arbeitsgruppe von Elisabeth Kremmer

sucht am Zebrafisch als Modellorganismus

mit Hilfe eigens konstruierter Antikörper

nach bisher nicht bekannten Zusammenhängen

zwischen Struktur und Funktion, die

Rückschlüsse auf die Entwicklung beim Menschen

ermöglichen. Mit Antikörpern können

in einer Proteinexpressionsbank für den

Zebrafisch das zugehörige Protein und dessen

kodierendes Gen identifiziert werden. Der

nächste Schritt: Welche Parallelen finden sich

in den gerade gewonnenen Genomdaten des

Menschen? Mit Hilfe dieser Technik hoffen

die Forscher, Ursachen für Fehlbildungen und

Krankheiten auf die Spur zu kommen.

32 Tage alter Embryo eines Zebrafisches

Über eine Farbreaktion sind die weiße Substanz im Gehirn und die Nervenfaserschicht der Retina

bräunlich hervorgehoben.

wachsen ist. Ein Patient bekommt

pro Injektion etwa 10 Millionen Zellen

aus einer Ampulle. Die Tumorzellen

werden dazu eingefroren und

bestrahlt, damit sie nicht mehr teilungsaktiv

sind - im Patienten dürfen

sie sich nicht mehr vermehren.

Mangels eines geeigneten Labors in

Deutschland prüft und zertifiziert ein

schottisches Labor Proben des Tumorimpfstoffs,

um Verunreinigungen auszuschließen.

Doch die langen Wege

sollen in Zukunft nicht mehr nötig

sein - am Labor für Tumorimmunologie

(LTI) der Urologischen Klinik in

Großhadern wird derzeit ein Prüflabor

eingerichtet, das gleichbleibende

immunologische Parameter wie den

Umfang der T-Zell-Aktivierung überwachen

soll.

Ein erster Einsatz des Tumorimpfstoffs

am Menschen ist von der

zuständigen Ethikkommission inzwischen

genehmigt worden. An je zehn

Patienten in Berlin und München, die

schon im Endstadium der Tumorerkrankung

sind, soll erprobt werden,

welche Dosis noch verträglich ist. Mit

diesem Wissen kann die nächste

Phase der klinischen Prüfung angegangen

werden.

Der direkte Weg über die RNA

Inzwischen geht die Forschung

weiter: Vielarmige Zellen, sogenannte

dendritische Zellen, die in der Nähe

der T-Zellen im Lymphgewebe vorkommen,

gehören zu den besten

Antigen-präsentierenden Zellen, die

der Körper zu bieten hat. Ihre Vorläufer

kursieren im Körper und nehmen

dort besonders gut verdächtige Antigene

auf, die sie dann im Zuge ihrer

Reifung im Lymphgewebe den T-Zellen

präsentieren. Darauf basiert ein

neuerer Ansatz, der das zeitraubende,

teure und gegenüber Verunreinigungen

empfindliche Zellkultur-Verfahren

ersetzen soll: In dendritische Zellen

soll aus den Tumorzellen von

Patienten gewonnene RNA direkt

eingeschleust werden - und damit der

Patient geimpft werden. Erste Versuche

ergaben bisher noch keine stabilen,

mit der Tumor-RNA ausgerüsteten

dendritischen Zellen. Elfriede

Nößner richtet ihren Blick in die

Zukunft: Unsere Wunschvorstellung

ist es, aus dem Tumorantigen ein charakteristisches

Stückchen Eiweiß, ein

Peptid mit etwa zehn Aminosäuren

herauszuschneiden oder synthetisch

herzustellen und der dendritischen

Zelle zum Vorzeigen mitzugeben. Bei

Melanomen funktioniert diese

Methode schon, beim Nierenzellkarzinom

noch nicht. Dolores Schendel,

Elfriede Nößner und ihre Mitarbeiter

sind aber schon auf der Suche nach

Antigenen und Peptiden, die dafür in

Frage kämen.


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